基于GIS的金川河流域生态系统健康评价*

李国霞,苏军德

(甘肃有色冶金职业技术学院,甘肃 金昌 737100)

流域生态系统是一定范围内生物群落与无机环境构成的有机整体，能够为人类提供必要的自然资源和生存环境，是人类赖以生存和发展的基础[1]。近年来，随着经济的发展和人类活动的加剧，流域内水土流失频发，生物多样性衰减，水源污染和土地荒漠化等问题日益加剧，致使流域生态系统遭到了严重的破坏。针对上述问题，国内外众多学者[2-5]已在不同流域建立了生态系统评价模型，但其以往的研究，评价指标较为单一，评价方法过于简单，不能有效地对流域生态系统进行评估。由此可见，如何客观、科学、全面地对流域生态系统进行评价，对流域生态系统的恢复及治理就显得尤为重要。

金川河作为河西走廊重要的内陆河，是典型的山地-绿洲-荒漠的复合生态系统，具有独立的地貌单元[6]，对区域社会经济发展和人民生活用水具有重要的作用。近20年来，由于流域内气候变化和人类活动的不断加剧[7]，尤其是人们围湖造田、过度放牧以及生产生活废水排入河道，致使流域内水质遭到污染，生态环境遭到破坏[8]。截至目前，有学者[9-10]采用部分评价指标对金川河流域生态环境进行了一定程度的评价，但对金川河流域生态环境质量的综合研究还相对较少。随着GIS技术在生态环境方面的广泛应用，使流域内生态环境的综合评价研究成为可能，本文就是基于GIS技术，采用“限制因子-健康指示因子-人类活动因子”的评价结构，对金川河流域的生态环境进行综合性评价，旨在探讨金川河流域生态系统的时空演变规律及其驱动机制，为流域内生态环境的保护与治理提供有力的科学依据，为生态系统的建设和区域经济的发展奠定理论基础。

1 研究区概况

金川河流域位于河西走廊东端，地处祁连山北麓，阿拉善台地南缘，属西北干旱区内陆河流[11]，水系呈放射状分布，流域总面积约1.08×104km2，年均气温7.9℃，年均降水量350 mm，日照时数2 219 h，多年平均径流量4.75亿m3。流域内海拔高差较大，地势自西南向东北倾斜，植物种类较少，种群结构相对简单，植被具有明显的时空差异性和垂直梯带性，随海拔的升高依次分布为荒漠草原、亚寒带针叶林、灌木丛和高山草甸。土壤以栗钙土、碳酸盐褐色土及山地高山草原土为主。流域内矿产资源丰富，上游以畜牧业为主，工矿业是下游的主要经济支柱，人口密度和人均收入在流域内具有明显的空间差异性。

2 材料和方法

2.1 数据来源及处理

本文所用Landsat5 TM校正影像、地形图、DEM高程图、各县的统计年鉴等基础地理数据由甘肃省环境科学设计院提供；中巴CBERS-02遥感数据在中国资源卫星应用中心免费下载；计算植物生产力(NPP)所需的NDVI、风速、海拔、植被种类、日照、土壤含水量等数据由甘肃省气象局卫星遥感生态监测室提供。由于本文所涉及指标种类较多且构成复杂，不同指标实际数值很难进行直接比较，因此为了便于比较和计算，在评价之前需对各项指标进行标准化处理，计算公式如下：

(1)评价指标为正指标时：

φij=10×(xij-xjmin/xjmax-xjmin)

(2)评价指标为负指标时:

φij=10×(xjmax-xij/xjmax-xjmin)

式中，φij为各指标标准化处理后的值;xij为各指标实际数值;xjmin和xjmax分别为各指标最小值和最大值。

2.2 评价指标的选择与筛选

本文通过现场考察、监测和历史资料查阅等方法选取了能够综合反映金川河流域生态系统健康状况的3类18个指标作为候选评价指标，其中，生态格局与功能指标包括植被覆盖度、景观多样性、景观破碎度、景观均匀度、生态弹性度、水源涵养功能、植被净初级生产力7个指数；生态压力指标包括流域面域污染、土地复垦指数、土地退化指数、人口密度、人均GDP、建设用地比例6个指数；水域生态指标包括水温、水体密数、河道连通性、水质状况、鱼类物种多样性5个指数。

为了能够综合反映金川河流域生态系统的各种属性和不同变化，同时还能保证评价指标间的相互独立性，本文对18个候选评价指数进行Pearson相关分析和主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，剔除对流域生态系统变化不敏感或贡献率较低的指标。

2.3 各指标权重确定

指标权重的确定方法一般有主观赋值法和客观赋值法，主观赋值法由于其赋值数据源自于各评价指标的实际数据，能够很好地避免人为主观判断的偏差[12]，被众多研究所采用。熵权法由于能够对多个评价指标的各因子进行赋值，既能保证客观合理，又能简化计算过程，因此，本文采用熵权法确定各指标的权重，确保不同指标在生态系统综合评价中保持其原有的重要性。各指标权重如表1所示。

表1 金川河流域生态系统综合性评价各指标权重值

2.4 综合评价模型

根据以往学者[13-14]对其它流域生态系统的综合评价方法，本文采用金川河流域生态系统的健康状态、限制因子以及与环境的响应因子等指标计算其综合健康指数，计算公式：

式中，EI为金川河流域综合评价得分值；wi为评价指标权重;xi为指标标准化处理后的值。

3 结果与讨论

3.1 评价因子分析

不同候选评价因子相关分析结果表明，生态格局功能指标中景观破碎度与景观多样性(r2=-0.465，p<0.001)和景观均匀度(r2=-0.398，p<0.001)呈极显著负相关，故剔除景观多样性和景观均匀度，其余因子间不存在明显的相关性，因此保留；生态压力指标中土地复垦指数、人口密度、人均GDP与其他因子均不存在明显的相关性，故保留，但土地退化指数和建设用地比例间存在显著的正相关(r2=-0.421，p<0.01)，故剔除建设用地比例因子；水域生态指标各因子间都没有表现出明显的相关性，故保留。

在相关分析的基础上，本研究对保留的15个因子进行了主成分分析，分析结果表明(如表2所示)，第一，主成分主要由水源涵养、面域污染、土地复垦指数、土地退化指数和河道连通性5个因子构成，其主要反映了人类活动对流域生态系统的影响；第二，主成分主要由植被覆盖度、植被初级生产力和生态弹性度构成，其主要描述了植被状况对流域生态系统的重要影响；第三，主成分主要由水温、水体密度和水质状况构成，主要反映了河流环境对流域生态系统的影响程度。鱼类的存活状况虽能够反映一定区域的干扰程度，但根据调查统计，金川河流域鱼类资源较为贫乏，且流域鱼类密度较小，因此对流域生态系统变化的贡献率较小。

根据上述分析，最终筛选水源涵养、面域污染等14个因子作为金川河流域生态系统的评价因子。在这些评价因子中，水源涵养作为生态系统的重要功能，具有降低水土流失，增加森林截流和下渗的作用，能综合反映人类活动对生态系统的扰动程度[15]；土地复垦指数是衡量环境遭受环境破坏程度的重要指标，其稳定性直接影响着整个流域生态系统的生命周期，其数值越大，代表环境破坏越严重，同时也反映出人类活动对生态系统的干扰较大；水温是水域生态系统的一个重要因子，随着时间和空间的变化而变化，不仅影响着水体的理化性质和水生生物的生理结构，而且也反映着人类活动对水体的影响状态[16]。

表2 不同评价因子的主成分分析(下划线表示载荷大于0.8的入选评价指标)

3.2 不同评价指标对流域生态系统健康的影响

金川河流域不同河段各评价指标计算结果表明(如图1所示)，流域内生态系统各评价指标具有明显的空间异质性。首先，上游区域由于地处高原，土地利用类型以草地为主，约占其总面积的77.56%，净初级生产力(NPP)值在6.2～10之间，植被覆盖度高达65%；其次，上游区域人口密度相对较小，土地复垦率相对较低，且主要以畜牧业为主，对流域水质的污染程度也相对较低,如表3所示，因此其生态格局与功能指标和生态压力指标的贡献值相对较高；下游地区水域生态指标得分较低，主要是因为下游区域位于绿洲边缘的荒漠区域，且有众多工矿企业分布于此，加之人口密度较大，人类活动较强，进而导致金川河流域面域污染指数较高，河道受到严重污染，致使水域生态指标较低，同时也说明人类活动对水生环境的干扰和污染物的排放是造成流域生态系统退化的主要原因。根据实地调查，金川河流域下游地区除有众多工矿企业外，此区域土地复垦面积较大，农业生产活动中产生的N、P等营养元素以及农药和无机污染物质通过地表径流和农田渗漏对流域水质产生了较大的污染。

图1 金川河流域不同河段各评价指标健康分值

金川河流域不同河段3类评价指标的贡献大小表现出生态压力指标>生态格局与功能指标>水域生态指标，如图1所示。通常来说，熵权法中各指标的权重并不代表某类指标的重要程度，而是反映了各指标在竞争意义上的激烈程度，也就是表明各指标能够反映信息量的多寡程度[17]。上述结果表明，生态压力指标在金川河流域生态系统健康评价中提供的信息量最多。生态压力指标中的面源污染作为流域生态健康的重要因子，是通过降雨和地表径流的冲刷，将大气和地表中的污染物带入受纳水体，使其遭受污染的现象[18]，能够很好地反映不同时空尺度上由于人类活动而引起的物理、化学和生物的影响能力，进而体现人类活动对流域生态环境多时空尺度上造成的累计效应，常被作为流域生态系统健康评价的必选因子。

金川河流域作为祁连山中部的重要内陆河流，近年来受到了许多学者的关注，袁春霞选择气候变化和人类活动2方面因素对流域生态系统进行定性评价，结果表明金川河流域处于亚健康状态[6]。流域生态系统是一个集社会、经济和自然三个方面的复合生态系统[19]，在有关外部压力指标中更多的考虑气候突变，并赋予较高的权重，但气候变化是一个动态的过程，且气候变化也主要是通过改变植被来间接影响流域生态系统的。因此，只选择气候变化和人类活动2方面的因素对流域生态系统进行综合性的定性评价，并不能体现流域社会和经济等方面的特征，会导致评价结果具有一定的片面性和主观性。与以往研究相比，本文在指标构建中充分考虑流域生态系统内部和外部因素，在自然限制因子和人类活动因子的基础上，创新型地加入生态系统健康指示因子(包括生态系统景观特征、植物多样性、植被指数、水资源、土地侵蚀状况等)，能够更为全面地对流域生态系统健康变化的趋势和现状进行评估，在一定程度上避免了片面性和主观性。

3.3 金川河流域生态系统健康评价

流域生态系统的健康状况是限制因子、指示因子和人类活动共同作用的结果，但不同因子之间往往也相互影响，为了更好地对金川河流域生态系统进行综合评价，本文在对金川河流域特殊的地理生态环境、社会环境调查分析的基础上，参照国内外相关研究标准，将金川河流域生态系统优良划分为以下五个等级：相对优(8.51～10)、良好(7.01～8.50)、一般(5.51～7.00)、较差(3.51～5.50)和极差(0～3.50)。上述五类区域得分值、面积统计分析表明(如图2所示)，金川河流域从上游到下游，从山地、绿洲到荒漠，生态系统综合性评价得分呈梯状递减，且具有明显的空间异质性。金川河流域生态系统相对良好的区域主要分布在上游的皇城山地草原，面积为755.5 km2，占流域总面积的7.0%，这主要是因为此区域分布有大量的草地和林地，且以畜牧业为主，加之人口密度较小，土地复垦率较低，系统结构合理，活力较强，能够满足或维持区域内生态系统的需要；除此之外，近年来国家加强了对祁连山保护区的治理，禁止了过度放牧、不合理开采、乱砍乱伐等现象，致使植被状况和生态弹性都较好。相对一般的区域集中分布在永昌县绿洲区，面积为2 532.6 km2，占流域总面积的23.3%，此区域人口密度较高，农业生产活动较为频繁，土地复垦率较高，生态系统功能相对完善和稳定，能够满足可持续发展需求，且适合人类生存，但该区域生态敏感性较强，易受自然资源条件的约束和人类活动的影响。

表3 金川河流域生态系统各评价因子区域单元指标值(标准化后值)

图2 金川河流域生态系统综合评价等级分布

相对较差的区域主要分布在流域中下游的人工绿洲区，面积为3 409.67 km2，占流域总面积的31.3%，此区域由于生态系统相对脆弱，且系统结构不够合理，易受到人类活动的干扰，现已出现异常状态；相对极差的区域主要分布在荒漠区，面积为4 180.2 km2，占流域总面积的38.4%，由于此区域土地利用结构单一，荒漠化程度较为严重，且每年以0.4%的速度增加，由于上游大量的水电站致使下游河道干沽，水生态环境进一步恶化；更为甚者，该区域内不合理的生产方式促使在农业生产过程中截流取水、围河造田、乱排乱放，致使该区域内水土流失严重，水土流失面积达4 732.67 km2，侵模指数约3 100 t/km2·a，从而导致流域生态系统活力降低，甚至出现严重恶化现象，不适合人类的长期生存，流域内并未出现相对优的区域。由此可见，流域生态系统的变化是人类生产活动、社会经济发展水平和自然限制因子共同作用的结果[20]，加强流域生态环境的保护及禁止不合理的人类活动，加大生态恢复力度，构建生态系统的完整性及多样性是改善区域生态系统的重要手段。

4 结 论

基于金川河流域生态系统内部因素、外部因素及人类活动因子构建了包含生态格局与功能、生态压力及水域生态3方面的流域生态系统健康评价体系，并采用相关分析法和主成分分析法对评价因子进行了分析研究，在此基础上运用熵权法对各评价因子进行了权重确定并对金川河流域生态健康状态进行了综合性评价，结果显示流域内生态系统健康指数在1.5～8.0之间，但具有明显的空间异质性，上游生态系统健康状况较好，中下游生态系统有明显的恶化趋势，总体表现为较差。各评价值对流域健康的影响有明显的差异，在流域内不合理的种植结构和土地利用方式是导致生态健康退化的主要原因，建议加强流域内面源污染负荷的排放及调整土地利用方式，以有效地改善流域的健康状况。