祁连县生态脆弱性评价及时空演变研究

张 蕊

(成都理工大学 地球科学学院, 四川 成都 610059)

0 引言

党的十八大以来,国家对生态环境的重视程度越来越高,相关的生态环境保护与恢复政策不断出台,各级政府对生态环境保护与恢复的认识也逐渐加深。在生态环境恢复与保护的过程中,使用遥感、地理信息系统(Geographic Information System，GIS)等技术能够对区域生态环境的特征进行精准分析,对生态环境的脆弱性进行评价,以此来为生态环境的保护与恢复政策提供数据参考[1]。生态脆弱性是生态系统的固有属性,由于自然或人为的原因对生态环境造成一定损伤后,生态系统的自净能力和修复能力低于生态环境退化的速度,生态系统的动态平衡被打破,由此而反映出的敏感程度称之为生态脆弱性,是反映生态系统自我调节能力的重要指标[2]。祁连县海拔较高,地势险要,全年温度低,地质环境复杂,环境先天比较脆弱,对其进行区域生态系统脆弱性评价,不仅可以正确认识区域生态脆弱状况,了解其空间分布差异,还可以对资源环境进行有效利用和管理,制定区域生态保护措施,对维持和进一步修复生态系统具有重要意义,同时也能够为该地区居民的生活质量提升提供生态环境的保障,这与满足该地区居民不断增长的美好生活需要相符合[3-4]。基于此,本研究结合该地区的遥感影像,通过选取评价因子、建立模型,对该地区的生态环境脆弱性进行评价,为统筹山水林田湖草综合治理,因地制宜开展生态修复与治理工作提供数据支撑和科学依据。

近年来,在研究区域生态环境脆弱性方面国内外学者们运用了多种方法,如层次分析法(AHP)、人工神经网络、模糊理论分析法和主成分分析法等。但是这些方法要么是单纯的主观分析方法,过分依赖于专家经验,要么是单一的客观方法,只从数据出发,没有太多的考虑实际背景,都具有一定的局限[5-6]。鉴于以上原因,本文采用主客观相结合的方法确定指标权重,运用层次分析法和熵权法对祁连县2005—2015年间生态脆弱性进行定量评价,并探讨其时空演变规律和驱动力。

1 研究区概况

海北州祁连县位于青海省东北部,地处祁连山中段加里东地段褶皱带,是连接河西走廊、环青海湖地区及丝绸之路、唐蕃古道的重要中转站。祁连县山地地形复杂,植被覆盖类型多样,境内的祁连山脉是我国重要的山系之一,同时旅游资源非常丰富,自然风景区有“中国十大最美丽的草原”之一的祁连山草原、风景秀丽的卓尔山和黑河大峡谷等,有着“东方瑞士,天境祁连”的美誉。境内平均海拔3 169 m,县城海拔2 787 m。海拔在4 000 m以上高山冰川广布,终年积雪,山脉间形成一系列盆地和断陷盆地,呈“四山夹四盆”之势。气候、土壤和植被垂直变化明显,气温随着海拔高度的逐渐升高而递减,全县境内年平均气温为 -1.8～1.0℃,年平均气压727.1 hPa,属高原大陆性气候。草原总面积1.12×106 hm2,占全县总面积的75.74%,其中可利用草原面积1.03×106 hm2,占草原总面积92.42%。草原种类主要包括高寒草甸草场、山地草原草场、高寒草场等草场类型。

2 研究数据及方法

2.1 数据来源

选取研究区植被归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)(来源于http:∥www.gscloud.cn/地理空间数据云)、高程、土壤、气候、地貌、经济、植被类型和气候区划等数据(均来源于http:∥www.resdc.cn/中国科学院资源环境科学数据中心)。2005—2015年植被NDVI数据源于MODND1M 中国 500M NDVI月合成产品,利用最大合成法(MVC),计算得出年度NDVI最大值;高程、坡度、地表起伏度由数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据计算获取。由于数据来源不同,需要统一坐标系和空间分辨率,所有数据分辨率为1 km×1 km,坐标系统为WGS_1984_Albers,研究区域均依据青海省祁连县行政区矢量边界裁剪获得。

2.2 研究方法

2.2.1评价指标体系的建立

在参考已有成果[7]的基础上,分别从自然因素、人为因素两个大类出发,选取年平均降水量、平均气温、土壤类型、高程、坡度、地表起伏度、NDVI、人口密度、人均GDP、土地利用等10个指标,完成该区域脆弱性评价指标体系的构建(表1)。

2.2.2确定权重

层次分析法(AHP)是一种系统性的分析法,通过专家经验并考虑数据的主观属性来确定权重[8]。熵权法是一种客观赋权法[9],通过各个指标值提供的信息确定权重,评价结果更为客观。通过两种主客观方法分别计算出权重,再借助多因子加权叠加数学模型完成区域脆弱性评价。

(1)熵权法

熵是对不确定性的一种度量,不确定性越大,熵就越大,包含的信息量就越大;不确定性越小,熵就越小,包含的信息量就越小[10]。熵权法的客观性决定了它依赖于数据本身的离散性,对实践经验的反映不高。熵权法的主要实现步骤如下:

①指标分类定级

由于10项指标数据类型和量纲存在差异性,无法直接对比,因此需要对其进行分类定级,以准确表征各指标对生态环境脆弱性的影响程度。本文选取的评价指标分为定量指标和定性指标,定量指标采用极差法进行标准化赋值,定性指标(包括土壤类型和土地利用类型),在借鉴相关研究成果[11-12]的基础上,采用分等级赋值法对评价指标进行定量化赋值,然后再通过极差法进行归一化处理。正向指标(包括平均气温、高程、坡度、地表起伏度和人口密度)的标准化公式为:

(1)

负向指标(包括年平均降水量、NDVI、人均GDP)的标准化公式为:

(2)

式中:yij为指标标准化值;xij为j指标下第i个栅格单元的值;max,min分别为j指标下最大和最小的栅格单元值。

②计算各指标的信息熵

(3)

(4)

式中:ej为信息熵;Pij为第j项指标下第i个栅格单元值占该指标的比重。

③计算各指标的熵权w1j

(5)

(2)层次分析法

层次分析法是比较常用的计算权重的方法,它以专家经验为主,计算各指标的主观权重,具体步骤如下:①建立层次结构模型。②将10个指标两两进行比对,对其重要性赋值,用1～9表示重要程度,构建判断矩阵。③计算各指标的权重并作一致性检验。本研究中最终一次性检验数据为0.054，小于0.1,通过验证。

(3)组合权重

(6)

式中:w1j为熵权法的权重值;w2j为层次分析法的权重值;wj为两种方法的组合权重。

2.2.3生态脆弱性指数

生态环境脆弱性是自然和人为因素共同作用的结果[13],本研究采用因子加权叠加模型,计算出不同时期祁连县生态脆弱性指数EVI,并基于研究区特点,结合国内相应研究[14],在祁连县区域综合生态脆弱性的评价上,采用五级脆弱程度划分对EVI进行分类定级(表2),有助于更好地掌握区域内脆弱性分布情况,便于分析区域生态脆弱性空间分布变化。生态脆弱性评价模型如下:

表2 祁连县区域生态脆弱性分级标准

(7)

式中:EVI为生态脆弱性指数;cj为第j个指标下栅格单元的标准值;wj为各指标的权重。

2.2.4生态脆弱性综合指数

为了更加直观表示不同时间段区域内生态脆弱性的变化趋势,本文采用生态脆弱性综合指数EVSI进行分析[15],计算模型如下:

(8)

式中:EVSI为生态脆弱性综合指数;Pi为各脆弱度区域的等级(1～5);Ai为第i级脆弱性的面积;S为区域总面积;EVSI值越大表示生态脆弱性越高。

3 结果分析

3.1 生态脆弱性时空演变分析

通过生态脆弱性评价模型得出2005、2010和2015年的EVI分布情况如图1所示,可以看出,祁连县EVI主要以中度和重度脆弱为主,2005年中度和重度脆弱面积和占全区的82.99%, 2010年有所改善,重度脆弱由原来的46.17%减少为27.20%,中度脆弱由原来的36.82%减少为34.41%,两部分面积和降低为61.61%,2015年重度脆弱减少至26.37%,中度脆弱减少至33.40%(表3),两部分面积和降低为59.77%。这2部分主要转移到轻度和微度脆弱,轻度和微度脆弱有所增加,极度脆弱变化幅度较小。在此基础上再计算得出2005年、2010年、2015年的EVSI值分别为3.39,2.78,2.72,EVSI值越低说明生态脆弱性越小,可以看出祁连县生态环境呈逐渐好转趋势。

图1 2005—2015年生态脆弱性指数(EVI)分布情况

表3 2005—2015年祁连县EVI脆弱度比例

3.2 驱动力分析

结合主客观方法计算出的各指标权重,分析造成祁连县生态脆弱性的驱动因素。由于祁连县本身地形地貌的原因,平均海拔3 169 m,最高海拔达到5 241 m,海拔4 000 m以上的地区终年积雪,环境存在先天性脆弱。将2005、2010、2015年3个时期的EVI分布图与DEM高程图和土壤类型图对比可以发现,高程和土壤类型与EVI分布的相关性较大,海拔高的地方土壤类型以寒冻土、冷钙土为主,不利于植物的生长,生态脆弱性也较高。从人为原因来看,土地利用类型、NDVI和人口分布密度是占比比较大的因素,随着近年来祁连县以生态文明为抓手,构建“三河源”生态屏障,通过河流污染治理、矿山环境治理、封山育林、退耕还林、退牧还草、有害生物防治等全方位的环境综合整治,土地利用类型中草地和林地的面积有大幅度增加,NDVI归一化植被指数逐年升高,这些因素都大大促进了祁连县生态环境的恢复。

4 结束语

本研究以青海省祁连县为例,选取了10个具有代表性的评价指标,综合层次分析法和熵权法确定各指标的权重,构建评价模型,对祁连县的生态脆弱性进行定量分析和评价,主要结论如下:

(1)从时间维度来看,2005—2015年,祁连县的生态脆弱性主要以中度和重度脆弱为主,通过十年间的数据对比,生态脆弱情况相对趋于好转,生态系统逐步恢复。

(2)从空间格局来看,祁连县生态脆弱性在空间上的分布具有较强的一致性,区域内生态脆弱性的空间分布特征对地理格局具有较强的依赖性。极度脆弱主要分布在高寒地区,这些区域植被覆盖率极低,一旦遭破坏,生态修复的难度极高,对于这些地区更需要严格有针对性的保护,同时也可以通过人工的方式选择适合高原生长的植被来增强生态抵抗力。

(3)随着祁连山生态保护与治理规划的推进,祁连县作为其中主要组成区域,积极推动山水林田湖草生态修复,建立生态环境损害责任终身追究制,强化生态保障功能。以黑河、大通河流域为单元,以森林、草地、湿地植被恢复和工程治理为重点,建设牛心山“万亩农场”、卓尔山造林基地,治理黑河流域沙化草地等等举措都收到了很好的效果,同时祁连县未来的生态保护还需要更多的探索,祁连县地区后续的治理工作,应当结合各个层次的情况,加强基础调研,结合遥感和地面监测手段,建立综合生态监测系统,实施更加针对性的生态环境治理与恢复的策略,推动复合型生态环境的逐渐好转,促进生态系统的多样性发展,最终实现自然生态系统-社会经济系统相互协调、相互促进和共同发展。