2005—2015 年挠力河流域生态系统承载力评价研究

曾星雨，曲 艺，张弘强，李海燕，崔 玲，罗春雨

（黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨 150040）

0 引言

承载力作为评价生态系统质量的一个因素，反映生态系统在内部结构和功能不被损害的前提下，生态系统对人类活动和外界干扰的承载能力。本文研究挠力河流域生态系统承载力可以为加强挠力河流域生态系统整体保护和修复、提升生态系统质量工作提供一定的参考。

1 研究区概况

挠力河流域位于黑龙江省三江平原腹地，是乌苏里江左岸的重要河流之一，发源于完达山脉的北坡。该区域总面积约2.48×104平方千米，占三江平原总面积的1/4，是国家重要的商品粮生产基地。行政范围包括宝清县，富锦、饶河、友谊、七台河、集贤和双鸭山以及建三江和红兴隆农垦部分地区（图1）。

图1 研究区位置及范围

2 数据来源

研究的主要数据有遥感数据、基础地理数据和社会经济数据。遥感数据有初级生产力NPP，即分辨率为1 km、16 天合成的MOD13A2 数据；由Landsat TM遥感影像解译的2005、2010、2015 年3 期土地利用数据；利用遥感数据计算人类干扰指数、垦殖系数、植被覆盖率、斑块密度等相关指标；人口密度数据来源于徐新良[1]的中国人口空间分布公里网格数据集。基础地理数据为挠力河流域的边界矢量数据。

3 研究方法

3.1 基于RS，GIS 手段

采用RS 监督分类的最大似然法对遥感影像进行解译，空间精度为250 m×250 m，分析挠力河流域生态系统的承载能力，使用ArcGIS 的Spatial Analyst Tools的Raster calculator 功能计算每个栅格的指数，并对其使用自然断点分类，由高到低分为5 个等级：量值在85～100 为第一等级，生态系统承载力强；量值在70～85为第二等级，生态系统承载力较强；量值在55～70 为第三等级，生态系统承载力一般；量值在35～55 为第四等级，生态系统承载力差；量值在10～35 为第五等级，生态系统承载力较差。

3.2 层次分析法

层次分析法（The Analytic Hierarchy Process）简称AHP 法。层次分析法是一种将定性与定量分析方法相结合的多目标决策分析方法。通过将复杂问题进行层层分解，判断两两指标的相对重要程度，建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，判断不同方案重要性的权重，为最佳方案的选择提供依据[2]。层次分析法能够有效防止定性分析中主观偏好所产生的负面作用，处理不能百分之百运用定量分析解答的科学问题，在安全科学和环境科学领域方面得到应用[3-5]。本文以层次分析法为基础，确定影响挠力河流域生态系统承载力指标的最终权重。

3.3 生态系统承载力指数的构建

3.3.1 评价指标的选取。本文选取人口密度、人类干扰指数、垦殖系数作为压力指标[6]，体现自然灾害、人类社会经济活动等对生态系统造成的威胁，从而对生态系统的健康产生的影响。选取初级生产力、生物丰度指数作为体现生态系统活力，平均分维数、斑块密度体现生态系统的组织结构衡量生态系统结构和功能是否稳定，生态弹性度指数反映生态系统受到外界干扰后恢复弹性[7]。选取NDVI 变化比例、植被覆盖率为响应指标[8]，分析生态系统及其组成造成生态退化的负面影响。

3.3.2 指标权重计算。在确定生态承载力的评价指标后，要确定指标权重，本文采用AHP 层次分析法确定垦殖系数、人类干扰系数等、人口密度等11 个评价指标的权重。针对垦殖系数、人类干扰指数、人口密度、NDVI 变化比例、斑块密度、平均分维度、生态弹性度、生物丰度、多样性指数、植被覆盖率、净初级生产力共11项构建11 阶判断矩阵进行AHP 层次法研究，分析得到特征向量为：0.809、1.239、1.191、1.091、0.944、0.731、1.209、1.166、0.828、1.028、0.765，并且对应的权重值分别 是：7.351%、11.260%、10.828%、9.916%、8.578%、6.641%、10.994%、10.603%、7.530%、9.341%、6.957%。

用AHP 层次分析法进行权重计算时，需要进行一致性检验分析，判断思维的逻辑一致性。本次针对11阶判断矩阵，CI=0.000，RI=1.520（查表）本次研究判断矩阵满足一致性检验。

3.3.3 生态系统承载力指数计算。通过层次分析法，确定指标的权重，计算生态系统承载力指数，计算公式如下：

CEBCIt,k为像元k 第t 年的初级生态系统承载力指数，n 为指标个数，wt,k,i为像元k 第t 年第i 项指标的权重值，xt,k,i为像元k 第t 年第i 项指标标准化后的值。

对初级生态系统承载力线性拉伸，量化生态系统承载力：

EBCIt,k为像元k 第t 年的生态系统承载力指数，a为拉伸系数，CEBCIMAX和CEBCIMIN分别为生态系统承载力指数年均值的上、下限。

4 挠力河生态系统承载力评价

基于上述生态系统承载力指数构建，得到2005—2015 年挠力河流域生态系统承载力的空间分布情况（图2、图3、图4）。经过空间统计可知，2005 年、2010年、2015 年期间，挠力河流域承载力指数EBCI 的平均值分别为79.90、76.04、74.44，标准差为8.07、9.32、7.89。挠力河流域生态系统承载力水平10 年间呈持续下降趋势，2005 年至2010 年承载力下降4.83%，2010年至2015 年降低2.10%。

图2 2005 年承载力空间分布

图3 2010 年承载力空间分布

图4 2015 年承载力空间分布

将挠力河流域的生态系统类型划分为森林、草地、湿地、农田和城镇五大生态系统，将其与挠力河流域承载力指数进行叠加分析，2005 年至2015 年期间，森林生态系统承载力均值分别为87.90、87.37、84.20；草地生态系统承载力均值分别为80.06、72.57、74.62；湿地生态系统承载力均值分别为72.22、67.22、67.11；农田生态系统承载力均值分别为75.79、72.18、71.15；城镇生态系统承载力均值分别为79.33、67.57、70.23。从区域生态系统承载力指数EBCI 的年际变化角度分析，森林、湿地以及农田生态系统表现出2005 年至2015 年承载力水平持续降低，草地生态系统和城镇生态系统承载力水平则先下降后上升，但总体呈降低的趋势。城镇生态系统承载力水平变化最大，森林生态系统承载力水平变化最小，森林生态系统对总体承载力水平贡献最大（图5）。

图5 挠力河流域2005、2010、2015 年不同生态系统类型的承载力均值

5 结论

本文以MODIS 数据产品MOD13A2、以及解译的三期土地利用数据、人口密度等数据为基础，分别选取人口密度、人类干扰指数、垦殖系数、净初生产力、生物丰度等11 个指标，构建生态系统承载力指标评价体系，定量评价2005 年、2010 年和2015 年挠力河流域生态系统抵御人类活动和外界干扰的能力。

研究表明，生态系统承载力指数EBCI 由2005 年到2015 年呈持续下降趋势，2005 年、2010 年和2015 年的生态系统承载力指数分别为79.90、76.04 和74.44。从不同生态系统类型角度出发，森林对承载力指数贡献最高，湿地则最低。城镇生态系统承载能力变化最为显著，森林、湿地和农田生态系统承载能力总体持续降低，草地和城镇生态系统先下降后上升，总体呈下降趋势。