山东省黄河流域生态系统质量分析与评价

孟祥亮张雨煊孟飞郭霖付萍杰

(1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南 250101；2.山东省生态环境监测中心，山东 济南 250101)

0 引言

生态系统是由于生物群落和其他不同的生态环境发生相互作用后所形成的一个统一性整体，而人类又正是这个生态系统的组成部分。生态系统问题是当今受到广泛关注的科学技术研究课题之一，全球面临的各种自然资源与环境问题的应对，主要是对其结构、功能、多样性、稳定性等方面的研究，对我国经济社会更好地发展具有重要意义。生态系统质量可以从以生产力为基础的生态系统服务功能、对生态系统服务功能稳定性和对生态系统承载力等3个方面进行评价[1]。

近年来，生态系统评估受到广泛的关注，分别以省或州为单位对生态系统进行了大量的研究，并将评估结果与生态保护和国家经济发展相结合[2-4]。国内在生态系统质量状况研究方面也有较多的积累[5-9]，如陈永林等[10]利用景观格局指数的变化反映生态系统质量的变化，阐明红树林湿地生态系统质量；朱坚等[11]通过组合赋权法确定权重建立生态系统质量评价模型，以宁波市为例评价了城市生态系统质量情况。肖洋等[12]以生物量因子和植被覆盖度因子为基础建立评价模型，评估了2000—2010年间蒙古地区的生态环境质量。刘永等[13]提出了一种针对滇池湖泊生态系统的评估指标和研究方法，以滇池湖泊为例评估其湖泊生态系统。已有的研究主要集中在单一生态系统质量状况分析，而对多种生态系统类型组成的生态系统质量综合评价研究较少，缺少对生态系统质量的综合评价[14-15]。

黄河流域是集林地、草地、河流、城镇、农田等为一体的复合生态系统类型，黄河流域生态环境系统比较脆弱，易受人为干扰，因此研究其生态系统质量对加强流域保护治理有着重要意义。文章利用遥感技术，选取生态系统质量评价指数，评价了2005—2019年山东省黄河流域林地、草地、农田、城镇4 大生态系统质量，以期为黄河流域保护提供科学的参考依据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区概况

黄河从山东省菏泽市东明县进入山东省内，流经9 市25 县(市、区)，在东营市垦利区汇入渤海，境内黄河河道总长为628 km、流域土地面积为1.83 万km2。山东省黄河流域行政区划图如图1 所示。所用地图审图号为鲁SG(2022)025 号。黄河流域地区属温带季风气候，其年平均气温12 ～14 ℃、年均降雨量为500～800 mm，光照时数年均在2 290～2 890 h 间。近年来，山东省将黄河流域作为重点生态保护和恢复区域，并通过创建森林城市，采取改善绿化和提高生态质量的方式，继续推动黄河沿岸地区的生态保护和恢复工作[16]。黄河流域国土生态空间的不断优化和生态功能的逐步加强，为黄河流域的高质量发展提供了支持和保证。

图1 山东省黄河流域行政区划图

1.2 研究数据

根据山东省黄河流域范围及影像的可获取性，生态系统质量评价选择对地观测卫星Terra 的中分辨率成像光谱仪MODIS 影像作为遥感信息源[17-18]，收集2000年5月—2020年10月，行列号为h27v05 的归一化植被指数(MOD13A1)、叶面积指数(MOD15A2H)、总初级生产力(MOD17A2H)遥感影像数据，每年度影像获取时间介于5 ～10月份，空间分辨率为500 m，数据信息见表1。

表1 MODIS 数据信息表

2 研究方法

根据相关技术规范[19]，选择3 个评价指数即生态系统功能指数(Ecosystem Function Index，EFI)、生态系统稳定指数(Ecosystem Stability Index，ESI)和生态系统胁迫指数(Ecosystem Stress Index，ETI)，则构成生态系统质量指数(Ecosystem Quality Index，EQI)由式(1)表示为

EQI 为基于植被的生态系统质量评估指标，与植被覆盖度的高低有着直接的关系。3 个指标中，生态系统功能指数和生态系统稳定指数为正向指标，其值越高，生态环境越好；生态系统胁迫指数为负向指标，其值越高，生态环境越差。

根据EQI，参照HJ 192—2020 划分方案[19]，生态系统质量划分为优、良、中、低和差5 个等级(见表2)。

表2 生态系统质量状况分级表

2.1 生态系统功能指数

利用3 种植被指数建立生态系统功能指数，计算方法由式(2)表示为

式中EFIi为第i年生态系统功能指数；LAIi，j为第i年第j期的叶面积指数；GPPi，j为第i年第j期的总初级生产力，kg/m2；FVCi，j为植被覆盖度，%；n为第i年遥感观测期数。

2.2 生态系统稳定指数

在生态系统质量的基础上构建生态系统稳定指数，计算方法由式(3)表示为

式中ESIi为第i年生态系统稳定指数，S(EFIi)、D(EFIi)分别为评估起始年至第i年生态系统功能指数的方差、均值。

2.3 生态系统胁迫指数

生态系统胁迫指数的变化与人类活动强度密切相关，根据不同生态系统的扰动程度进行分级赋值，见表3。其计算方法由式(4)表示为

表3 扰动指数构建权重表

式中Ai为第i 级生态系统的分级指数；Pi为第i级生态系统的面积百分比，%。

3 结果与分析

3.1 黄河流域生态系统功能评价

根据式(2)计算得到黄河流域生态系统功能状况划分等级，划分为差、低、中、良、优5 个等级，结果如图2 所示。2005—2019年黄河流域生态系统功能的平均值为62.2，等级为优和良的面积所占百分比分别为28.7%和38.1%，说明15 a 间黄河流域年平均生态系统功能较高。在空间分布上，指数值的高低与植被覆盖度有着密切的关系[20-22]，EFI 较高的区域主要位于研究区中部的历城区、泰山区、岱岳区以及黄河三角洲的垦利区，土地利用类型以植被覆盖度较高的林地和草地为主。EFI 较低的区域主要位于植被覆盖度相对较低的莱芜区、钢城区以及新泰市。

图2 黄河流域生态系统功能状况分级图

3.2 黄河流域生态系统稳定性评价

在EFI 的基础上，根据式(3)计算得到黄河流域生态系统稳定状况并进行等级划分，结果如图3所示。

图3 黄河流域生态系统稳定性状况分级图

由图3 可知，差、低、中等级所占面积较大，生态系统稳定性差的地区占比为27.0%，低、中等级占比分别为45.0%、22.3%，且黄河流域生态系统稳定指数的平均值为29，表明2005—2019年间黄河流域生态系统稳定性处于相对较弱的水平，生态系统稳定性与人为因素有关，ESI 较高的区域主要分布在研究区中部以自然生态系统类型为主的泰山地区，以及黄河入海口附近区域，人为干扰较少，其生态系统较为稳定；而以人工生态系统类型为主的农田和城镇区域易受到人类的改造，稳定性较差。

3.3 黄河流域生态系统胁迫评价

基于式(4)计算得到2005、2010、2015 和2019年黄河流域生态系统胁迫指数，生态系统胁迫指数为负向指标，因此将负向指标进行正向化处理，即可实现其正向化转换，属性同一化处理后指数变化趋势可反映生态现状相同的优劣变化趋势。同一化处理后分别为40.0、39.4、38.7 和38.3，其平均值为39.1，表明研究期间黄河流域的生态系统受胁迫能力处于中等水平。

对比分析2005—2019年间黄河流域生态系统EFI、ESI 和ETI 的均值，结果如图4 所示。黄河流域各生态系统指数在研究期间均呈现波动性略微下降趋势，其年均变化率分别为-0.4、-0.2 和-0.1。EFI 均值总体相对较高，其变化趋势稍有波动，但幅度不大； ETI 均值处于中等偏低的状态， 而ESI 均值最低。

图4 2005—2019年间黄河流域生态系统EFI、ESI 和ETI 变化趋势图

3.4 生态系统质量综合评价

根据式(1)计算生态系统质量指数，对计算结果进行等级划分，结果如图5 所示。黄河流域生态系统质量指数年均值为60.4，说明流域整体生态系统质量较好，其中2010年的分值最高，2015、2019年次之，而2005年最低。

图5 不同年份山东省黄河流域生态系统质量状况分级图

对黄河流域林地、草地、城镇、农田4 类主要生态系统类型进行单一系统评价，结果如图6 所示。不同年份黄河流域生态系统质量遥感综合评分见表4。不同生态系统类型的生态系统质量有明显差异，其中林地生态系统质量最高，其年均值为65.3；城镇生态系统质量最低，其年均值为56.7；草地和农田生态系统年均值分别为59.8、59.7。

表4 不同年份黄河流域生态系统质量遥感综合评分表

图6 不同年份黄河流域各生态系统类型质量等级面积百分比图

结合空间分布可知，4 个年份黄河流域的泰山地区、黄河三角洲的垦利区生态系统质量级别明显优于其他地区，山区土地利用类型以天然林地为主，垦利区以耕地为主，植被相对较多，因此以植被指数为基础的生态系统功能指数及稳定指数相对较高，生态系统受到胁迫可能性较低，所以生态系统较为稳定。生态系统质量级别较差的区域主要为莱芜区、钢城区、肥城市、以及泰山区与岱岳区交汇处等地区主城区的周边区域，分布在各建城区的外围地带，植被覆盖度低，且生态环境易受人为干扰，生态系统受到胁迫可能性较高，所以生态系统质量相对较差。

4 结论

通过上述研究可知:

(1)2005—2019年，山东省黄河流域生态系统稳定指数、生态系统功能指数、生态系统胁迫指数等3 项指数呈现不同程度的波动，区域内林地、草地、农田和城镇4 类生态系统的生态系统质量整体发展趋势向好。2005—2010年间，生态系统质量年均值由59.3 上升到62.5；而2019年生态系统质量年均值则减少至59.5。

(2)空间分布上，山东省黄河流域生态系统质量高值集中分布于泰山区域，植被覆盖度高，不易受人为干扰；低值主要分布在城镇及其周边区域，植被覆盖度相对较低且易受人为干扰。

(3)4 类生态系统中，林地生态系统年均值为65.3，其质量最高，其中优等级所占面积百分比均值为34.2%；其次是草地、农田；城镇生态系统年均值为56.7，其质量最低，差等级所占面积百分比均值为6.1%，自然生态系统质量总体上高于人工生态系统。