黄河流域生态系统分区及PSR综合评价

2023-02-21左其亭马军霞张建伟

人民黄河 2023年2期

邱梦，左其亭，马军霞，张建伟

（1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300000；2.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001；3.郑州大学黄河生态保护与区域协调发展研究院，河南郑州 450001；4.北京化工大学文法学院，北京 100029）

1 引言

生态系统是生物与环境不断相互作用而形成的整体，其具有调节机能。气候变化、人类活动等外界因素对生态系统会产生重要影响。随着社会的不断发展和经济水平的持续提高，气候变化、人类活动与生态系统之间的关系更加复杂，大气污染［1］、水土流失［2］、土地荒漠化［3］、生物多样性退化［4－5］等问题凸现，因此有学者开始从这些方面对生态系统进行研究评估［6－9］。为寻求经济社会平稳发展和生态系统稳定运行之间的平衡，一些学者从生态系统服务［10］、空间格局［11］、协同关系［12］等方面进行了相关研究。

黄河是中国第二大河流，是我国重要的生态安全屏障，占据重要的生态战略地位。因此，生态系统的健康稳定对于黄河流域十分重要，很多学者也对此开展了研究［13－15］，如郜国明等［16］对目前黄河流域生态保护问题进行了梳理、陈强等［17］利用CASA模型对黄河流域的植被净初级生产力的时空变化进行了分析。除对生态系统本身的研究，相关管理与治理研究也是重要内容，如付景保［18］对黄河流域生态环境的多主体多部门的协同治理进行了研究。对黄河流域进行深入研究的基础是对现状足够了解，才能“对症下药”，因此一些学者对黄河流域生态系统进行了相关评价研究，如左其亭等［19］利用SMI－P方法和空间自相关分析方法对黄河流域水生态安全进行评价和分析、杨雯娜等［20］利用分区－集成的方法对黄河流域生态脆弱性进行评价。由于黄河流域生态空间布局差异很大，因此一些学者开展流域分区研究，如研究水文分区［14］、水资源分区［21］、生态功能分区［22］等。目前已有的成果多集中在流域生态系统研究，而综合性研究较为缺乏，在一定程度上轻视了流域的整体性，特别是在评价体系中生态系统要素之间缺乏较强的关联性和逻辑性。

本文选取黄河流域涉及的63个市（州）作为研究对象，基于生态系统的基本内涵，综合经济社会和生态地理及功能特征，运用ArcGIS对黄河流域进行细化分区，形成生态系统健康的评价单元。基于压力、状态、响应的三角循环关系，利用单指标量化－多指标综合－多准则集成评价方法（SMI－P方法）［23］，对研究区和生态系统分区进行综合评价，以期提高黄河流域生态系统管理的综合性和准确性。

2 研究区概况

黄河源起青海省巴颜喀拉山脉，全长5 464 km，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等九省（区），最后在山东省注入渤海。黄河流域自西向东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原，面积约为79.5万km2（含内流区面积4.2万km2），地势整体呈西高东低的特点。黄河从源头至内蒙古河口镇为上游，从河口镇至河南桃花峪为中游，桃花峪以下为下游。黄河流域地理位置跨度大，气候类型差异大。

3 黄河流域生态系统分区

3.1 分区必要性及意义

黄河流域地理特征、人口分布、经济社会发展、生态问题等具有多样性和复杂性，主要表现在：①空间布局差异大。在地理空间布局上，黄河流域横跨我国的三级阶梯，各地区海拔、地形差异较大，土地类型多样，上、中、下游气候特征季节差别很大。降水多集中在中上游南部和下游地区，而西北部分地区降水量较少，分布不均。②人口分布不匀。目前，全流域总人口约70%集中在龙门以下地区，而龙羊峡以上区域人口密度只有5人／km2，各地区人口分布不均。③经济社会发展不平衡。2021年黄河流域九省（区）的生产总值占全国生产总值的25.08%。受历史、自然条件等的影响，黄河流域西北部地区经济社会发展相对滞后，流域各地区经济发展水平差距较大。④生态问题多样，治理缺乏针对性。黄河流域总体水资源相对匮乏，人均水资源量较少，且水资源地区分布不均。洪水主要来源于中游地区，影响下游地区。黄土高原地区水土流失严重，使下游河床增高，形成“地上悬河”。根据黄河流域不同地区的生态问题，相关部门也划定了不同的生态功能保护区，但较为单一，缺乏针对性。黄河流域每个行政区都有不同的地理特征、气候条件等，因此仅以行政区为主要生态评价单元是不科学的。

行政区是最基础的评价单元，而对其进行细化评价的意义在于：首先，突出行政单元的多样性。分区前每个行政区是一个共同体，突出的是行政区之间的差异，而分区后则是在保留行政区之间差异的基础上，更深入体现行政区内部的生态差异。其次，分区单元区别于传统行政区单元，是对基础评价结果的丰富和升级，既能从整体上体现黄河流域生态系统健康状态，更能使状态具体化。因此，本文将对地级行政区的细化分区简称为生态系统分区，为后文的生态系统健康综合评价提供新的评价单元，与综合评价指标体系相结合，以提高评价结果的针对性和准确性，因地制宜保护与治理黄河流域生态系统，提高流域管理效率。

3.2 分区方法

本文是在全国水资源一、二级分区的基础上，参考黄河流域的水系空间布局，结合全国水资源三级分区、行政区划、《黄河流域（片）水资源综合规划》中的分区成果，以及全国生态功能分区等进行水生态分区。总体考虑黄河流域的自然地理分区、自然资源、社会经济、生态演进等因素，在统筹把握区域综合生态服务功能前提下，突出重点区域与主导功能，对黄河流域进行生态系统分区。根据以上分区方法理念，通过ArcGIS软件，对63个市（州）、三级流域空间分布和全国生态功能保护区3个图层进行叠加，并通过剪裁、分割等工具对叠加结果进行修正，以增强其准确性。

3.3 数据来源

中国三级流域空间分布数据和中国生态功能保护区数据来自资源环境科学与数据中心（https：／／www.resdc.cn／）。选取黄河流域主要涉及的63个市（州）为研究区域，通过ArcGIS软件中的剪裁工具进行剪裁，生成63个市（州）的行政边界图、三级流域空间分布图和生态功能保护区图。

3.4 分区结果

根据上述分区方法，最终将黄河流域63个市（州）分为192个小区域（见图 1），每个地级行政区都被划分为若干生态区。

图1 黄河流域生态系统分区结果

4 黄河流域生态系统PSR综合评价

4.1 评价思路

4.1.1 多准则综合评价

对流域生态系统进行保护与治理的流程通常是：出现问题—发现问题—解决问题。本文在此基础上，从源头出发，将PSR（Pressure－State－Response）即压力、状态、响应作为三准则，利用三者的关系对黄河流域生态系统进行综合评价。

压力是一切问题发生的源头。人类和经济社会在不断发展，自然资源则不断被消耗，生态空间在不断缩减，整个生态系统的承载力在不断被削弱，承受的压力不断增大。这种压力是多方面的，作用于水、土壤、空气等生态系统的各个载体中，从而带来各种生态问题。

状态是生态系统现实情况和问题的表现。生态系统的状态不是一成不变的，会在不同时期呈现出动态变化，这种变化能直接体现生态系统的健康状况。在气候、土地利用、水质、生态功能等方面，状态都是不同的，只有综合考虑各个方面，才能展现更加客观、更加立体的生态系统状态。状态好坏是受到外界影响和压力的一种反馈和表现形式，存在因果关系。

响应是问题出现后的反应，更是解决问题的途径。当生态系统状态出现一系列问题时，为了可持续发展，社会各界及各相关部门都将做出一定的反应，来解决问题，降低损害，保障修复。除了中端和末端处理，前端预防也一样重要，从根源控制和预防人类活动所带来的影响和压力以形成完善的响应体系。

流域生态系统“压力－状态－响应”协同治理关系如图2所示，压力、状态、响应相互联系，形成完整因果关系链，缺一不可，从而实现对生态系统的协同治理。因此，先对准则层的压力、状态、响应分别评价，再对黄河流域生态系统健康进行综合评价，从局部到整体全面体现黄河流域生态系统健康状况。

图2 流域生态系统“压力－状态－响应”协同治理关系

4.1.2 评价标准

黄河流域生态系统综合健康指数（EHCI）是评价系统健康状况的重要依据，因此，根据本文评价思路，参考其他研究成果的评价标准［24－25］，分别对压力、状态、响应进行评价等级划分和综合等级划分，以更直观地表现流域生态系统状况（见表 1）。

表1 黄河流域生态系统PSR评价等级划分

4.2 评价指标及数据来源

4.2.1 评价指标体系

在压力－状态－响应3个评价准则的基础上，结合黄河流域特性，将生态系统评价指标体系分目标层、准则层和指标层，共选取17个指标对黄河流域生态系统进行评价（见表 2）。

4.2.2 数据来源

本文以2009—2020年为研究时段。指标数据主要来源于《中国城市统计年鉴》《水资源公报》，以及各市（州）《统计年鉴》。另外，耕地面积、水域面积、湿地面积、NDVI等数据来源于中国资源环境科学与数据中心（https：／／www.resdc.cn／）。

4.3 评价计算方法

4.3.1 指标标准化处理

由于每个指标的类型、量纲都不同，因此根据指标的性质，对指标数据进行标准化处理，以消除量纲不同的影响。具体步骤见参考文献［26］。

4.3.2 指标权重确定

指标权重对流域生态系统的评价至关重要，因此对于指标权重的确定方式应客观和谨慎。层次分析法赋权为主观赋权法，能突出指标的重要性；熵权法是被广泛使用的客观赋权法，数学理论依据较为充分。因此，这两种方法结合能兼顾主观与客观，对指标综合权重进行确定。具体计算步骤见参考文献［27］。

4.3.3 生态系统健康综合指数计算

采用左其亭［28］提出的SMI－P方法，对黄河流域生态系统状况进行量化计算。

（1）单指标量化。采用模糊隶属度分析方法，将指标范围确定在［0，1］。评价指标有正向、负向2类属性，有相应的公式进行计算［28］。设a、b、c、d、e分别为最差值、较差值、及格值、较优值和最优值，黄河流域生态系统评价指标节点值见表3。

（2）多指标综合。准则层中包含3个准则，反映了流域生态系统健康的状况。由于需要将多个指标对生态系统的影响进行综合分析，因此采用多指标加权计算方法，得出各准则的隶属度，计算公式为

式中：EHCIt为生态系统健康指标体系各准则的得分值（隶属度）；wk为第k个指标的权重；μk为第k个指标的量化值。

表3 黄河流域生态系统评价指标节点值

（3）多准则集成。根据得出的不同准则的隶属度，进一步采用加权的方法计算最终生态系统健康综合指数，计算公式为

式中：EHCI为生态系统健康综合指数；ωt为t准则的权重。

压力、状态、响应这3个准则同等重要，因此每个准则的权重相等，即ω1＝ω2＝ω3＝1／3。

4.4 计算结果与分析

4.4.1 评价指标权重分析

通过层次分析法和熵权法对各指标权重进行计算，分为目标层权重和准则层权重（见表 2），最终结果为各指标2009—2020年的平均权重。

目标层权重较高的是指标A5（0.426 2）、B3（0.133 2）和B8（0.286 8）。人均水资源量能反映出研究区的人口密度和当地水资源量，与经济社会密切相关；水域面积是生态系统健康的重要表现，面积占比越大意味着水生态的重要性就越大；湿地系统在保护生物多样性、调节径流、改善水质等方面发挥着重要作用，湿地的健康状况直接影响着区域生态系统健康状况。从准则层权重来看，压力中A5（0.904 3）权重最大，其次是A2（0.069 4）；状态中B8（0.560 4）权重最大，其次是B3（0.260 0）；响应中C2（0.412 9）权重最大，其次是C4（0.260 9）。人口和水资源量是生态系统健康的主要社会压力来源，随着用水需求的不断攀升，很多城市都在超负荷利用水资源，造成水资源短缺，给生态系统带来巨大的压力。湿地、水域等是体现水生态状况的重要因素。针对城市生态问题，增加建成区绿地面积是净化城市空气和污染水体的直接手段，可改善和维持生态系统健康。

4.4.2 黄河流域生态系统健康综合评价

通过SMI－P方法对63个市（州）的EHCI进行了计算，在此基础上通过面积加权的方法，得出192个分区的EHCI。以此计算结果为依据，对黄河流域生态系健康进行综合评价。

（1）准则层分析。从63个市（州）的生态系统准则得分值（见表 4）可看出，各市（州）的响应值普遍较高，波动不大，但各市（州）间的状态值和压力值落差显著。在状态方面，可明显看出东营市（0. 75）的状态值最高，其次是果洛州（0. 71）；鹤壁市（0. 08）的状态值最小。东营市是黄河三角洲的中心城市，不论是在经济发展方面还是推动黄河流域高质量发展方面都居于重要地位，对生态系统的治理与保护意识较强，因此相应的响应水平也是最高的（0. 86）。鹤壁市社会发展在近几年不断提高，但是在自然条件上并不占优势，水源涵养指数较低，万元GDP的COD和氨氮排放量都较大，对生态系统健康很不利。在压力方面，最小值出现在濮阳市（0. 04），原因是其人口密度较大，水资源被超负荷利用，这对水生态系统产生了巨大的压力。较高数值普遍在青海省，果洛州压力值（0. 87）最大，受到压力最小，原因是其具有自然地理优势。

表4 黄河流域63个市（州）生态系统健康准则得分值

黄河流域63个市（州）生态系统健康准则等级空间分布情况见图3。由图3可知，压力大的等级主要分布在黄河流域中东部地区，该地区的生态系统也主要处于临界和亚病态状态。状态差的等级主要分布在中部和东部地区，主要包括甘肃省、山西省、陕西省、河南省、山东省的部分城市，这些地区都面临着共同的问题，那就是社会经济发展较快，人均水资源量较少，但水资源需求较大，废水产出较多；同时受气候等自然原因和人为污染的影响，对生态系统健康产生了不利影响。随着这些生态问题的不断出现，以及治理与保护意识增强，各区域都采取措施来应对，进一步提高生态环境质量。因此，响应效果显著的区域恰恰也是生态环境压力大、状态不太好的区域。相反，生态问题不突出，本身生态环境质量较好的区域，响应效果就相对较差。可以看出，当社会经济发展到一定水平时，各区域都在力求社会经济与生态环境之间的平衡，出现问题会积极寻找解决方法。

图3 黄河流域63个市（州）生态系统健康准则等级空间分布

黄河流域192个分区生态系统健康准则等级空间分布见图4。由图4可知，在压力方面，同一市（州）的不同区域的生态环境受到的压力有所差别。西部地区玉树州、果洛州、阿坝州等，受到压力较小，但是其中5号、13号、14号、28号等分区受到较大压力。由于黄河流域中东部地区经济社会发展较快，人类活动频繁，因此基本处于压力大和较大等级。在状态方面，中、东部地区主要处于较差等级，但其中108号、116号、154号处于较好状态，位于渭南市、运城市和洛阳市。最东部的黄河流域三角洲地区状态也较好，如东营市190号、191号、192号分区。在响应方面，玉树州、果洛州等地区响应效果一般，1号、2号、5号、6号、7号等分区效果较差；效果显著区域共有48个，主要集中在黄河流域的中东部地区，其余多为效果较好和效果一般等级，只有70号、72号、78号95号、97号、104号等个别分区的响应效果较差。

图4 黄河流域192个分区生态系统健康准则等级空间分布

（2）目标层分析。黄河流域63个市（州）的生态系统健康综合指数见表5。由表5可以看出，阿坝州（0. 71）、果洛州（0. 70）和玉树州（0. 67）的EHCI位居前三，集中在黄河流域西南地区；定西市（0. 25）、濮阳市（0. 26）、固原市（0. 26）的EHCI位居后三名。阿坝州生态物种富饶，水资源丰富，2009—2020年平均水资源总量约417.16亿m3，占四川省水能蕴藏量的14%，水资源利用率较低，其水源涵养指数是63市（州）中最高的，因此阿坝州的生态系统健康也处于较好状态。定西市则与阿坝州相反，水资源短缺，2009—2020年平均水资源总量约11.74亿m3，且水土流失严重，严重威胁生态系统健康。

表5 黄河流域63个市（州）生态系统健康综合指数

黄河流域63个市（州）2009—2020年生态系统健康等级空间分布情况见图5。由图5可知，黄河流域西部地区生态系统处于亚健康状态，中东部地区处于亚病态，北部和南部部分地区主要处于临界状态。黄河流域西部地区地广人稀，社会经济发展较中东部地区相对落后，压力相对较小。中东部地区面积较小，人口密度大，水资源需求、排污量等随之增大，负担加重，因此生态系统健康状况不容乐观。黄河流域生态系统健康状况在2009—2020年变化不大。具体来看，甘肃省定西市在前3 a生态系统处于病态，2012年及以后有所改善。海北州和海南州生态系统在2011年由临界状态上升为亚健康状态。咸阳市在2009—2019年一直处于亚病态，在2020年又有所恶化。东营市生态系统在2020年有所改善，由临界状态上升为亚健康状态。

图5 黄河流域63个市（州）2009—2020年生态系统健康等级空间分布

黄河流域192个分区生态系统健康等级空间分布情况见图6。由图6可知，每个市（州）中的不同分区的健康状况也有所差异。玉树州的3号和4号分区处于健康状态和亚健康状态，而5号、6号、7号分区则处于亚病态；果洛州的4个分区处于亚健康状态和健康状态，9号、13号、14号分区则处于亚病态。其中，有一些狭小分区处于病态，主要集中在黄河流域的中部和东部地区。