基于GIS的長江上游生態(tài)系統(tǒng)功能退化威脅評價

摘要：基于研究區(qū)森林、草地、農(nóng)田及濕地四大生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建了4個層次的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。評價主要應(yīng)用了InVEST模型、AHP法、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化法以及GIS和RS技術(shù)，評價的柵格單元大小為100 m×100 m。最終評價結(jié)果顯示，整個長江上游呈現(xiàn)出從“零星分布”發(fā)展為“集中連片”的退化狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：長江上游；生態(tài)系統(tǒng)；GIS；生態(tài)退化；指標(biāo)體系；評價

中圖分類號：X826 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4247—04

生態(tài)退化泛指生態(tài)系統(tǒng)朝著物種、生物量、物質(zhì)能量流動規(guī)模減少，結(jié)構(gòu)簡單化以及環(huán)境狀態(tài)向不易使生物生存的方面變化。在生態(tài)退化的情況下，生態(tài)系統(tǒng)不僅無法提供生產(chǎn)力，而且還可能導(dǎo)致生命維持系統(tǒng)的破壞，其終點即物種滅絕。生態(tài)退化對于人類社會生存與發(fā)展極為不利，會動搖社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至人類生存的生態(tài)基礎(chǔ)。生態(tài)退化是目前全球所面臨的主要環(huán)境問題，它不僅使自然資源日益枯竭，生物多樣性不斷減少，而且還嚴(yán)重阻礙社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而威脅人類的生存和發(fā)展，生態(tài)退化已引起各國政府和學(xué)者的重視[1]。在我國，長江上游地區(qū)面臨著自然生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重、農(nóng)耕地衰退嚴(yán)重、水土流失加劇、水資源和水環(huán)境形勢嚴(yán)峻、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等重大環(huán)境問題。所以為了科學(xué)合理地保護(hù)長江上游生態(tài)功能，必須對長江上游區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀有全面了解，對生態(tài)系統(tǒng)退化的區(qū)域進(jìn)行研究，使長江上游生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理工作更有效地開展[2]。

1 研究區(qū)域概況

長江上游地區(qū)，從水系段落劃分來看，包括長江源頭至宜昌段，地理位置為25°34′—35°27′ N，91°24′—111°28′ E，長約4 511 km，約占長江總長的70%，總落差5 100 m。該區(qū)位于我國西部的內(nèi)陸腹心區(qū)域，上游干流流經(jīng)青、藏、滇、川、渝、鄂6個省、自治區(qū)、直轄市，流域范圍涉及青、藏、滇、甘、川、陜、渝、鄂、黔9個省、自治區(qū)、直轄市的323個縣（市、區(qū)），流域面積1.054×106 km2，占整個長江流域面積的58.9%。整個長江上游地勢西高東低，海拔高度400～5 000 m，相對高差超過4 000 m，區(qū)內(nèi)最高峰貢嘎山海拔為7 556 m[3—5]。

2 技術(shù)路線及研究方法

2.1 研究技術(shù)路線

2.2 研究方法

2.2.1 評價單元的確定 評價單元的確定對評價方法、過程和結(jié)果有重要影響，對長江上游生態(tài)系統(tǒng)退化評價的評價單元為100 m×100 m的柵格。

2.2.2 數(shù)據(jù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化 四級指標(biāo)值是退化評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)，其標(biāo)準(zhǔn)化采用極差法：

Fi=■

其中Fi表示各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；Xi表示第i項指標(biāo)實際值；max Xi表示第i項指標(biāo)最大值；min Xi表示第i項指標(biāo)最小值。

2.2.3 指標(biāo)權(quán)重確定方法 采用層次分析法[6]，又稱為AHP（Analytical Hierarchy Process）法，是對一些較為復(fù)雜和模糊的問題做出決策的簡易方法，適用于那些難于完全定量分析的問題。層次分析法的基本原理和步驟是在對問題充分了解后，首先分析問題的內(nèi)在因素間的聯(lián)系和結(jié)構(gòu)，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如措施層、準(zhǔn)則層、目的層等，形成層次結(jié)構(gòu)圖；然后同層因素之間對上層某一個因素的重要性進(jìn)行比較，即“兩兩比較法”，構(gòu)造判斷矩陣，求得權(quán)重系數(shù)，并進(jìn)行一致性檢驗，如果通過，則求的權(quán)重系數(shù)可以被接受，否則被拒絕，再重新評判，在單層權(quán)重評判的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行層間重要性組合權(quán)重系數(shù)的計算。

2.2.4 評價模型的構(gòu)建 每一級指標(biāo)均按以下公式進(jìn)行計算：

A=■mi × Ai

其中 A為上一級指標(biāo)數(shù)值，mi為第i項的相對權(quán)重，Ai表示下一級指標(biāo)數(shù)值，n表示上一級指標(biāo)包含下一級的指標(biāo)個數(shù)。

2.2.5 InVEST模型 生境退化威脅指數(shù)主要采用了美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的 InVEST模型中的生物多樣性模型。通過選取人為干擾因子來評價長江上游的生境質(zhì)量指數(shù)，即生境適宜性。人為干擾因子對生物多樣性的影響既有正面的也有負(fù)面的，保護(hù)區(qū)和保護(hù)物種名錄等的建立又可以保護(hù)生物棲息地和瀕危物種，使生境質(zhì)量得到一定程度的提高。然而，砍伐木材與薪柴（森林砍伐）、交通、農(nóng)業(yè)活動以及當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ畹壬a(chǎn)活動或直接破壞生物棲息地，或使棲息地隔離、破碎化，從而導(dǎo)致生境質(zhì)量的下降。從人類活動的影響出發(fā)，本研究選取最易獲得且具有代表性的三項指標(biāo)——道路密度、人口密度和保護(hù)區(qū)分布來計算生境退化威脅指數(shù)。

2.3 研究數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源如表1所示。

3 評價指標(biāo)體系的建立

構(gòu)建了4個層次的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)用來評價長江上游生態(tài)退化的程度，分別為一級指標(biāo)、二級指標(biāo)、三級指標(biāo)、四級指標(biāo)。一級指標(biāo)針對森林、草地、農(nóng)田、濕地4個生態(tài)系統(tǒng)，分別確立森林生態(tài)系統(tǒng)退化威脅、草地生態(tài)系統(tǒng)退化威脅、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)退化威脅、濕地生態(tài)系統(tǒng)退化威脅等4個指標(biāo)。二級指標(biāo)分別為針對不同生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量指數(shù)和土地退化威脅指數(shù)，生境質(zhì)量指數(shù)是衡量生物生活地域環(huán)境好壞的指標(biāo)；土地退化威脅指數(shù)是評價土地質(zhì)量的指標(biāo)，是土地受到人為因素或自然因素或人為、自然綜合因素的干擾，土地原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、理化性狀改變或者遭到破壞的程度。三級指標(biāo)為物種多樣性指數(shù)[7]、生境退化威脅指數(shù)以及土地退化威脅。其中，物種多樣性指數(shù)反映的是生物多樣性，物種多樣性越高，生物多樣性越豐富；生境退化威脅指數(shù)反映的是人為干擾對生態(tài)系統(tǒng)的影響。四級指標(biāo)為最具體的各個數(shù)據(jù)項，具體的指標(biāo)體系如表2所示。

4 生態(tài)系統(tǒng)退化威脅評價

依據(jù)圖1的技術(shù)路線，首先，生成原始單個指標(biāo)，包括保護(hù)物種棲息地分布[8]、道路、人口密度、保護(hù)區(qū)范圍、土壤侵蝕度、土壤厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、化肥施用量等。其中，人口密度、化肥施用量是按照縣域經(jīng)濟(jì)年鑒，用已有的完整屬性的長江上游縣域矢量圖轉(zhuǎn)為柵格圖。其次，通過土地利用圖提出了4個生態(tài)系統(tǒng)柵格圖，即森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)。然后，通過ArcGis 9.3的柵格計算器，用每個指標(biāo)與每個生態(tài)系統(tǒng)柵格圖進(jìn)行相乘處理生成各個系統(tǒng)單個指標(biāo)柵格圖。隨后，利用ArcGis 9.3對每個圖層做重分類處理，重分類的過程實際就是對每個評價指標(biāo)進(jìn)行分級并重新賦值的過程。ArcGis 9.3重分類基于原有數(shù)值，對原有數(shù)值重新進(jìn)行分類整理從而得到一組新值并輸出。本研究在對各縣的綜合分值進(jìn)行分類來確定生態(tài)退化處于何種程度時，將所有指標(biāo)的分值分為5類，規(guī)定得分越大的對生態(tài)退化的威脅越小，即這個指標(biāo)的值越大表明生態(tài)退化越輕微。最后，通過專家打分獲取評價指標(biāo)的權(quán)重，并賦予已經(jīng)進(jìn)行了重分類的評價指標(biāo)圖層，利用ArcGis 9.3軟件ArcGis—>Spatial Analyst—>Raster Calculator或ArcGis—>toolbox—> Spatial Analyst tool—>Overlay—>Weighted Overlay工具，將不同指標(biāo)加權(quán)疊加生成最終的綜合評價圖，包括森林、草地、農(nóng)田、濕地生態(tài)系統(tǒng)。

5 結(jié)果與討論

將森林、草地、農(nóng)田、濕地生態(tài)系統(tǒng)退化威脅評估圖進(jìn)行疊加，得出長江上游生態(tài)系統(tǒng)退化評價總圖。在此基礎(chǔ)上，對整個評價結(jié)果進(jìn)行空間分區(qū)，劃分出“極度威脅”、“高度威脅”、“中度威脅”、“輕度威脅”、“微度威脅”5個區(qū)（圖2）。

從長江上游森林、草地、農(nóng)田、濕地生態(tài)系統(tǒng)退化威脅評估圖（圖2）可以看出，長江上游的4個子生態(tài)系統(tǒng)都出現(xiàn)了不同程度的退化，尤其是森林、草地、農(nóng)田系統(tǒng)，其生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀。從圖2還可以看出，整個長江上游是從“零星分布”發(fā)展為“集中連片”的退化狀態(tài)，為了保障長江上游生態(tài)屏障及生態(tài)安全，必須對長江上游生態(tài)系統(tǒng)退化引起高度重視，并采取相應(yīng)措施遏制生態(tài)惡化趨勢，否則將會給長江上、中、下游帶來嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)害。

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