基于GIS的長江口海域生態系統脆弱性綜合評價

何彥龍,袁一鳴,王 騰,張昊飛,陳耀輝

1 國家海洋局東海環境監測中心,上海 201206 2 國家海洋局海洋赤潮災害立體監測技術與應用重點實驗室,上海 201206 3 上海海洋大學,海洋生態與環境學院,上海 201306

健康的生態系統取決于生態系統的物質輸入、能量流動和信息傳遞能否保持平衡,研究表明生態系統的動態平衡主要由其彈性力維持[1]。近年來,由于經濟開發等人類干擾活動,輸入到生態系統的物質、能量等已超出生態系統自恢復的能力,導致生態系統的脆弱性顯著增加[2]。對區域生態環境脆弱性進行評估,是國內外學者可持續發展研究普遍采用的方法[3]。

至今對脆弱性定義仍然存在一定爭議,但脆弱性被普遍用于表征生態系統對外部壓力的響應。如IPCC定義的生態系統脆弱性：在外部壓力下系統傾向受到不利影響,包括敏感性或易受危害、缺乏應對以及適應的能力[4]?？傮w上,生態脆弱性可從3個方面進行表征：1)相對于生態系統本身的外部壓力,2)生態系統自身的敏感性,以及3)生態系統自適應能力或彈性力[5-6]。國內外對脆弱性評價方法開展了大量研究,如基于模糊理論、灰色評價模型、人工神經網絡、層次分析方法等[7-10]。然而,目前的研究方法普遍存在一些不足,首先,評估等級主要依靠專家打分；其次,大多數研究僅能定性地開展脆弱性評價；再次,基于個體的室內實驗數據難以支撐生態系統水平上脆弱性評估需要[5-6,11-12]。

河口是海陸直接交匯的區域,長期以來一直是人類活動最為頻繁的區域,生態系統往往較為脆弱。近40年來我國河口海域生態環境狀況發生了顯著變化,長江口及毗鄰海域生態系統生物量和環境容量明顯下降,重要生境如產卵場和索餌場發生變遷等[13-14]。然而,對于長江口海洋生態環境脆弱性狀況仍不十分清楚,尤其在人類活動和全球氣候變化加劇的情景下,長江口生態環境脆弱性變化趨勢如何,導致其脆弱性的主導因素是什么。因此,本研究利用空間主成分分析方法建立長江口生態環境脆弱性評估指標體系,分析近五年長江口生態環境脆弱性的動態變化趨勢,試圖為長江口基于生態系統的管理提供依據。

1 實驗方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區域與站位分布圖Fig.1 The study area and sampling sites

本研究以長江口(范圍31°48.54′N—30°45.36′N,121°6.66′E—123°E)近岸海域為研究區域(圖1)。長江口呈扇形分叉分布,在徐六涇以下,崇明島、長興島、橫沙島以及九段沙將河口劃分為“三級分汊、四口分流”的格局[13]。

近年來,長江口生態環境狀況不容樂觀,由于處于流域末端,長江徑流不斷將流域內的污染物輸入該區域。目前,富營養化已成為該區域的主要環境污染問題,其污染物來源主要有3個方面,流域面源污染、市政排污、沿岸工業排污,研究表明,長江口廢水排放總量約為3353萬m3/d[15]?！?017年中國生態環境狀況公報》最新結果顯示,長江口海域生態環境狀況仍然較差,環境污染問題較為突出[16]。

1.2 數據來源及處理

研究所用數據均為2013年、2015年和2017年8月份長江口海域生態環境監測數據。由于不同指標的量級不同,在評價之前首先對數據進行標準化處理,標準化公式如下：

(1)當評價指標為正指標

(1)

(2)當評價指標為負指標

(2)

式中,Pij為各指標標準化結果,Xij為實際數值,Xmax,Xmin分別代表最大值和最小值。將標準化后的屬性數據在ArcGIS中利用普通克里金插值轉換為空間柵格數據,得到指標的空間化數據。

1.3 指標體系構建方法

本研究依據脆弱性定義以及國內外研究的相關成果從生態暴露度、生態敏感性和生態適應能力3個方面,構建11個指標作為初選指標,為減少評價指標間的相關性,避免由于指標重復導致評價結果的準確性降低,本研究采用主成分分析方法對評價指標進行篩選,空間主成分分析在ArcGIS中實現。空間主成分法分析是基于GIS的統計方法,其優點是將眾多指標參數通過正交變換去除關聯指標,但仍能保持所提供大量原有信息的方法,從一定程度避免了指標選擇的主觀性[17]。本研究通過主成分分析,去除對主成分貢獻較小的指標石油類濃度、浮游動物密度及魚卵密度,最終評價指標由8個指標構成(表1)。

表1 長江口海域生態環境脆弱性評估指標Table 1 The ecological vulnerability index in the Yangtze River estuary

“+”表示脆弱性正指標,“-”表示脆弱性負指標

一般地,在主成分分析過程中,選取方差累積貢獻率大于95%的主成分作為計算指標[18]。本研究選取前5個主成分作為研究區域生態環境脆弱性的計算指標進行分析。前三主成分特征值見表2。

1.4 指標權重的確定

本研究采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定評價指標的權重,首先根據前五個主成分方差貢獻率確定各主成分之間的重要性,其次兩兩比較各主成分之間的關系,確定各主成分相對的得分值,然后在Yaahp軟件中計算不同指標的權重,最后進行一致性檢驗,若檢驗結果為隨機一致性比率(CR)小于0.1,表明各指標權重計算結果合理[19]。本研究前5個主成分的權重見表3。

1.5 脆弱性指數及分類方法

根據Wang等脆弱性生態環境定量評價方法[10],對研究海域每個像元計算脆弱性指數(Eco-environmental vulnerability index,EVI),計算公式：

(3)

式中,EVI為生態環境脆弱性指數,wi為評價指標的權重,fi為評價指標的等級。

表2 長江口海域生態環境脆弱性評估指標前三主成分特征值Table 2 The eigenvalues of the first three principal component of the indices

表3 長江口海域生態環境脆弱性評估指標各主成分權重Table 3 The weight of Principal component of the indices

根據Liu等研究方法[6],本研究計算了區域綜合脆弱性等級指數(Regional integrated eco-environmental vulnerability grades,RIEVG),計算公式：

(4)

式中,RIEVG為區域綜合脆弱性等級,Gi為i區域脆弱性評價等級,Ai為i脆弱性等級對應的面積,Si為區域總面積。

本研究在ArcGIS軟件中,利用Reclassify函數,采用自然斷點法(Natural Breaks(Jenks))將脆弱性等級分為5級。

2 結果與分析

2.1 長江口海域生態環境脆弱性分級

2013—2017年,長江口海域生態環境脆弱性指數(EVI)均值在0.5—1.5之間,平均值為1.2,其中0.6、1.1、1.3是頻率分布較多的EVI值。脆弱性等級分級為：微度脆弱(<0.5)、輕度脆弱(0.5—0.8)、中度脆弱(0.8—1.0)、重度脆弱(1.0—1.2)、極度脆弱(1.2—1.5)。不同的脆弱度面積占比不同,2013—2017年,極度脆弱度區域面積減少,微度和中度脆弱度區域面積增加(見表4)。

2.2 長江口海域生態環境脆弱性時空分布

2013年,長江口海域生態環境脆弱度主要以極度脆弱和重度脆弱為主,空間分布上,長江口門內為極度脆弱區,尤其是長江口南支海域脆弱性普遍較高,面積約為2039 km2,占本次評價海域面積的15%。微度脆弱區和輕度脆弱區均分布在長江口門外部海域。2015年,極度脆弱區、重度脆弱區仍主要分布于長江口南支海域,北支重度脆弱性分布區域減少；2017年,長江口海域極度脆弱區和重度脆弱區分布面積顯著減少,北支海域逐漸轉為中度脆弱區,南支海域極度和重度脆弱區普遍南移,主要分布于上海市南匯嘴兩側近岸海域,與操文穎等人的研究結果基本一致[15]。總體上,長江口海域生態環境脆弱度從口內向口門外逐漸降低,呈顯著的梯度變化(圖2)。

表4 長江口海域生態環境脆弱度等級及分布面積占比Table 4 The total area and the proportion of different eco-environmental vulnerability level in Yangtze River estuary

圖2 長江口海域生態環境脆弱度空間分布Fig.2 Spatial distribution of the eco-environmental vulnerability in Yangtze River EstuaryEVI：生態環境脆弱性指數,Eco-environmental vulnerability index

2.3 近5年長江口海域生態環境脆弱度變化趨勢

對2013年至2017年近5年長江口海域生態環境脆弱度趨勢分析表明,近五年,長江口海域極度和重度脆弱區面積占比顯著減少,極度脆弱區、重度脆弱區面積占比分別下降了7%和5%。微度脆弱區面積增加趨勢顯著,相比于2013年,2015年和2017年分別增加了19%和15%。中度和輕度脆弱區面積變化不大(圖3)。

對2013年至2017年長江口海域生態環境區域綜合脆弱性等級(Regional integrated eco-environmental vulnerability grades,RIEVG)分析表明(圖4),RIEVG值2013年最大,2015年和2017年顯著減小,2013年、2015年及2017年,RIEVG分別為2.98、2.35、2.43。近五年區域脆弱性等級下降了18%,極度脆弱區和重度脆弱區顯著減少對區域總體脆弱性下降貢獻較高,表明長江口生態環境狀況好轉。

2.4 近5年長江口海域生態環境脆弱區轉化矩陣分析

近五年長江口生態環境脆弱度存在顯著變化,表現為極度脆弱區和重度脆弱區面積顯著減少,2013年到2015年,約661 km2極度脆弱區轉變為其他類型的區域,約1500 km2重度脆弱區轉變為中度、輕度和微度脆弱區(表5)。2015年到2017年,長江口區域脆弱性進一步改善,約1200 km2的極度脆弱區轉變為中度和重度脆弱區(表6)。

圖3 近五年長江口海域生態環境脆弱度變化趨勢Fig.3 The changing trend of percentages of vulnerability grades in the last five years

圖4 近五年長江口海域生態環境綜合脆弱性等級變化趨勢Fig.4 The changing trend of regional integrated eco-environmental grade(RIEVG)values in the past five years

表5 2013—2015年長江口海域生態環境脆弱區轉換矩陣Table 5 The conversion matrix of eco-environmental vulnerability from 2013 to 2015

表6 2015—2017年長江口海域生態環境脆弱區轉換矩陣Table 6 The conversion matrix of eco-environmental vulnerability from 2015 to 2017

3 討論

生態系統的脆弱性具有定量和定性兩方面的特征,并且是一個復雜的持續變化的過程[20-22],近年來,生態環境脆弱度被廣泛應用于局域生態環境受損程度及主要威脅要素的評估[23-26]。目前脆弱性評價指標體系中,有關外部壓力指標的選擇更多考慮人口分布密度和經濟發展總量[27-28],并賦以較高的權重。但是,人類活動對生態系統的影響并非全是負面,往往也有正向的促進作用[11]。對于海洋生態系統而言,海域空間并無直接的人口密度壓力,人類活動的干擾更多體現在陸源污染物匯入到海洋生態系統造成的間接影響。因此,對于海洋生態系統脆弱性評價,選擇經濟發展總量或人口密度等指標可能會放大外部壓力,導致脆弱性評價結果受主觀性影響較大。同時,大多數陸源污染通過多種傳播途徑(河流、大氣等)最終匯聚到海洋生態系統中,隨著海洋潮汐及洋流的變化處于動態變化中[2]。從而表明海洋生態系統的脆弱性具有動態變化的特點。本研究指標的構建主要從生態系統內部考慮,通過分析主要污染物質遷入對生態環境造成的影響,從海洋生態環境基本狀況和生態系統結構入手,選擇主要監測指標作為評估指標,一定程度上避免了過度考慮經濟指標對評估的不利影響。

評估結果表明,長江口門內生態環境脆弱度最高,重度脆弱區和極度脆弱區均分布于長江口門內南支海域,而造成該區域脆弱性較高的主要因素是氮、磷等污染物濃度高所導致,這與王保棟、張勇等人的研究結果基本一致[29-30]。表明長江流域污染物輸入是導致河口地區生態環境脆弱度高的重要原因。同時,由于近年來長江流域水沙輸入的變化,以及全球氣候變化下河口區濕地生態系統萎縮[31],降低了河口生態系統的生態服務功能。通過近5年數據分析發現,長江口門內生態系統的初級生產力較低,浮游生物物種密度年際間變幅較大,生態系統結構不穩定,表明該海域生態系統彈性力降低,也進一步加劇了該區域生態環境的脆弱性。

從近5年脆弱性變化趨勢來看,長江口生態環境脆弱度具有空間變化的特點,脆弱性等級從口門內到口門外呈顯著的梯度變化。長江口海域極度脆弱區和重度脆弱區面積顯著減少,口門內大部分海域從極度脆弱區降為重度脆弱區,表明近5年長江口生態環境脆弱度得到改善。由于受臺灣暖流北上制約,口門內污染物擴散受到一定程度的抑制,長江口懸浮物和污染物分布主要局限于近岸一帶(123°以西)[30],同時黃浦江徑流攜帶的氮磷、以及上海近岸、杭州灣污染物共同作用,導致長江口南匯嘴海域脆弱度增加,近5年長江口南支極度脆弱區移向南匯嘴至杭州灣北岸海域。研究表明,從20世紀80年代開始,長江口從低度富營養化水平逐漸上升到高度富營養化水平,隨之導致了長江口生態系統結構發生了一系列變化,加速了河口區域的脆弱度[29]。因此,導致長江口生態環境脆弱度較高的主導因素是人類活動的干擾所致,加大對長江口海域重要生態系統的保護以及流域污染物減排是改善該區域脆弱度的重要手段。

4 結語

總體上,生態脆弱性評估是認識區域生態環境問題的主要方法,通過GIS技術結合空間主成分分析方法和層次分析法,可以避免過多依賴于專家打分而可能造成的主觀影響。然而,在生態系統水平上,脆弱性評價僅能辨識關鍵的影響因素,但就外部壓力如何影響生態系統結構與過程,影響程度如何等更為深層次的問題,目前脆弱性評估方法仍然難以解決。因此,將來脆弱性評估研究首先應進一步夯實脆弱性評估的理論基礎,在此基礎上,拓展脆弱性評估的方法；其次,進一步探討不同尺度脆弱性定量評估的方法,使得脆弱性評估從定性向定量評估發展。另外,本研究僅是對短期內長江口生態系統脆弱性變化趨勢的評估,也未考慮氣候變化對生態系統造成的影響。因此,結合氣候變化,應進一步開展長江口中長期生態脆弱性評估研究,進一步理解大河口區域人類活動與氣候變化雙重壓力下生態系統運維機制及其主導因素。