祁連縣生態脆弱性評價及時空演變研究

張 蕊

(成都理工大學 地球科學學院, 四川 成都 610059)

0 引言

黨的十八大以來,國家對生態環境的重視程度越來越高,相關的生態環境保護與恢復政策不斷出臺,各級政府對生態環境保護與恢復的認識也逐漸加深。在生態環境恢復與保護的過程中,使用遙感、地理信息系統(Geographic Information System，GIS)等技術能夠對區域生態環境的特征進行精準分析,對生態環境的脆弱性進行評價,以此來為生態環境的保護與恢復政策提供數據參考[1]。生態脆弱性是生態系統的固有屬性,由于自然或人為的原因對生態環境造成一定損傷后,生態系統的自凈能力和修復能力低于生態環境退化的速度,生態系統的動態平衡被打破,由此而反映出的敏感程度稱之為生態脆弱性,是反映生態系統自我調節能力的重要指標[2]。祁連縣海拔較高,地勢險要,全年溫度低,地質環境復雜,環境先天比較脆弱,對其進行區域生態系統脆弱性評價,不僅可以正確認識區域生態脆弱狀況,了解其空間分布差異,還可以對資源環境進行有效利用和管理,制定區域生態保護措施,對維持和進一步修復生態系統具有重要意義,同時也能夠為該地區居民的生活質量提升提供生態環境的保障,這與滿足該地區居民不斷增長的美好生活需要相符合[3-4]?；诖?本研究結合該地區的遙感影像,通過選取評價因子、建立模型,對該地區的生態環境脆弱性進行評價,為統籌山水林田湖草綜合治理,因地制宜開展生態修復與治理工作提供數據支撐和科學依據。

近年來,在研究區域生態環境脆弱性方面國內外學者們運用了多種方法,如層次分析法(AHP)、人工神經網絡、模糊理論分析法和主成分分析法等。但是這些方法要么是單純的主觀分析方法,過分依賴于專家經驗,要么是單一的客觀方法,只從數據出發,沒有太多的考慮實際背景,都具有一定的局限[5-6]。鑒于以上原因,本文采用主客觀相結合的方法確定指標權重,運用層次分析法和熵權法對祁連縣2005—2015年間生態脆弱性進行定量評價,并探討其時空演變規律和驅動力。

1 研究區概況

海北州祁連縣位于青海省東北部,地處祁連山中段加里東地段褶皺帶,是連接河西走廊、環青海湖地區及絲綢之路、唐蕃古道的重要中轉站。祁連縣山地地形復雜,植被覆蓋類型多樣,境內的祁連山脈是我國重要的山系之一,同時旅游資源非常豐富,自然風景區有“中國十大最美麗的草原”之一的祁連山草原、風景秀麗的卓爾山和黑河大峽谷等,有著“東方瑞士,天境祁連”的美譽。境內平均海拔3 169 m,縣城海拔2 787 m。海拔在4 000 m以上高山冰川廣布,終年積雪,山脈間形成一系列盆地和斷陷盆地,呈“四山夾四盆”之勢。氣候、土壤和植被垂直變化明顯,氣溫隨著海拔高度的逐漸升高而遞減,全縣境內年平均氣溫為 -1.8～1.0℃,年平均氣壓727.1 hPa,屬高原大陸性氣候。草原總面積1.12×106 hm2,占全縣總面積的75.74%,其中可利用草原面積1.03×106 hm2,占草原總面積92.42%。草原種類主要包括高寒草甸草場、山地草原草場、高寒草場等草場類型。

2 研究數據及方法

2.1 數據來源

選取研究區植被歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)(來源于http:∥www.gscloud.cn/地理空間數據云)、高程、土壤、氣候、地貌、經濟、植被類型和氣候區劃等數據(均來源于http:∥www.resdc.cn/中國科學院資源環境科學數據中心)。2005—2015年植被NDVI數據源于MODND1M 中國 500M NDVI月合成產品,利用最大合成法(MVC),計算得出年度NDVI最大值;高程、坡度、地表起伏度由數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數據計算獲取。由于數據來源不同,需要統一坐標系和空間分辨率,所有數據分辨率為1 km×1 km,坐標系統為WGS_1984_Albers,研究區域均依據青海省祁連縣行政區矢量邊界裁剪獲得。

2.2 研究方法

2.2.1評價指標體系的建立

在參考已有成果[7]的基礎上,分別從自然因素、人為因素兩個大類出發,選取年平均降水量、平均氣溫、土壤類型、高程、坡度、地表起伏度、NDVI、人口密度、人均GDP、土地利用等10個指標,完成該區域脆弱性評價指標體系的構建(表1)。

2.2.2確定權重

層次分析法(AHP)是一種系統性的分析法,通過專家經驗并考慮數據的主觀屬性來確定權重[8]。熵權法是一種客觀賦權法[9],通過各個指標值提供的信息確定權重,評價結果更為客觀。通過兩種主客觀方法分別計算出權重,再借助多因子加權疊加數學模型完成區域脆弱性評價。

(1)熵權法

熵是對不確定性的一種度量,不確定性越大,熵就越大,包含的信息量就越大;不確定性越小,熵就越小,包含的信息量就越小[10]。熵權法的客觀性決定了它依賴于數據本身的離散性,對實踐經驗的反映不高。熵權法的主要實現步驟如下:

①指標分類定級

由于10項指標數據類型和量綱存在差異性,無法直接對比,因此需要對其進行分類定級,以準確表征各指標對生態環境脆弱性的影響程度。本文選取的評價指標分為定量指標和定性指標,定量指標采用極差法進行標準化賦值,定性指標(包括土壤類型和土地利用類型),在借鑒相關研究成果[11-12]的基礎上,采用分等級賦值法對評價指標進行定量化賦值,然后再通過極差法進行歸一化處理。正向指標(包括平均氣溫、高程、坡度、地表起伏度和人口密度)的標準化公式為:

(1)

負向指標(包括年平均降水量、NDVI、人均GDP)的標準化公式為:

(2)

式中:yij為指標標準化值;xij為j指標下第i個柵格單元的值;max,min分別為j指標下最大和最小的柵格單元值。

②計算各指標的信息熵

(3)

(4)

式中:ej為信息熵;Pij為第j項指標下第i個柵格單元值占該指標的比重。

③計算各指標的熵權w1j

(5)

(2)層次分析法

層次分析法是比較常用的計算權重的方法,它以專家經驗為主,計算各指標的主觀權重,具體步驟如下:①建立層次結構模型。②將10個指標兩兩進行比對,對其重要性賦值,用1～9表示重要程度,構建判斷矩陣。③計算各指標的權重并作一致性檢驗。本研究中最終一次性檢驗數據為0.054，小于0.1,通過驗證。

(3)組合權重

(6)

式中:w1j為熵權法的權重值;w2j為層次分析法的權重值;wj為兩種方法的組合權重。

2.2.3生態脆弱性指數

生態環境脆弱性是自然和人為因素共同作用的結果[13],本研究采用因子加權疊加模型,計算出不同時期祁連縣生態脆弱性指數EVI,并基于研究區特點,結合國內相應研究[14],在祁連縣區域綜合生態脆弱性的評價上,采用五級脆弱程度劃分對EVI進行分類定級(表2),有助于更好地掌握區域內脆弱性分布情況,便于分析區域生態脆弱性空間分布變化。生態脆弱性評價模型如下:

表2 祁連縣區域生態脆弱性分級標準

(7)

式中:EVI為生態脆弱性指數;cj為第j個指標下柵格單元的標準值;wj為各指標的權重。

2.2.4生態脆弱性綜合指數

為了更加直觀表示不同時間段區域內生態脆弱性的變化趨勢,本文采用生態脆弱性綜合指數EVSI進行分析[15],計算模型如下:

(8)

式中:EVSI為生態脆弱性綜合指數;Pi為各脆弱度區域的等級(1～5);Ai為第i級脆弱性的面積;S為區域總面積;EVSI值越大表示生態脆弱性越高。

3 結果分析

3.1 生態脆弱性時空演變分析

通過生態脆弱性評價模型得出2005、2010和2015年的EVI分布情況如圖1所示,可以看出,祁連縣EVI主要以中度和重度脆弱為主,2005年中度和重度脆弱面積和占全區的82.99%, 2010年有所改善,重度脆弱由原來的46.17%減少為27.20%,中度脆弱由原來的36.82%減少為34.41%,兩部分面積和降低為61.61%,2015年重度脆弱減少至26.37%,中度脆弱減少至33.40%(表3),兩部分面積和降低為59.77%。這2部分主要轉移到輕度和微度脆弱,輕度和微度脆弱有所增加,極度脆弱變化幅度較小。在此基礎上再計算得出2005年、2010年、2015年的EVSI值分別為3.39,2.78,2.72,EVSI值越低說明生態脆弱性越小,可以看出祁連縣生態環境呈逐漸好轉趨勢。

圖1 2005—2015年生態脆弱性指數(EVI)分布情況

表3 2005—2015年祁連縣EVI脆弱度比例

3.2 驅動力分析

結合主客觀方法計算出的各指標權重,分析造成祁連縣生態脆弱性的驅動因素。由于祁連縣本身地形地貌的原因,平均海拔3 169 m,最高海拔達到5 241 m,海拔4 000 m以上的地區終年積雪,環境存在先天性脆弱。將2005、2010、2015年3個時期的EVI分布圖與DEM高程圖和土壤類型圖對比可以發現,高程和土壤類型與EVI分布的相關性較大,海拔高的地方土壤類型以寒凍土、冷鈣土為主,不利于植物的生長,生態脆弱性也較高。從人為原因來看,土地利用類型、NDVI和人口分布密度是占比比較大的因素,隨著近年來祁連縣以生態文明為抓手,構建“三河源”生態屏障,通過河流污染治理、礦山環境治理、封山育林、退耕還林、退牧還草、有害生物防治等全方位的環境綜合整治,土地利用類型中草地和林地的面積有大幅度增加,NDVI歸一化植被指數逐年升高,這些因素都大大促進了祁連縣生態環境的恢復。

4 結束語

本研究以青海省祁連縣為例,選取了10個具有代表性的評價指標,綜合層次分析法和熵權法確定各指標的權重,構建評價模型,對祁連縣的生態脆弱性進行定量分析和評價,主要結論如下:

(1)從時間維度來看,2005—2015年,祁連縣的生態脆弱性主要以中度和重度脆弱為主,通過十年間的數據對比,生態脆弱情況相對趨于好轉,生態系統逐步恢復。

(2)從空間格局來看,祁連縣生態脆弱性在空間上的分布具有較強的一致性,區域內生態脆弱性的空間分布特征對地理格局具有較強的依賴性。極度脆弱主要分布在高寒地區,這些區域植被覆蓋率極低,一旦遭破壞,生態修復的難度極高,對于這些地區更需要嚴格有針對性的保護,同時也可以通過人工的方式選擇適合高原生長的植被來增強生態抵抗力。

(3)隨著祁連山生態保護與治理規劃的推進,祁連縣作為其中主要組成區域,積極推動山水林田湖草生態修復,建立生態環境損害責任終身追究制,強化生態保障功能。以黑河、大通河流域為單元,以森林、草地、濕地植被恢復和工程治理為重點,建設牛心山“萬畝農場”、卓爾山造林基地,治理黑河流域沙化草地等等舉措都收到了很好的效果,同時祁連縣未來的生態保護還需要更多的探索,祁連縣地區后續的治理工作,應當結合各個層次的情況,加強基礎調研,結合遙感和地面監測手段,建立綜合生態監測系統,實施更加針對性的生態環境治理與恢復的策略,推動復合型生態環境的逐漸好轉,促進生態系統的多樣性發展,最終實現自然生態系統-社會經濟系統相互協調、相互促進和共同發展。