基于SPR模型的黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性研究

李雨衡,郭 紅,常 艷,張廉昀,胡新培,白建華

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所,北京 100091; 2.哈爾濱學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150086;3.呼倫貝爾市林業(yè)和草原事業(yè)發(fā)展中心,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

生態(tài)脆弱性(Ecological Vulnerability)表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)及其組成要素在面臨擾動(dòng)時(shí)敏感、易發(fā)生變化、抗干擾和恢復(fù)能力下降等特點(diǎn),受自然環(huán)境和人類活動(dòng)的共同影響[1-2］。開展生態(tài)脆弱性評價(jià)可為改善生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支撐,常用的方法包括主成分分析法[3］、層次分析法[4］、模糊評價(jià)法[5］、熵值法[6］等,常用的模型包括生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度(SPR)模型[7］、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[8］和暴露-敏感-適應(yīng)模型[9］等。生態(tài)脆弱性評價(jià)研究尺度可分為宏觀尺度和微觀尺度,宏觀尺度以省域、市域、縣域?yàn)橹?微觀尺度多以格網(wǎng)[10］為評價(jià)單元;研究區(qū)域主要包括自然環(huán)境比較典型和受人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域,如濕地[11］、高原[12］、山區(qū)[13］、海岸帶[14］、礦區(qū)[15］、水庫庫區(qū)[16］、農(nóng)牧交錯(cuò)帶[1］等。

黃河灘區(qū)主要指黃河主河槽與防汛大堤之間的區(qū)域,是黃河行洪、滯洪、沉沙的重要區(qū)域,不僅是黃河宣泄、滯蓄洪水的通道,也是灘區(qū)群眾生產(chǎn)生活的重要場所,具有防洪度汛、生產(chǎn)發(fā)展等多種功能。長期以來黃河灘區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后,隨著近年來中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,黃河灘區(qū)迎來大規(guī)模的開發(fā)建設(shè),在經(jīng)濟(jì)快速增長的同時(shí),也造成人地矛盾加深、生態(tài)環(huán)境威脅加劇、生態(tài)亂象頻發(fā)等問題,給生態(tài)系統(tǒng)脆弱的黃河灘區(qū)帶來極大的挑戰(zhàn)。黃河鄭州段灘區(qū)是黃河中下游的重要組成部分,也是河南省經(jīng)濟(jì)增長速度最快的區(qū)域之一,開展黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)可為保障黃河灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、改善生態(tài)環(huán)境條件、推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。本研究基于SPR模型和專家打分法確定生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重,計(jì)算黃河鄭州段灘區(qū)2000、2005、2010、2015年生態(tài)脆弱性綜合指數(shù),定量評價(jià)該區(qū)域2000—2015年生態(tài)脆弱性時(shí)空變化特征,以期為黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河鄭州段灘區(qū)位于河南省北部,西起鞏義市,東至中牟縣,地理坐標(biāo)為北緯34°48′～35°00′、東經(jīng)112°48′～114°14′,東西長約158.5 km,南北跨度23 km,面積425.08 km2,是河南省北部重要的綠色生態(tài)經(jīng)濟(jì)廊道(見圖1)。黃河鄭州段灘區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量640.9 mm,年均氣溫14.4 ℃;屬河漫灘平原,河流流速緩慢,河道交織,泥沙淤積,河床高出地面4～5 m,形成了“地上懸河”[17］。隨著鄭州市市區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大,人類活動(dòng)越發(fā)頻繁,黃河鄭州段灘區(qū)自然林地逐漸變?yōu)楦亍⒔ㄔO(shè)用地等,給生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1)地形地貌數(shù)據(jù)。地形地貌數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù),高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)中ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程影像,再通過ArcGIS軟件中的Slope工具提取出坡度數(shù)據(jù)。

2)植被數(shù)據(jù)。2000、2005、2010、2015年植被數(shù)據(jù)來源于NASA(https://search.earthdata.nasa.gov/search)旗下的MODIS NDVI 16 d合成產(chǎn)品。

3)土地利用類型數(shù)據(jù)。2000、2005、2010、2015年土地利用類型數(shù)據(jù)來源于地球大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中全球30 m分辨率地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品。水環(huán)境緩沖數(shù)據(jù)是基于土地利用類型數(shù)據(jù),采用ArcGIS中歐氏距離工具計(jì)算獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

生態(tài)脆弱性的影響因子包括內(nèi)部影響因子和外部影響因子,其中內(nèi)部影響因子指地形、地貌、氣候等自然因素,外部影響因子指人類活動(dòng)。SPR模型可以反映自然系統(tǒng)和人類活動(dòng)之間的相互關(guān)系和影響,有助于選取合適的生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)[7］。基于層次分析法,針對黃河鄭州段灘區(qū)的實(shí)際情況,遵從可操作性、科學(xué)性、系統(tǒng)性等原則,從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力、生態(tài)壓力度3個(gè)準(zhǔn)則層,篩選出高程、坡度、水源緩沖距離、土地利用類型、植被覆蓋度、涉及建設(shè)用地共6個(gè)指標(biāo),構(gòu)成黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系,見表1。

表1 黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

2.2.2 指標(biāo)打分

由于各評價(jià)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一,因此在進(jìn)行生態(tài)脆弱性評價(jià)時(shí)需要先采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,再對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級賦分,共分為1～4分4個(gè)等級。針對黃河鄭州段灘區(qū)實(shí)際情況,各評價(jià)指標(biāo)的賦分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系賦分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 指標(biāo)權(quán)重確定

指標(biāo)權(quán)重代表了不同指標(biāo)在生態(tài)脆弱性評價(jià)中的重要程度,本研究采用專家打分法確定各指標(biāo)的權(quán)重。邀請多位相關(guān)領(lǐng)域的專家對指標(biāo)體系中的每兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對比,依據(jù)其重要程度進(jìn)行打分,然后將打分結(jié)果匯總建立判斷矩陣。對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR<0.1,表明專家打分結(jié)果滿足一致性。利用歸一化處理后的特征向量計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重值,生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表3。

表3 生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2.4 生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)計(jì)算

利用ArcGIS柵格計(jì)算器,根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)賦分及權(quán)重,運(yùn)用加權(quán)求和的方法計(jì)算研究區(qū)生態(tài)脆弱性綜合指數(shù),其計(jì)算公式為

(1)

式中:IEV為生態(tài)脆弱性綜合指數(shù);Pi為評價(jià)指標(biāo)賦分;Wi為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重;n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù),本研究中n=6。

3 結(jié)果與討論

3.1 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)結(jié)果

黃河鄭州段灘區(qū)的地形呈西高東低的總體特征,與黃河流向基本一致。以中部的桃花峪為分界線,桃花峪以西的地區(qū)以山地為主,地勢起伏大;桃花峪以東的地區(qū)以平原為主,地勢起伏小。2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)耕地面積逐漸減少,建筑用地面積逐年增加;植被覆蓋度呈先增加后減少的趨勢,在2005年植被覆蓋度最高;建設(shè)用地面積增加,表明人類活動(dòng)更加頻繁,對生態(tài)脆弱性的影響也逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)生態(tài)脆弱性評價(jià)方法,基于2000、2005、2010、2015年評價(jià)指標(biāo)賦分均值,計(jì)算2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性綜合指數(shù),并采用自然間斷法,將生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)分為4個(gè)等級,分別是:微度脆弱(0≤IEV<2.20)、輕度脆弱(2.20≤IEV<2.55)、中度脆弱(2.55≤IEV<2.92)、重度脆弱(2.92≤IEV<4.00)。結(jié)果表明,黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性以輕度脆弱為主,其次是中度脆弱(見圖2)。

圖2 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布

1)微度脆弱區(qū)域。面積83.91 km2,占研究區(qū)總面積的19.74%,主要分布于黃河鄭州段灘區(qū)下游地區(qū)。區(qū)域內(nèi)海拔較低,坡度較緩,植被覆蓋度較高,生態(tài)環(huán)境良好。

2)輕度脆弱區(qū)域。面積159.23 km2,占研究區(qū)總面積的37.46%,是生態(tài)脆弱性4個(gè)等級中面積最大的,在黃河鄭州段灘區(qū)上、中、下游均有分布,主要集中在黃河河道兩側(cè),以耕地和建設(shè)用地為主。區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

3)中度脆弱區(qū)域。面積121.81 km2,占研究區(qū)總面積的28.66%,主要分布于黃河鄭州段灘區(qū)上游地區(qū)和黃河河道兩岸附近。區(qū)域內(nèi)海拔相對較高,植被覆蓋度較低,水土流失比較嚴(yán)重。

4)重度脆弱區(qū)域。面積60.13 km2,占研究區(qū)總面積的14.15%,是生態(tài)脆弱性4個(gè)等級中面積最小的,在黃河鄭州段灘區(qū)上、中、下游均有分布,與黃河河道方向一致。區(qū)域內(nèi)海拔較高,植被覆蓋度低,水土流失十分嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)能力極差。

3.2 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性變化

為分析2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性變化,分別計(jì)算2000、2005、2010、2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù),并分析生態(tài)脆弱性4個(gè)等級面積變化和空間分布特征(見表4和圖3)。結(jié)果顯示,黃河鄭州段灘區(qū)2000、2005、2010、2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)分別為2.40、2.20、2.65、2.62,從輕度脆弱變?yōu)橹卸却嗳?生態(tài)脆弱性增加。從生態(tài)脆弱性各等級面積來看,微度脆弱和輕度脆弱面積呈下降趨勢,而中度脆弱和重度脆弱面積呈增加趨勢:①2000年黃河鄭州段灘區(qū)輕度脆弱面積最大, 占研究區(qū)面積的30.17%;其次是微度脆弱,其面積占研究區(qū)面積的25.06%;中度和重度脆弱等級面積分別占研究區(qū)的23.67%和21.10%。②2005年黃河鄭州段灘區(qū)輕度脆弱面積最大,占研究區(qū)面積的34.38%;其次是微度脆弱,其面積占研究區(qū)面積的30.85%,二者相比于2000年均有所上升;中度和重度脆弱等級面積分別占研究區(qū)的21.32%和13.45%,二者相比于2000年均有所下降。③2010年黃河鄭州段灘區(qū)輕度脆弱面積最大,占研究區(qū)面積的31.98%,相比于2005年略有下降;其次是中度脆弱,其面積占研究區(qū)面積的27.97%,相比于2005年有所上升;重度脆弱面積占研究區(qū)面積的26.04%,相比于2005年大幅上升;微度脆弱面積僅占研究區(qū)面積的14.01%,相比于2005年大幅下降。④到2015年,黃河鄭州段灘區(qū)中度脆弱面積占研究區(qū)面積的27.68%,輕度脆弱和重度脆弱面積分別占研究區(qū)面積的26.79%、25.75%,輕度、中度、重度脆弱面積幾近相同,相比于2010年略有下降;微度脆弱面積最小,占研究區(qū)的19.78%,相比于2010年略有上升。可以看出,黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性加劇,生態(tài)環(huán)境惡化。

表4 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)各生態(tài)脆弱性等級面積變化

圖3 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布變化

從2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性空間分布來看(見圖3),生態(tài)脆弱性等級增加最明顯的是中游地區(qū),其次是上游地區(qū)。相比于2000年和2005年,2010年和2015年黃河鄭州段灘區(qū)上中游地區(qū)重度脆弱和中度脆弱面積明顯增加;2010年黃河鄭州段灘區(qū)下游地區(qū)重度脆弱和中度脆弱面積相比于2000年和2005年略有增加,而在2015年重度脆弱和中度脆弱面積減少,微度脆弱和輕度脆弱面積增加。

3.3 黃河鄭州段灘區(qū)不同縣(市、區(qū))段生態(tài)脆弱性特征

黃河鄭州段灘區(qū)從西向東跨越鞏義市、滎陽市、惠濟(jì)區(qū)、金水區(qū)、中牟縣共5個(gè)縣(市、區(qū))。2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)鞏義市、滎陽市、惠濟(jì)區(qū)、金水區(qū)、中牟縣段的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)分別為2.63、2.40、2.87、3.04、1.96,中牟縣段的生態(tài)脆弱性等級為微度脆弱,滎陽市段為輕度脆弱,鞏義市和惠濟(jì)區(qū)段為中度脆弱,金水區(qū)段為重度脆弱。通過計(jì)算2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)不同縣(市、區(qū))段各生態(tài)脆弱等級面積(見表5),可以看出,黃河鄭州段灘區(qū)中牟縣段微度脆弱面積占比最大,滎陽市段輕度脆弱面積占比最大,而金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、鞏義市段中度脆弱面積占比最大,表明中牟縣段整體生態(tài)環(huán)境較好,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高,而金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、鞏義市、滎陽市段生態(tài)脆弱性較高,抗干擾能力弱。由圖3可知,2010年后黃河鄭州段灘區(qū)上中游地區(qū)重度和中度脆弱面積增加明顯,主要原因是位于黃河鄭州段灘區(qū)中游的惠濟(jì)區(qū)和金水區(qū)人口密度大,工業(yè)水平較高,人類活動(dòng)頻繁,特別是惠濟(jì)區(qū)和金水區(qū)在沿黃地帶建設(shè)了鄭州黃河風(fēng)景名勝區(qū)、鄭州黃河國家濕地公園、黃河花園口旅游區(qū)等旅游勝地,在帶動(dòng)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)也對生態(tài)環(huán)境帶來了負(fù)面影響;此外,位于黃河鄭州段灘區(qū)上游的鞏義市和滎陽市隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,植被覆蓋度明顯下降,建設(shè)用地面積明顯上升,建設(shè)活動(dòng)頻繁,破壞了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要引起有關(guān)部門的高度重視。植被覆蓋度和涉及建設(shè)用地是生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)中權(quán)重較高的兩項(xiàng)指標(biāo),對生態(tài)環(huán)境脆弱性影響較大,針對目前黃河鄭州段灘區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,一是要改善經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展造成的土地粗放開發(fā)問題,控制建設(shè)用地的過度開發(fā),維持和諧的人地關(guān)系,科學(xué)規(guī)劃國家濕地公園的開發(fā)建設(shè),合理利用周邊荒地;二是要加強(qiáng)對區(qū)域植被的保護(hù),做好生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的水土保持工作和開發(fā)建設(shè)區(qū)域的植被恢復(fù)和綠化工作。

表5 2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)不同縣(市、區(qū))段各生態(tài)脆弱性等級面積

4 結(jié)論

區(qū)域生態(tài)脆弱性評價(jià)可以反映區(qū)域自然環(huán)境與人類活動(dòng)相互影響和作用的結(jié)果。本研究基于SPR模型,篩選出高程、坡度、水源緩沖距離、土地利用類型、植被覆蓋度、涉及建設(shè)用地共6個(gè)指標(biāo),構(gòu)建了黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系,并采用專家打分法確定各指標(biāo)權(quán)重,計(jì)算分析了2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)生態(tài)脆弱性時(shí)空變化特征,結(jié)果表明:①2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)微度、輕度、中度、重度脆弱面積分別占研究區(qū)面積的19.74%、37.46%、28.66%、14.15%,整體以輕度脆弱為主,其次是中度脆弱;②黃河鄭州段灘區(qū)2000、2005、2010、2015年的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)分別為2.40、2.20、2.65、2.62,整體從輕度脆弱變?yōu)橹卸却嗳?③2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)微度脆弱和輕度脆弱面積呈下降趨勢,而中度脆弱和重度脆弱面積呈增加趨勢,尤其是2010年和2015年黃河鄭州段灘區(qū)上中游地區(qū)重度脆弱和中度脆弱面積明顯增加;④2000—2015年黃河鄭州段灘區(qū)中牟縣段的生態(tài)脆弱性為微度脆弱,滎陽市段為輕度脆弱,鞏義市和惠濟(jì)區(qū)段為中度脆弱,金水區(qū)段為重度脆弱,且位于黃河鄭州段灘區(qū)上中游的鞏義市、滎陽市、惠濟(jì)區(qū)、金水區(qū)段生態(tài)環(huán)境呈惡化趨勢,需要控制建設(shè)用地的過度開發(fā),保護(hù)和恢復(fù)區(qū)域植被。