基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)

齊姍姍, 鞏 杰, 錢彩云, 謝余初, 張 影

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)(2.廣西師范學(xué)院 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530001)

基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)

齊姍姍1, 鞏 杰1, 錢彩云1, 謝余初2, 張 影1

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)(2.廣西師范學(xué)院 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530001)

[目的] 綜合評估甘肅省白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性，為生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)重建和可持續(xù)性管理提供理論參考。[方法] 基于生態(tài)敏感性—生態(tài)恢復(fù)力—生態(tài)壓力度模型、層次分析法和GIS/RS軟件等，通過計(jì)算生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)，將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性程度劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個(gè)不同等級。[結(jié)果] 甘肅省白龍江流域中度和重度脆弱區(qū)域占研究區(qū)總面積比例較大，分別占研究區(qū)總面積的28.94%和22.76%。其中，重度與極度脆弱區(qū)集中分布在植被覆蓋度較低，城鎮(zhèn)化較快，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速且人類活動(dòng)強(qiáng)度較強(qiáng)的流域中部。[結(jié)論] 研究區(qū)總體生態(tài)環(huán)境壓力非常嚴(yán)峻，亟需研究其驅(qū)動(dòng)機(jī)制及演變規(guī)律，以期為后續(xù)的生態(tài)恢復(fù)重建做準(zhǔn)備。

SRP模型; 生態(tài)環(huán)境脆弱性; 白龍江流域; GIS; AHP方法

文獻(xiàn)參數(shù)： 齊姍姍，鞏杰，錢彩云，等.基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：224-228.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20160918.001； Qi Shanshan, Gong Jie, Qian Caiyun, et al. Assessment of eco-environmental vulnerability of Bailongjiang watershed in Southern Gansu Province based on SRP model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：224-228.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20160918.001

脆弱性概念先后經(jīng)歷了國際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)、生物圈計(jì)劃(MAB)以及國際地圈與生物圈計(jì)劃(IGBP)等大型國際計(jì)劃的完善，并經(jīng)歷了內(nèi)容擴(kuò)展和學(xué)科綜合化的過程[1]，已經(jīng)朝著具針對性和綜合性的自然和人類社會(huì)系統(tǒng)的多元化方向發(fā)展[2-3]。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為：生態(tài)環(huán)境脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)或景觀類型在特定時(shí)空尺度上受到內(nèi)外部擾動(dòng)所具有的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)狀態(tài)或能力，是系統(tǒng)內(nèi)部的自然屬性[4]。

近期隨著人地耦合關(guān)系研究的深入，國內(nèi)外研究在環(huán)境脆弱性評價(jià)方法[4-5]和分析框架[6]等方面逐漸由理論方法的探討轉(zhuǎn)入實(shí)證研究階段，對生態(tài)脆弱性的縱向剖析也不斷深入，形成了一系列脆弱性機(jī)制的系統(tǒng)分析機(jī)制，并朝著系統(tǒng)化和科學(xué)化的方向發(fā)展[7]。目前環(huán)境脆弱性評價(jià)方法較傾向于采用數(shù)學(xué)方法對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行定量評價(jià)，如模糊綜合分析法[8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]、主成分分析法[10]、層次分析法[4,11]和綜合評價(jià)法[12]等，同時(shí)結(jié)合“3S”技術(shù)更加有利于客觀評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性。由于區(qū)域自然條件因子和人為條件因子的差異性，不同區(qū)域生態(tài)脆弱性的影響因素會(huì)有所不同，因此研究方法或模型的選擇也會(huì)視具體實(shí)際情況而定。生態(tài)敏感性—生態(tài)恢復(fù)力—生態(tài)壓力度模型(sensitivity-resilience-pressure，SRP)涵蓋了生態(tài)脆弱性的構(gòu)成要素，能較全面地體現(xiàn)生態(tài)脆弱性的綜合方面，已在環(huán)渤海地區(qū)[13]、沂蒙山[14]和遼寧朝陽縣[15]等區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。

白龍江流域地處青藏高原與黃土高原的交錯(cuò)過渡帶上，流域內(nèi)地貌復(fù)雜、水土流失嚴(yán)重、人類活動(dòng)頻繁，深刻地影響著流域生態(tài)環(huán)境的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其演變規(guī)律。本文擬以SRP模型評價(jià)體系、AHP評價(jià)方法和RS/GIS技術(shù)等，對甘肅白龍江流域脆弱度進(jìn)行定量評估與分析，旨在了解區(qū)域脆弱性現(xiàn)狀，為流域生態(tài)系統(tǒng)綜合調(diào)控提供建議。

1 研究區(qū)概況

甘肅白龍江流域(32°36′—34°24′N，103°30′—106°0′E)地處青藏高原東北邊緣，屬于青藏高原向黃土高原過渡的斜坡加劇變形帶，海拔高度約在568～4 866 m。流域流經(jīng)甘肅省迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣5個(gè)行政單元，河網(wǎng)分布較密，且表現(xiàn)出西北—東南向分布格局。由于地形高差懸殊，氣候垂直帶分異明顯，流域內(nèi)冬春干燥，夏秋多雨，年均氣溫6～14.9 ℃，年降水量約400～850 mm。區(qū)域內(nèi)起伏較大、地表支離破碎、山大溝深、地勢險(xiǎn)峻，故是滑坡、泥石流、地震等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最頻繁的地區(qū)，嚴(yán)重危害區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此科學(xué)研究白龍江流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性非常迫切。

2 評價(jià)體系構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 SRP模型 本文針對白龍江流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，選擇SRP模型中生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)性和生態(tài)壓力度3個(gè)構(gòu)成要素。其中，生態(tài)敏感性反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境抵抗各種內(nèi)外干擾的能力，包括地形因子、地表因子、氣象因子；地形因子包括高程、坡度、坡向和地形起伏度，地表因子包括土壤侵蝕強(qiáng)度、景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)和潛在蒸散發(fā)，氣象因子包括年均降水、相對濕度和氣溫；生態(tài)恢復(fù)力指生態(tài)環(huán)境在內(nèi)外擾動(dòng)下的自我調(diào)節(jié)與自我恢復(fù)能力，包括植被因子，可用植被凈初級生產(chǎn)力和植被覆蓋度來表示。生態(tài)壓力度是指生態(tài)系統(tǒng)受到的外界干擾及其產(chǎn)生的生理效應(yīng)，包括人口活動(dòng)壓力和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)壓力，分別用人口密度和人均GDP來表示(表1)。

2.1.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 由于研究區(qū)數(shù)據(jù)來源存在差異，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)量綱不同，故需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(min-max,極差標(biāo)準(zhǔn)化方法)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理過程中，生態(tài)脆弱性與評價(jià)指標(biāo)之間有2種方向關(guān)系，即正向關(guān)系與逆向關(guān)系。正向關(guān)系就是評價(jià)指標(biāo)值增大時(shí)，生態(tài)脆弱度增大；逆向關(guān)系就是評價(jià)指標(biāo)值增大時(shí)，生態(tài)脆弱度減小。計(jì)算公式如下:

式中：Xi′——第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xi——第i個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；Xmax——第i個(gè)指標(biāo)的最大值；Xmin——第i個(gè)指標(biāo)的最小值。

2.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

層次分析利用yaahp10.3軟件(www.jeffzhang.cn/)完成，由蘭州理工大學(xué)張建華博士開發(fā)，是一種定性與定量結(jié)合的決策方法。步驟如下： ① 分析要素層中各指標(biāo)層間的關(guān)系，采用1—9標(biāo)度法對各指標(biāo)層的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建指標(biāo)層判斷矩陣。② 在每個(gè)指標(biāo)層中，采用相似步驟確定各要素內(nèi)部組成指標(biāo)間的相對權(quán)重，即指標(biāo)權(quán)重。③ 將判斷矩陣結(jié)果輸入Yaahp10.3軟件進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性為0.051 6，一致性比率<0.10，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，表明模型指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果合理。④ 通過要素權(quán)重和指標(biāo)權(quán)重相乘，得到14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的最終權(quán)重(表1)。

表1 白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)指標(biāo)AHP權(quán)重

2.3 白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)

利用SRP模型和AHP得出各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，計(jì)算生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)(eco-environmental vulnerability index, EEVI)，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評價(jià)。計(jì)算公式如下:

式中:n——評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；Wi——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Xi——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；EEVI——生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)。一般地，EEVI的數(shù)值范圍為[0，1]，數(shù)值愈接近1，說明研究區(qū)域的生態(tài)脆弱程度越高，反之，說明研究區(qū)的生態(tài)脆弱程度越低。

3 結(jié)果與分析

3.1 總體分布特征

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的計(jì)算通過ArcGIS10.2中spatialanalyst模塊下的rastercalculator命令，計(jì)算每個(gè)柵格的生態(tài)脆弱度指數(shù)，再利用再分類工具(reclassify)，選擇自然斷裂點(diǎn)(naturalbreaks)分類方法將生態(tài)脆弱性程度劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱(圖1)。

從白龍江流域各生態(tài)脆弱性程度的面積及其所占研究區(qū)總面積比例的統(tǒng)計(jì)可以看出，研究區(qū)生態(tài)脆弱程度空間差異明顯(圖1)，流域整體的生態(tài)脆弱性稍高，以輕度、中度和重度脆弱度為主，分別占總面積的25.92%，28.94%和22.76%(表2)；微度和極重脆弱區(qū)相對較小，分別占13.15%和9.24%。

圖1 白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性分布

生態(tài)環(huán)境脆弱性程度生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)(EEVI)面積/km2面積比例/%微度脆弱<0.382425.0013.15輕度脆弱0.38～0.444778.3325.92中度脆弱0.44～0.505335.0828.94重度脆弱0.50～0.574196.4622.76極度脆弱>0.571702.809.24

微度脆弱性區(qū)域主要分布在整個(gè)流域南部區(qū)域，在迭部縣零星分布；輕度脆弱性區(qū)域主要分布在微度脆弱性區(qū)域外圍，在迭部縣大面積分布；中度脆弱性區(qū)域面積最大，主要分布在研究區(qū)中部輕度脆弱性區(qū)域外圍；重度和極度脆弱性區(qū)域主要分布在研究區(qū)東南部大部區(qū)域以及白水江和白龍江及其支流兩岸。

3.2 區(qū)域空間差異

在ArcGIS 10.2支持下，對生態(tài)脆弱性等級分布圖以縣(區(qū))為單位，統(tǒng)計(jì)了各縣(區(qū))的生態(tài)脆弱性指數(shù)(表3)。

表3 白龍江流域各縣(區(qū))脆弱性等級占面積百分比

生態(tài)環(huán)境高度脆弱區(qū)域主要有武都區(qū)、宕昌縣和舟曲縣，其主要原因是城市化、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、自然地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的植被退化和水土侵蝕等造成的，如武都區(qū)的城鎮(zhèn)化率由2004年的16.41%增至2010年的23.80%；宕昌縣西北部地勢低平，人口密集，耕地豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響較為顯著；舟曲縣地形起伏大，土壤侵蝕強(qiáng)度較高，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中以2010年的舟曲特大泥石流導(dǎo)致的人身、財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重。上述3個(gè)縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力較差，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，亟待開展相關(guān)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)建設(shè)等活動(dòng)。

文縣和迭部縣生態(tài)脆弱性相對較低，以輕度和中度脆弱為主。文縣年際間人口數(shù)量和城鎮(zhèn)化率變化不大，且大為陡峭的山地，不適宜人類大規(guī)模的開發(fā)，加上白水江國家自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)建設(shè)活動(dòng)，該縣區(qū)受到人為不合理干擾較少；迭部縣地處甘肅段白龍江流域源頭，海拔較高，人口分布較少，植被覆蓋度較好，生態(tài)環(huán)境抗干擾能力和自我恢復(fù)能力較強(qiáng)。國家實(shí)施的“退耕還林還草”和天然林保護(hù)等生態(tài)建設(shè)政策在一定程度上也改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 總體來看，白龍江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性空間異質(zhì)性規(guī)律明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較為脆弱，生態(tài)環(huán)境脆弱程度以中度、重度和極度脆弱為主，占研究區(qū)總面積的77.62%。

(2) 微度、輕度和中度脆弱性區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北部和中部區(qū)域；重度和極度脆弱性區(qū)域集中分布在工農(nóng)業(yè)發(fā)展較快、人口分布相對集中的流域中部，故需在尊重自然背景的前提下，合理和規(guī)范資源開發(fā)利用和人類活動(dòng)行為，構(gòu)建面向和諧人地關(guān)系的新型社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)。

(3) 研究區(qū)內(nèi)自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的差異使得生態(tài)脆弱性程度空間異質(zhì)性較大。下一步以期通過建立完善評價(jià)指標(biāo)體系，開展區(qū)域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化特征及未來變化趨勢，以為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

4.2 討 論

由白龍江流域脆弱性空間分布等級圖與白龍江流域高程圖疊加可知：白龍江流域生態(tài)脆弱性分布除南部以外呈現(xiàn)出從東南到西北逐漸降低的過渡趨勢，即隨著海拔高度的升高生態(tài)系統(tǒng)脆弱性總體呈減弱趨勢，這與羅治敏[16]和吳磊[17]和楊斌等[18]研究結(jié)果相似，與王經(jīng)民等[19]和雷波等[20]研究結(jié)果相反，可能原因是高程和地形起伏等地形地貌因子影響水熱因子分布差異，進(jìn)而影響土壤植被的類型與分布，并最終反映出自然因素差異影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性差異；也與研究區(qū)積極實(shí)施“退耕還林還草工程”、“長江中上游防護(hù)林體系建設(shè)工程”、“天然林保護(hù)工程”等生態(tài)建設(shè)措施有密切關(guān)系。本文研究結(jié)果也可知研究區(qū)環(huán)境脆弱性分布狀況還與水系分布關(guān)系密切相關(guān)，越靠近白龍江水系主河道的區(qū)域脆弱性較高，且主要河流兩岸的生態(tài)環(huán)境脆弱性明顯高于距離河岸較遠(yuǎn)的地區(qū)，此研究結(jié)果與楊斌等[18]的研究結(jié)果相似，主要是因?yàn)楹庸鹊貐^(qū)是該區(qū)域適宜人類居住和生產(chǎn)生活的重要場所，人類活動(dòng)大面積的開展，對生態(tài)環(huán)境的壓力加大，造成了研究區(qū)河谷地區(qū)脆弱性加強(qiáng)。

本研究揭示了甘肅白龍江流域的生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分異，研究結(jié)果具有的一定實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值。但由于部分指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于縣區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，評價(jià)結(jié)果不可避免地受到行政區(qū)域界限的影響，下一步研究要盡量通過加大數(shù)據(jù)收集力度和更為先進(jìn)的技術(shù)對數(shù)據(jù)及指標(biāo)體系進(jìn)行完善；由于影響生態(tài)脆弱性的因素極其復(fù)雜，本研究選取的生態(tài)脆弱性評價(jià)指標(biāo)可能具有片面性，并不能系統(tǒng)全面的反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，建議未來研究更關(guān)注多因素生態(tài)環(huán)境脆弱性及其時(shí)空變化研究。

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Assessment of Eco-environmental Vulnerability of Bailongjiang Watershed in Southern Gansu Province Based on SRP Model

QI Shanshan1, GONG Jie1, QIAN Caiyun1, XIE Yuchu2, ZHANG Ying1

(1.KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystems,MinistryofEducation,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf,MinistryofEducation,GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning,Guangxi530001,China)

[Objective] The objective of the study is to provide theoretical support for ecological restoration and sustainable management in the future by comprehensive assessment of eco-environmental vulnerability in Bailongjiang watershed in Southern Gansu Province. [Methods] Based on ecological sensitivity-resilience-pressure model and characteristics of eco-environmental systems in Bailongjiang watershed in Southern Gansu, we used analytic hierarchy process(AHP) method to assess eco-environmental vulnerability with GIS/RS technology. According to the eco-environmental vulnerability index, the study area was classified into five levels: slight vulnerability(<0.38), light vulnerability(0.38～0.44), moderate vulnerability(0.44～0.50), high vulnerability(0.50～0.57) and extreme vulnerability(>0.57). [Results] The moderately and highly vulnerable area accounted for 28.93% and 22.76% of the total area. Moreover, the highly and extremely vulnerable area was primarily distributed in the middle reaches of Bailongjiang watershed, which was characterized with low vegetation coverage, rapid urbanization and industry and agricultural development and frequent human activities. [Conclusion] The watershed is facing huge eco-environmental pressures. It is urgent to study the driving mechanism and evolution rules in order to provide support for ecological restoration and reconstruction in near future.

SRP model; eco-environmental vulnerability; Bailongjiang watershed; GIS; AHP

2016-05-06

2016-06-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“甘肅白龍江流域景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空變化研究”(4127199)

齊姍姍(1991—),女(漢族),河南省周口市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)學(xué)、土地變化科學(xué)與生態(tài)評價(jià)。E-mail:qishsh14@lzu.edu.cn。

鞏杰(1975—),男(漢族),甘肅省慶陽市人,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事景觀生態(tài)學(xué)、土地變化科學(xué)、環(huán)境遙感與生態(tài)評價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方面的研究。E-mail:jgong@lzu.edu.cn。

B

1000-288X(2017)01-0224-05

X171.1