川西北江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

韓繼沖　郭夢迪　楊青林

摘要：為掌握川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性時空變化過程及土地利用對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響，利用集成遙感技術、地理信息系統(tǒng)技術，結(jié)合空間主成分分析法構(gòu)建評價指標體系和評判模型，對2000-2015年川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性做出評價，并分析其與土地利用之間的關系。結(jié)果表明，川西北江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢，中度和重度脆弱面積在研究時間尺度內(nèi)持續(xù)減少；生態(tài)環(huán)境脆弱性較為嚴重的區(qū)域基本分布在東部的若爾蓋縣和西部的石渠縣；土地利用類型中建設用地、未利用地、耕地對環(huán)境脆弱性的惡化具有較大影響。表明近年來川西北江河源區(qū)退耕還林、退牧還草等生態(tài)保護政策已取得成效，但仍需加大環(huán)境治理力度。

關鍵詞：生態(tài)環(huán)境脆弱性；空間主成分分析；土地利用；川西北江河源區(qū)

中圖分類號：X171.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）09-0020-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.005

Assessment of Ecological Environment Vulnerability in the River Source Area of Northwest Sichuan

HAN Ji-chong，GUO Meng-di，YANG Qing-lin，SHAO Huai-yong，YANG Xian-hua

（Key Laboratory of Information Technology & Application of Land and Resource/School of Earth Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract： The purpose of this paper is to understand the spatiotemporal change characteristics of ecological environment vulnerability and the impact of land use on ecological environment vulnerability. Remote sensing（RS），geographic information system（GIS），spatial principal component analysis（SPCA） were used to establish the evaluation index system and evaluation model to evaluate ecological environment vulnerability from 2000 to 2015，and analyze the relationship between ecological environment vulnerability and land use. The results showed that，the vulnerability of the ecological environment in the study area showed a trend of improvement，and the area of moderate and severe fragile continued to decrease in the study time scale. The areas with serious ecological fragility in the study area were mainly distributed in the eastern Ruoergai county and the wester Shiqu county. The building land， unused land and cultivated land had a great influence on the deterioration of environmental vulnerability. It is pointed out that ecological protection policies such as returning cultivated land to forests and returning grazing land to grassland in the northwest Sichuan river source area have been effective，but still need to increase the environmental management.

Key words： ecological environment vulnerability； spatial principal component analysis； land use； northwest Sichuan river source area

川西北江河源區(qū)是中國重要牧區(qū)，歷史上由于缺乏生態(tài)環(huán)境保護和建設，過度放牧以及鼠災蟲災等自然災害導致沼澤和草地嚴重退化[1]。近年來，退耕還林、還草、風沙治理等工程使草原生態(tài)惡化勢頭有所減緩，但總體惡化趨勢尚未遏制[2]。為了進行生態(tài)建設和環(huán)境保護，首先應該對當前的生態(tài)狀況和發(fā)展趨勢進行分析研究，以對其生態(tài)環(huán)境脆弱性做出評價，并將分析結(jié)果作為生態(tài)建設的參照依據(jù)。目前許多關于江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性方面的研究集中在對理論的探討[3]，但對生態(tài)地位重要的川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性時空變化及其與土地利用之間關系的研究較少。

近年來國內(nèi)外提出了許多評估生態(tài)環(huán)境影響的方法，主要有模糊判定分析法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[5]、層次分析法[6]、景觀生態(tài)學法[7]等，然而，上述方法中使用的變量并不總是容易獲得，且在指標選取和指標權(quán)重確定中存在一定程度的主觀性，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡法在評價指標選取方面依賴于個人的經(jīng)驗知識；層次分析法是通過專家打分，構(gòu)建判斷矩陣得到指標權(quán)重，而研究者的經(jīng)驗和知識水平不同得到的權(quán)重也會有差異?？臻g主成分分析法（SPCA）是通過計算特征值和特征向量得到累計貢獻率從而計算得到主成分，減少了評價指標間相關性[8]；該方法在指標選取和指標權(quán)重確定方面克服了上述其他方法的不足，具有客觀性，并已廣泛應用于環(huán)境調(diào)查[9]。本研究基于SPCA建立研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價模型，分析了2000-2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布及變化趨勢，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱性的成因進行驅(qū)動力分析并提出了相關建議，掌握了不同土地利用類型對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響程度，為土地資源的合理分配利用提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

川西北江河源區(qū)地處青藏高原東緣，四川省西北部，位于97°20′-103°39′E，31°24′-34°19′N。研究區(qū)地勢西高東低，海拔在2 409～5 883 m，氣候嚴寒、晝夜溫差較大。地貌以高山、丘陵為主，氣候類型為大陸季風性氣候，年平均降水量為500～1 000 mm，溫度差異較大。土地利用類型以草地為主，但長期受到過度放牧等人類活動的影響，草原沙化嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的數(shù)據(jù)：①氣象數(shù)據(jù)。來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，獲取研究區(qū)及其附近縣市的19個標準氣象站點的2000、2008、2015年的≥10 ℃年累計溫度和年均降水量，并進行空間插值處理。②遙感數(shù)據(jù)。來自地理空間數(shù)據(jù)云，獲取研究區(qū)2000、2008年兩期TM影像，2015年OLI一期影像（分辨率為30 m）進行目視解譯得到研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，依據(jù)中國科學院資源與環(huán)境中心的分類體系進行分類。③基礎地理數(shù)據(jù)。研究區(qū)1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù)由四川省環(huán)境保護科學研究院提供；DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，來自國際科學數(shù)據(jù)服務平臺，由DEM提取得到研究區(qū)的坡度柵格圖像。④植被覆蓋（NDVI）數(shù)據(jù)，來源于國際科學數(shù)據(jù)服務平臺MOD13Q1分辨率250 m數(shù)據(jù)產(chǎn)品，運用MRT軟件轉(zhuǎn)換投影和拼接。⑤社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。來自四川省統(tǒng)計年鑒，包括人口密度、人均GDP，基于ArcGIS平臺將該屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)。

各指標柵格大小統(tǒng)一為250 m×250 m，采用xian-80地理坐標系、高斯克呂格投影坐標系。

1.3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法

1.3.1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標體系 指標選取遵循科學性和可操作性原則，考慮自然和人類活動對環(huán)境的影響，再結(jié)合當?shù)氐膮^(qū)域特點，從地形、覆被、氣候、人類活動4個方面選取了9項指標（表1）進行評估。

1.3.2 數(shù)據(jù)標準化 由于評價指標因素的單位不同，難以直接評估這些因素對生態(tài)環(huán)境狀況的影響，所以需要進行標準化來消除變量之間的單位差異。高程、坡度、土壤類型、土地利用、人口密度、人均GDP與環(huán)境脆弱性呈正相關的評價指標采用公式（1）標準化；植被覆蓋、年降雨量、≥10 ℃年累計氣溫與環(huán)境脆弱性呈負相關的評價指標采用公式（2）進行標準化。

Ai=（Bi-Bi，min）/（Bi，max-Bi，min） （1）

Ai=（Bi，max-Bi）/（Bi，max-Bi，min） （2）

式中，Ai為指標標準化值；Bi為指標初始值；Bi，min、Bi，max分別為該指標最小值、最大值。

1.3.3 綜合評價模型 采用選取的9個生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標基于ArcGIS平臺進行空間主成分分析，最終確定前5個累計貢獻大于85%的主成分來進行生態(tài)環(huán)境脆弱性評價（表2）。對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評估需要整合多個因素來獲得綜合評價指標，在提取出來的5個主成分的基礎上，通過采用生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)（Eco-environment vulnerability index，EVI）來表示不同水平的生態(tài)環(huán)境脆弱性，EVI被定義為若干主成分的加權(quán)和，分別以某個主成分相對應的貢獻率作為權(quán)重（公式3），結(jié)合每個主成分及其對應的權(quán)重，進行代數(shù)計算得到綜合評價指數(shù)（公式4），EVI的值越大，表示其生態(tài)環(huán)境越脆弱。

wi=■ （3）

EVI=w1r1+w2r2+L+wiri （4）

式中，wi表示第i個主成分的貢獻率；？姿i表示第i個主成分的特征值；EVI為生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)；ri是第i個主成分。

由空間主成分分析得到的結(jié)果（表2）得到研究區(qū)3年的指數(shù)線性公式（公式5-公式7）。

EVI2000年=0.309X1+0.192X2+0.169X3+0.135X4+0.097X5 （5）

EVI2008年=0.298Y1+0.191Y2+0.170Y3+0.136Y4+0.109Y5 （6）

EVI2015年=0.320Z1+0.195Z2+0.175Z3+0.138Z4+0.037Z5 （7）

式中，X1至X5、Y1至Y5、Z1至Z5分別是從2000、2008、2015年9個初始空間變量中提出的5個主成分。

1.3.4 脆弱性分級標準 EVI是從SPCA評估模型中計算得到的一個連續(xù)值，應該被劃分為代表不同生態(tài)環(huán)境脆弱性水平的幾個等級，在分類過程中，客觀邏輯分析對分類結(jié)果有重要的影響，因此依據(jù)直方圖進行分類是一種客觀的分類方法。自然段點法可以通過選擇分類相似值的類別間隔來識別斷點，并最大化類之間的差異，可以很好地將類別相近的物體聚集在一起并且增大類別之間的差異，因此自然斷點法是一種非常合理的分類方法，且該方法已廣泛應用于生態(tài)環(huán)境脆弱性評價分級中[13]。在本研究中，對EVI指數(shù)采用自然段點法與當?shù)貙嶋H情況結(jié)合的方法，參照已有的分類體系將生態(tài)環(huán)境脆弱性分為潛在脆弱（Ⅰ）、微度脆弱（Ⅱ）、輕度脆弱（Ⅲ）、中度脆弱（Ⅳ）、重度脆弱（Ⅴ）5個等級[14]（表3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境脆弱性空間格局分布

通過上述綜合評價方法得到2000、2008、2015年川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性分級結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域主要分布于西部和東部，少部分分布在南部，中部地區(qū)的環(huán)境狀況普遍較好，脆弱性分布具有差異性特點。據(jù)統(tǒng)計結(jié)果（表4）得到，整體上生態(tài)環(huán)境脆弱性程度面積所占比例為輕度脆弱>微度脆弱>潛在脆弱>中度脆弱>重度脆弱，重度脆弱所占比例較小，占7.76%～9.88%，由此判斷川西北江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境整體情況較好。15年間3個時間段不同脆弱性等級面積所占比例的變化為潛在脆弱和微度脆弱面積所占比例為先減少后增加，輕度脆弱面積所占比例不斷增加，中度脆弱和重度脆弱面積所占比例不斷減小，其中生態(tài)環(huán)境重度脆弱面積所占比由2000年的9.88%下降到2008年的8.77%，到2015年下降為7.76%。表明川西北江河源區(qū)2000-2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有好轉(zhuǎn)的趨勢，這是由于長期以來研究區(qū)過渡放牧、草原沙化等環(huán)境破壞問題引起了國家高度重視，2000年后施行退耕還林、退牧還草等一系列改善環(huán)境的項目，使得環(huán)境惡化的趨勢減緩。

2.2 脆弱性變化趨勢分析

通過生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)E（公式8）描述整個區(qū)域及境內(nèi)各縣的生態(tài)環(huán)境的變化趨勢。

Ej=■■×Fi （8）

式中，i為脆弱性等級，n為總的脆弱性等級數(shù)，Pi是脆弱性等級i在評級單元j中的面積，SPj是評價單元j的面積，F(xiàn)i是i的脆弱性級別。其中，E>0，E越大，表示生態(tài)環(huán)境整體越脆弱。

由上述方法計算得到川西北江河源區(qū)整體及境內(nèi)各縣的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)（表5），2000、2008、2015年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)分別為2.769、2.759、2.705，呈現(xiàn)下降趨勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步改善。從區(qū)域尺度分析，總體來看，生態(tài)環(huán)境綜合脆弱性指數(shù)較高的為石渠縣和若爾蓋縣，脆弱性指數(shù)值均大于3.0，屬于環(huán)境最為脆弱的區(qū)域；甘孜縣、色達縣、阿壩縣、紅原縣脆弱性指數(shù)總體大于2.3，屬于環(huán)境質(zhì)量狀況中等偏上水平；壤塘縣環(huán)境質(zhì)量狀況最好。從時間尺度分析，色達縣、壤塘縣環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化均為先增加后降低，甘孜縣、阿壩縣呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，若爾蓋縣、石渠縣、紅原縣生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)出降低的趨勢。

生態(tài)環(huán)境相對脆弱的縣主要為石渠縣和若爾蓋縣，造成這兩部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的原因不同。位于西部的石渠縣海拔高，屬大陸性季風高原氣候，終年較為寒冷，降水量小，植被覆蓋度較低，區(qū)域生態(tài)環(huán)境先天脆弱，加之當?shù)匾孕竽翗I(yè)為主過度放牧、草原沙化嚴重導致環(huán)境脆弱性相對較高。位于東部的若爾蓋縣人口密度大，旅游資源豐富，人類活動頻繁，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響，導致生態(tài)環(huán)境脆弱。為改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提出以下建議：①對于草原沙化嚴重地區(qū)應當減少過度放牧，采取退牧還草等生態(tài)保護措施；同時，相關部門應當進行經(jīng)濟資助，幫助該地區(qū)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，降低農(nóng)牧業(yè)對環(huán)境的影響，提高人們的環(huán)境保護意識。②對于人口密度較大、農(nóng)耕土地面積大、工業(yè)發(fā)達等地區(qū)應繼續(xù)施行退耕還林、植樹造林等相關政策，并制定更加規(guī)范的污染處理標準，加強非法排放企業(yè)的懲罰力度。

2.3 土地利用對生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響分析

通過統(tǒng)計各土地類型區(qū)域中像元數(shù)最多的環(huán)境脆弱性等級來分析生態(tài)環(huán)境脆弱性和不同土地類型之間的相關性。在獲得土地利用分類數(shù)據(jù)（土地利用類型分為水體、林地、草地、建設用地和未利用地六大類）后，基于ArcGIS平臺對2000、2008、2015年不同土地利用類型區(qū)域內(nèi)像元數(shù)最多的脆弱性級別進行統(tǒng)計，結(jié)果可知，建設用地、未利用地、耕地、草地、林地、水體對應的區(qū)域內(nèi)像元數(shù)最多的脆弱性級別依次為重度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、潛在脆弱、潛在脆弱。建設用地和未利用地對環(huán)境脆弱性的影響程度相對較大，此現(xiàn)象是由建筑用地地區(qū)的植被覆蓋率和初級生產(chǎn)力總體上較低、生物多樣性較小造成的。同時，耕地對環(huán)境脆弱性的影響也較大，因為這種土地利用類型植被覆蓋較低，植被覆蓋和土壤水分的減少導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。其次為草地，草原沙化嚴重以及人類活動（人口密集、過度放牧等）對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。林地和水體主導區(qū)域的脆弱性穩(wěn)定，該區(qū)域主要為潛在脆弱，這些地區(qū)水分充足，植被覆蓋率高，物種多樣性豐富。由此可知，以建設用地為主的區(qū)域是環(huán)境較狀況較差的地區(qū)，其次依次為未利用地、耕地、草地、林地和水體。

3 小結(jié)

本研究在RS和GIS的支持下，利用SPCA建立評價模型，對川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性情況進行評價，得出以下結(jié)論。

1）川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱情況整體良好，東部和西部生態(tài)環(huán)境較為脆弱，中部良好。輕度脆弱所占比例最大，其次是微度脆弱，潛在脆弱和中度脆弱所占比例中等，重度脆弱所占比例最小。中度脆弱和重度脆弱呈現(xiàn)下降趨勢，若爾蓋縣和石渠縣生態(tài)環(huán)境最為脆弱。

2）在研究時間段內(nèi)，通過對研究區(qū)土地利用與環(huán)境脆弱性之間的關系分析，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型對環(huán)境脆弱性的影響不同，以建設用地和未利用地為主的地區(qū)是環(huán)境最為惡化的地區(qū)，其次是耕地、草地、林地和水體。

3）研究時間段內(nèi)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境有所改善，主要是近年來退耕還草、草原沙化治理等生態(tài)環(huán)境恢復措施的落實。為此本研究提出擴大生態(tài)環(huán)境保護區(qū)面積和延長保護期兩個關鍵建議，加強草原沙化治理力度，在人口集中、經(jīng)濟工業(yè)發(fā)達地區(qū)提高第三產(chǎn)業(yè)占比。

生態(tài)環(huán)境脆弱性受多方面的影響，是一個復雜的過程，本研究由于數(shù)據(jù)和技術問題有限，對評價結(jié)果會造成一定影響。因此，更加重視下一步研究，掌握生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的驅(qū)動力機制，整合額外的標準，探索更有效的方法。

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