雅礱江流域生態(tài)脆弱性評價研究

王晗 伍良旭 邵懷勇

摘要：基于GIS 技術(shù)，從地形、氣象、植被、土壤和人類活動等方面選取評價指標，采用空間主成分分析法對雅礱江流域生態(tài)脆弱性進行了定量評價，并探索了1995、2005、2015年生態(tài)脆弱性空間格局特征與驅(qū)動力作用。結(jié)果表明，從時間尺度來看，雅礱江流域生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)逐漸升高，生態(tài)環(huán)境狀況整體處于中等水平;從空間尺度上看，從上游到下游生態(tài)脆弱性等級逐漸降低。不同海拔梯度帶上，極高海拔地區(qū)（≥4 500 m）和高海拔地區(qū)（3 500～4 500 m）生態(tài)脆弱性程度較高，中高海拔地區(qū)（2 500～3 500 m）、中海拔地區(qū)（1 500～2 500 m）和低海拔地區(qū)（<1 500 m）生態(tài)脆弱性程度相對較弱。由于當?shù)卣罅ν菩猩鷳B(tài)環(huán)境保護政策，當?shù)鼐用癍h(huán)境保護意識增強，研究區(qū)內(nèi)9個縣市2005年生態(tài)環(huán)境情況逐漸改善。

關(guān)鍵詞：生態(tài)脆弱性，主成分分析，影響因素，雅礱江流域

Abstract： Based on GIS， evaluation indicators from terrain， meteorology， vegetation， soil， human activities， et al， were selected，? spatial principal component analysis was used to quantitatively evaluate the local ecological vulnerability of Yalong river basin， and? the spatial pattern characteristics and driving force of ecological vulnerability in 1995， 2005 and 2015 were explored. The results showed that，in terms of time scale， the comprehensive index of ecological vulnerability of Yalong river basin increased gradually， and the overall condition of ecological environment was at a medium level. In the perspective of spatial scale， the ecological vulnerability degree gradually reduced from upstream to downstream. In different altitude gradient zones， the ecological vulnerability degree of the extremely high altitude area （≥4 500 m）and the high altitude area （3 500～4 500 m）was relatively high， while the ecological vulnerability degree of the middle and high altitude area （2 500～3 500 m）， the middle altitude area （1 500～2 500 m） and the low altitude area （<1 500 m）was relatively weak. Owing to the vigorous implementation of ecological environment protection policies by the local government and the enhanced environmental protection awareness of local residents， the ecological environment of 9 counties in the study area improved from 2005.

Key words： ecological vulnerability; principal component analysis; influencing factors; Yalong river basin

隨著社會的飛速發(fā)展與人類活動的不斷增強，地球的生態(tài)系統(tǒng)平衡逐漸受到破壞，土壤流失、草場退化、冰川退縮、自然災害增加等生態(tài)問題日益加劇，自然界生態(tài)系統(tǒng)正在受到嚴重威脅[1，2]。近年來，有關(guān)生態(tài)脆弱性的研究已逐漸成為當下生態(tài)環(huán)境恢復建設(shè)與實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展研究的熱點和重點，備受國內(nèi)外相關(guān)研究人員的關(guān)注[3-5]。其中區(qū)域生態(tài)脆弱性評價不僅能掌握不同空間尺度下的各脆弱等級分布及生態(tài)現(xiàn)狀，還有助于合理調(diào)配生態(tài)環(huán)境資源與科學調(diào)控人類活動以達到人與自然的和諧發(fā)展，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[6]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了許多評價生態(tài)脆弱性的方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[7]、層次分析法[8]、灰色關(guān)聯(lián)評價法[9]、景觀生態(tài)學法[10]等，這些方法能夠從不同角度評價區(qū)域內(nèi)生態(tài)脆弱性，并對生態(tài)脆弱性相關(guān)研究做出了一定貢獻。但上述方法仍具有不足，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要通過研究者自身知識與經(jīng)驗選取指標，研究成果會受限于研究者個人水平?？臻g主成分分析法（SPCA）[11]是通過計算因子特征值和特征向量得到主成分，并選取累計貢獻率較大的前幾個主成分作為評價指標，賦上每個主成分的貢獻率作為指標權(quán)重計算評價結(jié)果。該方法為指標選取與確定指標權(quán)重增加了客觀性，并降低了評價指標之間存在的相關(guān)性，目前已被廣泛運用于生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)研究[12，13]。

雅礱江流域內(nèi)蘊含豐富的生態(tài)資源，但地形復雜、高差懸殊、構(gòu)造變形復雜和斷裂活動強烈使得當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)先天脆弱。近年來，人類活動的干擾與破壞以及水電、農(nóng)牧、礦場等資源長期不合理的開發(fā)使得雅礱江流域生態(tài)問題現(xiàn)狀日益嚴峻，已經(jīng)威脅到境內(nèi)生態(tài)環(huán)境的安全，為此明確并把握境內(nèi)生態(tài)脆弱性狀況及其空間分布特征對該流域的生態(tài)環(huán)境保護和重建具有重要的指導意義[14]。本研究基于SPCA構(gòu)建雅礱江流域生態(tài)脆弱性評價模型，從地形、氣象、植被、土壤和人類活動等方面選取評價指標，對當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性進行定量評價，探索了1995、2005、2015年基于空間尺度與時間尺度的生態(tài)脆弱性分布變化特征，探究了當?shù)厣鷳B(tài)脆弱性驅(qū)動力機制，為雅礱江流域生態(tài)環(huán)境保護及生態(tài)恢復建設(shè)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

雅礱江流域發(fā)源于青海玉樹巴顏喀拉山南麓，介于97°20′—102°38′E、26°05′—34°20′N，位于青藏高原南部。雅礱江干流全長1 535 km，流經(jīng)石渠、甘孜、德格、新龍、理塘、康定、雅江、九龍、木里、冕寧、鹽源、鹽邊、米易、攀枝花和西昌15個縣市，流域面積約13.6萬km2。研究區(qū)地形起伏大，地貌類型多樣。境內(nèi)氣候主要受高空西風大氣環(huán)流及西南季風的影響，氣候垂直帶分異明顯，干濕季分明，多年平均降水量為600～1 970 mm。境內(nèi)構(gòu)造變形復雜、斷裂活動強烈，頻繁的地震及人類活動也使區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境安全受到嚴重威脅，因此科學地研究雅礱江流域內(nèi)生態(tài)脆弱性非常迫切[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所收集的數(shù)據(jù)以及相關(guān)文字資料包括從地理空間數(shù)據(jù)云獲取的研究區(qū)高程（DEM）數(shù)據(jù)（分辨率為30 m×30 m），經(jīng)計算得到研究區(qū)的坡度空間分布圖。NDVI數(shù)據(jù)（1995年GIMMS與2005、2015年MOD13Q1中國月合成產(chǎn)品）;從中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心獲取的1995、2005、2015年的年降水量、年平均氣溫、人口密度、人均GDP和土地利用網(wǎng)格數(shù)據(jù)。需要說明的是，由于1995年缺乏MOD13Q1數(shù)據(jù)，故利用Zhu等[16]提出的時空自適應融合算法（ETARFM）將GIMMS NDVI和MODIS NDVI進行融合得到1995年500 m分辨率的NDVI用于生態(tài)脆弱性評價。該方法已被證明在數(shù)據(jù)融合方面具有較高的精度，被廣泛使用[16]。最后利用所獲取的NDVI數(shù)據(jù)，計算得到研究區(qū)的植被覆蓋度。

式中，NDVIs和NDVIv分別為植被和裸土的NDVI值，NDVIi代表圖像中每個像元柵格值，Pv是植被占混合像元的比例。植被覆蓋度計算[17]，取NDVI所占比例為5%的具體NDVI值，將像元視為完全被裸土覆蓋，即NDVIs;取NDVI所占比例為90%的具體NDVI值，將像元視為完全植被覆蓋，即NDVIv;當5%

基于RUSLE 模型計算土壤侵蝕因子（K）。經(jīng)計算，RUSLE模型較傳統(tǒng)使用的USLE模型計算更簡單，參數(shù)物理意義更為明確，具體計算過程詳見文獻[18]。

本研究在進行數(shù)據(jù)空間分析試驗之前將各類數(shù)據(jù)設(shè)置統(tǒng)一坐標系并進行重采樣，采用1940 Krasovsky地理坐標系，使用Albers投影（正軸等積割圓錐投影），將所有專題數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為空間分辨率為600 m×600 m的柵格數(shù)據(jù)。

1.3 評價方法

1.3.1 評價指標 在前人研究基礎(chǔ)上[19， 20]，遵循科學性、代表性、可操作性原則，并綜合考慮雅礱江流域的自然區(qū)域特點與人類活動對生態(tài)產(chǎn)生的影響，選取海拔、坡度、土地利用、植被覆蓋度、土壤侵蝕度（以K值表示）、氣溫、降水、人口密度和人均GDP共9個指標進行研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價。

1.3.2 指標標準化 利用極差法對各評價指標標準化處理以達到量綱統(tǒng)一。在對評價指標標準化操作之前，借鑒前人研究結(jié)果[13]，采用等級賦值法對土地利用等定性指標進行量化賦值，其中林地、水體、草地、耕地、建設(shè)用地和未利用地分別賦值2、2、4、6、8、10。

海拔、坡向、土地利用、土壤侵蝕度和人口密度因子對生態(tài)脆弱性呈負相關(guān)影響，采用公式（2）處理。

植被覆蓋度、氣溫、降雨和人均GDP對生態(tài)脆弱性呈正相關(guān)影響，采用公式（3）處理：

式中，Yi表示第i項指標的標準化值，Xi為第i項指標的實際值，Xmin為原始值的最小值，Xmax為原始值的最大值。

1.3.3 評價方法 空間主成分分析是基于數(shù)理統(tǒng)計原理，在信息量損失極少的前提下，將多個指標轉(zhuǎn)換為幾個關(guān)聯(lián)性極低的指標的數(shù)據(jù)處理方法[21]。本研究對9個生態(tài)脆弱性評價指標進行空間主成分分析。利用前4個累計貢獻率大于85%的主成分因子完成區(qū)域生態(tài)脆弱性評價（表1）。在選出的4個主成分基礎(chǔ)上，使用生態(tài)脆弱性指數(shù)來表示生態(tài)脆弱性程度，其值越大，生態(tài)脆弱性越嚴重[22]。生態(tài)脆弱性指數(shù)計算公式如下：

式中，EVI1995、EVI2005、EVI2015分別為1995、2005、2015年的生態(tài)脆弱性指數(shù)，C1、C2、C3、C4分別為1995、2005、2015年9個原始空間變量提取出的主成分因子，每年提取出的4個主成分因子累計貢獻率均達85%以上。

1.4 脆弱度分級

對生態(tài)脆弱性指數(shù)進行等級劃分有利于對區(qū)域變化進行合適的研究并提出改善建議。同時在分類過程中，應該客觀地對研究結(jié)果進行劃分。參照文獻[23]，結(jié)合當?shù)靥攸c，利用自然斷點法將生態(tài)脆弱性指數(shù)分為5個脆弱等級（表2）。

1.5 整體變化趨勢分析

為了能對流域生態(tài)脆弱性變化趨勢進行定量評價，參照文獻[24]，通過計算生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)（E）來定量分析雅礱江流域生態(tài)環(huán)境脆弱性變化趨勢。生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的計算公式如下：

式中，Ej為評級單元j的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù);i是脆弱性等級;n為總的評價等級數(shù)，n=5;Ai是等級i在評級單元j中所占的面積;[SAj]是評價單元j的面積;Gi是等級i對應的整數(shù)值。E越大，表示生態(tài)環(huán)境整體越脆弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 脆弱性等級分布

根據(jù)上述已建立的方法分析了流域1995、2005、2015年不同生態(tài)脆弱性等級柵格數(shù)占比（圖1）以及脆弱度等級（圖2）。結(jié)果表明，研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級整體上表現(xiàn)出北高南低的空間分布特征。研究區(qū)以輕度脆弱與微度脆弱為主，所占總面積比例為57.9%～61.7%;潛在脆弱等級所占總面積比例為18.1%～23.7%;中度脆弱等級所占面積比例為11.4%～14.9%;重度脆弱等級所占總面積比例為3.2%～9.1%。由此判斷雅礱江流域生態(tài)環(huán)境整體狀況處于中等水平。

2.2 脆弱性垂直地帶空間格局分布特征

雅礱江流域境內(nèi)地形復雜，相對高差達3 000 m以上。在不同的海拔梯度帶上，溫度、降水、植被覆蓋以及土地利用方式等具有明顯差異。因此，對在不同海拔梯度帶下雅礱江流域生態(tài)脆弱性的垂直地帶性空間分布格局特征進行了研究。

參照文獻[25]，將雅礱江流域地貌形態(tài)類型相對劃分為低海拔地區(qū)（<1 500 m）、中海拔地區(qū) （1 500～2 500 m）、中高海拔地區(qū)（2 500～3 500 m）、高海拔地區(qū)（3 500～4 500 m）、極高海拔地區(qū)（≥4 500 m）。分別統(tǒng)計3年間不同海拔梯度各環(huán)境脆弱度等級占比并利用公式（9）計算生態(tài)環(huán)境脆弱綜合指數(shù)，結(jié)果（圖3）表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)最差為極高海拔地區(qū)，其次是高海拔地區(qū)，前者生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)達3.534～3.982，后者為2.436～2.822，其中極高海拔地區(qū)以輕度脆弱（占30.1%～44.1%）與中度脆弱為主（占32.95%～36.3%），高海拔地區(qū)以微度脆弱（占35.2%～55.2%）與輕度脆弱為主（占32.9%～46.1%），二者占流域總面積的72.3%。中度脆弱與重度脆弱均只在極高海拔地區(qū)與高海拔地區(qū)分布，這是因為海拔高的區(qū)域地表起伏大、山峰陡峭、地形破碎，泥石流和滑坡等地質(zhì)災害頻繁，屬于先天脆弱，自然環(huán)境基礎(chǔ)條件差，生態(tài)脆弱性高。中高海拔地區(qū)以潛在脆弱（占43.5%～60.0%）與微度脆弱（占35.1%～44.2%）為主，生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)達1.368～1.688，生態(tài)質(zhì)量中等;中海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)中屬于潛在脆弱等級的面積均占90%以上，生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)為1.000～1.148，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 脆弱性變化趨勢

由圖1可知，相比1995年，研究區(qū)2005年潛在脆弱面積占比減少了3.1個百分點，微度脆弱面積占比減少了1.9個百分點，輕度脆弱面積占比增加了1.6個百分點，中度脆弱面積占比增加了0.5個百分點，重度脆弱面積占比增加了2.9個百分點。相比2005年，研究區(qū)2015年潛在脆弱面積占比減少了2.5個百分點，微度脆弱面積占比減少了7.4個百分點，輕度脆弱面積占比增加了3.9個百分點，中度脆弱面積占比增加了3.0個百分點，重度脆弱面積占比增加了3.0個百分點。潛在脆弱與微度脆弱所占比例最大是1995年，其次是2005年，最后是2015年，輕度脆弱及以上等級所占比例最大是2015年，其次是2005年，最后是1995年。根據(jù)公式（9）計算出雅礱江流域1995、2005、2015年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)分別為2.353、2.495、2.709，其中1995年生態(tài)環(huán)境整體狀況最好，而2015年生態(tài)環(huán)境整體穩(wěn)定性最差。

2.4 變化驅(qū)動力分析

在完成基于不同空間尺度對生態(tài)脆弱性結(jié)果的分析基礎(chǔ)上，進一步對流域生態(tài)脆弱性變化驅(qū)動力進行了分析。在研究時間內(nèi)，生態(tài)脆弱性時空變化結(jié)果受海拔、地形起伏度、坡度和土壤侵蝕度等因子作用的影響較小，氣溫、降水因子影響作用有限，在3個時間段中植被覆蓋變化與生態(tài)脆弱性趨勢變化基本一致。

人類活動及社會經(jīng)濟因子對該地生態(tài)環(huán)境脆弱性影響程度較高，土地利用類型在人為因素的作用下不斷發(fā)生變化。境內(nèi)如新龍縣、冕寧縣、雅江縣、康定縣、九龍縣、西昌市、鹽邊縣、米易縣和攀枝花市9個縣市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從2005年出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，主要是因為當?shù)卣罅`行退耕還林還草等生態(tài)保護與恢復政策，致力于水土流失綜合治理等生態(tài)工程，取得了明顯效益，植被覆蓋面積增加，生態(tài)環(huán)境得以重建。

也有少數(shù)地區(qū)如石渠縣、德格縣等出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢，分析其原因可能有2個方面。第一，生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)薄弱。境內(nèi)部分縣區(qū)位于高海拔地區(qū)，降雨量少，土壤資源極度匱乏，生態(tài)環(huán)境條件基礎(chǔ)差。如石渠縣屬于四川省最偏遠、交通最不方便的縣市之一，年平均溫度為-7 ℃，人均耕地面積不足0.05 hm2，當?shù)鼐用衿扔谏嫞粩嚅_發(fā)破壞草地和林地資源，過度放牧，使得當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。第二，水電資源的開發(fā)。雅礱江水電基地在“中國十三大水電基地規(guī)劃”排第三位，截至2015年研究區(qū)有二灘、錦屏一級、錦屏二級與官地等大型水電站。水電基地的修建使得區(qū)內(nèi)地下水位抬升，破壞流域內(nèi)天然的動植物棲息地，且在水電基地興修過程中征用和淹沒大量耕地、林地。同時在水電站的樞紐工程區(qū)和場內(nèi)交通工程區(qū)等預測區(qū)堆積的松散棄土棄渣遭遇暴雨侵蝕，易造成大量的水土流失，破壞當?shù)夭糠稚鷳B(tài)建設(shè)工程[26]。

3 小結(jié)

本研究是在GIS技術(shù)的支持下，結(jié)合雅礱江流域的地理環(huán)境特征，構(gòu)建評價指標體系，采取空間主成分分析法評價與分析雅礱江流域的生態(tài)脆弱性。結(jié)果表明，雅礱江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等，整體上表現(xiàn)出上游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差、下游好的空間分布特征。1995—2015年，研究區(qū)的生態(tài)脆弱等級面積變化從大到小依次為微度脆弱、重度脆弱、輕度脆弱、潛在脆弱和中度脆弱。不同海拔梯度帶上，極高海拔地區(qū)與高海拔地區(qū)占流域總面積的72.3%，生態(tài)質(zhì)量差;中高海拔地區(qū)以潛在脆弱與微度脆弱為主，生態(tài)質(zhì)量中等;中海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)生態(tài)質(zhì)量好。研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從2005年好轉(zhuǎn)，主要是因為當?shù)卮罅`行天然林防護及退耕還林等政策，落實植樹造林等防護措施，敦促改正過度砍伐、放牧等現(xiàn)象，促進生態(tài)恢復重建。

由于本研究受數(shù)據(jù)和技術(shù)影響，且研究時間不是連續(xù)的時間動態(tài)變化。因此，后續(xù)研究將會考慮每年生態(tài)環(huán)境的脆弱性變化，并在指標選取方面考慮更多的自然和人類活動要素。

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