青藏高原東南緣覆被交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱性評價

王 瑩，謝忠元，李 峰，邵懷勇

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059）

生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要方面，對區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的影響［1，2］。隨著全球變暖的加劇，生態(tài)環(huán)境問題變得日益尖銳。中國是生態(tài)脆弱類型最多、分布最廣的國家之一［3］。因此，對區(qū)域?qū)嵤┯行У纳鷳B(tài)環(huán)境脆弱性監(jiān)測及評價，有利于人們對生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理［4］。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)完善了很多關(guān)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性的評價方法，主要有模糊評判法［5］、主成分分析法（PCA）［6］、綜合評價法［7］和層次分析法與主成分分析法結(jié)合［8，9］。評價模型主要有壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）［10］模型、暴露度-敏感性-適應(yīng)性（VSD）框架［11］、生態(tài)敏感力-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度（SRP）概念模型及動力-壓力-狀態(tài)-沖擊-響應(yīng)（DPSIR）框架［12，13］等。這些方法在農(nóng)牧交錯帶［14，15］、高寒山地［16-18］、流域濕地［19-22］、喀斯特地區(qū)等［23-25］典型生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)評價中得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了很好的成果。但是，生態(tài)環(huán)境脆弱性是多因素共同作用的結(jié)果，單一的評價方法不夠準(zhǔn)確，如采用層次分析法獲取指標(biāo)權(quán)重時，權(quán)重會受到專家打分影響，不夠客觀［4，26，27］。熵值法是一種客觀的賦權(quán)法，通過各指標(biāo)信息熵的大小來確定指標(biāo)的權(quán)重［28，29］，避免專家打分帶來的主觀性。

青藏高原東南緣覆被交錯帶屬于長江、金沙江上游源區(qū)，是省級生態(tài)重點(diǎn)區(qū)，是川西北牧區(qū)的重要組成之一，也是長江上游天然綠色屏障。但是該地區(qū)地形復(fù)雜多變，受高原季風(fēng)氣候及土壤侵蝕的影響，出現(xiàn)草地退化等生態(tài)問題。因此，本研究以位于青藏高原東南緣的石渠縣、德格縣及甘孜縣為例，結(jié)合該區(qū)域的自然條件和地理環(huán)境等特點(diǎn)，采用熵值法與層次分析法組合的方式，彌補(bǔ)單一方法在獲取權(quán)重上的不足，從而得到對青藏高原東南緣覆被交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱性較全面客觀的評價結(jié)果，以便為相關(guān)部門治理和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)由石渠縣、德格縣與甘孜縣組成，隸屬四川省甘孜藏族自治州，位于青藏高原東南緣的川、青、藏3省區(qū)結(jié)合部，該區(qū)介于97°21′23″—100°23′13″E，31°24′12″—34°01′08″N，面積39 310.28 km2，地處長江、金沙江上游。該區(qū)海拔在2 979～6 075 m，峽谷相對高差一般在300 m左右；研究區(qū)覆被交錯帶主要分為冰川與林地交錯、林草地交錯和林草混合3類，冰川與林地交錯分布在橫斷山脈的絨麥峨扎山峰，海拔高于5 000 m的區(qū)域，林草地交錯和林草混合主要分布在德格縣與石渠縣交界處的高山峽谷帶，高山峽谷帶主要是以矮林叢與灌木叢為主，草地主要以高寒草甸為主。研究區(qū)由于地形復(fù)雜，形成了多變的氣候類型，主要具有高原季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，常年平均氣溫3.6℃左右，年溫差較大，年平均降水量為570～640 mm，災(zāi)害主要有干旱、雪災(zāi)和鼠蟲泛濫等；土壤侵蝕類型主要是凍融侵蝕與風(fēng)力侵蝕。因此，選擇該區(qū)域分析青藏高原東南緣覆被交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱性具有典型性和代表性。

1.2 評價指標(biāo)體系

1.2.1 評價指標(biāo)體系建立 在參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》（HJ 192—2015）等規(guī)范的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵守指標(biāo)選取的各項(xiàng)原則［30］，充分考慮研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的成因，選取氣候、土壤和地形因子為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價的自然因素指標(biāo)；選取植被和土地利用類型為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價的人為因素指標(biāo)，以此構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系，詳見表1。

表1 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系

1.2.2 評價指標(biāo)歸一化 由于各項(xiàng)指標(biāo)的物理單位及量綱不同，需要對指標(biāo)值（xi）j進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［3，12，27，31］。本研究分別采用分等級賦值法和極差法對定性指標(biāo)和定量指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。其中，定量指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境脆弱性成因有正向和負(fù)向之分，為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別采用不同計(jì)算公式對正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1）定性指標(biāo)處理。參考研究區(qū)土壤類型圖，結(jié)合《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）和《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》（HJX 192—2015），參照文獻(xiàn)［3，27］，得到研究土壤侵蝕度和土地利用類型等級賦值標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 指標(biāo)分等級賦值標(biāo)準(zhǔn)

2）定量指標(biāo)處理。對坡度、人為干擾指數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)、高程和年累積降水量等與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈正相關(guān)的指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)化公式：

對植被覆蓋度和年平均氣溫等與生態(tài)環(huán)境脆弱性呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)化公式：

式中，xij為j指標(biāo)在i區(qū)域的柵格數(shù)據(jù)值，xij(max)、xij(min)分別為j指標(biāo)在i區(qū)域的柵格單元的最大值和最小值，Xij為j指標(biāo)在i區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所涉及的資料有：①氣象資料。2010年、2015年及2018年的氣象數(shù)據(jù)；②地形數(shù)據(jù)。分辨率為90 m的數(shù)字高程模型；③土地資源數(shù)據(jù)。土地利用類型數(shù)據(jù)和土壤侵蝕度數(shù)據(jù)；④植被數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)集。其中，氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：∕∕data.cma.cn∕）提供的中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集，用于統(tǒng)計(jì)研究區(qū)周邊14個氣象站點(diǎn)年平均氣溫、年累積降水量以及年累積蒸發(fā)量；土地利用和土壤侵蝕等專題數(shù)據(jù)等來自中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http：∕∕www.resdc.cn∕），空間分辨率為1 km；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http：∕∕www.gscloud.cn∕），用于計(jì)算坡度信息；NDVI數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局陸地過程分布式主動存檔中心（https：∕∕ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov∕），分辨率為250 m。

處理數(shù)據(jù)時，利用ArcGIS 10.2軟件中的反距離權(quán)重插值工具得到研究區(qū)氣象柵格數(shù)據(jù)和人為干擾指數(shù)柵格數(shù)據(jù)［12］；利用ENVI5.3軟件對Terra-MODIS的NDVI每月產(chǎn)品進(jìn)行最大值合成、歸一化等計(jì)算，得到研究區(qū)整年的植被覆蓋度。對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，統(tǒng)一坐標(biāo)系為WGS_1984，并將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為250 m×250 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行無量綱處理，以統(tǒng)一尺度［6，12，13，27］。

1.4 分析方法

1.4.1 評價指標(biāo)權(quán)重

1）熵值法。熵的概念來源于熱力學(xué)，是對系統(tǒng)狀態(tài)不確定性的一種度量。在信息論中，信息是系統(tǒng)有序程度的一種度量；熵則是系統(tǒng)無序程度的一種度量，二者絕對值相等，但是符號相反。根據(jù)此性質(zhì)，可以客觀地獲取指標(biāo)的權(quán)重［29］。

在本研究中，將研究區(qū)的3個縣域設(shè)定為m個子區(qū)域，將植被覆蓋度等9個影響因子設(shè)定為n項(xiàng)指標(biāo)，形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣x（iji=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n），對于某項(xiàng)指標(biāo)的值差距越大，則該指標(biāo)在綜合評價中所起到的作用越大；如果某項(xiàng)指標(biāo)的值全都相等，則該指標(biāo)沒有起作用。熵值法的計(jì)算步驟如下：

式中，F(xiàn)ij為j指標(biāo)在i區(qū)域的評價值；Pij為j指標(biāo)在省內(nèi)區(qū)域的貢獻(xiàn)度，而當(dāng)Pij=0時，定義

式中，Ej表示j指標(biāo)的信息熵

式中，dj為j指標(biāo)在各區(qū)域貢獻(xiàn)度的一致性程度。

式中，W1j為各指標(biāo)的權(quán)重。

2）層次分析法。層次分析法（AHP）是一種典型的主觀賦權(quán)法，是由美國運(yùn)籌學(xué)家Satty［32］在20世紀(jì)70年代提出來的。本研究采用Yaahp 10.0軟件中層次結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算簡單，操作步驟：①首先根據(jù)決策目標(biāo)、中間層要素及備選方案建立層次結(jié)構(gòu)模型；②比較兩兩指標(biāo)對中間層要素的重要性且用1～9對其進(jìn)行標(biāo)注，構(gòu)建判斷矩陣；③計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重；④對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以判斷其合理性［8］。本研究一致性檢驗(yàn)值為0.017 6＜0.1，指標(biāo)的權(quán)重合理。

3）組合權(quán)重。組合權(quán)重是指通過離差平方和最小的方法［32］，將兩種方法的權(quán)重值優(yōu)勢互補(bǔ)，綜合二者的主觀性與客觀性，最終確定指標(biāo)權(quán)重。假設(shè)組合權(quán)重為Wj，熵值法和層次分析法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重分別為W1j、W2j，主觀偏好系數(shù)為θ，組合權(quán)重的公式：

將研究區(qū)2010年、2015年及2018年的數(shù)據(jù)整理獲得的9個評價指標(biāo)因子帶入公式（1）至公式（8），計(jì)算出各指標(biāo)因子的組合權(quán)重Wj，如表3所示。

表3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)因子權(quán)重

1.4.2 生態(tài)環(huán)境脆弱性分級 結(jié)合研究區(qū)每個評價指標(biāo)的權(quán)重，采用代數(shù)運(yùn)算的方法來獲取生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)（EVI）［27］，EVI的取值在0～1，其值越大，表明生態(tài)環(huán)境越脆弱。求取EVI的公式為：

式中，EVI為生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)，Xj為j指標(biāo)在研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化后的柵格值，Wj為指標(biāo)的組合權(quán)重。

通過公式（9）計(jì)算出研究區(qū)2010—2018年的生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)，根據(jù)國內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價的相關(guān)研究［4，9，26，33］，為了保證對EVI分組時組間差異最大、組內(nèi)差異最小，體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)不同的脆弱性程度，本研究采取了自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱性分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5類［27］，如表4所示。

表4 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分級

1.4.3 生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù) 為了直觀地反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化趨勢，以生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)來表達(dá)生態(tài)環(huán)境的變化趨勢［33］，公式為：

式中，E為生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)，Pi為研究區(qū)各脆弱性等級值，Ai為等級i的脆弱性面積，S為研究區(qū)的總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分布

根據(jù)上述已建立的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價方法，研究區(qū)2010—2018年生態(tài)環(huán)境脆弱性評價結(jié)果如圖1所示。從研究區(qū)3個時期的生態(tài)環(huán)境脆弱性評價結(jié)果來看，輕度脆弱分布最廣且所占面積最大，主要分布在石渠縣與甘孜縣；微度脆弱次之，主要分布在德格縣；甘孜縣東南及石渠縣西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境主要為中度脆弱，從甘孜縣東南地區(qū)可以看出中度脆弱面積有明顯減少的趨勢，可以說明此地的生態(tài)環(huán)境狀況有好轉(zhuǎn)的趨勢；而重度脆弱及極度脆弱主要分布在青藏高原東南緣的橫斷山系沙魯里山脈，造成這種現(xiàn)象的主要原因是此地土壤常年受到風(fēng)力侵蝕與強(qiáng)烈的凍融侵蝕。

圖1 研究區(qū)2010年、2015年、2018年的生態(tài)環(huán)境脆弱性分布

對研究區(qū)2010年、2015年、2018年的生態(tài)環(huán)境脆弱性各等級面積占比（表5）進(jìn)行分析，微度脆弱面積占比由2010年的26.10%上升至2015年的27.35%再下降至2018年的26.16%，總體呈先增后減的趨勢，重度脆弱呈相似的變化趨勢，但是二者整體都沒有太明顯的變化；輕度脆弱面積占比由2010年的38.67%下降至2015年的37.48%再上升至2018年的40.20%，總體呈先減后增的趨勢且變化趨勢明顯；極度脆弱呈現(xiàn)出與輕度脆弱一樣的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；中度脆弱則由2010年的23.49%下降至2018年的21.63%，總體呈遞減的趨勢，并且減少趨勢較明顯。以研究區(qū)3個時期各生態(tài)脆弱等級面積占比來看，微度脆弱與輕度脆弱所占面積大于整個研究區(qū)的60%，由此可判斷出整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境處于中等水平。

表5 研究區(qū)2010年、2015年、2018年的生態(tài)環(huán)境脆弱性各等級面積占比

2.2 生態(tài)環(huán)境脆弱性變化趨勢

由公式（10）計(jì)算3個時期的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)，得出2010年、2015年及2018年的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)分別為2.254、2.249和2.241，呈遞減的變化趨勢，表明研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況有變好的趨勢，但趨勢不明顯。

3 結(jié)論

本研究從人為因素與自然因素的綜合作用出發(fā)，將熵值法與層次分析法優(yōu)化組合，求得研究區(qū)覆被交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算研究區(qū)的EVI，并利用自然斷點(diǎn)法對其分級，得到如下結(jié)論。

1）從生態(tài)脆弱等級的分布上來看，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境極度脆弱區(qū)域主要集中在橫斷山脈絨麥峨扎山峰海拔高于5 000 m的地方，該區(qū)常年積雪覆蓋，土壤受到凍融侵蝕較為嚴(yán)重，嚴(yán)重遏制了植被生長；重度脆弱區(qū)域主要分布在海拔4 250～5 000 m的地區(qū)，植被主要有亞高山草甸、高山草甸以及少量的流石灘植被，這些植被種類簡單，植株較低且稀疏；中度脆弱區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西北地區(qū)以及甘孜縣縣城周邊，這兩處植被分別為亞高山草甸和云杉等杉木，因常年受到風(fēng)力侵蝕，造成植被生長稀疏；輕度脆弱區(qū)域主要分布在石渠縣境內(nèi)，該區(qū)域植被覆蓋度達(dá)85%，以高寒草甸草地為主，由于降水量少、土壤肥力恢復(fù)弱，致使草甸生存能力減弱；微度脆弱區(qū)域主要分布在德格縣境內(nèi)海拔低于4 000 m的高山峽谷帶，植被類型分為河谷灌叢林帶與暗針葉林帶。

2）研究區(qū)2010年、2015年和2018年的生態(tài)環(huán)境各脆弱等級的面積占比變化趨勢不一，微度脆弱、輕度脆弱、重度脆弱與極度脆弱在2015年都出現(xiàn)拐點(diǎn)，中度脆弱呈一直減少的趨勢，與生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化趨勢相同，因此判斷中度脆弱的變化趨勢與研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的轉(zhuǎn)變有直接關(guān)系。

本研究采用熵值法與層次分析法優(yōu)化組合的權(quán)重計(jì)算方法，既能考慮到人們的主觀認(rèn)知，又能有效避免過多的人為干擾，較客觀地分析了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的分布及變化趨勢。

本研究結(jié)果表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性受氣候、地形、土壤、土地利用和植被的影響，其中氣候、地形和土壤等自然因素致使研究區(qū)生態(tài)環(huán)境先天脆弱，而土壤侵蝕中凍融侵蝕是造成生態(tài)環(huán)境脆弱最主要的原因。因此，對于土壤侵蝕和氣候等不可控因素，可根據(jù)海拔高差、水資源等因素，因地制宜地選擇耐寒、耐旱的草木，實(shí)施高寒草地修復(fù)工程來提高自然修復(fù)能力；而對于土地利用類型和植被等可控因素，可繼續(xù)擴(kuò)大保護(hù)區(qū)面積，實(shí)施天然草地改良工程及補(bǔ)水工程，加強(qiáng)退牧還草力度，繼續(xù)推進(jìn)退耕還林等重點(diǎn)工程，優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)和土地利用效率。另外，堅(jiān)定落實(shí)生態(tài)補(bǔ)償政策，以提高農(nóng)牧民對政府號召的響應(yīng)。