基于熵權(quán)的黃河流域生態(tài)環(huán)境演變特征

張金良,陳 凱,張 超,郭鵬程 (黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

流域是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的重要空間載體,是一個(gè)具有特定的結(jié)構(gòu)和功能、相對(duì)獨(dú)立完整的自然資源-生態(tài)環(huán)境-人類社會(huì)的復(fù)雜系統(tǒng).生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)是流域巨系統(tǒng)的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)功能、格局過(guò)程受流域內(nèi)自然和人為因素的不斷影響,呈現(xiàn)出差異化的反饋狀態(tài).流域生態(tài)環(huán)境變化研究是當(dāng)前區(qū)域綜合研究的熱點(diǎn)[1-5].李長(zhǎng)安等[6]提出了長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)演變的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,如流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的演化過(guò)程與退化機(jī)理、山-河-湖互動(dòng)規(guī)律及耦合關(guān)系等.王思遠(yuǎn)等[7]采用層次分析法和空間主成分法,構(gòu)建了一套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系用以評(píng)價(jià)黃河流域生態(tài)環(huán)境,并進(jìn)行了分級(jí)制圖和動(dòng)態(tài)研究.金斌松等[8]總結(jié)了鄱陽(yáng)湖流域的基本特征,提出“山-江-湖”之間的生態(tài)過(guò)程、驅(qū)動(dòng)力與流域生態(tài)健康是鄱陽(yáng)湖流域的基本科學(xué)問(wèn)題.李樹(shù)元等[9]研究了海河流域生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵要素的時(shí)空演變規(guī)律,認(rèn)為人類活動(dòng)已經(jīng)取代自然條件成為影響海河流域的關(guān)鍵因子.Khadijeh等[10]利用DPSIR框架分析了烏魯米耶湖流域不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)的影響,發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)耕地的急劇擴(kuò)張導(dǎo)致湖泊萎縮,并削弱了絕大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù).20世紀(jì)80年代,世界氣候研究計(jì)劃(WCRP,1980年)、國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP,1987年)、生物多樣性計(jì)劃(DIVERSITAS,1991年)、國(guó)際全球環(huán)境變化的人文因素計(jì)劃(HDP,1996年)4大全球環(huán)境變化研究計(jì)劃先后成立,并于2001年聯(lián)合組建了地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟(ESSP),從地球系統(tǒng)的全方位審視和研究全球環(huán)境變化問(wèn)題及其影響,促進(jìn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[11].

近年來(lái),以生態(tài)學(xué)視角審視黃河流域生態(tài)環(huán)境演變與發(fā)展的研究越來(lái)越多,研究方法也逐步由定性轉(zhuǎn)為定量,由物理轉(zhuǎn)向信息,由局部轉(zhuǎn)向系統(tǒng).張亞玲等[12]分析了1998～2012年黃河流域植被覆蓋的時(shí)空特征,并通過(guò)流域生態(tài)系統(tǒng)植被降水利用效率驗(yàn)證了植被覆蓋改善與退化的熱點(diǎn)區(qū)域.劉曉君等[13]分析了黃河流域2個(gè)典型流域內(nèi)水土流失和景觀格局的關(guān)系,認(rèn)為土壤侵蝕防治與生態(tài)治理應(yīng)重視改善景觀連接度和連通性.張琨等[14]關(guān)于黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究發(fā)現(xiàn)碳固定和土壤保持功能在2000～2015年顯著增強(qiáng),植被覆蓋改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的作用存在閾值效應(yīng).Zhang等[15]分析了黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)糧食、畜牧業(yè)和工業(yè)產(chǎn)量與土壤保持、碳固定、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在顯著的高協(xié)同效應(yīng).Shi等[16]關(guān)于黃河流域上游的研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)存在景觀多樣化和破碎化,一些農(nóng)業(yè)區(qū)改善了區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通度,景觀異質(zhì)性是保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵.但是,相關(guān)研究多聚焦在河流[17-18]、水沙[19]、干旱[20]、水文[21-22]、污染[23]、經(jīng)濟(jì)[24]等單一領(lǐng)域或局部特征,站在流域巨系統(tǒng)角度進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)的研究十分有限,跨專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)耦合的研究成果較少.2019年,黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略,從戰(zhàn)略高度、系統(tǒng)角度為重大國(guó)家戰(zhàn)略提供科學(xué)支撐,迫切需要開(kāi)展系統(tǒng)性、整體性的深入研究.

本研究以黃河流域生態(tài)環(huán)境演變特征為切入點(diǎn),統(tǒng)計(jì)了黃河流域近 40a的主要生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)熵權(quán)分析計(jì)算得到流域環(huán)境發(fā)展指數(shù)(Environment Development Index,EDI),計(jì)量了黃河流域近 40a的生態(tài)環(huán)境演變特征,以期為新形勢(shì)下黃河流域發(fā)展質(zhì)量綜合評(píng)估和決策提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域位于 32°～42°N、96°～119°E,西起巴彥喀拉山,東臨渤海,南至秦嶺,北抵陰山,流域面積79.5萬(wàn)km2(圖1).黃河流域幅員遼闊,地貌差別很大,從西到東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原.地勢(shì)西高東低,流域北部屬干旱氣候,中部屬半干旱氣候,南部屬濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候,多年平均降水量為476mm,且主要集中在6～9月.

圖1 黃河流域概況Fig.1 Overview of the Yellow River basin

黃河流域生態(tài)環(huán)境整體較脆弱,多年來(lái),防洪減災(zāi)、水沙治理、水土保持、生態(tài)保護(hù)和修復(fù)等人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境積極向好發(fā)展提供了重要的驅(qū)動(dòng)力,但仍然存在上游水源涵養(yǎng)功能降低、中游水土流失嚴(yán)重和支流污染、下游濕地萎縮等突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文中,黃河干流重要斷面生態(tài)基流、黃河流域水網(wǎng)及水資源量空間數(shù)據(jù)集、水功能區(qū)及水體達(dá)標(biāo)情況、主要支流水體達(dá)標(biāo)統(tǒng)計(jì)、土壤侵蝕模數(shù)空間數(shù)據(jù)集、黃土高原水土流失治理面積等數(shù)據(jù)由水利部黃河水利委員會(huì)提供.土地利用、NDVI等空間數(shù)據(jù)集下載自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn).典型區(qū)域濕地面積數(shù)據(jù)源來(lái)自美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 遙感影像,將影像數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、拼接、裁剪等預(yù)處理后,采用 K-Means非監(jiān)督分類方法自動(dòng)分類后進(jìn)行人工修正,最終完成解譯并得到濕地面積.數(shù)據(jù)研究時(shí)間為1980～2019年.

1.3 研究方法

1.3.1 環(huán)境發(fā)展指數(shù) 采用張金良等[22]關(guān)于黃河流域發(fā)展質(zhì)量研究提出的可能度函數(shù)信息熵算法得到相關(guān)指標(biāo)的年度熵值,再利用熵權(quán)法計(jì)算生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)熵.在此基礎(chǔ)上,基于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)熵結(jié)果定義環(huán)境發(fā)展指數(shù)(EDI).

(1)熵權(quán)計(jì)算:信息熵是信息量和不確定性的度量,某指標(biāo)帶來(lái)的信息量越大,熵值越低,不確定性就越低,也就可以賦予其較大的權(quán)重.利用熵權(quán)分析方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重可以減少主觀判斷、固有經(jīng)驗(yàn)、隨機(jī)事件等的干擾.熵權(quán)法更大的意義在于,隨著各指標(biāo)信息熵值的變化,每個(gè)指標(biāo)在系統(tǒng)中的權(quán)重也隨之變化,這些指標(biāo)相互作用,動(dòng)態(tài)互動(dòng),就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在系統(tǒng)中重要性的變化,對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù),與傳統(tǒng)恒定人為賦權(quán)相比更具動(dòng)態(tài)性和系統(tǒng)性.

基于每個(gè)指標(biāo) i(i=1,2,…,N)的信息熵值 Si,其權(quán)重wi用公式求得:

利用各指標(biāo)的熵值和權(quán)重,經(jīng)過(guò)加權(quán)求和,可以計(jì)算得出流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)總熵Ssys,如下所示:

(2)指數(shù)計(jì)算:環(huán)境發(fā)展指數(shù)是流域發(fā)展指數(shù)體系的重要指標(biāo),是生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)作為流域巨系統(tǒng)有機(jī)組成的關(guān)鍵內(nèi)核之一.EDI從生態(tài)環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),量化研究生境質(zhì)量、植被覆蓋、土地脅迫、水網(wǎng)濕地等相關(guān)因素,是基于系統(tǒng)理論和熵權(quán)分析得到的用于評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展質(zhì)量的綜合性指標(biāo).本文采用熵權(quán)法對(duì) 9項(xiàng)黃河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和,就得到系統(tǒng)熵值,即EDI值,用來(lái)評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展演變狀況.EDI計(jì)算公式為:

式中:Si為各指標(biāo)信息熵值;wi為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的熵權(quán);N為指標(biāo)數(shù).

1.3.2 生態(tài)環(huán)境指標(biāo) 研究從黃河流域生態(tài)保護(hù)發(fā)展目標(biāo)出發(fā),選取了能夠充分反映流域生態(tài)環(huán)境特征且可獲取的 9項(xiàng)指標(biāo),通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算 EDI,相關(guān)指標(biāo)如下:

(1)重要斷面生態(tài)基流保證率(REBF),為滿足生態(tài)基流的月份(年份)與總評(píng)價(jià)月份(年份)之比.是表征生態(tài)用水保障程度的指標(biāo),值越大,生態(tài)用水保障程度越高.重要斷面包括黃河干流蘭州、花園口、利津3處.

(2)重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(RWQ),為水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水功能區(qū)個(gè)數(shù)與水功能區(qū)總個(gè)數(shù)之比.該指標(biāo)是區(qū)域尺度表征水質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo),值越大,水質(zhì)越優(yōu).黃河流域重要水功能區(qū) 340個(gè),計(jì)入水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的為294個(gè),詳見(jiàn)各年度《黃河水資源公報(bào)》[23].

(3)重要支流水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類河長(zhǎng)比例(RSW),為水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類河長(zhǎng)與總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)之比.該指標(biāo)是河流尺度表征水質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo),值越大,水質(zhì)越優(yōu).重要支流包括:大夏河、洮河、湟水、大通河、汾河、渭河、北洛河、涇河、伊洛河、沁河、東平湖.

(4)生境質(zhì)量指數(shù)(IHQ),評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生物棲息地質(zhì)量,利用單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異表示.

式中:S林地、S草地、S水域濕地、S耕地、S建設(shè)用地、S未利用地分別為對(duì)應(yīng)的生境類型面積(km2),根據(jù)土地利用空間數(shù)據(jù)集在ArcGIS平臺(tái)上計(jì)算得到;S為區(qū)域面積(km2);Abio為生境質(zhì)量指數(shù)的歸一化系數(shù),參考值為511.264[24].

(5)植被覆蓋指數(shù)(IVC),評(píng)價(jià)區(qū)域植被覆蓋的程度,利用區(qū)域單位面積歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示.式中:Pi為 5～9月象元 NDVI月最大值的均值,采用MOD13的NDVI數(shù)據(jù),空間分辨率250m.Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù),參考值為0.012[24].

(6)水網(wǎng)密度指數(shù)(IWND),水網(wǎng)密度指數(shù)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)水的豐富程度,利用評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)單位面積河流總長(zhǎng)度、水域面積和水資源量表示.

式中:Ariv為河流長(zhǎng)度(km)的歸一化系數(shù),參考值為84.370,Alak為水域面積(km2)的歸一化系數(shù),參考值為 591.791,Ares為水資源量(百萬(wàn) m3)的歸一化系數(shù),參考值為86.387[24].

(7)土地脅迫指數(shù)(ILS),評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土地質(zhì)量遭受脅迫的程度,利用區(qū)域內(nèi)單位面積上水土流失、土地沙化、土地開(kāi)發(fā)等脅迫類型面積表示.

式中:S重度侵蝕、S中度侵蝕、S建設(shè)用地、S其他土地脅迫為對(duì)應(yīng)類型土地面積(km2),S為區(qū)域面積,Aero為土地脅迫指數(shù)的歸一化系數(shù),參考值為236.044[24].

(8)黃土高原水土流失治理面積(SCWS)單位為km2.

(9)典型區(qū)域濕地面積變化率(RW),典型區(qū)域濕地指黃河源區(qū)、烏梁素海和黃河三角洲,分別位于流域上、中、下游.典型區(qū)域濕地面積變化率公式為:

式中:Si為第i年濕地面積(km2),Si+1為第i+1年濕地面積.

1.3.3 三次樣條函數(shù)法 指將實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)光滑連接,得到平順趨勢(shì)曲線的方法.本文采用三次樣條函數(shù)法對(duì)1980～2019年黃河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)EDI進(jìn)行趨勢(shì)擬合.已有實(shí)測(cè)點(diǎn) x,y坐標(biāo),在原測(cè)量點(diǎn)處仍保持原測(cè)量值,曲線內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)(除兩端點(diǎn)外)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)連續(xù),如下式所示:

式中:i= 2, 3,…, n-1,將原測(cè)點(diǎn)的函數(shù)值、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)求出后,根據(jù)需要,可以在兩測(cè)量點(diǎn)之間插值計(jì)算無(wú)限個(gè)函數(shù)值、一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù).給定一個(gè)區(qū)間(閉合區(qū)間)為[a, b],共有 n個(gè)測(cè)點(diǎn)(n-1段),即:a=x1＜x2＜x3…＜xn-1＜xn=b,其內(nèi)部的三次樣條函數(shù)為Sp(?,3),其中?為閉合區(qū)間[a, b].約束條件如下:

可見(jiàn),三次樣條函數(shù)法可保證插值曲線曲率(近似于曲線的二階導(dǎo)數(shù))線性變化,從而防止曲線發(fā)生突變而造成插值的不確定性.

2 結(jié)果與討論

2.1 熵權(quán)分析

圖2為10項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)值,每年的各項(xiàng)指標(biāo)熵權(quán)值和為1.與傳統(tǒng)專家打分等權(quán)重指標(biāo)體系方法不同,本文計(jì)算的黃河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的指標(biāo)的權(quán)存在隨時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化,說(shuō)明不同指標(biāo)對(duì)子系統(tǒng)狀態(tài)的影響程度在不同時(shí)間存在差異.重要斷面生態(tài)基流保證率熵權(quán)均值為 0.1390,其隨時(shí)間變化整體呈“下降-上升”趨勢(shì),水網(wǎng)密度熵權(quán)變化趨勢(shì)與之相似.生境質(zhì)量指數(shù)熵權(quán)均值為 0.1222,整體呈平緩下降趨勢(shì);植被覆蓋度指數(shù)熵權(quán)均值為 0.1249,整體呈平緩上升趨勢(shì);重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率熵權(quán)均值為 0.0919,在 1998～2019年間存在先減后增的波動(dòng).重要支流水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類河長(zhǎng)比例、土地脅迫指數(shù)、黃土高原水土流失治理面積、典型區(qū)域濕地面積變化率4項(xiàng)指標(biāo)熵權(quán),在21世紀(jì)初至今時(shí)間段的趨勢(shì)相對(duì)一致,均為先減后增.

圖2 1980～2019年黃河流域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)熵權(quán)變化Fig.2 The entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

圖3為10項(xiàng)指標(biāo)熵權(quán)箱線圖,用以解析數(shù)據(jù)分布和整體狀態(tài).箱體內(nèi)部虛線為中位數(shù),叉為平均值.整體的指標(biāo)權(quán)重排名為:重要斷面生態(tài)基流保障率、植被覆蓋度、生境質(zhì)量指數(shù)、黃土高原水土流失治理面積、土地脅迫指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、重要支流水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類河長(zhǎng)比例、典型區(qū)域濕地面積增長(zhǎng)率和重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率.其中,重要斷面生態(tài)基流保證率熵權(quán)存在一個(gè)異常值,為1997年的0.0553.這是因?yàn)?997年黃河下游斷流導(dǎo)致花園口(75%)和利津(29%)生態(tài)基流保證率為歷年最低,考慮到數(shù)據(jù)真實(shí)性,該異常值保留.各項(xiàng)指標(biāo)在每年熵權(quán)結(jié)構(gòu)中排名第一的有3項(xiàng),分別是重要斷面生態(tài)基流保障率,生境質(zhì)量指數(shù)和植被覆蓋指數(shù),出現(xiàn)率分別為 57.5%、32.5%和 10.0%.每年熵權(quán)結(jié)構(gòu)中排名第二的有4項(xiàng),分別是植被覆蓋指數(shù)、生境質(zhì)量指數(shù)、重要斷面生態(tài)基流保障率和水網(wǎng)密度指數(shù),出現(xiàn)率分別為45.0%、27.5%、25.0%和2.5%.

圖3 1980～2019年黃河流域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)熵權(quán)箱線圖Fig.3 The box plots of entropy weights of eco-environmental indicators in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.2 EDI分析

如圖 4,黃河流域 1980～2020年 EDI演變情況.近 40a,黃河流域 EDI的平均值為 64.23,最大值為76.60(2019年),最小值為 56.64(1981年).流域 EDI總體呈現(xiàn)“穩(wěn)定-增長(zhǎng)”的變化趨勢(shì),2003年顯著增長(zhǎng),之后EDI持續(xù)上升.

圖4 1980～2019年黃河流域EDI演變Fig.4 The EDIs of the Yellow River Basin from 1980 to 2019

自 20世紀(jì) 60年代,黃土高原水土流失治理工程、“三北”防護(hù)林工程逐步實(shí)施,黃河三角洲、烏梁素海等重要自然保護(hù)區(qū)相繼建立,流域生態(tài)保護(hù)和治理不斷推進(jìn),促進(jìn)了流域局部生態(tài)環(huán)境的好轉(zhuǎn),但保護(hù)和治理力度有限,系統(tǒng)性不足.1980～2002年EDI均值 60.54,低于全時(shí)段均值 64.40,流域整體生態(tài)環(huán)境狀況處于相對(duì)較低的水平.1980～2002年,植被覆蓋指數(shù)及生境質(zhì)量指數(shù)作為影響EDI的重要指標(biāo),變化較為穩(wěn)定(圖6),而重要斷面生態(tài)基流保障率存在波動(dòng)(圖5).

2003年后,隨著黃河水量統(tǒng)一調(diào)度、生態(tài)文明建設(shè)、污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)等系統(tǒng)性更強(qiáng)的政策措施,以及退耕護(hù)岸林工程、天然林保護(hù)工程和小浪底工程等關(guān)鍵工程實(shí)施,同時(shí)考慮黃土高源水土流失治理工程、“三北”防護(hù)林工程、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等生態(tài)工程的后效性,多重因素綜合推動(dòng)了黃河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的整體改善,EDI值顯著上升并持續(xù)增長(zhǎng).重要斷面生態(tài)基流保障率在2002年后,逐漸趨于平穩(wěn),并且相對(duì)穩(wěn)定在100 %.2003年及之后的流域植被覆蓋指數(shù)較 1980～2002年有較大增長(zhǎng),2019年較2002年的增幅達(dá)到21.26%,且正增長(zhǎng)頻度顯著高于負(fù)增長(zhǎng).EDI的定量解析可以為黃河流域發(fā)展綜合評(píng)估提供依據(jù),但仍應(yīng)認(rèn)識(shí)到,黃河流域生態(tài)系統(tǒng)狀況存在系統(tǒng)性、復(fù)雜性和波動(dòng)性,主要特征指標(biāo)的機(jī)理和相互影響尚不明確,在流域治理與重大工程的生態(tài)效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)力、預(yù)案決策等方面的研究還有待進(jìn)一步開(kāi)展.

2.3 主要特征指標(biāo)分析

基于上述熵權(quán)和 EDI分析,選取綜合熵權(quán)排名前3項(xiàng)的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析.

2.3.1 重要斷面生態(tài)基流保證率 由圖 5可知,1980～2009年黃河蘭州斷面生態(tài)基流保證率均為100%,說(shuō)明黃河干流上游生態(tài)水量較充足,為蘭州鲇等重要土著保護(hù)魚(yú)類提供了基本的棲息環(huán)境.花園口、利津均位于黃河下游,這里是黃河鯉等魚(yú)類重要的棲息河道.可以看到花園口、利津生態(tài)流量在1980～2003年間存在顯著缺口,特別是最下游的利津斷面,個(gè)別年份生態(tài)基流保證率不足 30%,有 7年時(shí)間甚至低于花園口斷面歷史保證率最低值.隨著黃河水量統(tǒng)一調(diào)度、小浪底調(diào)水調(diào)沙等的實(shí)施,特別是全流域水資源節(jié)約集約水平不斷提高,從2004年至今,3個(gè)主要斷面的生態(tài)基流保證率幾乎全部達(dá)到100%.該指標(biāo)的演化趨勢(shì)直接體現(xiàn)了黃河干流生態(tài)水量的系統(tǒng)性改善,表征了流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)狀況在持續(xù)向好發(fā)展.

圖5 1980～2019年黃河流域重要斷面生態(tài)基流保證率Fig.5 The annual assurance rates of ecological basic flow from the cross sections of important rivers in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

2.3.2 植被覆蓋度指數(shù) 如圖6(a)所示,1980～2019年全流域植被覆蓋度指數(shù)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),總體年均增長(zhǎng)率 0.91%,僅有 1988、1990、1991、1999、2005、2009、2011、2014、2015等8a植被覆蓋率變化率為負(fù),這可能與城鎮(zhèn)化擴(kuò)張和氣候變化有關(guān).其中,內(nèi)蒙古、山西、陜西三省的植被覆蓋狀況改善顯著,年均增長(zhǎng)率分別為 1.69%、1.65%和 1.47%,顯著高于其他省;寧夏、甘肅年植被覆蓋指數(shù)年均增長(zhǎng)率分別為1.29%、1.17%,高于流域均值.說(shuō)明相關(guān)省份在水土流失治理和林草保護(hù)與修復(fù)方面的工作效果顯著.

2.3.3 生境質(zhì)量指數(shù) 圖 6(b)為黃河流域及域內(nèi)各省范圍生境質(zhì)量指數(shù)變化率.1980～2009年全流域生境質(zhì)量總體穩(wěn)定,存在緩慢的波動(dòng)變化,年均變化率不足0.1%,說(shuō)明隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,特別是城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)規(guī)?；葘?duì)自然生境的擠壓,流域內(nèi)生境質(zhì)量總體穩(wěn)定,重要野生動(dòng)植物棲息地和生境得到了有效保護(hù)和修復(fù).各省生境質(zhì)量變化存在差異.變幅最顯著的是內(nèi)蒙古,初期波動(dòng)較大,之后逐漸放緩,說(shuō)明生境質(zhì)量下降的趨勢(shì)在逐漸遏制,這可能與內(nèi)蒙古黃河流域地區(qū)退耕還林還草還濕系統(tǒng)工程的成效開(kāi)始顯現(xiàn)有關(guān).河南黃河流域多為大堤內(nèi)灘區(qū)范圍,生境質(zhì)量存在階段性下降,但2006年之后已呈上升趨勢(shì),隨著黃河下游灘區(qū)綜合提升和生態(tài)廊道建設(shè),生境質(zhì)量有望進(jìn)一步改善.

圖6 1980～2019年黃河流域內(nèi)各省及全流域植被覆蓋指數(shù)和生境質(zhì)量指數(shù)年變化率Fig.6 The annual variance ratio of vegetation coverage indexes and habitat quality indexes change in the Yellow River Basin from 1980 to 2019

3 結(jié)論

3.1 構(gòu)建了用于評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)綜合質(zhì)量的指數(shù)EDI.EDI描述的核心要素特征綜合作用于流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng),其變化趨勢(shì)即為系統(tǒng)狀況動(dòng)態(tài).黃河流域 1980～2019年 EDI總體呈現(xiàn)“穩(wěn)定-增長(zhǎng)”的變化趨勢(shì),2003年顯著增長(zhǎng),之后 EDI持續(xù)上升.說(shuō)明經(jīng)過(guò)多年的保護(hù)與治理,流域生態(tài)環(huán)境負(fù)反饋效應(yīng)正在顯現(xiàn),系統(tǒng)逐步由混亂無(wú)序向穩(wěn)定有序發(fā)展,黃河流域生態(tài)環(huán)境整體向好.

3.2 黃河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)變化存在隨時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化.單一年度的指標(biāo)權(quán)重結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化不斷調(diào)整,各項(xiàng)指標(biāo)在系統(tǒng)中的重要性非恒定.EDI指標(biāo)權(quán)重綜合排序?yàn)?重要斷面生態(tài)基流保障率、植被覆蓋度、生境質(zhì)量指數(shù)、黃土高原水土流失治理面積、土地脅迫指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、重要支流水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類河長(zhǎng)比例、典型區(qū)域濕地面積增長(zhǎng)率和重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率.

3.3 重要斷面生態(tài)基流保障率、生境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)等指標(biāo)變化的規(guī)律呈現(xiàn)一定的時(shí)空差異.近 40a時(shí)間內(nèi),黃河干流生態(tài)水量由下游斷面難以保證逐步變化為全段保證率100%,植被覆蓋度整體持續(xù)增加,生境質(zhì)量總體穩(wěn)定,均表征了黃河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)狀況在持續(xù)向好發(fā)展.