基于分區(qū)-集成的黃河流域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)

楊雯娜,周 亮,孫東琪

(1.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101;4.甘肅省地理國情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

0 引言

生態(tài)可持續(xù)發(fā)展是一切可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境基礎(chǔ)，人類在滿足自身需求的同時(shí)應(yīng)保護(hù)賴以生存的全球生命支持系統(tǒng)。流域是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其豐富的水資源對(duì)人類生活、農(nóng)田灌溉、環(huán)境凈化及航運(yùn)溝通具有重要意義[1]。然而，受全球氣候變化與頻繁的人類活動(dòng)的影響，流域自凈能力下降、生態(tài)功能退化等環(huán)境問題日趨凸顯[2-3]。生態(tài)脆弱性作為生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境干擾表現(xiàn)出的敏感程度和恢復(fù)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可直觀反映流域生態(tài)系統(tǒng)健康水平，開展流域生態(tài)脆弱性定量評(píng)價(jià)，研究生態(tài)環(huán)境整體脆弱程度與演變規(guī)律，對(duì)流域環(huán)境改善和未來發(fā)展具有重要參考價(jià)值[4-5]。

黃河流域是連接青藏高原、黃土高原和華北平原的生態(tài)廊道，是中國主要經(jīng)濟(jì)地帶之一，“資源豐富、水患制約、生態(tài)脆弱”概括了流域機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的現(xiàn)狀[6]。2019年習(xí)總書記提出“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”重大戰(zhàn)略，旨在強(qiáng)化流域生態(tài)修復(fù)治理、提高環(huán)境承載能力[7]，中國學(xué)者也已對(duì)流域典型生態(tài)問題開展了多項(xiàng)研究[6]。以往研究基于流域內(nèi)地貌結(jié)構(gòu)、氣候背景及生態(tài)系統(tǒng)的豐富性與差異性，探索人類活動(dòng)影響下的流域水文演變規(guī)律和不同尺度的水資源承載能力[6,8]，為確定居民用水及農(nóng)業(yè)用水閾值等提供重要參考；探析不同氣候條件、地貌類型對(duì)植被、水土及生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制[9-12]，有助于維持流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，保護(hù)水資源、土地、植被和其他自然資源的可持續(xù)性[5]。已有的研究為流域綜合治理、環(huán)境改善及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等提供了定量與定性的參考[7,13]，但仍有些許不足，主要體現(xiàn)在：①研究區(qū)缺乏空間連貫性，濕地[11]、河口三角洲[10,12]以及水土保持重點(diǎn)地區(qū)[9,14]等研究目標(biāo)分布零散，難以反映流域整體的生態(tài)現(xiàn)狀；②部分大尺度研究未考慮流域自然環(huán)境的空間差異，難以保證研究可靠性。

本文為確保研究的整體性及準(zhǔn)確性，綜合考慮黃河流域環(huán)境的空間異質(zhì)性及人類活動(dòng)影響，對(duì)流域整體生態(tài)脆弱程度進(jìn)行評(píng)估。研究使用多源遙感數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，引入“分區(qū)-集成”的評(píng)價(jià)手段解決流域自然環(huán)境差異較大的難題，運(yùn)用熵權(quán)法建立客觀的脆弱性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)2000—2018年的生態(tài)脆弱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以流域生態(tài)脆弱性整體格局及演化趨勢(shì)為基礎(chǔ)，分析導(dǎo)致生態(tài)脆弱性格局變化的因素，為流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山脈，全長約5 464 km。黃河流域地跨中國東西兩部，地域上承東啟西，地貌類型復(fù)雜，地形起伏較大，高程最大落差達(dá)4 480 m。氣候類型多樣，降水由東向西逐步遞減，年均降水量為200～700 mm，年蒸發(fā)量為850～1 600 mm，且70%的降水集中于6—9月份[15]。流域上游天然草地生態(tài)功能退化率為60%～90%，土地沙化問題突出、水土流失問題嚴(yán)重[7]。近年來，流域范圍中黃土高原已治理超過總面積60%的水土問題[16]，流域生態(tài)環(huán)境呈整體改善態(tài)勢(shì)，但局部生態(tài)破壞依然嚴(yán)重，生態(tài)保護(hù)格局亟須優(yōu)化。圖1為黃河流域區(qū)位圖。

圖1 黃河流域區(qū)位圖Fig.1 Location of Yellow River Basin

1.2 數(shù)據(jù)源

本文研究數(shù)據(jù)包括2000年、2005年、2010年、2015年和2018年共5期的氣候、水資源、土壤、植被及人類活動(dòng)數(shù)據(jù)。氣候數(shù)據(jù)來源中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括氣溫、降水及日照時(shí)數(shù)。水資源數(shù)據(jù)來自各省水利部門官方網(wǎng)站發(fā)布的統(tǒng)計(jì)年鑒。濕潤指數(shù)、NPP數(shù)據(jù)以及植被覆蓋數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)官網(wǎng)(https://www.nasa.gov/)發(fā)布的MODIS系列數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來自北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(tái)(http://geodata.pku.edu.cn/)，由1∶100萬土壤類型圖和第二次土壤普查獲取到的土壤剖面數(shù)據(jù)編制而成。生物多樣性數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、GDP密度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)均從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)下載，空間分辨率均為1 km×1 km。

2 黃河流域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系

2.1 黃河流域生態(tài)分區(qū)

黃河流域橫跨3大階梯，空間分異特征顯著，為因地制宜地對(duì)黃河流域進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)，引入“分區(qū)-集成”的評(píng)價(jià)手段，基于氣候、地形、植被、土壤等因子進(jìn)行生態(tài)分區(qū)。該研究充分考慮到流域存在的主要生態(tài)環(huán)境問題(水土流失、土地鹽堿化等)，利用ISODATA算法[17]并結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)，將流域分為高原寒區(qū)(Ⅰ區(qū))[18]、干旱過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))[19]及季風(fēng)氣候區(qū)(Ⅲ區(qū))[20]3個(gè)生態(tài)區(qū)(圖2)。

圖2 黃河流域分區(qū)方案Fig.2 Zoning plan for the Yellow River Basin

2.2 黃河流域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

基于流域顯著的自然本底特征空間異質(zhì)性格局，借鑒以往專家對(duì)其開展的不同地區(qū)和不同尺度的生態(tài)研究，結(jié)合區(qū)域生態(tài)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性、可獲取性[18,21-22]，以生態(tài)分區(qū)為研究單元選取水資源、氣候、植被、土壤及人類活動(dòng)5類一級(jí)指標(biāo)、18種二級(jí)指標(biāo)，使用熵權(quán)法[23]確定流域脆弱性評(píng)價(jià)體系如表1所示。

表1 黃河流域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系Tab.1 Ecological vulnerability assessment system of the Yellow River Basin

(續(xù)表)

2.3 脆弱性指數(shù)與生態(tài)脆弱性等級(jí)劃分

加權(quán)線性組合法是生態(tài)學(xué)中常用的方法之一，其作用是將多個(gè)指標(biāo)綜合為一個(gè)指標(biāo)，更為直觀地反映生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀[18]。根據(jù)黃河流域各生態(tài)分區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)體系，采用加權(quán)線性組合法計(jì)算流域各分區(qū)脆弱性指數(shù)，公式為：

(1)

式中：EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù)計(jì)算結(jié)果；wj為因子j的權(quán)重；Ij標(biāo)準(zhǔn)化后的因子j。

由于各生態(tài)分區(qū)評(píng)價(jià)體系存在差異，難以進(jìn)行直接對(duì)比。因此，文章參照國內(nèi)生態(tài)脆弱性研究成果并選用NPP作為輔助參數(shù)，協(xié)助進(jìn)行生態(tài)脆弱性等級(jí)閾值的確定與生態(tài)脆弱等級(jí)劃分[21]，具體步驟如下：通過自然斷點(diǎn)法將各生態(tài)分區(qū)NPP分為4類并提取分類NPP閾值；使用相同的方法將生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果分4個(gè)等級(jí)；隨后，使用分類NPP閾值進(jìn)行脆弱性閾值的修正，確定生態(tài)脆弱性等級(jí)；最后，將分類結(jié)果從低至高依次定義為輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱(表2)。其中，輕度脆弱地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為良好，環(huán)境健康水平較為穩(wěn)定；中度脆弱區(qū)域生態(tài)健康水平較輕度脆弱地區(qū)偏低，不宜進(jìn)行高強(qiáng)度的生態(tài)開發(fā)；重度脆弱和極度脆弱地區(qū)環(huán)境問題頗為嚴(yán)峻，應(yīng)當(dāng)盡快采取合理措施改善環(huán)境狀況。

表2 黃河流域各分區(qū)生態(tài)脆弱性閾值Tab.2 Ecological vulnerability threshold of each ecological zone in the Yellow River Basin

2.4 演化趨勢(shì)與影響因子分析

乘法模型常用于對(duì)長期變化趨勢(shì)進(jìn)行分析的統(tǒng)計(jì)方法，可反映數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上的水平及演化趨勢(shì)[24]。為更加直觀地對(duì)各年份黃河流域整體的生態(tài)脆弱性進(jìn)行度量及比較分析，引入綜合脆弱指數(shù)定量反映流域整體脆弱性程度，即

(2)

式中：V為綜合脆弱指數(shù)；Pj為等級(jí)j的脆弱性賦值(輕度、中度、重度和極度脆弱分別賦值為1，2，3，4)；Aj為等級(jí)j的脆弱性面積；S為流域總面積。

皮爾森相關(guān)系數(shù)是兩個(gè)隨機(jī)變量之間相關(guān)性的量度，也是應(yīng)用最廣泛的關(guān)系量度之一[25]。為分析不同因子對(duì)黃河流域生態(tài)脆弱性的影響程度，利用該系數(shù)對(duì)流域生態(tài)脆弱程度與各因子進(jìn)行雙變量分析，得到變量與評(píng)價(jià)結(jié)果間的相關(guān)系數(shù)，為生態(tài)保護(hù)策略制定提供參考。

3 研究結(jié)果

黃河流域地域廣闊、地形多樣，為具體分析其環(huán)境狀況，本文從二級(jí)流域、生態(tài)分區(qū)以及流域整體3個(gè)尺度對(duì)黃河流域生態(tài)脆弱性空間分布、變化趨勢(shì)進(jìn)行分析；并將2000年與2018年流域生態(tài)脆弱程度進(jìn)行對(duì)比，探究流域生態(tài)環(huán)境變化狀況，簡要分析流域生態(tài)脆弱程度影響機(jī)制，為流域高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

3.1 二級(jí)流域生態(tài)脆弱性時(shí)空異質(zhì)性特征

黃河流域涵蓋的8個(gè)二級(jí)流域中(圖3)，蘭河(蘭州至河口鎮(zhèn))區(qū)間綜合脆弱指數(shù)為2.82，脆弱程度最高，三花(三門峽至花園口)區(qū)間脆弱程度最低，其綜合脆弱指數(shù)僅為2.37。不同二級(jí)流域脆弱等級(jí)分布亦存在差異，蘭河區(qū)間極度脆弱所占比例為二級(jí)流域中最高，為14.56%；重度脆弱地區(qū)集中于蘭河、花以下(花園口以下)區(qū)間及內(nèi)流區(qū)，分別占其面積的61.26%，47.38%和45.61%；中度脆弱地區(qū)分布最廣，除蘭河、三花區(qū)間僅占其面積的16.21%和27.97%外，其他區(qū)間均不低于37%；龍?zhí)m(龍羊峽至蘭州)區(qū)間輕度脆弱所占面積比例最高為46.23%，蘭河區(qū)間所占比例最低為7.98%。

圖3 黃河流域生態(tài)脆弱性分布Fig.3 Distribution of ecological vulnerability in the Yellow River Basin

2000—2018年間，龍以上(龍羊峽以上)、龍?zhí)m區(qū)間環(huán)境大規(guī)模惡化，惡化面積分別為其面積的66.85%和41.76%；蘭河區(qū)間和內(nèi)流區(qū)部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到改善，大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境維持原狀，但個(gè)別區(qū)域仍有惡化趨勢(shì)；河龍(河口鎮(zhèn)至龍門)、龍三(龍門至三門峽)、三花和花以下區(qū)間無明顯惡化現(xiàn)象，并且得益于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，生態(tài)狀況得到明顯改善，改善面積分別為52.17%，54.96%，58.68%和76.99%。黃河流域各年份生態(tài)脆弱評(píng)價(jià)結(jié)果見圖4。

(a)2000年 (b)2005年

3.2 生態(tài)分區(qū)脆弱性時(shí)空分異規(guī)律

本研究根據(jù)水、氣候、植被及土壤因素將流域分為高原寒區(qū)、干旱過渡區(qū)和季風(fēng)氣候區(qū)3個(gè)分區(qū)。其中，高原寒區(qū)及季風(fēng)氣候區(qū)綜合脆弱指數(shù)分別為1.71和1.77，均屬于中度脆弱，干旱過渡區(qū)則高達(dá)2.59，生態(tài)環(huán)境呈重度脆弱。流域中度脆弱區(qū)域集中分布于高原寒區(qū)和季風(fēng)氣候區(qū)，分別占其面積的58.10%和48.96%，輕度脆弱比例分別為35.50%和37.33%，重度脆弱地區(qū)分別是分區(qū)面積的5.96%和13.34%，極度脆弱所占面積極少；脆弱程度較高的干旱過渡區(qū)重度脆弱和極度脆弱分別為52.50%和10.92%，輕度脆弱、中度脆弱僅為其面積的15.82%和20.75%。

2000—2018年間，高原寒區(qū)有62.50%的地區(qū)生態(tài)有所惡化，整體生態(tài)健康水平下降(圖5)，如何兼顧生態(tài)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展是該分區(qū)的緊要問題；季風(fēng)氣候區(qū)生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，其環(huán)境改善區(qū)域面積達(dá)64.50%，惡化面積僅為0.77%，生態(tài)問題得到一定解決，但復(fù)雜的人地關(guān)系仍值得關(guān)注；干旱過渡區(qū)33.12%的地區(qū)生態(tài)健康水平有所提高，但受人類活動(dòng)、地形地貌等因素影響，該生態(tài)分區(qū)仍存在大規(guī)模極度脆弱地區(qū)，環(huán)境問題依舊嚴(yán)峻。

圖5 黃河流域生態(tài)脆弱性等級(jí)變化(2000—2018年)Fig.5 Changes in the ecological vulnerability of the Yellow River Basin (2000—2018)

3.3 黃河流域生態(tài)脆弱性空間演化

根據(jù)二級(jí)流域與生態(tài)分區(qū)的生態(tài)脆弱性分析結(jié)果(圖6)，對(duì)黃河流域進(jìn)一步分析可得：流域整體綜合脆弱指數(shù)為2.01，呈中度脆弱。重度脆弱地區(qū)主要分布于黃土高原北部、西北部地區(qū)，零星分布于黃河流域中下游地區(qū)，占流域面積的23.83%。極度脆弱區(qū)多位于黃河上游寧蒙交界處與部分城市經(jīng)濟(jì)圈，屬干旱過渡區(qū)，面積僅占流域面積的3.75%，但仍是生態(tài)治理的重點(diǎn)區(qū)域。流域輕度脆弱、中度脆弱區(qū)域分別占總面積的29.96%和42.46%，分布較為廣泛。

圖6 黃河流域各年份生態(tài)脆弱性等級(jí)分布比例Fig.6 Proportion of ecological vulnerability grades in the Yellow River Basin in each year

利用綜合脆弱指數(shù)對(duì)流域各年份脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化(圖7)，得到其綜合脆弱指數(shù)分別為2.28，2.09，2.01，2.00和2.08；其中2000年脆弱程度最高，2015年生態(tài)環(huán)境最優(yōu)。2000—2018年間，流域整體生態(tài)環(huán)境有所改善；輕度脆弱及重度脆弱所占面積存在一定波動(dòng)，兩者變化趨勢(shì)分別為“先增加后減少”和“先減少后增加”，輕度脆弱地區(qū)比例由2000年的19.28%增至2018年的30.25%，重度脆弱面積占比由32.98%下降至24.22%；重度脆弱比例下降8.76%，極度脆弱比例變化微弱(下降0.12%)。流域整體生態(tài)狀況雖有所改善(改善面積為流域面積的10.97%)，中下游地區(qū)生態(tài)健康水平有所提升，但流域上游生態(tài)環(huán)境仍存在惡化趨勢(shì)，無法滿足流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展要求。

圖7 黃河流域各生態(tài)分區(qū)生態(tài)脆弱性等級(jí)比例Fig.7 Proportion of ecological vulnerability grades in each ecological zone of the Yellow River Basin

3.4 黃河流域生態(tài)脆弱性成因分析

為分析黃河流域生態(tài)脆弱性空間分布與演化趨勢(shì)影響因素，對(duì)生態(tài)脆弱程度與各指標(biāo)進(jìn)行雙變量分析，得到其皮爾森相關(guān)系數(shù)(表3)。由分析結(jié)果可知，流域生態(tài)脆弱水平與水、氣候、植被與人類活動(dòng)密切相關(guān)，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響最為劇烈，受土壤成分影響最小。水資源總量、生物多樣性指數(shù)、人口密度、GDP密度、路網(wǎng)密度、建設(shè)用地強(qiáng)度、濕潤指數(shù)、極端降水等指標(biāo)對(duì)流域生態(tài)脆弱程度影響最為顯著，其中水資源總量(-0.345)、生物多樣性指數(shù)(-0.300)和濕潤指數(shù)(-0.528)為良性指標(biāo)，有助于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。人口密度、GDP密度、路網(wǎng)密度、建設(shè)用地強(qiáng)度和極端降水對(duì)流域生態(tài)具有負(fù)面影響，其系數(shù)分別為0.427，0.381，0.444，0.479和0.455，即氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)與人類活動(dòng)日益頻繁加劇了流域生態(tài)脆弱程度。

表3 生態(tài)脆弱性與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的皮爾森系數(shù)Tab.3 Pearson coefficient between ecological vulnerability and evaluation index

4 結(jié)論

黃河流域是中國人口、資源與環(huán)境矛盾最集中的區(qū)域之一，本文基于“分區(qū)-集成”的評(píng)價(jià)手段對(duì)流域進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)，對(duì)流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有一定參考價(jià)值。

1)黃河流域整體呈中度脆弱，輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱比例分別為29.96%，42.46%，23.83%和3.75%，脆弱性較高的地區(qū)主要為寧蒙交界處及上游沿黃城市帶，青藏高原及中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對(duì)良好。

2)2000—2018年間，流域生態(tài)脆弱水平“先降低后升高”，整體趨于改善。其中，中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱所占比例均有所下降，輕度脆弱區(qū)域比例上升10.97%，中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善，上游部分地區(qū)環(huán)境仍有惡化趨勢(shì)。

3)流域生態(tài)脆弱水平與水、氣候、植被及人類活動(dòng)密切相關(guān)。二級(jí)指標(biāo)中，濕潤指數(shù)、建設(shè)用地強(qiáng)度和極端降雨與生態(tài)脆弱程度相關(guān)性最高，其相關(guān)系數(shù)分別為0.528，0.479和0.455，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有顯著影響。

本文使用“分區(qū)-集成”的評(píng)價(jià)手段對(duì)黃河流域整體進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)，解決了以往流域研究中可能存在的研究范圍較小和環(huán)境空間異質(zhì)性考慮不全面的問題，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠。此外，分區(qū)方案及生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系的改進(jìn)將是未來研究的主要方向。