干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展水平協(xié)調(diào)性評價及其時空演化
——以石羊河流域為例

李艷芳 溫松楠 李 龍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

為了區(qū)域生態(tài)與經(jīng)濟之間的關(guān)系更協(xié)調(diào)，研究干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系對維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-3］。一些國外學(xué)者為了研究經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度，將土地利用變化作為重要的評判因子，采取了不同的研究方法，包括構(gòu)建不同的模型、研究不同時空下協(xié)調(diào)度的規(guī)律等。國內(nèi)學(xué)者主要采取的方法包括建立指標評價法、定量分析法等，主要通過構(gòu)建定量的評估算法來研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平與生態(tài)發(fā)展之間的關(guān)系，并取得了一定的研究成果［4-7］。由于生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展因素的綜合性，要研究兩者之間的協(xié)調(diào)度，需要考慮多個學(xué)科的交叉性，綜合地分析影響兩者協(xié)調(diào)度的因素，在這方面的研究僅針對全國和區(qū)域等宏觀尺度，對小流域尤其是干旱內(nèi)陸地區(qū)小流域社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度研究較少，而對這些區(qū)域進行相關(guān)研究，為更好地協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平與生態(tài)環(huán)境保護起到不可或缺的作用［8-10］。由于石羊河流域受到人類活動的影響，結(jié)合其自身比較特殊的地理因素，該流域成為研究學(xué)者密切關(guān)注的焦點，是典型的生態(tài)退化區(qū)域［11-13］。該研究通過建立生態(tài)敏感度指標來研究描述生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，以人均收入等指標來表征經(jīng)濟發(fā)展水平，利用耦合度分析原理評價生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展水平協(xié)調(diào)度，最后分析其時空變化規(guī)律的思路，探討石羊河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展水平協(xié)調(diào)性評價標準及其時空演化。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東段，烏鞘嶺以西，祁連山北麓。深居大陸腹地，氣候類型為大陸性溫帶干旱氣候。石羊河流域太陽光照充足、晝夜溫差大、常年降水稀少、空氣比較干燥。流域地勢表現(xiàn)為南高北低，自西向東北傾斜。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 生態(tài)指標數(shù)據(jù)來源

①研究區(qū)行政數(shù)據(jù)采用的是國家基礎(chǔ)地理信息中心公布的中國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（1:100 萬）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（下載網(wǎng)址：https://www.webmap.cn/main.do?method=index）。

②根據(jù)該流域DEM 數(shù)據(jù)在ArcGIS 中提取的坡度。

③中科院數(shù)據(jù)中心下載的1980 年、1990 年、2000年、2010年共四個年份的植被覆蓋數(shù)據(jù)。

④中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載的濕度、降水量數(shù)據(jù)。

⑤從Google earth下載的該區(qū)域河流矢量數(shù)據(jù)。

2.2 經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)來源

分析數(shù)據(jù)來源于干旱內(nèi)陸河流域7 個縣級城市117個鄉(xiāng)村，以及1980—2010年石羊河流域各縣市區(qū)域生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)居民人均收入、在職職工平均工資、人均純收入的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)取自統(tǒng)計年鑒。

3 研究方法

3.1 克里金插值

克里金法假定采樣點之間的距離或方向可以反映表面變化的空間相關(guān)性?？死锝鸱üぞ呖蓪?shù)學(xué)函數(shù)與指定數(shù)量的點或指定半徑內(nèi)的所有點進行擬合以確定每個位置的輸出值?？死锝鸱ㄊ且粋€多步過程；它包括數(shù)據(jù)的探索性統(tǒng)計分析、變異函數(shù)建模和創(chuàng)建表面，還包括研究方差表面。

由于克里金法可對周圍的測量值進行加權(quán)以得出未測量位置的預(yù)測，因此它與反距離權(quán)重法類似。這兩種插值器的常用公式均由數(shù)據(jù)的加權(quán)總和組成如式（1）。

式中：Z（si）表示第個位置處的測量值；λi表示第i個位置處的測量值的未知權(quán)重；S0表示預(yù)測位置；N表示測量值數(shù)。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟發(fā)展水平評判標準

生態(tài)環(huán)境綜合評價函數(shù)［14，15］如式（2）。

式中：i表示所構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境指標的數(shù)目，ai為指標權(quán)重的大小，xi表示第i個生態(tài)環(huán)境指標準化后的值。由此可知，生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)越高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

經(jīng)濟發(fā)展水平評價函數(shù)如式（3）。

式中：i表示所構(gòu)建的經(jīng)濟發(fā)展水平指標的數(shù)目，yi表示第i個經(jīng)濟發(fā)展水平指標準化后的值。由此可知，經(jīng)濟發(fā)展綜合指數(shù)越高，經(jīng)濟發(fā)展越好。

3.3 指標體系的選取及權(quán)重

根據(jù)對指標進行平行分類如表1 所示，對分類后的生態(tài)指標進行結(jié)果評價，如表2所示。

表1 生態(tài)指標分類及權(quán)重

表2 生態(tài)指標評價結(jié)果

4 結(jié)果分析

4.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及時空演化

在ArcGIS 軟件中用空間分析工具提取坡度和匯流累計量。利用水文分析提取匯流累計量。根據(jù)石羊河流域周邊7 個氣象站點統(tǒng)計的各年份濕度、降水量進行克里金插值分析，得出該流域的濕度、降水量變化圖。對6 個指標進行權(quán)重分析處理，利用柵格計算器得出石羊河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平。根據(jù)生態(tài)指標分配的權(quán)重相加結(jié)果分類，制作生態(tài)環(huán)境質(zhì)量專題地圖，如圖1所示

圖1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量專題圖

從圖1 分類可以看出，北部荒漠地帶即民勤縣和涼州區(qū)存在沙漠的區(qū)域4 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差，民勤縣城處于城區(qū)，周邊地帶植被覆蓋高，南部的海拔高的區(qū)域可以看出明顯的變化。1980年，肅南南部、天祝南部為高山地帶，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量無變化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良；而在肅南中北部、天祝中部地區(qū)，由1980 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般向生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良轉(zhuǎn)變。對于武威市涼州區(qū)，隨著快速發(fā)展的經(jīng)濟水平，人民生活水平的不斷進步，生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)成為政府關(guān)注的焦點。1980—2000年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良區(qū)域明顯增大，河西走廊地帶適合農(nóng)業(yè)種植，居民地、草地、林地、耕地較多，中心區(qū)域植被較好。對于金川區(qū)和永昌縣，除了縣城以及周邊區(qū)域，環(huán)境質(zhì)量一直處于一般水平以下。

整體來看，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在石羊河流域南部生態(tài)環(huán)境變好區(qū)域增大明顯，很大原因取決于植被覆蓋度增大，而在永昌縣、金川區(qū)、民勤縣除了縣城以及周邊的沙漠綠洲外，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越來越差，1980—2000年，縣城周邊區(qū)域也開始存在生態(tài)環(huán)境惡化，2000—2010年，生態(tài)質(zhì)量有所改善。

4.2 經(jīng)濟發(fā)展水平及其時空演化

干旱內(nèi)陸河流域?qū)儆谖鞑孔畹湫偷慕?jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，其發(fā)展受到人才、市場、經(jīng)濟等各方面的約束。所以評價干旱內(nèi)陸河流域經(jīng)濟發(fā)展水平及其時空演化是十分必要的。

①根據(jù)每個縣的GDP、城鎮(zhèn)居民人均收入、在職職工平均工資等經(jīng)濟指標，對涼州區(qū)進行打破行政界限的兩次克里插值，得到一個較為準確的經(jīng)濟發(fā)展趨勢。整體上金昌市和武威市的經(jīng)濟發(fā)展水平較高，民勤、肅南、天祝經(jīng)濟發(fā)展狀況較差，永昌和古浪縣經(jīng)濟發(fā)展狀況居中。

②對每個指標平均分配權(quán)重，用柵格計算器相加得到經(jīng)濟發(fā)展的綜合指標。

③對綜合指標用柵格計算器相減，得到1980—2010 年每隔10 a 為一個梯度的經(jīng)濟發(fā)展變化情況如圖2。

圖2 經(jīng)濟發(fā)展變化專題圖

總體上來說，涼州區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平極其不協(xié)調(diào)，金昌市在過去30 年里呈現(xiàn)穩(wěn)定快速發(fā)展，而發(fā)展區(qū)域也逐步由市中心向周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)擴散，呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢；武威市1980—1990 年經(jīng)濟小范圍快速發(fā)展，1990—2000 年經(jīng)濟發(fā)展出現(xiàn)大范圍的快速增長，是經(jīng)濟發(fā)展的黃金階段，2000 年以后發(fā)展較快；永昌縣和民勤縣經(jīng)濟發(fā)展狀況類似，總體呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)步增長，2000 年以后趨于平緩，民勤縣城甚至出現(xiàn)了較慢增長；肅南、天祝、古浪縣從1980—2010 年經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)步向前發(fā)展，且發(fā)展態(tài)勢良好。

4.3 生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)性評價及其時空演化

筆者選擇耦合度分析模型研究生態(tài)與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)性，耦合度主要表達區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展過程中各個因素之間的協(xié)調(diào)程度的量度［16］，系統(tǒng)耦合表示具有相吸作用的各個子系統(tǒng)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)程度，當(dāng)發(fā)展到一定程度時，系統(tǒng)發(fā)展更成熟、可持續(xù)性更強［17］。因此選用“耦合度”模型，可以更好地分析某區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展在不同時期的特征，更好地預(yù)測區(qū)域未來的可持續(xù)性發(fā)展趨勢。

4.3.1 數(shù)學(xué)模型。生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展水平系統(tǒng)之間的關(guān)系也可用數(shù)學(xué)模型來描述，生態(tài)經(jīng)濟耦合度越高，兩者關(guān)系越協(xié)調(diào)［18，19］。

生態(tài)經(jīng)濟耦合度公式如式（4）［20］。

式中：f（x）表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合指數(shù)，g（y）表征經(jīng)濟發(fā)展水平的綜合指數(shù)，k表示調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取k=2。由式（4）可知，f（x）值越大，環(huán)境質(zhì)量越高，f（x）值越小，則環(huán)境質(zhì)量越低；g（y）值越大，經(jīng)濟發(fā)展水平越好，反之越低。

為更好地描述生態(tài)與經(jīng)濟的整體發(fā)展程度，構(gòu)建了新的生態(tài)經(jīng)濟耦合發(fā)展度（D）公式如式（5）［20］。

式中：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展水平兩者發(fā)展都高時，耦合發(fā)展度越高，區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展可持續(xù)性更好。

4.3.2 評價標準。根據(jù)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度的大小程度及生態(tài)經(jīng)濟對比值大小，將區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)性分為6 大類，如表3所示。

表3 干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展耦合發(fā)展度和協(xié)調(diào)程度

4.3.3 生態(tài)質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展水平耦合度計算結(jié)果。根據(jù)上述耦合數(shù)學(xué)模型，在ArcGIS 中通過柵格計算器對各個年份的生態(tài)經(jīng)濟綜合指標結(jié)果進行計算，得到了耦合發(fā)展度結(jié)果，其值都在0 至1之間；嚴格參考表3 的協(xié)調(diào)性評價標準及基本類別，對結(jié)果進行重分類，則各年份的經(jīng)濟生態(tài)耦合發(fā)展度分類圖如圖3。

圖3 經(jīng)濟生態(tài)耦合發(fā)展度分類專題圖

5 結(jié)語

通過比較四幅經(jīng)濟生態(tài)耦合發(fā)展度分類圖可知，經(jīng)濟協(xié)調(diào)良好的區(qū)域面積正在逐漸減少，石羊河流域的整體生態(tài)和經(jīng)濟關(guān)系趨向耦合發(fā)展失調(diào)的狀態(tài)。民勤縣、涼州區(qū)以及其他縣區(qū)沙漠地帶由于特殊環(huán)境原因，1980年、1990年、2000年、2010年經(jīng)濟與生態(tài)耦合發(fā)展都為嚴重失調(diào)，而河西其他地區(qū)，如金川區(qū)、涼州區(qū)、永昌縣這幾個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)質(zhì)量失調(diào)現(xiàn)象嚴重并且有擴大的趨勢。而天祝、肅南、古浪幾個縣區(qū)由于地處高海拔地區(qū)，加上氣候較其他地區(qū)濕潤，因此這三個縣區(qū)耦合度良好，生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量存在良好協(xié)調(diào)。具體表現(xiàn)為：

①民勤縣南部1980 年生態(tài)經(jīng)濟良好協(xié)調(diào)發(fā)展，而從1990年后開始出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，并且在2000年大部分區(qū)域達到嚴重失調(diào)。2000 年到2010 年南部區(qū)域開始好轉(zhuǎn)，失調(diào)比例有所下降。而民勤縣北部東部長期處于沙漠地帶，經(jīng)濟生態(tài)一直嚴重失調(diào)。

②對于金川區(qū)、永昌縣，1980 年經(jīng)濟生態(tài)大部分區(qū)域良好發(fā)展，說明經(jīng)濟發(fā)展不影響環(huán)境質(zhì)量。1990—2000 年，生態(tài)經(jīng)濟開始出現(xiàn)不協(xié)調(diào)發(fā)展，并在2000 年除了永昌縣南部高海拔區(qū)域，永昌縣、金川區(qū)城區(qū)以及周邊生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)外，其余都為嚴重失調(diào)。

③武威市涼州區(qū)地處河西腹地，平原多，植被好，河流相對于密集，因此四幅圖都表現(xiàn)為經(jīng)濟生態(tài)良好協(xié)調(diào)發(fā)展，但不難發(fā)現(xiàn)，從1980—2010 年，涼州區(qū)區(qū)域內(nèi)顏色明顯變淺，開始往不協(xié)調(diào)趨勢發(fā)展。

④石羊河流域南部區(qū)域，天祝縣、永昌縣、古浪縣由于海拔高，氣候相對其他區(qū)濕潤，1980—2000年無多大變化，古浪縣東部區(qū)域開始都變?yōu)閲乐厥д{(diào)。而顏色變淺，但是都處于協(xié)調(diào)發(fā)展水平。而2000—2010 年，生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展有變好的趨勢，顏色變深，協(xié)調(diào)良好區(qū)域增大；縣區(qū)中心以及周邊區(qū)域的良好協(xié)調(diào)，但是協(xié)調(diào)良好面積區(qū)域變少。