干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)及其時(shí)空演化
——以石羊河流域?yàn)槔?/h1>

2022-08-01 01:30:16李艷芳溫松楠

河南科技訂閱 2022年13期 收藏

關(guān)鍵詞：區(qū)域生態(tài)水平

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(jì)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(jì)發(fā)展之間的關(guān)系對(duì)維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-3］。一些國(guó)外學(xué)者為了研究經(jīng)濟(jì)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(píng)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(shí)空下協(xié)調(diào)度的規(guī)律等。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采取的方法包括建立指標(biāo)評(píng)價(jià)法、定量分析法等，主要通過構(gòu)建定量的評(píng)估算法來研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展因素的綜合性，要研究?jī)烧咧g的協(xié)調(diào)度，需要考慮多個(gè)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?jī)H針對(duì)全國(guó)和區(qū)域等宏觀尺度，對(duì)小流域尤其是干旱內(nèi)陸地區(qū)小流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度研究較少，而對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行相關(guān)研究，為更好地協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平與生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到不可或缺的作用［8-10］。由于石羊河流域受到人類活動(dòng)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(diǎn)，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(biāo)來研究描述生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，以人均收入等指標(biāo)來表征經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，利用耦合度分析原理評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平協(xié)調(diào)度，最后分析其時(shí)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(jì)發(fā)展水平協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其時(shí)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(shì)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(biāo)數(shù)據(jù)來源

①研究區(qū)行政數(shù)據(jù)采用的是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心公布的中國(guó)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(gè)年份的植被覆蓋數(shù)據(jù)。

④中國(guó)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(jì)指標(biāo)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(gè)縣級(jí)城市117個(gè)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(jì)年鑒。

3 研究方法

3.1 克里金插值

克里金法假定采樣點(diǎn)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(diǎn)或指定半徑內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行擬合以確定每個(gè)位置的輸出值?？死锝鸱ㄊ且粋€(gè)多步過程；它包括數(shù)據(jù)的探索性統(tǒng)計(jì)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(duì)周圍的測(cè)量值進(jìn)行加權(quán)以得出未測(cè)量位置的預(yù)測(cè)，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(gè)位置處的測(cè)量值；λi表示第i個(gè)位置處的測(cè)量值的未知權(quán)重；S0表示預(yù)測(cè)位置；N表示測(cè)量值數(shù)。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)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(biāo)的數(shù)目，ai為指標(biāo)權(quán)重的大小，xi表示第i個(gè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)準(zhǔn)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(jì)發(fā)展水平評(píng)價(jià)函數(shù)如式（3）。

式中：i表示所構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)的數(shù)目，yi表示第i個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)準(zhǔn)化后的值。由此可知，經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)越高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越好。

3.3 指標(biāo)體系的選取及權(quán)重

根據(jù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行平行分類如表1 所示，對(duì)分類后的生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)，如表2所示。

表1 生態(tài)指標(biāo)分類及權(quán)重

表2 生態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)果分析

4.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及時(shí)空演化

在ArcGIS 軟件中用空間分析工具提取坡度和匯流累計(jì)量。利用水文分析提取匯流累計(jì)量。根據(jù)石羊河流域周邊7 個(gè)氣象站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的各年份濕度、降水量進(jìn)行克里金插值分析，得出該流域的濕度、降水量變化圖。對(duì)6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析處理，利用柵格計(jì)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(biāo)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?jī)?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?jī)?yōu)良轉(zhuǎn)變。對(duì)于武威市涼州區(qū)，隨著快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)水平，人民生活水平的不斷進(jìn)步，生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)成為政府關(guān)注的焦點(diǎn)。1980—2000年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?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(duì)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(jì)發(fā)展水平及其時(shí)空演化

干旱內(nèi)陸河流域?qū)儆谖鞑孔畹湫偷慕?jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，其發(fā)展受到人才、市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)等各方面的約束。所以評(píng)價(jià)干旱內(nèi)陸河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及其時(shí)空演化是十分必要的。

①根據(jù)每個(gè)縣的GDP、城鎮(zhèn)居民人均收入、在職職工平均工資等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)涼州區(qū)進(jìn)行打破行政界限的兩次克里插值，得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)。整體上金昌市和武威市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，民勤、肅南、天祝經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r較差，永昌和古浪縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r居中。

②對(duì)每個(gè)指標(biāo)平均分配權(quán)重，用柵格計(jì)算器相加得到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合指標(biāo)。

③對(duì)綜合指標(biāo)用柵格計(jì)算器相減，得到1980—2010 年每隔10 a 為一個(gè)梯度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化情況如圖2。

圖2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化專題圖

總體上來說，涼州區(qū)經(jīng)濟(jì)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(kuò)散，呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢(shì)；武威市1980—1990 年經(jīng)濟(jì)小范圍快速發(fā)展，1990—2000 年經(jīng)濟(jì)發(fā)展出現(xiàn)大范圍的快速增長(zhǎng)，是經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展?fàn)顩r類似，總體呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，2000 年以后趨于平緩，民勤縣城甚至出現(xiàn)了較慢增長(zhǎng)；肅南、天祝、古浪縣從1980—2010 年經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)步向前發(fā)展，且發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

4.3 生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)及其時(shí)空演化

筆者選擇耦合度分析模型研究生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)性，耦合度主要表達(dá)區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展過程中各個(gè)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(gè)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(shí)，系統(tǒng)發(fā)展更成熟、可持續(xù)性更強(qiáng)［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(jì)發(fā)展在不同時(shí)期的特征，更好地預(yù)測(cè)區(qū)域未來的可持續(xù)性發(fā)展趨勢(shì)。

4.3.1 數(shù)學(xué)模型。生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)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(jì)耦合度越高，兩者關(guān)系越協(xié)調(diào)［18，19］。

生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)發(fā)展水平越好，反之越低。

為更好地描述生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展程度，構(gòu)建了新的生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展水平兩者發(fā)展都高時(shí)，耦合發(fā)展度越高，區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)性更好。

4.3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)度的大小程度及生態(tài)經(jīng)濟(jì)對(duì)比值大小，將區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)發(fā)展水平耦合度計(jì)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(jì)算器對(duì)各個(gè)年份的生態(tài)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到了耦合發(fā)展度結(jié)果，其值都在0 至1之間；嚴(yán)格參考表3 的協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及基本類別，對(duì)結(jié)果進(jìn)行重分類，則各年份的經(jīng)濟(jì)生態(tài)耦合發(fā)展度分類圖如圖3。

圖3 經(jīng)濟(jì)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(jì)生態(tài)耦合發(fā)展度分類圖可知，經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)與生態(tài)耦合發(fā)展都為嚴(yán)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(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)質(zhì)量失調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重并且有擴(kuò)大的趨勢(shì)。而天祝、肅南、古浪幾個(gè)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(rùn)，因此這三個(gè)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(jì)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(dá)到嚴(yán)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(zhǎng)期處于沙漠地帶，經(jīng)濟(jì)生態(tài)一直嚴(yán)重失調(diào)。

②對(duì)于金川區(qū)、永昌縣，1980 年經(jīng)濟(jì)生態(tài)大部分區(qū)域良好發(fā)展，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展不影響環(huán)境質(zhì)量。1990—2000 年，生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(jì)協(xié)調(diào)外，其余都為嚴(yán)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(duì)于密集，因此四幅圖都表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)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(shì)發(fā)展。

④石羊河流域南部區(qū)域，天?？h、永昌縣、古浪縣由于海拔高，氣候相對(duì)其他區(qū)濕潤(rùn)，1980—2000年無多大變化，古浪縣東部區(qū)域開始都變?yōu)閲?yán)重失調(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(jì)發(fā)展有變好的趨勢(shì)，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。

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