基于變異系數(shù)法的三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性評價研究

張曉媛李輝周啟剛劉栩位向宇鋒

(1.重慶財經(jīng)學(xué)院生態(tài)環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)集成重慶市重點實驗室，重慶 401320；2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；3.石柱土家族自治縣精繪勘測有限公司，重慶 409100)

引言

近年來隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，自然環(huán)境破壞程度的不斷加劇，引發(fā)了大氣污染、土壤侵蝕、物物種銳減、水土流失、土地荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，使生態(tài)環(huán)境更加脆弱，生態(tài)環(huán)境敏感性評價變得非常有必要[1]。生態(tài)環(huán)境敏感性指在原有自然環(huán)境中，人類活動和環(huán)境變化等因素導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)改變的難易程度及其概率問題，也就是生態(tài)環(huán)境問題出現(xiàn)的可能性大小[2]。

目前生態(tài)環(huán)境敏感性研究已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。對生態(tài)敏感性研究大多集中在酸雨、鹽漬化、土壤侵蝕和土地沙漠化[3，4]等方面，通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)理統(tǒng)計等方式，對環(huán)境敏感性進行定量研究，已應(yīng)用于城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地利用和功能區(qū)劃[5，6]等多個領(lǐng)域，主要集中在流域、國家和省市[7，8]等大尺度領(lǐng)域，多數(shù)研究主要采用最大值法、AHP層次分析法和德爾菲法[9]等方法對各評價指標(biāo)進行權(quán)重確定，然而目前的方法主要基于主觀賦權(quán)法，依賴于主觀判斷，主觀權(quán)重沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，沒有客觀權(quán)重可靠，缺乏科學(xué)性。采用變異系數(shù)法[10]確定個指標(biāo)權(quán)重可提高研究的科學(xué)性，降低人為主觀判斷對研究的影響，評價結(jié)果更為準(zhǔn)確。

三峽庫區(qū)消落帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)能量、物質(zhì)和信息轉(zhuǎn)換的交錯地帶，具備緩沖帶和護岸的重要生態(tài)功能，該區(qū)域?qū)ν饨绛h(huán)境的變化十分敏感，是生態(tài)環(huán)境容易被破壞、較難恢復(fù)的一個重點保護區(qū)域。因此，本研究以三峽庫區(qū)消落帶為研究區(qū)，基于實地調(diào)查，結(jié)合相關(guān)研究，選取生物多樣性敏感性指數(shù)、土壤侵蝕敏感性指數(shù)、生境敏感性指數(shù)、地形敏感性指數(shù)和土壤鹽漬化指數(shù)共5類指標(biāo)因子，采用變異系數(shù)法對三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性進行綜合評價，評價結(jié)果可為三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感區(qū)的修復(fù)和保護提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三峽水庫消落帶地理位置位于N29°16′～31°25′，E106°～110°50′，海拔33.6～3105m，面積共計348.34km2，涉及東起湖北宜昌，西至重慶江津共26個區(qū)縣，見圖1。庫區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，處在南溫帶和亞熱帶過渡地帶，四季分明，雨量充沛。三峽庫區(qū)消落帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)交替演變的過渡地帶，其本身具有脆弱和不穩(wěn)定的性質(zhì)，生態(tài)環(huán)境狀況易遭受外界干擾，是我國生態(tài)環(huán)境敏感的區(qū)域之一。近年來庫區(qū)消落帶人類活加劇，對環(huán)境資源不合理的開發(fā)利用使消落帶生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅，開展區(qū)域生態(tài)敏感性評價有利于掌握其生態(tài)環(huán)境變化狀況。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要采用的遙感影像數(shù)據(jù)包括2018年三峽庫區(qū)Landsat 8遙感影像(遙感云計算平臺)、2018年2m高分辨率遙感影像(谷歌地球)，30m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)[地理空間云(www.gscloud.cn/)]，結(jié)合人工目視判讀對三峽庫區(qū)消落帶評價指標(biāo)進行量化，并利用外業(yè)實地驗證的方法提高數(shù)據(jù)精度。氣象數(shù)據(jù)來源于NASA地球科學(xué)(GES)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(https：//disc.gsfc.nasa.gov/)，其中降雨量數(shù)據(jù)為2018年月值數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的1∶500萬的數(shù)據(jù)集。所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

三峽庫區(qū)消落帶作為庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的特殊區(qū)域，既有水生生態(tài)系統(tǒng)特征，又擁有陸生生態(tài)系統(tǒng)特征。消落帶作為長江與庫區(qū)兩岸的交界區(qū)域，水陸交換頻繁，受庫區(qū)周期性蓄水影響，區(qū)域受到庫區(qū)水域的淹沒、沖刷、淤積，消落帶土壤在受到侵蝕的同時既可能成為庫區(qū)水體污染的源，也可能成為水體污染的匯[11]。加之公眾保護意識較弱，區(qū)域內(nèi)人為活動時有發(fā)生，這都將對庫區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。因此，本研究通過對相關(guān)文獻的查閱和實地考察，在三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境問題綜合分析基礎(chǔ)上，選擇土壤侵蝕敏感性、土壤鹽漬化敏感性、生物多樣性敏感性、生境敏感性和地形敏感性共5項評價因子進行生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建。

2.1.1 土壤侵蝕敏感性指數(shù)

土壤侵蝕作用將引發(fā)土地資源退化，也是水土流失的主要因素之一，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性將構(gòu)成較強威脅。綜合分析三峽庫區(qū)消落帶土壤侵蝕生態(tài)問題，結(jié)合研究區(qū)實際情況并參考相關(guān)文獻和規(guī)程[12]，采用降雨侵蝕力因子R、土壤侵蝕因子K、坡度與坡長因子LS和植被與經(jīng)營管理因子C作為評價指標(biāo)。將上述各單因子的分級賦值圖在GIS中進行疊加計算，計算公式：

(1)

式中，SSj為j空間單元土壤侵蝕敏感性指數(shù)；Ci為第i項因子的敏感性等級值。將最終計算得到的土壤侵蝕敏感性指數(shù)依照中國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》分級標(biāo)準(zhǔn)，劃分為5個等級，見表1。

表1 土壤侵蝕敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)及賦值

2.1.2 土壤鹽漬化敏感性指數(shù)

基于遙感云計算平臺調(diào)用輻射定標(biāo)和大氣校正以及去云處理后的三峽庫區(qū)遙感影像，之后在GIS中利用反射率對鹽分指數(shù)(SI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)進行反演。

(2)

(3)

式中，SI為鹽分指數(shù)；NDVI為歸一化植被指數(shù)；ρ1、ρ3、ρ4為Landsat 8的相應(yīng)波段反射率值。計算公式：

(4)

式中，N為鹽漬化遙感指數(shù)。將鹽漬化遙感指數(shù)在ARCGIS中采用自然斷點法分級，計算土壤鹽漬化敏感性，并為相應(yīng)等級賦值以便于最終生態(tài)敏感性的綜合計算。

2.1.3 生物多樣性敏感性指數(shù)

歸一化植被指數(shù)NDVI能較好反映植被的原生狀態(tài)和長勢，因此利用基于NDVI數(shù)據(jù)計算的植被覆蓋度作為表征三峽庫區(qū)消落帶生物多樣性保護中敏感的程度的指數(shù)，并將計算結(jié)果按自然斷點法劃分為5個等級。植被覆蓋度的計算公式：

(5)

式中，F(xiàn)v為植被覆蓋度；NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg則代表純植被的NDVI值。

2.1.4 生境敏感性指數(shù)

生境是生物生息繁衍的居住地，生境敏感性是指重要物種的棲息地對人類活動的敏感程度[13]。結(jié)合生境敏感性的相關(guān)研究[14]，多采用自然保護區(qū)級別和地表覆被類型作為指標(biāo)進行測算，當(dāng)前三峽庫區(qū)消落帶沒有較大規(guī)模的自然保護區(qū)，因此采用地表覆被類型作為生境敏感性的主要衡量指標(biāo)，并參考前人研究對生境敏感性指數(shù)進行分級和賦值。

2.1.5 地形敏感性指數(shù)

三峽庫區(qū)降雨量較為充沛，經(jīng)野外實地考察，庫區(qū)消落帶地勢部分區(qū)域仍存在較高的陡坡，在坡度較大的區(qū)域易發(fā)生山體滑坡和崩塌等，引發(fā)生態(tài)風(fēng)險，同時對消落帶的生態(tài)狀況構(gòu)成一定威脅。因此，將地形敏感性納入評價指標(biāo)體系中，并以坡度作為衡量指數(shù)，有利于保證生態(tài)敏感性評價體系的全面性和準(zhǔn)確性。分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 各類敏感性因子分級標(biāo)準(zhǔn)及賦值

2.2 綜合敏感性評價

本研究采用變異系數(shù)法確定各評價單因子的權(quán)重，公式：

(6)

表3 變異系數(shù)法確定的各因子所占權(quán)重

對根據(jù)上述公式計算土壤侵蝕敏感性指數(shù)、土壤鹽漬化敏感性指數(shù)、生物多樣性敏感性指數(shù)、生境敏感性指數(shù)和地形敏感性指數(shù)的權(quán)重，進行加權(quán)求和，得到綜合生態(tài)敏感性指數(shù)，計算公式：

(7)

式中，Z為綜合生態(tài)敏感性指數(shù)；Ri為5項因子歸一化權(quán)重系數(shù)；Ti為評價因子指數(shù)。

本研究采用自然斷點法將三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性指數(shù)分為5級，最后得到消落帶綜合生態(tài)敏感性空間分布圖，并對不同生態(tài)敏感性等級的時空分布特征進行分析。具體結(jié)果見表5。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子敏感性分析

本研究根據(jù)生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系，對5類單因子生態(tài)敏感性進行評價，從三峽庫區(qū)的庫首、庫腹和庫尾3個范圍內(nèi)的消落帶進行空間分析，得出區(qū)域下各級生態(tài)敏感性的面積占比，分析各類生態(tài)敏感性因子在消落帶內(nèi)的生態(tài)敏感性狀況，各單因子敏感性分析如下。

3.1.1 土壤侵蝕敏感性分析

基于降雨侵蝕因子、坡長與坡度因子、土壤可蝕性因子和植被與經(jīng)營管理因子的綜合計算并分級，最終得出土壤侵蝕敏感性因子空間分布圖。由圖2d和表4可知，研究區(qū)土壤侵蝕敏感性程度以輕度敏感為主，面積占比為63.47%，中度敏感次之，面積占比34.78%，其余為高度敏感、極度敏感和不敏感，總面積占比低于2%。在空間分布上，庫首消落帶土壤侵蝕敏感等級以中度敏感為主，其次為輕度敏感，其余為高度敏感；庫腹則以輕度敏感為主，中度敏感次之，且輕度敏感面積占比遠高于中度敏感；庫尾仍以輕度敏感為主，中度敏感次之，2種等級面積占比相差微小。研究發(fā)現(xiàn)，庫腹消落帶的敏感程度低于庫首和庫尾，而庫尾的敏感程度居中，庫首較庫腹和庫尾敏感程度最高。

表4 三峽庫區(qū)消落帶各類敏感因子敏感性等級面積占比表

圖2 2018年三峽庫區(qū)消落帶各敏感性因子敏感等級空間分布圖

總體上看，三峽庫庫區(qū)消落帶的土壤侵蝕敏感程度整體較低，原因在于90%的坡長坡度因子為不敏感，研究區(qū)整體坡長較短、坡度較緩，即使庫區(qū)消落帶降雨侵蝕因子敏感性中度偏高和土壤可蝕性因子敏感性高，但降雨雨水在匯流過程中并不能獲得太多勢能，因此不會對土壤產(chǎn)生較強的侵蝕作用，加之植被與經(jīng)營管理因子以不敏感和輕度敏感為主，兩者面積占比約為50%，說明消落帶植被長勢較好，能對土壤起到較好的保護作用，顯著降低土壤的侵蝕速率。

3.1.2 鹽漬化敏感性分析

三峽庫區(qū)消落帶的空間位置與長江流域密切相連，消落帶的淹沒和出露過程造成了水域里面金屬鹽類大量聚集造成土壤鹽漬化。本研究對鹽分指數(shù)(SI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)進行指數(shù)反演，得出三峽庫區(qū)消落帶范圍內(nèi)土壤鹽漬化敏感性，土壤鹽漬化敏感性空間分布見圖2e。

由表4可知，研究區(qū)范圍內(nèi)土壤鹽漬化空間分異明顯，在不同分段上面積占比各有差異。庫首消落帶的鹽漬化敏感性極高，其極敏感區(qū)域面積占比為庫首的42.62%，不敏感區(qū)域空間分布較少，占庫首面積的6.32%，庫首地處庫區(qū)湖北段，水流速度較中上游平緩，導(dǎo)致金屬鹽類更多的聚集；庫腹消落帶土壤鹽漬化敏感性主要以低敏感區(qū)域和不敏感區(qū)域為主，不敏感區(qū)域的面積最大，占庫腹面積的29.55%，中、高敏感區(qū)域差異較小，極敏感區(qū)域最少，占庫腹面積的11.72%；庫尾消落帶鹽漬化敏感性空間分布較為均勻，占比最大的為不敏感區(qū)域，占比為24.21%，最少的是極敏感區(qū)域，占比為16.03%，主要原因為土壤鹽漬化的過程受人為干預(yù)頻繁，導(dǎo)致其敏感性空間差異不明顯。

3.1.3 生物多樣性敏感性分析

本研究采用植被覆蓋度來反映生態(tài)環(huán)境的植被生長情況及生物多樣性。生物多樣性敏感性空間分布見圖2c。

由表4可知，庫首消落帶極度敏感區(qū)域面積占比最大，為42.26%，該區(qū)域水域面積遼闊，植被生長稀少，庫首消落帶生物多樣性較差；庫腹消落帶不敏感區(qū)域面積占比最大，為30.96%，該區(qū)域水量充足，植被生長茂盛，庫腹生物多樣性最好；庫尾消落帶不敏感區(qū)域占比面積最大，為26.41%，其次是高敏感區(qū)域，面積占比為21.70%，庫尾生物多樣性一般。三峽庫區(qū)消落帶不敏感區(qū)域面積占比最大，為27.33%，其次是輕度敏感區(qū)域，面積占比為22.01%，庫區(qū)消落帶生物多樣性整體呈良好發(fā)展趨勢。

3.1.4 生境敏感性分析

生境敏感性主要體現(xiàn)在生物種類豐富度和人類活動對生境的影響程度兩方面，其空間分布見圖2b。

由表4可知，庫首消落帶生境敏感性重要為高度敏感，該區(qū)域面積占比為78.25%，其次為不敏感，占比為15.83%，輕度、中度和極度敏感區(qū)域較少，面積占比之和約為5%；庫腹消落帶以高度敏感為主要區(qū)域，面積占比接近60%，輕度敏感區(qū)域占比最少，不敏感、中度敏感和極度敏感區(qū)域面積占比差距較??；庫尾消落帶生境敏感性仍以高度敏感區(qū)為主，不敏感和極度敏感區(qū)域次之，中度和輕度敏感區(qū)域最少，面積占比僅在7%左右。三峽庫區(qū)消落帶高度敏感區(qū)面積占比超過60%，整體生境敏感性表現(xiàn)為高度敏感。

3.1.5 地形敏感性分析

三峽庫區(qū)消落帶地形敏感性空間分布情況由圖2a和表4可知，中度敏感區(qū)域面積占比最大，為42.25%，不敏感和輕度敏感區(qū)域面積占比之和為38.61%，極度敏感和高度敏感區(qū)域面積占比之和為19.14%，研究區(qū)整體坡度偏低，地質(zhì)敏感性較弱。庫首消落帶中等敏感區(qū)域面積占比最大，為38.29%，不敏感和輕度敏感區(qū)域面積占比為25.63%，極度敏感和高度敏感區(qū)域占比為36.07%，庫首消落帶整體坡度較高，地質(zhì)敏感性較強；庫腹消落帶中等敏感區(qū)域面積占比最大，為43.66%，不敏感和輕度敏感區(qū)域高于極度敏感和高度敏感區(qū)域，面積占比分別為38.42%和17.92%，庫腹消落帶坡度較平緩，地質(zhì)敏感性較弱；庫尾消落帶輕度敏感區(qū)域面積占比最大，為39.34%，不敏感和輕度敏感區(qū)域遠高于極度敏感和高度敏感區(qū)域，面積占比分別為56.66%和6.56%，庫尾整體坡度低，地質(zhì)敏感性低。

3.2 綜合敏感性分析

綜合分析三峽庫區(qū)消落帶自然環(huán)境特征，將以上5個單因子敏感性分析結(jié)果由變異系數(shù)法進行加權(quán)計算，得到三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性綜合指數(shù)。同時根據(jù)結(jié)果得到三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感分布圖，見圖3。

圖3 2018年三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性敏感等級空間分布圖

由表5、圖3可知，三峽庫區(qū)消落帶輕度敏感區(qū)面積占比最高，占庫區(qū)總面積的23.96%；不敏感區(qū)次之，占庫區(qū)總面積的23.33%；其次是中度敏感區(qū)域，面積占比22.00%；高度敏感和極度敏感區(qū)面積占比最小，且面積占比較為相近，分別為15.39%和15.33%。從庫首、庫腹及庫尾的分區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性空間分異明顯。其中，庫首生態(tài)敏感性以極度敏感性為主，極度敏感區(qū)面積占庫首總面積的42.87%；庫腹生態(tài)敏感性以輕度敏感和不敏感為主，輕度敏感區(qū)面積占比與不敏感相近，面積占比均約為26.35%；庫尾生態(tài)敏感性以不敏感為主，不敏感區(qū)域面積占庫尾總面積的25.14%。

表5 綜合生態(tài)敏感性敏感等級面積占比

從整體上看，研究區(qū)中度以下表征較低生態(tài)敏感性等級面積占總面積的47.29%，中度以上表征較高生態(tài)敏感性面積占總面積的30.72%，庫區(qū)消落帶的綜合生態(tài)敏感程度總體處于中度偏低的水平，表明對于消落帶的生態(tài)保護維持較好。庫首生態(tài)敏感性整體偏高，主要由于庫首消落帶水域淹沒面積最大，區(qū)域內(nèi)生物多樣性敏感性、生境敏感性、地形敏感性等多種單因子指標(biāo)敏感程度居于高位的特征，此區(qū)域為生態(tài)保護的重點區(qū)域，應(yīng)嚴(yán)格把控該區(qū)域水資源開發(fā)利用程度及方式，提高對該區(qū)域的生態(tài)保護，加強生態(tài)保護政策規(guī)定建設(shè)。

4 結(jié)論與討論

本研究從土壤侵蝕、土壤鹽漬化、生境敏感性、生物多樣性和地形敏感性綜合評價2018年三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感狀況，揭示各類敏感性因子對三峽庫區(qū)消落帶的影響程度并討論相關(guān)原因，研究結(jié)果如下。

研究區(qū)三峽庫區(qū)消落帶土壤侵蝕敏感性等級以輕度敏感為主導(dǎo)，生物多樣性敏感性以不敏感和輕度敏感為主，生境敏感的高度敏感區(qū)面積最大，地形敏感性以中度偏輕敏感為主；在各評價因子的綜合影響下，綜合生態(tài)敏感性以輕度敏感為主，不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)域共占消落帶總面積的69.29%，表明庫區(qū)消落帶的綜合生態(tài)敏感程度總體處于中度偏低的水平，研究區(qū)的生態(tài)保護維持較好。

從空間分布看，三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)敏感性庫首區(qū)域表現(xiàn)為高度敏感和極度敏感，庫腹和庫尾區(qū)域生態(tài)敏感性表現(xiàn)為中輕度以下。庫首生態(tài)敏感性高，主要原因在于庫首區(qū)域消落帶內(nèi)地形條件復(fù)雜，坡度較大，水域覆蓋面高，植被相對較少，降雨侵蝕力強，導(dǎo)致鹽漬化、生物多樣性和生境敏感性程度高。

本文研究方法主要借助RS技術(shù)反演各評價因子，受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)限制，測算結(jié)果存在一定誤差，但消落帶生態(tài)敏感性的總體分布規(guī)律能夠得到充分反映。因既有研究主要集中于整個三峽庫區(qū)，在將本研究的研究范圍與現(xiàn)有研究[15]分布圖進行裁切處理以后，綜合對比分析研究結(jié)果，消落帶生態(tài)敏感性的總體水平和空間格局基本相一致；在單因子生境敏感性評價結(jié)果存在一定差異，主要原因為對建設(shè)用地和耕地的生境敏感性等級劃分不同。

三峽庫區(qū)消落帶的綜合生態(tài)敏感性程度總體處于中度偏低水平，整體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，對外界干擾具有一定抗干擾能力。生境敏感性、土壤鹽漬化是消落帶乃至整個三峽庫區(qū)主要的生態(tài)問題，對生態(tài)環(huán)境的敏感性影響較大，尤其是庫首區(qū)域。對于消落帶區(qū)域生態(tài)環(huán)境而言，應(yīng)管控與治理并行。在對輕度以下敏感性區(qū)域的生態(tài)環(huán)境進行嚴(yán)格保護的前提下，對庫首消落帶的高度和極度生態(tài)敏感性區(qū)域，進行生態(tài)修復(fù)和治理。