基于分區-集成的黃河流域生態脆弱性評價

楊雯娜,周 亮,孫東琪

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州 730070；2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心，蘭州 730070；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101;4.甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州 730070)

0 引言

生態可持續發展是一切可持續發展的環境基礎，人類在滿足自身需求的同時應保護賴以生存的全球生命支持系統。流域是生態系統的重要組成部分，其豐富的水資源對人類生活、農田灌溉、環境凈化及航運溝通具有重要意義[1]。然而，受全球氣候變化與頻繁的人類活動的影響，流域自凈能力下降、生態功能退化等環境問題日趨凸顯[2-3]。生態脆弱性作為生態系統對外界環境干擾表現出的敏感程度和恢復能力的評價指標，可直觀反映流域生態系統健康水平，開展流域生態脆弱性定量評價，研究生態環境整體脆弱程度與演變規律，對流域環境改善和未來發展具有重要參考價值[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廊道，是中國主要經濟地帶之一，“資源豐富、水患制約、生態脆弱”概括了流域機遇與挑戰并存的現狀[6]。2019年習總書記提出“黃河流域生態保護和高質量發展”重大戰略，旨在強化流域生態修復治理、提高環境承載能力[7]，中國學者也已對流域典型生態問題開展了多項研究[6]。以往研究基于流域內地貌結構、氣候背景及生態系統的豐富性與差異性，探索人類活動影響下的流域水文演變規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業用水閾值等提供重要參考；探析不同氣候條件、地貌類型對植被、水土及生態系統的作用機制[9-12]，有助于維持流域生態系統穩定，保護水資源、土地、植被和其他自然資源的可持續性[5]。已有的研究為流域綜合治理、環境改善及經濟發展等提供了定量與定性的參考[7,13]，但仍有些許不足，主要體現在：①研究區缺乏空間連貫性，濕地[11]、河口三角洲[10,12]以及水土保持重點地區[9,14]等研究目標分布零散，難以反映流域整體的生態現狀；②部分大尺度研究未考慮流域自然環境的空間差異，難以保證研究可靠性。

本文為確保研究的整體性及準確性，綜合考慮黃河流域環境的空間異質性及人類活動影響，對流域整體生態脆弱程度進行評估。研究使用多源遙感數據及社會經濟數據，引入“分區-集成”的評價手段解決流域自然環境差異較大的難題，運用熵權法建立客觀的脆弱性評價體系，并對2000—2018年的生態脆弱性進行綜合評價，以流域生態脆弱性整體格局及演化趨勢為基礎，分析導致生態脆弱性格局變化的因素，為流域生態可持續發展規劃提供理論支撐。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

黃河發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，地貌類型復雜，地形起伏較大，高程最大落差達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功能退化率為60%～90%，土地沙化問題突出、水土流失問題嚴重[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]，流域生態環境呈整體改善態勢，但局部生態破壞依然嚴重，生態保護格局亟須優化。圖1為黃河流域區位圖。

圖1 黃河流域區位圖Fig.1 Location of Yellow River Basin

1.2 數據源

本文研究數據包括2000年、2005年、2010年、2015年和2018年共5期的氣候、水資源、土壤、植被及人類活動數據。氣候數據來源中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn/)，包括氣溫、降水及日照時數。水資源數據來自各省水利部門官方網站發布的統計年鑒。濕潤指數、NPP數據以及植被覆蓋數據為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)官網(https://www.nasa.gov/)發布的MODIS系列數據。土壤數據來自北京大學城市與環境學院地理數據平臺(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據編制而成。生物多樣性數據、DEM數據、人口數據、GDP密度數據和土地利用數據均從中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)下載，空間分辨率均為1 km×1 km。

2 黃河流域生態脆弱性評價體系

2.1 黃河流域生態分區

黃河流域橫跨3大階梯，空間分異特征顯著，為因地制宜地對黃河流域進行脆弱性評價，引入“分區-集成”的評價手段，基于氣候、地形、植被、土壤等因子進行生態分區。該研究充分考慮到流域存在的主要生態環境問題(水土流失、土地鹽堿化等)，利用ISODATA算法[17]并結合前人研究經驗，將流域分為高原寒區(Ⅰ區)[18]、干旱過渡區(Ⅱ區)[19]及季風氣候區(Ⅲ區)[20]3個生態區(圖2)。

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

2.2 黃河流域生態脆弱性評價體系構建

基于流域顯著的自然本底特征空間異質性格局，借鑒以往專家對其開展的不同地區和不同尺度的生態研究，結合區域生態特點及評價指標的合理性、可獲取性[18,21-22]，以生態分區為研究單元選取水資源、氣候、植被、土壤及人類活動5類一級指標、18種二級指標，使用熵權法[23]確定流域脆弱性評價體系如表1所示。

表1 黃河流域生態脆弱性評價體系Tab.1 Ecological vulnerability assessment system of the Yellow River Basin

(續表)

2.3 脆弱性指數與生態脆弱性等級劃分

加權線性組合法是生態學中常用的方法之一，其作用是將多個指標綜合為一個指標，更為直觀地反映生態系統現狀[18]。根據黃河流域各生態分區脆弱性評價體系，采用加權線性組合法計算流域各分區脆弱性指數，公式為：

(1)

式中：EVI為生態脆弱性指數計算結果；wj為因子j的權重；Ij標準化后的因子j。

由于各生態分區評價體系存在差異，難以進行直接對比。因此，文章參照國內生態脆弱性研究成果并選用NPP作為輔助參數，協助進行生態脆弱性等級閾值的確定與生態脆弱等級劃分[21]，具體步驟如下：通過自然斷點法將各生態分區NPP分為4類并提取分類NPP閾值；使用相同的方法將生態脆弱性評價結果分4個等級；隨后，使用分類NPP閾值進行脆弱性閾值的修正，確定生態脆弱性等級；最后，將分類結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，輕度脆弱地區生態環境較為良好，環境健康水平較為穩定；中度脆弱區域生態健康水平較輕度脆弱地區偏低，不宜進行高強度的生態開發；重度脆弱和極度脆弱地區環境問題頗為嚴峻，應當盡快采取合理措施改善環境狀況。

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

2.4 演化趨勢與影響因子分析

乘法模型常用于對長期變化趨勢進行分析的統計方法，可反映數據在時間序列上的水平及演化趨勢[24]。為更加直觀地對各年份黃河流域整體的生態脆弱性進行度量及比較分析，引入綜合脆弱指數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；Pj為等級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j的脆弱性面積；S為流域總面積。

皮爾森相關系數是兩個隨機變量之間相關性的量度，也是應用最廣泛的關系量度之一[25]。為分析不同因子對黃河流域生態脆弱性的影響程度，利用該系數對流域生態脆弱程度與各因子進行雙變量分析，得到變量與評價結果間的相關系數，為生態保護策略制定提供參考。

3 研究結果

黃河流域地域廣闊、地形多樣，為具體分析其環境狀況，本文從二級流域、生態分區以及流域整體3個尺度對黃河流域生態脆弱性空間分布、變化趨勢進行分析；并將2000年與2018年流域生態脆弱程度進行對比，探究流域生態環境變化狀況，簡要分析流域生態脆弱程度影響機制，為流域高質量發展提供參考。

3.1 二級流域生態脆弱性時空異質性特征

黃河流域涵蓋的8個二級流域中(圖3)，蘭河(蘭州至河口鎮)區間綜合脆弱指數為2.82，脆弱程度最高，三花(三門峽至花園口)區間脆弱程度最低，其綜合脆弱指數僅為2.37。不同二級流域脆弱等級分布亦存在差異，蘭河區間極度脆弱所占比例為二級流域中最高，為14.56%；重度脆弱地區集中于蘭河、花以下(花園口以下)區間及內流區，分別占其面積的61.26%，47.38%和45.61%；中度脆弱地區分布最廣，除蘭河、三花區間僅占其面積的16.21%和27.97%外，其他區間均不低于37%；龍蘭(龍羊峽至蘭州)區間輕度脆弱所占面積比例最高為46.23%，蘭河區間所占比例最低為7.98%。

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

2000—2018年間，龍以上(龍羊峽以上)、龍蘭區間環境大規模惡化，惡化面積分別為其面積的66.85%和41.76%；蘭河區間和內流區部分區域生態環境得到改善，大部分地區生態環境維持原狀，但個別區域仍有惡化趨勢；河龍(河口鎮至龍門)、龍三(龍門至三門峽)、三花和花以下區間無明顯惡化現象，并且得益于生態可持續發展戰略的推進，生態狀況得到明顯改善，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脆弱評價結果見圖4。

(a)2000年 (b)2005年

3.2 生態分區脆弱性時空分異規律

本研究根據水、氣候、植被及土壤因素將流域分為高原寒區、干旱過渡區和季風氣候區3個分區。其中，高原寒區及季風氣候區綜合脆弱指數分別為1.71和1.77，均屬于中度脆弱，干旱過渡區則高達2.59，生態環境呈重度脆弱。流域中度脆弱區域集中分布于高原寒區和季風氣候區，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%，重度脆弱地區分別是分區面積的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，高原寒區有62.50%的地區生態有所惡化，整體生態健康水平下降(圖5)，如何兼顧生態安全與經濟發展是該分區的緊要問題；季風氣候區生態系統較為穩定，其環境改善區域面積達64.50%，惡化面積僅為0.77%，生態問題得到一定解決，但復雜的人地關系仍值得關注；干旱過渡區33.12%的地區生態健康水平有所提高，但受人類活動、地形地貌等因素影響，該生態分區仍存在大規模極度脆弱地區，環境問題依舊嚴峻。

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

3.3 黃河流域生態脆弱性空間演化

根據二級流域與生態分區的生態脆弱性分析結果(圖6)，對黃河流域進一步分析可得：流域整體綜合脆弱指數為2.01，呈中度脆弱。重度脆弱地區主要分布于黃土高原北部、西北部地區，零星分布于黃河流域中下游地區，占流域面積的23.83%。極度脆弱區多位于黃河上游寧蒙交界處與部分城市經濟圈，屬干旱過渡區，面積僅占流域面積的3.75%，但仍是生態治理的重點區域。流域輕度脆弱、中度脆弱區域分別占總面積的29.96%和42.46%，分布較為廣泛。

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

利用綜合脆弱指數對流域各年份脆弱性評價結果進行量化(圖7)，得到其綜合脆弱指數分別為2.28，2.09，2.01，2.00和2.08；其中2000年脆弱程度最高，2015年生態環境最優。2000—2018年間，流域整體生態環境有所改善；輕度脆弱及重度脆弱所占面積存在一定波動，兩者變化趨勢分別為“先增加后減少”和“先減少后增加”，輕度脆弱地區比例由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%)。流域整體生態狀況雖有所改善(改善面積為流域面積的10.97%)，中下游地區生態健康水平有所提升，但流域上游生態環境仍存在惡化趨勢，無法滿足流域生態保護和高質量發展要求。

圖7 黃河流域各生態分區生態脆弱性等級比例Fig.7 Proportion of ecological vulnerability grades in each ecological zone of the Yellow River Basin

3.4 黃河流域生態脆弱性成因分析

為分析黃河流域生態脆弱性空間分布與演化趨勢影響因素，對生態脆弱程度與各指標進行雙變量分析，得到其皮爾森相關系數(表3)。由分析結果可知，流域生態脆弱水平與水、氣候、植被與人類活動密切相關，人類活動對生態環境的影響最為劇烈，受土壤成分影響最小。水資源總量、生物多樣性指數、人口密度、GDP密度、路網密度、建設用地強度、濕潤指數、極端降水等指標對流域生態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(-0.300)和濕潤指數(-0.528)為良性指標，有助于維護生態系統的穩定。人口密度、GDP密度、路網密度、建設用地強度和極端降水對流域生態具有負面影響，其系數分別為0.427，0.381，0.444，0.479和0.455，即氣候災害頻發與人類活動日益頻繁加劇了流域生態脆弱程度。

表3 生態脆弱性與評價指標間的皮爾森系數Tab.3 Pearson coefficient between ecological vulnerability and evaluation index

4 結論

黃河流域是中國人口、資源與環境矛盾最集中的區域之一，本文基于“分區-集成”的評價手段對流域進行生態脆弱性評價，對流域生態保護與高質量發展具有一定參考價值。

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生態環境相對良好。

2)2000—2018年間，流域生態脆弱水平“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，輕度脆弱區域比例上升10.97%，中下游地區生態環境明顯改善，上游部分地區環境仍有惡化趨勢。

3)流域生態脆弱水平與水、氣候、植被及人類活動密切相關。二級指標中，濕潤指數、建設用地強度和極端降雨與生態脆弱程度相關性最高，其相關系數分別為0.528，0.479和0.455，對生態環境具有顯著影響。

本文使用“分區-集成”的評價手段對黃河流域整體進行生態脆弱性評價，解決了以往流域研究中可能存在的研究范圍較小和環境空間異質性考慮不全面的問題，使評價結果更為可靠。此外，分區方案及生態脆弱性評價體系的改進將是未來研究的主要方向。