黄河流域东乡族自治县生态脆弱性评价.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：胡荣明（），男，甘肃靖远人，教授，主要从事 集成技术及其应用研究工作：【水环境与水生态】黄河流域东乡族自治县生态脆弱性评价胡荣明，米晓梅，竞 霞，苏瑞鹏，任乐宽（西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安）摘 要：东乡族自治县是黄河流域典型的生态脆弱民族地区，为研究其生态环境脆弱程度，基于 和 技术提取遥感生态距离指数、归一化植被指标、土地利用等 个指标，采用综合指数法构建生态脆弱性评价模型，定量分析东乡族自治县 年和 年的生态脆弱状况。结果表明：研究区 年、年遥感生态距离指数均值分别为 、，综合生态脆弱性指数分别为、，生态脆弱性整体处于中等偏高水平；研究期极度脆弱和重度脆弱类型面积减小，生态环境有极大改善；年研究区大部分区域高生态脆弱性等级向低生态脆弱性等级转变，受自然和人为因素的共同影响，生态脆弱性指数表现出较强的空间自相关性。关键词：遥感生态距离指数；生态脆弱性；生态环境；民族地区；黄河流域中图分类号：；文献标志码：引用格式：胡荣明，米晓梅，竞霞，等黄河流域东乡族自治县生态脆弱性评价人民黄河，（）：，（，）：，：；全球气候变化和人类社会经济发展带来一系列生态环境问题。国内外学者采用多种方法对不同区域生态脆弱性进行了探究。目前生态脆弱性评价方法主要有综合指数法、层次分析法、景观评价法等。魏明欢等采用综合指数法探讨了 年、年、年青龙满族自治县生态脆弱性；等构建压力状态响应模型（），对塔里木河流域 年生态脆弱性演变规律进行了研究；黄越等基于遥感数据，利用景观格局指数法和地理探测器对中国北方农牧交错区 年生态脆弱性演变格局进行了研究。区域地理位置不同，生态脆弱性评价指标选取的侧重点也不同。遥感生态指数和遥感生态距离指数是评价生态环境的常用指标，现阶段进行生态质量评价和驱动力分析时，许多学者把这两个指数作为生态环境评价指标，探究影响研究区生态环境变化的主要因素。但借助遥感生态指数和生态距离指数研究区域生态脆弱性的较少，且目前生态脆弱性评价指标集中在植被、湿度和土壤指数等单一指标，采用耦合性指数进行生态脆弱性评价的研究较少。在研究尺度上，生态脆弱性评价集中于较发达的城市、流域第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，以及绿洲，鲜见县、镇级层面的研究，生态脆弱的民族地区的研究更少。东乡族自治县是西北生态脆弱和民族聚居的交叠区域，属于典型生态脆弱的民族地区。为探究该区域的生态脆弱性，查阅相关文献，结合黄河流域生态环境治理措施，选取遥感生态距离指数、植被（归一化植被指数）、气候（年均气温、年降水量）、地形（高程、坡度）等自然因素，以及土地利用和距矿区距离等因素，共 个指标构建生态脆弱性评价指标体系，对东乡族自治县的生态脆弱性进行评价，以期为生态脆弱的民族地区经济发展和生态保护提供数据支持。研究区概况与数据处理 研究区概况东乡族自治县地处西北地区甘肃省临夏回族自治州，为甘青宁黄土丘陵国家级水土流失重点治理区。县域内人民以东乡族为主体，总人口约 万人，总面积约 ，海拔 ，四周平缓，中间高突。研究区气候属温带半干旱气候区，年均降水量约 ，年均气温 。境内地形较为复杂，群山起伏，沟壑纵横，植被稀疏，常年干旱少雨，土壤以黄土母质为主，水土流失严重。数据来源研究所用遥感影像数据为源于地理空间数据云的 数据，其分辨率为 ，两期遥感影像成像时间为 年 月 日、年 月 日，云量均小于；数据来源与遥感影像数据相同，为分辨率 的 数据；所用气象数据源自中国气象局国家气象信息中心，包含民和、皋兰、榆中、临夏、临洮和合作 个站点的温度、降水量和风速等；年土地利用数据为清华大学制作的全球 分辨率地表覆盖数据；采矿用地数据由东乡族自治县自然资源局提供。评价指标）遥感生态距离指数（）。遥感生态距离指数把绿度、湿度、干度和沙度 个指标进行耦合，从 个维度反映研究区生态环境，可以更加全面、客观地评价研究区生态环境。用遥感生态距离指数替代湿度、干度指数等进行生态脆弱性评价，使生态脆弱性评价模型更具高效性和准确性。绿度、湿度、干度和沙度的计算方法参考文献。研究区存在大片水域，先进行水体掩膜处理，再对 个指标按照 的置信区间进行标准化处理。选取绿度和湿度的最小值、干度和沙度的最大值作为生态环境质量最差点，计算其余点到该点的距离并标准化到，其值越接近 则生态环境质量越好，遥感生态距离指数 计算公式为（）（）（）（）（）式中：、分别为研究区绿度、湿度、干度、沙度值，、分别为绿度、湿度的最小值，、分别为干度和沙度的最大值。）其余评价指标。高程来源于 数据。基于 数据，运用 软件的空间分析工具进行计算得到坡度；归一化植被指数通过 平台进行波段计算所得；年、年年均气温和年降水量根据气象数据经过反距离权重插值得到；土地利用（）数据采用 软件对遥感影像进行分类得到，将研究区分为水域、林地、耕地、草地、建设用地和裸地，并利用 年 土地利用分类结果对比两期影像分类结果，对比结果表明两期影像的分类精度均大于，可用于生态环境脆弱性评价；基于采矿用地数据，计算距矿区欧氏距离。）数据标准化。数据量纲不同会导致融合后的数据不具有可分析性，因此在构建生态脆弱性评价模型前对不同量纲的数据进行标准化处理。对所选取的 个指标使用极差法进行标准化处理。土地利用数据为定性指标，因此先对其进行定量化处理，查阅相关文献，采用赋值法进行定量化处理。高程、坡度、土地利用、距矿区距离、年均气温为正向指标，年降水量、归一化植被指数、遥感生态距离指数为负向指标。正向指标标准化处理计算公式为（，）（，）（）负向指标标准化处理计算公式为 （，）（，）（）式中：为像元 指标 的标准化值，为像元 指标 的原始值，、，分别为指标 的最小值、最大值。研究方法 组合赋权法评价指标合理赋权是生态脆弱性评价的基础。层次分析法（）和熵权法是生态脆弱性评价中最为常见的两种确权方法，层次分析法主观性较强，熵权法客观性较强，因此采用最小信息熵和拉格朗日中值定人 民 黄 河 年第 期理计算组合权重，削弱层次分析法定权的主观性和盲目性，同时弥补熵权法赋权时的机械性和片面性。）层次分析法。层次分析法基于人为判断赋权，故其主观性极强，相关原理可参考文献。本文通过 软件，结合东乡族自治县实际情况进行层次分析，赋予各评价指标较为合理的权重，并记为。）熵权法。熵权法主要根据各个指标所提供的信息量估算熵，从而为指标赋权，属于客观赋权的一种，指标信息熵越小，该指标提供的信息量越多，指标权值越大。首先计算第 个评价指标的信息熵。为避免在指标等于零处出现无穷小值，把归一化后的指标按照步长为 进行平移，即：（）（，）（）其中：式中：为指标平移后的结果，为指标 的信息熵，为样本数量，为所选取的指标数量。计算指标 的权重，首先确定指标信息熵冗余度：（）进而确定评价指标权重：（）权重组合。采用最小信息熵原理结合拉格朗日中值定理计算组合权重，所得组合权重 计算公式：（）（）（）（）（）（）（）构建生态脆弱性评价模型采用综合指数法构建生态脆弱性评价模型。依据上述组合权重对各指标值进行加权求和，得到各单元生态脆弱性指数。（）式中：为评价指标 标准化后的值。结合实际对所计算的生态脆弱性指数进行值域划分，使其生态脆弱性等级更直观，结合研究区实际将其生态脆弱性划分为微度脆弱（）、轻度脆弱（）、中度脆弱（）、重度脆弱（）和极度脆弱（）个类型，利用自然断点法重分类分别赋予等级、。将各等级面积与总面积之比与各等级值进行加权求和估算研究区综合生态脆弱性指数，进而分析其生态脆弱性。（）式中：为综合生态脆弱性指数，值越大区域生态脆弱性程度越高；为生态脆弱性等级值；为等级 的面积；为总面积。空间自相关研究选取不同尺度的采样间隔，结合 和 软件进行半变异函数分析，研究东乡族自治县生态脆弱性等级的空间关联特征。通过 软件对所得生态脆弱性等级间隔、取样，基于统计软件检验采样点数据是否符合正态分布，若不符合则进行个案排秩，使数据满足正态分布，再进行半变异函数分析，探究数据的自相关程度。结果与分析绿度、湿度、干度和沙度耦合的遥感生态距离指数空间分布见图。经过组合赋权法计算得到各评价指标权重见表。通过加权求和得到研究区各单元的生态脆弱性指数，年、年生态脆弱性各等级面积及占比见表。图 研究区遥感生态距离指数空间分布 区域生态脆弱性时空分异对分级后的生态脆弱性指数进行彩色渲染，得到 年、年研究区各生态脆弱性类型空间分布（见图），根据 年和 年各类型面积得出综合人 民 黄 河 年第 期表 年和 年各评价指标权重评价指标 年 年 高程 坡度 年均气温 年降水量 土地利用 距矿区距离 表 年和 年各生态脆弱性等级面积及占比生态脆弱性等级生态脆弱性类型 年面积 占比 年面积 占比 微度脆弱 轻度脆弱 中度脆弱 重度脆弱 极度脆弱 生态脆弱性指数。年、年遥感生态距离指数均值分别为 、，综合生态脆弱性指数分别为 、，生态脆弱性整体处于中等偏高水平，但整体生态状况好转。由表 可知，年生态脆弱性类型为轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱的面积较大，面积合计占比高达。年研究区主要生态脆弱性类型为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱，其面积占比分别为、。年，研究区微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱类型面积均增大，重度脆弱、极度脆弱类型面积减小，年东乡族自治县生态状况呈好转态势。由图（）可以看出，年重度脆弱、极度脆弱类型在研究区广泛分布，但 年大部分区域高生态图 年和 年研究区各生态脆弱性类型空间分布脆弱性等级向低生态脆弱性等级转变，重度脆弱、极度脆弱转为中度脆弱面积占比最大。年生态脆弱性类型为微度脆弱、轻度脆弱的区域位于东乡族自治县西南部，年两者面积大幅度增大，由影像可以看出研究区南部植被覆盖度明显上升。年、年中度脆弱的区域面积相差不大，但 年其空间分布发生转变，年中度脆弱类型主要分布在研究区南部，到 年中度脆弱类型遍布研究区东北部，即区域生态状况好转。年重度脆弱、极度脆弱区域面积缩减，对比两个时期的遥感影像发现，研究区植被覆盖度增大，年重度脆弱、极度脆弱类型主要分布在研究区北部和东部一些水土流失较严重地区和裸地区域。不同土地覆被下生态脆弱性时空演变特征为探究东乡族自治县不同土地覆被下生态脆弱性时间和空间演变情况，通过 软件所具有的空间分析功能统计各生态脆弱性类型不同土地覆被的区域面积。根据研究区实际情况，草地和耕地是主要土地利用类型，在此基础上对研究区土地利用进行重分类，分为高植被覆盖、中植被覆盖、低植被覆盖、不透水面和裸地 类，见表。表 研究区生态脆弱性类型与土地覆被分区统计结果生态脆弱性类型 年高植被覆盖中植被覆盖低植被覆盖不透水面裸地 年高植被覆盖中植被覆盖低植被覆盖不透水面裸地微度脆弱 轻度脆弱 中度脆弱 重度脆弱 极度脆弱 总计 年高植被覆盖地区生态脆弱性类型主要为微度脆弱、轻度脆弱，其面积占研究区总面积的；年高植被覆盖区域生态脆弱性类型主要为微度脆弱，其面积占研究区总面积的。年轻度脆弱、中度脆弱区域大多属于中植被覆盖区，其面积分别占研究区总面积的、；年中植被覆盖区主要为微度脆弱和轻度脆弱类型，面积合计占比为。从两期遥感影像看，低植被覆盖大多处于水土流失严重、几乎无植被覆盖的草地，因此 年低植被覆盖区生态脆弱性类型大多为中度脆弱、重度脆弱、极度脆弱，面积占研究区总面积的，但到 低植被覆盖区生态脆弱性类型大人 民 黄 河 年第 期多为中度脆弱、重度脆弱，面积占研究区总面积的。年不透水面增加了 ，裸地面积减少了 ，不透水面、裸地生态脆弱性类型大多数为中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱。至 年东乡族自治县大部分区域植被明显增多，从 年到 年植被覆盖区域虽然减少了，但植被覆盖区域植被覆盖度明显增大，研究区高等级生态脆弱区向低等级生态脆弱区转变，生态环境状况好转。空间自相关特征分析选取合适的采样间距能够较好地反映生态脆弱性空间结构特征，采样间隔较大或者较小都不利于重要信息的提取，也不能反映空间异质性，查阅相关文献以及试验表明 的采样间隔较为合适。研究区生态脆弱性空间特征能被高斯模型和球状模型较好地拟合出来，见表。年、年基台值分别为、，表明 年生态脆弱性指数空间波动较大。生态脆弱性空间相关程度由块基比呈现，值越大表明随机因素引起的空间异质性越高。研究区 年块基比为，空间相关性为中等；年块基比为，空间相关性较为强烈。年、年块基比表明，研究区生态脆弱性空间变化是地形、坡度等结构性因素和气象、人类活动等随机因素共同影响的结果。偏基台值为基台值和块金值之差，年结构性因素是研究区生态脆弱性的主要影响因素，到 年对研究区生态脆弱性影响较大的为随机因素，即人类活动对区域生态脆弱性的时空变化具有驱动作用。半变异函数在各个方向上具有差异，因此研究区生态脆弱性具有各向异性，年研究区生态脆弱程度的各向异性在、方向较为突出，而 年 方向较为突出，表明在此方向上生态异质性较强，其原因可能与研究区降水和高程等存在方向性差异有关。表 研究区生态脆弱性最优理论变异函数年份模型块金值基台值偏基台值块基比变程 决定系数 残差球状模型 高斯模型 结束语利用 和 技术，充分考虑人类活动和自然因素对区域生态脆弱性的影响，选取遥感生态距离指数、地形和土地利用等指标，融合层次分析法和熵权法确定权重，计算综合指数，评价黄河流域民族地区的生态脆弱性。研究区两个时期的遥感生态距离指数均值分别为 、，综合生态脆弱性指数分别为、。年中度脆弱、重度脆弱区域面积占研究区比例高达，为研究区主要生态脆弱性类型，年轻度脆弱和微度脆弱面积明显增大。微度脆弱和轻度脆弱在 年、年均主要分布在东乡族自治县西南部；植被覆盖度较低区域、研究区中部则以中度脆弱类型为主；研究区东北部裸地和水土流失严重的区域主要生态脆弱性类型为重度脆弱和极度脆弱。此外，研究区高等级生态脆弱区向低等级生态脆弱区转变，主要为重度脆弱转为中度脆弱、轻度脆弱。研究区生态脆弱状况是自然因素和人类活动共同作用的结果，且呈现较强的空间自相关性，研究期间人类活动逐渐增强，在一系列生态环境保护措施下，区域生态状况得到一定改善。区域生态脆弱性在空间方向上表现出一定异质性，年空间异质性在 和 方向较为突出，年则在 方向较为突出。研究发现东乡族自治县在研究期生态状况虽然有所改善，但大部分区域为中度脆弱类型，这与杨雯娜等的研究结果相差不大。东乡族自治县降水量较少，区域内水土流失严重，尤其是县域东部、北部受水流冲刷，地势起伏不平，以稀疏草地为主，植被覆盖度不高，生态环境稳定性较差，极易受到气候和人类活动的影响，因此生态较为脆弱。自然因素和人类活动为研究区生态脆弱性的驱动因素，年研究区地形和气候条件对生态脆弱性具有促进作用，自然因素为生态脆弱性的主导因素；年为保护黄河流域生态环境，促进黄河流域自然与经济协调发展，政府实施了一系列环境保护措施，开展植树造林、水土流失防治等工作，使东乡族自治县生态问题得到有效治理，研究区整体的生态环境有所改善。参考文献：王让会，樊自立干旱区内陆河流域生态脆弱性评价：以新疆塔里木河流域为例生态学杂志，（）：魏明欢，胡波洋，张贵军，等山区县土地生态脆弱性动态变化分析：以青龙满族自治县为例水土保持研究，（）：，人 民 黄 河 年第 期：黄越，程静，王鹏中国北方农牧交错区生态脆弱性时空演变格局与驱动因素：以盐池县为例干旱区地理，（）：，：，：，：，：郭泽呈，魏伟，庞素菲，等基于 和遥感指数的干旱内陆河流域生态脆弱性时空演变及动因分析：以石羊河流域为例生态学报，（）：白艳芬，马海州，张宝成，等基于遥感和 技术的青海湖环湖地区生态环境脆弱性评价遥感技术与应用，（）：布和敖斯尔，马建文，韩秀珍，等中国陆地生态系统脆弱带遥感模型遥感学报，（）：安芬，李旭东，程东亚贵州省乌江流域生态脆弱性评价及其空间变化特征水土保持通报，（）：邱彭华，徐颂军，谢跟踪，等基于景观格局和生态敏感性的海南西部地区生态脆弱性分析生态学报，（）：杨雯娜，周亮，孙东琪基于分区集成的黄河流域生态脆弱性评价自然资源遥感，（）：徐辉，丁祖栋，武玲玲，等黄河下游沿黄城市生态系统健康评价人民黄河，（）：，李宝亭，吴卿，杨硕果，等水土保持弹性景观功能与生态脆弱性研究人民黄河，（）：，黄钰涵，闫浩文，李小军，等乌鲁木齐市遥感生态距离指数变化监测与评价遥感信息，（）：张娟，文广超，王恩营，等基于遥感生态指数的焦作市生态环境动态监测与评价 水土保持通报，（）：徐涵秋区域生态环境变化的遥感评价指数中国环境科学，（）：，（）：曾永年，向南平，冯兆东，等 特征空间及沙漠化遥感监测指数研究地理科学，（）：王苗，刘普幸，乔雪梅，等基于 的宁夏生态环境质量时空演变及其驱动力贡献率分析生态学杂志，（）：姚昆，周兵，李小菊，等基于 熵权模型的大渡河流域中上游地区生态环境脆弱性评价水土保持研究，（）：黄方，刘湘南，张养贞 支持下的吉林省西部生态环境脆弱态势评价研究地理科学，（）：周玲美，王世航，权玲基于遥感和地理信息系统的内蒙古呼日查干淖尔地区生态脆弱性评价生态与农村环境学报，（）：魏伟，石培基，周俊菊，等基于 和组合赋权法的石羊河流域生态环境质量评价干旱区资源与环境，（）：蔡元刚，王明田，蔡怡亨，等利用地面气象资料建立四川省日总辐射计算模型中国农业气象，（）：张笑楠，王克林，张伟，等桂西北喀斯特区域生态环境脆弱性生态学报，（）：时卉，杨兆萍，韩芳，等自然遗产地生态脆弱性分析与评价：以托木尔区域为例干旱区地理，（）：【责任编辑 吕艳梅】（上接第 页）龚佳辉，侯精明，薛阳，等城市雨洪过程模拟 加速计算 效 率 研 究 环 境 工 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