韓繼沖　郭夢迪　楊青林

摘要：為掌握川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性時(shí)空變化過程及土地利用對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響，利用集成遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合空間主成分分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)判模型，對(duì)2000-2015年川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性做出評(píng)價(jià)，并分析其與土地利用之間的關(guān)系。結(jié)果表明，川西北江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性整體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢，中度和重度脆弱面積在研究時(shí)間尺度內(nèi)持續(xù)減少；生態(tài)環(huán)境脆弱性較為嚴(yán)重的區(qū)域基本分布在東部的若爾蓋縣和西部的石渠縣；土地利用類型中建設(shè)用地、未利用地、耕地對(duì)環(huán)境脆弱性的惡化具有較大影響。表明近年來川西北江河源區(qū)退耕還林、退牧還草等生態(tài)保護(hù)政策已取得成效，但仍需加大環(huán)境治理力度。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境脆弱性；空間主成分分析；土地利用；川西北江河源區(qū)

中圖分類號(hào)：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）09-0020-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.005

Assessment of Ecological Environment Vulnerability in the River Source Area of Northwest Sichuan

HAN Ji-chong，GUO Meng-di，YANG Qing-lin，SHAO Huai-yong，YANG Xian-hua

（Key Laboratory of Information Technology & Application of Land and Resource/School of Earth Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract： The purpose of this paper is to understand the spatiotemporal change characteristics of ecological environment vulnerability and the impact of land use on ecological environment vulnerability. Remote sensing（RS），geographic information system（GIS），spatial principal component analysis（SPCA） were used to establish the evaluation index system and evaluation model to evaluate ecological environment vulnerability from 2000 to 2015，and analyze the relationship between ecological environment vulnerability and land use. The results showed that，the vulnerability of the ecological environment in the study area showed a trend of improvement，and the area of moderate and severe fragile continued to decrease in the study time scale. The areas with serious ecological fragility in the study area were mainly distributed in the eastern Ruoergai county and the wester Shiqu county. The building land， unused land and cultivated land had a great influence on the deterioration of environmental vulnerability. It is pointed out that ecological protection policies such as returning cultivated land to forests and returning grazing land to grassland in the northwest Sichuan river source area have been effective，but still need to increase the environmental management.

Key words： ecological environment vulnerability； spatial principal component analysis； land use； northwest Sichuan river source area

川西北江河源區(qū)是中國重要牧區(qū)，歷史上由于缺乏生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)，過度放牧以及鼠災(zāi)蟲災(zāi)等自然災(zāi)害導(dǎo)致沼澤和草地嚴(yán)重退化[1]。近年來，退耕還林、還草、風(fēng)沙治理等工程使草原生態(tài)惡化勢頭有所減緩，但總體惡化趨勢尚未遏制[2]。為了進(jìn)行生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，首先應(yīng)該對(duì)當(dāng)前的生態(tài)狀況和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析研究，以對(duì)其生態(tài)環(huán)境脆弱性做出評(píng)價(jià)，并將分析結(jié)果作為生態(tài)建設(shè)的參照依據(jù)。目前許多關(guān)于江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性方面的研究集中在對(duì)理論的探討[3]，但對(duì)生態(tài)地位重要的川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性時(shí)空變化及其與土地利用之間關(guān)系的研究較少。

近年來國內(nèi)外提出了許多評(píng)估生態(tài)環(huán)境影響的方法，主要有模糊判定分析法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、層次分析法[6]、景觀生態(tài)學(xué)法[7]等，然而，上述方法中使用的變量并不總是容易獲得，且在指標(biāo)選取和指標(biāo)權(quán)重確定中存在一定程度的主觀性，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取方面依賴于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)；層次分析法是通過專家打分，構(gòu)建判斷矩陣得到指標(biāo)權(quán)重，而研究者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平不同得到的權(quán)重也會(huì)有差異?？臻g主成分分析法（SPCA）是通過計(jì)算特征值和特征向量得到累計(jì)貢獻(xiàn)率從而計(jì)算得到主成分，減少了評(píng)價(jià)指標(biāo)間相關(guān)性[8]；該方法在指標(biāo)選取和指標(biāo)權(quán)重確定方面克服了上述其他方法的不足，具有客觀性，并已廣泛應(yīng)用于環(huán)境調(diào)查[9]。本研究基于SPCA建立研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)模型，分析了2000-2015年生態(tài)環(huán)境脆弱性空間分布及變化趨勢，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱性的成因進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析并提出了相關(guān)建議，掌握了不同土地利用類型對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響程度，為土地資源的合理分配利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

川西北江河源區(qū)地處青藏高原東緣，四川省西北部，位于97°20′-103°39′E，31°24′-34°19′N。研究區(qū)地勢西高東低，海拔在2 409～5 883 m，氣候嚴(yán)寒、晝夜溫差較大。地貌以高山、丘陵為主，氣候類型為大陸季風(fēng)性氣候，年平均降水量為500～1 000 mm，溫度差異較大。土地利用類型以草地為主，但長期受到過度放牧等人類活動(dòng)的影響，草原沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的數(shù)據(jù)：①氣象數(shù)據(jù)。來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，獲取研究區(qū)及其附近縣市的19個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的2000、2008、2015年的≥10 ℃年累計(jì)溫度和年均降水量，并進(jìn)行空間插值處理。②遙感數(shù)據(jù)。來自地理空間數(shù)據(jù)云，獲取研究區(qū)2000、2008年兩期TM影像，2015年OLI一期影像（分辨率為30 m）進(jìn)行目視解譯得到研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，依據(jù)中國科學(xué)院資源與環(huán)境中心的分類體系進(jìn)行分類。③基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。研究區(qū)1∶100萬土壤類型數(shù)據(jù)由四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院提供；DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，由DEM提取得到研究區(qū)的坡度柵格圖像。④植被覆蓋（NDVI）數(shù)據(jù)，來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)MOD13Q1分辨率250 m數(shù)據(jù)產(chǎn)品，運(yùn)用MRT軟件轉(zhuǎn)換投影和拼接。⑤社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。來自四川省統(tǒng)計(jì)年鑒，包括人口密度、人均GDP，基于ArcGIS平臺(tái)將該屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)。

各指標(biāo)柵格大小統(tǒng)一為250 m×250 m，采用xian-80地理坐標(biāo)系、高斯克呂格投影坐標(biāo)系。

1.3 生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)方法

1.3.1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 指標(biāo)選取遵循科學(xué)性和可操作性原則，考慮自然和人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，再結(jié)合當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域特點(diǎn)，從地形、覆被、氣候、人類活動(dòng)4個(gè)方面選取了9項(xiàng)指標(biāo)（表1）進(jìn)行評(píng)估。

1.3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于評(píng)價(jià)指標(biāo)因素的單位不同，難以直接評(píng)估這些因素對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況的影響，所以需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來消除變量之間的單位差異。高程、坡度、土壤類型、土地利用、人口密度、人均GDP與環(huán)境脆弱性呈正相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用公式（1）標(biāo)準(zhǔn)化；植被覆蓋、年降雨量、≥10 ℃年累計(jì)氣溫與環(huán)境脆弱性呈負(fù)相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用公式（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

Ai=（Bi-Bi，min）/（Bi，max-Bi，min） （1）

Ai=（Bi，max-Bi）/（Bi，max-Bi，min） （2）

式中，Ai為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；Bi為指標(biāo)初始值；Bi，min、Bi，max分別為該指標(biāo)最小值、最大值。

1.3.3 綜合評(píng)價(jià)模型 采用選取的9個(gè)生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)基于ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行空間主成分分析，最終確定前5個(gè)累計(jì)貢獻(xiàn)大于85%的主成分來進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)（表2）。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評(píng)估需要整合多個(gè)因素來獲得綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，在提取出來的5個(gè)主成分的基礎(chǔ)上，通過采用生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)（Eco-environment vulnerability index，EVI）來表示不同水平的生態(tài)環(huán)境脆弱性，EVI被定義為若干主成分的加權(quán)和，分別以某個(gè)主成分相對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重（公式3），結(jié)合每個(gè)主成分及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行代數(shù)計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（公式4），EVI的值越大，表示其生態(tài)環(huán)境越脆弱。

wi=■ （3）

EVI=w1r1+w2r2+L+wiri （4）

式中，wi表示第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率；？姿i表示第i個(gè)主成分的特征值；EVI為生態(tài)環(huán)境脆弱性指數(shù)；ri是第i個(gè)主成分。

由空間主成分分析得到的結(jié)果（表2）得到研究區(qū)3年的指數(shù)線性公式（公式5-公式7）。

EVI2000年=0.309X1+0.192X2+0.169X3+0.135X4+0.097X5 （5）

EVI2008年=0.298Y1+0.191Y2+0.170Y3+0.136Y4+0.109Y5 （6）

EVI2015年=0.320Z1+0.195Z2+0.175Z3+0.138Z4+0.037Z5 （7）

式中，X1至X5、Y1至Y5、Z1至Z5分別是從2000、2008、2015年9個(gè)初始空間變量中提出的5個(gè)主成分。

1.3.4 脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) EVI是從SPCA評(píng)估模型中計(jì)算得到的一個(gè)連續(xù)值，應(yīng)該被劃分為代表不同生態(tài)環(huán)境脆弱性水平的幾個(gè)等級(jí)，在分類過程中，客觀邏輯分析對(duì)分類結(jié)果有重要的影響，因此依據(jù)直方圖進(jìn)行分類是一種客觀的分類方法。自然段點(diǎn)法可以通過選擇分類相似值的類別間隔來識(shí)別斷點(diǎn)，并最大化類之間的差異，可以很好地將類別相近的物體聚集在一起并且增大類別之間的差異，因此自然斷點(diǎn)法是一種非常合理的分類方法，且該方法已廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)中[13]。在本研究中，對(duì)EVI指數(shù)采用自然段點(diǎn)法與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況結(jié)合的方法，參照已有的分類體系將生態(tài)環(huán)境脆弱性分為潛在脆弱（Ⅰ）、微度脆弱（Ⅱ）、輕度脆弱（Ⅲ）、中度脆弱（Ⅳ）、重度脆弱（Ⅴ）5個(gè)等級(jí)[14]（表3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境脆弱性空間格局分布

通過上述綜合評(píng)價(jià)方法得到2000、2008、2015年川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性分級(jí)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域主要分布于西部和東部，少部分分布在南部，中部地區(qū)的環(huán)境狀況普遍較好，脆弱性分布具有差異性特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表4）得到，整體上生態(tài)環(huán)境脆弱性程度面積所占比例為輕度脆弱>微度脆弱>潛在脆弱>中度脆弱>重度脆弱，重度脆弱所占比例較小，占7.76%～9.88%，由此判斷川西北江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境整體情況較好。15年間3個(gè)時(shí)間段不同脆弱性等級(jí)面積所占比例的變化為潛在脆弱和微度脆弱面積所占比例為先減少后增加，輕度脆弱面積所占比例不斷增加，中度脆弱和重度脆弱面積所占比例不斷減小，其中生態(tài)環(huán)境重度脆弱面積所占比由2000年的9.88%下降到2008年的8.77%，到2015年下降為7.76%。表明川西北江河源區(qū)2000-2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有好轉(zhuǎn)的趨勢，這是由于長期以來研究區(qū)過渡放牧、草原沙化等環(huán)境破壞問題引起了國家高度重視，2000年后施行退耕還林、退牧還草等一系列改善環(huán)境的項(xiàng)目，使得環(huán)境惡化的趨勢減緩。

2.2 脆弱性變化趨勢分析

通過生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)E（公式8）描述整個(gè)區(qū)域及境內(nèi)各縣的生態(tài)環(huán)境的變化趨勢。

Ej=■■×Fi （8）

式中，i為脆弱性等級(jí)，n為總的脆弱性等級(jí)數(shù)，Pi是脆弱性等級(jí)i在評(píng)級(jí)單元j中的面積，SPj是評(píng)價(jià)單元j的面積，F(xiàn)i是i的脆弱性級(jí)別。其中，E>0，E越大，表示生態(tài)環(huán)境整體越脆弱。

由上述方法計(jì)算得到川西北江河源區(qū)整體及境內(nèi)各縣的生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)（表5），2000、2008、2015年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)分別為2.769、2.759、2.705，呈現(xiàn)下降趨勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步改善。從區(qū)域尺度分析，總體來看，生態(tài)環(huán)境綜合脆弱性指數(shù)較高的為石渠縣和若爾蓋縣，脆弱性指數(shù)值均大于3.0，屬于環(huán)境最為脆弱的區(qū)域；甘孜縣、色達(dá)縣、阿壩縣、紅原縣脆弱性指數(shù)總體大于2.3，屬于環(huán)境質(zhì)量狀況中等偏上水平；壤塘縣環(huán)境質(zhì)量狀況最好。從時(shí)間尺度分析，色達(dá)縣、壤塘縣環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)變化均為先增加后降低，甘孜縣、阿壩縣呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，若爾蓋縣、石渠縣、紅原縣生態(tài)環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)出降低的趨勢。

生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的縣主要為石渠縣和若爾蓋縣，造成這兩部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的原因不同。位于西部的石渠縣海拔高，屬大陸性季風(fēng)高原氣候，終年較為寒冷，降水量小，植被覆蓋度較低，區(qū)域生態(tài)環(huán)境先天脆弱，加之當(dāng)?shù)匾孕竽翗I(yè)為主過度放牧、草原沙化嚴(yán)重導(dǎo)致環(huán)境脆弱性相對(duì)較高。位于東部的若爾蓋縣人口密度大，旅游資源豐富，人類活動(dòng)頻繁，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱。為改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提出以下建議：①對(duì)于草原沙化嚴(yán)重地區(qū)應(yīng)當(dāng)減少過度放牧，采取退牧還草等生態(tài)保護(hù)措施；同時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)資助，幫助該地區(qū)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，降低農(nóng)牧業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，提高人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。②對(duì)于人口密度較大、農(nóng)耕土地面積大、工業(yè)發(fā)達(dá)等地區(qū)應(yīng)繼續(xù)施行退耕還林、植樹造林等相關(guān)政策，并制定更加規(guī)范的污染處理標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)非法排放企業(yè)的懲罰力度。

2.3 土地利用對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱性的影響分析

通過統(tǒng)計(jì)各土地類型區(qū)域中像元數(shù)最多的環(huán)境脆弱性等級(jí)來分析生態(tài)環(huán)境脆弱性和不同土地類型之間的相關(guān)性。在獲得土地利用分類數(shù)據(jù)（土地利用類型分為水體、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地六大類）后，基于ArcGIS平臺(tái)對(duì)2000、2008、2015年不同土地利用類型區(qū)域內(nèi)像元數(shù)最多的脆弱性級(jí)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果可知，建設(shè)用地、未利用地、耕地、草地、林地、水體對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)像元數(shù)最多的脆弱性級(jí)別依次為重度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、潛在脆弱、潛在脆弱。建設(shè)用地和未利用地對(duì)環(huán)境脆弱性的影響程度相對(duì)較大，此現(xiàn)象是由建筑用地地區(qū)的植被覆蓋率和初級(jí)生產(chǎn)力總體上較低、生物多樣性較小造成的。同時(shí)，耕地對(duì)環(huán)境脆弱性的影響也較大，因?yàn)檫@種土地利用類型植被覆蓋較低，植被覆蓋和土壤水分的減少導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。其次為草地，草原沙化嚴(yán)重以及人類活動(dòng)（人口密集、過度放牧等）對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。林地和水體主導(dǎo)區(qū)域的脆弱性穩(wěn)定，該區(qū)域主要為潛在脆弱，這些地區(qū)水分充足，植被覆蓋率高，物種多樣性豐富。由此可知，以建設(shè)用地為主的區(qū)域是環(huán)境較狀況較差的地區(qū)，其次依次為未利用地、耕地、草地、林地和水體。

3 小結(jié)

本研究在RS和GIS的支持下，利用SPCA建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論。

1）川西北江河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱情況整體良好，東部和西部生態(tài)環(huán)境較為脆弱，中部良好。輕度脆弱所占比例最大，其次是微度脆弱，潛在脆弱和中度脆弱所占比例中等，重度脆弱所占比例最小。中度脆弱和重度脆弱呈現(xiàn)下降趨勢，若爾蓋縣和石渠縣生態(tài)環(huán)境最為脆弱。

2）在研究時(shí)間段內(nèi)，通過對(duì)研究區(qū)土地利用與環(huán)境脆弱性之間的關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型對(duì)環(huán)境脆弱性的影響不同，以建設(shè)用地和未利用地為主的地區(qū)是環(huán)境最為惡化的地區(qū)，其次是耕地、草地、林地和水體。

3）研究時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境有所改善，主要是近年來退耕還草、草原沙化治理等生態(tài)環(huán)境恢復(fù)措施的落實(shí)。為此本研究提出擴(kuò)大生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)面積和延長保護(hù)期兩個(gè)關(guān)鍵建議，加強(qiáng)草原沙化治理力度，在人口集中、經(jīng)濟(jì)工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)提高第三產(chǎn)業(yè)占比。

生態(tài)環(huán)境脆弱性受多方面的影響，是一個(gè)復(fù)雜的過程，本研究由于數(shù)據(jù)和技術(shù)問題有限，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)造成一定影響。因此，更加重視下一步研究，掌握生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，整合額外的標(biāo)準(zhǔn)，探索更有效的方法。

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