基于區統計方法的石羊河流域土地生態敏感性評價

魏 偉，石培基，周俊菊，雷 莉，魏曉旭，頡斌斌

（1.西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州730070；2.甘肅省水利廳 石羊河流域管理局，甘肅 武威733000；3.蘭州城市學院 城市經濟與旅游文化學院，蘭州730070）

生態敏感性是指生態系統對自然環境變化和人類活動干擾的反映程度，說明發生區域生態環境問題的難易程度和可能性大小［1］。生態敏感性評價實質上是對現狀自然環境背景下的潛在生態問題進行明確辨識，并將其落實到具體空間區域上的過程［2］。目前，隨著GIS技術的發展，利用GIS空間分析功能定量計算區域生態敏感性已經成為生態研究領域中不可或缺的方法，如張偉等［3］利用GIS方法，以湖北省谷城縣為例研究了山地城市生態敏感性，并對其敏感性做了分區；李德旺等［4］將GIS空間疊置方法與層次分析法相結合，研究了大尺度范圍的長江上游生態敏感性，生成了生態敏感性分區圖；張朝瓊等［5］利用GIS技術，以貴州省仁懷市為研究對象，運用單因子敏感性評價和綜合敏感性評價兩種方法，選擇土地利用、高程、坡度、水系、地質災害作為評價因子，對仁懷市生態敏感性及其空間分布進行了研究。凌煥然等［6］利用3S技術對馬鞍山市江心洲進行生態敏感性分析，選擇有代表性的生態影響因子，結合相應的評價標準，最終將敏感性分為5級。總體來看，在研究區域選擇上，對生態敏感性的評價主要以大尺度范圍為主，以城市或固定的行政界線為研究區，而在研究方法上，主要以GIS空間分析法和各類權重確定方法相結合為主要手段。但目前，對于小流域土地綜合敏感性的認識不足，少有的研究也主要限于調查數據和定性為主，利用GIS空間疊置功能，將諸多因素綜合考慮，利用定量模型手段評價生態敏感性的研究尚不多見［7］。因此本研究試圖利用GIS分析方法，借助遙感數據，綜合分析流域土地生態敏感變化情況，定量分析生態敏感性的特征和分區，以期為流域治理和生態恢復提供依據。

1 研究區概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，介于101°22′—104°16′E，36°29′—39°27′N［8］。屬河西走廊三大內陸河流域之一，流域行政區劃包括武威市的涼州區、古浪縣、民勤縣全部及天?？h部分地區，金昌市的永昌縣及金川區全部及張掖市肅南裕固族自治縣，共3市7縣（區），面積約41 600km2。截止2013年，流域內總人口約248.0萬人［9］。該流域地勢南高北低，自西南向東北傾斜，且深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，太陽輻射強，日照充足，夏季短而炎熱，冬季長而寒冷，溫差大，降水少，蒸發強烈，空氣干燥。流域內土壤、植被類型分布因受氣候、水文和地形等自然條件的影響，形成了明顯的土壤—植被垂直帶譜［10］。

2 數據源及方法

2.1 數據源

主要數據包括2013年石羊河流域Landsat/ETM＋遙感影像，空間分辨率為30m，石羊河多年平均降水（包括年降水和月降水）和氣溫資料、石羊河流域DEM 30m×30m，2013年石羊河土地利用現狀圖、石羊河土地沙化圖以及石羊河流域基礎地理信息數據等。以上數據主要來源于石羊河流域數據集，在原始數據的基礎上，對部分統計資料進行了歸并和綜合處理。本次研究主要利用GIS空間分析技術和柵格計算技術，以 ArcGIS 10.0和Erdas 9.1為數據處理平臺。

2.2 評價方法

2.2.1 評價因子選取 本研究在對石羊河流域諸多地理生態環境問題綜合分析的基礎上，在明確流域生態環境敏感性的分布特征的基礎上。通過調查研究和相關資料查閱，得知水土流失、土地沙漠化問題是石羊河流域主要的生態環境問題［8－9］，因此，在進行生態敏感評價指標選擇中本研究考慮選用水土流失、土壤鹽漬化和土地沙漠化及生物多樣性問題等4項評價因子對石羊河流域土地生態敏感性進行綜合評價。

2.2.2 單因子評價

（1）水土流失敏感性指數（N1）。主要參考水土流失通用方程（USLE），綜合考慮降水、坡度、地表植被和土地利用四大因子。在利用降水量數據時考慮雨季降水量，石羊河地區降水主要集中在7—9月三個月，因此降水因子采用石羊河多年7—9月份平均降水量和石羊河24h最大降水平均值來表征。坡度（Slope）利用DEM數據在GIS的空間分析功能模塊下直接生成，NDVI通過遙感數據計算獲得，土地利用數據通過遙感數據進行目視解譯獲得。N1的計算公式如下：

式中：p——石羊河多年6—9月份平均降水量；pm——石羊河24h最大降水量；s——坡度；v——NDVI；l——土地利用；各因子通過賦值后利用柵格計算得到水土流失敏感性空間分布圖（附圖3），以ArcGIS的Natural Break法將計算出的N1值分為五級，分別表示不同等級的生態敏感程度［11］。各評價因子分級賦值如表1所示。

表1 水土流失敏感性指數因子及賦值

（2）土壤鹽漬化（鹽堿化）敏感性指數（N2）。利用經過幾何較正和輻射定標后的Landsat/ETM＋反射率數據反演鹽分指數（SI）和歸一化差值植被指數（NDVI）。

式中：SI——鹽分指數；NDVI——歸一化差值植被指數；ρ1，ρ3，ρ4——Landsat/ETM＋ 相應波段反射 率值。這里我們采用王飛等［12］建立的鹽漬化遙感監測模型（Salinization Detection Index，簡稱SDI），其表達式為：

式中N2——鹽漬化遙感監測指數。將監測指數利用NaturalBreak法進行分級，最終得到土壤鹽漬化敏感性空間分布圖（附圖4），用于計算土地生態敏感性。

（3）土地沙漠化敏感性指數（N3）。在石羊河流域土地沙化現狀分布圖（.SHP）和石羊河沙漠類型分布圖的基礎上進行綜合，沙漠化程度高，表明對土地沙漠化生態指示最敏感，綠洲邊緣與沙漠過渡帶對沙漠化指示也很敏感［13］。根據這一原理，將其分別劃分為極敏感和高敏感區，其他類別根據對生態敏感程度依次進行分級，最后形成全流域土地沙漠化敏感性空間分布圖（附圖5），參與最終評價。

（4）生物多樣性敏感性指數（N4）。利用能夠較好反映植被原生狀態和植被生長狀況的歸一化植被指數（NDVI）（僅取0～1值）反映生態環境的原生狀態保持程度和植被生長狀況［14］，利用石羊河流域植被覆蓋指數情況表征生物多樣性保護中的敏感程度，根據此值將其劃分為5個等級（附圖6）。NDVI的計算公式同（3），植被覆蓋指數計算公式如下：

式中：N4——生物多樣性敏感指數；NDVIsoil——完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg則代表完全由植被所覆蓋像元的NDVI值；即純植被像元的NDVI值。

通過上述方法得到土地生態敏感性評價因子后，將上述四種敏感性指數柵格圖在ArcGIS中依據等距離百分位法自然分類（Natural Breaks（Jenks））進行重分類，在參考相關文獻的基礎上［7－8，11］，將其分為5類，以此生成土地綜合生態敏感性分級表（表2）在ArcGIS中進行重分類處理，然后分別賦予不同的等級值。

表2 石羊河流域土地生態敏感性因子分級表

2.2.3 綜合評價

（1）評價各單因子權重的確定。通過計算和評價單因子敏感性在空間的分異，最后將所有參與評價的因子進行綜合，采用綜合評價法得出最后結果。本研究采用變異系數法確定各個因子的權重，此公式表達如下［15］：

式中：R——評價因子權重；A——評價因子變異系數；D——評價因子標準差;——評價因子均值；i——評價因子數，i＝1，2，3，4。計算過程和結果見表3。

（2）評價結果。對影響土地生態綜合敏感性的所有因子進行加權求和，得到各評價單元的綜合土地生態敏感性指數。計算公式如下：

式中：Z——綜合土地生態敏感性指數；Ri——四項因子歸一化權重系數；Ti——評價因子指數［16－17］。

利用ArcGIS的重分類方法將土地生態的綜合敏感性指數分為五級，最后得到石羊河流域土地生態綜合敏感性空間分布圖（附圖7），將空間分布圖不同生態敏感性等級進行面積統計，分別分析不同等級的空間分布特征。分類標準和統計結果見表4。

表3 利用變異系數法確定的各因子所占權重表

3 結果與分析

3.1 水土流失敏感性分析

石羊河流域自然條件較差，太陽輻射強，溫差大，干旱少，蒸發強，流域從上游到下游海拔落差大，氣候差異也很明顯。南部祁連山區海拔4 000m以上，年降水量500mm左右，這里是石羊河流域主干河發源地，水源豐沛，土地主要為常年積雪和凍土，山高水大，水土流失也最為嚴重，且對生態也最為敏感；中游地區平均海拔1 600m，年降水量150～300mm，這里為主要的農業生產區，有武威綠洲和昌寧盆地兩大人口聚集區，很多綠洲邊緣與荒漠相接，為水土流失高敏感區；下游地區海拔1 200～1 500m，主要地區為民勤綠洲及邊緣兩大沙漠地帶，這里干旱少雨，年降水不足150mm，年蒸發量缺大于2 000mm，這里常年干旱，地形多為沙漠平地，水土流失較少，對生態敏感性也最弱，在此研究中根據分類等級，主要為中敏感區。總體來看，惡劣的氣候條件是石羊河生態環境惡化的重要原因，土壤侵蝕和水土流失則是其具體表現。由于全流域大部分地區地表植被分布稀疏，地表土壤侵蝕主要為風力和地表徑流侵蝕。

3.2 土壤鹽漬化敏感性分析

為系統評價該區土壤鹽漬化的敏感性，本研究選擇了鹽分指數（SI）和歸一化植被指數（NDVI）兩項指標進行綜合評價。石羊河土壤鹽漬化敏感性表現出明顯的空間差異（附圖4）：流域土壤鹽漬化敏感性以北、西北、東、東北為最敏感，這些區域蒸發量與降水量比值大，土壤類型單一，一旦出現鹽漬化現象，會很快蔓延至綠洲邊緣，因此這些地方土壤鹽漬化敏感性最強，面積也最大，占到全流域總面積的64.2%，西南及南部敏感性稍緩和，這些地方常年積雪，并且為祁連山水源涵養林主林區，鹽漬化現象不明顯，面積為3 180.20km2，占總面積的7.64%。在涼州區和永昌縣西北部的大部分地區表現為中度敏感區，面積達到5 238.6km2。這些地方也為主要的農業區，在土壤鹽漬化的預防和治理中，應重點關注水土資源的科學使用，大力倡導節水灌溉，減少人為對土壤結構的破壞，提倡使用無害化肥料，防止因為人為開發活動加劇自然鹽漬化過程。

3.3 土地沙漠化敏感性分析

從土地沙漠化敏感性空間分布（附圖5）上可看出，以民勤綠洲和無為綠洲為中心的周邊大片沙漠戈壁分布區為極敏感區，主要是因為石羊河東西部、北部土壤基質多為沙粒且植被覆蓋率較低而造成。民勤綠洲邊緣地帶為高敏感主要分布區，兩大綠洲腹地主要為中度敏感區，而在石羊河流域上游地區天祝縣、肅南縣的大部分地區和古浪縣南部為低敏感區和不敏感區。流域上中下游地表水與地下水資源之間轉化利用關系復雜，整體表現出入不敷出，水資源明顯短缺。用水結構不合理，農業、工業、生活用水比例失調，農業用水比例過高。石羊河在水資源開發利用中對生態環境用水考慮不足，導致天然水資源循環系統受到破壞，沙漠化面積逐年擴大，生態安全受到威脅。土地沙漠化敏感性表現出明顯的空間差異。

3.4 生物多樣性敏感性分析

由于生物多樣性的敏感性評價中（附圖6），對動物和微生物的敏感度較難空間定量化，本研究重點對地表植被的敏感性進行分析。利用能夠較好反映植被原生狀態和植被生長狀況的歸一化植被指數（NDVI）反映生態環境的原生狀態保持程度和植被生長狀況及生物多樣性。石羊河流域生物多樣性敏感性空間分布特征為：流域以南部地區、西南部表現為極敏感區和高敏感區，這里水量豐沛，植被生長茂盛，動植物資源較為豐富，稍有變化，會引起整個流域生態環境劇烈變動，影響整個流域生存和可持續發展。流域中南部地區表現為中敏感區，主要包括涼州區南部、永昌縣西部和古浪縣南部地區；流域北部大部分地區主要為低敏感區和不敏感區，除兩大綠洲表現出較高敏感性外，其余地方為大面積隔壁和沙漠，生物種類較少，對生物多樣性敏感性較低。

3.5 土地生態綜合敏感性分析

由綜合評價結果（附圖7）顯示，石羊河流域綜合土地生態敏感性空間分異明顯，上游祁連山區雨水和水資源豐富地區、植被生長較好，屬大陸性溫帶干旱氣候，且在此范圍內有常年積雪和凍土分布，這些地區對土地變化敏感性最強，為極敏感地區，面積約為5 591.04km2，占全流域總面積的13.44%；高敏感區則主要分布在石羊河中下游地區的隔壁和沙漠地區、綠洲邊緣地區以及城鎮周邊，這些地區土地利用類型變化最為顯著，當有人為治理或降雨增加時部分沙丘變為草地，但在干旱時又恢復成沙地，因此土地結構變化較快。高敏感地區所占面積最大，達到25 475.84 km2，占到全流域總面積的61.24%；在高山和綠洲過渡地區、民勤綠洲東西兩側主要為中度敏感區，面積為5 761.6km2，占全流域總面積的13.85%，；低敏感區和不敏感區主要分布在天祝縣北部和古浪縣中南部地區，這些地方多為高寒草甸生長區，基本遵循春夏加速生長、秋冬枯萎的季節性規律，對局部土地變化敏感性較弱，其中低敏感區面積為4 405.44 km2，不敏感區面積僅為366.08km2。

石羊河流域極敏感與高敏感區是祁連山重要的水源涵養林和生態屏障，在這些地區在以荒漠綠洲為主的生態系統中扮演極為重要的角色，對生態環境變化指示作用很強，一旦受到破壞，在短時間內很難恢復，而且會對中下游地區生態治理和恢復工程造成影響，因此這些區域應作為生態環境重點建設保護區。而在中下游高敏感地區土地生態環境較為脆弱，加之受人類活動擾動較大，因此生態系統不穩定，這些地區應結合國家退耕還林還草工程、三北防護林工程等大力進行生態恢復治理，以提高森林覆蓋率，恢復與保護原生植被，提高生態系統的多樣性和穩定性，促進生態良性循環。對農業生產高強度地區應合理布局不同用地，積極調整種植結構，綠洲核心區內減少耗水、低效農業，提高土地集約節約利用程度。

表4 土地綜合生態敏感性分級統計結果

4 結 論

（1）石羊河流域土地敏感性主要處于中、高和極敏感性三個區內，三者面積達到36 828.48km2，占全流域總面積的88.53%，而不敏感區只占全流域面積的0.88%。可見該流域對土地生態變化高度敏感，這些地區對全流域今后的生態環境恢復治理和可持續發展影響重大。

（2）全流域土地生態敏感性空間分布差異明顯，極敏感區主要分布在上游祁連山區，而高度敏感和中度敏感又分布在下游巴丹吉林和騰格里沙漠地帶，在空間上表現出明顯的南部極敏感、北部中敏感，綠洲邊緣地帶處于中度敏感區。

（3）石羊河上游地區是流域的生態屏障，局部的土地結構微小變化都有可能引發生態系統功能變化，進而影響整個流域的生態，因此需要嚴格控制該區域的人類活動；下游地區為大面積隔壁沙漠地帶，是流域的生態環境威脅區，應大力實施沙漠治理和生態恢復，提高生態退化的抵抗力。

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