基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態環境脆弱性評價

齊姍姍, 鞏 杰, 錢彩云, 謝余初, 張 影

(1.蘭州大學 資源環境學院 西部環境教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)(2.廣西師范學院 北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530001)

基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態環境脆弱性評價

齊姍姍1, 鞏 杰1, 錢彩云1, 謝余初2, 張 影1

(1.蘭州大學 資源環境學院 西部環境教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)(2.廣西師范學院 北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530001)

[目的] 綜合評估甘肅省白龍江流域生態環境脆弱性，為生態環境的恢復重建和可持續性管理提供理論參考。[方法] 基于生態敏感性—生態恢復力—生態壓力度模型、層次分析法和GIS/RS軟件等，通過計算生態環境脆弱性指數，將研究區生態環境脆弱性程度劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個不同等級。[結果] 甘肅省白龍江流域中度和重度脆弱區域占研究區總面積比例較大，分別占研究區總面積的28.94%和22.76%。其中，重度與極度脆弱區集中分布在植被覆蓋度較低，城鎮化較快，工農業發展迅速且人類活動強度較強的流域中部。[結論] 研究區總體生態環境壓力非常嚴峻，亟需研究其驅動機制及演變規律，以期為后續的生態恢復重建做準備。

SRP模型; 生態環境脆弱性; 白龍江流域; GIS; AHP方法

文獻參數： 齊姍姍，鞏杰，錢彩云，等.基于SRP模型的甘肅省白龍江流域生態環境脆弱性評價[J].水土保持通報，2017,37(1)：224-228.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20160918.001； Qi Shanshan, Gong Jie, Qian Caiyun, et al. Assessment of eco-environmental vulnerability of Bailongjiang watershed in Southern Gansu Province based on SRP model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：224-228.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20160918.001

脆弱性概念先后經歷了國際生物學計劃(IBP)、生物圈計劃(MAB)以及國際地圈與生物圈計劃(IGBP)等大型國際計劃的完善，并經歷了內容擴展和學科綜合化的過程[1]，已經朝著具針對性和綜合性的自然和人類社會系統的多元化方向發展[2-3]。學術界普遍認為：生態環境脆弱性是生態系統或景觀類型在特定時空尺度上受到內外部擾動所具有的敏感反應和自我恢復狀態或能力，是系統內部的自然屬性[4]。

近期隨著人地耦合關系研究的深入，國內外研究在環境脆弱性評價方法[4-5]和分析框架[6]等方面逐漸由理論方法的探討轉入實證研究階段，對生態脆弱性的縱向剖析也不斷深入，形成了一系列脆弱性機制的系統分析機制，并朝著系統化和科學化的方向發展[7]。目前環境脆弱性評價方法較傾向于采用數學方法對區域生態環境脆弱性進行定量評價，如模糊綜合分析法[8]、人工神經網絡法[9]、主成分分析法[10]、層次分析法[4,11]和綜合評價法[12]等，同時結合“3S”技術更加有利于客觀評價區域生態環境脆弱性。由于區域自然條件因子和人為條件因子的差異性，不同區域生態脆弱性的影響因素會有所不同，因此研究方法或模型的選擇也會視具體實際情況而定。生態敏感性—生態恢復力—生態壓力度模型(sensitivity-resilience-pressure，SRP)涵蓋了生態脆弱性的構成要素，能較全面地體現生態脆弱性的綜合方面，已在環渤海地區[13]、沂蒙山[14]和遼寧朝陽縣[15]等區域得到廣泛應用。

白龍江流域地處青藏高原與黃土高原的交錯過渡帶上，流域內地貌復雜、水土流失嚴重、人類活動頻繁，深刻地影響著流域生態環境的驅動機制及其演變規律。本文擬以SRP模型評價體系、AHP評價方法和RS/GIS技術等，對甘肅白龍江流域脆弱度進行定量評估與分析，旨在了解區域脆弱性現狀，為流域生態系統綜合調控提供建議。

1 研究區概況

甘肅白龍江流域(32°36′—34°24′N，103°30′—106°0′E)地處青藏高原東北邊緣，屬于青藏高原向黃土高原過渡的斜坡加劇變形帶，海拔高度約在568～4 866 m。流域流經甘肅省迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣5個行政單元，河網分布較密，且表現出西北—東南向分布格局。由于地形高差懸殊，氣候垂直帶分異明顯，流域內冬春干燥，夏秋多雨，年均氣溫6～14.9 ℃，年降水量約400～850 mm。區域內起伏較大、地表支離破碎、山大溝深、地勢險峻，故是滑坡、泥石流、地震等地質災害發生最頻繁的地區，嚴重危害區域生態環境和社會經濟的可持續發展，因此科學研究白龍江流域內生態環境脆弱性非常迫切。

2 評價體系構建

2.1 數據來源

2.1.1 SRP模型 本文針對白龍江流域生態環境現狀，選擇SRP模型中生態敏感性、生態恢復性和生態壓力度3個構成要素。其中，生態敏感性反映區域生態環境抵抗各種內外干擾的能力，包括地形因子、地表因子、氣象因子；地形因子包括高程、坡度、坡向和地形起伏度，地表因子包括土壤侵蝕強度、景觀結構指數和潛在蒸散發，氣象因子包括年均降水、相對濕度和氣溫；生態恢復力指生態環境在內外擾動下的自我調節與自我恢復能力，包括植被因子，可用植被凈初級生產力和植被覆蓋度來表示。生態壓力度是指生態系統受到的外界干擾及其產生的生理效應，包括人口活動壓力和經濟活動壓力，分別用人口密度和人均GDP來表示(表1)。

2.1.2 指標標準化 由于研究區數據來源存在差異，導致原始數據量綱不同，故需要對原始數據進行標準化處理(min-max,極差標準化方法)。數據標準化處理過程中，生態脆弱性與評價指標之間有2種方向關系，即正向關系與逆向關系。正向關系就是評價指標值增大時，生態脆弱度增大；逆向關系就是評價指標值增大時，生態脆弱度減小。計算公式如下:

式中：Xi′——第i個指標的標準化值；Xi——第i個指標的原始數據；Xmax——第i個指標的最大值；Xmin——第i個指標的最小值。

2.2 評價指標權重確定

層次分析利用yaahp10.3軟件(www.jeffzhang.cn/)完成，由蘭州理工大學張建華博士開發，是一種定性與定量結合的決策方法。步驟如下： ① 分析要素層中各指標層間的關系，采用1—9標度法對各指標層的重要性進行兩兩比較，構建指標層判斷矩陣。② 在每個指標層中，采用相似步驟確定各要素內部組成指標間的相對權重，即指標權重。③ 將判斷矩陣結果輸入Yaahp10.3軟件進行一致性檢驗，經檢驗，判斷矩陣一致性為0.051 6，一致性比率<0.10，則認為判斷矩陣具有滿意的一致性，表明模型指標權重的計算結果合理。④ 通過要素權重和指標權重相乘，得到14個單項指標的最終權重(表1)。

表1 白龍江流域生態環境脆弱性評價指標AHP權重

2.3 白龍江流域生態環境脆弱性評價

利用SRP模型和AHP得出各指標權重系數，計算生態環境脆弱性指數(eco-environmental vulnerability index, EEVI)，對區域生態環境脆弱性進行評價。計算公式如下:

式中:n——評價指標的個數；Wi——第i個評價指標的權重系數；Xi——第i個評價指標的標準化后的數值；EEVI——生態環境脆弱性指數。一般地，EEVI的數值范圍為[0，1]，數值愈接近1，說明研究區域的生態脆弱程度越高，反之，說明研究區的生態脆弱程度越低。

3 結果與分析

3.1 總體分布特征

研究區生態環境脆弱性的計算通過ArcGIS10.2中spatialanalyst模塊下的rastercalculator命令，計算每個柵格的生態脆弱度指數，再利用再分類工具(reclassify)，選擇自然斷裂點(naturalbreaks)分類方法將生態脆弱性程度劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱(圖1)。

從白龍江流域各生態脆弱性程度的面積及其所占研究區總面積比例的統計可以看出，研究區生態脆弱程度空間差異明顯(圖1)，流域整體的生態脆弱性稍高，以輕度、中度和重度脆弱度為主，分別占總面積的25.92%，28.94%和22.76%(表2)；微度和極重脆弱區相對較小，分別占13.15%和9.24%。

圖1 白龍江流域生態環境脆弱性分布

生態環境脆弱性程度生態環境脆弱性指數(EEVI)面積/km2面積比例/%微度脆弱<0.382425.0013.15輕度脆弱0.38～0.444778.3325.92中度脆弱0.44～0.505335.0828.94重度脆弱0.50～0.574196.4622.76極度脆弱>0.571702.809.24

微度脆弱性區域主要分布在整個流域南部區域，在迭部縣零星分布；輕度脆弱性區域主要分布在微度脆弱性區域外圍，在迭部縣大面積分布；中度脆弱性區域面積最大，主要分布在研究區中部輕度脆弱性區域外圍；重度和極度脆弱性區域主要分布在研究區東南部大部區域以及白水江和白龍江及其支流兩岸。

3.2 區域空間差異

在ArcGIS 10.2支持下，對生態脆弱性等級分布圖以縣(區)為單位，統計了各縣(區)的生態脆弱性指數(表3)。

表3 白龍江流域各縣(區)脆弱性等級占面積百分比

生態環境高度脆弱區域主要有武都區、宕昌縣和舟曲縣，其主要原因是城市化、工農業發展、自然地質災害誘發的植被退化和水土侵蝕等造成的，如武都區的城鎮化率由2004年的16.41%增至2010年的23.80%；宕昌縣西北部地勢低平，人口密集，耕地豐富，農業生產活動影響較為顯著；舟曲縣地形起伏大，土壤侵蝕強度較高，地質災害頻發，其中以2010年的舟曲特大泥石流導致的人身、財產損失最嚴重。上述3個縣區生態系統抗干擾能力較差，生態環境較為脆弱，亟待開展相關的生態環境保護和恢復建設等活動。

文縣和迭部縣生態脆弱性相對較低，以輕度和中度脆弱為主。文縣年際間人口數量和城鎮化率變化不大，且大為陡峭的山地，不適宜人類大規模的開發，加上白水江國家自然保護區的生態建設活動，該縣區受到人為不合理干擾較少；迭部縣地處甘肅段白龍江流域源頭，海拔較高，人口分布較少，植被覆蓋度較好，生態環境抗干擾能力和自我恢復能力較強。國家實施的“退耕還林還草”和天然林保護等生態建設政策在一定程度上也改善了當地的生態環境。

4 結論與討論

4.1 結 論

(1) 總體來看，白龍江流域生態環境脆弱性空間異質性規律明顯，生態環境質量整體較為脆弱，生態環境脆弱程度以中度、重度和極度脆弱為主，占研究區總面積的77.62%。

(2) 微度、輕度和中度脆弱性區域主要分布在研究區西北部和中部區域；重度和極度脆弱性區域集中分布在工農業發展較快、人口分布相對集中的流域中部，故需在尊重自然背景的前提下，合理和規范資源開發利用和人類活動行為，構建面向和諧人地關系的新型社會—生態復合系統。

(3) 研究區內自然、社會經濟條件的差異使得生態脆弱性程度空間異質性較大。下一步以期通過建立完善評價指標體系，開展區域生態環境動態變化特征及未來變化趨勢，以為流域生態環境保護和可持續發展服務。

4.2 討 論

由白龍江流域脆弱性空間分布等級圖與白龍江流域高程圖疊加可知：白龍江流域生態脆弱性分布除南部以外呈現出從東南到西北逐漸降低的過渡趨勢，即隨著海拔高度的升高生態系統脆弱性總體呈減弱趨勢，這與羅治敏[16]和吳磊[17]和楊斌等[18]研究結果相似，與王經民等[19]和雷波等[20]研究結果相反，可能原因是高程和地形起伏等地形地貌因子影響水熱因子分布差異，進而影響土壤植被的類型與分布，并最終反映出自然因素差異影響區域生態環境脆弱性差異；也與研究區積極實施“退耕還林還草工程”、“長江中上游防護林體系建設工程”、“天然林保護工程”等生態建設措施有密切關系。本文研究結果也可知研究區環境脆弱性分布狀況還與水系分布關系密切相關，越靠近白龍江水系主河道的區域脆弱性較高，且主要河流兩岸的生態環境脆弱性明顯高于距離河岸較遠的地區，此研究結果與楊斌等[18]的研究結果相似，主要是因為河谷地區是該區域適宜人類居住和生產生活的重要場所，人類活動大面積的開展，對生態環境的壓力加大，造成了研究區河谷地區脆弱性加強。

本研究揭示了甘肅白龍江流域的生態環境脆弱性空間分異，研究結果具有的一定實踐和應用價值。但由于部分指標數據來源于縣區統計數據，評價結果不可避免地受到行政區域界限的影響，下一步研究要盡量通過加大數據收集力度和更為先進的技術對數據及指標體系進行完善；由于影響生態脆弱性的因素極其復雜，本研究選取的生態脆弱性評價指標可能具有片面性，并不能系統全面的反映研究區生態環境狀況，建議未來研究更關注多因素生態環境脆弱性及其時空變化研究。

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Assessment of Eco-environmental Vulnerability of Bailongjiang Watershed in Southern Gansu Province Based on SRP Model

QI Shanshan1, GONG Jie1, QIAN Caiyun1, XIE Yuchu2, ZHANG Ying1

(1.KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystems,MinistryofEducation,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf,MinistryofEducation,GuangxiTeachersEducationUniversity,Nanning,Guangxi530001,China)

[Objective] The objective of the study is to provide theoretical support for ecological restoration and sustainable management in the future by comprehensive assessment of eco-environmental vulnerability in Bailongjiang watershed in Southern Gansu Province. [Methods] Based on ecological sensitivity-resilience-pressure model and characteristics of eco-environmental systems in Bailongjiang watershed in Southern Gansu, we used analytic hierarchy process(AHP) method to assess eco-environmental vulnerability with GIS/RS technology. According to the eco-environmental vulnerability index, the study area was classified into five levels: slight vulnerability(<0.38), light vulnerability(0.38～0.44), moderate vulnerability(0.44～0.50), high vulnerability(0.50～0.57) and extreme vulnerability(>0.57). [Results] The moderately and highly vulnerable area accounted for 28.93% and 22.76% of the total area. Moreover, the highly and extremely vulnerable area was primarily distributed in the middle reaches of Bailongjiang watershed, which was characterized with low vegetation coverage, rapid urbanization and industry and agricultural development and frequent human activities. [Conclusion] The watershed is facing huge eco-environmental pressures. It is urgent to study the driving mechanism and evolution rules in order to provide support for ecological restoration and reconstruction in near future.

SRP model; eco-environmental vulnerability; Bailongjiang watershed; GIS; AHP

2016-05-06

2016-06-11

國家自然科學基金項目“甘肅白龍江流域景觀格局與生態系統服務功能時空變化研究”(4127199)

齊姍姍(1991—),女(漢族),河南省周口市人,碩士研究生,研究方向為景觀生態學、土地變化科學與生態評價。E-mail:qishsh14@lzu.edu.cn。

鞏杰(1975—),男(漢族),甘肅省慶陽市人,博士,碩士生導師,主要從事景觀生態學、土地變化科學、環境遙感與生態評價、生態系統服務等方面的研究。E-mail:jgong@lzu.edu.cn。

B

1000-288X(2017)01-0224-05

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