青藏高原生態屏障區生態環境綜合評價方法探討

王鐵軍，趙禮劍，張 溪

(國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 401120)

生態環境是指由生物群落及非生物自然因素組成的各種生態系統所構成的整體[1]。生態環境的破壞，最終會導致人類生活環境的惡化。20世紀以來，人類社會經濟活動的能力和強度急劇增加，對生態環境的影響也從單一生態系統擴展到人類生活的整個區域，生態問題越來越突出，區域性生態環境問題已經成為許多國家可持續發展的重要制約因素。土地沙化、鹽堿化等退化問題突出，使土地質量不斷下降，在部分地區甚至已經影響到人們的生存，給區域生態平衡帶來了巨大的壓力[2]。為此不少學者開展了生態環境狀況評價探索工作[3-6]，通過對區域生態系統結構和功能變化引起的生態環境質量的優劣程度進行評價，從而指導生態環境質量管理。

青藏高原地殼活動活躍，氣候環境復雜，生態環境十分脆弱。研究表明，青藏高原氣候呈顯著變暖趨勢[7]，預計未來100年增溫幅度達3.93℃[8]。在全球氣候變化和人類活動的綜合影響下，青藏高原冰川退縮、土地退化、水土流失、生物多樣性受威脅等生態問題日益突出[9-10]。目前國內在退化系統恢復重建、高原氣候與冰川變化等方面已有諸多研究和探索，但生態環境綜合評價的理論和技術體系尚未完全形成。本文探討構建反映青藏高原生態屏障區自然生態環境現狀的指標體系，研究生態環境綜合評價的數學模型和方法，利用第一次全國地理國情普查成果及多種專題資料，客觀地對青藏高原生態屏障區生態環境質量進行綜合評價，分析生態環境及其保護中存在的問題，為政府、行業主管部門生態環境保護決策提供信息支撐，對青藏高原生態屏障區的保護與可持續發展具有重要意義，同時也可為其他資源、生態、環保等相關工作提供參考。

1 研究區概況

青藏高原生態屏障區的概念和范圍與青藏高原地理區域有所不同，它源自《全國主體功能區規劃》[11]，面積約93萬km2，是青藏高原生態屏障的空間載體，享有“江河之源”“中華水塔”等殊榮，自然資源豐富，自然環境類型多樣，是長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等重要河流的發源地，是世界高原特有生物的集中分布區，也是維持中國乃至全球氣候穩定的“生態源”和“氣候源”。

青藏高原生態屏障區大部分處于高海拔地區，平均海拔3000 m以上，近10年來年平均氣溫為2.5℃，年降水量僅為403.7 mm且分布不均勻，以高寒、干旱氣候為主，植物生長緩慢，生態環境敏感脆弱。

2 生態環境綜合評價

青藏高原屏障區生態環境綜合評價，以自然-經濟-社會區域復合生態系統為框架基礎，基于第一次全國地理國情普查成果和多種專題資料，構建反映青藏高原自然生態環境、社會、經濟發展現狀和變化趨勢的指標體系。生態環境具有明顯的區域性、等級性和綜合性，不同區域的生態環境特征不同，生態環境的組成要素之間相互依存、相互制約，任何一個要素發生改變，均能引起其他組成要素甚至整個生態環境的變化[12]。

2.1 評價指標體系建立

評價指標體系是生態環境質量評價的關鍵，為了及時、準確地了解生態環境的質量狀況和人類活動對生態環境的影響，建立合適的生態環境質量評價指標體系具有十分重要的理論和實踐意義。

2.1.1 指標選取原則

評價指標既要遵循生態系統的一般規律，又要能夠完整準確地反映區域特征；同時指標總數盡可能少，使調查度量經濟可行，數據能夠通過現有的監測、統計或其他手段采集或獲取，具備持續更新條件，操作性強，便于推廣應用。

(1) 科學性：遵循生態環境系統的一般規律。

(2) 區域性：具有區域特征，能準確反映青藏高原屏障區的環境狀況。

(3) 完整性：能全面完整地反映各方面的狀況。

(4) 簡明性：概念明確，調查度量簡便易得。

(5) 重要性：應是生態環境及其相關領域的重要指標。

(6) 獨立性：指標間相關性小，反映的信息代表性強。

(7) 可評價性：可量化，便于比較和觀察。

2.1.2 指標選取

根據以上原則，選取了2個地形地貌指標(海拔高度、地形起伏度)、5個自然生態狀況指標(生境質量指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數、污染負荷指數)及5個專題指標(年平均氣溫、年平均降雨、GDP、人口密度、道路密度)，共計12項構成指標層，以地形條件、自然條件、自然生態條件、社會經濟條件為準則層，以青藏高原生態環境綜合評價為目標層的指標體系，詳見表1。

表1 青藏高原生態屏障區生態環境綜合評價指標體系

2.2 評價單元確定

評價單元不僅是各項評價因子的信息載體，其更主要的功能是為評價目標和評價方法服務，一般分為行政區單元、網格單元等。合理選取評價單元，便于評價工作的進行，提高評價工作的準確性。本文以規則格網作為統計的單位空間粒度，以傳統的行政區單元進行結果輸出，既適合人們的思維模式，方便綜合評價結果在各行政區的應用，又保證了生態環境格局的完整性，能夠體現大范圍區域內部生態環境的細部特征。

2.3 權重確定

權重反映不同評價因子間重要性程度的差異，通過針對某一層的某個因素(如某一準則)，將下一層與之有關的因素(如某一指標)，通過兩兩比較，用評分的方法，判斷出它們相對的重要程度，將判斷的結果構成一個判斷矩陣。根據表1生態環境綜合評價指標體系，用1—9及其倒數的標度方法構造目標層-準則層、準則層-指標層的判斷矩陣，再根據構造的判斷矩陣，進行權重的確定，最終得到的權重見表2。

表2 各指標權重表

2.4 評價數學模型與方法

生態環境綜合評價指標眾多，為確保綜合評價的客觀性和準確性，采用主成分分析法(principal components analysis，PCA)作為數學模型。該方法的指導思想是，將原來眾多的具有一定相關性的指標X1、X2、X3、…、Xp重新組合成一組較少個數的互不相關的綜合指標來代替，從而減少分析過程的計算工作量。主要步驟敘述如下。

2.4.1 數據標準化處理

假設有n個研究區域，每個區域都受p個指標(x1、x2、x3、…、xp)的影響，但每個區域的指標值都不相同。將這些代表區域特征的原始數據構造成矩陣，見式(1)。在此基礎上計算樣本X的協方差矩陣S及樣本相關性矩陣R，通過相關性實現降維處理，見式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.4.2 主成分確定

運用SPSS軟件計算相關系數矩陣的特征值λ

和對應的單位特征向量a，特征值滿足λ1≥λ2≥…≥λp≥0，特征向量的計算如下

(4)

2.4.3 主成分計算

以特征向量為權數，對標準化的指標進行加權得到樣本X的第i個主成分值Y(1≤i≤p)，見式(5)。通過主成分表達式，可以明確了解到各個指標層中的指標對于相應的準則層中的指標是動力因素還是阻力因素。

Yi=a1iT1+a2iT2+…+apiTp

(5)

2.4.4 主成分綜合評價

根據上文計算所得的特征值λ，提取m個主成分(m

(6)

(7)

2.4.5 結果分析

根據主成分載荷矩陣中各評價指標的系數大小，獲取與主成分具有較高相關性的評價指標，完成每個主成分的定性分析與生態環境綜合評價。

3 評價結果與分析

基于第一次全國地理國情普查成果數據，以及水利、環保、氣象、統計等專題數據，經過空間化、標準化、正向化處理及主成分分析后得到青藏高原屏障區生態環境評價指標的主成分特征值及貢獻率。

特征值在某種程度上可以看成是主成分影響力度大小的指標，一般按照特征值大于1的原則[13-16]提取主成分，提取的主成分特征值和貢獻率詳見表3。

由表3可知，主成分F1的貢獻率高達37.33%，F2、F3、F4的貢獻率分別為13.45%、11.41%、10.47%，四者累計貢獻率達到72.66%，基本上能夠代表最初的12個指標來分析青藏高原生態環境現狀，選取這4個主成分進行研究分析，構成載荷矩陣見表4。

表3 各主成分特征值及其貢獻率

表4 主成分載荷矩陣

當主成分載荷矩陣中指標系數的絕對值大于0.6時，可以認為具有顯著相關關系；大于0.5時，可以認為具有明顯相關關系。由表4可見，主成分F1和C6、C4、C3、C2呈顯著正相關關系，與C1、C11、C12呈顯著負相關關系，也就是說這些指標會極大地影響青藏高原屏障區生態環境狀況，即屏障區生態環境狀況與地形因子、自然條件密切相關，F1可以解釋為自然背景因子；主成分F2和C9、C10、C11呈明顯正相關關系，這些指數均與人類社會活動相關，F2可以解釋為社會經濟因子；主成分F3和C5、C1、C2呈明顯正相關關系，F3可以解釋為高海拔地區生境質量因子；主成分F4和C7、C8呈顯著正相關關系，F4可以解釋為生態環境狀況因子。

以青藏高原生態屏障區青海省片區為例，將4個主成分數值分別空間化到每個評價單元中，主成分F1、F2、F3、F4對生態環境影響的分級圖如圖1所示。

基于主成分綜合評價結果按自然分劃法(natural breads)進行分類，分值由低到高，分別以-2.49～-1.45，-1.45～-0.79，-0.79～-0.14，-0.14～0.58，0.58～1.32，1.32～2.14，2.14～4.94劃分為7個區間，對應環境質量等級依次為非常差、差、較差、中、較好、好、非常好，空間化成果如圖2所示，不同級別生態環境質量單元數及比例見表5。

圖1 主成分對生態環境影響分級圖

圖2 青藏高原生態屏障區生態環境綜合評價圖

由圖2可見，青藏高原生態屏障區生態環境質量呈現東南較好、西北階梯狀逐漸變差的趨勢，與實際情況比較吻合。

表5 不同級別生態環境質量單元數及比例

由表5可知，生態環境非常差、差和較差3個等級面積之和占屏障區總面積的61.3%，生態環境一般的占9.3%，生態環境非常好、好和較好3個等級面積占總面積的29.4%。青藏高原生態屏障區生態環境自身的脆弱性也決定了其生態環境質量綜合評價結果較差；另外，人類活動對自然生態狀況影響較大，間接地影響了生態環境的綜合評價結果。

4 結 語

青藏高原分布范圍廣，生態系統服務價值極高，是我國重要的生態屏障。本文在前人研究的基礎上構建了青藏高原生態屏障區生態環境綜合評價指標體系，并對屏障區生態環境質量進行了綜合評價，評價結果與實際情況基本吻合。

青藏高原生態屏障區大部分處于高海拔地區，自然條件惡劣，自身生態環境極其脆弱，自我修復能力很差，一旦被破壞將很難恢復。青藏高原生態屏障區生態環境質量與植被覆蓋、人口密度、土地脅迫指數等與人類活動相關的因子息息相關，因此加強青藏高原生態屏障區保護，需要重點加強基本草原保護，繼續實施禁牧休牧、退耕還林、圍欄封育等生態保護工程和草場退化綜合治理等生態修復工程，減少草地放牧、林地砍伐、工礦資源開發等人類活動對青藏高原生態環境造成的壓力，不斷提高生態環境質量，促進區域社會經濟與生態環境協調發展[17]。

本文在生態環境質量綜合評價中還未涉及生態環境動態變化情況的研究，在后續工作中將進一步分析研究影響生態環境質量提高(降低)的關鍵因子，為青藏高原生態屏障區的生態保護與建設提供理論基礎和科學依據。