基于多元數據的黃河三角洲核心區生態環境狀況評價研究

郎坤，趙庚星，王文倩，張素銘，常春艷，王卓然

(山東農業大學資源與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

近年來，中國經濟發展迅速，但是許多地區在發展經濟的同時忽視了區域內環境的保護，因濫砍濫伐、大水漫灌、農地擱荒等造成了土地沙化、鹽漬化等土地退化問題，制約了經濟發展并威脅了人類健康。黃河三角洲地區因為其脆弱的生態環境，特別容易受到自然和人為因素的破壞和干擾，一直是學術研究的熱點。

因此，環境脆弱地區的生態環境狀況的評價研究受到越來越多學者的關注，如馬榮華[1-2]對海南海島，利用RS與GIS提取生態因子信息并按景觀生態類型進行了評價，提出了海南島環境保護的建議；楊皓[3]利用RS數據，使用層次分析法對浙江省舟山群島環境脆弱區進行了環境評價；Wang XD對青藏高原的環境脆弱性進行了評估，Dengiz O利用多層GIS分析對土耳其的鹽湖生態環境狀況進行了分級和評價等[4-5]，但目前大多評價僅利用RS數據或實測數據[6-8]，較少采用多元數據從多角度進行綜合的區域生態環境狀況的評價研究[9]。針對黃河三角洲地區的生態環境狀況，侯學會[10]利用遙感數據提取植被綠度、干度、濕度，分析了近30年黃河三角洲生態環境狀況；王瑞燕[11]從土壤和植被角度,構建了環境脆弱性綜合評價指標體系，利用遙感對黃河三角洲地區環境進行了反演；元偉濤[12]利用GIS技術對墾利區生態敏感性進行了評價。總體來看，對黃河三角洲整體生態環境狀況研究較多，但針對黃河三角洲脆弱生態環境核心地區的系統研究較少。因此，該研究嘗試利用3S數據、統計數據、野外實測數據等多元數據，對黃河三角洲核心地區的墾利區進行綜合的系統評價，對其生態環境狀況進行分級，并與現有的土地利用現狀進行比較，從而為研究區生態環境保護和土地資源持續利用與管理提供科學依據。

1 研究區概況

該研究選擇黃河三角洲核心區東營市墾利區，該區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，其地形自西南向東北呈遞降趨勢，春季降雨少且蒸發強烈，易積鹽，夏季雨水較多易發生澇災。黃河為境內唯一的自然淡水河流，地下水礦化度較高，水位較淺。土壤類型主要為鹽化潮土、濱海鹽土，土質偏輕、鹽化較重。區域內水域、農用地、建設用地等交錯分布，土地利用變化劇烈，生態環境十分脆弱，對其生態環境狀況進行評價，研究具有高度典型性與代表性。

2 數據及處理

2.1 遙感數據及預處理

生態環境狀況評價需要對地表的植被信息進行有效的提取，因此選用2017年4月18日的黃河三角洲地區高分一號春季影像，該時段植被影像較為突出，各地物特征較為明顯，易于區分。為了更好提取各地物信息，對影像進行輻射定標、大氣校正和幾何精校正，并用墾利區的行政區劃掩膜裁剪，對海域進行剔除，得到研究區高分影像。

2.2 野外實測數據及處理

土壤樣品采集于2017年春季，與影像時間信息大致相符，綜合考慮地形、土壤質地和環境因素，以覆蓋全區域均勻布設為原則，以1000～1500m為采樣間距，采用棋盤型布設101個樣點。采樣過程中，用差分GPS確定采樣點的坐標與高程，每個樣點采用五點取樣法采集4份0～15cm土層土樣，其中3份用于空間變異性分析，一份用于驗證，每份土樣約重500g。將樣品自然風干至恒重，撿去石塊與樣品內的動植物殘體，研磨過篩，進行化驗分析，利用質量—電導率法確定土壤含鹽量，中性醋酸浸泡—震蕩后再利用pH儀測定土壤pH值。采樣點分布如圖1所示。

圖1 研究區采樣點分布圖

對化驗分析數據進行整理并進行經典統計分析，對異常值進行剔除，最終得到98個樣點數據。用地統計分析軟件模塊進行實驗半方差函數和變異函數理論模型的擬合，通過采用球狀模型、高斯模型、指數模型與線性模型的變異函數理論模型，以變程、塊金系數、基臺值、塊金系數/基臺值、決定系數和殘差平方和作為模型的主要參數，根據多次變異函數理論模型擬合試驗，根據殘差平方和(RSS)最小和決定系數(R2)最大進行最佳模型的選擇[13]。根據區域化變量空間相關性程度的分級標準，用塊金系數/基臺值的大小來判定變量的相關程度，其比值若小于25%，則為空間強相關，若處于25%～75%則為空間中等相關，若大于75%則為弱相關，結合Moran’s I判斷土壤性狀的空間自相關性和空間聚集程度[14]。

2.3 統計數據與調查數據

統計數據選取2017年墾利統計年鑒數據，調查數據采用土壤普查、土地利用現狀調查及測土配方施肥項目等相關數據，獲取墾利區社會經濟、自然資源、人口數量、土地利用等相關信息。

2.4 評價單元及指標分值分級

采用格網法進行墾利區評價單元劃分。縣級及以下研究區格網大小一般設定為20～500m[15]，結合墾利區面積與其生態環境狀況評價的指標因素，以200m邊長的正方形網格作為基礎評價單元，能較好反映區域內的生態環境狀況差異。將各指標在評價單元內進行疊加處理分析，得到墾利區的生態環境狀況數據，運用MATLAB對數據量化處理，參考相關文獻并結合墾利區的環境具體狀況，將墾利區生態環境狀況指標劃分為優(分值>80)、良(分值60～80)、中(分值40～60)、差(分值20～40)、劣(分值<20)6個等級[16-17]。得到研究區生態環境狀況的評價結果。

在此基礎上，將該研究評價結果與2015年國家《生態環境狀況評價規范(HJ 192—2015)》規定方法的評價結果進行比較，對該方法結果的合理性進行分析[18-20]。同時，基于評價結果進行研究區生態環境狀況分區，并對各區土地利用進行分析。

3 評價指標體系的構建

結合墾利區的區域特征與數據特征，所選擇的生態環境狀況評價指標包括環境資源約束與環境質量約束兩類，區域環境資源的豐富程度決定著區域環境承載能力的大小，區域環境質量的優劣也直接影響區域生態環境狀況，其準則層分別包括土地資源開發利用、水資源開發利用和環境質量壓力度、生態系統穩定度4個方面。

土地資源開發利用包括人類活動指數和單位面積可利用的土地資源2個指標。人類活動對區域的環境狀況有直接的影響，不同的土地利用方式對環境干擾的程度不同。單位面積內可利用土地資源則直接影響區域土地資源開發，可利用土地資源越多，其區域的開發潛力也越大，因此，通過人類活動指數與人均可利用土地資源可反映區域土地資源的開發利用的約束。

水資源對地區生態環境有著重要的影響，水資源分布的均勻程度直接作用于區域環境狀況的優劣，因此通過遙感影像提取研究區水體，并構建水網密度指數指標。另一方面，地下水的適宜開發程度對區域生態環境亦有重要影響，墾利區緊鄰渤海，又為沖積平原，地下水水位較淺且礦化度較高，將地下水礦化度和潛水埋深結合可體現區域地下水適宜開發程度。因此，利用水網密度指數和地下水適宜開發程度指標來表征墾利區的水資源約束程度。

土壤鹽漬化與土壤堿化是墾利區土地質量退化的重要影響因素，是該區環境質量的關鍵約束指標，通過野外實測土壤數據，對土壤鹽分和土壤pH值進行插值分析，通過其插值結果反映區域內土壤的鹽堿化對環境質量的壓力。

植被指數是反映區域環境狀況的綜合有效指標，良好的環境必定有良好的植被覆蓋，因此選取植被指數作為研究區生態環境評價的重要因素，采用歸一化植被指數(NDVI)來表示研究區植被覆蓋信息，NDVI值越高，表示植被覆蓋程度越好，另外選取對土壤背景變化敏感的差值植被指數(DVI)，二者結合反映研究區生態系統的穩定度。

運用層次分析法，確定各個指標層的權重，最終構建墾利區生態環境狀況評價指標體系(表1)。

4 研究區生態環境評價的指標提取

4.1 人類活動指數

利用遙感影像提取墾利區土地利用狀況，采用能有效避免圖像破碎、改善影像分類精度的面向對象分類法[21-22]，參考第二次全國土地調查的土地利用分類，并根據研究區土地覆被狀況對土地利用類型進行篩選合并，將墾利區土地利用類型分為建設用地、耕地、林草地、人工水域、自然水域、鹽荒地、灘涂7類。圖2為墾利區土地利用分類圖，分類結果經Kappa系數檢驗，總分類精度為82%，其精度符合評價要求。

根據分類結果可以看出，墾利區的土地利用主要以耕地為主，在中部與西南有大量分布，中北部黃河兩側有大面積的林草地，東部沿海分布有大量的養殖用地，內陸人工水體集中分布在中部，自然水體以黃河為主，區域內有大面積的鹽荒地，土地開發潛力巨大。

根據人類活動越強烈，對生態環境的擾動越劇烈，當地的生態環境就越脆弱的原則，參考相關文獻，對各地類進行賦值(表3)，分值越高，人為干擾越小[23]，則從而得到研究區人類活動指數。

表2 墾利區地類影像斑塊特征及提取規則(RGB432波段合成)

1—建設用地;2—耕地;3—林草地;4—人工水體;5—自然水體;6—灘涂;7—鹽荒地圖2 墾利區土地利用分類圖

土地利用類型林草地自然水域沿海灘涂鹽荒地耕地人工水域建設用地分值90786560534830

4.2 水網密度指數

從墾利區土地利用分類圖中的自然水域和人工水體提取出來，剔除沿海地區的鹽田及海水養殖水域，只保留淡水水體，將研究區評價單元水體面積與評價單元面積的比值作為水體密度指數，公式如下：

水體密度指數=評價單元內水體面積/評價單元面積

墾利區水體密度指數如圖3所示，可以看出，墾利區內陸地表水以中部水庫與黃河為主，西部地表水較匱乏，總體看墾利區水體密度較低，淡水資源比較匱乏。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100圖3 墾利區水體密度指數圖

4.3 土壤pH值與土壤鹽漬化

4.3.1 土壤數據的描述性統計分析

土壤pH和鹽分數據的描述性統計分析，其分析結果如表4所示，墾利區pH均值為7.548，土壤偏堿性，變異系數為2.71%，表明研究區內pH值整體變化較小。研究區土壤鹽分含量較高，最大值為1.217g·kg-1，最小值0.128g·kg-1，均值0.380g·kg-1，表明土地鹽漬化程度較為嚴重，鹽分變異系數為63.92%，說明其區域內鹽分數值變化較大。土壤pH與鹽分數據均通過K-S驗證，其值均大于0.05，符合正態分布。

表4 土壤數據的描述性統計分析結果

注：鹽分(SALT)g·kg-1。

4.3.2 土壤數據的空間變異特征

因為土壤質量指標具有各向異性，利用GS+對土壤數據進行統計分析，得到其半方差理論模型和參數如表5所示，可以看出，土壤的pH和鹽分指標的半方差函數主要擬合為球狀模型，模型的決定系數均在0.8以上，說明所選模型符合精度要求。土壤pH的塊金系數小于鹽分的塊金系數，說明與鹽分相比，其相同空間變化幅度較小，土壤的pH與鹽分質量指標的變程均遠大于采樣間距，說明樣點能反映研究區土壤pH與鹽分指標空間變化特征。莫蘭指數的范圍在(-1,1)，其取值接近于0，表示空間過程不相關，取正值表示正的自相關[23-25]，研究區土壤的pH和鹽分I值分別為0.495與0.668，均為中等強度的自相關，其結果與塊金比相一致。

表5 土壤質量指標的半方差函數的理論模型和參數

4.3.3 土壤質量指標

利用ArcGIS地統計模塊中普通克里格法對土壤的pH和鹽分指標進行插值，用研究區掩膜裁剪，并經驗證點精度檢驗后，生成區域對應的插值結果圖。為了符合通常計算分值的習慣，利用標準化處理公式將土壤的pH和鹽分插值結果轉化到(0,100)之間：

(1)

式中:a—原區間最小值；b—原區間最大值；c—目標區間最大值；d—目標區間最小值。

由于墾利區土壤的pH>7，隨著pH升高，對土壤的改良和植被生長壓力越大，土壤鹽分亦是如此，所以對處理結果進行逆處理，土壤的pH與鹽分含量越高，其分值越低，將轉換后的插值結果如圖4所示。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100圖4 墾利區土壤pH指標(a)與土壤鹽漬化程度指標圖(b)

可見，墾利區土壤pH值的分值由海岸線向內陸逐漸增加，西南大部分地區與中北部黃河兩側分地區分值較高，中部、東部分值較低。土壤鹽堿化程度的分值與土壤pH值的分值大致相同，都是由海岸線向內陸自東向西逐漸增加，有較顯著的分帶現象。綜合看，墾利區土壤pH值與鹽漬化程度都是由沿海向內陸逐漸遞減，東部沿海地區的pH值較高、土壤鹽漬化程度較為嚴重，西南區pH值與鹽漬化程度較低，土壤改良利用較好。

4.4 植被指數

利用高分影像B3，B4波段的亮度值分別提取研究區NDVI{(B4-B3)/(B4+B3)}和DVI(B4-B3)值，將研究區NDVI和DVI值進行標準化處理，得到墾利區NDVI和DVI指數圖，NDVI指數圖與DVI指數圖按照相同的權重進行疊加，得到墾利區的植被指數分布圖，計算公式如下：

植被指數=0.5NDVI+0.5DVI

圖5中可以看出，研究區植被指數東部整體偏低，西部整體較高，由東向西逐漸遞增，其西南地區植被指數最高，說明其植被覆蓋度較高。植被指數圖與墾利區的土壤pH和鹽漬化指數圖大致一致，其值均有從沿海向內陸逐漸增高趨勢，說明沿海較為嚴重的土壤鹽漬化對植物生長具有抑制作用，植被指數較低，而西南與北部部分地區鹽分較輕，作物生長較好，植被指數較高，但總體看墾利區植被指數偏低。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100圖5 墾利區NDVI指數(a)、DVI指數(b)與植被指數(c)圖

4.5 地下水適宜開發程度

利用墾利區第二次土壤普查的地下水礦化度與潛水埋深數據分析地下水適宜開發程度，其中潛水埋深分為1～2m，2～3m，3～4m三個等級，地下水礦化度則分為小于2g·L-1的弱礦化水、2～5g·L-1的中礦化水、5～10g·L-1的強礦化水、10～30g·L-1的鹽水和大于30g·L-1的高濃度鹽水5個等級，其分級如圖6所示。利用德爾菲法對潛水埋深和地下水礦化度分別賦以權重，最終得分如表6所示，進而得到研究區地下水適宜開發程度(圖7)。

1—0～20；2—20～40；3—40～60；4—60～80；5—80～100圖6 墾利區生態環境狀況評價圖

可以看出，墾利區的地下水適宜利用程度由海岸線向內陸逐漸增加，沿海地區地下水水位低，礦化度也較高，地下水難以直接利用，其對土壤的鹽分與pH值影響也較大，進而影響到區域的植被分布，而地下水適宜開發分值較高的地區，土壤的pH值與鹽分值相對也較低，植被指數也較高，說明地下水對墾利區的生態環境有較大影響。

表6 潛水埋深與地下水礦化度分級及分值

1—1～2m；2—2～3m；3—3～4m；4—弱礦化水；5—中礦化水；6—強礦化水；7—鹽水；8—高濃度鹽水；9—0～10；10—10～20；11—20～40；12—40～60；13—60～80圖7 墾利區潛水埋深(a)、地下水礦化度(b)及地下水適宜利用程度(c)圖

4.6 人均可利用土地資源

利用墾利區2017統計年鑒數據，獲取各鎮與辦事處人口并賦值到研究區行政區劃上，人均可利用土地資源即為行政區面積與其人口數之比，再將其按標準化公式轉到(0,100)區間內，從而得到墾利區各鎮與街道人均可利用土地資源數據。

5 墾利區生態環境狀況評價結果分析

5.1 墾利區生態環境狀況評價結果

墾利區生態環境狀況評價結果如圖7所示，其生態環境等級比例如圖8所示。

圖8 墾利區生態環境狀況各等級面積比例表

可以看出：

(1)墾利區的生態環境狀況總體為中等偏低水平，環境狀況為優的地區僅占0.1%，總體看，研究區生態環境狀況從沿海向內陸逐漸變好，西南大部地區與中北部黃河兩側地區是研究區內生態環境狀況最佳區域。研究結果與墾利區的實際環境空間格局基本一致，證明能較好地反映墾利區的生態環境水平。

(2)生態環境狀況中等水平的區域占總體面積的30.8%，環境狀況差等水平區域占區域總面積的38.7%，生態環境狀況劣級水平區域占區域總面積的22.8%，證明區域內大部分區域環境壓力較大，沿海區域內土地鹽漬化程度與堿性較高，地下水礦化度也較高并且水位較高，土壤易受鹽漬化威脅，植被覆蓋度低，區域內生態環境極易受到破壞。

(3)西南大部地區與中北部黃河兩側地區其區域內植被覆蓋度高，環境穩定度高，水資源豐富且地下水適宜開發程度較高，土地鹽堿化程度較低，未來一方面要加強其區域內的環境保護，保持其良好的生態狀況，另一方面也要加強其周圍區域的環境保護力度，改善周圍區域的環境狀況。

5.2 評價結果與規程結果的對比分析

圖9為該評價結果與《生態環境狀況評價規范(HJ 192—2015)》評價結果的比較，圖9(a,c)為該研究評價結果圖與面積比例，圖9(b,d)為規程評價結果與面積比例。可以看出，研究區2種評價結果生態環境狀況的等級空間分布具有較好的一致性，但規程評價結果相較于該評價結果整體偏低，且區域之間的等級変化不明顯，說明該研究方法可以對墾利區的生態環境狀況進行有效的反演，并能更細致地反映其生態環境狀況等級的變化。

1—0～20；2—20～40；3—40～60；4—60～80；5—80～100圖9 研究區評價結果比較圖

5.3 基于評價結果的生態環境狀況分區

為更好地進行研究區生態環境的保護管理，對分級結果進行平滑化處理，并將破碎的小單元按大小依次合并，結果呈現3個明顯分帶的區域，根據3個區域的主要生態環境狀況等級，將其分別命名為生態環境穩定區，生態環境過渡區與生態環境脆弱區，結果如圖10所示。

1—生態環境穩定區;2—生態環境脆弱區;3—生態環境過渡區圖10 墾利區區域生態環境等級劃分圖

生態環境穩定區域位于內陸地區，其區域內生態環境狀況等級主要為中等級偏上，區域內淡水資源相對較多且大部分區域地下水可被利用、植被有較好覆蓋、土壤鹽漬化程度相對較低，未來區域內在將現有植被的保護與水利設施維護的條件下，宜逐步改善其邊界的生態環境，使生態環境穩定區域向沿海移動。

生態環境過渡區位于生態環境穩定區與生態環境脆弱區之間，生態環境脆弱區向內陸擴張和生態環境穩定區向沿海改善的中間地帶，生態環境狀況等級主要為差等級，區域內易受到土壤鹽漬化與地下水鹽分上移的影響，生態環境狀況也較為脆弱，為防止生態環境脆弱區向內陸的擴張，需加強區域內的抗鹽堿植物的培育和區域內的灌排設施完善，使過渡區向沿海移動，逐步減少生態環境脆弱地區比例，穩定區域內生態環境。

生態環境脆弱區為靠近沿海區域，其生態環境狀況等級主要為劣等級，區域內土壤鹽分與pH較高，地下水不適合開發利用，易受到海水的侵蝕，植被生長狀況較差并極易受到自然以及人為因素的影響，生態系統環境較為脆弱，未來在保護好其區域內現有植被的前提下，減少區域內建設用地的開發強度，防止其脆弱的生態環境受到破壞。

5.4 區域生態環境等級的土地利用分析

將研究區生態環境等級分區與土地利用分類結果相疊加，對各區土地利用特征進行分析，其結果如圖11、圖12所示。

1—建設用地;2—耕地;3—林草地;4—人工水體;5—自然水體;6—灘涂;7—鹽荒地圖11 生態環境分區的土地利用狀況分析

圖12 生態環境分區的土地利用面積統計分析

生態環境穩定區土地利用方式以耕地為主，耕地面積占該區總面積的36.84%，占研究區總耕地面積的83.44%；其次為建設用地，占該區總面積18.45%，占研究區建設用地總面積的83.44%；再次為鹽荒地，占該區面積的17.17%。從空間分布看，該區耕地多圍繞建設用地分布，耕地集約利用程度較高，其人工水體占總人工水體的27.98%，以淡水資源為主，土壤鹽漬化較輕，植被指數較高，未來該區在保護好現有生態環境的同時宜注重農田基本建設，控制建設用地規模，加強區內鹽荒地的開發利用。

生態環境過渡區內鹽荒地占該區總面積的31.85%，其次為耕地，占27.49%，林草地占10.51%。區內耕地利用較為粗放，土壤易受鹽漬化的威脅，未來該區應提高耕地集約化利用程度，加大土壤鹽漬化改良力度，同時還要杜絕耕地亂占林草地現象，保護區內林草地資源，提高地表植被覆蓋。

生態環境脆弱區地類以灘涂為主，面積占該區總面積的47.37%，人工水體占比為32.74%，總人工水體的48.28%分布在該區，以養殖和鹽田為主，水體含鹽量較高，同時有少量的林草地(占總林草地面積的6.51%)分布于黃河及黃河故道兩側。未來該區應適度水產養殖規模，防止海水侵蝕，加強天然林草地的保護。

6 結論

(1)該研究通過3S技術，利用實測數據、統計數據與遙感數據等多元數據，針對黃河三角洲核心區的縣域尺度，構建了生態環境狀況的評價體系，進行了評價結果的系統分析，相較于國家規程，該研究能更加細致合理地反映研究區域內生態環境狀況的差異。

(2)研究結果顯示，墾利區的生態環境狀況總體較差，生態環境狀況優、良的比例僅占7.7%，生態環境差、劣的等級則占61.5%，研究區內生態環境狀況從沿海向內陸逐漸變好，東部沿海地區生態環境狀況較差，西南地區和中北部黃河兩側是墾利區生態環境狀況最優的區域。

(3)將墾利區生態環境狀況劃分為生態環境穩定區、生態環境過渡區與生態環境脆弱區3個區域，各區主要土地利用類型分別為耕地、鹽荒地和灘涂，各占其區域總面積的36.84%，31.85%和47.37%。未來生態環境穩定區要強化農田基本建設，控制建設用地規模，同時加強區內鹽荒地的開發利用；生態環境過渡區應提高耕地集約化利用程度，加大土壤鹽漬化改良力度，提高地表植被覆蓋；生態環境脆弱區應適度水產養殖規模，防止海水侵蝕，加強天然林草地的保護。

該研究較好探索了基于多元數據的生態環境脆弱區的生態環境狀況評價技術方法，研究結果對黃河三角洲生態環境的保護管理及土地資源的持續利用有積極意義。