大凌河流域生態脆弱性評價及其空間變化特征研究

王 佳

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110000)

生態環境脆弱性是受到外界干擾作用時生態系統固有屬性的表現，它是人為和自然因素相互作用的結果。近年來，脆弱性研究越來越引起國內外學者的廣泛關注，并成為生態領域研究的熱點問題。國外學者多利用不同的指標體系，從脆弱性概念入手，綜合研究不同尺度、影響區域的生態脆弱性；雖然國內研究起步較晚，但能夠更加全面地研究生態脆弱性內容，綜合應用多種方法實現系統性評估。Chatterjee[1]、Mansur[2]、Sathyan[3]、Mahapatra[4]、Alves[5]、Shukal[6]等國外學者應用不同指標體系及研究方法，科學評價相關地區的脆弱性，張鑫[7]、余坤勇[8]、王鈺[9]、劉玒玒[10]、雷波[11]、石惠春[12]等國內學者應用多種指標和方法，深入探究相關領域及河流的脆弱性。通過對脆弱性現有研究的深入分析，能夠更加深刻地認識自然環境以及提高資源環境的保護力度，實施有效的技術措施促進生態系統的良性循環。大凌河流域屬遼西生態環境脆弱區，流域內山高谷深、地形復雜，人為與自然因素影響石漠化、水土流失等問題突出，其生態系統穩定直接關系著遼西的經濟發展和沿河居民生活。鑒于此，以遼寧省大凌河流域為例，借助GIS軟件建立以人類活動、氣象、植被、土壤、地形為表征的指標體系，并利用不同分類法分析生態脆弱性分異特征，以探究生態脆弱性制約因子，為恢復性保護與治理流域生態環境提供科學依據。

1 流域概況

大凌河流域有南西北3源，流經凌源、建平、朝陽、北票、義縣、凌海、大洼等地區后匯入渤海，總長435km，占地面積為23263km2。流域內地貌類型以山丘為主，極少數為平原，地勢自西北向東南呈階梯式遞減趨勢，從山地、丘陵過渡至山前傾斜平原至渤海西岸，高程波動起伏大，海拔為400～1200m。流域屬溫帶季風氣候，年均氣溫為8.0～9.0℃，年均降水量為500mm，季風氣候影響全年，70%～80%降水集中于6—9月，年際降水量豐、枯比最高可達3，年際徑流量豐、枯比最高達10，年均蒸散發量為1700mm。流域土壤類型多為褐土，同時兼具少量栗鈣土與棕壤土，土質疏松、土層薄且有機質含量低，地質發育良好，地形破碎，以土石質“V”形溝壑為主。長期以來，由于毀林開荒、墾草種糧等不合理的土地利用，加之農業種植方式落后，原生植被嚴重破壞，土地退化、生態環境惡化等對當地經濟發展構成潛在威脅[13-16]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究所需的人口、經濟、水文氣象、土壤類型、NDVI數據和DEM等數據來源，見表1。考慮到無法直接使用部分初始數據，經提取處理使初始數據符合流域生態脆弱性評價要求，數據因子處理過程見表2。

表1 數據來源

表2 數據因子的處理

2.2 研究方法

2.2.1層次分析法

評價生態脆弱性中權重的確定為關鍵環節，對生態環境能夠真實、客觀地反映發揮著決定性作用。目前，確定權重的常用方法有層次分析法、主成分法和專家咨詢法等。結合流域生態系統特征及現有文獻資料，擬選用層次分析法確定權重。該方法能夠考慮人的主觀判斷來實現復雜事物的定性分析，故屬于一種定性問題定量分析的多準則決策法。

2.2.2分類方法

相等間隔分類和自然間斷點分類為以往多采用的分類法，僅選用一種分類法通常難以較好地揭示流域生態脆弱性特征，在實際應用過程中存在一定局限性。考慮利用自然間斷點法、相等間隔法和分位法系統分析生態脆弱性空間特征。①自然間斷點法(ZRJD)：以數據固有的自然分組為基礎，能夠最恰當地對相似值分組，也可識別分類間隔并最大化各類間的差異，對于非均衡分布數據值的映射具有較好的適用性，而對多個地圖不同基礎信息的比較，其適用性受到限制。②相等間隔法(XDJG)：利用大小相等的若干子區間組成屬性值的范圍，并以值范圍自動確定或人為指定分類間隔數，對于常見的數據范圍，該方法存在較好的適用性，強調較其他值某屬性值的相對量。③分位法(FWS)；數據呈線性分布特征時比較適用分位數，以相等數量的數據值分配于每個類，并保證各類值數量相同且不存在空類，以此獲取的地圖往往具有明顯的誤導性，為降低這種失真，應盡量增加類的數量。

3 生態脆弱性評價

3.1 建立評價體系

文章充分考慮各類自然因素，以人為活動干擾為主，綜合評價流域生態脆弱性，即利用多個單因子(表2)反映流域的整體環境狀況。考慮到不同參評因子量化標準的差異性，無法直接參與運算，因此評價前應賦予各因子相應的數值。因子賦值越大，生態脆弱性則越小，反之脆弱性越大，具體見表3。

表3 生態脆弱性參評因子賦值及其權重

3.2 計算指標權重

文章結合流域實際情況和生態脆弱性相關文獻資料，擬對各指標權重利用AHP法求解，構造的比較矩陣見表4。經反復論證及多次調整，最終確定符合實際情況的各指標權重，見表3。在脆弱性評價過程中植被覆蓋度占據著重要地位，而人類活動發揮著關鍵性作用，權重較大的GDP、人口、植被覆蓋與流域實際情況相符；坡度、降水、氣溫、有機質、土壤厚度等因素均在一定程度上影響著生態脆弱性，這些因素具有較大的權重；植被覆蓋度、植被生長狀況受坡向的影響有限，所以賦予的坡向權重具有科學合理性。因此，賦予的各因子權重能夠滿足生態脆弱性評價要求。

表4 相對重要度比較矩陣

3.3 構建評價模型

綜合考慮所有參評因子權重構建生態脆弱性評價模型，其表達式為：

EV=0.46S+0.018A+0.040W+0.071D+ 0.071O+0.076T+0.076P+ 0.022N+0.134V+0.223R+0.223E

(1)

式中，R、V、N、P、T、O、D、W、A、S—GDP、人口密度、植被覆蓋、NDVI、降水、氣溫、土壤有機質、土壤厚度、起伏度、坡向和坡度因子。EV的取值區間為1.54～4.88，將生態脆弱性劃分為潛在、輕微、一般、中度和極度脆弱5個等級，各脆弱等級的評分區間利用不同分類法確定，見表5。

表5 不同分類法的脆弱等級劃分

4 結果與分析

4.1 生態脆弱性整體評價

(1) 整體占比分析。研究表明，利用不同分類法計算的各脆弱程度面積占比具有明顯差異，而脆弱性分級相差不大，結果見表6。①對于不同脆弱程度，分位法確定的面積相差較小，潛在、輕微、一般、中度、極度脆弱區面積分別為4527、4699、4669、4757、4611km2，面積占比依次為19.46%、20.20%、20.07%、20.45%、19.82%。②較其他方法，相等間隔法確定的潛在和極度脆弱區面積較小，分別為1570、872km2，所占比例分別為6.75%、3.75%；一般與中度脆弱區面積較大，分別為8398、6286km2，所占比例分別為36.10%、27.02%。③自然間斷點法確定的一般、中度脆弱區面積也較大，分別為5681、5432km2，所占比例分別為24.42%、23.35%，而潛在、極度脆弱區面積較小，分別為4390、3201km2，所占比例分別為18.87%、13.76%。總體而言，流域生態系統具有一定的不穩定性，生態環境以中度、一般脆弱程度為主，已發生不明顯的生態問題且面臨相應的生態壓力，生態環境治理應引起流域管理部門的重視。

表6 不同脆弱程度的面積比例

(2) 區縣整體特征分析。對徑流面積較大的區縣利用GIS軟件計算生態脆弱性平均值，通過空間分析更好地揭示脆弱性分布特點。結果顯示，脆弱性評分最小的位于流域上游區，特別是上游凌海市、義縣、北票市等地區的生態環境非常脆弱，在空間上這幾個市縣的平均值、最小值、最大值均屬于低分區。另外，生態環境脆弱區還包括人類活動強烈的錦州市、朝陽市，而流域中下游大部分區縣屬于生態環境較好的地區，如喀左、建昌、綏中等縣。

4.2 空間分布特征

(1) 極度脆弱區特征。總體上，流域上游和北票、凌海及其周邊區域屬于極度脆弱集中分布區。在空間分布上，不同分類法確定的脆弱程度具有一定差異：相等間隔法計算的極度脆弱區分布于中上游的義縣、北票市等地，較其他脆弱程度面積最小，為872km2，所占比例為3.75%；自然間斷點及分位法確定的脆弱區較密集的位于上游大部分區縣，區域面積分別為3201、4611km2，所占比例分別為13.76%、19.82%。大凌河上游人口密度大、聚集人口多、經濟文化較為發達，并且對交通、用水及用地的需求大，加之氣候條件差、山高坡陡、巖石裸露等自然因素，使得石漠化、土壤侵蝕及洪澇災害問題突出。總體而言，上游區域及經濟較發達的市區屬流域極度脆弱區，其所占面積較小，呈點狀的空間分布特征[17-19]。

(2) 中度脆弱區特征。不同分類法確定的脆弱區面積分別為5432、6286、4757km2，所占比例分別為23.35%、27.02%、20.45%。研究發現：相等間隔法確定的脆弱區集中于中下游的朝陽縣、北票市及上游的盤山縣；而自然間斷點與分位法確定的脆弱區集中于義縣、朝陽縣、凌海市等地區，且呈密集分布特征。其原因為城市經濟發展較好，長期不合理的林業、化工業、煤礦進而水電等資源開發，致使工業廢水及有毒污染源排入河流、水質惡化，河流魚類及水生物不斷減少。因此，在空間上流域中度脆弱區呈斑點狀密集分布的特征，脆弱區面積具有不斷增加的趨勢。

(3) 一般脆弱區特征。運用不同分類法確定的脆弱區面積分別為5681、8398、4669km2，所占比例分別為24.42%、36.10%、20.07%。結果顯示：流域的上中下游均分布有一般脆弱區，其中自然間斷點與分位法呈稀疏分布特征，而相等間隔呈更稠密的分布特點。中下游區多低山丘陵，地勢相對平坦且海拔高差較低，土地利用存在良好的優勢。然而，該地區存在一定坡度條件，低山丘陵多且分布有強烈發育的巖溶地貌。近年來，為減輕土壤侵蝕，當地政府實施了一系列生態保護、退耕還林工程，加之生態保護意識的增強，在一定程度上減輕了生態系統壓力。在空間上一般脆弱區呈分散分布特征，對恢復性治理和保護流域生態環境帶來不利影響。

(4) 輕微脆弱區特征。采用不同分類法確定的脆弱區面積分別為4560、6137、4699km2，所占比例分別為19.60%、26.38%、20.20%。研究表明：相等間隔法確定的脆弱區集中于中下游的木頭城子鎮、烏蘭河碩鄉、牤牛河等地區；自然間斷點與分位法確定的脆弱區分散于建平縣及其周邊。流域中下游脆弱程度低且人為干擾力度較弱，其基礎設施較為完備，經濟水平相對良好，但其耕地面積相對較大、城鎮化進程較快，所以該區域表現出輕微脆弱程度。在空間分布上相等間隔法、自然間斷點法與分位法的脆弱區呈更加緊密以及斑點狀稀疏分布特征。

(5) 潛在脆弱區特征。采用不同分類法確定的脆弱區面積分別為4390、1570、4527km2，所占比例分別為18.87%、6.75%、19.46%。結果表明：相等間隔法確定的脆弱區分散于喀左、建昌、綏中等縣城及其周邊地區；自然間斷點法與分位法確定的脆弱區較密集地分布于凌源市區與其周邊鄉鎮。流域上游的生態破壞嚴重、環境質量較差、生態系統脆弱，所以呈點狀分布特點；中下游地區坡度及地形相對較小、土壤有機質含量高，加之降水充足、氣候溫和、自然環境和水熱組合條件良好，因此其脆弱性較低。受城市化進程及經濟社會發展的影響，若未能協調好生態環境與經濟發展間的關系，中下游地區也必將面臨著生態安全隱患。

5 結論

(1) 采用不同分類法計算的各脆弱程度面積占比具有明顯差異，而對脆弱性分級相差不大。流域生態系統具有一定的不穩定性，生態環境嚴重破壞區集中于城市中心及上游大部分地區，而中下游具有相對較好的自然環境條件。其中，上游區石漠化、水土流失等問題突出，下游區的生態脆弱性較低、環境保護較好。

(2) 大凌河流域生態系統受人類活動的影響顯著，上游和北票、凌海及其周邊區域屬于極度脆弱集中分布區，其城市化水平高、人口密度大且經濟條件好，受外來干擾、地理、經濟、人文、自然等影響因素多，生態系統穩定性較差。