青藏高原東南緣覆被交錯帶生態環境脆弱性評價

王 瑩，謝忠元，李 峰，邵懷勇

（成都理工大學地球科學學院，成都 610059）

生態系統的脆弱程度是反映區域生態環境質量的重要方面，對區域社會經濟的可持續發展具有重大的影響［1，2］。隨著全球變暖的加劇，生態環境問題變得日益尖銳。中國是生態脆弱類型最多、分布最廣的國家之一［3］。因此，對區域實施有效的生態環境脆弱性監測及評價，有利于人們對生態環境實現科學管理［4］。目前，國內外學者已經完善了很多關于區域生態環境脆弱性的評價方法，主要有模糊評判法［5］、主成分分析法（PCA）［6］、綜合評價法［7］和層次分析法與主成分分析法結合［8，9］。評價模型主要有壓力-狀態-響應（PSR）［10］模型、暴露度-敏感性-適應性（VSD）框架［11］、生態敏感力-生態恢復力-生態壓力度（SRP）概念模型及動力-壓力-狀態-沖擊-響應（DPSIR）框架［12，13］等。這些方法在農牧交錯帶［14，15］、高寒山地［16-18］、流域濕地［19-22］、喀斯特地區等［23-25］典型生態脆弱區的生態評價中得到了廣泛的應用，并且取得了很好的成果。但是，生態環境脆弱性是多因素共同作用的結果，單一的評價方法不夠準確，如采用層次分析法獲取指標權重時，權重會受到專家打分影響，不夠客觀［4，26，27］。熵值法是一種客觀的賦權法，通過各指標信息熵的大小來確定指標的權重［28，29］，避免專家打分帶來的主觀性。

青藏高原東南緣覆被交錯帶屬于長江、金沙江上游源區，是省級生態重點區，是川西北牧區的重要組成之一，也是長江上游天然綠色屏障。但是該地區地形復雜多變，受高原季風氣候及土壤侵蝕的影響，出現草地退化等生態問題。因此，本研究以位于青藏高原東南緣的石渠縣、德格縣及甘孜縣為例，結合該區域的自然條件和地理環境等特點，采用熵值法與層次分析法組合的方式，彌補單一方法在獲取權重上的不足，從而得到對青藏高原東南緣覆被交錯帶生態環境脆弱性較全面客觀的評價結果，以便為相關部門治理和保護生態環境提供一定的依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研究區由石渠縣、德格縣與甘孜縣組成，隸屬四川省甘孜藏族自治州，位于青藏高原東南緣的川、青、藏3省區結合部，該區介于97°21′23″—100°23′13″E，31°24′12″—34°01′08″N，面積39 310.28 km2，地處長江、金沙江上游。該區海拔在2 979～6 075 m，峽谷相對高差一般在300 m左右；研究區覆被交錯帶主要分為冰川與林地交錯、林草地交錯和林草混合3類，冰川與林地交錯分布在橫斷山脈的絨麥峨扎山峰，海拔高于5 000 m的區域，林草地交錯和林草混合主要分布在德格縣與石渠縣交界處的高山峽谷帶，高山峽谷帶主要是以矮林叢與灌木叢為主，草地主要以高寒草甸為主。研究區由于地形復雜，形成了多變的氣候類型，主要具有高原季風氣候的特點，常年平均氣溫3.6℃左右，年溫差較大，年平均降水量為570～640 mm，災害主要有干旱、雪災和鼠蟲泛濫等；土壤侵蝕類型主要是凍融侵蝕與風力侵蝕。因此，選擇該區域分析青藏高原東南緣覆被交錯帶生態環境脆弱性具有典型性和代表性。

1.2 評價指標體系

1.2.1 評價指標體系建立 在參照《生態環境狀況評價技術規范》（HJ 192—2015）等規范的基礎上，嚴格遵守指標選取的各項原則［30］，充分考慮研究區生態環境脆弱性的成因，選取氣候、土壤和地形因子為研究區生態環境脆弱性評價的自然因素指標；選取植被和土地利用類型為研究區生態環境脆弱性評價的人為因素指標，以此構建研究區生態環境脆弱性評價指標體系，詳見表1。

表1 研究區生態環境脆弱性評價指標體系

1.2.2 評價指標歸一化 由于各項指標的物理單位及量綱不同，需要對指標值（xi）j進行標準化處理［3，12，27，31］。本研究分別采用分等級賦值法和極差法對定性指標和定量指標進行標準化。其中，定量指標對生態環境脆弱性成因有正向和負向之分，為提高試驗結果的準確性，分別采用不同計算公式對正向指標和負向指標進行標準化處理。

1）定性指標處理。參考研究區土壤類型圖，結合《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）和《生態環境狀況評價技術規范》（HJX 192—2015），參照文獻［3，27］，得到研究土壤侵蝕度和土地利用類型等級賦值標準（表2）。

表2 指標分等級賦值標準

2）定量指標處理。對坡度、人為干擾指數、蒸發系數、高程和年累積降水量等與生態環境脆弱性呈正相關的指標采用標準化公式：

對植被覆蓋度和年平均氣溫等與生態環境脆弱性呈負相關的指標采用標準化公式：

式中，xij為j指標在i區域的柵格數據值，xij(max)、xij(min)分別為j指標在i區域的柵格單元的最大值和最小值，Xij為j指標在i區域標準化后的值。

1.3 數據來源與處理

本研究所涉及的資料有：①氣象資料。2010年、2015年及2018年的氣象數據；②地形數據。分辨率為90 m的數字高程模型；③土地資源數據。土地利用類型數據和土壤侵蝕度數據；④植被數據。NDVI數據集。其中，氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網（http：∕∕data.cma.cn∕）提供的中國地面氣候標準值數據集，用于統計研究區周邊14個氣象站點年平均氣溫、年累積降水量以及年累積蒸發量；土地利用和土壤侵蝕等專題數據等來自中國科學院資源環境數據云平臺（http：∕∕www.resdc.cn∕），空間分辨率為1 km；DEM數據來自地理空間數據云（http：∕∕www.gscloud.cn∕），用于計算坡度信息；NDVI數據來自美國國家航空航天局陸地過程分布式主動存檔中心（https：∕∕ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov∕），分辨率為250 m。

處理數據時，利用ArcGIS 10.2軟件中的反距離權重插值工具得到研究區氣象柵格數據和人為干擾指數柵格數據［12］；利用ENVI5.3軟件對Terra-MODIS的NDVI每月產品進行最大值合成、歸一化等計算，得到研究區整年的植被覆蓋度。對所有數據進行投影，統一坐標系為WGS_1984，并將所有數據轉換為250 m×250 m分辨率的柵格數據，并進行無量綱處理，以統一尺度［6，12，13，27］。

1.4 分析方法

1.4.1 評價指標權重

1）熵值法。熵的概念來源于熱力學，是對系統狀態不確定性的一種度量。在信息論中，信息是系統有序程度的一種度量；熵則是系統無序程度的一種度量，二者絕對值相等，但是符號相反。根據此性質，可以客觀地獲取指標的權重［29］。

在本研究中，將研究區的3個縣域設定為m個子區域，將植被覆蓋度等9個影響因子設定為n項指標，形成原始指標數據矩陣x（iji=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n），對于某項指標的值差距越大，則該指標在綜合評價中所起到的作用越大；如果某項指標的值全都相等，則該指標沒有起作用。熵值法的計算步驟如下：

式中，Fij為j指標在i區域的評價值；Pij為j指標在省內區域的貢獻度，而當Pij=0時，定義

式中，Ej表示j指標的信息熵

式中，dj為j指標在各區域貢獻度的一致性程度。

式中，W1j為各指標的權重。

2）層次分析法。層次分析法（AHP）是一種典型的主觀賦權法，是由美國運籌學家Satty［32］在20世紀70年代提出來的。本研究采用Yaahp 10.0軟件中層次結構模型，計算簡單，操作步驟：①首先根據決策目標、中間層要素及備選方案建立層次結構模型；②比較兩兩指標對中間層要素的重要性且用1～9對其進行標注，構建判斷矩陣；③計算指標的客觀權重；④對計算結果進行一致性檢驗，以判斷其合理性［8］。本研究一致性檢驗值為0.017 6＜0.1，指標的權重合理。

3）組合權重。組合權重是指通過離差平方和最小的方法［32］，將兩種方法的權重值優勢互補，綜合二者的主觀性與客觀性，最終確定指標權重。假設組合權重為Wj，熵值法和層次分析法計算的指標權重分別為W1j、W2j，主觀偏好系數為θ，組合權重的公式：

將研究區2010年、2015年及2018年的數據整理獲得的9個評價指標因子帶入公式（1）至公式（8），計算出各指標因子的組合權重Wj，如表3所示。

表3 生態環境脆弱性評價指標因子權重

1.4.2 生態環境脆弱性分級 結合研究區每個評價指標的權重，采用代數運算的方法來獲取生態環境脆弱性指數（EVI）［27］，EVI的取值在0～1，其值越大，表明生態環境越脆弱。求取EVI的公式為：

式中，EVI為生態環境脆弱性指數，Xj為j指標在研究區標準化后的柵格值，Wj為指標的組合權重。

通過公式（9）計算出研究區2010—2018年的生態環境脆弱性指數，根據國內生態環境脆弱性評價的相關研究［4，9，26，33］，為了保證對EVI分組時組間差異最大、組內差異最小，體現研究區內不同的脆弱性程度，本研究采取了自然斷點法將研究區內生態環境脆弱性分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5類［27］，如表4所示。

表4 研究區生態環境脆弱性分級

1.4.3 生態環境脆弱性綜合指數 為了直觀地反映研究區生態環境的變化趨勢，以生態環境脆弱性綜合指數來表達生態環境的變化趨勢［33］，公式為：

式中，E為生態環境脆弱性綜合指數，Pi為研究區各脆弱性等級值，Ai為等級i的脆弱性面積，S為研究區的總面積。

2 結果與分析

2.1 研究區生態環境脆弱性分布

根據上述已建立的生態環境脆弱性評價方法，研究區2010—2018年生態環境脆弱性評價結果如圖1所示。從研究區3個時期的生態環境脆弱性評價結果來看，輕度脆弱分布最廣且所占面積最大，主要分布在石渠縣與甘孜縣；微度脆弱次之，主要分布在德格縣；甘孜縣東南及石渠縣西北地區生態環境主要為中度脆弱，從甘孜縣東南地區可以看出中度脆弱面積有明顯減少的趨勢，可以說明此地的生態環境狀況有好轉的趨勢；而重度脆弱及極度脆弱主要分布在青藏高原東南緣的橫斷山系沙魯里山脈，造成這種現象的主要原因是此地土壤常年受到風力侵蝕與強烈的凍融侵蝕。

圖1 研究區2010年、2015年、2018年的生態環境脆弱性分布

對研究區2010年、2015年、2018年的生態環境脆弱性各等級面積占比（表5）進行分析，微度脆弱面積占比由2010年的26.10%上升至2015年的27.35%再下降至2018年的26.16%，總體呈先增后減的趨勢，重度脆弱呈相似的變化趨勢，但是二者整體都沒有太明顯的變化；輕度脆弱面積占比由2010年的38.67%下降至2015年的37.48%再上升至2018年的40.20%，總體呈先減后增的趨勢且變化趨勢明顯；極度脆弱呈現出與輕度脆弱一樣的變化趨勢，但變化趨勢不明顯；中度脆弱則由2010年的23.49%下降至2018年的21.63%，總體呈遞減的趨勢，并且減少趨勢較明顯。以研究區3個時期各生態脆弱等級面積占比來看，微度脆弱與輕度脆弱所占面積大于整個研究區的60%，由此可判斷出整個研究區生態環境處于中等水平。

表5 研究區2010年、2015年、2018年的生態環境脆弱性各等級面積占比

2.2 生態環境脆弱性變化趨勢

由公式（10）計算3個時期的生態環境脆弱性綜合指數，得出2010年、2015年及2018年的生態環境綜合指數分別為2.254、2.249和2.241，呈遞減的變化趨勢，表明研究區的生態環境狀況有變好的趨勢，但趨勢不明顯。

3 結論

本研究從人為因素與自然因素的綜合作用出發，將熵值法與層次分析法優化組合，求得研究區覆被交錯帶生態環境脆弱的指標權重，計算研究區的EVI，并利用自然斷點法對其分級，得到如下結論。

1）從生態脆弱等級的分布上來看，研究區生態環境極度脆弱區域主要集中在橫斷山脈絨麥峨扎山峰海拔高于5 000 m的地方，該區常年積雪覆蓋，土壤受到凍融侵蝕較為嚴重，嚴重遏制了植被生長；重度脆弱區域主要分布在海拔4 250～5 000 m的地區，植被主要有亞高山草甸、高山草甸以及少量的流石灘植被，這些植被種類簡單，植株較低且稀疏；中度脆弱區域主要分布在研究區的西北地區以及甘孜縣縣城周邊，這兩處植被分別為亞高山草甸和云杉等杉木，因常年受到風力侵蝕，造成植被生長稀疏；輕度脆弱區域主要分布在石渠縣境內，該區域植被覆蓋度達85%，以高寒草甸草地為主，由于降水量少、土壤肥力恢復弱，致使草甸生存能力減弱；微度脆弱區域主要分布在德格縣境內海拔低于4 000 m的高山峽谷帶，植被類型分為河谷灌叢林帶與暗針葉林帶。

2）研究區2010年、2015年和2018年的生態環境各脆弱等級的面積占比變化趨勢不一，微度脆弱、輕度脆弱、重度脆弱與極度脆弱在2015年都出現拐點，中度脆弱呈一直減少的趨勢，與生態環境脆弱性綜合指數變化趨勢相同，因此判斷中度脆弱的變化趨勢與研究區生態環境的轉變有直接關系。

本研究采用熵值法與層次分析法優化組合的權重計算方法，既能考慮到人們的主觀認知，又能有效避免過多的人為干擾，較客觀地分析了研究區生態環境脆弱性的分布及變化趨勢。

本研究結果表明區域生態環境脆弱性受氣候、地形、土壤、土地利用和植被的影響，其中氣候、地形和土壤等自然因素致使研究區生態環境先天脆弱，而土壤侵蝕中凍融侵蝕是造成生態環境脆弱最主要的原因。因此，對于土壤侵蝕和氣候等不可控因素，可根據海拔高差、水資源等因素，因地制宜地選擇耐寒、耐旱的草木，實施高寒草地修復工程來提高自然修復能力；而對于土地利用類型和植被等可控因素，可繼續擴大保護區面積，實施天然草地改良工程及補水工程，加強退牧還草力度，繼續推進退耕還林等重點工程，優化空間結構和土地利用效率。另外，堅定落實生態補償政策，以提高農牧民對政府號召的響應。