氣候變化下青海湖流域生態健康評價研究

吳恒飛, 陳克龍, 張樂樂

氣候變化下青海湖流域生態健康評價研究

吳恒飛1,2,3, 陳克龍2,3,*, 張樂樂1,2,3

1. 青海師范大學地理科學學院, 西寧 810008 2. 青海省青海師范大學青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室, 西寧 810008 3. 高原科學與可持續發展研究院, 西寧 810008

全球變化與人類活動對陸地生態系統產生了深遠的影響, 對氣候變化表現極其敏感的青海湖流域在此過程中系統內、外環境及生態健康狀況均發生了一定變化。相關研究表明, 近50年流域氣候環境暖濕化程度不斷加深, 2004年以來青海湖流域降水顯著增多。基于此, 以青海湖流域為研究對象, 從流域內、外部環境特征兩方面出發選取共10個指標構建生態健康評價指標體系, 采用AHP及專家打分法確定指標權重, 將各指標圖層疊加得出流域2000年、2005年和2010年生態健康狀況圖, 用以探討流域生態健康狀況及變化趨勢, 結果表明: (1)暖濕期以來流域內部環境指標改善明顯, 其中年降水量、NDVI及NPP指數顯著增長, 但隨著社會經濟發展外部環境帶來的壓力也在逐步增大; (2)流域三期生態健康狀況均以不健康、亞健康及健康狀態為主且空間上健康等級均大致由東—西逐漸遞減; (3)2000—2010年生態健康綜合指數由0.542上升至0.547, 生態健康變化穩定呈上升趨勢, 流域中西部、東南部地區生態健康狀況改善明顯, 而東部及西南部局部地區有所惡化。氣候變化對青海湖流域生態健康狀況產生了一定影響, 了解這一變化過程對青海湖流域生態環境規劃管理與健康可持續發展具有重要的科學和現實意義。

氣候變化; 青海湖流域; 評價指標體系; 生態健康

0 前言

生態系統健康是探索生態系統維持自身狀況與滿足人類合理需求的新興學科[1], 它最早出現在Aldo Leopold在20世紀40年代首次提出的“土地健康”這一概念中, 之后在20世紀80年代由Schaeffer和Rapport等人正式對生態系統健康展開研究[2]。我國對此研究起步較晚, 但發展較快。目前, 國內外學者對于生態系統健康研究仍尚無定論, 研究方法也多種多樣, 其中指示物種法和指標體系法為最主要研究方法。隨著全球氣候變化大趨勢的不斷推進, 地球生態系統發生了顯著地變化, 主要體現在系統內在結構組成、整體生態功能及外部社會環境等方面, 這不僅引發了一系列生態環境問題, 對人類的生存與發展也帶來重大影響[3-4]。因此生態系統健康研究自產生就受到國內外學者的廣泛關注并開展了大量研究。Costanza等提出利用生態健康指數對生態系統活力、組織程度、連接性和恢復力四方面進行生態健康評價[5]; 崔保山等針對撓力河選取相關指標從流域生態特征、功能整合及社會環境三方面出發進行生態健康評價[6]; 蔣衛國等基于壓力—狀態—響應(PSR)模型構建指標, 利用RS和GIS技術對遼河三角洲進行生態健康評價[7]。這為生態系統健康研究提供了多種思路與方法, 對生態系統合理保護利用具有重要意義[8]。

青海湖流域位于青藏高原東北部, 是維系該地區生態平衡的重要屏障, 也是全球氣候變化的直接響應區[9-10]。有研究表明: 近50年來青海湖流域溫度不斷升高, 呈直線上升趨勢, 其降水量整體上呈波動狀態, 但2004年該區域降水量開始大幅上升, 暖濕化程度不斷加深[11-13]。在這一過程中, 青海湖流域生態系統各方面所發生的變化及其生態健康狀況均不明確。因此, 本文以青海湖流域為研究對象, 利用獲取的相關數據, 從整體上構建生態健康指標體系, 分析該流域2000年、 2005年及2010年青海湖三期生態健康狀況, 探討氣候變化下青海湖流域各方面發生的變化。該研究不僅有利于掌握氣候變化下青海湖流域生態健康變化趨勢, 也為流域的保護與可持續發展提供了理論依據[14]。

1 研究區概況

青海湖流域地處我國青藏高寒區、西北干旱區與東部季風區的交匯處, 大致位于36.25°—38.33°N, 97.83°—101.37°E之間, 流域面積約2.96×104km2, 海拔范圍在3169—5227 m之間, 其地勢大致由西北向東南遞減, 地形主要以山地、盆地為主。流域內年均溫在-1.2—0.5 ℃之間, 年均降水量在325 mm左右, 屬于典型的高原大陸性氣候, 河流湖泊眾多, 青海湖是最重要的地理單元, 設有以青海湖為核心的青海湖國家級自然保護區。青海湖流域在行政區劃上共涉及共和、海晏、剛察和天峻四個縣, 人口密度較小, 主要以少數民族為主, 涉及到藏、蒙、回、撒拉等12個民族。經濟上結構單一, 以畜牧業、種植業為主, 近年來旅游業發展較為迅速[15], 隨著國家對生態環境建設的大力支持, 這一地區的生態環境問題受到越來越多的重視。

圖1 青海湖流域圖

Figure 1 The map of Qinghai Lake Basin

2 研究方法

2.1 數據來源

通過對其他學者相關研究中指標選取經驗的借鑒及結合青海湖流域的實際情況, 本次生態健康評價內容將重點突出青海湖流域自然環境特征及社會經濟特征, 盡可能全面科學的反映流域健康狀況[19]。所選取的指標數據共有10個, 其中年平均降水量、年平均氣溫、植被指數、人口密度、夜間燈光指數、GDP空間分布數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心; 植被凈初級生產力、景觀多樣性數據來源于國家青藏高原科學數據中心; 牲畜(牛羊)數量、林草面積占比數據來源于青海省統計年鑒。所得數據后期在Arcgis10.6、ENVI5.3、Fragstats4.2及Origin 2018中完成相應的加工與計算。

2.2 評價過程

2.2.1 指標體系建立

青海湖流域是一個復雜的“自然—人文”相互作用的耦合系統, 對其進行生態健康評價需將其作為一個整體, 遵循系統性、實用性及可操作性原則, 根據流域生態健康特點從流域內在生態環境特征及外部社會環境特征兩方面出發選取共10個相關指標, 采用層次分析法(AHP)對所選指標建立三層次(目標層、項目層、指標層)評價指標體系(表1—4)。

2.2.2 評價指標標準化

由于選取的指標所代表的屬性意義不同導致其度量單位差異較大, 無法直接進行分析, 因此需對各指標進行統一標準化處理, 使各指標數值范圍在0—1之間。根據流域生態健康特征及參照相關研究將所選指標分為正相關指標和負相關指標兩類, 其中正相關指標包括:1、3、4、5、6; 負相關指標包括:2、7、8、9、10, 具體計算過程在Arcgis10.6柵格計算器中完成, 計算公式如下:

正相關指標計算公式:

負相關指標計算公式:

2.2.3 評價指標權重

指標數據所代表的屬性意義決定了其在生態系統中作用的大小, 為了明確各指標對青海湖流域生態健康的貢獻應該處理好指標的權重設計。本次研究采用層次分析法及專家打分法, 通過構造判斷矩陣來確定指標的權重[20], 具體計算步驟如下:

得出=2,=0,=0<0.1, 滿足一致性檢驗。

得出=6.081,=0.016,=0.013<0.1, 滿足一致性檢驗。

得出=4,=0,=0<0.1, 滿足一致性檢驗。

通過對指標意義的深入分析, 確定了要素之間兩兩比較的相對重要性。采用1—9標度法與專家打分法最終完成指標層次結構模型與權重的構建(表5)。

表1 青海湖流域生態健康評價指標體系

表2 A-B判斷矩陣

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C判斷矩陣

2.3 評價方法

根據流域環境特征采用綜合指標法在Arcgis10.6中利用柵格計算器將標準化后的所有單因子評價指標圖層進行疊加, 最終得出流域生態健康綜合指數分布圖, 綜合指標法計算公式如下:

根據相關研究并結合流域自身特點, 對流域整體做出健康等級的劃分, 分別為很健康、健康、亞健康、不健康和病態五個等級[15](表6), 并以此為標準通過Arcgis10.6重分類得出青海湖流域生態健康狀況圖。

3 結果與分析

3.1 健康指標分析

3.1.1 內部環境指標

氣溫與降水是氣候變化最顯著的特征, 對區域生態系統平衡發展具有不可替代的意義[21]。青海湖流域在2000—2010年間氣溫變化較為穩定, 整體呈上升趨勢, 年均溫由-1.7 ℃上升為-0.1 ℃。降水變化整體呈升高趨勢, 但有一定波動, 表現為2000—2010年均降水量由381.2 mm增加至460.3 mm, 平均漲幅為20.8%, 三期年均降水最大值出現在2005年, 為509.2 mm。空間上氣溫與降水均大致表現為由東南向西北遞減。在此基礎上, 流域內部其他所選環境指標均發生一定變化。歸一化植被指數(NDVI)可以顯著的反映流域內植被覆蓋狀況[22], 在2000—2010間, 流域年均植被指數由0.481提高為0.538。植被凈初級生產力(NPP)是表征生態系統內部植被質量狀況的重要指標, 對生態系統健康狀況有重要指示作用[23], 2000-2010年流域年均NPP指數由60.2上升為98.0。香濃多樣性指數(SHDI)能夠表征區域內部的景觀異質性, 對生態系統健康狀況具有一定的指示作用, 2000—2010年流域年均SHDI由1.9162增至1.9189。2000—2010年間流域內年均林草面積占比由56.69%變為56.68%, 整體變動不大。空間上內部指標均大致表現為東部優于西部。

表5 青海湖流域生態健康指標權重

表6 青海湖流域生態健康狀況等級劃分

3.1.2 外部環境指標

青海湖流域是人與自然相互作用的生態系統, 對流域進行生態健康評價還須從流域外部環境出發探索人地關系是否和諧發展[20]。氣候變化下流域外部指標變化顯著, 其中2000—2010年間流域每平方千米人口數量由3.02人上升為3.86; 夜間燈光指數最大值由5.57升高為36, 平均指數由0.0052上升為0.1037; 年均每平方千米GDP由1.54萬元增至14.11萬元; 年均每平方千米牲畜(牛、羊)數量由43.14頭增至56.17頭。這表明流域人類活動強度不斷加大, 對流域生態環境帶來一定影響, 整體上流域東部所承受的外部壓力大于西部。

3.2 流域生態健康評價

根據流域三期生態健康狀況分布圖可以得出: 2000年青海湖流域生態健康指數在0.344—0.843之間, 流域生態健康綜合指數為0.542, 健康等級跨度較大, 從病態到很健康均有分布, 以不健康—健康為主。空間上, 亞健康—很健康區域主要分布在流域中東部地區, 亞健康區域在中西部地區有所擴散; 不健康區域主要位于流域西部大部地區及東南部小部分地區; 病態區域零星分布于流域西南部及東南部地區。2005年流域生態健康指數在0.324—0.828之間, 綜合指數為0.548, 整體以不健康、亞健康、健康狀態為主, 亞健康—很健康面積約占區域總面積的56%, 表現為病態—不健康與亞健康—很健康的兩極分化。空間上來看流域西部地區以不健康—亞健康狀態為主; 東部地區以亞健康—很健康為主, 病態呈點狀或條狀分布于流域西南部和東南部地區。2010年流域生態健康指數在0.265—0.816之間, 綜合指數為0.547, 總體表現為不健康—健康狀態, 病態與很健康狀態分布較少。空間上流域東部以亞健康、健康狀態為主, 很健康零星分布其間; 西部以不健康、亞健康狀態為主; 病態主要集中于西南部(圖2、圖3)。

2000—2010年青海湖流域三期生態健康綜合指數分別為0.542、 0.548與0.547, 生態健康狀況變化較為穩定且呈現出改善的趨勢。其中2000—2005年流域不健康與亞健康區域面積變化明顯, 分別減少與增加了955 km2和595 km2, 健康指數較高的亞健康—很健康區域面積由12933 km2增至13854 km2, 上升約7%。空間上整體保持不變但局部地區變化明顯, 其中亞健康區域在流域中西部地區及東南部地區進一步擴散; 不健康區域在青海湖東岸有所北移; 中東部健康區域有所擴大, 很健康區域有所萎縮; 流域西南部及東南角的病態區域均出現擴大的趨勢。2005—2010年流域生態健康狀況較為穩定, 亞健康—很健康區域面積繼續擴大, 為13880 km2, 但健康、很健康區域面積不斷減少, 病態區域面積不斷擴大。空間上東部地區健康、很健康區域均發生萎縮; 東南部不健康與病態向亞健康轉變; 西南、西北部病態區域均有所擴散, 局部地區的生態健康狀況惡化較為明顯(圖2、圖3)。

圖2 青海湖流域生態健康等級區域面積柱狀圖

Figure 2 Area histogram of Qinghai Lake Basin ecological health rating area

圖3 2000—2010年青海湖流域生態健康狀況分布圖

Figure 3 Distribution map of ecological health in Qinghai Lake Basin from 2000 to 2010

4 討論

4.1 氣候變化對流域內外環境的影響

2000—2010年以來, 青海湖流域氣候環境呈現暖濕化程度不斷加深的趨勢, 尤其是2004年流域降水增多表現尤為突出[11]。這種變化首先對流域內部生態環境帶來積極地的影響, 為流域內植被生長創造了條件, 具體表現為內部各項環境指標均有所上漲, 從而有利于提高流域物種豐富度及有機物生產力, 實現可持續發展。但另一方面, 隨著氣溫的不斷升高, 可能會加重流域內高山冰川及凍土融化速率, 造成一定程度的水土流失, 不利于流域生態健康發展。氣候變化間接促進了流域外部環境的發展。隨著流域自然環境的改善, 以此為依賴的流域內人類活動強度不斷增大, 人類社會經濟活動獲得了一定程度上的發展, 人口密度及放牧強度等外部壓力的持續增長對流域生態環境造成較大影響, 嚴重威脅流域生態健康。

4.2 流域生態健康狀況時空分布特征

流域三期生態健康狀況空間分布均呈現出由東—西遞減的趨勢, 這一現象是由青海湖流域東、西部地區自然環境條件空間異質性導致的。流域中、東部地區, 尤其是青海湖沿岸地區平均海拔較低, 地形平坦, 水熱條件和植被覆蓋率均表現較好, 使得流域內部環境如NDVI指數、SHDI指數及NPP等正向指標水平較高; 西部地區海拔較高且多為高山裸巖、冰原覆蓋, 降水稀少, 植被覆蓋率低, 水土流失較為嚴重[24-26], 脆弱的生態環境使得西部內部環境所選指標水平低于東部。另一方面, 雖然西部地區外部環境壓力小于東部, 但流域人類活動各項指標空間分布規律性較差且水平均較低, 對生態健康貢獻較小, 最終使東部地區健康水平優于西部地區。在部分地區, 由于自然環境惡劣或人類活動影響明顯, 導致其健康等級淪為不健康或病態。

2000—2010年以來, 流域生態健康狀況整體較為穩定, 局部區域變化明顯。由于氣溫和降水的增多, 流域內自東—西暖濕化程度均有所加深, 生態環境各正向指標均有明顯改善, 這是流域生態健康改善的最主要原因。以2000—2005年表現最為明顯, 具體表現為亞健康區域逐漸向西部擴散, 健康區域在中東部地區不斷擴大。另一方面, 隨著流域社會經濟發展, 人類活動強度明顯增大, 尤其在自然條件較好的東部地區及青海湖沿岸地區, 人口數量及牲畜數量較為集中, 部分區域生態環境出現惡化的趨勢, 如東部很健康區域的減少、西南與東南部病態區域的擴大。隨著降水出現波動, 2005—2010年流域內部環境指標整體改善幅度較小, 部分出現退化。受相關政策及人類觀念影響, 流域內人口數量出現下降, 但經濟發展帶來的外部壓力仍不斷增大, 使流域健康、很健康區域減少, 病態區域進一步擴大, 這與人類放牧活動及旅游景區開發密切相關[27-28]。另一方面由于政府的規劃管理, 部分區域生態有所改善, 主要體現在青海湖東岸不健康與病態區域的減少。

5 結論

(1)暖濕期以來青海湖流域內部環境各項指標均有所增長, 隨著流域內經濟發展, 人類活動強度不斷增大, 外部環境各項指標增長明顯, 流域生態面臨更大壓力。

(2)2000—2010年流域三期生態健康綜合指數分別為0.542、0.548與0.547, 整體均以不健康、亞健康及健康狀態為主, 空間上生態健康狀況均呈現出由東—西遞減的趨勢, 西部地區以不健康為主, 東部地區以亞健康與健康為主, 很健康與病態區域呈點狀或條狀零星分布于流域東北、西南及東南處。

(3)2000—2010年青海湖流域生態健康狀況整體穩定且有所改善, 表現為亞健康—很健康區域面積不斷擴大。流域局部地區生態環境變化明顯, 表現為中西部、東南部生態環境有所改善, 東部、西南部不斷惡化。

總體來看, 青海湖流域生態健康狀況是流域自然環境和人類活動共同作用的結果, 二者相互作用, 決定著生態狀況的走向, 根據研究提出以下建議: (1)加強全流域政府規劃管理, 加快流域保護區模式建立; (2)提高流域內人口素質, 改善生產觀念, 加強生態補償, 將保護環境落到實處; (3)改善單一生產經營方式, 適度開發流域資源, 尋求多種經濟發展結[28]。如何協調好生態環境與經濟發展的關系是今后研究工作的重點, 也是促進流域生態健康長久發展的重中之重[29]。

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Study on ecological health evaluation of Qinghai Lake Basin under climate change

WU Hengfei1,2,3, CHENG Kelong2,3,*, ZHANG Lele1,2,3

1. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation, Xining 810008, China 3. Academy of Plateau Science and Sustainability(APSS), Xining 810008, China

Global changes and human activities have a profound impact on the terrestrial ecosystem. The Qinghai Lake Basin, which is extremely sensitive to climate change, has undergone certain changes in the internal and external environment and ecological health of the system. Related research shows that the degree of warming and humidification of the climate environment in the basin has been deepening in the past 50 years, and the precipitation in the Qinghai Lake basin has increased significantly since 2004. Based on this, taking the QinghaiLake basin as the research object, a total of 10 indicators are selected from both the internal and external environmental characteristics of the basin to construct an ecological health evaluation index system, and the AHP and expert scoring method are used to determine the index weight, and each index layer is superimposed. The ecological health status maps of the basin in 2000, 2005 and 2010 were used to explore the ecological health status and change trends of the basin. The results showed that: (1) The internal environmental indicators of the basin have improved significantly since the warm and humid period, including annual precipitation, NDVI and the NPP index has increased significantly, but with the social and economic development, the pressure brought by the external environment is gradually increasing. (2) The three stages of ecological health in the basin are mainly unhealthy, sub-healthy and healthy, and the spatial health level is roughly. It gradually decreases from east to west. (3) The comprehensive ecological health index rose from 0.542 to 0.547 from 2000 to 2010, and the ecological health changed steadily and showed an upward trend. The ecological health of the central, western and southeastern parts of the basin improved significantly, while the eastern and southwestern parts have deteriorated. Climate change has had a certain impact on the ecological health of the Qinghai Lake Basin. Understanding this change process has important scientific and practical significance for the ecological environment planning and management and healthy and sustainable development of the Qinghai Lake Basin.

climate change; Qinghai Lake basin; evaluation index system; ecological health

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.006

S157.2

A

1008-8873(2022)04-041-08

2020-07-19;

2020-08-06

國家自然科學基金項目(41661023); 國家科技支撐計劃項目(2017YFC0403601); 青海省科技廳項目(2017-ZJ-720、2018-ZJ-T09);第二次青藏高原綜合科學考察研究(2019QZKK0405)

吳恒飛(1994—), 男, 山西長治人, 碩士研究生, 主要從事生物地理與自然保護研究, E-mail: 775342865@qq.com

通信作者:陳克龍(1965—), 男, 安徽蕪湖人, 教授, 博士生導師, 主要從事生物地理與濕地生態研究, E-mail: ckl7813@163.com

吳恒飛, 陳克龍, 張樂樂,等. 氣候變化下青海湖流域生態健康評價研究[J]. 生態科學, 2022, 41(4): 41–48.

WU Hengfei, CHENG Kelong, ZHANG Lele, et al. Study on ecological health evaluation of Qinghai Lake Basin under climate change[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 41–48.