山東省黃河流域生態系統質量分析與評價

孟祥亮張雨煊孟飛郭霖付萍杰

(1.山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南 250101；2.山東省生態環境監測中心，山東 濟南 250101)

0 引言

生態系統是由于生物群落和其他不同的生態環境發生相互作用后所形成的一個統一性整體，而人類又正是這個生態系統的組成部分。生態系統問題是當今受到廣泛關注的科學技術研究課題之一，全球面臨的各種自然資源與環境問題的應對，主要是對其結構、功能、多樣性、穩定性等方面的研究，對我國經濟社會更好地發展具有重要意義。生態系統質量可以從以生產力為基礎的生態系統服務功能、對生態系統服務功能穩定性和對生態系統承載力等3個方面進行評價[1]。

近年來，生態系統評估受到廣泛的關注，分別以省或州為單位對生態系統進行了大量的研究，并將評估結果與生態保護和國家經濟發展相結合[2-4]。國內在生態系統質量狀況研究方面也有較多的積累[5-9]，如陳永林等[10]利用景觀格局指數的變化反映生態系統質量的變化，闡明紅樹林濕地生態系統質量；朱堅等[11]通過組合賦權法確定權重建立生態系統質量評價模型，以寧波市為例評價了城市生態系統質量情況。肖洋等[12]以生物量因子和植被覆蓋度因子為基礎建立評價模型，評估了2000—2010年間蒙古地區的生態環境質量。劉永等[13]提出了一種針對滇池湖泊生態系統的評估指標和研究方法，以滇池湖泊為例評估其湖泊生態系統。已有的研究主要集中在單一生態系統質量狀況分析，而對多種生態系統類型組成的生態系統質量綜合評價研究較少，缺少對生態系統質量的綜合評價[14-15]。

黃河流域是集林地、草地、河流、城鎮、農田等為一體的復合生態系統類型，黃河流域生態環境系統比較脆弱，易受人為干擾，因此研究其生態系統質量對加強流域保護治理有著重要意義。文章利用遙感技術，選取生態系統質量評價指數，評價了2005—2019年山東省黃河流域林地、草地、農田、城鎮4 大生態系統質量，以期為黃河流域保護提供科學的參考依據。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

黃河從山東省菏澤市東明縣進入山東省內，流經9 市25 縣(市、區)，在東營市墾利區匯入渤海，境內黃河河道總長為628 km、流域土地面積為1.83 萬km2。山東省黃河流域行政區劃圖如圖1 所示。所用地圖審圖號為魯SG(2022)025 號。黃河流域地區屬溫帶季風氣候，其年平均氣溫12 ～14 ℃、年均降雨量為500～800 mm，光照時數年均在2 290～2 890 h 間。近年來，山東省將黃河流域作為重點生態保護和恢復區域，并通過創建森林城市，采取改善綠化和提高生態質量的方式，繼續推動黃河沿岸地區的生態保護和恢復工作[16]。黃河流域國土生態空間的不斷優化和生態功能的逐步加強，為黃河流域的高質量發展提供了支持和保證。

圖1 山東省黃河流域行政區劃圖

1.2 研究數據

根據山東省黃河流域范圍及影像的可獲取性，生態系統質量評價選擇對地觀測衛星Terra 的中分辨率成像光譜儀MODIS 影像作為遙感信息源[17-18]，收集2000年5月—2020年10月，行列號為h27v05 的歸一化植被指數(MOD13A1)、葉面積指數(MOD15A2H)、總初級生產力(MOD17A2H)遙感影像數據，每年度影像獲取時間介于5 ～10月份，空間分辨率為500 m，數據信息見表1。

表1 MODIS 數據信息表

2 研究方法

根據相關技術規范[19]，選擇3 個評價指數即生態系統功能指數(Ecosystem Function Index，EFI)、生態系統穩定指數(Ecosystem Stability Index，ESI)和生態系統脅迫指數(Ecosystem Stress Index，ETI)，則構成生態系統質量指數(Ecosystem Quality Index，EQI)由式(1)表示為

EQI 為基于植被的生態系統質量評估指標，與植被覆蓋度的高低有著直接的關系。3 個指標中，生態系統功能指數和生態系統穩定指數為正向指標，其值越高，生態環境越好；生態系統脅迫指數為負向指標，其值越高，生態環境越差。

根據EQI，參照HJ 192—2020 劃分方案[19]，生態系統質量劃分為優、良、中、低和差5 個等級(見表2)。

表2 生態系統質量狀況分級表

2.1 生態系統功能指數

利用3 種植被指數建立生態系統功能指數，計算方法由式(2)表示為

式中EFIi為第i年生態系統功能指數；LAIi，j為第i年第j期的葉面積指數；GPPi，j為第i年第j期的總初級生產力，kg/m2；FVCi，j為植被覆蓋度，%；n為第i年遙感觀測期數。

2.2 生態系統穩定指數

在生態系統質量的基礎上構建生態系統穩定指數，計算方法由式(3)表示為

式中ESIi為第i年生態系統穩定指數，S(EFIi)、D(EFIi)分別為評估起始年至第i年生態系統功能指數的方差、均值。

2.3 生態系統脅迫指數

生態系統脅迫指數的變化與人類活動強度密切相關，根據不同生態系統的擾動程度進行分級賦值，見表3。其計算方法由式(4)表示為

表3 擾動指數構建權重表

式中Ai為第i 級生態系統的分級指數；Pi為第i級生態系統的面積百分比，%。

3 結果與分析

3.1 黃河流域生態系統功能評價

根據式(2)計算得到黃河流域生態系統功能狀況劃分等級，劃分為差、低、中、良、優5 個等級，結果如圖2 所示。2005—2019年黃河流域生態系統功能的平均值為62.2，等級為優和良的面積所占百分比分別為28.7%和38.1%，說明15 a 間黃河流域年平均生態系統功能較高。在空間分布上，指數值的高低與植被覆蓋度有著密切的關系[20-22]，EFI 較高的區域主要位于研究區中部的歷城區、泰山區、岱岳區以及黃河三角洲的墾利區，土地利用類型以植被覆蓋度較高的林地和草地為主。EFI 較低的區域主要位于植被覆蓋度相對較低的萊蕪區、鋼城區以及新泰市。

圖2 黃河流域生態系統功能狀況分級圖

3.2 黃河流域生態系統穩定性評價

在EFI 的基礎上，根據式(3)計算得到黃河流域生態系統穩定狀況并進行等級劃分，結果如圖3所示。

圖3 黃河流域生態系統穩定性狀況分級圖

由圖3 可知，差、低、中等級所占面積較大，生態系統穩定性差的地區占比為27.0%，低、中等級占比分別為45.0%、22.3%，且黃河流域生態系統穩定指數的平均值為29，表明2005—2019年間黃河流域生態系統穩定性處于相對較弱的水平，生態系統穩定性與人為因素有關，ESI 較高的區域主要分布在研究區中部以自然生態系統類型為主的泰山地區，以及黃河入海口附近區域，人為干擾較少，其生態系統較為穩定；而以人工生態系統類型為主的農田和城鎮區域易受到人類的改造，穩定性較差。

3.3 黃河流域生態系統脅迫評價

基于式(4)計算得到2005、2010、2015 和2019年黃河流域生態系統脅迫指數，生態系統脅迫指數為負向指標，因此將負向指標進行正向化處理，即可實現其正向化轉換，屬性同一化處理后指數變化趨勢可反映生態現狀相同的優劣變化趨勢。同一化處理后分別為40.0、39.4、38.7 和38.3，其平均值為39.1，表明研究期間黃河流域的生態系統受脅迫能力處于中等水平。

對比分析2005—2019年間黃河流域生態系統EFI、ESI 和ETI 的均值，結果如圖4 所示。黃河流域各生態系統指數在研究期間均呈現波動性略微下降趨勢，其年均變化率分別為-0.4、-0.2 和-0.1。EFI 均值總體相對較高，其變化趨勢稍有波動，但幅度不大； ETI 均值處于中等偏低的狀態， 而ESI 均值最低。

圖4 2005—2019年間黃河流域生態系統EFI、ESI 和ETI 變化趨勢圖

3.4 生態系統質量綜合評價

根據式(1)計算生態系統質量指數，對計算結果進行等級劃分，結果如圖5 所示。黃河流域生態系統質量指數年均值為60.4，說明流域整體生態系統質量較好，其中2010年的分值最高，2015、2019年次之，而2005年最低。

圖5 不同年份山東省黃河流域生態系統質量狀況分級圖

對黃河流域林地、草地、城鎮、農田4 類主要生態系統類型進行單一系統評價，結果如圖6 所示。不同年份黃河流域生態系統質量遙感綜合評分見表4。不同生態系統類型的生態系統質量有明顯差異，其中林地生態系統質量最高，其年均值為65.3；城鎮生態系統質量最低，其年均值為56.7；草地和農田生態系統年均值分別為59.8、59.7。

表4 不同年份黃河流域生態系統質量遙感綜合評分表

圖6 不同年份黃河流域各生態系統類型質量等級面積百分比圖

結合空間分布可知，4 個年份黃河流域的泰山地區、黃河三角洲的墾利區生態系統質量級別明顯優于其他地區，山區土地利用類型以天然林地為主，墾利區以耕地為主，植被相對較多，因此以植被指數為基礎的生態系統功能指數及穩定指數相對較高，生態系統受到脅迫可能性較低，所以生態系統較為穩定。生態系統質量級別較差的區域主要為萊蕪區、鋼城區、肥城市、以及泰山區與岱岳區交匯處等地區主城區的周邊區域，分布在各建城區的外圍地帶，植被覆蓋度低，且生態環境易受人為干擾，生態系統受到脅迫可能性較高，所以生態系統質量相對較差。

4 結論

通過上述研究可知:

(1)2005—2019年，山東省黃河流域生態系統穩定指數、生態系統功能指數、生態系統脅迫指數等3 項指數呈現不同程度的波動，區域內林地、草地、農田和城鎮4 類生態系統的生態系統質量整體發展趨勢向好。2005—2010年間，生態系統質量年均值由59.3 上升到62.5；而2019年生態系統質量年均值則減少至59.5。

(2)空間分布上，山東省黃河流域生態系統質量高值集中分布于泰山區域，植被覆蓋度高，不易受人為干擾；低值主要分布在城鎮及其周邊區域，植被覆蓋度相對較低且易受人為干擾。

(3)4 類生態系統中，林地生態系統年均值為65.3，其質量最高，其中優等級所占面積百分比均值為34.2%；其次是草地、農田；城鎮生態系統年均值為56.7，其質量最低，差等級所占面積百分比均值為6.1%，自然生態系統質量總體上高于人工生態系統。