鄭州邙山近十年生態脆弱性變化影響分析

胡瑜潔，韋玲利，李慶祥，朱莎莎，范霄寒，吳 卿

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河南黃河建設工程有限公司，河南 鄭州 450003）

氣候變化與人類活動導致生態環境的變化［1］，生態脆弱性是環境變化研究的核心內容之一。通過區域生態脆弱性量化分析，準確了解區域生態脆弱性及其在空間分布上的差異，是實施生態治理與環境保護的基礎［2］。由于區域自然、經濟、社會等特征不同，因此應選擇不同的模型和方法進行生態脆弱性評價，常用的生態脆弱性評價模型和方法有敏感性－恢復力－壓力度模型（SRP）［3］、暴露－敏感－適應模型（VSD）［4］、壓力－狀態－響應模型（PSR）［5］、主成分分析法［6－7］、層次分析法［8］、景觀生態學法［9］等。鄭州西北部沿黃邙山是黃土高原向黃淮平原的過渡區，屬黃土高原東部末端，溝道發育，水土流失嚴重，是鄭州市區沙塵的集中來源地，同時是鄭州市重要的生態屏障。2003—2008年鄭州市政府與黃河水利委員會聯合開展了黃河鄭州邙山水土保持生態建設與保護工程，為了評估工程實施效果，筆者分析了其生態脆弱性整體變化趨勢及影響因素。

1 研究區概況

以黃河鄭州邙山水土保持生態工程建設區為研究區，范圍為黃河以南、連霍高速公路以北，涉及滎陽市、上街區、惠濟區，面積約260 km2，2003—2008年實施的邙山水土保持生態建設與保護工程面積約100 km2。

2 研究方法

2.1 評價指標

評價指標選擇是生態脆弱性評價的重要內容，所選評價指標應全面、廣泛，可以綜合反映黃河鄭州邙山的地形地貌、生產生活、經濟結構等特點。利用SRP綜合評價模型，基于生態敏感性、生態恢復力、生態壓力度3個層面，從地形、地表、氣象、植被、社會經濟5個方面選取9個指標構建黃河鄭州邙山生態脆弱性評價指標體系，見表1。

表1 黃河鄭州邙山生態脆弱性評價指標體系

2.2 數據來源及處理

（1）遙感影像數據。利用2010年、2015年、2020年三期30 m分辨率Landsat TM夏態時相遙感影像，通過ERDAS、ArcGIS軟件人機交互解譯與野外調查驗證，獲取研究區耕地、林地、草地、建設用地、未利用地等土地利用類型空間分布基礎信息；利用2020年高分二號（GF－2）光學遙感陸地觀測衛星2 m分辨率夏態時相真彩色融合影像，通過ArcGIS人機交互解譯與野外調查驗證，獲取研究區土地覆被及生態景觀要素等基礎信息。在歸一化植被指數月度數據基礎上利用最大值合成法獲取歸一化植被指數年度數據集。

（2）地形數據。地形空間分布數據（DEM）來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，以美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪SRTM數據為基礎，利用ArcGIS軟件中Spatial Analyst Tool和柵格計算器分別對坡度、坡向以及地形起伏度進行提取、分析，分辨率為90 m。

（3）氣象數據。氣象數據（月均氣溫、月降水量）來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，基于研究區多個氣象站2010—2020年日觀測數據，獲得年均氣溫和年降水量空間分布數據；在計算各氣象要素年值的基礎上，采用Kriging插值方法進行氣象要素數據時間屬性與空間屬性耦合，進而獲得氣象要素空間分布數據。

（4）社會經濟數據。人口與人均GDP主要來源于2010年、2015年、2020年《河南統計年鑒》《鄭州統計年鑒》以及鄭州市統計局統計公報等。

2.3 評價指標標準化及評價模型

（1）指標標準化。將生態脆弱性定量評價指標分為正向指標和負向指標，采用極差法進行標準化處理，標準化數值為0～1。正向指標標準化：

負向指標標準化：

式中：Xi為第i個評價指標值；Xi?為Xi標準化后的數值；Xmax、Xmin分別為第i個評價指標的最大值、最小值。

（2）分等級賦值法。定性指標如坡向、土地利用類型參考相關研究成果［10－11］進行分級。不同坡向的蒸發效率、土壤水分含量、土壤溫度、太陽輻射時長等都存在較大差異，坡向對植被生長影響較大，南坡較北坡溫度更高、蒸發更強，其植被覆蓋率一般低于北坡，發生土壤侵蝕、水土流失等概率更大，以此對各級坡向進行賦值，見表2。土地利用類型是區域生態環境受人為因素和自然因素共同作用的結果，不同土地利用類型對外界變化所產生的抗干擾能力和緩沖能力不同，林地受外界干擾較小、緩沖能力較大，因此對林地、草地、水域、建設用地、耕地、未利用地分別賦值為0、2、4、6、8、10。賦值后指標按正向指標進行標準化處理，賦值越大、生態脆弱性越高［12］。

表2 坡向分級賦值

（3）評價模型構建。基于SRP綜合評價模型和主成分分析法，把眾多線性相關指標轉換為少數幾個線性無關的綜合指標，用最少的指標反映較多的變量信息，對黃河鄭州邙山生態脆弱性進行評價。運用SPSS 22.0軟件對1 233個網格點數據進行主成分分析，計算每個主成分貢獻率，貢獻率越大則該主成分越重要，當主成分累計貢獻率為70%～90%時，表明所選取的主成分足夠反映原始變量信息。

2.4 生態脆弱性分級及綜合評價

按照主成分累計貢獻率為70%～90%的標準［13］，分別提取2010年、2015年、2020年9個評價指標中對生態脆弱性影響較大的前5個主成分PC1、PC2、PC3、PC4、PC5，見表3。在完成主成分分析的基礎上，以主成分對應的貢獻率為權重，計算研究區生態脆弱性指數。

表3 主成分分析結果

式中：EVI為研究區生態脆弱性指數，EVI值越大，研究區生態越脆弱；Wn為第n個主成分的貢獻率；λn為第n個主成分的特征值。

將生態脆弱性指數進行規范化處理，以便于比較整個研究區不同年份之間的生態脆弱性，規范化處理后其值域為0～1。規范化處理公式為

式中：SEVIi為研究區第i年的生態脆弱性規范化指數；EVIi為研究區第i年的生態脆弱性指數；EVImax、EVImin分別為研究區多年生態脆弱性指數的最大值、最小值。

利用自然斷點法將黃河鄭州邙山生態脆弱性劃分為5個等級，見表4。通過ArcGIS柵格計算器對坡度、坡向、地形起伏度等指標規范化后的柵格數據進行處理，獲得2010年、2015年、2020年黃河鄭州邙山生態脆弱性分布圖（見圖1）。

表4 生態脆弱性等級

圖1 黃河鄭州邙山生態脆弱性分布

3 生態脆弱性變化及影響因素分析

3.1 生態脆弱性變化

黃河鄭州邙山生態脆弱性總體屬于輕度脆弱，2010—2020年生態脆弱性規范化指數呈先降低后上升的變化趨勢，由2010年的0.35下降到2015年的0.27再上升至2020年的0.28。生態脆弱性規范化指數的平均值為0.30，屬輕度脆弱。從生態脆弱性規范化指數年際變化（見圖2）可以看出，近10 a黃河鄭州邙山生態脆弱性呈下降趨勢；從生態脆弱性規范化指數距平值（見圖3）可以看出，2010年生態脆弱性規范化指數距平值為正值，且達到生態脆弱性規范化指數正距平峰值0.05，2015年、2020年距平值均為負值，2015年距平值（－0.03）最小。綜合生態脆弱性規范化指數年際變化情況與生態脆弱性規范化指數距平值，近10 a黃河鄭州邙山生態保護得到了充分重視。

圖2 生態脆弱性規范化指數年際變化

圖3 生態脆弱性規范化指數距平值

結合SEVI和生態脆弱性分級標準，2010年黃河鄭州邙山微度脆弱、輕度脆弱面積分別占總面積的43.84%、52.37%，中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱面積占比分別為3.52%、0.26%、0.01%；2015年微度脆弱、輕度脆弱面積分別占總面積的73.71%、23.85%，中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱面積占比分別為2.21%、0.22%、0.01%；2020年微度脆弱、輕度脆弱面積分別占總面積的79.48%、18.30%，中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱面積占比分別為1.99%、0.22%、0.01%。2010—2020年黃河鄭州邙山生態脆弱性微度脆弱面積不斷增大，輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱面積逐漸減小，極度脆弱面積基本不變。

3.2 生態脆弱性變化影響因素分析

基于SPSS軟件，運用主成分分析法分析各評價指標對生態脆弱性的影響，得到主成分載荷矩陣（見表5）。載荷系數的絕對值越接近1，該因子對生態脆弱性評價結果的影響越大。從表3、表5可以看出，2010年第一主成分中年均氣溫、年降水量、坡度、地形起伏度的載荷系數絕對值較大。第二主成分、第三主成分、第四主成分、第五主成分中載荷系數絕對值較大的有人口密度、人均GDP、坡向、NDVI，主成分的貢獻率依次為16.264%、14.483%、10.936%、9.809%，主成分貢獻率較低。2015年第一主成分中年均氣溫、年降水量、坡度、地形起伏度的載荷系數絕對值較大。第二主成分、第三主成分、第四主成分、第五主成分中載荷系數絕對值較大的有土地利用類型、人口密度、坡度、地形起伏度、人均GDP、坡向、NDVI，但主成分貢獻率較低，分別為20.019%、15.258%、10.972%、9.690%。2020年第一主成分中年均氣溫、年降水量、坡度、地形起伏度的載荷系數絕對值較大。第二主成分、第三主成分、第四主成分、第五主成分中土地利用類型、人口密度、坡度、地形起伏度、人均GDP、坡向、NDVI的載荷系數絕對值較大，但主成分貢獻率較低，分別為14.272%、11.988%、11.082%、10.812%。2010年、2015年、2020年第一主成分（PC1）貢獻率分別為35.181%、33.760%、28.408%，因此黃河鄭州邙山近10 a生態脆弱性的主要影響因子為年均氣溫、年降水量、坡度、地形起伏度。

表5 主成分載荷矩陣

4 結 論

黃河鄭州邙山生態脆弱性總體為輕度脆弱，2010—2020年生態脆弱性規范化指數呈先下降后上升變化趨勢，生態脆弱性規范化指數由2010年的0.35下降到2015年的0.27再緩慢上升至2020年的0.28。近10 a黃河鄭州邙山微度脆弱面積不斷增大，輕度、中度和重度脆弱面積均出現減小趨勢，極度脆弱面積基本不變，重度脆弱和極度脆弱面積均較小且分布集中。年均氣溫、年降水量、坡度、地形起伏度等為研究區生態脆弱性的主要影響因子，其生態脆弱性是人與自然共同作用導致的。研究表明，黃河鄭州邙山水土保持生態治理成效顯著，研究區生態環境脆弱性得到改善，生態環境質量呈良性發展。