基于變異系數法的三峽庫區消落帶生態敏感性評價研究

張曉媛李輝周啟剛劉栩位向宇鋒

(1.重慶財經學院生態環境空間信息數據挖掘與大數據集成重慶市重點實驗室，重慶 401320；2.重慶工商大學環境與資源學院，重慶 400067；3.石柱土家族自治縣精繪勘測有限公司，重慶 409100)

引言

近年來隨著社會經濟的不斷發展，自然環境破壞程度的不斷加劇，引發了大氣污染、土壤侵蝕、物物種銳減、水土流失、土地荒漠化等一系列生態環境問題，使生態環境更加脆弱，生態環境敏感性評價變得非常有必要[1]。生態環境敏感性指在原有自然環境中，人類活動和環境變化等因素導致區域生態改變的難易程度及其概率問題，也就是生態環境問題出現的可能性大小[2]。

目前生態環境敏感性研究已經成為國內外學者研究的重點。對生態敏感性研究大多集中在酸雨、鹽漬化、土壤侵蝕和土地沙漠化[3，4]等方面，通過數學建模和數理統計等方式，對環境敏感性進行定量研究，已應用于城鄉規劃、土地利用和功能區劃[5，6]等多個領域，主要集中在流域、國家和省市[7，8]等大尺度領域，多數研究主要采用最大值法、AHP層次分析法和德爾菲法[9]等方法對各評價指標進行權重確定，然而目前的方法主要基于主觀賦權法，依賴于主觀判斷，主觀權重沒有形成統一標準，沒有客觀權重可靠，缺乏科學性。采用變異系數法[10]確定個指標權重可提高研究的科學性，降低人為主觀判斷對研究的影響，評價結果更為準確。

三峽庫區消落帶是水陸生態系統能量、物質和信息轉換的交錯地帶，具備緩沖帶和護岸的重要生態功能，該區域對外界環境的變化十分敏感，是生態環境容易被破壞、較難恢復的一個重點保護區域。因此，本研究以三峽庫區消落帶為研究區，基于實地調查，結合相關研究，選取生物多樣性敏感性指數、土壤侵蝕敏感性指數、生境敏感性指數、地形敏感性指數和土壤鹽漬化指數共5類指標因子，采用變異系數法對三峽庫區消落帶生態敏感性進行綜合評價，評價結果可為三峽庫區消落帶生態敏感區的修復和保護提供科學依據和數據基礎。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

三峽水庫消落帶地理位置位于N29°16′～31°25′，E106°～110°50′，海拔33.6～3105m，面積共計348.34km2，涉及東起湖北宜昌，西至重慶江津共26個區縣，見圖1。庫區氣候屬亞熱帶季風氣候，處在南溫帶和亞熱帶過渡地帶，四季分明，雨量充沛。三峽庫區消落帶是水陸生態系統交替演變的過渡地帶，其本身具有脆弱和不穩定的性質，生態環境狀況易遭受外界干擾，是我國生態環境敏感的區域之一。近年來庫區消落帶人類活加劇，對環境資源不合理的開發利用使消落帶生態安全受到嚴重威脅，開展區域生態敏感性評價有利于掌握其生態環境變化狀況。

圖1 研究區概況圖

1.2 數據來源

本研究主要采用的遙感影像數據包括2018年三峽庫區Landsat 8遙感影像(遙感云計算平臺)、2018年2m高分辨率遙感影像(谷歌地球)，30m空間分辨率的DEM數據[地理空間云(www.gscloud.cn/)]，結合人工目視判讀對三峽庫區消落帶評價指標進行量化，并利用外業實地驗證的方法提高數據精度。氣象數據來源于NASA地球科學(GES)數據和信息服務中心(https：//disc.gsfc.nasa.gov/)，其中降雨量數據為2018年月值數據。土壤數據來源于世界土壤數據庫(HWSD)的1∶500萬的數據集。所有空間數據統一采用CGCS2000坐標系。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

三峽庫區消落帶作為庫區生態系統中的特殊區域，既有水生生態系統特征，又擁有陸生生態系統特征。消落帶作為長江與庫區兩岸的交界區域，水陸交換頻繁，受庫區周期性蓄水影響，區域受到庫區水域的淹沒、沖刷、淤積，消落帶土壤在受到侵蝕的同時既可能成為庫區水體污染的源，也可能成為水體污染的匯[11]。加之公眾保護意識較弱，區域內人為活動時有發生，這都將對庫區消落帶生態環境構成威脅。因此，本研究通過對相關文獻的查閱和實地考察，在三峽庫區消落帶生態環境問題綜合分析基礎上，選擇土壤侵蝕敏感性、土壤鹽漬化敏感性、生物多樣性敏感性、生境敏感性和地形敏感性共5項評價因子進行生態敏感性評價指標體系的構建。

2.1.1 土壤侵蝕敏感性指數

土壤侵蝕作用將引發土地資源退化，也是水土流失的主要因素之一，對區域生態系統的穩定性將構成較強威脅。綜合分析三峽庫區消落帶土壤侵蝕生態問題，結合研究區實際情況并參考相關文獻和規程[12]，采用降雨侵蝕力因子R、土壤侵蝕因子K、坡度與坡長因子LS和植被與經營管理因子C作為評價指標。將上述各單因子的分級賦值圖在GIS中進行疊加計算，計算公式：

(1)

式中，SSj為j空間單元土壤侵蝕敏感性指數；Ci為第i項因子的敏感性等級值。將最終計算得到的土壤侵蝕敏感性指數依照中國家環境保護總局發布的《生態功能區劃暫行規程》分級標準，劃分為5個等級，見表1。

表1 土壤侵蝕敏感性分級標準及賦值

2.1.2 土壤鹽漬化敏感性指數

基于遙感云計算平臺調用輻射定標和大氣校正以及去云處理后的三峽庫區遙感影像，之后在GIS中利用反射率對鹽分指數(SI)和歸一化植被指數(NDVI)進行反演。

(2)

(3)

式中，SI為鹽分指數；NDVI為歸一化植被指數；ρ1、ρ3、ρ4為Landsat 8的相應波段反射率值。計算公式：

(4)

式中，N為鹽漬化遙感指數。將鹽漬化遙感指數在ARCGIS中采用自然斷點法分級，計算土壤鹽漬化敏感性，并為相應等級賦值以便于最終生態敏感性的綜合計算。

2.1.3 生物多樣性敏感性指數

歸一化植被指數NDVI能較好反映植被的原生狀態和長勢，因此利用基于NDVI數據計算的植被覆蓋度作為表征三峽庫區消落帶生物多樣性保護中敏感的程度的指數，并將計算結果按自然斷點法劃分為5個等級。植被覆蓋度的計算公式：

(5)

式中，Fv為植被覆蓋度；NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg則代表純植被的NDVI值。

2.1.4 生境敏感性指數

生境是生物生息繁衍的居住地，生境敏感性是指重要物種的棲息地對人類活動的敏感程度[13]。結合生境敏感性的相關研究[14]，多采用自然保護區級別和地表覆被類型作為指標進行測算，當前三峽庫區消落帶沒有較大規模的自然保護區，因此采用地表覆被類型作為生境敏感性的主要衡量指標，并參考前人研究對生境敏感性指數進行分級和賦值。

2.1.5 地形敏感性指數

三峽庫區降雨量較為充沛，經野外實地考察，庫區消落帶地勢部分區域仍存在較高的陡坡，在坡度較大的區域易發生山體滑坡和崩塌等，引發生態風險，同時對消落帶的生態狀況構成一定威脅。因此，將地形敏感性納入評價指標體系中，并以坡度作為衡量指數，有利于保證生態敏感性評價體系的全面性和準確性。分級標準見表2。

表2 各類敏感性因子分級標準及賦值

2.2 綜合敏感性評價

本研究采用變異系數法確定各評價單因子的權重，公式：

(6)

表3 變異系數法確定的各因子所占權重

對根據上述公式計算土壤侵蝕敏感性指數、土壤鹽漬化敏感性指數、生物多樣性敏感性指數、生境敏感性指數和地形敏感性指數的權重，進行加權求和，得到綜合生態敏感性指數，計算公式：

(7)

式中，Z為綜合生態敏感性指數；Ri為5項因子歸一化權重系數；Ti為評價因子指數。

本研究采用自然斷點法將三峽庫區消落帶生態敏感性指數分為5級，最后得到消落帶綜合生態敏感性空間分布圖，并對不同生態敏感性等級的時空分布特征進行分析。具體結果見表5。

3 結果與分析

3.1 單因子敏感性分析

本研究根據生態敏感性評價指標體系，對5類單因子生態敏感性進行評價，從三峽庫區的庫首、庫腹和庫尾3個范圍內的消落帶進行空間分析，得出區域下各級生態敏感性的面積占比，分析各類生態敏感性因子在消落帶內的生態敏感性狀況，各單因子敏感性分析如下。

3.1.1 土壤侵蝕敏感性分析

基于降雨侵蝕因子、坡長與坡度因子、土壤可蝕性因子和植被與經營管理因子的綜合計算并分級，最終得出土壤侵蝕敏感性因子空間分布圖。由圖2d和表4可知，研究區土壤侵蝕敏感性程度以輕度敏感為主，面積占比為63.47%，中度敏感次之，面積占比34.78%，其余為高度敏感、極度敏感和不敏感，總面積占比低于2%。在空間分布上，庫首消落帶土壤侵蝕敏感等級以中度敏感為主，其次為輕度敏感，其余為高度敏感；庫腹則以輕度敏感為主，中度敏感次之，且輕度敏感面積占比遠高于中度敏感；庫尾仍以輕度敏感為主，中度敏感次之，2種等級面積占比相差微小。研究發現，庫腹消落帶的敏感程度低于庫首和庫尾，而庫尾的敏感程度居中，庫首較庫腹和庫尾敏感程度最高。

表4 三峽庫區消落帶各類敏感因子敏感性等級面積占比表

圖2 2018年三峽庫區消落帶各敏感性因子敏感等級空間分布圖

總體上看，三峽庫庫區消落帶的土壤侵蝕敏感程度整體較低，原因在于90%的坡長坡度因子為不敏感，研究區整體坡長較短、坡度較緩，即使庫區消落帶降雨侵蝕因子敏感性中度偏高和土壤可蝕性因子敏感性高，但降雨雨水在匯流過程中并不能獲得太多勢能，因此不會對土壤產生較強的侵蝕作用，加之植被與經營管理因子以不敏感和輕度敏感為主，兩者面積占比約為50%，說明消落帶植被長勢較好，能對土壤起到較好的保護作用，顯著降低土壤的侵蝕速率。

3.1.2 鹽漬化敏感性分析

三峽庫區消落帶的空間位置與長江流域密切相連，消落帶的淹沒和出露過程造成了水域里面金屬鹽類大量聚集造成土壤鹽漬化。本研究對鹽分指數(SI)和歸一化植被指數(NDVI)進行指數反演，得出三峽庫區消落帶范圍內土壤鹽漬化敏感性，土壤鹽漬化敏感性空間分布見圖2e。

由表4可知，研究區范圍內土壤鹽漬化空間分異明顯，在不同分段上面積占比各有差異。庫首消落帶的鹽漬化敏感性極高，其極敏感區域面積占比為庫首的42.62%，不敏感區域空間分布較少，占庫首面積的6.32%，庫首地處庫區湖北段，水流速度較中上游平緩，導致金屬鹽類更多的聚集；庫腹消落帶土壤鹽漬化敏感性主要以低敏感區域和不敏感區域為主，不敏感區域的面積最大，占庫腹面積的29.55%，中、高敏感區域差異較小，極敏感區域最少，占庫腹面積的11.72%；庫尾消落帶鹽漬化敏感性空間分布較為均勻，占比最大的為不敏感區域，占比為24.21%，最少的是極敏感區域，占比為16.03%，主要原因為土壤鹽漬化的過程受人為干預頻繁，導致其敏感性空間差異不明顯。

3.1.3 生物多樣性敏感性分析

本研究采用植被覆蓋度來反映生態環境的植被生長情況及生物多樣性。生物多樣性敏感性空間分布見圖2c。

由表4可知，庫首消落帶極度敏感區域面積占比最大，為42.26%，該區域水域面積遼闊，植被生長稀少，庫首消落帶生物多樣性較差；庫腹消落帶不敏感區域面積占比最大，為30.96%，該區域水量充足，植被生長茂盛，庫腹生物多樣性最好；庫尾消落帶不敏感區域占比面積最大，為26.41%，其次是高敏感區域，面積占比為21.70%，庫尾生物多樣性一般。三峽庫區消落帶不敏感區域面積占比最大，為27.33%，其次是輕度敏感區域，面積占比為22.01%，庫區消落帶生物多樣性整體呈良好發展趨勢。

3.1.4 生境敏感性分析

生境敏感性主要體現在生物種類豐富度和人類活動對生境的影響程度兩方面，其空間分布見圖2b。

由表4可知，庫首消落帶生境敏感性重要為高度敏感，該區域面積占比為78.25%，其次為不敏感，占比為15.83%，輕度、中度和極度敏感區域較少，面積占比之和約為5%；庫腹消落帶以高度敏感為主要區域，面積占比接近60%，輕度敏感區域占比最少，不敏感、中度敏感和極度敏感區域面積占比差距較??；庫尾消落帶生境敏感性仍以高度敏感區為主，不敏感和極度敏感區域次之，中度和輕度敏感區域最少，面積占比僅在7%左右。三峽庫區消落帶高度敏感區面積占比超過60%，整體生境敏感性表現為高度敏感。

3.1.5 地形敏感性分析

三峽庫區消落帶地形敏感性空間分布情況由圖2a和表4可知，中度敏感區域面積占比最大，為42.25%，不敏感和輕度敏感區域面積占比之和為38.61%，極度敏感和高度敏感區域面積占比之和為19.14%，研究區整體坡度偏低，地質敏感性較弱。庫首消落帶中等敏感區域面積占比最大，為38.29%，不敏感和輕度敏感區域面積占比為25.63%，極度敏感和高度敏感區域占比為36.07%，庫首消落帶整體坡度較高，地質敏感性較強；庫腹消落帶中等敏感區域面積占比最大，為43.66%，不敏感和輕度敏感區域高于極度敏感和高度敏感區域，面積占比分別為38.42%和17.92%，庫腹消落帶坡度較平緩，地質敏感性較弱；庫尾消落帶輕度敏感區域面積占比最大，為39.34%，不敏感和輕度敏感區域遠高于極度敏感和高度敏感區域，面積占比分別為56.66%和6.56%，庫尾整體坡度低，地質敏感性低。

3.2 綜合敏感性分析

綜合分析三峽庫區消落帶自然環境特征，將以上5個單因子敏感性分析結果由變異系數法進行加權計算，得到三峽庫區消落帶生態敏感性綜合指數。同時根據結果得到三峽庫區消落帶生態敏感分布圖，見圖3。

圖3 2018年三峽庫區消落帶生態敏感性敏感等級空間分布圖

由表5、圖3可知，三峽庫區消落帶輕度敏感區面積占比最高，占庫區總面積的23.96%；不敏感區次之，占庫區總面積的23.33%；其次是中度敏感區域，面積占比22.00%；高度敏感和極度敏感區面積占比最小，且面積占比較為相近，分別為15.39%和15.33%。從庫首、庫腹及庫尾的分區數據統計來看，三峽庫區消落帶生態敏感性空間分異明顯。其中，庫首生態敏感性以極度敏感性為主，極度敏感區面積占庫首總面積的42.87%；庫腹生態敏感性以輕度敏感和不敏感為主，輕度敏感區面積占比與不敏感相近，面積占比均約為26.35%；庫尾生態敏感性以不敏感為主，不敏感區域面積占庫尾總面積的25.14%。

表5 綜合生態敏感性敏感等級面積占比

從整體上看，研究區中度以下表征較低生態敏感性等級面積占總面積的47.29%，中度以上表征較高生態敏感性面積占總面積的30.72%，庫區消落帶的綜合生態敏感程度總體處于中度偏低的水平，表明對于消落帶的生態保護維持較好。庫首生態敏感性整體偏高，主要由于庫首消落帶水域淹沒面積最大，區域內生物多樣性敏感性、生境敏感性、地形敏感性等多種單因子指標敏感程度居于高位的特征，此區域為生態保護的重點區域，應嚴格把控該區域水資源開發利用程度及方式，提高對該區域的生態保護，加強生態保護政策規定建設。

4 結論與討論

本研究從土壤侵蝕、土壤鹽漬化、生境敏感性、生物多樣性和地形敏感性綜合評價2018年三峽庫區消落帶生態敏感狀況，揭示各類敏感性因子對三峽庫區消落帶的影響程度并討論相關原因，研究結果如下。

研究區三峽庫區消落帶土壤侵蝕敏感性等級以輕度敏感為主導，生物多樣性敏感性以不敏感和輕度敏感為主，生境敏感的高度敏感區面積最大，地形敏感性以中度偏輕敏感為主；在各評價因子的綜合影響下，綜合生態敏感性以輕度敏感為主，不敏感區、輕度敏感區和中度敏感區域共占消落帶總面積的69.29%，表明庫區消落帶的綜合生態敏感程度總體處于中度偏低的水平，研究區的生態保護維持較好。

從空間分布看，三峽庫區消落帶生態敏感性庫首區域表現為高度敏感和極度敏感，庫腹和庫尾區域生態敏感性表現為中輕度以下。庫首生態敏感性高，主要原因在于庫首區域消落帶內地形條件復雜，坡度較大，水域覆蓋面高，植被相對較少，降雨侵蝕力強，導致鹽漬化、生物多樣性和生境敏感性程度高。

本文研究方法主要借助RS技術反演各評價因子，受基礎數據限制，測算結果存在一定誤差，但消落帶生態敏感性的總體分布規律能夠得到充分反映。因既有研究主要集中于整個三峽庫區，在將本研究的研究范圍與現有研究[15]分布圖進行裁切處理以后，綜合對比分析研究結果，消落帶生態敏感性的總體水平和空間格局基本相一致；在單因子生境敏感性評價結果存在一定差異，主要原因為對建設用地和耕地的生境敏感性等級劃分不同。

三峽庫區消落帶的綜合生態敏感性程度總體處于中度偏低水平，整體生態系統穩定性較好，對外界干擾具有一定抗干擾能力。生境敏感性、土壤鹽漬化是消落帶乃至整個三峽庫區主要的生態問題，對生態環境的敏感性影響較大，尤其是庫首區域。對于消落帶區域生態環境而言，應管控與治理并行。在對輕度以下敏感性區域的生態環境進行嚴格保護的前提下，對庫首消落帶的高度和極度生態敏感性區域，進行生態修復和治理。