基于多元数据的黄河三角洲核心区生态环境状况评价研究

郎坤，赵庚星，王文倩，张素铭，常春艳，王卓然

(山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018)

0 引言

近年来，中国经济发展迅速，但是许多地区在发展经济的同时忽视了区域内环境的保护，因滥砍滥伐、大水漫灌、农地搁荒等造成了土地沙化、盐渍化等土地退化问题，制约了经济发展并威胁了人类健康。黄河三角洲地区因为其脆弱的生态环境，特别容易受到自然和人为因素的破坏和干扰，一直是学术研究的热点。

因此，环境脆弱地区的生态环境状况的评价研究受到越来越多学者的关注，如马荣华[1-2]对海南海岛，利用RS与GIS提取生态因子信息并按景观生态类型进行了评价，提出了海南岛环境保护的建议；杨皓[3]利用RS数据，使用层次分析法对浙江省舟山群岛环境脆弱区进行了环境评价；Wang XD对青藏高原的环境脆弱性进行了评估，Dengiz O利用多层GIS分析对土耳其的盐湖生态环境状况进行了分级和评价等[4-5]，但目前大多评价仅利用RS数据或实测数据[6-8]，较少采用多元数据从多角度进行综合的区域生态环境状况的评价研究[9]。针对黄河三角洲地区的生态环境状况，侯学会[10]利用遥感数据提取植被绿度、干度、湿度，分析了近30年黄河三角洲生态环境状况；王瑞燕[11]从土壤和植被角度,构建了环境脆弱性综合评价指标体系，利用遥感对黄河三角洲地区环境进行了反演；元伟涛[12]利用GIS技术对垦利区生态敏感性进行了评价。总体来看，对黄河三角洲整体生态环境状况研究较多，但针对黄河三角洲脆弱生态环境核心地区的系统研究较少。因此，该研究尝试利用3S数据、统计数据、野外实测数据等多元数据，对黄河三角洲核心地区的垦利区进行综合的系统评价，对其生态环境状况进行分级，并与现有的土地利用现状进行比较，从而为研究区生态环境保护和土地资源持续利用与管理提供科学依据。

1 研究区概况

该研究选择黄河三角洲核心区东营市垦利区，该区属暖温带大陆性季风气候区，其地形自西南向东北呈递降趋势，春季降雨少且蒸发强烈，易积盐，夏季雨水较多易发生涝灾。黄河为境内唯一的自然淡水河流，地下水矿化度较高，水位较浅。土壤类型主要为盐化潮土、滨海盐土，土质偏轻、盐化较重。区域内水域、农用地、建设用地等交错分布，土地利用变化剧烈，生态环境十分脆弱，对其生态环境状况进行评价，研究具有高度典型性与代表性。

2 数据及处理

2.1 遥感数据及预处理

生态环境状况评价需要对地表的植被信息进行有效的提取，因此选用2017年4月18日的黄河三角洲地区高分一号春季影像，该时段植被影像较为突出，各地物特征较为明显，易于区分。为了更好提取各地物信息，对影像进行辐射定标、大气校正和几何精校正，并用垦利区的行政区划掩膜裁剪，对海域进行剔除，得到研究区高分影像。

2.2 野外实测数据及处理

土壤样品采集于2017年春季，与影像时间信息大致相符，综合考虑地形、土壤质地和环境因素，以覆盖全区域均匀布设为原则，以1000～1500m为采样间距，采用棋盘型布设101个样点。采样过程中，用差分GPS确定采样点的坐标与高程，每个样点采用五点取样法采集4份0～15cm土层土样，其中3份用于空间变异性分析，一份用于验证，每份土样约重500g。将样品自然风干至恒重，捡去石块与样品内的动植物残体，研磨过筛，进行化验分析，利用质量—电导率法确定土壤含盐量，中性醋酸浸泡—震荡后再利用pH仪测定土壤pH值。采样点分布如图1所示。

图1 研究区采样点分布图

对化验分析数据进行整理并进行经典统计分析，对异常值进行剔除，最终得到98个样点数据。用地统计分析软件模块进行实验半方差函数和变异函数理论模型的拟合，通过采用球状模型、高斯模型、指数模型与线性模型的变异函数理论模型，以变程、块金系数、基台值、块金系数/基台值、决定系数和残差平方和作为模型的主要参数，根据多次变异函数理论模型拟合试验，根据残差平方和(RSS)最小和决定系数(R2)最大进行最佳模型的选择[13]。根据区域化变量空间相关性程度的分级标准，用块金系数/基台值的大小来判定变量的相关程度，其比值若小于25%，则为空间强相关，若处于25%～75%则为空间中等相关，若大于75%则为弱相关，结合Moran’s I判断土壤性状的空间自相关性和空间聚集程度[14]。

2.3 统计数据与调查数据

统计数据选取2017年垦利统计年鉴数据，调查数据采用土壤普查、土地利用现状调查及测土配方施肥项目等相关数据，获取垦利区社会经济、自然资源、人口数量、土地利用等相关信息。

2.4 评价单元及指标分值分级

采用格网法进行垦利区评价单元划分。县级及以下研究区格网大小一般设定为20～500m[15]，结合垦利区面积与其生态环境状况评价的指标因素，以200m边长的正方形网格作为基础评价单元，能较好反映区域内的生态环境状况差异。将各指标在评价单元内进行叠加处理分析，得到垦利区的生态环境状况数据，运用MATLAB对数据量化处理，参考相关文献并结合垦利区的环境具体状况，将垦利区生态环境状况指标划分为优(分值>80)、良(分值60～80)、中(分值40～60)、差(分值20～40)、劣(分值<20)6个等级[16-17]。得到研究区生态环境状况的评价结果。

在此基础上，将该研究评价结果与2015年国家《生态环境状况评价规范(HJ 192—2015)》规定方法的评价结果进行比较，对该方法结果的合理性进行分析[18-20]。同时，基于评价结果进行研究区生态环境状况分区，并对各区土地利用进行分析。

3 评价指标体系的构建

结合垦利区的区域特征与数据特征，所选择的生态环境状况评价指标包括环境资源约束与环境质量约束两类，区域环境资源的丰富程度决定着区域环境承载能力的大小，区域环境质量的优劣也直接影响区域生态环境状况，其准则层分别包括土地资源开发利用、水资源开发利用和环境质量压力度、生态系统稳定度4个方面。

土地资源开发利用包括人类活动指数和单位面积可利用的土地资源2个指标。人类活动对区域的环境状况有直接的影响，不同的土地利用方式对环境干扰的程度不同。单位面积内可利用土地资源则直接影响区域土地资源开发，可利用土地资源越多，其区域的开发潜力也越大，因此，通过人类活动指数与人均可利用土地资源可反映区域土地资源的开发利用的约束。

水资源对地区生态环境有着重要的影响，水资源分布的均匀程度直接作用于区域环境状况的优劣，因此通过遥感影像提取研究区水体，并构建水网密度指数指标。另一方面，地下水的适宜开发程度对区域生态环境亦有重要影响，垦利区紧邻渤海，又为冲积平原，地下水水位较浅且矿化度较高，将地下水矿化度和潜水埋深结合可体现区域地下水适宜开发程度。因此，利用水网密度指数和地下水适宜开发程度指标来表征垦利区的水资源约束程度。

土壤盐渍化与土壤碱化是垦利区土地质量退化的重要影响因素，是该区环境质量的关键约束指标，通过野外实测土壤数据，对土壤盐分和土壤pH值进行插值分析，通过其插值结果反映区域内土壤的盐碱化对环境质量的压力。

植被指数是反映区域环境状况的综合有效指标，良好的环境必定有良好的植被覆盖，因此选取植被指数作为研究区生态环境评价的重要因素，采用归一化植被指数(NDVI)来表示研究区植被覆盖信息，NDVI值越高，表示植被覆盖程度越好，另外选取对土壤背景变化敏感的差值植被指数(DVI)，二者结合反映研究区生态系统的稳定度。

运用层次分析法，确定各个指标层的权重，最终构建垦利区生态环境状况评价指标体系(表1)。

4 研究区生态环境评价的指标提取

4.1 人类活动指数

利用遥感影像提取垦利区土地利用状况，采用能有效避免图像破碎、改善影像分类精度的面向对象分类法[21-22]，参考第二次全国土地调查的土地利用分类，并根据研究区土地覆被状况对土地利用类型进行筛选合并，将垦利区土地利用类型分为建设用地、耕地、林草地、人工水域、自然水域、盐荒地、滩涂7类。图2为垦利区土地利用分类图，分类结果经Kappa系数检验，总分类精度为82%，其精度符合评价要求。

根据分类结果可以看出，垦利区的土地利用主要以耕地为主，在中部与西南有大量分布，中北部黄河两侧有大面积的林草地，东部沿海分布有大量的养殖用地，内陆人工水体集中分布在中部，自然水体以黄河为主，区域内有大面积的盐荒地，土地开发潜力巨大。

根据人类活动越强烈，对生态环境的扰动越剧烈，当地的生态环境就越脆弱的原则，参考相关文献，对各地类进行赋值(表3)，分值越高，人为干扰越小[23]，则从而得到研究区人类活动指数。

表2 垦利区地类影像斑块特征及提取规则(RGB432波段合成)

1—建设用地;2—耕地;3—林草地;4—人工水体;5—自然水体;6—滩涂;7—盐荒地图2 垦利区土地利用分类图

土地利用类型林草地自然水域沿海滩涂盐荒地耕地人工水域建设用地分值90786560534830

4.2 水网密度指数

从垦利区土地利用分类图中的自然水域和人工水体提取出来，剔除沿海地区的盐田及海水养殖水域，只保留淡水水体，将研究区评价单元水体面积与评价单元面积的比值作为水体密度指数，公式如下：

水体密度指数=评价单元内水体面积/评价单元面积

垦利区水体密度指数如图3所示，可以看出，垦利区内陆地表水以中部水库与黄河为主，西部地表水较匮乏，总体看垦利区水体密度较低，淡水资源比较匮乏。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100图3 垦利区水体密度指数图

4.3 土壤pH值与土壤盐渍化

4.3.1 土壤数据的描述性统计分析

土壤pH和盐分数据的描述性统计分析，其分析结果如表4所示，垦利区pH均值为7.548，土壤偏碱性，变异系数为2.71%，表明研究区内pH值整体变化较小。研究区土壤盐分含量较高，最大值为1.217g·kg-1，最小值0.128g·kg-1，均值0.380g·kg-1，表明土地盐渍化程度较为严重，盐分变异系数为63.92%，说明其区域内盐分数值变化较大。土壤pH与盐分数据均通过K-S验证，其值均大于0.05，符合正态分布。

表4 土壤数据的描述性统计分析结果

注：盐分(SALT)g·kg-1。

4.3.2 土壤数据的空间变异特征

因为土壤质量指标具有各向异性，利用GS+对土壤数据进行统计分析，得到其半方差理论模型和参数如表5所示，可以看出，土壤的pH和盐分指标的半方差函数主要拟合为球状模型，模型的决定系数均在0.8以上，说明所选模型符合精度要求。土壤pH的块金系数小于盐分的块金系数，说明与盐分相比，其相同空间变化幅度较小，土壤的pH与盐分质量指标的变程均远大于采样间距，说明样点能反映研究区土壤pH与盐分指标空间变化特征。莫兰指数的范围在(-1,1)，其取值接近于0，表示空间过程不相关，取正值表示正的自相关[23-25]，研究区土壤的pH和盐分I值分别为0.495与0.668，均为中等强度的自相关，其结果与块金比相一致。

表5 土壤质量指标的半方差函数的理论模型和参数

4.3.3 土壤质量指标

利用ArcGIS地统计模块中普通克里格法对土壤的pH和盐分指标进行插值，用研究区掩膜裁剪，并经验证点精度检验后，生成区域对应的插值结果图。为了符合通常计算分值的习惯，利用标准化处理公式将土壤的pH和盐分插值结果转化到(0,100)之间：

(1)

式中:a—原区间最小值；b—原区间最大值；c—目标区间最大值；d—目标区间最小值。

由于垦利区土壤的pH>7，随着pH升高，对土壤的改良和植被生长压力越大，土壤盐分亦是如此，所以对处理结果进行逆处理，土壤的pH与盐分含量越高，其分值越低，将转换后的插值结果如图4所示。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100图4 垦利区土壤pH指标(a)与土壤盐渍化程度指标图(b)

可见，垦利区土壤pH值的分值由海岸线向内陆逐渐增加，西南大部分地区与中北部黄河两侧分地区分值较高，中部、东部分值较低。土壤盐碱化程度的分值与土壤pH值的分值大致相同，都是由海岸线向内陆自东向西逐渐增加，有较显著的分带现象。综合看，垦利区土壤pH值与盐渍化程度都是由沿海向内陆逐渐递减，东部沿海地区的pH值较高、土壤盐渍化程度较为严重，西南区pH值与盐渍化程度较低，土壤改良利用较好。

4.4 植被指数

利用高分影像B3，B4波段的亮度值分别提取研究区NDVI{(B4-B3)/(B4+B3)}和DVI(B4-B3)值，将研究区NDVI和DVI值进行标准化处理，得到垦利区NDVI和DVI指数图，NDVI指数图与DVI指数图按照相同的权重进行叠加，得到垦利区的植被指数分布图，计算公式如下：

植被指数=0.5NDVI+0.5DVI

图5中可以看出，研究区植被指数东部整体偏低，西部整体较高，由东向西逐渐递增，其西南地区植被指数最高，说明其植被覆盖度较高。植被指数图与垦利区的土壤pH和盐渍化指数图大致一致，其值均有从沿海向内陆逐渐增高趋势，说明沿海较为严重的土壤盐渍化对植物生长具有抑制作用，植被指数较低，而西南与北部部分地区盐分较轻，作物生长较好，植被指数较高，但总体看垦利区植被指数偏低。

1—0～20;2—20～40;3—40～60;4—60～80;5—80～100图5 垦利区NDVI指数(a)、DVI指数(b)与植被指数(c)图

4.5 地下水适宜开发程度

利用垦利区第二次土壤普查的地下水矿化度与潜水埋深数据分析地下水适宜开发程度，其中潜水埋深分为1～2m，2～3m，3～4m三个等级，地下水矿化度则分为小于2g·L-1的弱矿化水、2～5g·L-1的中矿化水、5～10g·L-1的强矿化水、10～30g·L-1的盐水和大于30g·L-1的高浓度盐水5个等级，其分级如图6所示。利用德尔菲法对潜水埋深和地下水矿化度分别赋以权重，最终得分如表6所示，进而得到研究区地下水适宜开发程度(图7)。

1—0～20；2—20～40；3—40～60；4—60～80；5—80～100图6 垦利区生态环境状况评价图

可以看出，垦利区的地下水适宜利用程度由海岸线向内陆逐渐增加，沿海地区地下水水位低，矿化度也较高，地下水难以直接利用，其对土壤的盐分与pH值影响也较大，进而影响到区域的植被分布，而地下水适宜开发分值较高的地区，土壤的pH值与盐分值相对也较低，植被指数也较高，说明地下水对垦利区的生态环境有较大影响。

表6 潜水埋深与地下水矿化度分级及分值

1—1～2m；2—2～3m；3—3～4m；4—弱矿化水；5—中矿化水；6—强矿化水；7—盐水；8—高浓度盐水；9—0～10；10—10～20；11—20～40；12—40～60；13—60～80图7 垦利区潜水埋深(a)、地下水矿化度(b)及地下水适宜利用程度(c)图

4.6 人均可利用土地资源

利用垦利区2017统计年鉴数据，获取各镇与办事处人口并赋值到研究区行政区划上，人均可利用土地资源即为行政区面积与其人口数之比，再将其按标准化公式转到(0,100)区间内，从而得到垦利区各镇与街道人均可利用土地资源数据。

5 垦利区生态环境状况评价结果分析

5.1 垦利区生态环境状况评价结果

垦利区生态环境状况评价结果如图7所示，其生态环境等级比例如图8所示。

图8 垦利区生态环境状况各等级面积比例表

可以看出：

(1)垦利区的生态环境状况总体为中等偏低水平，环境状况为优的地区仅占0.1%，总体看，研究区生态环境状况从沿海向内陆逐渐变好，西南大部地区与中北部黄河两侧地区是研究区内生态环境状况最佳区域。研究结果与垦利区的实际环境空间格局基本一致，证明能较好地反映垦利区的生态环境水平。

(2)生态环境状况中等水平的区域占总体面积的30.8%，环境状况差等水平区域占区域总面积的38.7%，生态环境状况劣级水平区域占区域总面积的22.8%，证明区域内大部分区域环境压力较大，沿海区域内土地盐渍化程度与碱性较高，地下水矿化度也较高并且水位较高，土壤易受盐渍化威胁，植被覆盖度低，区域内生态环境极易受到破坏。

(3)西南大部地区与中北部黄河两侧地区其区域内植被覆盖度高，环境稳定度高，水资源丰富且地下水适宜开发程度较高，土地盐碱化程度较低，未来一方面要加强其区域内的环境保护，保持其良好的生态状况，另一方面也要加强其周围区域的环境保护力度，改善周围区域的环境状况。

5.2 评价结果与规程结果的对比分析

图9为该评价结果与《生态环境状况评价规范(HJ 192—2015)》评价结果的比较，图9(a,c)为该研究评价结果图与面积比例，图9(b,d)为规程评价结果与面积比例。可以看出，研究区2种评价结果生态环境状况的等级空间分布具有较好的一致性，但规程评价结果相较于该评价结果整体偏低，且区域之间的等级変化不明显，说明该研究方法可以对垦利区的生态环境状况进行有效的反演，并能更细致地反映其生态环境状况等级的变化。

1—0～20；2—20～40；3—40～60；4—60～80；5—80～100图9 研究区评价结果比较图

5.3 基于评价结果的生态环境状况分区

为更好地进行研究区生态环境的保护管理，对分级结果进行平滑化处理，并将破碎的小单元按大小依次合并，结果呈现3个明显分带的区域，根据3个区域的主要生态环境状况等级，将其分别命名为生态环境稳定区，生态环境过渡区与生态环境脆弱区，结果如图10所示。

1—生态环境稳定区;2—生态环境脆弱区;3—生态环境过渡区图10 垦利区区域生态环境等级划分图

生态环境稳定区域位于内陆地区，其区域内生态环境状况等级主要为中等级偏上，区域内淡水资源相对较多且大部分区域地下水可被利用、植被有较好覆盖、土壤盐渍化程度相对较低，未来区域内在将现有植被的保护与水利设施维护的条件下，宜逐步改善其边界的生态环境，使生态环境稳定区域向沿海移动。

生态环境过渡区位于生态环境稳定区与生态环境脆弱区之间，生态环境脆弱区向内陆扩张和生态环境稳定区向沿海改善的中间地带，生态环境状况等级主要为差等级，区域内易受到土壤盐渍化与地下水盐分上移的影响，生态环境状况也较为脆弱，为防止生态环境脆弱区向内陆的扩张，需加强区域内的抗盐碱植物的培育和区域内的灌排设施完善，使过渡区向沿海移动，逐步减少生态环境脆弱地区比例，稳定区域内生态环境。

生态环境脆弱区为靠近沿海区域，其生态环境状况等级主要为劣等级，区域内土壤盐分与pH较高，地下水不适合开发利用，易受到海水的侵蚀，植被生长状况较差并极易受到自然以及人为因素的影响，生态系统环境较为脆弱，未来在保护好其区域内现有植被的前提下，减少区域内建设用地的开发强度，防止其脆弱的生态环境受到破坏。

5.4 区域生态环境等级的土地利用分析

将研究区生态环境等级分区与土地利用分类结果相叠加，对各区土地利用特征进行分析，其结果如图11、图12所示。

1—建设用地;2—耕地;3—林草地;4—人工水体;5—自然水体;6—滩涂;7—盐荒地图11 生态环境分区的土地利用状况分析

图12 生态环境分区的土地利用面积统计分析

生态环境稳定区土地利用方式以耕地为主，耕地面积占该区总面积的36.84%，占研究区总耕地面积的83.44%；其次为建设用地，占该区总面积18.45%，占研究区建设用地总面积的83.44%；再次为盐荒地，占该区面积的17.17%。从空间分布看，该区耕地多围绕建设用地分布，耕地集约利用程度较高，其人工水体占总人工水体的27.98%，以淡水资源为主，土壤盐渍化较轻，植被指数较高，未来该区在保护好现有生态环境的同时宜注重农田基本建设，控制建设用地规模，加强区内盐荒地的开发利用。

生态环境过渡区内盐荒地占该区总面积的31.85%，其次为耕地，占27.49%，林草地占10.51%。区内耕地利用较为粗放，土壤易受盐渍化的威胁，未来该区应提高耕地集约化利用程度，加大土壤盐渍化改良力度，同时还要杜绝耕地乱占林草地现象，保护区内林草地资源，提高地表植被覆盖。

生态环境脆弱区地类以滩涂为主，面积占该区总面积的47.37%，人工水体占比为32.74%，总人工水体的48.28%分布在该区，以养殖和盐田为主，水体含盐量较高，同时有少量的林草地(占总林草地面积的6.51%)分布于黄河及黄河故道两侧。未来该区应适度水产养殖规模，防止海水侵蚀，加强天然林草地的保护。

6 结论

(1)该研究通过3S技术，利用实测数据、统计数据与遥感数据等多元数据，针对黄河三角洲核心区的县域尺度，构建了生态环境状况的评价体系，进行了评价结果的系统分析，相较于国家规程，该研究能更加细致合理地反映研究区域内生态环境状况的差异。

(2)研究结果显示，垦利区的生态环境状况总体较差，生态环境状况优、良的比例仅占7.7%，生态环境差、劣的等级则占61.5%，研究区内生态环境状况从沿海向内陆逐渐变好，东部沿海地区生态环境状况较差，西南地区和中北部黄河两侧是垦利区生态环境状况最优的区域。

(3)将垦利区生态环境状况划分为生态环境稳定区、生态环境过渡区与生态环境脆弱区3个区域，各区主要土地利用类型分别为耕地、盐荒地和滩涂，各占其区域总面积的36.84%，31.85%和47.37%。未来生态环境稳定区要强化农田基本建设，控制建设用地规模，同时加强区内盐荒地的开发利用；生态环境过渡区应提高耕地集约化利用程度，加大土壤盐渍化改良力度，提高地表植被覆盖；生态环境脆弱区应适度水产养殖规模，防止海水侵蚀，加强天然林草地的保护。

该研究较好探索了基于多元数据的生态环境脆弱区的生态环境状况评价技术方法，研究结果对黄河三角洲生态环境的保护管理及土地资源的持续利用有积极意义。