大凌河流域生态脆弱性评价及其空间变化特征研究

王 佳

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110000)

生态环境脆弱性是受到外界干扰作用时生态系统固有属性的表现，它是人为和自然因素相互作用的结果。近年来，脆弱性研究越来越引起国内外学者的广泛关注，并成为生态领域研究的热点问题。国外学者多利用不同的指标体系，从脆弱性概念入手，综合研究不同尺度、影响区域的生态脆弱性；虽然国内研究起步较晚，但能够更加全面地研究生态脆弱性内容，综合应用多种方法实现系统性评估。Chatterjee[1]、Mansur[2]、Sathyan[3]、Mahapatra[4]、Alves[5]、Shukal[6]等国外学者应用不同指标体系及研究方法，科学评价相关地区的脆弱性，张鑫[7]、余坤勇[8]、王钰[9]、刘玒玒[10]、雷波[11]、石惠春[12]等国内学者应用多种指标和方法，深入探究相关领域及河流的脆弱性。通过对脆弱性现有研究的深入分析，能够更加深刻地认识自然环境以及提高资源环境的保护力度，实施有效的技术措施促进生态系统的良性循环。大凌河流域属辽西生态环境脆弱区，流域内山高谷深、地形复杂，人为与自然因素影响石漠化、水土流失等问题突出，其生态系统稳定直接关系着辽西的经济发展和沿河居民生活。鉴于此，以辽宁省大凌河流域为例，借助GIS软件建立以人类活动、气象、植被、土壤、地形为表征的指标体系，并利用不同分类法分析生态脆弱性分异特征，以探究生态脆弱性制约因子，为恢复性保护与治理流域生态环境提供科学依据。

1 流域概况

大凌河流域有南西北3源，流经凌源、建平、朝阳、北票、义县、凌海、大洼等地区后汇入渤海，总长435km，占地面积为23263km2。流域内地貌类型以山丘为主，极少数为平原，地势自西北向东南呈阶梯式递减趋势，从山地、丘陵过渡至山前倾斜平原至渤海西岸，高程波动起伏大，海拔为400～1200m。流域属温带季风气候，年均气温为8.0～9.0℃，年均降水量为500mm，季风气候影响全年，70%～80%降水集中于6—9月，年际降水量丰、枯比最高可达3，年际径流量丰、枯比最高达10，年均蒸散发量为1700mm。流域土壤类型多为褐土，同时兼具少量栗钙土与棕壤土，土质疏松、土层薄且有机质含量低，地质发育良好，地形破碎，以土石质“V”形沟壑为主。长期以来，由于毁林开荒、垦草种粮等不合理的土地利用，加之农业种植方式落后，原生植被严重破坏，土地退化、生态环境恶化等对当地经济发展构成潜在威胁[13-16]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究所需的人口、经济、水文气象、土壤类型、NDVI数据和DEM等数据来源，见表1。考虑到无法直接使用部分初始数据，经提取处理使初始数据符合流域生态脆弱性评价要求，数据因子处理过程见表2。

表1 数据来源

表2 数据因子的处理

2.2 研究方法

2.2.1层次分析法

评价生态脆弱性中权重的确定为关键环节，对生态环境能够真实、客观地反映发挥着决定性作用。目前，确定权重的常用方法有层次分析法、主成分法和专家咨询法等。结合流域生态系统特征及现有文献资料，拟选用层次分析法确定权重。该方法能够考虑人的主观判断来实现复杂事物的定性分析，故属于一种定性问题定量分析的多准则决策法。

2.2.2分类方法

相等间隔分类和自然间断点分类为以往多采用的分类法，仅选用一种分类法通常难以较好地揭示流域生态脆弱性特征，在实际应用过程中存在一定局限性。考虑利用自然间断点法、相等间隔法和分位法系统分析生态脆弱性空间特征。①自然间断点法(ZRJD)：以数据固有的自然分组为基础，能够最恰当地对相似值分组，也可识别分类间隔并最大化各类间的差异，对于非均衡分布数据值的映射具有较好的适用性，而对多个地图不同基础信息的比较，其适用性受到限制。②相等间隔法(XDJG)：利用大小相等的若干子区间组成属性值的范围，并以值范围自动确定或人为指定分类间隔数，对于常见的数据范围，该方法存在较好的适用性，强调较其他值某属性值的相对量。③分位法(FWS)；数据呈线性分布特征时比较适用分位数，以相等数量的数据值分配于每个类，并保证各类值数量相同且不存在空类，以此获取的地图往往具有明显的误导性，为降低这种失真，应尽量增加类的数量。

3 生态脆弱性评价

3.1 建立评价体系

文章充分考虑各类自然因素，以人为活动干扰为主，综合评价流域生态脆弱性，即利用多个单因子(表2)反映流域的整体环境状况。考虑到不同参评因子量化标准的差异性，无法直接参与运算，因此评价前应赋予各因子相应的数值。因子赋值越大，生态脆弱性则越小，反之脆弱性越大，具体见表3。

表3 生态脆弱性参评因子赋值及其权重

3.2 计算指标权重

文章结合流域实际情况和生态脆弱性相关文献资料，拟对各指标权重利用AHP法求解，构造的比较矩阵见表4。经反复论证及多次调整，最终确定符合实际情况的各指标权重，见表3。在脆弱性评价过程中植被覆盖度占据着重要地位，而人类活动发挥着关键性作用，权重较大的GDP、人口、植被覆盖与流域实际情况相符；坡度、降水、气温、有机质、土壤厚度等因素均在一定程度上影响着生态脆弱性，这些因素具有较大的权重；植被覆盖度、植被生长状况受坡向的影响有限，所以赋予的坡向权重具有科学合理性。因此，赋予的各因子权重能够满足生态脆弱性评价要求。

表4 相对重要度比较矩阵

3.3 构建评价模型

综合考虑所有参评因子权重构建生态脆弱性评价模型，其表达式为：

EV=0.46S+0.018A+0.040W+0.071D+ 0.071O+0.076T+0.076P+ 0.022N+0.134V+0.223R+0.223E

(1)

式中，R、V、N、P、T、O、D、W、A、S—GDP、人口密度、植被覆盖、NDVI、降水、气温、土壤有机质、土壤厚度、起伏度、坡向和坡度因子。EV的取值区间为1.54～4.88，将生态脆弱性划分为潜在、轻微、一般、中度和极度脆弱5个等级，各脆弱等级的评分区间利用不同分类法确定，见表5。

表5 不同分类法的脆弱等级划分

4 结果与分析

4.1 生态脆弱性整体评价

(1) 整体占比分析。研究表明，利用不同分类法计算的各脆弱程度面积占比具有明显差异，而脆弱性分级相差不大，结果见表6。①对于不同脆弱程度，分位法确定的面积相差较小，潜在、轻微、一般、中度、极度脆弱区面积分别为4527、4699、4669、4757、4611km2，面积占比依次为19.46%、20.20%、20.07%、20.45%、19.82%。②较其他方法，相等间隔法确定的潜在和极度脆弱区面积较小，分别为1570、872km2，所占比例分别为6.75%、3.75%；一般与中度脆弱区面积较大，分别为8398、6286km2，所占比例分别为36.10%、27.02%。③自然间断点法确定的一般、中度脆弱区面积也较大，分别为5681、5432km2，所占比例分别为24.42%、23.35%，而潜在、极度脆弱区面积较小，分别为4390、3201km2，所占比例分别为18.87%、13.76%。总体而言，流域生态系统具有一定的不稳定性，生态环境以中度、一般脆弱程度为主，已发生不明显的生态问题且面临相应的生态压力，生态环境治理应引起流域管理部门的重视。

表6 不同脆弱程度的面积比例

(2) 区县整体特征分析。对径流面积较大的区县利用GIS软件计算生态脆弱性平均值，通过空间分析更好地揭示脆弱性分布特点。结果显示，脆弱性评分最小的位于流域上游区，特别是上游凌海市、义县、北票市等地区的生态环境非常脆弱，在空间上这几个市县的平均值、最小值、最大值均属于低分区。另外，生态环境脆弱区还包括人类活动强烈的锦州市、朝阳市，而流域中下游大部分区县属于生态环境较好的地区，如喀左、建昌、绥中等县。

4.2 空间分布特征

(1) 极度脆弱区特征。总体上，流域上游和北票、凌海及其周边区域属于极度脆弱集中分布区。在空间分布上，不同分类法确定的脆弱程度具有一定差异：相等间隔法计算的极度脆弱区分布于中上游的义县、北票市等地，较其他脆弱程度面积最小，为872km2，所占比例为3.75%；自然间断点及分位法确定的脆弱区较密集的位于上游大部分区县，区域面积分别为3201、4611km2，所占比例分别为13.76%、19.82%。大凌河上游人口密度大、聚集人口多、经济文化较为发达，并且对交通、用水及用地的需求大，加之气候条件差、山高坡陡、岩石裸露等自然因素，使得石漠化、土壤侵蚀及洪涝灾害问题突出。总体而言，上游区域及经济较发达的市区属流域极度脆弱区，其所占面积较小，呈点状的空间分布特征[17-19]。

(2) 中度脆弱区特征。不同分类法确定的脆弱区面积分别为5432、6286、4757km2，所占比例分别为23.35%、27.02%、20.45%。研究发现：相等间隔法确定的脆弱区集中于中下游的朝阳县、北票市及上游的盘山县；而自然间断点与分位法确定的脆弱区集中于义县、朝阳县、凌海市等地区，且呈密集分布特征。其原因为城市经济发展较好，长期不合理的林业、化工业、煤矿进而水电等资源开发，致使工业废水及有毒污染源排入河流、水质恶化，河流鱼类及水生物不断减少。因此，在空间上流域中度脆弱区呈斑点状密集分布的特征，脆弱区面积具有不断增加的趋势。

(3) 一般脆弱区特征。运用不同分类法确定的脆弱区面积分别为5681、8398、4669km2，所占比例分别为24.42%、36.10%、20.07%。结果显示：流域的上中下游均分布有一般脆弱区，其中自然间断点与分位法呈稀疏分布特征，而相等间隔呈更稠密的分布特点。中下游区多低山丘陵，地势相对平坦且海拔高差较低，土地利用存在良好的优势。然而，该地区存在一定坡度条件，低山丘陵多且分布有强烈发育的岩溶地貌。近年来，为减轻土壤侵蚀，当地政府实施了一系列生态保护、退耕还林工程，加之生态保护意识的增强，在一定程度上减轻了生态系统压力。在空间上一般脆弱区呈分散分布特征，对恢复性治理和保护流域生态环境带来不利影响。

(4) 轻微脆弱区特征。采用不同分类法确定的脆弱区面积分别为4560、6137、4699km2，所占比例分别为19.60%、26.38%、20.20%。研究表明：相等间隔法确定的脆弱区集中于中下游的木头城子镇、乌兰河硕乡、牤牛河等地区；自然间断点与分位法确定的脆弱区分散于建平县及其周边。流域中下游脆弱程度低且人为干扰力度较弱，其基础设施较为完备，经济水平相对良好，但其耕地面积相对较大、城镇化进程较快，所以该区域表现出轻微脆弱程度。在空间分布上相等间隔法、自然间断点法与分位法的脆弱区呈更加紧密以及斑点状稀疏分布特征。

(5) 潜在脆弱区特征。采用不同分类法确定的脆弱区面积分别为4390、1570、4527km2，所占比例分别为18.87%、6.75%、19.46%。结果表明：相等间隔法确定的脆弱区分散于喀左、建昌、绥中等县城及其周边地区；自然间断点法与分位法确定的脆弱区较密集地分布于凌源市区与其周边乡镇。流域上游的生态破坏严重、环境质量较差、生态系统脆弱，所以呈点状分布特点；中下游地区坡度及地形相对较小、土壤有机质含量高，加之降水充足、气候温和、自然环境和水热组合条件良好，因此其脆弱性较低。受城市化进程及经济社会发展的影响，若未能协调好生态环境与经济发展间的关系，中下游地区也必将面临着生态安全隐患。

5 结论

(1) 采用不同分类法计算的各脆弱程度面积占比具有明显差异，而对脆弱性分级相差不大。流域生态系统具有一定的不稳定性，生态环境严重破坏区集中于城市中心及上游大部分地区，而中下游具有相对较好的自然环境条件。其中，上游区石漠化、水土流失等问题突出，下游区的生态脆弱性较低、环境保护较好。

(2) 大凌河流域生态系统受人类活动的影响显著，上游和北票、凌海及其周边区域属于极度脆弱集中分布区，其城市化水平高、人口密度大且经济条件好，受外来干扰、地理、经济、人文、自然等影响因素多，生态系统稳定性较差。