祁连山国家公园生态脆弱性评价——以张掖段为例

贾雪梅， 高 烨， 周 涛， 张国信， 唐家凯， 王运兴， 周自强

(1.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000； 2.兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000;3.甘肃建研岩土工程有限公司，甘肃 兰州 730000)

生态脆弱性是当今全球生态和可持续发展的热门问题，尤其是人地关系和人类活动带来的“生态区域”、“安全”、“脆弱性”等问题受到极大关注[1-4]。2017年祁连山国家级自然保护区升格为祁连山国家公园，以此为契机，国家对祁连山违规违建进行整改，并对生态环境破坏进行生态修复[5]。

祁连山国家公园跨青海和甘肃两省，地处蒙新、黄土、青藏三大高原交汇地带的祁连山北麓，具有丰富的生物多样性和独特而典型的自然生态系统，是西北地区乃至中国重要的生态安全屏障。祁连山国家公园甘肃片区占总面积的68.5%，区内地形复杂，相对高差大，海拔为1 731～5 633 m。该区以山地地貌为主，同时也分布着风成地貌、冰川地貌、流水地貌和人工地貌。从地貌形态上看，有峡谷、盆地、丘陵、低山、中山和高山，同时存在着明显的冰蚀区地貌单元。祁连山国家公园张掖段地处甘肃片区中部，是草地、林地、水域、湿地和荒漠等生态类型最为集中的区域，也是国家公园生态脆弱性较为敏感的区域。为探讨祁连山国家公园的生态脆弱性，以张掖段为例，结合地理信息系统(Geographical Information System，GIS)和遥感(Remote Sensing，RS)技术，采用主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)进行生态脆弱性评价研究，以期为祁连山国家公园生态环境保护提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与处理

生态环境的基本要素包括植被发育程度、地形特点、降水量、温度、土地利用类型及其群落结构、土壤特点和空间格局等，这些因素直接影响区域环境的稳定性和自然平衡能力。将研究区的植被、高程、降雨量、气温、坡度、土壤湿度、土壤亮度和土地利用等自然因素分别量化为归一化植被指数(NDVI)、数字高程模型(DEM)、年均降雨量、年均气温、坡度、土壤湿度指数(TMW)、土壤亮度指数(TMB)和土地利用类型。数据来源于地理空间数据云网站、美国地质调查局(USGS)官网和中国气象数据网。数据处理采用WGS-84地理坐标系和Albers Conical Equal Area投影坐标系。利用ArcGIS 10.6、ENVI 5.3和Excel软件对研究区遥感影像进行校正、镶嵌、裁剪、重采样等处理，生成大小为30 m×30 m的各类型栅格图(图1)。

图1 祁连山国家公园张掖段自然因素分布图Fig.1 Distribution map of natural factors in Qilian Mountain National Park,Zhangye City

1.2 研究方法

主成分分析法是通过提取原数据中大部分信息量并进行降维处理，得到少数几个综合指标的统计分析方法[6-7]。该方法可避免信息重叠，通过客观确定指标权重避免主观因素的干扰[8]。具体步骤如下：

(1) 对原数据进行标准化处理，消除数量级和量纲不一致的问题。

(2) 计算变量之间的相关系数矩阵R。

(3) 计算相关系数矩阵R的特征值λi和对应的特征因子贡献率bi，bi计算公式为：

(1)

式(1)中:i为指标个数；m为指标总个数。

(4) 根据因子矩阵计算各评价因子的公因子方差Hi，即：

(2)

式(2)中：i为指标个数；k为主成分个数；j为主成分总个数。

(5) 根据公因子方差Hi进行归一化处理，得到各指标权重。

2 生态脆弱性评价

采用ArcGIS软件的Principal Component模块，将标准化的8个指标因子进行主成分分析。根据所转换的主因子特征向量，利用公式(1)计算得到各主因子的贡献率，然后依据主成分个数的提取原则，以累积贡献率≥85%确定主因子数[9]。由于前4个主因子的累积贡献率为91.911%，故选用前4个主成分(表1)，其包含的数据已经含有原变量所携带的绝大部分信息。利用因子矩阵计算各评价因子的公因子方差和权重系数(表2)，再将指标因子与权重系数加权求和得到生态脆弱性分布图(图2)。

由表2可知，研究区各指标因子的权重由高到低依次为年均降雨量、坡度、土地利用类型、年均气温、DEM、NDVI、TMB、TMW，其中前三个因子的权重合计约75%，说明影响研究区生态脆弱性的主要因素为年均降雨量、坡度和土地利用类型。

表2 研究区因子方差和权重系数Table 2 Factor variance and weight coefficient of study area

脆弱性指数值越大，表明生态脆弱性程度越高。研究区生态脆弱性程度空间差异较大，脆弱性指数最大值为0.850，最小值为0.228，平均值为0.570，显示生态脆弱区域主要分布于研究区西北部，生态系统稳定区域主要分布于研究区东南部。

研究区气候属高寒山地半干旱气候，年均降雨量为270 mm，多年平均蒸发量为1 784 mm，后者为前者的近7倍。从西北部至东南部，NDVI、年均降雨量和年均气温由低到高，地势由高到低，并伴有冰川雪被。坡度总体为西北部高于东南部，植被发育程度由西北到东南逐渐变好，东南部的草地和林地覆盖面积明显大于西北部，且西北部存在大量未利用土地。以上变化规律(图1)皆表明，从研究区西北到东南，生态脆弱性由高变低，与研究区生态脆弱性分布图(图2)反映的趋势相一致。

图2 祁连山国家公园张掖段生态脆弱性分布图Fig.2 Ecological vulnerability distribution map of Zhangye Section ofQilian Mountain National Park

研究区西北部的生态环境相对较为脆弱，生态系统不稳定，抗干扰能力较弱。同时，研究区东南部因旅游业和矿产资源的开发，有些地区的生态环境遭到破坏，其脆弱性相比东南部其它地方较高。因此，应对不同区域的生态脆弱性进行具体的论证，减少或停止生态脆弱区域的矿产开采和旅游产业，制定相应法律法规，采取相应措施进行流域综合治理。

3 结论

通过对祁连山国家公园张掖段进行生态脆弱性评价，发现影响研究区生态脆弱性的主要因素为年均降雨量、坡度和土地利用类型。从研究区西北部至东南部，生态脆弱性由高变低，其生态脆弱性指数最大值为0.850，最小值为0.228。研究区西北部的生态环境相对较为脆弱，应采取相应措施进行流域综合治理。