西宁地区生态环境脆弱性评价方法

李昌玉，王镜，李姝彬，李京梅

(西宁市气象局，青海 西宁 810016)

引言

从20世纪80年代开始，国内外学者从不同区域、不同方法、不同评价体系对生态脆弱性进行了大量的研究，但针对西宁地区生态环境脆弱性的评价研究报道尚未发现，在查阅相关文献资料的基础上，借鉴前人的研究方法对西宁地区的生态环境脆弱性进行评价研究。

青藏高原生态系统是中国重要的碳素汇集生态系统，具有维系国家生态安全的重要地位和作用。是全国生态环境变化的“脆弱带”[1]。西宁地处青藏高原的东北部，也是生态环境变化脆弱区。西宁地区经过发展，已成为青藏高原人口超百万的区域性现代化城市[2]，随着城市规模的不断扩大，城镇人口的快速发展，人类活动的不断增大，使得生态环境压力越加紧张，生态环境趋向于越来越脆弱。因此西宁地区进行生态环境脆弱性评价项目的确定，可以认识西宁地区生态环境的脆弱状况，并根据西宁地区生态环境评价结果，对不同脆弱区提出相应的应对措施和保护手段，为实现资源和经济社会的可持续发展提供技术支撑，促进西宁地区稳定的生态系统，寻找出在生态脆弱欠发达地区走一条绿色发展的新路。

1 研究区概况

西宁地区位于青藏高原东北部湟水谷地，地理位置100°52′04″～101°54′54″E，36°13′42″～37°28′11″N[3]，面积7 665km2[4]，大体上由达坂山—湟水谷地—拉脊山组成，地势西北高、东南低，最高海拔4877m，最低海拔2162m位于湟水河谷地，全市海拔高度差最大为2715m。水热条件分布不均匀，经西宁市气象局统计1990—2020年30年气象要素数据，年平均气温4.5℃，年降水量470.6mm，年平均风速1.3m/s，年日照时数2 582.6h，年平均气压751.0hPa。与同纬度地区相比，西宁地区具有气压和气温较低、昼夜温差大、日照时数长、蒸发量大的气候特点，土壤贫瘠、植被稀疏、地质结构复杂，兼有农业和少部分牧业，生态环境先天脆弱。2019年西宁地区总人口238.71万人，是青藏高原唯一过百万人口的城市[5]，是黄河流域最上游和青藏高原上人类活动强度最大的地区[6]。

2 资料和方法

2.1 资料来源

使用的气象数据2020年均气温和年降水量，来自青海省、市(州)、县(区)气象台业务平台，选取西宁地区国家气象站和区域气象自动站共43个站点；人口密度和GDP等社会统计数据来源于《2020年西宁地区统计年鉴》；地形因素数据来自SRTM DEM，分辨率为90m；土地资源数据来自中科院资源环境数据中心2020年度植被指数数据集，分辨率为30m。

2.2 研究方法

生态脆弱性是生态系统在特定时空尺度相对于外界干扰所具有的敏感反应和自我恢复能力，是生态系统的固有属性[7]。是指在外界干扰下生态系统产生的一系列反应能力。生态脆弱性指标选择需要考虑研究区的抗干扰能力、气候变化敏感性、时空波动性等多方面特征[8]。本项目在西宁地区生态环境最基本的特征基础上，参照国内研究人员已研究的脆弱性结果[9-11]构建指标，以及对现有研究数据的可获得性和表向性的考虑，西宁地区生态环境脆弱性评价分析从地形因素、气象因素、社会经济(人类活动)、土地资源四个方面选取植被覆盖度、土地利用、土壤类型、高程、坡度、坡向、年平均气温、平均降水量、GDP、人口、工业总产值11个指标来进行研究。为得到西宁区域内生态环境的特征细节，应用规则网格结合县级行政区划单元用海拔高程和坡度来表现西宁地形地貌脆弱情况；年温度和年降水量来代表西宁气候状况；生存环境的脆弱度用土地利用状况来表现；人口和经济压力来代表西宁经济社会因素引起的脆弱度。按照以往研究人员的经验，各指标正负作用的性质，如社会经济越好，表示人类对生态环境干扰越大，生态脆弱度就越大，即呈正相关；植被覆盖程度越好，生态脆弱程度越小[12]，即呈负相关。表1为西宁地区各因素评价指标和权重。

表1 西宁地区生态环境脆弱性评价指标及权重

数据标准化：在参考各位学者研究生态脆弱性评价研究的基础上，先对各指标数据分别用公式(1)、(2)进行标准化处理[13]。

(1)

(2)

计算各指标权重，此研究用层次分析法来确定。用各因素标准化值和该指标权重的乘积来计算各要素的脆弱性指数。最后计算综合生态环境脆弱性指数。

3 特征和分析

3.1 地形因素脆弱性分析

地形因素是生态脆弱性评价中不可缺少的一部分，是生态环境的基本要素，地形因素生态脆弱性与海拔高度和坡度成正相关，海拔越高，坡度越大，生态脆弱性越大。从地形因素生态脆弱性空间分布来看(见图1)，中度和重度脆弱占的面积较小两者之和为19.66%，主要分布高海拔山区，即在大通北面达坂山、大通西面娘娘山、湟源西南面的日月山、湟中西南面的拉脊山等，为地势起伏大、海拔高度高、山脉纵横处。轻度脆弱区随中度脆弱区依附在一起随山体分布，面积占比为16.31%。潜在脆弱区面积占比最多为42.73%，主要分布在海拔相对较低的地带，如大通东南部、西宁地区、湟中大部和湟源局地。

图1 西宁地区地形系统生态脆弱性评价图

3.2 气象因素脆弱性分析

对处于高寒冷凉区的西宁地区而言，降水较少，蒸发量大，气温日较差大，冬季寒冷干燥，气候对植被生长、土壤环境有严重的影响。因此，水热条件越好生态脆弱性越小，水热条件越差生态脆弱性越大。从表2可见，气象因素脆弱性面积占比由大到小依次为中度占36.35%、重度占28.05%、轻度占26.75%、微度占8.34%、潜在脆弱占0.51%。从气象因子的脆弱性空间分级图(见图2)可看出，西宁地区气象因素的生态脆弱性，重度脆弱主要集中在湟源西部和西南部、大通西北部和湟中西北小部，这些地区相对而言降水较多但温度较低。处于河谷的湟源县城、大通县城及东南部、湟中大部、西宁城区因降水相对较多，温度较高，生态脆弱性逐步降小。

图2 西宁地区气候生态脆弱性评价图

3.3 社会经济脆弱性分析

人口密度、人均GDP和工业总产值作为影响西宁地区社会经济因素的生态脆弱性，与生态脆弱性成正相关，人口多、GDP高和工业总产值高的地方，生态脆弱性越大。从社会经济因素评价图(图3)可见，西宁地区社会经济因素的生态脆弱性分布大小由中心城区向周边扩展，重度脆弱集中在西宁城北区、城西区和湟中区，因这些区域人口密集、经济较发达给环境带来的压力相对较高故生态脆弱性较大；相反，研究区西北部和西南部社会经济因素影响较小的地区生态脆弱性较小。

图3 西宁地区社会经济生态脆弱性评价图

3.4 土地资源脆弱性分析

影响西宁地区土地资源生态脆弱性主要有植被覆盖度和土地利用类型，其中植被覆盖度与脆弱性成负相关，植被覆盖度越大脆弱性越小。从西宁地区土地资源生态脆弱性空间分布图(见图4)可看出，中度脆弱、重度脆弱和轻度脆弱主要分布在湟水河谷地城区人造地表、裸地以及高海拔山脉植被少的地方，三者面积之和占13.2%，剩余大部分地区为潜在脆弱和微度脆弱区，两者面积之和达87.14%，占比较大。

图4 西宁地区土地资源生态脆弱性评价图

3.5 生态脆弱性综合评价分析

在计算分析了地形、社会经济、水文气象和土地资源四个因素的生态脆弱性之后，用(3)式来计算综合生态环境脆弱性[14]。

EVI=∑[A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4YA]

(3)

式中，A1,A2,A3,A4,分别表示地形、社会经济、水文气象和土地资源因素生态脆弱度，Y1,Y2,Y3,Y4分别为各因素对应的权重，此处权重用专家打分法确定。

西宁地区生态脆弱度使用Arcgis中的“自然间断点”分为五个等级见表2。绘制出西宁地区生态环境脆弱性等级面积占比图(见图5)和西宁地区综合生态脆弱性评价图(见图6)。由图5可知，西宁地区生态脆弱性一般潜在区域面积占17.59%，微度脆弱占43.61%，轻度脆弱占28.86%，中度脆弱占8.0%，重度脆弱占1.94%，由此可见西宁地区微度脆弱面积占比最大。从图6上分析，西宁地区生态脆弱度空间分布总体呈现高海拔向低海拔减小趋势。重度和中度主要分布西宁地区北部和南部高海拔山脉区，这些地区因温度低，以裸岩石质地景观为主的高山，植被覆盖度极低。轻度脆弱区与中度脆弱区依附在一起分布在高海拔山区，另外一块轻度脆弱区聚集于主城区的城北区、城西区和城中区，其中城西区和城中区以微度脆弱之中镶嵌轻度脆弱，而城北区是以微度和轻度脆弱混合并有一小块中度脆弱。主要因城区人口密度大，建设开发用地增加，工业总产值高，尤其城北区工业总产值最高，人均GDP较高，故脆弱性较高。城东区因海拔最低，气温最高，加之工业总产值在城区中是最低的，故为微度脆弱区。大通、湟源和湟中海拔较低的谷地和缓坡地区为微度脆弱区，相对研究区而言微度脆弱区域分布范围最广，这些区域基本上坡度较缓，是以耕地、林地和草地为主的地区，植被好，人类活动少。

表2 西宁地区生态脆弱性评价占比(%)

图5 西宁地区生态环境脆弱性等级面积占比图

图6 西宁地区综合生态脆弱性评价图

4 小结

(1)由西宁地区2020年生态脆弱性等级面积占比统计可知，微度脆弱面积占比最高达到43.61%，其次是轻度脆弱占28.86%，中度和重度脆弱占比仅为8.0%和1.94%，西宁地区整体处于微度脆弱性。

(2)生态脆弱性空间分布上整体呈现高海拔山区高，低海拔缓坡和河谷低的分布特征，重度和中度脆弱区主要分布在海拔较高的山区，潜在或微度脆弱区分布在海拔相对较低的谷地和缓坡，植被覆盖好，工业总产值相对低的地区。大通、湟源和湟中海拔较低的谷地和缓坡地区为微度脆弱区，相对西宁地区而言微度脆弱区域分布范围最广。

(3)西宁城区内人口集中，人类活动扰动大，工业总产值高，故生态脆弱性较高。其中城北区是以微度和轻度脆弱混合并有一小块中度脆弱，是城区中最脆弱的区域，其次是城西区和城中区，城东区为微度脆弱区。

(4)生态环境脆弱性受自然、气候和人类等各个方面的共同影响，相互关系错综复杂。限于收集数据的难度，在此次研究西宁地区脆弱性时只用了一年的资料，并且没有渗透到更广更细的层面选取更多的生态环境脆弱性指标，而是主要根据结构特点选取了四个有代表性因素的指标，对于本身复杂的生态环境系统，根据特定指标进行环境评价有一定的局限性，还有待于今后结合实证研究进一步完善。