气候变化下青海湖流域生态健康评价研究

吴恒飞, 陈克龙, 张乐乐

气候变化下青海湖流域生态健康评价研究

吴恒飞1,2,3, 陈克龙2,3,*, 张乐乐1,2,3

1. 青海师范大学地理科学学院, 西宁 810008 2. 青海省青海师范大学青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室, 西宁 810008 3. 高原科学与可持续发展研究院, 西宁 810008

全球变化与人类活动对陆地生态系统产生了深远的影响, 对气候变化表现极其敏感的青海湖流域在此过程中系统内、外环境及生态健康状况均发生了一定变化。相关研究表明, 近50年流域气候环境暖湿化程度不断加深, 2004年以来青海湖流域降水显著增多。基于此, 以青海湖流域为研究对象, 从流域内、外部环境特征两方面出发选取共10个指标构建生态健康评价指标体系, 采用AHP及专家打分法确定指标权重, 将各指标图层叠加得出流域2000年、2005年和2010年生态健康状况图, 用以探讨流域生态健康状况及变化趋势, 结果表明: (1)暖湿期以来流域内部环境指标改善明显, 其中年降水量、NDVI及NPP指数显著增长, 但随着社会经济发展外部环境带来的压力也在逐步增大; (2)流域三期生态健康状况均以不健康、亚健康及健康状态为主且空间上健康等级均大致由东—西逐渐递减; (3)2000—2010年生态健康综合指数由0.542上升至0.547, 生态健康变化稳定呈上升趋势, 流域中西部、东南部地区生态健康状况改善明显, 而东部及西南部局部地区有所恶化。气候变化对青海湖流域生态健康状况产生了一定影响, 了解这一变化过程对青海湖流域生态环境规划管理与健康可持续发展具有重要的科学和现实意义。

气候变化; 青海湖流域; 评价指标体系; 生态健康

0 前言

生态系统健康是探索生态系统维持自身状况与满足人类合理需求的新兴学科[1], 它最早出现在Aldo Leopold在20世纪40年代首次提出的“土地健康”这一概念中, 之后在20世纪80年代由Schaeffer和Rapport等人正式对生态系统健康展开研究[2]。我国对此研究起步较晚, 但发展较快。目前, 国内外学者对于生态系统健康研究仍尚无定论, 研究方法也多种多样, 其中指示物种法和指标体系法为最主要研究方法。随着全球气候变化大趋势的不断推进, 地球生态系统发生了显著地变化, 主要体现在系统内在结构组成、整体生态功能及外部社会环境等方面, 这不仅引发了一系列生态环境问题, 对人类的生存与发展也带来重大影响[3-4]。因此生态系统健康研究自产生就受到国内外学者的广泛关注并开展了大量研究。Costanza等提出利用生态健康指数对生态系统活力、组织程度、连接性和恢复力四方面进行生态健康评价[5]; 崔保山等针对挠力河选取相关指标从流域生态特征、功能整合及社会环境三方面出发进行生态健康评价[6]; 蒋卫国等基于压力—状态—响应(PSR)模型构建指标, 利用RS和GIS技术对辽河三角洲进行生态健康评价[7]。这为生态系统健康研究提供了多种思路与方法, 对生态系统合理保护利用具有重要意义[8]。

青海湖流域位于青藏高原东北部, 是维系该地区生态平衡的重要屏障, 也是全球气候变化的直接响应区[9-10]。有研究表明: 近50年来青海湖流域温度不断升高, 呈直线上升趋势, 其降水量整体上呈波动状态, 但2004年该区域降水量开始大幅上升, 暖湿化程度不断加深[11-13]。在这一过程中, 青海湖流域生态系统各方面所发生的变化及其生态健康状况均不明确。因此, 本文以青海湖流域为研究对象, 利用获取的相关数据, 从整体上构建生态健康指标体系, 分析该流域2000年、 2005年及2010年青海湖三期生态健康状况, 探讨气候变化下青海湖流域各方面发生的变化。该研究不仅有利于掌握气候变化下青海湖流域生态健康变化趋势, 也为流域的保护与可持续发展提供了理论依据[14]。

1 研究区概况

青海湖流域地处我国青藏高寒区、西北干旱区与东部季风区的交汇处, 大致位于36.25°—38.33°N, 97.83°—101.37°E之间, 流域面积约2.96×104km2, 海拔范围在3169—5227 m之间, 其地势大致由西北向东南递减, 地形主要以山地、盆地为主。流域内年均温在-1.2—0.5 ℃之间, 年均降水量在325 mm左右, 属于典型的高原大陆性气候, 河流湖泊众多, 青海湖是最重要的地理单元, 设有以青海湖为核心的青海湖国家级自然保护区。青海湖流域在行政区划上共涉及共和、海晏、刚察和天峻四个县, 人口密度较小, 主要以少数民族为主, 涉及到藏、蒙、回、撒拉等12个民族。经济上结构单一, 以畜牧业、种植业为主, 近年来旅游业发展较为迅速[15], 随着国家对生态环境建设的大力支持, 这一地区的生态环境问题受到越来越多的重视。

图1 青海湖流域图

Figure 1 The map of Qinghai Lake Basin

2 研究方法

2.1 数据来源

通过对其他学者相关研究中指标选取经验的借鉴及结合青海湖流域的实际情况, 本次生态健康评价内容将重点突出青海湖流域自然环境特征及社会经济特征, 尽可能全面科学的反映流域健康状况[19]。所选取的指标数据共有10个, 其中年平均降水量、年平均气温、植被指数、人口密度、夜间灯光指数、GDP空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心; 植被净初级生产力、景观多样性数据来源于国家青藏高原科学数据中心; 牲畜(牛羊)数量、林草面积占比数据来源于青海省统计年鉴。所得数据后期在Arcgis10.6、ENVI5.3、Fragstats4.2及Origin 2018中完成相应的加工与计算。

2.2 评价过程

2.2.1 指标体系建立

青海湖流域是一个复杂的“自然—人文”相互作用的耦合系统, 对其进行生态健康评价需将其作为一个整体, 遵循系统性、实用性及可操作性原则, 根据流域生态健康特点从流域内在生态环境特征及外部社会环境特征两方面出发选取共10个相关指标, 采用层次分析法(AHP)对所选指标建立三层次(目标层、项目层、指标层)评价指标体系(表1—4)。

2.2.2 评价指标标准化

由于选取的指标所代表的属性意义不同导致其度量单位差异较大, 无法直接进行分析, 因此需对各指标进行统一标准化处理, 使各指标数值范围在0—1之间。根据流域生态健康特征及参照相关研究将所选指标分为正相关指标和负相关指标两类, 其中正相关指标包括:1、3、4、5、6; 负相关指标包括:2、7、8、9、10, 具体计算过程在Arcgis10.6栅格计算器中完成, 计算公式如下:

正相关指标计算公式:

负相关指标计算公式:

2.2.3 评价指标权重

指标数据所代表的属性意义决定了其在生态系统中作用的大小, 为了明确各指标对青海湖流域生态健康的贡献应该处理好指标的权重设计。本次研究采用层次分析法及专家打分法, 通过构造判断矩阵来确定指标的权重[20], 具体计算步骤如下:

得出=2,=0,=0<0.1, 满足一致性检验。

得出=6.081,=0.016,=0.013<0.1, 满足一致性检验。

得出=4,=0,=0<0.1, 满足一致性检验。

通过对指标意义的深入分析, 确定了要素之间两两比较的相对重要性。采用1—9标度法与专家打分法最终完成指标层次结构模型与权重的构建(表5)。

表1 青海湖流域生态健康评价指标体系

表2 A-B判断矩阵

表3 B1-C判断矩阵

表4 B2-C判断矩阵

2.3 评价方法

根据流域环境特征采用综合指标法在Arcgis10.6中利用栅格计算器将标准化后的所有单因子评价指标图层进行叠加, 最终得出流域生态健康综合指数分布图, 综合指标法计算公式如下:

根据相关研究并结合流域自身特点, 对流域整体做出健康等级的划分, 分别为很健康、健康、亚健康、不健康和病态五个等级[15](表6), 并以此为标准通过Arcgis10.6重分类得出青海湖流域生态健康状况图。

3 结果与分析

3.1 健康指标分析

3.1.1 内部环境指标

气温与降水是气候变化最显著的特征, 对区域生态系统平衡发展具有不可替代的意义[21]。青海湖流域在2000—2010年间气温变化较为稳定, 整体呈上升趋势, 年均温由-1.7 ℃上升为-0.1 ℃。降水变化整体呈升高趋势, 但有一定波动, 表现为2000—2010年均降水量由381.2 mm增加至460.3 mm, 平均涨幅为20.8%, 三期年均降水最大值出现在2005年, 为509.2 mm。空间上气温与降水均大致表现为由东南向西北递减。在此基础上, 流域内部其他所选环境指标均发生一定变化。归一化植被指数(NDVI)可以显著的反映流域内植被覆盖状况[22], 在2000—2010间, 流域年均植被指数由0.481提高为0.538。植被净初级生产力(NPP)是表征生态系统内部植被质量状况的重要指标, 对生态系统健康状况有重要指示作用[23], 2000-2010年流域年均NPP指数由60.2上升为98.0。香浓多样性指数(SHDI)能够表征区域内部的景观异质性, 对生态系统健康状况具有一定的指示作用, 2000—2010年流域年均SHDI由1.9162增至1.9189。2000—2010年间流域内年均林草面积占比由56.69%变为56.68%, 整体变动不大。空间上内部指标均大致表现为东部优于西部。

表5 青海湖流域生态健康指标权重

表6 青海湖流域生态健康状况等级划分

3.1.2 外部环境指标

青海湖流域是人与自然相互作用的生态系统, 对流域进行生态健康评价还须从流域外部环境出发探索人地关系是否和谐发展[20]。气候变化下流域外部指标变化显著, 其中2000—2010年间流域每平方千米人口数量由3.02人上升为3.86; 夜间灯光指数最大值由5.57升高为36, 平均指数由0.0052上升为0.1037; 年均每平方千米GDP由1.54万元增至14.11万元; 年均每平方千米牲畜(牛、羊)数量由43.14头增至56.17头。这表明流域人类活动强度不断加大, 对流域生态环境带来一定影响, 整体上流域东部所承受的外部压力大于西部。

3.2 流域生态健康评价

根据流域三期生态健康状况分布图可以得出: 2000年青海湖流域生态健康指数在0.344—0.843之间, 流域生态健康综合指数为0.542, 健康等级跨度较大, 从病态到很健康均有分布, 以不健康—健康为主。空间上, 亚健康—很健康区域主要分布在流域中东部地区, 亚健康区域在中西部地区有所扩散; 不健康区域主要位于流域西部大部地区及东南部小部分地区; 病态区域零星分布于流域西南部及东南部地区。2005年流域生态健康指数在0.324—0.828之间, 综合指数为0.548, 整体以不健康、亚健康、健康状态为主, 亚健康—很健康面积约占区域总面积的56%, 表现为病态—不健康与亚健康—很健康的两极分化。空间上来看流域西部地区以不健康—亚健康状态为主; 东部地区以亚健康—很健康为主, 病态呈点状或条状分布于流域西南部和东南部地区。2010年流域生态健康指数在0.265—0.816之间, 综合指数为0.547, 总体表现为不健康—健康状态, 病态与很健康状态分布较少。空间上流域东部以亚健康、健康状态为主, 很健康零星分布其间; 西部以不健康、亚健康状态为主; 病态主要集中于西南部(图2、图3)。

2000—2010年青海湖流域三期生态健康综合指数分别为0.542、 0.548与0.547, 生态健康状况变化较为稳定且呈现出改善的趋势。其中2000—2005年流域不健康与亚健康区域面积变化明显, 分别减少与增加了955 km2和595 km2, 健康指数较高的亚健康—很健康区域面积由12933 km2增至13854 km2, 上升约7%。空间上整体保持不变但局部地区变化明显, 其中亚健康区域在流域中西部地区及东南部地区进一步扩散; 不健康区域在青海湖东岸有所北移; 中东部健康区域有所扩大, 很健康区域有所萎缩; 流域西南部及东南角的病态区域均出现扩大的趋势。2005—2010年流域生态健康状况较为稳定, 亚健康—很健康区域面积继续扩大, 为13880 km2, 但健康、很健康区域面积不断减少, 病态区域面积不断扩大。空间上东部地区健康、很健康区域均发生萎缩; 东南部不健康与病态向亚健康转变; 西南、西北部病态区域均有所扩散, 局部地区的生态健康状况恶化较为明显(图2、图3)。

图2 青海湖流域生态健康等级区域面积柱状图

Figure 2 Area histogram of Qinghai Lake Basin ecological health rating area

图3 2000—2010年青海湖流域生态健康状况分布图

Figure 3 Distribution map of ecological health in Qinghai Lake Basin from 2000 to 2010

4 讨论

4.1 气候变化对流域内外环境的影响

2000—2010年以来, 青海湖流域气候环境呈现暖湿化程度不断加深的趋势, 尤其是2004年流域降水增多表现尤为突出[11]。这种变化首先对流域内部生态环境带来积极地的影响, 为流域内植被生长创造了条件, 具体表现为内部各项环境指标均有所上涨, 从而有利于提高流域物种丰富度及有机物生产力, 实现可持续发展。但另一方面, 随着气温的不断升高, 可能会加重流域内高山冰川及冻土融化速率, 造成一定程度的水土流失, 不利于流域生态健康发展。气候变化间接促进了流域外部环境的发展。随着流域自然环境的改善, 以此为依赖的流域内人类活动强度不断增大, 人类社会经济活动获得了一定程度上的发展, 人口密度及放牧强度等外部压力的持续增长对流域生态环境造成较大影响, 严重威胁流域生态健康。

4.2 流域生态健康状况时空分布特征

流域三期生态健康状况空间分布均呈现出由东—西递减的趋势, 这一现象是由青海湖流域东、西部地区自然环境条件空间异质性导致的。流域中、东部地区, 尤其是青海湖沿岸地区平均海拔较低, 地形平坦, 水热条件和植被覆盖率均表现较好, 使得流域内部环境如NDVI指数、SHDI指数及NPP等正向指标水平较高; 西部地区海拔较高且多为高山裸岩、冰原覆盖, 降水稀少, 植被覆盖率低, 水土流失较为严重[24-26], 脆弱的生态环境使得西部内部环境所选指标水平低于东部。另一方面, 虽然西部地区外部环境压力小于东部, 但流域人类活动各项指标空间分布规律性较差且水平均较低, 对生态健康贡献较小, 最终使东部地区健康水平优于西部地区。在部分地区, 由于自然环境恶劣或人类活动影响明显, 导致其健康等级沦为不健康或病态。

2000—2010年以来, 流域生态健康状况整体较为稳定, 局部区域变化明显。由于气温和降水的增多, 流域内自东—西暖湿化程度均有所加深, 生态环境各正向指标均有明显改善, 这是流域生态健康改善的最主要原因。以2000—2005年表现最为明显, 具体表现为亚健康区域逐渐向西部扩散, 健康区域在中东部地区不断扩大。另一方面, 随着流域社会经济发展, 人类活动强度明显增大, 尤其在自然条件较好的东部地区及青海湖沿岸地区, 人口数量及牲畜数量较为集中, 部分区域生态环境出现恶化的趋势, 如东部很健康区域的减少、西南与东南部病态区域的扩大。随着降水出现波动, 2005—2010年流域内部环境指标整体改善幅度较小, 部分出现退化。受相关政策及人类观念影响, 流域内人口数量出现下降, 但经济发展带来的外部压力仍不断增大, 使流域健康、很健康区域减少, 病态区域进一步扩大, 这与人类放牧活动及旅游景区开发密切相关[27-28]。另一方面由于政府的规划管理, 部分区域生态有所改善, 主要体现在青海湖东岸不健康与病态区域的减少。

5 结论

(1)暖湿期以来青海湖流域内部环境各项指标均有所增长, 随着流域内经济发展, 人类活动强度不断增大, 外部环境各项指标增长明显, 流域生态面临更大压力。

(2)2000—2010年流域三期生态健康综合指数分别为0.542、0.548与0.547, 整体均以不健康、亚健康及健康状态为主, 空间上生态健康状况均呈现出由东—西递减的趋势, 西部地区以不健康为主, 东部地区以亚健康与健康为主, 很健康与病态区域呈点状或条状零星分布于流域东北、西南及东南处。

(3)2000—2010年青海湖流域生态健康状况整体稳定且有所改善, 表现为亚健康—很健康区域面积不断扩大。流域局部地区生态环境变化明显, 表现为中西部、东南部生态环境有所改善, 东部、西南部不断恶化。

总体来看, 青海湖流域生态健康状况是流域自然环境和人类活动共同作用的结果, 二者相互作用, 决定着生态状况的走向, 根据研究提出以下建议: (1)加强全流域政府规划管理, 加快流域保护区模式建立; (2)提高流域内人口素质, 改善生产观念, 加强生态补偿, 将保护环境落到实处; (3)改善单一生产经营方式, 适度开发流域资源, 寻求多种经济发展结[28]。如何协调好生态环境与经济发展的关系是今后研究工作的重点, 也是促进流域生态健康长久发展的重中之重[29]。

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Study on ecological health evaluation of Qinghai Lake Basin under climate change

WU Hengfei1,2,3, CHENG Kelong2,3,*, ZHANG Lele1,2,3

1. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation, Xining 810008, China 3. Academy of Plateau Science and Sustainability(APSS), Xining 810008, China

Global changes and human activities have a profound impact on the terrestrial ecosystem. The Qinghai Lake Basin, which is extremely sensitive to climate change, has undergone certain changes in the internal and external environment and ecological health of the system. Related research shows that the degree of warming and humidification of the climate environment in the basin has been deepening in the past 50 years, and the precipitation in the Qinghai Lake basin has increased significantly since 2004. Based on this, taking the QinghaiLake basin as the research object, a total of 10 indicators are selected from both the internal and external environmental characteristics of the basin to construct an ecological health evaluation index system, and the AHP and expert scoring method are used to determine the index weight, and each index layer is superimposed. The ecological health status maps of the basin in 2000, 2005 and 2010 were used to explore the ecological health status and change trends of the basin. The results showed that: (1) The internal environmental indicators of the basin have improved significantly since the warm and humid period, including annual precipitation, NDVI and the NPP index has increased significantly, but with the social and economic development, the pressure brought by the external environment is gradually increasing. (2) The three stages of ecological health in the basin are mainly unhealthy, sub-healthy and healthy, and the spatial health level is roughly. It gradually decreases from east to west. (3) The comprehensive ecological health index rose from 0.542 to 0.547 from 2000 to 2010, and the ecological health changed steadily and showed an upward trend. The ecological health of the central, western and southeastern parts of the basin improved significantly, while the eastern and southwestern parts have deteriorated. Climate change has had a certain impact on the ecological health of the Qinghai Lake Basin. Understanding this change process has important scientific and practical significance for the ecological environment planning and management and healthy and sustainable development of the Qinghai Lake Basin.

climate change; Qinghai Lake basin; evaluation index system; ecological health

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.006

S157.2

A

1008-8873(2022)04-041-08

2020-07-19;

2020-08-06

国家自然科学基金项目(41661023); 国家科技支撑计划项目(2017YFC0403601); 青海省科技厅项目(2017-ZJ-720、2018-ZJ-T09);第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0405)

吴恒飞(1994—), 男, 山西长治人, 硕士研究生, 主要从事生物地理与自然保护研究, E-mail: 775342865@qq.com

通信作者:陈克龙(1965—), 男, 安徽芜湖人, 教授, 博士生导师, 主要从事生物地理与湿地生态研究, E-mail: ckl7813@163.com

吴恒飞, 陈克龙, 张乐乐,等. 气候变化下青海湖流域生态健康评价研究[J]. 生态科学, 2022, 41(4): 41–48.

WU Hengfei, CHENG Kelong, ZHANG Lele, et al. Study on ecological health evaluation of Qinghai Lake Basin under climate change[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 41–48.