基于变异系数法的三峡库区消落带生态敏感性评价研究

张晓媛李辉周启刚刘栩位向宇锋

(1.重庆财经学院生态环境空间信息数据挖掘与大数据集成重庆市重点实验室，重庆 401320；2.重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067；3.石柱土家族自治县精绘勘测有限公司，重庆 409100)

引言

近年来随着社会经济的不断发展，自然环境破坏程度的不断加剧，引发了大气污染、土壤侵蚀、物物种锐减、水土流失、土地荒漠化等一系列生态环境问题，使生态环境更加脆弱，生态环境敏感性评价变得非常有必要[1]。生态环境敏感性指在原有自然环境中，人类活动和环境变化等因素导致区域生态改变的难易程度及其概率问题，也就是生态环境问题出现的可能性大小[2]。

目前生态环境敏感性研究已经成为国内外学者研究的重点。对生态敏感性研究大多集中在酸雨、盐渍化、土壤侵蚀和土地沙漠化[3，4]等方面，通过数学建模和数理统计等方式，对环境敏感性进行定量研究，已应用于城乡规划、土地利用和功能区划[5，6]等多个领域，主要集中在流域、国家和省市[7，8]等大尺度领域，多数研究主要采用最大值法、AHP层次分析法和德尔菲法[9]等方法对各评价指标进行权重确定，然而目前的方法主要基于主观赋权法，依赖于主观判断，主观权重没有形成统一标准，没有客观权重可靠，缺乏科学性。采用变异系数法[10]确定个指标权重可提高研究的科学性，降低人为主观判断对研究的影响，评价结果更为准确。

三峡库区消落带是水陆生态系统能量、物质和信息转换的交错地带，具备缓冲带和护岸的重要生态功能，该区域对外界环境的变化十分敏感，是生态环境容易被破坏、较难恢复的一个重点保护区域。因此，本研究以三峡库区消落带为研究区，基于实地调查，结合相关研究，选取生物多样性敏感性指数、土壤侵蚀敏感性指数、生境敏感性指数、地形敏感性指数和土壤盐渍化指数共5类指标因子，采用变异系数法对三峡库区消落带生态敏感性进行综合评价，评价结果可为三峡库区消落带生态敏感区的修复和保护提供科学依据和数据基础。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

三峡水库消落带地理位置位于N29°16′～31°25′，E106°～110°50′，海拔33.6～3105m，面积共计348.34km2，涉及东起湖北宜昌，西至重庆江津共26个区县，见图1。库区气候属亚热带季风气候，处在南温带和亚热带过渡地带，四季分明，雨量充沛。三峡库区消落带是水陆生态系统交替演变的过渡地带，其本身具有脆弱和不稳定的性质，生态环境状况易遭受外界干扰，是我国生态环境敏感的区域之一。近年来库区消落带人类活加剧，对环境资源不合理的开发利用使消落带生态安全受到严重威胁，开展区域生态敏感性评价有利于掌握其生态环境变化状况。

图1 研究区概况图

1.2 数据来源

本研究主要采用的遥感影像数据包括2018年三峡库区Landsat 8遥感影像(遥感云计算平台)、2018年2m高分辨率遥感影像(谷歌地球)，30m空间分辨率的DEM数据[地理空间云(www.gscloud.cn/)]，结合人工目视判读对三峡库区消落带评价指标进行量化，并利用外业实地验证的方法提高数据精度。气象数据来源于NASA地球科学(GES)数据和信息服务中心(https：//disc.gsfc.nasa.gov/)，其中降雨量数据为2018年月值数据。土壤数据来源于世界土壤数据库(HWSD)的1∶500万的数据集。所有空间数据统一采用CGCS2000坐标系。

2 研究方法

2.1 评价指标体系构建

三峡库区消落带作为库区生态系统中的特殊区域，既有水生生态系统特征，又拥有陆生生态系统特征。消落带作为长江与库区两岸的交界区域，水陆交换频繁，受库区周期性蓄水影响，区域受到库区水域的淹没、冲刷、淤积，消落带土壤在受到侵蚀的同时既可能成为库区水体污染的源，也可能成为水体污染的汇[11]。加之公众保护意识较弱，区域内人为活动时有发生，这都将对库区消落带生态环境构成威胁。因此，本研究通过对相关文献的查阅和实地考察，在三峡库区消落带生态环境问题综合分析基础上，选择土壤侵蚀敏感性、土壤盐渍化敏感性、生物多样性敏感性、生境敏感性和地形敏感性共5项评价因子进行生态敏感性评价指标体系的构建。

2.1.1 土壤侵蚀敏感性指数

土壤侵蚀作用将引发土地资源退化，也是水土流失的主要因素之一，对区域生态系统的稳定性将构成较强威胁。综合分析三峡库区消落带土壤侵蚀生态问题，结合研究区实际情况并参考相关文献和规程[12]，采用降雨侵蚀力因子R、土壤侵蚀因子K、坡度与坡长因子LS和植被与经营管理因子C作为评价指标。将上述各单因子的分级赋值图在GIS中进行叠加计算，计算公式：

(1)

式中，SSj为j空间单元土壤侵蚀敏感性指数；Ci为第i项因子的敏感性等级值。将最终计算得到的土壤侵蚀敏感性指数依照中国家环境保护总局发布的《生态功能区划暂行规程》分级标准，划分为5个等级，见表1。

表1 土壤侵蚀敏感性分级标准及赋值

2.1.2 土壤盐渍化敏感性指数

基于遥感云计算平台调用辐射定标和大气校正以及去云处理后的三峡库区遥感影像，之后在GIS中利用反射率对盐分指数(SI)和归一化植被指数(NDVI)进行反演。

(2)

(3)

式中，SI为盐分指数；NDVI为归一化植被指数；ρ1、ρ3、ρ4为Landsat 8的相应波段反射率值。计算公式：

(4)

式中，N为盐渍化遥感指数。将盐渍化遥感指数在ARCGIS中采用自然断点法分级，计算土壤盐渍化敏感性，并为相应等级赋值以便于最终生态敏感性的综合计算。

2.1.3 生物多样性敏感性指数

归一化植被指数NDVI能较好反映植被的原生状态和长势，因此利用基于NDVI数据计算的植被覆盖度作为表征三峡库区消落带生物多样性保护中敏感的程度的指数，并将计算结果按自然断点法划分为5个等级。植被覆盖度的计算公式：

(5)

式中，Fv为植被覆盖度；NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg则代表纯植被的NDVI值。

2.1.4 生境敏感性指数

生境是生物生息繁衍的居住地，生境敏感性是指重要物种的栖息地对人类活动的敏感程度[13]。结合生境敏感性的相关研究[14]，多采用自然保护区级别和地表覆被类型作为指标进行测算，当前三峡库区消落带没有较大规模的自然保护区，因此采用地表覆被类型作为生境敏感性的主要衡量指标，并参考前人研究对生境敏感性指数进行分级和赋值。

2.1.5 地形敏感性指数

三峡库区降雨量较为充沛，经野外实地考察，库区消落带地势部分区域仍存在较高的陡坡，在坡度较大的区域易发生山体滑坡和崩塌等，引发生态风险，同时对消落带的生态状况构成一定威胁。因此，将地形敏感性纳入评价指标体系中，并以坡度作为衡量指数，有利于保证生态敏感性评价体系的全面性和准确性。分级标准见表2。

表2 各类敏感性因子分级标准及赋值

2.2 综合敏感性评价

本研究采用变异系数法确定各评价单因子的权重，公式：

(6)

表3 变异系数法确定的各因子所占权重

对根据上述公式计算土壤侵蚀敏感性指数、土壤盐渍化敏感性指数、生物多样性敏感性指数、生境敏感性指数和地形敏感性指数的权重，进行加权求和，得到综合生态敏感性指数，计算公式：

(7)

式中，Z为综合生态敏感性指数；Ri为5项因子归一化权重系数；Ti为评价因子指数。

本研究采用自然断点法将三峡库区消落带生态敏感性指数分为5级，最后得到消落带综合生态敏感性空间分布图，并对不同生态敏感性等级的时空分布特征进行分析。具体结果见表5。

3 结果与分析

3.1 单因子敏感性分析

本研究根据生态敏感性评价指标体系，对5类单因子生态敏感性进行评价，从三峡库区的库首、库腹和库尾3个范围内的消落带进行空间分析，得出区域下各级生态敏感性的面积占比，分析各类生态敏感性因子在消落带内的生态敏感性状况，各单因子敏感性分析如下。

3.1.1 土壤侵蚀敏感性分析

基于降雨侵蚀因子、坡长与坡度因子、土壤可蚀性因子和植被与经营管理因子的综合计算并分级，最终得出土壤侵蚀敏感性因子空间分布图。由图2d和表4可知，研究区土壤侵蚀敏感性程度以轻度敏感为主，面积占比为63.47%，中度敏感次之，面积占比34.78%，其余为高度敏感、极度敏感和不敏感，总面积占比低于2%。在空间分布上，库首消落带土壤侵蚀敏感等级以中度敏感为主，其次为轻度敏感，其余为高度敏感；库腹则以轻度敏感为主，中度敏感次之，且轻度敏感面积占比远高于中度敏感；库尾仍以轻度敏感为主，中度敏感次之，2种等级面积占比相差微小。研究发现，库腹消落带的敏感程度低于库首和库尾，而库尾的敏感程度居中，库首较库腹和库尾敏感程度最高。

表4 三峡库区消落带各类敏感因子敏感性等级面积占比表

图2 2018年三峡库区消落带各敏感性因子敏感等级空间分布图

总体上看，三峡库库区消落带的土壤侵蚀敏感程度整体较低，原因在于90%的坡长坡度因子为不敏感，研究区整体坡长较短、坡度较缓，即使库区消落带降雨侵蚀因子敏感性中度偏高和土壤可蚀性因子敏感性高，但降雨雨水在汇流过程中并不能获得太多势能，因此不会对土壤产生较强的侵蚀作用，加之植被与经营管理因子以不敏感和轻度敏感为主，两者面积占比约为50%，说明消落带植被长势较好，能对土壤起到较好的保护作用，显著降低土壤的侵蚀速率。

3.1.2 盐渍化敏感性分析

三峡库区消落带的空间位置与长江流域密切相连，消落带的淹没和出露过程造成了水域里面金属盐类大量聚集造成土壤盐渍化。本研究对盐分指数(SI)和归一化植被指数(NDVI)进行指数反演，得出三峡库区消落带范围内土壤盐渍化敏感性，土壤盐渍化敏感性空间分布见图2e。

由表4可知，研究区范围内土壤盐渍化空间分异明显，在不同分段上面积占比各有差异。库首消落带的盐渍化敏感性极高，其极敏感区域面积占比为库首的42.62%，不敏感区域空间分布较少，占库首面积的6.32%，库首地处库区湖北段，水流速度较中上游平缓，导致金属盐类更多的聚集；库腹消落带土壤盐渍化敏感性主要以低敏感区域和不敏感区域为主，不敏感区域的面积最大，占库腹面积的29.55%，中、高敏感区域差异较小，极敏感区域最少，占库腹面积的11.72%；库尾消落带盐渍化敏感性空间分布较为均匀，占比最大的为不敏感区域，占比为24.21%，最少的是极敏感区域，占比为16.03%，主要原因为土壤盐渍化的过程受人为干预频繁，导致其敏感性空间差异不明显。

3.1.3 生物多样性敏感性分析

本研究采用植被覆盖度来反映生态环境的植被生长情况及生物多样性。生物多样性敏感性空间分布见图2c。

由表4可知，库首消落带极度敏感区域面积占比最大，为42.26%，该区域水域面积辽阔，植被生长稀少，库首消落带生物多样性较差；库腹消落带不敏感区域面积占比最大，为30.96%，该区域水量充足，植被生长茂盛，库腹生物多样性最好；库尾消落带不敏感区域占比面积最大，为26.41%，其次是高敏感区域，面积占比为21.70%，库尾生物多样性一般。三峡库区消落带不敏感区域面积占比最大，为27.33%，其次是轻度敏感区域，面积占比为22.01%，库区消落带生物多样性整体呈良好发展趋势。

3.1.4 生境敏感性分析

生境敏感性主要体现在生物种类丰富度和人类活动对生境的影响程度两方面，其空间分布见图2b。

由表4可知，库首消落带生境敏感性重要为高度敏感，该区域面积占比为78.25%，其次为不敏感，占比为15.83%，轻度、中度和极度敏感区域较少，面积占比之和约为5%；库腹消落带以高度敏感为主要区域，面积占比接近60%，轻度敏感区域占比最少，不敏感、中度敏感和极度敏感区域面积占比差距较小；库尾消落带生境敏感性仍以高度敏感区为主，不敏感和极度敏感区域次之，中度和轻度敏感区域最少，面积占比仅在7%左右。三峡库区消落带高度敏感区面积占比超过60%，整体生境敏感性表现为高度敏感。

3.1.5 地形敏感性分析

三峡库区消落带地形敏感性空间分布情况由图2a和表4可知，中度敏感区域面积占比最大，为42.25%，不敏感和轻度敏感区域面积占比之和为38.61%，极度敏感和高度敏感区域面积占比之和为19.14%，研究区整体坡度偏低，地质敏感性较弱。库首消落带中等敏感区域面积占比最大，为38.29%，不敏感和轻度敏感区域面积占比为25.63%，极度敏感和高度敏感区域占比为36.07%，库首消落带整体坡度较高，地质敏感性较强；库腹消落带中等敏感区域面积占比最大，为43.66%，不敏感和轻度敏感区域高于极度敏感和高度敏感区域，面积占比分别为38.42%和17.92%，库腹消落带坡度较平缓，地质敏感性较弱；库尾消落带轻度敏感区域面积占比最大，为39.34%，不敏感和轻度敏感区域远高于极度敏感和高度敏感区域，面积占比分别为56.66%和6.56%，库尾整体坡度低，地质敏感性低。

3.2 综合敏感性分析

综合分析三峡库区消落带自然环境特征，将以上5个单因子敏感性分析结果由变异系数法进行加权计算，得到三峡库区消落带生态敏感性综合指数。同时根据结果得到三峡库区消落带生态敏感分布图，见图3。

图3 2018年三峡库区消落带生态敏感性敏感等级空间分布图

由表5、图3可知，三峡库区消落带轻度敏感区面积占比最高，占库区总面积的23.96%；不敏感区次之，占库区总面积的23.33%；其次是中度敏感区域，面积占比22.00%；高度敏感和极度敏感区面积占比最小，且面积占比较为相近，分别为15.39%和15.33%。从库首、库腹及库尾的分区数据统计来看，三峡库区消落带生态敏感性空间分异明显。其中，库首生态敏感性以极度敏感性为主，极度敏感区面积占库首总面积的42.87%；库腹生态敏感性以轻度敏感和不敏感为主，轻度敏感区面积占比与不敏感相近，面积占比均约为26.35%；库尾生态敏感性以不敏感为主，不敏感区域面积占库尾总面积的25.14%。

表5 综合生态敏感性敏感等级面积占比

从整体上看，研究区中度以下表征较低生态敏感性等级面积占总面积的47.29%，中度以上表征较高生态敏感性面积占总面积的30.72%，库区消落带的综合生态敏感程度总体处于中度偏低的水平，表明对于消落带的生态保护维持较好。库首生态敏感性整体偏高，主要由于库首消落带水域淹没面积最大，区域内生物多样性敏感性、生境敏感性、地形敏感性等多种单因子指标敏感程度居于高位的特征，此区域为生态保护的重点区域，应严格把控该区域水资源开发利用程度及方式，提高对该区域的生态保护，加强生态保护政策规定建设。

4 结论与讨论

本研究从土壤侵蚀、土壤盐渍化、生境敏感性、生物多样性和地形敏感性综合评价2018年三峡库区消落带生态敏感状况，揭示各类敏感性因子对三峡库区消落带的影响程度并讨论相关原因，研究结果如下。

研究区三峡库区消落带土壤侵蚀敏感性等级以轻度敏感为主导，生物多样性敏感性以不敏感和轻度敏感为主，生境敏感的高度敏感区面积最大，地形敏感性以中度偏轻敏感为主；在各评价因子的综合影响下，综合生态敏感性以轻度敏感为主，不敏感区、轻度敏感区和中度敏感区域共占消落带总面积的69.29%，表明库区消落带的综合生态敏感程度总体处于中度偏低的水平，研究区的生态保护维持较好。

从空间分布看，三峡库区消落带生态敏感性库首区域表现为高度敏感和极度敏感，库腹和库尾区域生态敏感性表现为中轻度以下。库首生态敏感性高，主要原因在于库首区域消落带内地形条件复杂，坡度较大，水域覆盖面高，植被相对较少，降雨侵蚀力强，导致盐渍化、生物多样性和生境敏感性程度高。

本文研究方法主要借助RS技术反演各评价因子，受基础数据限制，测算结果存在一定误差，但消落带生态敏感性的总体分布规律能够得到充分反映。因既有研究主要集中于整个三峡库区，在将本研究的研究范围与现有研究[15]分布图进行裁切处理以后，综合对比分析研究结果，消落带生态敏感性的总体水平和空间格局基本相一致；在单因子生境敏感性评价结果存在一定差异，主要原因为对建设用地和耕地的生境敏感性等级划分不同。

三峡库区消落带的综合生态敏感性程度总体处于中度偏低水平，整体生态系统稳定性较好，对外界干扰具有一定抗干扰能力。生境敏感性、土壤盐渍化是消落带乃至整个三峡库区主要的生态问题，对生态环境的敏感性影响较大，尤其是库首区域。对于消落带区域生态环境而言，应管控与治理并行。在对轻度以下敏感性区域的生态环境进行严格保护的前提下，对库首消落带的高度和极度生态敏感性区域，进行生态修复和治理。