西寧地區生態環境脆弱性評價方法

李昌玉，王鏡，李姝彬，李京梅

(西寧市氣象局，青海 西寧 810016)

引言

從20世紀80年代開始，國內外學者從不同區域、不同方法、不同評價體系對生態脆弱性進行了大量的研究，但針對西寧地區生態環境脆弱性的評價研究報道尚未發現，在查閱相關文獻資料的基礎上，借鑒前人的研究方法對西寧地區的生態環境脆弱性進行評價研究。

青藏高原生態系統是中國重要的碳素匯集生態系統，具有維系國家生態安全的重要地位和作用。是全國生態環境變化的“脆弱帶”[1]。西寧地處青藏高原的東北部，也是生態環境變化脆弱區。西寧地區經過發展，已成為青藏高原人口超百萬的區域性現代化城市[2]，隨著城市規模的不斷擴大，城鎮人口的快速發展，人類活動的不斷增大，使得生態環境壓力越加緊張，生態環境趨向于越來越脆弱。因此西寧地區進行生態環境脆弱性評價項目的確定，可以認識西寧地區生態環境的脆弱狀況，并根據西寧地區生態環境評價結果，對不同脆弱區提出相應的應對措施和保護手段，為實現資源和經濟社會的可持續發展提供技術支撐，促進西寧地區穩定的生態系統，尋找出在生態脆弱欠發達地區走一條綠色發展的新路。

1 研究區概況

西寧地區位于青藏高原東北部湟水谷地，地理位置100°52′04″～101°54′54″E，36°13′42″～37°28′11″N[3]，面積7 665km2[4]，大體上由達坂山—湟水谷地—拉脊山組成，地勢西北高、東南低，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為2715m。水熱條件分布不均勻，經西寧市氣象局統計1990—2020年30年氣象要素數據，年平均氣溫4.5℃，年降水量470.6mm，年平均風速1.3m/s，年日照時數2 582.6h，年平均氣壓751.0hPa。與同緯度地區相比，西寧地區具有氣壓和氣溫較低、晝夜溫差大、日照時數長、蒸發量大的氣候特點，土壤貧瘠、植被稀疏、地質結構復雜，兼有農業和少部分牧業，生態環境先天脆弱。2019年西寧地區總人口238.71萬人，是青藏高原唯一過百萬人口的城市[5]，是黃河流域最上游和青藏高原上人類活動強度最大的地區[6]。

2 資料和方法

2.1 資料來源

使用的氣象數據2020年均氣溫和年降水量，來自青海省、市(州)、縣(區)氣象臺業務平臺，選取西寧地區國家氣象站和區域氣象自動站共43個站點；人口密度和GDP等社會統計數據來源于《2020年西寧地區統計年鑒》；地形因素數據來自SRTM DEM，分辨率為90m；土地資源數據來自中科院資源環境數據中心2020年度植被指數數據集，分辨率為30m。

2.2 研究方法

生態脆弱性是生態系統在特定時空尺度相對于外界干擾所具有的敏感反應和自我恢復能力，是生態系統的固有屬性[7]。是指在外界干擾下生態系統產生的一系列反應能力。生態脆弱性指標選擇需要考慮研究區的抗干擾能力、氣候變化敏感性、時空波動性等多方面特征[8]。本項目在西寧地區生態環境最基本的特征基礎上，參照國內研究人員已研究的脆弱性結果[9-11]構建指標，以及對現有研究數據的可獲得性和表向性的考慮，西寧地區生態環境脆弱性評價分析從地形因素、氣象因素、社會經濟(人類活動)、土地資源四個方面選取植被覆蓋度、土地利用、土壤類型、高程、坡度、坡向、年平均氣溫、平均降水量、GDP、人口、工業總產值11個指標來進行研究。為得到西寧區域內生態環境的特征細節，應用規則網格結合縣級行政區劃單元用海拔高程和坡度來表現西寧地形地貌脆弱情況；年溫度和年降水量來代表西寧氣候狀況；生存環境的脆弱度用土地利用狀況來表現；人口和經濟壓力來代表西寧經濟社會因素引起的脆弱度。按照以往研究人員的經驗，各指標正負作用的性質，如社會經濟越好，表示人類對生態環境干擾越大，生態脆弱度就越大，即呈正相關；植被覆蓋程度越好，生態脆弱程度越小[12]，即呈負相關。表1為西寧地區各因素評價指標和權重。

表1 西寧地區生態環境脆弱性評價指標及權重

數據標準化：在參考各位學者研究生態脆弱性評價研究的基礎上，先對各指標數據分別用公式(1)、(2)進行標準化處理[13]。

(1)

(2)

計算各指標權重，此研究用層次分析法來確定。用各因素標準化值和該指標權重的乘積來計算各要素的脆弱性指數。最后計算綜合生態環境脆弱性指數。

3 特征和分析

3.1 地形因素脆弱性分析

地形因素是生態脆弱性評價中不可缺少的一部分，是生態環境的基本要素，地形因素生態脆弱性與海拔高度和坡度成正相關，海拔越高，坡度越大，生態脆弱性越大。從地形因素生態脆弱性空間分布來看(見圖1)，中度和重度脆弱占的面積較小兩者之和為19.66%，主要分布高海拔山區，即在大通北面達坂山、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，為地勢起伏大、海拔高度高、山脈縱橫處。輕度脆弱區隨中度脆弱區依附在一起隨山體分布，面積占比為16.31%。潛在脆弱區面積占比最多為42.73%，主要分布在海拔相對較低的地帶，如大通東南部、西寧地區、湟中大部和湟源局地。

圖1 西寧地區地形系統生態脆弱性評價圖

3.2 氣象因素脆弱性分析

對處于高寒冷涼區的西寧地區而言，降水較少，蒸發量大，氣溫日較差大，冬季寒冷干燥，氣候對植被生長、土壤環境有嚴重的影響。因此，水熱條件越好生態脆弱性越小，水熱條件越差生態脆弱性越大。從表2可見，氣象因素脆弱性面積占比由大到小依次為中度占36.35%、重度占28.05%、輕度占26.75%、微度占8.34%、潛在脆弱占0.51%。從氣象因子的脆弱性空間分級圖(見圖2)可看出，西寧地區氣象因素的生態脆弱性，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，這些地區相對而言降水較多但溫度較低。處于河谷的湟源縣城、大通縣城及東南部、湟中大部、西寧城區因降水相對較多，溫度較高，生態脆弱性逐步降小。

圖2 西寧地區氣候生態脆弱性評價圖

3.3 社會經濟脆弱性分析

人口密度、人均GDP和工業總產值作為影響西寧地區社會經濟因素的生態脆弱性，與生態脆弱性成正相關，人口多、GDP高和工業總產值高的地方，生態脆弱性越大。從社會經濟因素評價圖(圖3)可見，西寧地區社會經濟因素的生態脆弱性分布大小由中心城區向周邊擴展，重度脆弱集中在西寧城北區、城西區和湟中區，因這些區域人口密集、經濟較發達給環境帶來的壓力相對較高故生態脆弱性較大；相反，研究區西北部和西南部社會經濟因素影響較小的地區生態脆弱性較小。

圖3 西寧地區社會經濟生態脆弱性評價圖

3.4 土地資源脆弱性分析

影響西寧地區土地資源生態脆弱性主要有植被覆蓋度和土地利用類型，其中植被覆蓋度與脆弱性成負相關，植被覆蓋度越大脆弱性越小。從西寧地區土地資源生態脆弱性空間分布圖(見圖4)可看出，中度脆弱、重度脆弱和輕度脆弱主要分布在湟水河谷地城區人造地表、裸地以及高海拔山脈植被少的地方，三者面積之和占13.2%，剩余大部分地區為潛在脆弱和微度脆弱區，兩者面積之和達87.14%，占比較大。

圖4 西寧地區土地資源生態脆弱性評價圖

3.5 生態脆弱性綜合評價分析

在計算分析了地形、社會經濟、水文氣象和土地資源四個因素的生態脆弱性之后，用(3)式來計算綜合生態環境脆弱性[14]。

EVI=∑[A1Y1+A2Y2+A3Y3+A4YA]

(3)

式中，A1,A2,A3,A4,分別表示地形、社會經濟、水文氣象和土地資源因素生態脆弱度，Y1,Y2,Y3,Y4分別為各因素對應的權重，此處權重用專家打分法確定。

西寧地區生態脆弱度使用Arcgis中的“自然間斷點”分為五個等級見表2。繪制出西寧地區生態環境脆弱性等級面積占比圖(見圖5)和西寧地區綜合生態脆弱性評價圖(見圖6)。由圖5可知，西寧地區生態脆弱性一般潛在區域面積占17.59%，微度脆弱占43.61%，輕度脆弱占28.86%，中度脆弱占8.0%，重度脆弱占1.94%，由此可見西寧地區微度脆弱面積占比最大。從圖6上分析，西寧地區生態脆弱度空間分布總體呈現高海拔向低海拔減小趨勢。重度和中度主要分布西寧地區北部和南部高海拔山脈區，這些地區因溫度低，以裸巖石質地景觀為主的高山，植被覆蓋度極低。輕度脆弱區與中度脆弱區依附在一起分布在高海拔山區，另外一塊輕度脆弱區聚集于主城區的城北區、城西區和城中區，其中城西區和城中區以微度脆弱之中鑲嵌輕度脆弱，而城北區是以微度和輕度脆弱混合并有一小塊中度脆弱。主要因城區人口密度大，建設開發用地增加，工業總產值高，尤其城北區工業總產值最高，人均GDP較高，故脆弱性較高。城東區因海拔最低，氣溫最高，加之工業總產值在城區中是最低的，故為微度脆弱區。大通、湟源和湟中海拔較低的谷地和緩坡地區為微度脆弱區，相對研究區而言微度脆弱區域分布范圍最廣，這些區域基本上坡度較緩，是以耕地、林地和草地為主的地區，植被好，人類活動少。

表2 西寧地區生態脆弱性評價占比(%)

圖5 西寧地區生態環境脆弱性等級面積占比圖

圖6 西寧地區綜合生態脆弱性評價圖

4 小結

(1)由西寧地區2020年生態脆弱性等級面積占比統計可知，微度脆弱面積占比最高達到43.61%，其次是輕度脆弱占28.86%，中度和重度脆弱占比僅為8.0%和1.94%，西寧地區整體處于微度脆弱性。

(2)生態脆弱性空間分布上整體呈現高海拔山區高，低海拔緩坡和河谷低的分布特征，重度和中度脆弱區主要分布在海拔較高的山區，潛在或微度脆弱區分布在海拔相對較低的谷地和緩坡，植被覆蓋好，工業總產值相對低的地區。大通、湟源和湟中海拔較低的谷地和緩坡地區為微度脆弱區，相對西寧地區而言微度脆弱區域分布范圍最廣。

(3)西寧城區內人口集中，人類活動擾動大，工業總產值高，故生態脆弱性較高。其中城北區是以微度和輕度脆弱混合并有一小塊中度脆弱，是城區中最脆弱的區域，其次是城西區和城中區，城東區為微度脆弱區。

(4)生態環境脆弱性受自然、氣候和人類等各個方面的共同影響，相互關系錯綜復雜。限于收集數據的難度，在此次研究西寧地區脆弱性時只用了一年的資料，并且沒有滲透到更廣更細的層面選取更多的生態環境脆弱性指標，而是主要根據結構特點選取了四個有代表性因素的指標，對于本身復雜的生態環境系統，根據特定指標進行環境評價有一定的局限性，還有待于今后結合實證研究進一步完善。