韩继冲　郭梦迪　杨青林

摘要：为掌握川西北江河源区的生态环境脆弱性时空变化过程及土地利用对生态环境脆弱性的影响，利用集成遥感技术、地理信息系统技术，结合空间主成分分析法构建评价指标体系和评判模型，对2000-2015年川西北江河源区的生态环境脆弱性做出评价，并分析其与土地利用之间的关系。结果表明，川西北江河源区生态环境脆弱性整体呈现出好转的趋势，中度和重度脆弱面积在研究时间尺度内持续减少；生态环境脆弱性较为严重的区域基本分布在东部的若尔盖县和西部的石渠县；土地利用类型中建设用地、未利用地、耕地对环境脆弱性的恶化具有较大影响。表明近年来川西北江河源区退耕还林、退牧还草等生态保护政策已取得成效，但仍需加大环境治理力度。

关键词：生态环境脆弱性；空间主成分分析；土地利用；川西北江河源区

中图分类号：X171.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）09-0020-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.005

Assessment of Ecological Environment Vulnerability in the River Source Area of Northwest Sichuan

HAN Ji-chong，GUO Meng-di，YANG Qing-lin，SHAO Huai-yong，YANG Xian-hua

（Key Laboratory of Information Technology & Application of Land and Resource/School of Earth Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract： The purpose of this paper is to understand the spatiotemporal change characteristics of ecological environment vulnerability and the impact of land use on ecological environment vulnerability. Remote sensing（RS），geographic information system（GIS），spatial principal component analysis（SPCA） were used to establish the evaluation index system and evaluation model to evaluate ecological environment vulnerability from 2000 to 2015，and analyze the relationship between ecological environment vulnerability and land use. The results showed that，the vulnerability of the ecological environment in the study area showed a trend of improvement，and the area of moderate and severe fragile continued to decrease in the study time scale. The areas with serious ecological fragility in the study area were mainly distributed in the eastern Ruoergai county and the wester Shiqu county. The building land， unused land and cultivated land had a great influence on the deterioration of environmental vulnerability. It is pointed out that ecological protection policies such as returning cultivated land to forests and returning grazing land to grassland in the northwest Sichuan river source area have been effective，but still need to increase the environmental management.

Key words： ecological environment vulnerability； spatial principal component analysis； land use； northwest Sichuan river source area

川西北江河源區是中国重要牧区，历史上由于缺乏生态环境保护和建设，过度放牧以及鼠灾虫灾等自然灾害导致沼泽和草地严重退化[1]。近年来，退耕还林、还草、风沙治理等工程使草原生态恶化势头有所减缓，但总体恶化趋势尚未遏制[2]。为了进行生态建设和环境保护，首先应该对当前的生态状况和发展趋势进行分析研究，以对其生态环境脆弱性做出评价，并将分析结果作为生态建设的参照依据。目前许多关于江河源区生态环境脆弱性方面的研究集中在对理论的探讨[3]，但对生态地位重要的川西北江河源区的生态环境脆弱性时空变化及其与土地利用之间关系的研究较少。

近年来国内外提出了许多评估生态环境影响的方法，主要有模糊判定分析法[4]、人工神经网络法[5]、层次分析法[6]、景观生态学法[7]等，然而，上述方法中使用的变量并不总是容易获得，且在指标选取和指标权重确定中存在一定程度的主观性，如人工神经网络法在评价指标选取方面依赖于个人的经验知识；层次分析法是通过专家打分，构建判断矩阵得到指标权重，而研究者的经验和知识水平不同得到的权重也会有差异。空间主成分分析法（SPCA）是通过计算特征值和特征向量得到累计贡献率从而计算得到主成分，减少了评价指标间相关性[8]；该方法在指标选取和指标权重确定方面克服了上述其他方法的不足，具有客观性，并已广泛应用于环境调查[9]。本研究基于SPCA建立研究区生态环境脆弱性评价模型，分析了2000-2015年生态环境脆弱性空间分布及变化趋势，对当地生态环境脆弱性的成因进行驱动力分析并提出了相关建议，掌握了不同土地利用类型对生态环境脆弱性的影响程度，为土地资源的合理分配利用提供科学依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

川西北江河源区地处青藏高原东缘，四川省西北部，位于97°20′-103°39′E，31°24′-34°19′N。研究区地势西高东低，海拔在2 409～5 883 m，气候严寒、昼夜温差较大。地貌以高山、丘陵为主，气候类型为大陆季风性气候，年平均降水量为500～1 000 mm，温度差异较大。土地利用类型以草地为主，但长期受到过度放牧等人类活动的影响，草原沙化严重，生态环境脆弱。

1.2 数据来源与处理

本研究使用的数据：①气象数据。来自中国气象科学数据共享服务网，获取研究区及其附近县市的19个标准气象站点的2000、2008、2015年的≥10 ℃年累计温度和年均降水量，并进行空间插值处理。②遥感数据。来自地理空间数据云，获取研究区2000、2008年两期TM影像，2015年OLI一期影像（分辨率为30 m）进行目视解译得到研究区土地利用数据，依据中国科学院资源与环境中心的分类体系进行分类。③基础地理数据。研究区1∶100万土壤类型数据由四川省环境保护科学研究院提供；DEM数据，空间分辨率为90 m，来自国际科学数据服务平台，由DEM提取得到研究区的坡度栅格图像。④植被覆盖（NDVI）数据，来源于国际科学数据服务平台MOD13Q1分辨率250 m数据产品，运用MRT软件转换投影和拼接。⑤社会经济数据。来自四川省统计年鉴，包括人口密度、人均GDP，基于ArcGIS平台将该属性数据转化为空间数据。

各指标栅格大小统一为250 m×250 m，采用xian-80地理坐标系、高斯克吕格投影坐标系。

1.3 生态环境脆弱性评价方法

1.3.1 生态环境脆弱性评价指标体系 指标选取遵循科学性和可操作性原则，考虑自然和人类活动对环境的影响，再结合当地的区域特点，从地形、覆被、气候、人类活动4个方面选取了9项指标（表1）进行评估。

1.3.2 数据标准化 由于评价指标因素的单位不同，难以直接评估这些因素对生态环境状况的影响，所以需要进行标准化来消除变量之间的单位差异。高程、坡度、土壤类型、土地利用、人口密度、人均GDP与环境脆弱性呈正相关的评价指标采用公式（1）标准化；植被覆盖、年降雨量、≥10 ℃年累计气温与环境脆弱性呈负相关的评价指标采用公式（2）进行标准化。

Ai=（Bi-Bi，min）/（Bi，max-Bi，min） （1）

Ai=（Bi，max-Bi）/（Bi，max-Bi，min） （2）

式中，Ai为指标标准化值；Bi为指标初始值；Bi，min、Bi，max分别为该指标最小值、最大值。

1.3.3 综合评价模型 采用选取的9个生态环境脆弱性评价指标基于ArcGIS平台进行空间主成分分析，最终确定前5个累计贡献大于85%的主成分来进行生态环境脆弱性评价（表2）。对生态系统脆弱性的评估需要整合多个因素来获得综合评价指标，在提取出来的5个主成分的基础上，通过采用生态环境脆弱性指数（Eco-environment vulnerability index，EVI）来表示不同水平的生态环境脆弱性，EVI被定义为若干主成分的加权和，分别以某个主成分相对应的贡献率作为权重（公式3），结合每个主成分及其对应的权重，进行代数计算得到综合评价指数（公式4），EVI的值越大，表示其生态环境越脆弱。

wi=■ （3）

EVI=w1r1+w2r2+L+wiri （4）

式中，wi表示第i个主成分的贡献率；？姿i表示第i个主成分的特征值；EVI为生态环境脆弱性指数；ri是第i个主成分。

由空间主成分分析得到的结果（表2）得到研究区3年的指数线性公式（公式5-公式7）。

EVI2000年=0.309X1+0.192X2+0.169X3+0.135X4+0.097X5 （5）

EVI2008年=0.298Y1+0.191Y2+0.170Y3+0.136Y4+0.109Y5 （6）

EVI2015年=0.320Z1+0.195Z2+0.175Z3+0.138Z4+0.037Z5 （7）

式中，X1至X5、Y1至Y5、Z1至Z5分别是从2000、2008、2015年9个初始空间变量中提出的5个主成分。

1.3.4 脆弱性分级标准 EVI是从SPCA评估模型中计算得到的一个连续值，应该被划分为代表不同生态环境脆弱性水平的几个等级，在分类过程中，客观逻辑分析对分类结果有重要的影响，因此依据直方图进行分类是一种客观的分类方法。自然段点法可以通过选择分类相似值的类别间隔来识别断点，并最大化类之间的差异，可以很好地将类别相近的物体聚集在一起并且增大类别之间的差异，因此自然断点法是一种非常合理的分类方法，且该方法已广泛应用于生态环境脆弱性评价分级中[13]。在本研究中，对EVI指数采用自然段点法与当地实际情況结合的方法，参照已有的分类体系将生态环境脆弱性分为潜在脆弱（Ⅰ）、微度脆弱（Ⅱ）、轻度脆弱（Ⅲ）、中度脆弱（Ⅳ）、重度脆弱（Ⅴ）5个等级[14]（表3）。

2 结果与分析

2.1 环境脆弱性空间格局分布

通过上述综合评价方法得到2000、2008、2015年川西北江河源区的生态环境脆弱性分级结果如图1所示。由图1可知，研究区内的生态环境脆弱区域主要分布于西部和东部，少部分分布在南部，中部地区的环境状况普遍较好，脆弱性分布具有差异性特点。据统计结果（表4）得到，整体上生态环境脆弱性程度面积所占比例为轻度脆弱>微度脆弱>潜在脆弱>中度脆弱>重度脆弱，重度脆弱所占比例较小，占7.76%～9.88%，由此判断川西北江河源区生态环境整体情况较好。15年间3个时间段不同脆弱性等级面积所占比例的变化为潜在脆弱和微度脆弱面积所占比例为先减少后增加，轻度脆弱面积所占比例不断增加，中度脆弱和重度脆弱面积所占比例不断减小，其中生态环境重度脆弱面积所占比由2000年的9.88%下降到2008年的8.77%，到2015年下降为7.76%。表明川西北江河源区2000-2015年生态环境质量有好转的趋势，这是由于长期以来研究区过渡放牧、草原沙化等环境破坏问题引起了国家高度重视，2000年后施行退耕还林、退牧还草等一系列改善环境的项目，使得环境恶化的趋势减缓。

2.2 脆弱性变化趋势分析

通过生态环境脆弱性综合指数E（公式8）描述整个区域及境内各县的生态环境的变化趋势。

Ej=■■×Fi （8）

式中，i为脆弱性等级，n为总的脆弱性等级数，Pi是脆弱性等级i在评级单元j中的面积，SPj是评价单元j的面积，Fi是i的脆弱性级别。其中，E>0，E越大，表示生态环境整体越脆弱。

由上述方法计算得到川西北江河源区整体及境内各县的生态环境脆弱性综合指数（表5），2000、2008、2015年研究区生态环境脆弱性综合指数分别为2.769、2.759、2.705，呈现下降趋势，生态环境质量逐步改善。从区域尺度分析，总体来看，生态环境综合脆弱性指数较高的为石渠县和若尔盖县，脆弱性指数值均大于3.0，属于环境最为脆弱的区域；甘孜县、色达县、阿坝县、红原县脆弱性指数总体大于2.3，属于环境质量状况中等偏上水平；壤塘县环境质量状况最好。从时间尺度分析，色达县、壤塘县环境脆弱性综合指数变化均为先增加后降低，甘孜县、阿坝县呈现缓慢增加的趋势，若尔盖县、石渠县、红原县生态环境脆弱性呈现出降低的趋势。

生态环境相对脆弱的县主要为石渠县和若尔盖县，造成这两部分地区生态环境脆弱的原因不同。位于西部的石渠县海拔高，属大陆性季风高原气候，终年较为寒冷，降水量小，植被覆盖度较低，区域生态环境先天脆弱，加之当地以畜牧业为主过度放牧、草原沙化严重导致环境脆弱性相对较高。位于东部的若尔盖县人口密度大，旅游资源丰富，人类活动频繁，对生态环境产生了重要影响，导致生态环境脆弱。为改善生态环境质量，提出以下建议：①对于草原沙化严重地区应当减少过度放牧，采取退牧还草等生态保护措施；同时，相关部门应当进行经济资助，帮助该地区转变经济结构，降低农牧业对环境的影响，提高人们的环境保护意识。②对于人口密度较大、农耕土地面积大、工业发达等地区应继续施行退耕还林、植树造林等相关政策，并制定更加规范的污染处理标准，加强非法排放企业的惩罚力度。

2.3 土地利用对生态环境脆弱性的影响分析

通过统计各土地类型区域中像元数最多的环境脆弱性等级来分析生态环境脆弱性和不同土地类型之间的相关性。在获得土地利用分类数据（土地利用类型分为水体、林地、草地、建设用地和未利用地六大类）后，基于ArcGIS平台对2000、2008、2015年不同土地利用类型区域内像元数最多的脆弱性级别进行统计，结果可知，建设用地、未利用地、耕地、草地、林地、水体对应的区域内像元数最多的脆弱性级别依次为重度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、轻度脆弱、潜在脆弱、潜在脆弱。建设用地和未利用地对环境脆弱性的影响程度相对较大，此现象是由建筑用地地区的植被覆盖率和初级生产力总体上较低、生物多样性较小造成的。同时，耕地对环境脆弱性的影响也较大，因为这种土地利用类型植被覆盖较低，植被覆盖和土壤水分的减少导致生态环境质量恶化。其次为草地，草原沙化严重以及人类活动（人口密集、过度放牧等）对生态环境产生影响。林地和水体主导区域的脆弱性稳定，该区域主要为潜在脆弱，这些地区水分充足，植被覆盖率高，物种多样性丰富。由此可知，以建设用地为主的区域是环境较状况较差的地区，其次依次为未利用地、耕地、草地、林地和水体。

3 小结

本研究在RS和GIS的支持下，利用SPCA建立评价模型，对川西北江河源区的生态环境脆弱性情况进行评价，得出以下结论。

1）川西北江河源区的生态环境脆弱情况整体良好，东部和西部生态环境较为脆弱，中部良好。轻度脆弱所占比例最大，其次是微度脆弱，潜在脆弱和中度脆弱所占比例中等，重度脆弱所占比例最小。中度脆弱和重度脆弱呈现下降趋势，若尔盖县和石渠县生态环境最为脆弱。

2）在研究时间段内，通过对研究区土地利用与环境脆弱性之间的关系分析，发现不同土地利用类型对环境脆弱性的影响不同，以建设用地和未利用地为主的地区是环境最为恶化的地区，其次是耕地、草地、林地和水体。

3）研究时间段内研究区生态环境有所改善，主要是近年来退耕还草、草原沙化治理等生态环境恢复措施的落实。为此本研究提出扩大生态环境保护区面积和延长保护期两个关键建议，加强草原沙化治理力度，在人口集中、经济工业发达地区提高第三产业占比。

生态环境脆弱性受多方面的影响，是一个复杂的过程，本研究由于数据和技术问题有限，对评价结果会造成一定影响。因此，更加重视下一步研究，掌握生态系统脆弱性变化的驱动力机制，整合额外的标准，探索更有效的方法。

参考文献；

[1] 仙 巍，向芷莹，陶诗祺，等.川西北江河源区草地退化遥感监测研究[J].测绘科学，2015，40（7）：49-53.

[2] 繆冬梅，刘 源.2012年全国草原监测报告[J].中国畜牧业，2013（8）：14-29.

[3] LIU D，CAO C X，DUBOVYK O，et al. Using fuzzy analytic hierarchy process for spatio-temporal analysis of eco-environmental vulnerability change during 1990-2010 in Sanjiangyuan region，China[J].Ecological Indicators，2017，73：612-625.

[4] NAVAS J M，TELFER T C，ROSS L G.Separability indexes and accuracy of neuro-fuzzy classification in geographic information systems for assessment of coastal environmental vulnerability[J].Ecological Informatics，2012，12（12）：43-49.

[5] CASTIN N，FERN？魣NDEZ J R，PASIANOT R C. Predicting vacancy migration energies in lattice-free environments using artificial neural networks[J].Computational Materials Science，2014，84：217-225.

[6] LIOU Y A，NGUYEN A K，LI M H. Assessing spatiotemporal eco-environmental vulnerability by Landsat data[J].Ecological Indicators，2017，80：52-65.

[7] SALVATI L，TOMBOLINI I，PERINI L，et al.Landscape changes and environmental quality：The evolution of land vulnerability and potential resilience to degradation in Italy[J].Regional Environmental Change，2013，13（6）：1223-1233.

[8] ZOU T，YOSHINO K. Environmental vulnerability evaluation using a spatial principal components approach in the Daxinganling region，China[J].Ecological Indicators，2017，78：405-415.

[9] SHI Z H，CHEN L D，HAO J P，et al. The effects of land use change on environmental quality in the red soil hilly region，China：A case study in Xianning County[J].Environmental Monitoring & Assessment，2009，150（1-4）：295-306.

[10] SHAO H，SUN X，TAO S，et al. Environmental vulnerability assessment in middle-upper reaches of Dadu River Watershed using Projection Pursuit Model and gis[J].Carpathian Journal of Earth & Environmental Sciences，2015，10（4）：143-146.

[11] SHAO H，LIU M，SHAO Q，et al. Research on eco-environmental vulnerability evaluation of the Anning River Basin in the upper reaches of the Yangtze River[J].Environmental Earth Sciences，2014，72（5）：1555-1568.

[12] 徐慶勇，黄 玫，陆佩玲，等.基于RS与GIS的长江三角洲生态环境脆弱性综合评价[J].环境科学研究，2011，24（1）：58-65.

[13] LI A，WANG A，LIANG S，et al. Eco-environmental vulnerability evaluation in mountainous region using remote sensing and GIS—A case study in the upper reaches of Minjiang River，China[J].Ecological Modelling，2006，192（1-2）：175-187.

[14] 邵秋芳，彭培好，黄 洁，等.长江上游安宁河流域生态环境脆弱性遥感监测[J].国土资源遥感，2016，28（2）：175-181.