宋海彬,武富慶,于翠芳

(黑龍江科技大學(xué) 管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

近年來，在自然及人為因素的作用下，復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)脆弱性越來越突出[1]。首先，復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)本身就是生態(tài)問題的多發(fā)區(qū)，而且很多復(fù)雜地質(zhì)相繼被人類開發(fā)，土地的不合理利用使其生態(tài)環(huán)境更加脆弱。此外，土地鹽堿化、水資源短缺等自然因素以及濕地環(huán)境污染、油田開發(fā)等人為因素也破壞了其生態(tài)系統(tǒng)，使生態(tài)環(huán)境喪失一部分生態(tài)功能，為該地區(qū)人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的保持帶來很大挑戰(zhàn)。這種對于復(fù)雜地區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞目前已經(jīng)對當(dāng)?shù)厣鐣?、?jīng)濟、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重阻礙，并間接或直接地對其生態(tài)系統(tǒng)平衡造成影響[2]。因此，有必要選取適當(dāng)?shù)木C合評估指標(biāo)對復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性進行評估[3]，進而通過評估結(jié)果能夠?qū)?fù)雜地質(zhì)生態(tài)情況實施情景預(yù)測，為其管理區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供一定決策支持，同時對于復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)后續(xù)保護、恢復(fù)以及開發(fā)工作的開展也有指導(dǎo)作用。

生態(tài)環(huán)境的研究逐漸成為國內(nèi)外的研究重點，劉延國等[4]從西南山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)保護紅線劃定的角度出發(fā)，構(gòu)建了該地區(qū)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評估模型，但是該模型權(quán)重計算不夠詳細。何彥龍等[5]通過層次分析法和空間主成分分析法構(gòu)建了長江口海域這一復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性實施了綜合評估，但是該評估體系的評估指標(biāo)不夠完善。Susceptibility等[6]構(gòu)建了復(fù)雜地質(zhì)下的敏感性評估體系，但是該方法也存在評估不準(zhǔn)確的情況。針對上述問題，本文設(shè)計一種新的復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法，以期為生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展作出貢獻。

1 研究區(qū)域概況

以某復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)為研究對象，實驗地區(qū)的具體環(huán)境如圖1所示。

圖1 實驗地區(qū)的具體環(huán)境Fig.1 Specific environment of the experimental area

實驗地區(qū)自上新世以來一直處于湖盆斷陷環(huán)境，其地層構(gòu)造以淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉—細砂為主，夾草煤、泥炭、褐煤、砂礫石等河湖相地層。其地層厚度在60～800 m，局部地區(qū)地層厚度在1 000 m以上。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)獲取與來源

獲取復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估數(shù)據(jù)，具體包括土壤類型柵格、大氣環(huán)境、水熱氣象、土地利用、植被覆蓋度、生物豐度、DEM高程、遙感影像等數(shù)據(jù)以及社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)[7]。其中，遙感影像數(shù)據(jù)的獲取途徑為Landsat 8 OLI衛(wèi)星影像，其成像時間在2017年，可以達到30 m的空間分辨率。同時影像云量在10%以下，能夠滿足研究需求[8]。該衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)格式為TIFF，衛(wèi)星軌道號是P_123035/P_124035/P124034。

對于獲取的遙感影像數(shù)據(jù)，利用最大似然法對其實施監(jiān)督與分類，獲取復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的土地利用圖[9]。以土地利用類型數(shù)據(jù)為依據(jù)對復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)生物豐度指標(biāo)數(shù)據(jù)進行計算，具體計算公式：

(1)

式中，P為生物豐度；R為耕地面積；W為森林面積；D為草地面積；Q為水域面積；E為建筑用地面積；T為裸地面積；M為復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)總面積[10]。

具體來說，生物豐度數(shù)據(jù)能夠表明研究地區(qū)單位面積中各種類型在生態(tài)系統(tǒng)物種數(shù)量上的差異，其指數(shù)值與研究地區(qū)生態(tài)環(huán)境的實際質(zhì)量值呈正比[11]。

復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的大氣環(huán)境、水熱氣象、DEM高程以及社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)的具體來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)具體來源Tab.1 Specific sources of data

其中，土壤類型柵格數(shù)據(jù)的來源是中國土壤資源數(shù)據(jù)庫，利用GIS軟件實施空間分辨率轉(zhuǎn)換，獲取30 m×30 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 評估方法

2.2.1 生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系構(gòu)建

根據(jù)獲取的復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估數(shù)據(jù)選取復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估指標(biāo)，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系。

生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系的構(gòu)建可以分為總目標(biāo)層、目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層的構(gòu)建[12]。首先將總目標(biāo)層定為復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性，接著對目標(biāo)層進行制定，將目標(biāo)層分為以下幾個層次：環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)、環(huán)境敏感指數(shù)。根據(jù)目標(biāo)層對準(zhǔn)則層指標(biāo)進行選取，其中選取的環(huán)境壓力指數(shù)對應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)為水土流失敏感度、地質(zhì)災(zāi)害敏感度、石漠化敏感度；選取的環(huán)境彈力指數(shù)對應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)為功能指數(shù)、組織指數(shù)、自我調(diào)節(jié)指數(shù)、環(huán)境保護指數(shù)、綜合管理指數(shù)；選取的環(huán)境壓力指數(shù)對應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)為資源環(huán)境壓力度、社會發(fā)展壓力程度、人口壓力程度、自然壓力指數(shù)[13]。

根據(jù)準(zhǔn)則層指標(biāo)對應(yīng)的指標(biāo)層指標(biāo)進行選取，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，具體見表2。

表2 構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估指標(biāo)體系Tab.2 Constructed ecological environment vulnerability assessment system

至此完成生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系的構(gòu)建。

2.2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

通過最大—最小范圍標(biāo)準(zhǔn)化處理方法對原始評估指標(biāo)數(shù)據(jù)實施標(biāo)準(zhǔn)化處理[14]。

對于原始評估指標(biāo)數(shù)據(jù)中的正負相關(guān)數(shù)據(jù)，具體處理方式：

(2)

式中,Si1為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的原始評估指標(biāo)負相關(guān)數(shù)據(jù)；Yi為原始評估指標(biāo)負相關(guān)數(shù)據(jù)；Yimax為原始評估指標(biāo)負相關(guān)數(shù)據(jù)最大值；Yimin為指原始評估指標(biāo)負相關(guān)數(shù)據(jù)最小值；n為原始負相關(guān)評估指標(biāo)個數(shù)[15]；Si2為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的原始評估指標(biāo)正相關(guān)數(shù)據(jù)；Xi為指原始評估指標(biāo)正相關(guān)數(shù)據(jù)；Ximax為原始評估指標(biāo)正相關(guān)數(shù)據(jù)最大值；Ximin為原始評估指標(biāo)正相關(guān)數(shù)據(jù)最小值；m為原始正相關(guān)評估指標(biāo)個數(shù)[16]。

通過以上公式實施原始評估指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理[17]。

2.2.3 權(quán)重值計算

通過OWA算子確定生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系中的各指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重[18]。實施層次單排序。使用的方法為方根法，具體排序步驟如下：

(1)對各行元素乘積的n次方根進行計算，具體公式如下：

(3)

式中,z為元素個數(shù)；Di=Πbij，為判斷矩陣中各行元素的乘積，bij為判斷矩陣中的元素[19]。

(4)

獲取單一指標(biāo)的對應(yīng)權(quán)重后，對結(jié)果實施一致性檢驗，通過檢驗后，該指標(biāo)權(quán)重值即為其生態(tài)環(huán)境脆弱性的指標(biāo)評估值，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估。脆弱性分級按照標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)劃分，指標(biāo)具體權(quán)重和等級見表3。

表3 復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估指標(biāo)分級與權(quán)重Tab.3 Classification and weight of complex geological ecological environment vulnerability assessment indicators

通過Raster Calculatorr 計算脆弱性指數(shù)，計算公式為：

(5)

式中，ri為要素柵格數(shù)。

根據(jù)上述內(nèi)容，得到生態(tài)環(huán)境脆弱性評估處理結(jié)果，如圖2所示。

圖2 評估指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境脆弱性分區(qū)

利用本文方法對實驗地區(qū)進行生態(tài)環(huán)境脆弱性評估，首先獲取實驗地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估數(shù)據(jù)，進而構(gòu)建實驗地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，通過評估體系計算各指標(biāo)權(quán)重值，實現(xiàn)評估。生態(tài)環(huán)境脆弱性分級見表4。

表4 生態(tài)環(huán)境脆弱性等級Tab.4 Vulnerability levels of ecological environment

3.2 生態(tài)保護分布及脆弱性統(tǒng)計

生態(tài)環(huán)境保護將Ⅳ和V等級分為需要保護的區(qū)域，通過復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估結(jié)果劃分生態(tài)保護區(qū)域。脆弱性分級統(tǒng)計見表5，保護區(qū)域如圖3所示。表5中數(shù)據(jù)為研究區(qū)域的面積占比，圖3中的虛線區(qū)域為生態(tài)重點保護區(qū)域。

表5 生態(tài)脆弱性分級統(tǒng)計Tab.5 Hierarchical statistics of ecological vulnerability

圖3 生態(tài)保護區(qū)域Fig.3 Ecological protection area

3.3 評估性能結(jié)果分析

為了進一步確定設(shè)計的評估方法的準(zhǔn)確性，針對權(quán)重值計算結(jié)果，驗證設(shè)計的評估體系的評估性能。分別對環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)和環(huán)境敏感指數(shù)中各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率進行計算。評估錯誤率的計算公式：

(6)

式中,∑cf為各指標(biāo)評估值和實際情況不相符的綜合概率；∑ct為各指標(biāo)評估值和實際情況相符的綜合概率。

通過計算不同情況下環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)和環(huán)境敏感指數(shù)中各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率，測試本文方法的評估性能。在實驗地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)良好的情況下，測試其四季環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)和環(huán)境敏感指數(shù)中各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率，測試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4的綜合評估錯誤率測試結(jié)果可知，在實驗地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)良好的情況下，其四季各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率均較低，環(huán)境敏感指數(shù)的誤差最高為2%，環(huán)境壓力指數(shù)最高為1.5%，環(huán)境彈力指數(shù)最高為1.2%。其中，環(huán)境彈力指數(shù)對應(yīng)的綜合評估錯誤率曲線最低，該方法具有較低的誤差率，具備有效性。

圖4 生態(tài)環(huán)境狀態(tài)良好情況下綜合評估錯誤率測試結(jié)果Fig.4 Test results of comprehensive assessment errorrate under good ecological environment

在實驗地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較差的情況下，對其四季環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)和環(huán)境敏感指數(shù)中各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率進行測試，測試結(jié)果如圖5所示。圖5的綜合評估錯誤率測試結(jié)果表明，在實驗地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較差的情況下，其四季各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率相比生態(tài)環(huán)境狀態(tài)良好時有所上升，然而整體評估錯誤率值仍較低。其中，環(huán)境敏感指數(shù)的綜合誤差率最高為2.4%，環(huán)境壓力指數(shù)最高綜合誤差率為2.1%，環(huán)境彈力指數(shù)最高綜合誤差率為1.7%，證明本文方法具備良好的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估性能。

圖5 生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較差情況下綜合評估錯誤率測試結(jié)果Fig.5 Test results of comprehensive assessment error rate under poor ecological environment

4 結(jié)論

復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境往往較為極端，針對其生態(tài)環(huán)境特性，兼顧有效性、獨立性、代表性和可操作性的原則，篩選合理指標(biāo)，構(gòu)建了復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的準(zhǔn)確評估。

(1)有效統(tǒng)計分析了研究區(qū)域的脆弱性等級，并且根據(jù)評估結(jié)果，劃分能力生態(tài)保護區(qū)域。

(2)應(yīng)用提出的復(fù)雜地質(zhì)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法后，測試研究區(qū)域的四季環(huán)境壓力指數(shù)、環(huán)境彈力指數(shù)和環(huán)境敏感指數(shù)中各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率，其四季各準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合評估錯誤率均較低。其中，環(huán)境彈力指數(shù)對應(yīng)的綜合評估錯誤率曲線最低，并且環(huán)境敏感指數(shù)的綜合誤差率最高為2%，環(huán)境壓力指數(shù)最高綜合誤差率為1.5%，環(huán)境彈力指數(shù)的最高綜合誤差率為1.2%。因此，該方法具有較低的誤差率，具備有效性。

(3)在研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境差的情況下，應(yīng)用提出的方法，驗證得出指標(biāo)的綜合誤差率上升幅度小，其中環(huán)境敏感指數(shù)的綜合誤差率僅增加了0.4%，環(huán)境壓力指數(shù)最高綜合誤差率僅增加了0.6%，環(huán)境彈力指數(shù)最高綜合誤差率僅增加了0.5%。因此，該方法在生態(tài)環(huán)境差的情況下，依然可以適用，具備可行性。

(4)常規(guī)的地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法無法適用復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)，其脆弱性評估結(jié)果難以有效地反映生態(tài)環(huán)境的脆弱性，參考性較低。何彥龍等構(gòu)建了一種復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，研究了長江口海域的生態(tài)環(huán)境脆弱性，其構(gòu)建的評估體系相對完善，為生態(tài)環(huán)境脆弱性評估提供了參考依據(jù)，但是評估體系內(nèi)的評估指標(biāo)存在局限性。本文從評估指標(biāo)的角度出發(fā)，科學(xué)合理地選擇了更加全面而詳細的指標(biāo)，并且給出了指標(biāo)的含義，結(jié)合權(quán)重算法等實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估。從綜合評估結(jié)果可知，本文方法具備更低的綜合誤差率，為地理環(huán)境獨特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性研究提供了依據(jù)。