生态修复措施下黄河流域生态脆弱性的时空演变

1. 文章信息文章题目： Spatiotemporalevolution of ecological vulnerability in the Yellow River Basin underecological restoration initiatives 发表期刊：

1. 文章信息

文章题目： Spatiotemporalevolution of ecological vulnerability in the Yellow River Basin underecological restoration initiatives

发表期刊： EcologicalIndicators （ 6.263 /Q1 ）

发表时间： 2022

作者： Xiaoyuan Zhang （ AerospaceInformation Research Institute, Chinese Academy of Sciences ）

2. 文章主旨

基于“暴露度 - 敏感性 - 适应性（ E-S-A ） ” 框架，结合对地观测数据，提出了反映自然和人为压力源影响的黄河流域生态脆弱性评价指标体系，并对不同政策时期黄河流域的生态脆弱性进行了评价。

3. 材料与方法

3.1. 研究区

图 1. 研究区位图。 (a) 高程； (b) 年降水量 (PRE) ； (c) 土地覆盖类型空间分布。 (a) 中， D01: 龙羊峡以上、 D02: 龙羊峡 - 兰州段、 D03: 兰州 - 河口镇段、 D04: 内流区、 D05: 河口镇 - 龙门段、 D06: 龙门 - 三门峡段、 D07: 三门峡 - 花园口段、 D08: 花园口以下； D01-D04 属于上游， D05-D07 属于中游， D08 属于下游

3.2. 数据收集

3.3. 基于 E-S-A 的生态脆弱性指标体系构建

3.4. 生态脆弱性计算

本研究根据 YRB 的实际情况和已有的研究成果，将生态脆弱性的定量评估结果分为轻微 (<0.35) 、轻度 (0.35-0.45) 、中度 (0.45-0.60) 、重度 (0.60-0.70) 、非常重度 (≥0.70) 五类。生态脆弱性值越高，生态环境越脆弱。

3.5. 流域生态脆弱性预警系统分级

4. 结果

4.1. YRB 夜间灯光空间分布

图 2. (a-e) 不同时期黄河流域夜间灯光空间分布； (f) 上、中、下游夜间灯光平均值

4.2. 黄河流域生态脆弱性评价与动态分析

4.2.1. 生态脆弱性的时空变化

图 3. 不同时期 YRB 生态脆弱度空间分布

图 4. (a)2001-2019 年黄河流域 EVSI 值； (b)YRB 不同生态脆弱度面积百分比

4.2.2. 子流域生态脆弱性的时空变化

图 5. 子流域不同生态脆弱度面积百分比。 ( a) 龙羊峡以上 D01； ( b ) 龙羊峡 - 兰州段 D02 ； ( c ) 兰州 - 河口镇段 D03； ( d ) 内流区 D04 ； ( e ) 河口镇 - 龙门段 D05 ； ( f ) 龙门 - 三门峡段 D06； ( g ) 三门峡 - 花园口段 D07 ； ( h ) 花园口以下 D08

图 6. 子流域 EVSI 变量范围方框图

4.3. 生态脆弱性预警的动态分析

4.3.1. 生态脆弱性预警分析

图 7. YRB 生态脆弱性预警的空间分布

图 8. YRB 不同生态脆弱性预警区域的比例。（ I 为上升趋势， II 为退化趋势， III 为改善趋势， IV 为缓慢退化， V 为快速退化， VI 为脆弱性预警但改善， VII 为脆弱性预警）

4.3.2. 子流域生态脆弱性预警分析

图 9. 子流域不同生态脆弱性预警区域的比例。 ( a) 龙羊峡以上 D01； ( b ) 龙羊峡 - 兰州段 D02 ； ( c ) 兰州 - 河口镇段 D03； ( d ) 内流区 D04 ； ( e ) 河口镇 - 龙门段 D05 ； ( f ) 龙门 - 三门峡段 D06； ( g ) 三门峡 - 花园口段 D07 ； ( h ) 花园口以下 D08

5 讨论

5.1. 生态脆弱性指标体系及数据选择

本研究以多源遥感数据和再分析数据为支撑，构建生态脆弱性指标体系。主要优点是：（ 1 ）将夜间灯光数据纳入城市发展强度指标，实现了像素尺度下的生态曝光量计算。与经济统计数据（即 GDP 和人口密度）相比，夜间灯光数据更客观地揭示了人为干扰对生态脆弱性的影响。（ 2 ）对于干旱半干旱地区，植物水分胁迫是表征干旱和缺水的重要参数，提出基于蒸散量的植被胁迫模型，并将该模型引入生态敏感指数。突出了水对流域生态系统恢复的制约作用。（ 3 ）本研究首次将土壤和风速加入到生态脆弱性评价指标体系中。从多个方面评价了风蚀和水土流失对流域生态系统质量的影响。（ 4 ）以往的研究多采用行政区作为评价单元。本研究采用网格和小流域单元对流域进行了有效的划分和评价。栅格尺度分析较详细地表征了 YRB 生态环境的时空变化特征，流域尺度更能反映区域管理水平和协调程度。

5.2. 生态脆弱性与政策措施的关系

21 世纪初， YRB 的经济发展还处于初级阶段。农业用水是主要的生态用水模式。生态脆弱性受地表结构和干旱气候的影响较大。生态政策的实施导致 YRB 土地覆被类型发生了显著变化，直接影响了生态脆弱性。从生态脆弱性时空格局和 2001-2019 年土地覆被类型转换图来看，生态脆弱性减少的区域大致对应于森林和水体增加的区域。中南部地区发生了大规模的草地向耕地的转化，这可能是 2001-2005 年中游地区脆弱性增加的主要原因。 2001-2005 年，耕地主要转化为草地和森林， YRB 森林面积由 3.89% 增加到 4.27% ，整体生态脆弱性水平下降。这一变化主要得益于水资源法律法规的颁布和林业项目的发展（图 10 ）。 “ 十一五 ” 期间 (2006-2010 年 ) ， YRB 实施了边坡治理、小流域综合治理和生态调水工程。上游生态脆弱性极重面积比例下降 12.69% ，中游生态脆弱性极重预警面积比例下降 20.18% 。此外，中游地区是重点造林地区，森林面积显著增加。 2005 年以后，草地向耕地转化面积呈减少趋势，环境状况持续改善。因此，中上游的生态恢复效果是显著的。

2010-2015 年，湿地保护得到高度重视，生态脆弱性水平有所下降。 2015 年湿地面积占比最高为 0.09% 。与此同时，新的经济增长点不断涌现，流域社会经济发展和城市扩张达到前所未有的高度。城市土地净增长从 2005 年的 0.02% 增加到 2015 年的 0.05% 。 2014 年全流域干旱的出现，使上中游地区生态脆弱性水平显著上升。超过 75% 的地区易受预警的影响。“十三五”期间 (2015-2019) ，全民生态环境意识全面增强。上游草地退化和水土流失得到控制。中游巩固 “ 退耕还林 ” ，下游持续调整农业结构，保护湿地。 YRB 的总体脆弱性水平在 2019 年首次下降到轻度。脆弱性预警区域的比例从 75.3% 下降到 33.5% 。

从上述结果可以看出，生态恢复政策可以有效地改变生态脆弱性格局。 YRB 生态恢复成效显著。

图 10. (a) 不同时期 YRB 土地覆盖类型的面积比例； (b) 水资源法律法规和生态修复政策

5.3. 局限性和今后的工作

（ 1 ）指标体系的适用性。考虑到过于复杂的指标体系会增加数据收集和计算的难度，降低评价体系的针对性。本研究排除了径流和温度等指标。然而，在气候变化敏感区域的脆弱性评估中，应适当增加这些具有代表性的指标。

（ 2 ）评价单位的适宜性。 10 km 可以较好地反映 YRB 的生态脆弱性状况和时空变化规律，但不适合于局部区域的精细评价。在这种情况下，需要更精细的评估单位（例如 5 km 或 1 km ）。

（ 3 ）从流域规划和数据采集的角度来看，本研究没有考虑到大规模退耕还林前的生态脆弱性变化。因此，在今后的工作中需要考虑更长时间尺度的生态脆弱性评价。

6. 结论

本研究在 10×10 km 网格尺度和子流域尺度上，定量地表达了 YRB 生态脆弱性的时空分布特征和格局。结果表明， YRB 生态脆弱程度处于中等水平。脆弱性等级具有明显的地理空间变异。上游的北部地区最为脆弱，中游生态脆弱性好于下游。 2001-2019 年，整个 YRB 生态脆弱性水平呈现出不规则的下降趋势，上中游的下降趋势更为明显。尽管如此，干旱气候加剧了 2015 年的生态脆弱性水平。生态工程和政策的实施对生态脆弱性有积极的影响。 2001-2010 年实施林业重点工程，使中游西部生态环境有所改善。生态脆弱性预警系统的开发有利于相关机构提前采取适当的应对措施。该研究为黄河流域水资源约束条件下的生态恢复和高质量发展提供了支持。