基于熵权法的昌江县生态脆弱性研究

彭 玺，曾明宇，覃思敏，张亚威

(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)

随着人类活动对自然环境的影响不断加剧，生态环境问题大量涌现，对人类赖以生存和发展的生态系统造成巨大影响，生态脆弱性问题尤为突出[1-2]。生态脆弱性是指生态系统及其组成要素面对内外扰动时易受损的性质，有关生态脆弱性的研究是全球变化和可持续发展研究中的热点和重点[3-5]。国内对于生态脆弱性的研究开始于1988年第七届环境科学大会。在“生态脆弱带”概念被提出后，开始对生态脆弱性进行了深入研究[6]。国内科研工作者在总结和吸收国外先进科研成果的基础上，利用“3S”技术、数学模型、程序设计等手段，对我国生态环境脆弱性进行了大规模的研究，研究领域主要集中于湿地、喀斯特地区、沿海地带等敏感区域，并取得了丰硕的研究成果[7-9]。

随着生态环境问题研究的不断发展，国内学者对生态脆弱性进行了深入探究。2016年，罗改改[10]以海南宁远河流域为研究对象，从景观格局和生态敏感性相结合的角度分析研究了宁远河流域的生态脆弱性；
2017年，莫定源[11]基于贝叶斯网络模型的方法构建了包含 8 个因子的准则层、11 个因子的指标层的脆弱性评估体系和黄河三角洲生态环境脆弱性预测模型，为黄河三角洲资源开发利用与生态环境保护提供了一定的科学依据。

昌江黎族自治县是海南省直辖自治县地处海南岛西部，总面积1 569 km2，下辖7镇1乡。在环北部湾城市群内，东北距省会海口市180 km，东南距三亚市190 km。昌江黎族自治县平均海拔高度400～1 000 m，属热带季风海洋性气候，其特点是具有明显的大陆性岛屿气候，阳光充足，热量丰富，境内河道属昌化江、珠碧江两大流域。

以西安80为坐标系，在ArcGIS 10.2软件中对昌江县森林资源二类调查数据、昌江县1∶10000地形图、昌江县TM遥感影像数据、昌江县DEM数字高程模型数据的坐标系进行预处理和配准，将覆被类型调整合并为农地、林地、水域、建设用地和宜林地等5种。

生态脆弱性是与生态系统压力度、生态景观整体性和生态景观连通性相关的函数，随生态系统压力度的增大而增大，随生态景观整体性和生态景观连通性增大而减小，其评价模型为：

生态脆弱性(CVI)=

(1)

2.1 生态压力度评价指标的选取与计算

1) 生态敏感性。地形地貌是影响生态系统敏感性的主要因子，而海拔、坡度、坡向是构成地形地貌的主要组成部分。

根据海拔指数(height index，HI)、坡度指数(solpe index，SI)和坡向指数(aspect index，AI)量化后不同等级的所占总面积的比例，可以得出昌江县海拔指数、坡度指数和坡向指数；
分别赋予0.3，0.4和0.3的权重，得出昌江县的生态敏感性值。参照《生态功能区划暂行规程》及前人研究成果对各因子的敏感性进行分级，将昌江县林地的生态敏感性综合划分为不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区、极度敏感区5个级别；
分别赋值为1，3，5，7和9。详见表1。

表1 生态敏感性等级划分生态敏感性等级评价因子海拔/m坡度/ (°)坡向不敏感区 0～<300 0～<2 南、无坡度轻度敏感区300～<600 2～<5 东南、西南中度敏感区600～<900 5～<10东、西高度敏感区900～<1 20010～<20东北、西北极度敏感区≥1 200≥20北

2)人为扰动指数。扰动指数用来衡量人类活动对生态系统的影响。研究表明，人类活动对生态系统的影响程度与距离存在递减关系。以提取出的建设用地为基础，设300，600 m和1 000 m三个缓冲区；
分别赋值0.85，0.35和0.15。计算公式如下：

(2)

式中：Aij为景观i在第j个缓冲区的面积；
Wj为第j个缓冲区的权重；
Ai为景观i的总面积。

2.2 生态景观整体性和连通性评价指标的选取与计算

生态景观整体性指标选择斑块密度指数(PD)、最大斑块所占景观面积的比例(LPI)，生态景观连通性评价指标选择连接度指数(CONNECT)、斑块内聚力指数(COHESION)和聚合度指数(AI)；
生态压力度景观指数选择分离度(DIVISION)，采用Fragstats4.2和ArcGIS 10.2软件计算出林地景观与水域景观的景观指数。

2.3 生态脆弱性评价模型权重确定

通过熵权法确定昌江县生态脆弱性评价模型中各参评指标的权重。具体步骤如下：根据昌江县2000年生态脆弱性参评指数构建评价指标的原始数据矩阵R=(rij)n×m，按照公式计算第i个评价指标下第j个监测样点的指标值的比重Pij，构建归一化矩阵P=(pij)n×m。再计算第i个指标的熵值ei，计算公式如下所示：

(3)

其中常数k=1/ ln(m)，最后按照公式计算第i个指标的熵权ui，计算公式如下所示：

(4)

3.1 评价指标计算

参照已有的研究成果，从生态系统压力度、生态景观整体性和生态景观连通性三个方面构建昌江县脆弱性评价指标体系。生态系统压力度、生态景观整体性和生态景观连通性的评价采用综合评价法，即将各自对应的评价指标进行加权求和，计算其值的大小。

1) 生态敏感性指数

昌江县海拔、坡度和坡位的情况如图1所示。

图1 昌江县海拔、坡度和坡位图

经计算得出昌江县9个行政区的生态敏感性值。详见表2。

表2 昌江县生态敏感度行政区HISIAI生态敏感度霸王岭 2.166 02.424 01.416 06.006 0叉河镇 0.654 01.584 01.374 03.612 0昌化镇 0.720 01.296 00.930 02.946 0海尾镇 0.690 01.104 01.260 03.054 0七叉镇 1.032 01.624 01.218 03.874 0十月田镇0.612 01.408 01.080 03.100 0石碌镇 1.254 01.896 01.230 04.380 0王下乡 1.638 02.168 01.362 05.168 0乌烈镇 0.660 01.136 01.128 02.924 0

2) 人为扰动指数

图2 昌江县2017年建设用地缓冲区

昌江县2017年建设用地缓冲区如图2所示。

经统计，2017年昌江县的建设用地面积为8 229.55 hm2，同年昌江县建设用地各阶段缓冲区的面积分别为：300 m缓冲阶段面积为39 474.58 hm2，600 m缓冲阶段面积为34 351.44 hm2，1 000 m缓冲阶段面积为32 116.58 hm2。根据扰动指数的计算公式可以算出，昌江县各行政区2017年的扰动指数(表3)。

表3 昌江县各行政区扰动指数统计表行政区扰动指数行政区扰动指数霸王岭0.009 1十月田镇0.481 5叉河镇0.542 2石碌镇 0.027 7昌化镇0.314 2王下乡 0.242 7海尾镇0.684 1乌烈镇 0.312 8七叉镇0.456 0

3.2 昌江县生态脆弱性的权重确定

为了消除量纲的影响，取昌江县与各行政区该类指标的值进行标准化处理。其中，林地景观和水域景观的斑块密度指数、最大斑块所占景观面积的比例、连接度指数、斑块内聚力指数和聚合度指数以面积比例为权重进行加权求和，以确定昌江县生态景观整体性和连通性所对应的6个景观指数。昌江县的生态脆弱性参评数据如表4。

表4 昌江县2017年生态脆弱性参评指数行政区分离度PDLPICONNECTCOHESIONAI霸王岭 0.15860.006089.15690.189998.293595.0980叉河镇 0.99181.28397.43770.559587.062853.8832昌化镇 0.84910.519737.826997.502081.8481海尾镇 0.94340.616322.61750.781795.568068.4561七叉镇 0.97051.052111.48560.898791.489165.5949十月田镇0.99200.84834.89670.219689.923370.0526石碌镇 0.86070.428035.18980.509697.825779.5309王下乡 0.14370.029090.05100.030296.661789.9968乌烈镇 0.97930.667011.48210.872990.164973.6896

依据熵权法所得出的昌江县生态脆弱性指标权重如表5。

表5 昌江县生态脆弱性指标权重目标层准则层指标层权重生态敏感度0.095 9生态系统压力度扰动指数0.113 0DIVISION0.175 0生态脆弱性生态景观整体性PD0.123 7LPI0.149 7CONNECT0.126 7生态景观连通性COHESION0.105 0AI0.111 1

3.3 昌江县生态脆弱性结果与空间分布

根据评价模型和各指标权重可以算出昌江县及各行政区的生态脆弱性值，计算结果详见表6。

表6 昌江县生态脆弱性值行政区生态脆弱性值行政区生态脆弱性值霸王岭0.467 2十月田镇0.210 7叉河镇0.060 5石碌镇0.286 5昌化镇0.300 0王下乡0.391 7海尾镇0.258 6乌烈镇0.468 7七叉镇0.192 8

参照ArcGIS中的Natural Breaks法将昌江县各行政区生态脆弱性分为5个等级。其中：0.045 4～<0.063 3为一级脆弱区，0.063 3～<0.210 7为二级脆弱区，0.210 7～<0.300 0为三级脆弱区，0.300 0～<0.413 4为四级脆弱区，0.413 4～<0.497 3为五级脆弱区。详见图3。

图3 昌江县生态脆弱性空间分布

从昌江县生态脆弱性空间分布可知，叉河镇的生态脆弱性属于一级脆弱区，十月田镇和七叉镇的生态脆弱性为二级脆弱区，石碌镇、海尾镇和昌化镇的生态脆弱性属于三级脆弱区，王下乡的生态脆弱性处于四级脆弱区，乌烈镇和霸王岭林场的生态脆弱性属于五级脆弱区。叉河镇的地形地貌较为平坦，海拔相对较低，其生态敏感性也相应偏低，而其林地景观和水域景观的聚合度也相对较小，分离度较大，这也就说明人类活动造成的生态环境破坏对叉河镇现有的生态环境影响不大；
十月田镇和七叉镇主要景观类型以农地为主，生态敏感度和其他景观格局指数与叉河镇均有一定的相似性，故这二者属于二级脆弱区；
石碌镇、海尾镇和昌化镇这3个行政区的地形地貌与十月田镇基本相似，但水域景观面积和林地景观相对较多，生态环境遭受破坏后恢复难度会增大；
王下乡的建设用地景观面积在众行政区中排名倒数第二，且林地景观面积所占在五大景观类型中较高，林地景观面积占了所有景观类型中的95.13%，属于四级脆弱区；
乌烈镇和霸王岭林场的生态脆弱性属于五级脆弱区，其中，霸王岭林场的林地景观面积在所有景观类型占的比例在众行政区中最大，为98.86%，且地势起伏大，生态环境破损后极易造成水土流失，生态环境脆弱。

本研究基于熵权法构建了昌江县生态脆弱性评价体系，评估其生态脆弱性，研究结果表明：昌江县的地形分布存在明显的南北差异，北部地形普遍较为平坦，海拔较低，基本属于平原—丘陵地区，农地和建设用地所占比重较大，林地景观和水域景观破碎度大，二者作为生态源地所发挥的生态系统整体性和连通性也相应较差；
南部则反之，以山地为主，地形复杂，林地是主要景观类型，生态系统的整体连通性较好。此外，叉河镇、海尾镇等北部行政区因景观类型的差异而使得其人为扰动指数大于王下乡、霸王岭林场等以林地景观为主的南部行政区。

昌江县大部分行政区在三级脆弱区到五级脆弱区之间，从空间分布差异也以看出，像霸王岭林场、昌化镇和王下乡等林地景观和水域景观占比较大的行政区的生态脆弱性反倒是最高，这是因为林地景观和水域景观容易受到人为因素的影响而受到不同程度的破坏，且一旦遭受破坏极难恢复到原来的生境，故而林地景观和水域景观比重较大的区域生态脆弱性反而更高，这些区域更需要加强保护力度。