基于遥感数据的西藏高原自然生态系统脆弱性评估_高江波

态系统的监测和综合评估提供科学依据，进而有利于青藏地区生态环境治理工作的顺利进行。
关键词：脆弱性评估；自然生态系统；结构-功能-生境；西藏高原
中图分类号：P49
文献标识码：A
文章编号：1000-0690(2016)04-0580-08
近年来，脆弱性越来越多地应用到生态系统 评估与资源环境效应研究。生态系统脆弱性概念 从最初的对破坏或扰动的敏感性，逐渐发展到系 统对刺激的承受能力和反应能力，以及系统适应 性对脆弱性的减缓作用[1~4]。脆弱性的概念中也出 现 一 些 共 同 的 术 语 ：暴 露 程 度 、敏 感 性 和 适 应 性 等。生态系统脆弱性评价是诊断区域环境问题、 识别关键脆弱环境因子的重要手段，是生态环境 整治的必要步骤，因而成为全球环境变化和可持 续发展研究的核心问题之一[5,6]。
合生态系统结构、功能及气候和地形生境特征对脆弱性的影响，全区呈现从东南向西北综合脆弱性水平逐渐升高
的趋势，在评估区范围内综合脆弱性等级为中等及以上的地区共占 74%，整体脆弱性程度较大，其中综合脆弱性等
级为很高水平的地区占了 45.8%。明晰西藏高原自然生态系统的脆弱性程度及其空间分布特征，可为典型脆弱生
为消除多因子不同量纲的影响，首先将评价 指标进行数据的标准化。本研究所用指标为“效 益型”指标，即属性值越大越好的指标。其标准化 的方法如下：
Zij = yyjmiaj x--yyjmjminin（i=1,2,…,n; j=1,2,…,m） （1） 式中：yjmax，yjmin分别为Gj指标的最大值和最小值。 1.2.2 均方差决策法计算权重
4期
高江波等：基于遥感数据的西藏高原自然生态系统脆弱性评估
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生态系统是生物与无机环境构成的统一整体， 结构和功能是表征生态系统特征的主要指标[14]，但 另一方面，生境条件的优劣对于衡量生态系统总 体状况、评估生态系统脆弱性同样至关重要，例如 陡坡生态系统常因人类干扰少而保持较好的结构 和功能特性，但对陡坡开垦、极端天气/气wenku.baidu.com事件具 有显著敏感性。在地球内力、气候和人类活动等 多重因素共同作用下，西藏高原具有海拔高、气温 低、降水少、生态系统结构简单、抗干扰能力弱和 易受全球环境变化影响的特点，表现出较强的脆 弱性 。 [15,16] 针对西藏高原复杂多变的生态环境特 征，已有众多研究分别从生态系统结构、功能和生 境等角度进行深入探讨，并在一定程度上阐述了 三者之间的复杂相互作用关系[17~19]，但通过集成结 构、功能和生境以综合评估西藏生态系统脆弱性， 并揭示其空间变异特征和机制的研究显得欠缺。
空间分辨率 1 km 1 km 1 km 1 km 1 km 1 km 1 km 5 km 1 km 1 km 1 km 1 km
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地理科学
36 卷
起伏度作为影响脆弱性的地形因子[23]。 MODIS 相关产品已在西藏高原生态系统监
测、模拟、评估分析中应用广泛[24~26]，而且已有研究 也证明同类产品的 MODIS 数据更具准确性 。 [27,28] 选取西藏高原 2002~2010 年 MODIS 产品为主要数 据源，取各指标（表 1）的多年平均值表征生态系统 结构、功能和生境特征，其中 NDVI 和 EVI 数据取 年极大值；借助 ArcGIS 的空间重采样方法（“双线 性插值”规则）获得 1 km 分辨率的 DSI 指数；地形 因 子 是 基 于 STRM 高 精 度 DEM 数 据 计 算 获 得 的。还结合 AUSPLINE 样条函数的温度和降水插 值数据，共同构建了西藏高原自然生态系统脆弱 性评估的基础数据库。 1.2 生态系统脆弱性评估方法 1.2.1 数据的标准化
数据源 MODIS/MYD13A3 MODIS/MYD13A3 MODIS/MCD15A2 MODIS/MOD17A3 MODIS/MOD17A3 MODIS/MOD11A1&ANUSPLIN MODIS/MOD11A1&ANUSPLIN MODIS STRM/DEM STRM/DEM STRM/DEM STRM/DEM
本 研 究 参 考 生 态 地 理 区 划 以“ 自 上 而 下 ”和 “自下而上”为原则的气候、地形和植被综合集成 的思路[21]，确定生态系统生境指标集包括气候和地
形环境因子，而且它们也在一定程度上反映了自 然扰动的状况。气候指标有最冷月均温、最热月 均温和干旱指数（Drought Severity Index, DSI）[22]。 此外，选取坡度、地表粗糙度、地表切割度和地表
地理科学
Scientia Geographica Sinica
高江波，侯文娟，赵东升，等.基于遥感数据的西藏高原自然生态系统脆弱性评估[J].地理科学,2016,36(4):580-587.[Gao Jiangbo, Hou Wenjuan, Zhao Dongsheng et al. Comprehensive Assessment of Natural Ecosystem Vulnerability in Tibetan Plateau Based on Satellite-derived Datasets. Scientia Geographica Sinica,2016,36(4): 580-587.] doi: 10.13249/j.cnki.sgs.2016.04.012
系统的脆弱性，并揭示其空间异质性特征。结果表明：① 分别基于气候、结构以及功能指标的西藏高原生态系统脆
弱性程度空间分布呈现出相似规律，整体为从东南向西北脆弱性程度逐渐加剧的趋势；而基于地形指标的生态脆
弱性则呈现相反的分布格局，说明了相对地形而言，气候因子对于西藏高原生态系统宏观分布状况更为重要；② 综
基于遥感数据的西藏高原自然生态系统脆弱性评估
高江波 1,2，侯文娟 1,2,3，赵东升 1,2，吴绍洪 1,2
（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院陆地表层格局与 模拟重点实验室，北京 100101；3.中国科学院大学，北京 100049）
摘要：基于生态系统结构、功能、生境的脆弱性评价指标体系，以 MODIS 为基础数据源，评估了西藏高原自然生态
突变级数法 是 [29] 在评价目标多层次分解的基 础上，利用突变理论同模糊数学相结合产生的突 变模糊隶属函数，由归一化公式进行综合量化运 算，进而归一为一个参数，即求出总的隶属函数， 从而进行评价。在此过程中，我们仅需要知道最 下层指标的数据即可。本研究中，脆弱性指数所 对应的下级指标有 3 个（生态系统结构、功能、生 境），因此可视为以该脆弱性指数为状态变量，3 个 下级指标为控制变量的燕尾突变系统。同样，生 态系统结构、功能和生境指标集分别属于燕尾突 变系统、尖点突变系统、尖点突变系统。
本研究从生态系统结构、功能和生境的角度 构建生态系统脆弱性评估指标体系，借助均方差 决策法和突变级数法，利用具有空间信息表达优 势的遥感数据，系统、定量地评估西藏高原生态系 统脆弱性程度，揭示生态系统脆弱性的空间分布特 征与形成机制。可为生态系统脆弱性分区及典型 脆弱生态系统的监测和综合评估提供科学依据。
西藏高原生态 系统脆弱性
表 1 西藏高原生态环境脆弱性评估指标体系
Table 1 The assessment indices for ecosystem vulnerability of Tibetan Plateau
指标集 生态系统结构
生态系统功能 生态系统生境
指标 归一化植被指数 NDVI 增强型植被指数 EVI 叶面积指数 LAI 总初级生产力 GPP 净初级生产力 NPP 最冷月均温 最热月均温 干旱指数 DSI 坡度 地表粗糙度 地表切割度 地表起伏度
本研究中方案集为地理信息系统中分辨率为 1 000 m 的栅格，在西藏高原除了裸地、湖泊、河流、 城市、冰雪之外，共 728 314 个，指标集包括生态系 统结构、功能、生境的标准化数据。计算方法为： 各方案在各指标下的无量纲的属性值为该指标的 取值，首先求出这些指标的均方差，将这些均方差 归一化，其结果即为各指标的权重系数。 1.2.3 突变级数法计算脆弱性指数
生态系统结构指标集包括，归一化植被指数 （Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）、 增 强 型 植 被 指 数（Enhanced Vegetation Index, EVI）、叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）。相对于 NDVI，EVI 通过消弱土壤背景信号，降低大气噪 声，解决饱和度问题等来改善对植被的监测。NDVI 和 EVI 在不同生态系统类型、不同空间尺度与 季节互为补充[20]。LAI 是反映植被冠层结构的重 要参数，而且也是植物光合作用、蒸腾作用等研究 的重要参数。生态系统功能指标集包括总初级生 产力（Gross Primary Production, GPP）和净初级生 产力（Net Primary Production, NPP）。GPP 决定了 进入陆地生态系统的初始物质和能量，NPP 可用 以表征陆地生态系统的质量状况，而且是判定生 态系统碳汇功能和调节生态过程的主要因子。
收稿日期：2015-04-15；修订日期：2015-07-28 基金项目：国家科技支撑项目（2013BAC04B02，2012BAC19B10）、国家重点基础研究发展计划（2015CB452702）和国家自然科学基 金项目（41301089）资助。[Foundation: National Key Technology Research and Development Program (2013BAC04B02，2012BAC19B10), National Key Basic Research Program of China (2015CB452702), National Nature Sciences Foundation of China (41301089).] 作者简介：高江波（1984-），男，山东临沂人，副研究员，硕士生导师，主要从事地表过程及其资源环境效应研究。E-mail:gaojiangbo@igsnrr.ac.cn 通讯作者：赵东升，副研究员。E-mail:zhaods@igsnrr.ac.cn
生态系统脆弱性评价工作大致归纳为 2 个方 面：一是基于表征生态系统状况的指标体系进行脆 弱性评估，如在生态系统尺度上，李双成等构建结 构、功能和生境状况的指标研究了中国温带落叶阔 叶林自然生态系统脆弱性及其动态变化特征[7]；在 区域尺度上，Brooks 从经济、健康与营养水平、教
育程度、农业、生态、技术水平等 9 个指标入手的区 域脆弱性评价[8]，应用 VSD 模型的区域生态系统脆 弱性评估 。 [9] 二是基于响应过程和关键阈值的生 态系统脆弱性评估，目前大多关注对气候变化的 响应，如吴绍洪等借助 AVIM2、LPJ 等生态机理模 型对中国自然生态系统的变化状况及其响应气候 变化的脆弱性定量研究[10,11]。相对于指标体系法， 基于响应过程的生态系统脆弱性评估定量化程度 增强，但由于响应过程的不确定性以及评估方法 论的薄弱，进一步地从脆弱性概念内涵所包含的 暴露、敏感性和适应性三要素出发，借助脆弱性曲 线的生态系统脆弱性评估仍很困难[1,12]。Polsky 等 尝试从“暴露-敏感-适应”3 个维度构建模型评价 脆弱性，但该模型在生态系统脆弱性评估中的应用 实质上是以结构、功能、生境为指标集反映生态系统 对外界干扰的敏感性与自身适应能力[13]。
1 数据与方法
1.1 生态系统脆弱性评估指标体系 合理的生态系统脆弱性评估指标体系是客观
反映脆弱性水平的关键。而脆弱性指标除了客观
性、综合性、可操作性等一般性质外，还应具备前 瞻性、敏感性和替代性。基于此，本研究构建了西 藏高原生态系统脆弱性评估指标体系，包括生态 系统结构、功能、生境 3 个指标集，如表 1 所示。需 要指出的是，本文的评估主要针对西藏高原自然 生态系统，但不包括裸地、水体和冰雪。