中國北方農(nóng)牧交錯帶2000—2010年生態(tài)環(huán)境狀況分析

何立環(huán)，董貴華，王偉民，明 珠

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京100012

2.深圳市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 深圳518049

北方農(nóng)牧交錯帶是中國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，又稱為農(nóng)牧過渡帶，農(nóng)牧脆弱區(qū)。在自然條件下，該區(qū)域以東南是濕潤半濕潤地區(qū)，地勢相對平坦，生態(tài)環(huán)境條件較優(yōu);而以西、以北分布著中國主要的高原和山地，地形復(fù)雜、生態(tài)脆弱。因此，這一地帶也是中國生態(tài)環(huán)境的一條重要的過渡帶和安全屏障帶［1-3］。由于受“重農(nóng)輕牧”政策導(dǎo)向和長期形成的獨特“農(nóng)業(yè)文化”影響以及“重生產(chǎn)輕生態(tài)”的實踐觀，農(nóng)牧交錯帶區(qū)域各子系統(tǒng)出現(xiàn)大面積的農(nóng)田和草地退化現(xiàn)象;退化草地和農(nóng)田已經(jīng)被證明是京津地區(qū)沙塵暴的源頭［4-5］。同時，農(nóng)牧交錯帶具有明顯的不穩(wěn)定性和敏感性，容易受外來干擾影響而發(fā)生變化，往往一個因素的變化或擾動會觸發(fā)多個因素“鏈?zhǔn)健狈磻?yīng)，使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生根本性改變，而且這種改變往往是不可逆的、災(zāi)害性的退化。因此，農(nóng)牧交錯帶作為外界干擾信號的放大器，是研究全球變化的重要預(yù)警區(qū)，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一［5-8］。在國家環(huán)境保護戰(zhàn)略從單純的污染防治向污染防治與生態(tài)并舉轉(zhuǎn)換的背景下，農(nóng)牧交錯帶地區(qū)也成為國家生態(tài)保護的重點區(qū)域之一?！度珖鷳B(tài)脆弱區(qū)保護規(guī)劃綱要》(環(huán)發(fā)［2008］92號)將農(nóng)牧交錯帶作為環(huán)保部生態(tài)監(jiān)管的重要區(qū)域;《全國生態(tài)功能區(qū)劃》(公告2008年第35號)有8個重要生態(tài)功能區(qū)與農(nóng)牧交錯帶有關(guān);《全國主體功能區(qū)》(國發(fā)［2010］46號)中有3個重點功能區(qū)與農(nóng)牧交錯帶有關(guān)。但目前，中國的區(qū)域生態(tài)監(jiān)測與評價還處于探索階段，生態(tài)環(huán)境評價處于研究階段，大多學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、生態(tài)足跡、生態(tài)安全、生態(tài)風(fēng)險、工程建設(shè)生態(tài)影響、景觀格局、植被覆蓋等方面分析農(nóng)牧交錯帶生態(tài)狀況，缺少對交錯帶生態(tài)環(huán)境整體狀況的研究［8-14］。以中國北方農(nóng)牧交錯帶為研究對象，在《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了反映區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)力、生態(tài)功能支撐力、生態(tài)制約因子和生態(tài)脅迫因子的農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境狀況評估體系，利用多源遙感數(shù)據(jù)、土地覆蓋數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)綜合評估2000—2010年間該地區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況及變化趨勢。

1 研究區(qū)概況

農(nóng)牧交錯帶主要是指由于生產(chǎn)條件、生產(chǎn)方式以及生產(chǎn)目標(biāo)的不同，在農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)的銜接處，形成的獨特而重要的過渡交界面。這個過渡界面會隨著氣候變化發(fā)生一定的空間位移［14-17］。以高吉喜等［3］確立的農(nóng)牧脆弱帶為研究區(qū)，行政區(qū)域涉及蒙、吉、遼、冀、晉、陜、寧、甘等8省區(qū)的98個縣區(qū)，面積50.1萬平方公里，屬干旱半干旱區(qū)，年降水量 300～450 mm，干燥度1.0～2.0。在這個過渡帶中，氣候、生物、土壤等自然條件以及人類生產(chǎn)生活方式、土地利用方式等，都表現(xiàn)出過渡性和波段性特點，生態(tài)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，干擾性差，環(huán)境質(zhì)量脆弱［3］。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及處理

研究數(shù)據(jù)主要有:2000、2005、2010年 Landsat TM影像，均為2、3和4譜段組合假彩色影像。全部影像含云量小于10%，均經(jīng)過精幾何糾正。

2000、2005、2010 年 MODIS NDVI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理采用NASA推薦的標(biāo)準(zhǔn)處理方法，采用最大值合成法，由旬NDVI合成月NDVI。

2000、2005、2010 年土地生態(tài)數(shù)據(jù)，是在Landsat TM影像基礎(chǔ)上目視解譯獲得。

其他數(shù)據(jù)還有全國1∶25萬水系數(shù)據(jù)，水土流失數(shù)據(jù)，降雨量和水資源量數(shù)據(jù)，COD、SO2和固體廢物排放量等數(shù)據(jù)。

所有遙感數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)均處理成西安80坐標(biāo)系，采用Albers等面積投影像，投影參數(shù)為南標(biāo)準(zhǔn)緯線為25°N，北標(biāo)準(zhǔn)緯線47°N，中央經(jīng)線110°E，起始緯度12°N，中央經(jīng)線偏差和起始點偏差均為0。環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照行政區(qū)域進行插值分析，形成與遙感數(shù)據(jù)相同坐標(biāo)系和投影的空間數(shù)據(jù)，再利用Arc GIS的空間分析等功能進行相關(guān)統(tǒng)計分析。

3 評價方法

3.1 評價模型構(gòu)建

生態(tài)環(huán)境的綜合性、層次性和復(fù)雜性決定了對其進行評價的難度，更難以形成統(tǒng)一的評價方法［18-26］。2006年3月，《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)頒布(以下簡稱規(guī)范)作為環(huán)保部門評估生態(tài)環(huán)境狀況的標(biāo)準(zhǔn)，同時也在生態(tài)評價中得到廣泛應(yīng)用。以該規(guī)范為基礎(chǔ)，在科學(xué)性、可行性和整合性相結(jié)合的原則下，結(jié)合區(qū)域生態(tài)特征，從生態(tài)生產(chǎn)力，生物功能支撐、生態(tài)制約和生態(tài)壓力因子等方面，對評價方法進行一定的優(yōu)化設(shè)計，技術(shù)路線見圖1。

圖1 農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境評價模型技術(shù)路線

3.2 分指數(shù)模型

交錯帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量利用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)表示，EI的數(shù)值范圍0～100，包括生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)5個因子［27］。植被覆蓋指數(shù)反映區(qū)域的生態(tài)生產(chǎn)能力;生物豐度反映區(qū)域生態(tài)功能的支撐能力;水分條件是區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的主要制約因子;土地退化和環(huán)境污染壓力是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受到外界脅迫的整體反映［28］。各分指數(shù)權(quán)重根據(jù)主成分分析法和專家打分法相結(jié)合的方式進行調(diào)整，調(diào)整結(jié)果為

EI=0.35×生物豐度指數(shù)+0.25×植被覆蓋指數(shù)+0.15×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.15×(100－土地退化指數(shù))+0.1×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)［10］

根據(jù)區(qū)域特征和數(shù)據(jù)可獲得情況，對植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)和土地退化指數(shù)的評估方法進行了優(yōu)化。

3.2.1 植被覆蓋指數(shù)

規(guī)范中的植被覆蓋指數(shù)和生物豐度指數(shù)均以遙感提取的土地生態(tài)類型經(jīng)過分層次權(quán)重綜合計算獲取，兩者在數(shù)據(jù)源和計算方法上有一定的重復(fù)性，而且植被覆蓋指數(shù)沒有評估沼澤濕地等區(qū)域的植被，具有一定的局限性。目前，MODIS NDVI是反映植被覆蓋情況的一個常用指標(biāo)［26，29］，結(jié)合該區(qū)域植被生長周期特征，以及NDVI常用算法，采用5—9月的 NDVI月最大值的平均值進行分析［26，29］。計算公式為

式中，Pi是某象元5—9月 NDVI月最大值的均值，n為某縣域象元數(shù)，Area縣域指某縣域的面積，Abio為植被覆蓋歸一化系數(shù)。

3.2.2 水網(wǎng)密度指數(shù)

規(guī)范中水網(wǎng)密度指數(shù)由河流長度、湖庫面積和水資源量3部分構(gòu)成，反映了區(qū)域河流長度、水域面積以及水資源情況。根據(jù)近幾年全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估情況，水資源量成為生態(tài)環(huán)境狀況變化的主要影響因素［30-33］。水分是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的必要因素，但過量降水又會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況形成負面影響，引發(fā)洪水對原有生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，并給人類生產(chǎn)生活造成極大危害。統(tǒng)計資料顯示，中國平均2～3年就發(fā)生一次極為嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害［16，34］。根據(jù) 2005—2010 年間中國縣水資源量年差分析，以及全國多年平均洪澇受災(zāi)面積，選擇水資源量較常年增加40%為臨界閾值，即當(dāng)水資源量增加超過40%時按負值處理，即對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了負面影響。

將河流長度作為衡量生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的基數(shù)，將水資源量增加超過年均值40%的部分作為負值處理，反映極端天氣事件對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，增加的越多，則負效應(yīng)就越大。具體計算方法為

式中，Ariv為河流長度的歸一化系數(shù)，Alak為湖庫面積的歸一化系數(shù)，Ares為水資源量的歸一化系數(shù)。

3.2.3 土地退化指數(shù)

規(guī)范中土地退化指數(shù)主要反映土壤侵蝕評估，不包含退化沙地、鹽堿地等類型。根據(jù)數(shù)據(jù)可獲得性，在評估過程中將區(qū)域新增沙地、鹽堿地作為土地退化的構(gòu)成要素。具體公式為

土地退化指數(shù) =Aero×(0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積 +0.6×重度侵蝕面積)/區(qū)域面積 +A其他×(沙地面積 +鹽堿地面積)/區(qū)域面積×0.1

式中，Aero為土壤侵蝕的歸一化系數(shù)，A其他為其他退化土地的歸一化系數(shù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成

研究表明，10年間中國北方農(nóng)牧交錯帶森林生態(tài)系統(tǒng)增加明顯，以灌木林地和其他林地為主;草地生態(tài)系統(tǒng)面積和質(zhì)量均呈下降趨勢，中覆蓋度草地面積持續(xù)減少，后5年高覆蓋度草地減少，而低覆蓋度草地持續(xù)增加;河流、湖泊、沼澤和灘地等天然濕地在持續(xù)減少，以后5年為甚;農(nóng)田面積減少，但旱地減少，水田面積持續(xù)增加。由于社會經(jīng)濟發(fā)展，城市化加速，城市建設(shè)用地和其他建設(shè)用地持續(xù)增加;沙地和裸土地呈明顯持續(xù)減少趨勢。

4.2 生態(tài)環(huán)境狀況

2000—2010年農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢見圖2。

圖2 2000—2010年農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢

由圖2a可見，2010年，中國北方農(nóng)牧交錯帶98個縣域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以“一般”為主，縣域個數(shù)和占交錯帶的面積比分別為77個和71.6%;“良”和“一般”的面積比分別為 16.4%和11.9%;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“良”的縣域主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)的拓蘭石市、烏蘭浩特市、赤峰市和承德市，該區(qū)域的生態(tài)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能均相對較高，土地退化和環(huán)境負荷等壓力相對較小;“較差”的縣域主要分布在內(nèi)蒙古西部的東勝市和寧夏的白銀市，該區(qū)域的土地退化壓力較大。

由圖2b、c和d可見，10年間，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“穩(wěn)中變好”，大多數(shù)縣域EI值升高，“良”和“一般”的縣域個數(shù)呈增加趨勢，分別增加了3.3%和6.7%，“較差”的縣域個數(shù)和面積均呈減少趨勢。10年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的縣域有30個，其中20個縣持續(xù)變好;3個縣后5年變好;7個縣前5年變好。10年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的縣域有5個，其中3個縣域的生態(tài)環(huán)境前5年變好，而后5年變差，且后5年生物豐度和植被覆蓋均呈明顯變差狀態(tài)。10年中，16個縣域生物豐度指數(shù)持續(xù)增加，生態(tài)功能呈改善趨勢;18個縣域植被覆蓋指數(shù)持續(xù)增加，生態(tài)生產(chǎn)力持續(xù)恢復(fù);16個縣土地退化程度持續(xù)減弱，土地退化程度降低。10年間，只有4個縣域水網(wǎng)密度指數(shù)持續(xù)增加，說明該地區(qū)水分條件不穩(wěn)定;32個縣域的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)持續(xù)降低;2個縣域的環(huán)境質(zhì)量改善，說明該地區(qū)環(huán)境負荷呈增加趨勢，水分條件和環(huán)境負荷是影響該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的主要限制因子。

4.3 原因分析

通過Linear Regression分析，10年間農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境狀況變化的主要因子是生物豐度指數(shù)，其次是植被覆蓋指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，而且前5年與后5年的主要因子與10年相同。利用K-means cluster模糊聚類分析法，對10年間3個指數(shù)對各縣域生態(tài)環(huán)境變化狀況特征進行聚類分析，即3個生態(tài)因子均穩(wěn)定區(qū)為33個;生物豐度和植被覆蓋均顯著改善區(qū)為7個，該區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)力和生態(tài)功能均改善，因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是切實變好的;生物豐度改善而植被覆蓋顯著降低區(qū)為3個，該區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)力降低，而由于局部林地增加導(dǎo)致生物豐度指數(shù)提高，其潛在生態(tài)風(fēng)險增大;生物豐度穩(wěn)定而植被覆蓋顯著改善區(qū)為23個，該區(qū)域生態(tài)功能穩(wěn)定，生態(tài)生產(chǎn)力呈恢復(fù)狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好;生物豐度稍微降低而植被覆蓋顯著改善區(qū)為29個，該區(qū)域生態(tài)功能下降，而生態(tài)生產(chǎn)力變幅較大，是潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū);環(huán)境質(zhì)量指數(shù)明顯改善區(qū)為1個，環(huán)境質(zhì)量明顯下降區(qū)為12個。

由此可見，10年間中國農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境狀況變化的直接因子是生態(tài)生產(chǎn)力變化、水分條件和環(huán)境負荷。2000年以前，內(nèi)蒙古中部及東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅猛，水土條件好的局部區(qū)域開墾為耕地，導(dǎo)致區(qū)域植被退化比較明顯，2000年國家實施了退耕政策，在前5年土地退化趨勢有所緩和，后5年生態(tài)狀況變好趨勢明顯，但在局部地區(qū)仍存在退化現(xiàn)象［5-8，12］。耕地面積增加以及氣候變化導(dǎo)致部分區(qū)域的水域濕地面積減少，水網(wǎng)密度降低［16-17，35］。由于經(jīng)濟發(fā)展，尤其是資源開發(fā)活動，烏海市和蘭州市的二氧化硫和COD的排放量呈現(xiàn)明顯增加趨勢，導(dǎo)致環(huán)境負荷增加。

同時，有3類區(qū)域值得關(guān)注，一是生物豐度改善而植被覆蓋顯著降低區(qū)，該區(qū)域的生物豐度改善主要是由于植樹造林，但缺少對大范圍草地的保護，導(dǎo)致草地退化;二是生物豐度稍微降低而植被覆蓋顯著改善區(qū)，該區(qū)域的景觀格局基本穩(wěn)定，但植被覆蓋度明顯提高，需要進一步分析發(fā)生該變化的原因。通過調(diào)研相關(guān)資料，該類區(qū)域有的森林面積稍有減少，有的水域濕地系統(tǒng)減少，說明區(qū)域生態(tài)保護工作取得進步的同時，存在潛在退化風(fēng)險［35-36］;三是水網(wǎng)密度明顯降低區(qū)，該區(qū)域天然河流面積和灘地大幅減少，遠大于區(qū)域平均水平，存在較大的潛在生態(tài)風(fēng)險［37］。

4.4 討論

1)受評價方法、遙感數(shù)據(jù)特性等影響，選擇了5個指數(shù)(生物豐度、植被覆蓋度、土地退化、水網(wǎng)密度和環(huán)境質(zhì)量)進行評估，特別是土地退化只考慮了水土流失和草地退化2個方面，未考慮物種尺度的草場退化。生物豐度只考慮了景觀尺度水平，沒有考慮物種和基因水平。

2)在評價數(shù)據(jù)的精度銜接方面，遙感數(shù)據(jù)進行空間配準(zhǔn)、生態(tài)類型提取及面積統(tǒng)計，利用NDVI評估植被覆蓋度等方面具有不同的精度，怎樣評估這些因素對評價結(jié)果的影響需要進一步研究探索。

3)綜合指數(shù)法是生態(tài)評價的一個重要方面，適合區(qū)域長期生態(tài)狀況評估，但在綜合分析的同時，忽略了區(qū)域生態(tài)環(huán)境構(gòu)成、功能等方面的內(nèi)容，需要在區(qū)域評價的時候考慮分指數(shù)和生態(tài)類型對生態(tài)狀況的影響。

5 結(jié)語

評價結(jié)果顯示，中國農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以“一般”為主，10年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)整體“穩(wěn)中變好”的特征，“良”和“一般”呈增加趨勢，16個縣生態(tài)功能改善，18個縣生態(tài)生產(chǎn)力呈恢復(fù)狀態(tài)，16個縣土地退化程度降低。水分條件和環(huán)境負荷是影響農(nóng)牧交錯帶的主要限制和脅迫因子，局部地區(qū)存在顯著生態(tài)風(fēng)險。

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