呼伦贝尔草原生态环境脆弱性评价

中国农业大学学报 2008,13(5):48 54

Journal o f China A g ricultur al U niv ersity

呼伦贝尔草原生态环境脆弱性评价

刘东霞1 卢欣石2

(1.河北北方学院农林科技学院,河北张家口075000;

2.北京林业大学资源与环境学院,北京100083)

摘 要 为了对草原态环境脆弱程度进行分析,以内蒙古东部呼伦贝尔草原陈巴尔虎旗为例,以多元空间信息为基础,采用G IS技术手段和空间主成分分析法,建立了生态环境综合评价模型,模型引入了水热条件、土壤、土地覆盖、地貌状况4个方面的7个指标,通过空间随机取样并对样点进行主成分分析来确定各指标的权重来构建模型。根据模型的分析结果,将该地区草原生态环境质量分为4级;表明生态环境质量从东北向西南逐渐变差,并沿着海拉尔河和额尔古纳河的两岸呈条带状辐射分布,这一变化与水热等气候因素以及资源开发利用状况的变化趋势有较强的相关性;各草原类型为单元的分类结果表明,沙地植被的生态环境质量最差,其CEVI(生态环境脆弱性综合指数)为1 51,沼泽类较之稍好,为1 24,低平地草甸和典型草原生态环境质量中等,其CEVI分别为0 24和

0 22,草甸草原和山地草甸生态环境质量良好,其CEVI分别为-0 45和-0 99。各类草原类型的生态环境质量

的优劣顺序为山地草甸>草甸草原>典型草原>低平地草甸>沼泽类>沙地植被,基本符合我国草原由东向西草原类型逐渐演替的趋势。说明该评价模型具有科学合理性与客观准确性。

关键词 呼伦贝尔草原;退化;生态环境;脆弱性评价;GIS;环境评价

中图分类号 S812 文章编号 1007 4333(2008)05 0048 07 文献标志码 A

Evaluation of eco environmental vulnerability of

grassland in Hulunbeier steppe

LIU Dong xia1,LU Xin shi2

(1.College of Agri culture and Forest,Hebei North University,Zhangj iakou,075000,China;

2.College of Natural R es ources and Environment,Beijing Fores try University,Beijing100083,China)

Abstract In orde r to a naly ze the g ra de of e co e nvironmenta l vulne rability,the study wa s conducte d in Chenbae rhu Banne r.Geo graphica l info rmation system(GIS)techno log ies w ere a do pte d,and a nume rical e valuation model of eco enviro nme nt v ulne ra bility w as dev elo pe d by using spatial principal co mpone nt a nalysis method base d on the v ecto r da tum.Acco rding to the nume ric al results,the v ulnera bility w as cla ssifie d into four leve ls.Eco enviro nme nt vulne rability in study are a pres ented distinct ge og ra phical horizontal belt dis tribution,a nd hea vy vulnerable are as were distributed in tw o sides of the Haila r Rive r and Arg un Rive r.The eco enviro nme nt wa s gradua lly de te riorating fro m northea st to south w est,w hich has s trong rela tiv ity c ompa re d to the changing tre nd o f clima te fa cto r,and status of reso urce e xplo itation.

Moreo ve r,the ass essment result base d o n the type s of g rasslands showe d tha t the e co e nvironmenta l quality of Sa ndy veg e ta tio n g ra ssland wa s the wo rst and the CE VI(compre hensiv e ec o environmental v ulne ra ble index)was1.51,and the fo llowing is Mea do w steppe,of w hich the CEVI was1.24.The CEVI of Mea do w steppe in hill and Typica l steppe were0.22a nd0.24re spe ctive ly and the e co e nvironmenta l qualities o f them belong e d to media l lev el.The qua lity of eco env ironment in Mo untain mea do w s te ppe a nd Me adow steppe wa s better and the CE VI rea ched-0 99and-0.45 re spective ly.The va lue o f CEVI w as widely rang ed that me ansthe ec o env ironmental vulnerability w as mo re se rious,

收稿日期:2008 02 22

基金项目:科技部林业科技支撑项目资助(2006BAD26B0403)

作者简介:刘东霞,博士,E ma il:liudongdong2879@sina.co m;卢欣石,教授,通讯作者,主要从事草地生态方向研究,

E ma il:lux inshi@https://www.360docs.net/doc/b83699860.html,

第5期刘东霞等:呼伦贝尔草原生态环境脆弱性评价

and the order of e co e nvironmenta l qua lity was:Mounta in me adow ste ppe>Mea do w steppe>Typical ste ppe>Mead o w steppe in hill>Me adow morass>Sa ndy ve g etation g ra ssland,which w as consis te nt with trend of ve ge table succ es sio n.This indic ated that the asse ssment mo de l has s cientific ra tionality and impersonal v eracity.

Key words Hulunbeir grass land;de gra da tio n;eco env ironment;vulne rability ev aluation;GIS;environment e va lua tion

呼伦贝尔草原地处内蒙古东部,是东北森林草甸向干草原的过渡地带,自然条件的严酷性、气候的波动性、以及社会和经济条件的复杂性使这一地区成为对全球变化响应的敏感带。因此评价全球气候变化背景下生态环境脆弱性是当前全球变化和生态系统研究的主要内容。因地形、气候因素引起的植被变化具有明显的地带性推进特征,另外,草原退化也表现以水域及居民点为中心的点状发散式分布。 近年来,国内外对脆弱生态环境展开了深入而广泛的研究[1 15],从评价指标体系、评价方法方面都进行了深入的探讨。目前,指标的选取多采用专家推荐法、数学分析法、反推法、信息量法等,评价指标体系得到不断的系统和完善,但脆弱生态环境评价指标选择过程中为追求评价指标体系的完备性而不断提出新的指标,使指标种类和数目过多,而在实际运用中由于数据资料不易获取导致实际评价工作困难;而且,数据资料一般来源于统计年鉴或地方志,数据代表了较大区域范围的属性,评价单元也较大(一般以县级为评价单元),很难反映局域特征。 3S 技术的广泛应用和地理信息系统软件的不断开发实现了对生态环境的实时监测和动态变化分析,利用GIS技术对生态环境脆弱性进行评价是环境评价的主要研究方向[1 2]。权重的确定方法分为经验法和数学方法。经验法即以研究人员的实践经验或专家咨询打分来确定指标权重[3 6],灵活性较高,但主观性较强。数学方法,如灰色关联法[7]、隶属函数法[8 10]、特尔裴法[11]、层次分析法[12 13]、主成分分析法[14]等,用数学方法确定权重,虽受到数学方法本身的局限,灵活性较差,但可以对其结果进行准确性检验。由于评价指标之间相互影响,评价指标间普遍存在信息覆盖不全和之间信息重叠,而主成分分析法是解决这一问题的有效工具[15]。

目前,单一对草原生态系统环境脆弱性评价的研究很少见,只是将草原生态系统融入到整个地区中,评价区域范围较大,不同的生态系统,其结构和属性存在着本质上的差异,是否能用统一的评价指标对其进行评价还有待进一步的研究。本文旨在对草原生态系统,以GIS技术为手段,利用主成分分析的方法对陈巴尔虎旗草原生态环境脆弱性进行评价,为草原生态环境评价体系建立而进行方法上的探索,为当地资源的保护和合理利用提供决策依据。

1 研究区域概况

研究区域位于内蒙古自治区东部的呼伦贝尔草原腹地陈巴尔虎旗,位于大兴安岭西段。行政区域隶属内蒙古自治区呼伦贝尔市,地理位置为东经118 22 30 121 10 45 ,北纬48 43 18 50 10 35 。陈巴尔虎旗东部属于中温带半湿润大陆性季风气候,其余属中温带半干旱、干旱气候。四季分异明显,水热资源差异较大。据陈旗1971 2001年30年气象资料显示,年平均气温-2.0~0 ,最冷月1月份平均气温-28 ,绝对最低气温可达-49 ;最热月(7月)平均气温20 ,绝对最高气温40 ;全年 10 的积温为1800~ 2200 ,无霜期90~110d。降水量全年变率较大,降水变率中部地区为13 9%,到西部沙地则高达19 0%,最少降水年份仅有191 4mm;地区分布也不均匀,并由西向东呈递增加趋势,平均230 ~380mm,其中70%以上集中于夏秋季节(6 8月份),冬春季节(11月 次年5月)降水不足全年降水的30%,而蒸发量西部沙地最高达1700 mm,中部为1300m m,为降水量的4~6倍;全旗经济主体以草原畜牧业为主,为呼伦贝尔市西部牧业4旗之一[16]。

2 研究方法

2.1 数据获取

地图和前人的研究成果是进行陈巴尔虎旗生态环境脆弱性评价的重要原始资料。原始资料主要包括: 陈巴尔虎旗降雨量分布图(来源于中国农业科学院农业资源与农业区划研究所); 陈巴尔虎旗 10 的积温分布图(来源于中国农业科学院农业资源与农业区划研究所); 地形图(来源于国家统计局出版的1 10万比例尺的地形图); 陈巴尔虎旗草原亚类分布图(来源于内蒙古草原勘查设计院及

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内蒙古自治区草原监督管理所完成的2005年草原资源与生态试点调查报告,并将其矢量化成电子地图); 陈巴尔虎旗退化、沙化、盐渍化分布图(来源于内蒙古草原勘查设计院及内蒙古自治区草原监督管理所完成的2005年草原资源与生态试点调查报告,并将其矢量化成电子地图); 陈巴尔虎旗草原类型图(来源于内蒙古草原勘查设计院及内蒙古自治区草原监督管理所完成的2005年草原资源与生态试点调查报告,并将其矢量化成电子地图); 土壤类型分布图(来源于内蒙古之治区土肥工作站编制的内蒙古全区土壤类型图,并将其矢量化成电子地图)。

2.2 坐标系及投影系统的统一

水热条件、土壤、土地覆盖、地貌状况等空间数据都是以矢量数据的形式提供的,投影方式和比例尺也不尽相同,为保证不同专题层面的栅格数据具有良好的空间重合性,需要对各种图形数据作一致化处理。数据的一致化包括统一坐标系统的建立和数据格式转换。各评价因素数据图采用统一的坐标系和投影系统,分析中采用A lbers双标准纬线等面积圆锥投影方式[17],全国统一的中央经线105 E,双标准纬线分别为25 N和47 N,椭球体为KRA SOVSKY椭球体,起算点为赤道0 。对于矢量数据格式的专题图(草地亚类图、草地退化、沙化、盐渍化图和土壤类型图)经投影变换和量化分级后,在ARCPINFO中用POLYGRID命令转化为栅格数据,便于各个图层的叠加。

2.3 评价单元的确定

评价单元反映着一定的空间和实体,包括一系列影响环境质量的因素,其划分应客观地反映环境质量的空间差异,同类单元应具有一致的基本属性。评价单元的选取必须依据所用的方法而定[17]。由于本次评价采用了GIS技术,所有的评价要素实现了定量化、空间化表达,因此选用栅格为基本评价单元。由于农田、林地、牧草地、水域以及其他建筑用地的土地覆被特征有很大的差异,很难对它们之间进行脆弱生态环境比较,本研究主要是针对陈巴尔虎旗草原进行综合评价,通过土地利用图筛选出草地覆盖区域,而将农田、林地、水域和其他建筑用地设置为空值,不参与分析。基于栅格的数据格式更有利于叠加分析、代数运算和逻辑操作,它有效避免了矢量数据在多源空间信息叠加中出现越来越多的细小图斑。在GIS软件Ar c/Info的支持下,将水热条件、土壤、土地覆盖、水质状况等多源的空间数据栅格化,每个栅格大小为25m 25m。

2.4 评价因子的量化

进行陈巴尔虎旗生态环境质量综合评价,量化指标十分关键,在建立数字环境模型过程中,需利用ARCInfo模块中的叠加分析工具来提取空间信息数据库中的各个专题数据。由于各个专题的数据性质不同,量纲各异,无论从指标的分级值,还是从计量单位上看,都不具有可比性,因此需要对不同参评因子的等级区分,实现统一标准下的量化表达,使其在参与多因子综合分析计算时,不至于因其分级数量的不同而失去因子要素间的公平与合理性[18],将各因子的变化情况和导致生态恶化的阈限值相比较,根据该因子变化所能引起的生态脆弱性程度,将因子进行重分类。各个参评因子数据经量化处理后,是一组反映其属性特征的数值,其值位于0~6之间。即给它们设置相同的等级体系,这个相同的等级体系就是指每一个单元的脆弱程度,经过标准化后的值就具有了一致性,标准值越大对生态环境质量的影响也就越大。

海拔图:>900m或 600m赋值6,800~ 900m赋值4,700~800m赋值2,600~700m赋值0。低海拔的岗地多易受风蚀、沙化;封闭和半封闭的低洼地和相对的低地是积盐重点区,易涝、易碱化;在平缓沙地风积作用为主,而沙平地、风蚀洼地和丘间洼地风蚀作用明显;高海拔山地容易发生水土流失。

坡度图:对坡度>25 赋值6,10 ~25 赋值4,5 ~10 赋值2, 5 赋值0,表明坡度越大越脆弱。

年均降雨量分布图:对年均降雨量 330mm 赋值6,330~350mm赋值4,350~370mm赋值2,>370m m赋值0,表明年均降雨量越小越脆弱。

10 积温分布图:对 10 积温 1400 赋值6,1400 ~1700 赋值4,1700 ~2000 赋值2,>2000 赋值0。

植被类型:按照各草原亚类的利用率进行重分类,草地利用率为45%的沙地典型草原亚类和沼泽类赋值6,草地利用率为50%的低中山草甸亚类赋值4,草地利用率为50%的平原丘陵草甸草原亚类、山地草甸草原亚类、平原丘陵典型草原亚类和山地典型草原亚类赋值2,草地利用率为70%的低湿地草甸亚类、沼泽化草甸亚类和低地盐化草原亚类

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赋值0。

草原退化、沙化和盐渍化分布图:根据退化(沙化、盐碱化)程度分类,重度退化(沙化、盐碱化)赋值6,中度退化(沙化、盐碱化)赋值4,轻度退化(沙化、盐碱化)赋值2,未退化草地赋值0。

土壤类型分布图:根据土壤肥力等级进行分类。草甸风沙土11级,土层瘠薄,有机质、全氮、全麟含量低,赋值6;粗骨土和栗钙土分别为8~9级和5~8级,表层有机质含量低,结构差,易沙化,赋值4;草甸土常分布于湖滨、河滩或丘间低地,地表常年积水,在草甸植被作用下形成大量有机质,肥力潜力高,赋值2;灰色森林土和黑钙土土壤土层厚,养分储量高,结构性能好,保水能力强,赋值0。

2.5 主成分分析

运用ArcGIS中的com bine命令,将表达各个要素的栅格化图层按坐标位置配准叠置,这样研究区内任一点都被赋予了7种要素的属性值,在全区内随机取样点300个,使样点均匀分布,这些样点的属性能够代表陈巴尔虎旗的属性。将样点的属性数据导入SPSS软件进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 影响因子排序

通常专家评判法将各指标划分定级后,还要针对各目标对于评价目标的重要性进行评分,其所带有的主观意识远大于将指标的评分定级,而空间主成分分析方法在完成各原始指标对评价目标影响的划分定级后,利用主成分分析函数将多指标通过坐标轴旋转,可将各指标之间的相关叠加信息消除,再以各主成分的加权值作为权重,形成生态环境脆弱指数,受专家主观意识影响相对较小[19]。

按|P xt|得分大小排序:|P x1|>|P x2|>|P x3|> |P x5|>|P x4|>|P x6|>|P x7|,即这7种原始因子按对综合指标EVI的影响,由大到小排列依次为:降雨> 10 积温>土壤>海拔>草地退化程度>草地利用>坡度。

3.2 空间评价结果

从评价结果的空间分布情况来看(图版 1),陈巴尔虎旗生态环境质量从东北向西南有逐渐变劣的态势,这与自然条件、气候因素、资源开发利用状况的变化趋势有很好的相关性。东部地区的降水量相对较多,土地退化的程度较轻,植被的覆盖较好。从整体看,东部地区比西南地区生态环境要好,但局部地区由于超载过牧,生态环境质量也在逐步恶化;西南部地区,气候较干燥,草地退化,尤其是海拉河两岸草地沙化严重,该区的生态环境质量恶劣。近些年来政府对该地区的生态环境治理力度不断加大,但沙漠化趋势还在不断扩展,生态环境修复整治工作还任重道远。

数字环境模型是具有多元空间属性的数据,它是以栅格为基本单元,每一单元具有了各个参评因子属性。因此就可以对每个栅格评价单元进行生态环境质量评价,计算每个单元的生态环境脆弱指数。通过生态环境脆弱性评价模型得出的生态环境脆弱指数是一系列连续的数值,为了便于比较分析,将生态环境脆弱性指数进行分级处理,等级划分对于区域脆弱性评价是致关重要的,必须遵从客观性和逻辑性的原则。

本研究通过分析生态环境脆弱性指数(EV I, eco env ir onm ental v ulnerable index),统计数据的直方图分布模式来对其进行分类(图1),EVI的平均值为-0 031,标准差为0.874,EVI分布服从波状分布,波谷分别出现在-0 27,0 77和1.36的地方,根据数据分布以波谷作为分类界限,把生态环境脆弱性指数划分为潜在脆弱( -0 27)、轻度脆弱(-0 27~0 77)、中度脆弱(0 77~1 36)、重度脆弱(>1 36)4级,不同等级生态环境脆弱指数的空间分布特征,体现了生态环境状况的区域性差异,分级结果见表1。

3.3 区域分布特点

陈巴尔虎旗生态环境质量较好的地区( 级)占总面积的42 69%,轻度脆弱地区( 级)占地区总面积的37 02%,而生态环境较差( 级)和恶劣( 级)的地区分别占总面积的13 95%和6 34%,由此可见,陈巴尔虎旗生态环境总体属于轻度脆弱区(图版 2)。

生态环境较差和恶劣地区主要分布于海拉尔河以及额尔古纳河流两岸。陈巴尔虎旗草原生态环境脆弱主要有两方面的原因,一是西部和西南部气候条件恶劣,降雨量少,气候干燥,土壤沙化、盐碱化严重;另一方面是陈巴尔虎旗牧民一直没有彻底摆脱逐水草而居的粗放经营方式,由于近年来牲畜头数不断增加,特别是牲畜集中在饮水点、湖泊附近,啃食牧草,草原植被覆盖降低,群落组成发生变化,造

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图1 呼伦贝尔草原陈巴尔虎旗生态环境脆弱性指数数据分布直方图

Fig.1 Data distr ibution histog ram of index of eco env ir onmental vulnerability in Chenbaer hu Banner

表1 试验区草原生态环境脆弱性分类属性表

T able 1 R esult of eco envir onmental vulnerability classification

脆弱水平级别生态环境脆弱性指数特征描述

潜在脆弱 -2.15~-0.27稳定的生态系统,雨量充沛,腐殖质层深厚、富含有机质。轻度脆弱 -0.27~0.77生态系统相对稳定,雨量中等,腐殖质层变淡、变薄。中度脆弱 0.77~1.36生态系统不稳定,雨量减少,土层薄、有机质含量低。

重度脆弱

1.36~

2.72

生态系统极不稳定,气候干旱,土壤沙粒含量大、结构差,土壤贫瘠。

成沙丘活化,沙化趋势不断发展。而在湖泊周围盐碱化严重,地下水位高、蒸发量大、气候较干旱,造成盐碱在地表面聚集,影响植被的发育。

草原类型、分布与生产力,主要受水热条件的制约和影响,不同的地貌类型及他们的组合在一定的范围内对水热地分配着这重要重分配作用,气候特征的差异和地貌类型的多样化制约着草原类型的演化和分布,所以各草原类型也表现出不同的脆弱特征,以草原类型为评价单元,对每一草地类型全部栅格的环境脆弱性指数进行加权平均,求取各草原类型的生态环境脆弱性综合指数(CEVI,com prehen sive eco environmental vulner able index ),生态环境脆弱性综合指数是指一定区域范围内环境质量的总体平均脆弱程度,评价结果见图2。

各草原类型为单元的分类结果表明,不同的草原类型,生态环境脆弱性综合指数之间差异显著,其生态环境质量的优劣顺序为:山地草甸>草甸草原>典型草原>低平地草甸>沼泽类>沙地植被,基本与我国草原由西向东草原类型逐渐演替的趋势相一致。根据生态环境脆弱性划分标准将6

个草原

图2 各草地类型生态环境脆弱性综合指数Fig.2 Comprehensiv e eco env iro nmental vulnerable

index of ty pes o f gr asslands

类型分为4级,其中生态环境最差的是沙地植被,其CEVI 为1 51,属于第 级;沼泽类较之稍好,属于第 级,其CEVI 为1 24;低平地草甸和典型草原生态环境质量中等,其CEVI 分别为0 24和0 22,属于第 级,山地草甸和草甸草原,生态环境良好,

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属于第 级,其CEVI分别为-0 45和-0 99。

4 讨 论

空间主成分分析方法通过取样,对样点数据统计分析,通过各主成分来确定权重,不仅较小了主观随意性,而且消除了评价指标之间的重叠信息,使评价指标之间相互独立。主成分分析法是一种通过降维使数据简化的应用数学方法,黄淑芳、黄方等等应用主成分分析的方法分别研究了全国以及吉林生态环境脆弱性状况[19 20],其在主成分的选择中均选择了贡献率达到85%的成分,而本文在评价中选取全部的主成分,即当累计贡献率达到100%时,反映了全部的原始数据信息,大大提高了计算精度。

评价指标的选择,以及指标的脆弱程度的数量化与研究对象的区域特征有很大的关系,如干旱地区、江河流域、山区、湖泊、湿地等,不同的区域特征选择评价因子需从寻求和诊断在自然和认为共同作用下可能导致或影响整个系统脆弱的生态因子着手。同时,即使在相同的自然条件下,由于土地利用类型的不同,使得生态系统的结构和性质在不同生态系统类型之间的存在很大的差异(如农田和草地),甚至有本质的区别(如建筑用的和草地),对于不同的土地类型,由于其结构和属性存在着本质上的差异,是否能用统一的评价指标对其进行评价还有待进一步的研究。本文选择了属性相对均一的草原生态系统作为研究对象,评价结果具有较大的可靠性。另外,研究区域尺度以及评价指标属性数据的精度将直接对评价结果产生影响,区域尺度对评价结果的影响是另一个有待继续探讨的问题。

5 结 论

1)陈巴尔虎旗的生态环境状况总体上属于轻度脆弱地区,从东北向西南生态环境状况有逐渐变劣,降雨等气候条件决定了生态系统潜在的脆弱性,重度脆弱地区主要分布在河流两岸,牲畜过量承载,加剧了生态系统的向脆弱性方向发展的进程。

2)草原类型是自然气候条件和地形地貌特征的综合反映,气候条件的差异和地形地貌的多样化制约着草原类型的演替和分布,以草原类型为评价单元的评价结果表明,各草原类型的生态环境质量的优劣顺序为:山地草甸>草甸草原>典型草原>低平地草甸>沼泽类>沙地植被,基本与我国草原由西向东草原类型逐渐演替的趋势相一致。

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