内蒙古生态环境敏感性综合评价_刘军会

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中国环境科学 2015,35(2)：591~598 China Environmental Science

内蒙古生态环境敏感性综合评价

刘军会1,高吉喜2*,马 苏1,王文杰1,邹长新2 (1.中国环境科学研究院,北京 100012；2.环境保护部南京环境

科学研究所,江苏 南京 210042)

摘要：针对内蒙古土地沙化、土壤侵蚀、土壤盐渍化和生物多样性减少等区域自然环境演变过程中出现的生态问题,采用遥感和地理信息系统技术,构建敏感性评价指标体系与评价模型,对内蒙古生态环境敏感性进行综合研究,定量揭示研究区生态环境敏感性程度和空间分布特征.结果表明:土地沙化不敏感区、极敏感区分别占研究区面积35.9%和10.1%;土地沙化敏感性等级高的区域集中分布在内蒙古辖区内主要沙漠边缘和沙地;土壤基质多为沙粒、冬春季节多大风且植被覆盖度较低是土地容易发生沙化的主要原因.土壤侵蚀轻度、中度和高度敏感区分别占研究区面积的43.9%、30.2%和19.2%;受降水空间差异影响,土壤侵蚀敏感性等级自东南向西北呈逐步下降趋势.土壤盐渍化不敏感区、极敏感区分别占研究区面积的57.6%和14.6%,盐渍化明显地区主要分布在内蒙古西北部和东部;蒸发量远大于降水量,人类活动影响较明显,是土壤盐渍化高发的主要原因.生境不敏感、高度和极敏感区分别占研究区面积的30.5%、25.1%和10.6%,敏感性等级高的区域主要分布在大小兴安岭地区;这些区域水热条件相对较好,植被覆盖度高,物种数量较为丰富,是生物多样性重点保护区域.综合生态环境高度和极敏感区分别占研究区面积的27.9%和9.6%;敏感性等级高的区域位于内蒙古中北部,等级较低的区域位于内蒙古西北、东北和东南部.

关键词：生态环境敏感性；土地沙化；土壤侵蚀；土壤盐渍化；生境；内蒙古

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2015)02-0591-08

Comprehensive evaluation of eco-environmental sensitivity in Inner Mongolia, China. LIU Jun-hui1, GAO Ji-xi2 , MA Su1, WANG Wen-jie1 ,ZOU Chang-xin2 (1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China). China Environmental Science, 2015,35(2)：591~598

Abstract：Using the integrated approach of GIS and RS technology, four factors including land desertification, soil erosion, soil salinization and biodiversity reduction were selected to establish the evaluation model of eco-environmental sensitivity in the present study. This paper analyzed the eco-environmental sensitivity and revealed its spatial characteristics in a quantitative way. The insensitive and extremely sensitive areas of land desertification made up 35.9% and 10.1% of the study area (1.183million square km), respectively. The surrounding areas of desertification in Inner Mongolia were the most environmentally sensitive regions. This was due to strong wind in winter and spring in these areas, and the soil mainly consists of sand and was seldom covered by vegetation. The slight, moderate and highly sensitive areas of soil erosion comprised about 43.9%, 30.2% and 19.2%, respectively. The trend of soil erosion sensitivity decreased gradually from Southeast to Northwest of Inner Mongolia, which was mainly a result of the vertical dropping slopes and spatial variation of precipitation. The insensitive and extremely sensitive areas of soil salinization made up 57.6% and 14.6%, respectively. The northwestern and eastern parts of Inner Mongolia were the most environmentally sensitive areas. The primary causes were negative impacts of arid climate and human activities. The insensitive, highly and extremely sensitive areas of bio-inhabitation comprise 30.5%, 25.1% and 10.6%, respectively. Highly sensitive areas are located in the northeastern parts of Inner Mongolia. The reason was that species richness was positively correlated with precipitation and vegetation cover in these areas. The highly and extremely sensitive areas of comprehensive eco-environment made up 27.9% and 9.6%, respectively. The high and extremely sensitive areas were located in the

收稿日期：2014-05-19

基金项目：国家“863”项目(2012AA12A310);国家环境保护公益性行业科研专项(201209027,201109025) 责任作者, 研究员, gjx@http://wendang.chazidian.com

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moderate and northern parts, and the insensitive, slight and moderate sensitive areas in the northwestern, northeastern and southeastern parts of Inner Mongolia.

Key words：eco-environment sensitivity；land desertification；soil erosion；soil salinization；habitat；Inner Mongolia

生态环境敏感性是指生态系统对各种环境变异和人类活动干扰的敏感程度,即生态系统在

-遇到干扰时,生态环境问题出现的概率大小[12].生态环境敏感性评价实质就是在不考虑人类活动影响的前提下,评价具体的生态过程在自然状况下潜在的产生生态环境问题的可能性大小,敏感性高的区域,当受到人类不合理活动影响时,就容易产生生态环境问题,是生态环境保护和恢复建设的重点[2].已有研究多关注我国西南湿润地

--区[37]和西北干旱地区[2,810],对我国北方干旱-半干旱地区的生态环境敏感性研究相对较少,且多集中于对单一生态要素敏感性的分析,生态环境敏感性综合研究相对较少[1,6].

内蒙古是我国重要的农牧业生产基地,人类活动强度较大,且大部分植被地处干旱、半干旱农牧交错地区,生态环境脆弱,是全球变化最为敏

-感的区域之一[1112].为此,本研究采用遥感和GIS技术,针对内蒙古土地沙化、土壤侵蚀、土壤盐渍化、生物多样性减少等区域自然环境演变过程中出现的生态问题,定量分析研究区生态环境敏感性的地理空间分异特征与规律,以期为建设北方生态安全屏障和划定内蒙古生态保护红线提供科学基础. 1 数据获取与处理

遥感数据:覆盖内蒙古的2000~2010年MODIS13Q1数据,来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品(http://e4ft101. http://wendang.chazidian.comgs.gov),空间分辨率为250m×250m,时间分辨率为16d.由于MODIS NDVI产品经过水、云、重气溶胶等处理,保证了数据质量,加之较高的空间分辨率,被广泛应用于区域植被覆盖变化研究.首先,使用MRT(MODIS Reprojection Tools)将下载的MODIS NDVI进行格式和投影转换;然后,为消除异常值的影响,采用最大合成法MVC(Maximum Value Composites)合成月NDVI

数据,进而将月NDVI数据合成年最大NDVI影像;最后,利用研究区边界裁切NDVI数据,获取2000~2010年逐年及逐月NDVI影像.

气象数据:研究区2000~2010年降雨量、温度、风速和大风日数资料来源于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面气候资料数据集(http://wendang.chazidian.com/).数据内容包括全国各个气象站点的编号、经纬度和海拔,以及每个气象站点在相应分析时间尺度内的降雨量(0.1mm)、温度(0.1℃)、风速(0.1m/s).根据各气象站点的经纬度信息,采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模块对气象数据进行Kriging空间插,获取与NDVI数据像元大小一致、投影相同的气象数据栅格图像.

高程数据:基于1:25万数字高程模型(DEM)提取,利用DEM提取坡度、坡长、地形起伏度数据.

土壤数据:土壤质地数据来源于中科院南京土壤研究所的中国1:100万土壤数据库.土壤属性数据库包括土壤表层粘粒、粉沙、沙粒、有机质含量等属性字段. 2 研究方法

借助RS与GIS技术,结合内蒙古的自然和社会经济实际情况,参照国家环保总局颁发的《生态功能区划技术暂行规程》[13],选择研究区比较突出的土地沙化、土壤侵蚀、土壤盐渍化和生境4个生态环境要素建立敏感性评价模型与方法,对内蒙古生态环境敏感性进行综合研究,定量揭示研究区生态环境敏感性程度及其空间分布规律.

2.1 土地沙化敏感性评价方法

影响土地沙化的因素很多,根据《生态功能区划技术暂行规程》要求,并结合研究区实际情况,选取干燥度指数、起沙风天数、土壤质地、植被覆盖度等评价指标,并根据研究区的实际对

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2期 刘军会等：内蒙古生态环境敏感性综合评价 593

分级评价标准作相应的调整(表1).干燥度指数是表征一个地区干湿程度的指标,反映了某地、某时水分的收入和支出状况,采用修正的谢良尼诺夫公式[14]计算干燥度指数.风力强度是影响风对土壤颗粒搬运的重要因素.已有研究资料[15]表明,砂质壤土、壤质砂土和固定风砂土的起动风速分别为6.0,6.6,5.1m/s,本研究选用冬春季节大于6m/s起沙风天数这个指标来评价土地沙化敏感性.不同粒度的土壤颗粒具有不同的抗蚀力,粘质土壤易形成团粒结构,抗蚀力增强;在粒径相同的条件下,沙质土壤的起沙速率大于壤质土壤的起沙速率;砾质结构的土壤和戈壁土壤的风蚀速率小于沙地土壤;基岩质土壤供沙率极低,受风蚀的影响不大.地表植被覆盖是影响沙化敏感性的一个重要因素,在水域、冰雪和植被覆盖高的地区,不会发生土壤的沙化;相反,地表裸露、植被稀少都会使土壤沙化的机会增加.

表1 土地沙化敏感性评价指标及分级赋值标准 Table 1 Categories of influence grades of each factor on

land desertification sensitivity

类型 不敏感

干燥度 ≥6m/s起沙指数 ≤1.0

风天数(d)

≤5

土壤质地基岩

植被覆盖度(%)

分级赋值

评价.土壤侵蚀敏感性是自然因素所决定的生态系统对人为影响反应的敏感程度.农业措施因子是与人类活动密切相关的因子,与生态系统的自然敏感性关系不大,本文不做考虑.研究中借鉴周伏建等[16]研究成果,采用1~12月多年月均降雨量计算研究区各气象站点降雨侵蚀力,经误差修正后得到降雨侵蚀力的空间分布,并依据表2中的分级标准绘制土壤侵蚀对降水侵蚀的敏感性

-分级;参考已有的相关研究成果[1723],以内蒙古自治区土壤分布图为底图,按表2中的分级标准绘制土壤侵蚀对土壤可蚀性因子的敏感性分级图;应用地形起伏度,即地面一定距离范围内最大高差,作为区域土壤侵蚀敏感性评价的地形指标.然后,按表2的分级标准绘制土壤侵蚀的地形因子的敏感性分级图;根据研究区植被覆盖图对覆盖因子对研究区土壤侵蚀敏感性进行级赋值(表2),并绘制植被对土壤侵蚀敏感性分级图.

表2 土壤侵蚀敏感性的评价指标及分级赋值 Table 2 Categories of influence grades of each factor on

soil erosion sensitivity

类型 不敏感

降雨侵蚀力 <25

土壤可 蚀性 石砾、沙粗砂土、细砂土、黏土砂壤土、粉黏土、壤黏土

地形起 0~20

植被

分级 赋值

伏度(m) 覆盖(%)

≥80 1

≥80 1

轻度敏感 1.0~1.5 5~10 中度敏感 1.5~4.0 10~20 高度敏感 4.0~16.0 20~30 极敏感

≥16.0

≥30

黏质 60~80 3 砾质 40~60 5 壤质 20~40 7 沙质

轻度敏感25~100

20~50 60~80 3

5 7

中度敏感100~400面砂土、壤土51~100 40~60

101~300 20~40

≤20 9 高度敏感400~600

极敏感>600 砂粉、粉土>300 ≤20 9 根据各指标敏感性分级赋值标准(表1),利用 地理信息系统的空间分析功能,将各单因子敏感根据各因子的分级及赋值,利用ArcGIS的性影响分布图进行乘积运算,得到评价区的土地空间叠加功能,将上述各单因子敏感性影响分布沙化敏感性等级分布图,公式如下:

图进行乘积计算,公式如下:

Di= (1)

SSi= (2)

式中:Di为i评价区域土地沙化敏感性指数;Ii、式中:SSi为i空间单元土壤侵蚀敏感性指数,评价

土壤可蚀性(Ki)、坡长Wi、Ki、Ci分别为i评价区域干燥度指数、起沙因子包括降雨侵蚀力(Ri)、

风天数、土壤质地和植被覆盖的敏感性等级值. 坡度(LSi)、地表植被覆盖度(Ci).

R值的估算:采用周伏建等[16]根据实测数据2.2 土壤侵蚀敏感性评价方法

根据通用水土流失方程的基本原理,选择降建立的R值计算公式:

12

雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度因子以及地表

R=∑( 1.5527+0.1792Pi) (3)

植被覆盖因子,对研究区的土壤侵蚀敏感性进行i=1

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式中,R为年降雨及径流因子;Pi为月降雨量(mm).

K值的估算:应用Wischmeier等选用粉粒＋极细砂粒含量、砂粒含量、有机质含量、结构和入渗5项土壤特征指标,与土壤可蚀性因子K值作出土壤可蚀性诺谟图[17,24].

绘制内蒙古土壤盐渍化敏感性等级评价图.

表3 土壤盐渍化敏感性等级分类标准

Table 3 Categories of soil salinization sensitivity in Inner

Mongolia

等级 蒸发量/降

不敏感

轻度敏感中度敏感 高度敏感 极敏感

K=[2.1×10 4M1.14(12 OM)+水量 3.35(s 2)+2.5(p 3)]/100地下水矿

<1 1~5 5~10 10~15 >15 <1 1~3 3~10 10~50 >50

2.4 生境敏感性评价方法

《生态功能区划技术暂行规程》要求根据生境物种丰富度,即评价区国家与省级保护对象的数量来评价生境敏感性.但是,由于生物多样性的0.281.45

λα

LS=1.07 敏感性评价中,对动物和微生物的敏感度较难空 (5)

20 10°

间定量化,而物种多样性很大程度上反映在其赖

式中:λ为坡长,m;α为坡度,°. 以生存的生态系统的类型特征[6].借鉴潘峰等[8]

C值的估算:植被作用系数(C)是根据地面植研究方法,结合内蒙古生态系统类型及生物多样物覆盖状况不同而反映植被对土壤流失影响的性分布特征[27-30],重点对物种赖以生存的地表植因素,当地面完全裸露时,C值为1.0,如果地面得被进行生境敏感性分析.利用归一化植被指数到良好保护时,C＝0.01.植被作用系数与植被类(NDVI)(取0~1值)反映生态环境的原生状态保型、覆盖度有关.一般通过建立植被因子与植被持程度和植被生长状况[8],将内蒙古依植被生长覆盖度的关系求C [27]. 状况及其在生物多样性保护中的敏感程度划分

最后,采用自然分界法(Neural break, ArcGIS为5个等级(表4),植被覆盖较高的森林、草原区的这种分类方法是利用统计学的Jenk最优化法也是生境保护的重要区域和特殊区域,生境敏感得出的分界点,能够使各级的内部方差之和最小)性也最高. 将评价结果分为5级,绘制内蒙古土壤侵蚀敏感性等级综合评价图. 表4 生境敏感性等级分类标准 2.3 土壤盐渍化敏感性评价方法 Table 4 Categories of bio-inhabitation sensitivity in Inner

盐渍化主要是由于气候干旱、排水不畅、地Mongolia

[1]

下水位过高及不合理灌溉方式形成的.内蒙古等级 不敏感轻度敏感中度敏感 高度敏感 极敏感 西北部存在大面积的戈壁荒漠,分布的土壤有棕NDVI值0~0.160.16~0.380.38~0.60 0.60~0.83 0.83~1.00 钙土、荒漠灰钙土和灰棕色荒漠土,土中多沙砾.

许多地方土壤含盐量很高,因缺少雨水冲刷,盐分2.5 生态环境敏感性综合评价方法 板结在土壤表层,形成严重的盐渍化.由于地处蒸单因子的生态环境敏感性仅反映了某一因发率高的干旱区,高强度人类活动提高了地表水子对生态环境的作用程度或敏感性,没有将研究平面,引发了土壤次生盐渍化,从而导致生境恶化.区生态环境敏感性的空间变异特征综合反映出为系统评价该区土壤盐渍化的敏感性,选择蒸发来.根据各因子的分级及赋值,利用ArcGIS的空量与降水量比值、地下水矿化度指标进行综合评间叠加功能,将上述各单因子敏感性影响分布图价,采用自然分界法将敏感性评价分为5级(表3),进行叠加计算,公式如下:

式中:M为美国粒径分级制中的(粉粒+极细砂)%与(100-黏粒)之积;OM为土壤有机质含量;s为结构系数;p为渗透性系数.

LS值的估算:应用江忠善等[25]的LS计算公式:

化度(g/L)

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2期 刘军会等：内蒙古生态环境敏感性综合评价 595

4

包括阿拉善盟东、西两侧、巴彦淖尔市中部、鄂ESi=∑i=1WiFi (6)

尔多斯市东北部和南部、包头市南部、呼和浩特

式中:ESi为i空间单元生态环境敏感性指数,Wi

市南部、乌兰察布市南部、锡林郭勒盟中部、赤

为i生态环境因子的权重.由于荒漠化是中国北

峰市中北部、通辽市中北部、兴安盟东南部、呼

方干旱、半干旱地区面临的主要生态环境问

伦贝尔市西部等.轻度和不敏感地区位于阿拉善

题[31],采用层次分析法,结合专家知识与统计分

盟的荒漠地区、巴彦淖尔市南部、呼和浩特市中

析确定各生态环境因子的权重,土地沙化敏感性

部、乌兰察布市中南部、锡林郭勒盟东部、赤峰

因子权重设为0.4,土壤侵蚀、土壤盐渍化和生境

市北部和南部、通辽市中北部、兴安盟中北部和

敏感性因子权重均设为0.2;WiFi为i生态环境因

呼伦贝尔市中东部.这些区域位于大兴安岭、阴

子敏感性等级值.然后采用自然分界法将ES分

山山脉的东南部,风速较小,气候相对湿润,植被

为5级[3,32],绘制出内蒙古生态环境敏感性综合

覆盖度高,土地沙化程度不高.此外、过度放牧、

评价图.

滥垦草原、矿产过度开发等人为活动对土地沙化

3 结果与讨论 形成起到了重要作用.

3.2 土壤侵蚀敏感性评价 3.1 土地沙化敏感性评价

由表5、图1可见,内蒙古土壤侵蚀以轻度、由表5可见,内蒙古土地沙化以不敏感区为

主,所占比例为35.9%;轻度、中度和高度敏感区中度和高度敏感区为主,所占比例分别为43.9%、分别占19.0%、19.4%和15.7%;极敏感区占10.1%.30.2%和19.2%;极敏感区占4.0%;不敏感区占由图1可见,空间上,高度和极敏感地区位于内蒙2.7%.空间上,研究区土壤侵蚀敏感性具有明显古辖区内8个主要沙漠、沙地(自西向东依次为的水平地带性分布,自东南向西北敏感性等级逐巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐沙漠与毛步下降.高度和极敏感地区主要位于内蒙古东南乌素、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔沙地)的周部,包括呼和浩特市、包头市、乌海市、鄂尔多边区域,包括阿拉善盟中西部、巴彦淖尔市北部、斯市东部、乌兰察布市、赤峰市、巴彦淖尔市东

呼伦贝尔市东部以及兴安盟、通辽市的一部鄂尔多斯市西部、包头市北部、乌兰察布市北部、部、

锡林郭勒盟西北部、赤峰市中东部、通辽市中南分,这些区域降水相对较多,地形坡降迅速,水力部、呼伦贝尔市中部等区域.这些地区位于大兴侵蚀较强.中度、轻度和不敏感地区位于内蒙古安岭、阴山山脉的西北方向,冬春季节常年多大西北部,包括阿拉善盟、巴彦淖尔市西部、鄂尔

锡林郭勒盟、通辽市东部以及呼伦风,降水少,地表干旱,土壤基质多为沙粒,植被覆多斯市西部、

盖度低,这些自然要素导致土地沙化敏感性很高.贝尔市西部等区域,这些地区降水少,地形平缓,中度敏感区位于高度敏感区和极敏感区的外围,降雨侵蚀力弱,土壤侵蚀敏感性很低.

表5 内蒙古生态环境敏感性综合评价结果

Table 5 Area and proportion of each eco-environmental sensitivity type in Inner Mongolia

土地沙化敏感性

敏感等级

面积(km2)

比例 (%)

土壤侵蚀敏感性 面积(km2) 比例(%) 31857.6 2.7 518891.3 43.9357161.3 30.2227195.0 19.247894.5 4.0

盐渍化敏感性 面积 (km)

2

生境敏感性 面积(km2)360761.4204429.4195244.8297304.4125260.5

比例(%) 30.517.316.525.110.6

综合敏感性 面积 (km)

2

比例(%)

比例 (%)

不敏感 424613.6 35.9 轻度敏感 224389.9 19.0 中度敏感 229103.0 19.4 高度敏感 185736.6 15.7 极敏感 119156.7 10.1

681005.8 57.6132037.1 11.272757.7 6.2 125011.2 10.6172188.2 14.6

153599.0 13.0 297993.2 25.2 287211.4 24.3 330160.8 27.9 114035.2 9.6