黃土高原三川河流域生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化特征

史廣，劉立文，楊艷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801）

黃土高原三川河流域生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化特征

史廣1，劉立文1，楊艷2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801）

了解與掌握黃土高原區(qū)小流域生態(tài)環(huán)境狀況的時(shí)空變化特征，對(duì)研究黃土高原區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防治具有重要作用。以山西省三川河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ/T 192—2006）中的評(píng)價(jià)體系，基于RS和GIS方法，獲取了1990年、2000年、2010年的生態(tài)環(huán)境狀況分布圖，對(duì)三川河流域及其子流域21 a間生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：三川河流域的主要生態(tài)環(huán)境狀況類型為良好和一般，21 a間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況先明顯變好后逐漸變差，整體上生態(tài)環(huán)境狀況轉(zhuǎn)好；生態(tài)環(huán)境狀況一般和良好的地區(qū)位于流域的東北部（北川河和東川河子流域內(nèi)）；海拔＜1 000 m、坡度＞20°的研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況最差，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防治中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

生態(tài)環(huán)境；時(shí)空變化；流域；遙感；地理信息系統(tǒng)

生態(tài)環(huán)境是地球生物得以生存和發(fā)展的必備條件，是生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合體[1]。近年來(lái)由于生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致人類生活環(huán)境惡化的案例不斷發(fā)生，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)研究已成為當(dāng)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)方向[2]。生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系的研究起源于19世紀(jì)60年代，但早期的研究缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的評(píng)價(jià)體系[3]。1987年日本學(xué)者鬼鞍豐[4]首次對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的各種環(huán)境保護(hù)功能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，隨后聯(lián)合國(guó)環(huán)境

規(guī)劃署（UNEP）于2001年6月啟動(dòng)了全球區(qū)域合作的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估項(xiàng)目（Millennium Ecosystem Assessment，MA）[5]。我國(guó)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)起于20世紀(jì)70年代，主要針對(duì)城市環(huán)境污染現(xiàn)狀調(diào)查和評(píng)價(jià)[6]，2006年國(guó)家環(huán)?？偩诸C布并制定了《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ/T 192-2006）[7]，周媛麗等[8]根據(jù)規(guī)范對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)的生態(tài)環(huán)境做了評(píng)價(jià)和對(duì)策研究，杜鎖軍等[9]根據(jù)規(guī)范對(duì)張家港市進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究。

由于地形破碎、氣候干旱、水土流失嚴(yán)重等原因，黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱現(xiàn)象日益擴(kuò)張。而三川河流域位于黃土高原的中西部，是全國(guó)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，由于水土流失和資源開(kāi)采等自然和人為原因?qū)е碌纳鷳B(tài)問(wèn)題日益突出。作者在RS和GIS的支持下獲取了生物豐度指數(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)，參照《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》[10]，得到研究區(qū)1990年、2000年和2010年的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)狀況及其空間分布特征，對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同海拔高度、不同地形坡度以及不同流域分區(qū)在1990～2010年的生態(tài)環(huán)境變化狀況進(jìn)行研究[11]，旨為小流域生態(tài)環(huán)境治理及相關(guān)規(guī)劃的編制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三川河發(fā)源于山西省方山縣東北赤堅(jiān)嶺，主要支流有北川河、東川河和南川河，流經(jīng)方山、離石、中陽(yáng)、柳林4縣（市），在柳林縣石西鄉(xiāng)上莊村入黃，全長(zhǎng)176.4 km，流域面積4 161 km2。地處北緯36°55′～38°10′、東經(jīng)110°33′～111°36′，屬東部季風(fēng)暖溫帶地區(qū)，年平均降水量為521 mm，降水量年度變化較大，每年汛期（6～9月）降雨量為全年降雨量的70%，主要形式為大雨或暴雨[12，13]，最大年降水量約為最小量的2倍，且區(qū)域分布不均。

三川河流域地勢(shì)條件具有明顯差異，最高峰（關(guān)帝山）海拔2 831 m，最低點(diǎn)（黃河交匯處）海拔610 m，相對(duì)高差2 221 m。根據(jù)流域地貌特征和水文情勢(shì)分異，三川河流域可劃分為北川河流域、東川河流域、南川河流域和三川河流域4個(gè)水文分區(qū)[16]（圖1）。該地區(qū)水土流失較為嚴(yán)重，大量的泥沙源源不斷地流入黃河主干道，流域內(nèi)呈現(xiàn)植被稀少、土地貧瘠、農(nóng)作物產(chǎn)量低等狀態(tài)，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝嗣袷杖胨捷^低，成為了山西省較貧困的山區(qū)之一，1983年被列為全國(guó)8個(gè)水土保持重點(diǎn)治理流域之一[14，15]。

圖1 三川河流域圖Fig.1 Map of Sanchuan River watershed

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用1990年、2000年和2010年TM4-5影像及ASTER-GDEM數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云，運(yùn)用ENVI4.8對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣矯正、幾何校正、拼接、裁剪等預(yù)處理操作[17]，并通過(guò)運(yùn)用監(jiān)督分類和波段運(yùn)算的方法獲得三川河流域1990年、2000年和2010年的土地利用類型數(shù)據(jù)；降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//www. escience.gov.cn）；環(huán)境污染數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)（1990～2010）、中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒（1990～2010年）和山西省統(tǒng)計(jì)年鑒（1990～2010）等資料。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)該指標(biāo)計(jì)算方法[6，18]為：

EQI=0.25×生物豐度指數(shù)+0.2×植被覆蓋指數(shù)+ 0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.2×土地退化指數(shù)+0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

式中，EQI：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。根據(jù)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)將生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行分類（表1）。

1.3.2 生物豐度指數(shù)該指標(biāo)從TM影像中用目視解譯的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建設(shè)用地、未利用地的面積，計(jì)算方法[6]為：

生物豐度指數(shù)=Abio×（0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設(shè)用地+0.01×未利用地）

/區(qū)域面積

式中，Abio：生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.3.3 植被覆蓋指數(shù)該指標(biāo)從TM影像中用目視解譯的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建設(shè)用地、未利用地的面積，計(jì)算公式為：

植被覆蓋指數(shù)=Aveg×（0.38×林地面積+0.34×草地面積+0.19×耕地面積+0.07×建設(shè)用地+0.02×未利用地）/區(qū)域面積[6]

式中，Aveg：植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)。

1.3.4 水網(wǎng)密度指數(shù)該指標(biāo)根據(jù)TM234圖像，將水域（主要為河流和水庫(kù)）目視提取，通過(guò)山西省統(tǒng)計(jì)年鑒獲取水資源量，計(jì)算公式[6]為：

水網(wǎng)密度指數(shù)=［Ariv×河流長(zhǎng)度/區(qū)域面積+Alak×湖庫(kù)（近海）面積/區(qū)域面積+Ares×水資源量/區(qū)域面積］/3

式中，Ariv：河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù)；Alak：湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù)；Ares：水資源量的歸一化系數(shù)。

1.3.5 土地退化指數(shù)該指標(biāo)計(jì)算方法為：

土地退化指數(shù)=Aero×（0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積+0.7×重度侵蝕面積）/區(qū)域面積

式中，Aero：土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù)。

該指標(biāo)通過(guò)RUSLE獲取研究區(qū)域1990年、2000年和2010年的生態(tài)環(huán)境狀況狀況，根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況模數(shù)≤2 500 t/（km2·a）、2 500～5 000 t/（km2·a）和＞5 000 t/（km2·a），將生態(tài)環(huán)境狀況類型分為輕度侵蝕，中度侵蝕和重度侵蝕（表2），并獲取侵蝕面積，進(jìn)而得到土地退化指數(shù)。

表1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分類Table1 Eco-environmental quality classification

1.3.6 環(huán)境質(zhì)量指數(shù)該指標(biāo)計(jì)算方法[8，9]為：

環(huán)境質(zhì)量指數(shù)=0.4×（100-ASO2×SO2排放量/區(qū)域面積）+0.4×（100-ACOD×COD排放量/區(qū)域面積）+0.2×（100-Asol×固體廢物排放量/區(qū)域面積）

式中，ASO2：SO2的歸一化系數(shù)；ACOD：COD的歸一化系數(shù)；Asol：固體廢物的歸一化系數(shù)。

1.3.7 生態(tài)環(huán)境總體狀況及其空間分布運(yùn)用ArcGIS工具將上述因子校正為WGS_1984_UTM_Zone_49N坐標(biāo)系，并運(yùn)用Resample工具進(jìn)行重新采樣，形成30 m×30 m的圖像，最后運(yùn)用Raster Calculator進(jìn)行疊加相乘，參照國(guó)家環(huán)?？偩种贫ǖ摹渡鷳B(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ/T 192—2006），對(duì)研究區(qū)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，最終得到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況空間分布圖（圖2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)環(huán)境狀況總體動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)1990年、2000年和2010年研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)21 a來(lái)研究區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度的生態(tài)環(huán)境狀況類型面積及其比例的分布狀況及其變化規(guī)律。

數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)內(nèi)的整體生態(tài)環(huán)境處于一般和良好狀態(tài)，其中主要的生態(tài)環(huán)境狀況強(qiáng)度類型為良好，表示該流域植被覆蓋度較好，生物多樣性較好，適合人類生存。從3個(gè)時(shí)期的生態(tài)環(huán)境狀況強(qiáng)度的面積分布來(lái)看，整體的生態(tài)狀況經(jīng)歷了由較差→優(yōu)→逐漸變差的拋物線發(fā)展趨勢(shì)，其中，2000年生態(tài)環(huán)境狀況最好，其中良好所占的面積最大，占流域面積的84.38%；相對(duì)于1990年而言，2010年整體的生態(tài)狀況有所變好，其中良好和優(yōu)秀的面積增加明顯（表3）。通過(guò)圖2可以看出，變化主要集中在流域的中西部地區(qū)，即城市和人口密集區(qū)，其中，東北部由于森林覆蓋狀況良好，人口稀少，所以生態(tài)環(huán)境較好，生態(tài)環(huán)境一般的地區(qū)位于流域的中西部，由于人口分布密集和植被的破壞導(dǎo)致該區(qū)的生態(tài)環(huán)境一般。

2.2 生態(tài)環(huán)境狀況變化幅度分析

參照《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》

（HJ/T 192—2006）將生態(tài)環(huán)境狀況變化幅度分為7級(jí)：無(wú)明顯變化、略有變化（好或差）、明顯變化（好或差）、顯著變化（好或差）（表4和5）。從以上圖表中可以看出，1990年和2000年之間生態(tài)環(huán)境狀況變化，主要體現(xiàn)在無(wú)明顯變化和略微變好，其中略微變好所占比例為26.42%，表明研究區(qū)整體的生態(tài)狀況轉(zhuǎn)好。2000年和2010年之間生態(tài)狀況逐漸差，集中表現(xiàn)在略微變差和明顯變差，除此之外略微變好和明顯變好所占比例相當(dāng)，說(shuō)明整體狀況變差但部分地區(qū)生態(tài)狀況明顯有所轉(zhuǎn)變。從表5可以看出，變化比較明顯的地區(qū)主要集中在流域的上游和下游，即方山縣和柳林縣等地區(qū)。

圖2 研究區(qū)1990年、2000年和2010年的生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)圖Fig.2 The classification map of ecological environment in study area in 1990，2000 and 2010

表3 1990年、2000年和2010年研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況面積變化Table3 The area variation of ecological environment in the study area in 1990，2000 and 2010

表4 生態(tài)環(huán)境變化度分級(jí)Table4 Ecological indexes change grading schedule

表5 研究區(qū)1990年、2000年和2010年之間生態(tài)環(huán)境狀況變化幅度Table5 Change range of ecological environment in the study area between 1990，2000 and 2010

2.3 不同子流域的生態(tài)環(huán)境狀況

整體三川河流域的生態(tài)狀況處于一般與良好之間，其中，2000年的生態(tài)環(huán)境狀況最好，1990年的生態(tài)環(huán)境狀況最差；三川河子流域的生態(tài)環(huán)境狀況最差，北川河和東川河狀況最好，2000年的北川河的良好面積達(dá)到了北川河流域的70%，生態(tài)狀況非常好（圖3）。造成這一狀況的主要原因是三川河子流域主要位于流域的下游，人口密集，植被稀少，氣候干旱，外加水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境狀況最差；而北

川河和東川河地勢(shì)高，植被覆蓋度好，人口稀少，水土保持狀況優(yōu)。

2.4 影響生態(tài)環(huán)境狀況的主要因素

通過(guò)對(duì)1990年、2000年、2010年不同海拔與不同坡度的生態(tài)情況進(jìn)行分類與歸納，結(jié)果（圖4和5）顯示，生態(tài)環(huán)境隨著海拔高度的升高而逐漸變好，隨著坡度的降低生態(tài)環(huán)境越好，其中，生態(tài)環(huán)境處于一般和良好狀態(tài)主要分布于＞1000 m的海拔高度范圍內(nèi)，且2000年生態(tài)環(huán)境為良好的面積最大，1990年最??；而生態(tài)環(huán)境處于良好和一般的面積主要分布在坡度＜20°的地帶，表明流域生態(tài)環(huán)境隨地勢(shì)和海拔高度變化明顯。

圖3 1990年、2000年、2010年4條子流域的生態(tài)環(huán)境狀況分時(shí)分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Fig.3 Ecological and environmental conditions in different sub-basin area timeshare partition statistics in 1990，2000 and 2010

圖4 1990年、2000年、2010年不同海拔高度的生態(tài)環(huán)境狀況分時(shí)分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Fig.4 Different altitudes of the ecological and environmental conditions timeshare zoning area statistics in 1990，2000 and 2010

圖5 1990、2000、2010年不同坡度的生態(tài)環(huán)境狀況分時(shí)分區(qū)面積Fig.5 Ecological and environmental conditions in different terrain slope timeshare partition area statistics in 1990，2000 and 2010

3 結(jié)論與討論

在RS和GIS的支持下，參照《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》，得到研究區(qū)1990年、2000年和2010年的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)狀況及其空間分布特征，對(duì)三川河流域不同時(shí)段、不同環(huán)境背景條件下生態(tài)環(huán)境變化狀況進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）三川河流域的主要生態(tài)環(huán)境狀況類型為良好和一般，且1900年、2000年和2010年3個(gè)時(shí)間段的面積變化顯示，生態(tài)環(huán)境狀況較差的面積呈現(xiàn)先明顯減少后逐漸增加的發(fā)展趨勢(shì)，整體上生態(tài)環(huán)境狀況轉(zhuǎn)好，通過(guò)空間分析和21 a間的變化幅度等級(jí)發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境狀況變化主要集中在流域的中西部地區(qū)，即城市和人口密集的地區(qū)。

（2）整體三川河流域的生態(tài)狀況處于一般和良好，其中，三川河子流域地處下游地區(qū)，人口密集，植被稀少，氣候干旱外加水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境狀況最差；北川河和東川河地勢(shì)高，植被覆蓋度好，人口稀少，水土保持狀況良好，且2000年北川河的良好面積最好，占到了該流域的70%。

（3）不同地勢(shì)和海拔生態(tài)環(huán)境狀況差異明顯，海拔＜1 000 m、坡度＞20°的地帶生態(tài)環(huán)境狀況最差，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防治中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

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Temporal and Spatial Variation in Ecological Environment of Sanchuan River Catchment in the Loess Plateau

SHI Guang1，LIU Li-wen1，YANG Yan2
（1.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Information Science and Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

It is essential to grasp characteristics in variation of ecological environment of small watershed in the Loess Plateau for study of how to protect and cure the area’s ecological environment.This article takes Sanchuan River Catchment in Shanxi Province as study object，and derives three year ecological environment distribution diagrams，namely 1990，2000 and 2010 based on RS and GIS method in accordance with specific evaluation system of Ecological and Environmental Conditions Evaluation of Technical Specifications（Trial）（HJ/T 192-2006）.By analyzing characteristics of temporal and spatial variation in Sanchuan River Catchment and its sub-basin in these 21 years，we reach a conclusion indicating that the level of ecological and environmental conditions in this main field is assessed fine.Even though it firstly experienced significantly better condition then followed by gradual deterioration during this 21 years，in general，its ecological environmental conditions was changing better.In particular，northeast watershed that is the area within Beichuan and Dongchuan River sub-basin is where the relatively good ecological environmental conditions were shown.Meanwhile，by studying ecological environmental conditions with different environment backgrounds，we find that the worst ecological environmental conditions are located in areas with altitude＜1 000 m，slope＞20°zone.Therefore，this area is where we should focus on ecological environmental protection and cure.

Ecological environment；Temporal and spatial variation；Watershed；Remote sensing；Geographic information systems

TP79

A

1008-1631（2016）04-0072-06

2016-02-26

史廣（1980-），男，山西大同人，講師，碩士，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用、信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究工作。E-mail：sxausg@126.com。