泥河溝流域生態(tài)敏感性分析評(píng)價(jià)

王紫薇，黃文哲，周陽陽，宋敏敏，張青峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不斷加大，也使得生態(tài)環(huán)境問題日漸突出。為表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域內(nèi)自然和人類活動(dòng)干擾的敏感程度，人們利用生態(tài)環(huán)境敏感性來反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在遇到干擾時(shí)，發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性的大小，以及外界干擾可能造成的后果[1-3]。同時(shí)，生態(tài)敏感性分析結(jié)果，也是制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的主要依據(jù)。有關(guān)生態(tài)敏感性的研究，從研究?jī)?nèi)容來看，正在從以往單一的生態(tài)環(huán)境問題[4-6]向綜合研究發(fā)展[7-9]；從研究尺度來看，分別包含了國(guó)家、流域、省域和市縣域尺度[10-12]；從研究區(qū)特征和類型上看，則涉及了干旱及半干旱區(qū)、水域、城市等[13-14]。這些研究對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)做出了積極貢獻(xiàn)。

黃土高原地處我國(guó)干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，人口眾多(高達(dá)1.08億)且人均耕地有限(1.8畝/人)，加之脆弱的生態(tài)環(huán)境，地表支離破碎，水土流失嚴(yán)重。為了農(nóng)業(yè)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家從“六五”開始就設(shè)立了包含泥河溝流域在內(nèi)的11個(gè)小流域綜合治理試驗(yàn)示范區(qū)，推行以小流域?yàn)閱卧膮^(qū)域綜合開發(fā)治理。到“九五”期末，這些小流域經(jīng)過20余a的治理，生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得顯著成效，生態(tài)系統(tǒng)的整體功能和效益得以提高，充分發(fā)揮了示范作用。然而，部分小流域從“九五”末至今近20 a的時(shí)間內(nèi)，一直處于自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)，原先綜合治理的成效及其農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性如何，尚缺乏相關(guān)的研究和評(píng)價(jià)，因而難以預(yù)測(cè)生態(tài)建設(shè)、保護(hù)和開發(fā)活動(dòng)中的生態(tài)問題，也就難以開展有針對(duì)性的生態(tài)環(huán)境規(guī)劃。為此，本文以泥河溝流域?yàn)槔?，研究其生態(tài)敏感性，以期為小流域綜合治理試驗(yàn)示范區(qū)生態(tài)敏感性的重新認(rèn)識(shí)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

泥河溝小流域位于黃土高原南部的淳化縣，是國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展的試驗(yàn)示范區(qū)之一。該流域北高南低，呈長(zhǎng)條形，南北長(zhǎng)7.8 km，東西寬1.2 km，總面積9.48 km2。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候。多年平均降水量600.6 mm，降雨多集中在7-9月，且以各種量級(jí)的暴雨為主。地貌為黃土殘塬類型，塬面面積占59.2%，溝壑面積占39.8%，海拔712～1 193 m。溝壑上游坡陡溝窄，侵蝕活躍，下游侵蝕趨緩。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黑壚土、黃墡土、紅膠土和淤墡土，以黃墡土為主，土壤肥力低。天然植被多分布在溝谷，以草本和灌木為主。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2002年SPOT-5遙感影像(空間分辨率為2.5 m)、2016年GF-1遙感衛(wèi)星影像(地面分辨率為2 m)和DEM數(shù)據(jù)(分辨率為28.9×28.9 m)均來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。應(yīng)用ENVI5.1對(duì)SPOT-5和GF-1影像進(jìn)行解譯，獲得土地利用類型和植被覆蓋度數(shù)據(jù)；利用ArcGIS10.2對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得坡度和起伏度數(shù)據(jù)。進(jìn)而根據(jù)國(guó)家土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]計(jì)算得到土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)數(shù)據(jù)。

2.2 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重確定

參考國(guó)內(nèi)外研究，綜合考慮研究區(qū)實(shí)際生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，遵循相關(guān)性、合理性、代表性原則選取5個(gè)生態(tài)敏感性影響較大的評(píng)價(jià)因子：土地利用類型、坡度、起伏度、土壤侵蝕強(qiáng)度和植被覆蓋度，并將各因子的生態(tài)敏感性劃分為5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)賦值1、3、5、7、9。各因子數(shù)據(jù)在經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，基于層次分析法[16]在Matlab軟件中計(jì)算得到權(quán)重(表1)。

表1 生態(tài)敏感性因子評(píng)價(jià)分級(jí)

2.3 多因子綜合評(píng)價(jià)

基于ArcGIS平臺(tái)，在單因子數(shù)據(jù)賦值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加權(quán)疊加分析，得到生態(tài)敏感性綜合分值。公式如下：

式中，W為生態(tài)敏感性的綜合分值；i為評(píng)價(jià)因子編號(hào)；n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)(n=5)；Ki為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)得分。將生態(tài)敏感性的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行重分類，分為極度敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感5個(gè)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 各單因子敏感性分析

各單因子專題圖分別見圖1～圖5。

3.1.1 土地利用類型敏感性分析 由圖1可知，2002年泥河溝流域耕地和園地、林地、建設(shè)用地和未利用地、草地、水域分別占流域總面積的53.72%、24.88%、12.66%、7.96%和0.77%，2016年泥河溝流域耕地和園地、林地、建設(shè)用地和未利用地、草地、水域分別占流域總面積的46.62%、28.29%、13.05%、11.11%和0.93%。泥河溝流域中，農(nóng)業(yè)耕作是農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源，人類活動(dòng)對(duì)耕地的使用強(qiáng)度大，干擾也最為劇烈。整個(gè)流域土地利用類型的敏感性表現(xiàn)出與人類活動(dòng)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，輕度敏感性，并主要集中在流域的北部塬區(qū)。土地利用類型極度或高度敏感區(qū)主要集中在水域、草地和林地等人類活動(dòng)較少、干預(yù)程度較低的區(qū)域附近。經(jīng)過14 a的自然發(fā)展后，該流域的林地、草地、建設(shè)用地、水域明顯增加，耕地、園地、未利用地面積減少。說明退耕還林還草政策得到了有效的落實(shí)，生態(tài)環(huán)境得到改善，同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)也在快速向前發(fā)展；土地利用類型敏感性總體增加，這與林地、草地、水域的增多以及耕地、園地、未利用地的減少密不可分。

圖1 2002年和2016年土地利用類型

3.1.2 坡度敏感性分析 由圖2可知，泥河溝流域以<15°的塬面和塬坡為主，這也是農(nóng)業(yè)耕作的主要場(chǎng)所，2002年和2016年塬面、塬坡分別占流域總面積的70.18%、70.02%，14年來，<15°的塬面、塬坡面積基本不變，說明泥河溝流域的坡度敏感性基本不變，水土流失問題得到了較好的控制。整體上看，生態(tài)敏感性與坡度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。坡度越大，其生態(tài)敏感性程度越高；坡度越小，其生態(tài)敏感性程度越低。因此，整個(gè)流域坡度的生態(tài)敏感性表現(xiàn)出以輕度敏感和不敏感性為主的特征，主要分布在坡度較小、地勢(shì)平坦的塬面和溝谷底部。極度或高度敏感區(qū)主要分布在坡度較大的溝谷及溝谷兩側(cè)。

圖2 2002年和2016年坡度

3.1.3 起伏度敏感性分析 由圖3可知，泥河溝流域以<20 m的塬面和塬坡為主，這同樣是農(nóng)業(yè)耕作的主要場(chǎng)所，在2002年和2016年時(shí)分別占流域總面積的69.80%、70.17%，而其高度和極度敏感區(qū)分別占流域總面積的16.71%、17.21%，14 a來，<20 m的塬面、塬坡面積基本不變，>30 m的溝谷面積有較少增加，說明泥河溝流域整體起伏度敏感性變化不大，水土流失問題得到了較好的控制。生態(tài)敏感性與起伏度度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。起伏度越大，其生態(tài)敏感性程度越高；起伏度越小，其生態(tài)敏感性程度越低。因此，整個(gè)流域起伏度的生態(tài)敏感性表現(xiàn)出以輕度敏感和不敏感性為主的特征，主要分布在起伏度較小、地勢(shì)平坦的塬面和溝谷底部。極度或高度敏感區(qū)主要分布在起伏較大的溝谷兩側(cè)。

圖3 2002年和2016年起伏度

3.1.4 土壤侵蝕強(qiáng)度敏感性分析 由圖4可知，泥河溝流域的土壤侵蝕強(qiáng)度以微度和輕度為主，2002年泥河溝流域微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域分別占流域總面積的29.53%、16.94%、40.95%、2.16%和4.42%，2016年泥河溝流域微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)域分別占流域總面積的42.06%、18.43%，32.95%，4.57%，1.99%。由此可見，經(jīng)過14 a的自然發(fā)展后，該流域微度、輕度侵蝕的面積明顯增加，中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈的侵蝕面積明顯減少，該流域土壤侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，逐漸從強(qiáng)烈，極強(qiáng)烈侵蝕向輕度，微度侵蝕過渡。這一變化主要體現(xiàn)在坡度較大的溝谷地區(qū)。這說明退耕還林還草政策得到了有效的落實(shí)，生態(tài)環(huán)境也得到了明顯的改善。整體上，生態(tài)敏感性與土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。土壤侵蝕強(qiáng)度越大，生態(tài)敏感性越高；反之，則生態(tài)敏感性越低。因此，整個(gè)流域土壤侵蝕的生態(tài)敏感性表現(xiàn)出以不敏感和中度敏感為主的特征。其中，不敏感區(qū)主要分布在植被覆蓋度較高的溝谷或塬面上，中度敏感區(qū)主要集中在植被覆蓋度較低的塬面，而極度和高度敏感區(qū)主要分布在坡度較高且植被覆蓋度較低的溝谷邊緣。

圖4 2002年和2016年土壤侵蝕強(qiáng)度

3.1.5 植被覆蓋度敏感性分析 植被覆蓋度是植被的垂直投影面積占地表面積的百分?jǐn)?shù)，它反映植被的茂密程度，以及植被進(jìn)行光合作用的面積。由圖5可知，2002年泥河溝流域的植被覆蓋度總體較低，<39%的地區(qū)占流域總面積的57.96%；2016年泥河溝流域的植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)出兩極化的特點(diǎn)，植被覆蓋度>49%、0～28%的地區(qū)分別占流域總面積的46.44%和35.11%，而植被覆蓋度在39%～49%、28%～39%的地區(qū)面積大致相當(dāng)。從整體上看，生態(tài)敏感性與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度越大，生態(tài)敏感性越低；反之則越高。因此，在2002年整個(gè)流域植被覆蓋度的生態(tài)敏感性表現(xiàn)出西北、南部較高，中部低的特點(diǎn)；在2016年整個(gè)流域植被覆蓋度的生態(tài)敏感性表現(xiàn)出以不敏感、極高度敏感為主的兩極化特征，不敏感區(qū)主要分布在植被茂盛的溝谷及少部分塬區(qū)。極度或高度敏感區(qū)主要分布在植被稀疏的大片塬面。經(jīng)過14 a的自然發(fā)展，泥河溝流域的植被蓋度整體增加，尤其以中部溝谷地區(qū)最為明顯，更注重植樹造林，對(duì)水土流失起到一定的防止作用，生態(tài)敏感性逐漸降低。

圖5 2002年和2016年植被蓋度

圖6 2002年和2016年生態(tài)敏感性綜合分級(jí)

3.2 綜合生態(tài)敏感性分析與評(píng)價(jià)

由圖6可知，2002年綜合生態(tài)敏感性為不敏感、中度敏感、輕度敏感、高度敏感和極度敏感的土地分別占流域總面積的26.26%、18.07%、36.81%、12.84%和6.02%。2016年綜合生態(tài)敏感性為不敏感、中度敏感、輕度敏感、高度敏感和極度敏感的土地分別占流域總面積的36.87%、21.65%、30.47%、8.52%和2.49%?？傮w來看，2002年時(shí)泥河溝流域中度敏感性地區(qū)占比最大，整個(gè)流域大致呈現(xiàn)出中度敏感的特點(diǎn)。而2016年流域生態(tài)系統(tǒng)的敏感性已處于較低水平，表現(xiàn)出以不敏感、輕度敏感為主的特征，主要分布在人類活動(dòng)頻繁、干預(yù)程度較大的塬區(qū)和部分植被覆蓋度較大的溝谷。極度或高度敏感區(qū)主要分布在人類干預(yù)程度較低，植被覆蓋度較低的土壤侵蝕較嚴(yán)重的溝谷兩側(cè)。

4 討論

生態(tài)敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)確定發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的區(qū)域和可能性大小極為重要，影響進(jìn)一步的生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃。一方面表1生態(tài)敏感性因子評(píng)價(jià)分級(jí)是根據(jù)泥河溝流域的實(shí)際情況以及前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)分析得出，存在一定的主觀性和人為性；另一方面，隨著各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)因子的變化，也會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的差異。因此，對(duì)于表1各敏感性評(píng)價(jià)因子的剛性分級(jí)有待持續(xù)深入研究。

在對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行敏感性分級(jí)時(shí)，因?yàn)橹脖活愋?、群落組成結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)狀況等都會(huì)進(jìn)一步影響生態(tài)敏感性，而文中僅根據(jù)單一的植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)，所建立的指標(biāo)體系的完備性仍有待進(jìn)一步探討與研究。泥河溝小流域的基礎(chǔ)研究資料有限，有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善，隨著研究的深入展開，我們會(huì)不斷優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以得到更加全面、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

小流域生態(tài)敏感性是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，本文只進(jìn)行了2個(gè)不同年代的比較分析，仍不能十分準(zhǔn)確地說明其詳細(xì)變化情況，因此，也需要持續(xù)研究。

5 結(jié)論

泥河溝流域位于黃土高原溝壑區(qū)，土質(zhì)較為疏松，以各種量級(jí)的暴雨為主，水土流失較為嚴(yán)重。溝壑面積占32.4%，切溝、沖溝十分發(fā)育，荒陡坡及溝床是主要產(chǎn)流、產(chǎn)沙部位。在綜合治理前土壤侵蝕十分嚴(yán)重。經(jīng)過20余a的治理，溝壑地區(qū)大多被林草覆蓋或變?yōu)樘萏?，植被覆蓋率增加，攔蓄能力增強(qiáng)，土壤侵蝕強(qiáng)度降低[20-24]，同時(shí)，土地利用程度增加，人類活動(dòng)更為頻繁，建設(shè)用地等人類干預(yù)程度較高的區(qū)域占比明顯增加。相比2002年，2016年泥河溝流域不敏感、輕度敏感區(qū)面積占比最大，由44.33%增加到58.52%，其次為中度敏感區(qū)，面積由36.81%降至30.47%，而高度，極度敏感區(qū)占比由18.86%降至11.01%，生態(tài)敏感性發(fā)生較大變化，整體上已處于較低水平。從目前來看，泥河溝流域發(fā)生水土流失等生態(tài)環(huán)境問題的可能性逐漸降低，當(dāng)外界發(fā)生干擾時(shí)更易保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)。

泥河溝流域的生態(tài)敏感性受土壤侵蝕強(qiáng)度的影響最為強(qiáng)烈，其次為土地利用類型的影響。因此，要進(jìn)一步降低流域整體的生態(tài)敏感性，應(yīng)將生態(tài)保護(hù)和規(guī)劃的重點(diǎn)放在進(jìn)一步控制強(qiáng)烈以上水土流失區(qū)域，增加林地面積，大力發(fā)展新農(nóng)村或鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)，提高土地?cái)r蓄能力和利用程度，降低土壤侵蝕，促使其進(jìn)一步向中度以下的水土流失強(qiáng)度發(fā)展。

生態(tài)敏感性程度與坡度、起伏度和土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而與植被蓋度和人類活動(dòng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，植被覆蓋度低，坡度、起伏度極大的溝谷以及人類干預(yù)程度較小的水域、草地、林地為極度、高度敏感區(qū)；植被覆蓋度中等、土壤侵蝕較為嚴(yán)重的塬面為中度敏感區(qū)；植被覆蓋度較高、土壤侵蝕強(qiáng)度較低，起伏度、坡度較小的塬面和溝谷，以及人類活動(dòng)頻繁、干預(yù)強(qiáng)度較大的耕地、園地和建設(shè)用地為輕度、不敏感區(qū)。

本研究選取的5個(gè)評(píng)價(jià)因子，可以較客觀地反映生態(tài)敏感性空間分布的特點(diǎn)。運(yùn)用GIS技術(shù)并通過生態(tài)因子加權(quán)疊加方法實(shí)現(xiàn)對(duì)泥河溝流域生態(tài)敏感性的分析，揭示整個(gè)流域生態(tài)敏感性的空間格局，為流域開展生態(tài)建設(shè)和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果為區(qū)域土地資源的合理配置、有序開發(fā)提供了重要參考，也對(duì)黃土高原已治理小流域的生態(tài)建設(shè)、保護(hù)和開發(fā)活動(dòng)具有借鑒作用。