基于GIS的河北省土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)與空間分異

王瑞君 王仁德 高士平 蔣紅軍

摘要：提出土地沙化脆弱性的“敏感-退化”（S-D）概念模型，構(gòu)建以沙化敏感性指數(shù)和沙化退化指數(shù)為基本框架的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于GIS技術(shù)，進(jìn)行河北省土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：河北省沒(méi)有極重度脆弱級(jí)別，重度、中度、輕度和微度脆弱區(qū)分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%；空間分異上，脆弱性呈現(xiàn)從西北向東南逐漸降低的趨勢(shì)，冀北壩上高原及冀西山丘區(qū)沙化脆弱程度最高，分布面積最廣。同時(shí)對(duì)這些區(qū)域的防沙治沙和生態(tài)建設(shè)提出了建議。

關(guān)鍵詞：土地沙化；脆弱性評(píng)價(jià)；敏感性；GIS；河北省

中圖分類號(hào)： S157文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0395-03

收稿日期：2015-10-20

基金項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃（編號(hào)：13276260）；河北省科學(xué)院科技計(jì)劃（編號(hào)：15109）。

作者簡(jiǎn)介：王瑞君（1975—），女，河北保定人，副研究員，從事生態(tài)環(huán)境與“3S”技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：wrj0115@126.com。土地沙化（sandification）是指在各種氣候條件下，由于多種因素形成地表呈現(xiàn)以沙（礫）物質(zhì)為主要特征的土地退化過(guò)程[1]。土地沙化是荒漠化的主要類型之一，其大面積蔓延就是荒漠化。土地沙化作為最重要的全球環(huán)境問(wèn)題之一，受到各國(guó)政府及學(xué)者的普遍重視。我國(guó)是世界上土地沙化和荒漠化面積大、分布廣、危害重的國(guó)家之一，嚴(yán)重的土地沙化、荒漠化威脅著我國(guó)的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[2]。

土地沙化的發(fā)生、發(fā)展與脆弱的生態(tài)環(huán)境密不可分。開(kāi)展區(qū)域土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)研究，明確土地沙化的脆弱類型、程度和空間分布特征，用以規(guī)范人類活動(dòng)方式和強(qiáng)度[3]，是實(shí)施脆弱區(qū)生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)與治理的基礎(chǔ)和前提。目前學(xué)者對(duì)土地沙化的敏感性評(píng)價(jià)較多[4-5]，而對(duì)土地沙化脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)相對(duì)較少，特別是針對(duì)區(qū)域大尺度的沙化脆弱性評(píng)價(jià)成果尚不多見(jiàn)。本研究從敏感性和退化受損性2個(gè)角度探討了脆弱性的概念和內(nèi)涵，提出了土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)的“敏感-退化”（S-D）概念框架模型，并基于GIS技術(shù)，對(duì)河北省土地沙化脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確全省土地沙化脆弱程度和空間分異特征，為實(shí)施生態(tài)功能分區(qū)管理、推進(jìn)沙化脆弱區(qū)的生態(tài)保護(hù)和防沙治沙提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

河北省位于華北平原北部，地處36°03′～42°40′N，113°27′～119°50′E，內(nèi)環(huán)京津，東臨渤海，西隔太行與山西為鄰，西北部、北部和東北部與內(nèi)蒙、遼寧相接，東南部和南部與山東、河南接壤，是全國(guó)唯一兼有淺海、平原、湖泊、丘陵、山地、高原、盆地的省份，總土地面積18.77萬(wàn)km2。河北省是中國(guó)土地沙化最嚴(yán)重的省份之一，沙化土地面積居全國(guó)第6位（2004年）。按照全國(guó)沙漠化治理區(qū)劃，河北省屬于中國(guó)北部沙漠化治理區(qū)-半濕潤(rùn)地帶沙漠化土地零星分布區(qū)和半干旱草原地帶與荒漠草原地帶沙漠化發(fā)展區(qū)，涉及平原、山地和高原3個(gè)地貌類型。根據(jù)2009年第四次全國(guó)荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)結(jié)果，河北省現(xiàn)有沙化土地2.125 3萬(wàn)km2[6]，占全省總面積的11.32%，占全國(guó)沙化土地面積的123%。與2004年第三次監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，盡管河北省沙化土地實(shí)現(xiàn)了由擴(kuò)展到縮減的歷史性轉(zhuǎn)變，但局部土地沙化問(wèn)題依然突出，特別是壩上高原和冀北山地區(qū)，是京、津乃至整個(gè)華北地區(qū)上風(fēng)向重要的風(fēng)沙源區(qū)[7]，嚴(yán)重影響著京津冀區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

2研究方法

2.1脆弱性概念模型

關(guān)于脆弱性的概念和內(nèi)涵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有多種闡釋[8-14]。筆者認(rèn)為，生態(tài)脆弱性是指生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度相對(duì)于外界干擾產(chǎn)生響應(yīng)的敏感程度和退化受損的程度。敏感程度表明生態(tài)系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性，在外界干擾脅迫下容易發(fā)生變化，且這種變化可正可逆，用以反映產(chǎn)生生態(tài)失衡和環(huán)境問(wèn)題的可能性大??；退化受損程度反映了生態(tài)系統(tǒng)遭受了不同程度的損失朝著逆向即退化的方向發(fā)展并產(chǎn)生了不同程度的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，或人類為應(yīng)對(duì)這種退化問(wèn)題采取生態(tài)修復(fù)措施所需付出的代價(jià)大小。系統(tǒng)的敏感性是脆弱性的潛在前提，退化受損是脆弱性的結(jié)果表現(xiàn)，但系統(tǒng)敏感并不一定脆弱，只有當(dāng)它遭受損失發(fā)生了退化才稱之為脆弱，故脆弱性是系統(tǒng)的敏感程度和退化受損程度疊加的結(jié)果。

土地沙化脆弱性（SF）則是指生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度相對(duì)于外界干擾產(chǎn)生土地沙化變化響應(yīng)的敏感程度和沙化退化程度，它是沙化敏感程度（SS）和沙化退化程度（SD）疊加的結(jié)果。基于以上闡述，筆者提出了土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)的“敏感-退化”（S-D）概念模型：SF=f（SS，SD）。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于脆弱性“敏感-退化”概念模型，采用層次分析法，構(gòu)建土地沙化脆弱性的“敏感-退化”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架（表1），并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指數(shù)，即土地沙化脆弱性綜合指數(shù)（SFI）、沙化敏感性指數(shù)（SSI）和沙化退化指數(shù)（SDI），確定指標(biāo)層的敏感性因子和退化因子。其中沙化敏感性指數(shù)判定依據(jù)國(guó)家生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程，采用濕潤(rùn)指數(shù)、冬春季大風(fēng)日數(shù)、地表質(zhì)地和冬春季植被覆蓋度4個(gè)影響因子；沙化退化指數(shù)表示土地沙化退化受損的程度，用土地沙化的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)可以很好地表征，但由于大尺度空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)較難獲得，本次采用土地沙化現(xiàn)狀指數(shù)來(lái)代替表征，現(xiàn)狀沙化程度越重，表示退化受損的程度越重；土地沙化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)由2010年中巴衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)解譯而得，并根據(jù)《沙化土地監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》中沙化土地類型和植被蓋度進(jìn)行沙化土地程度分級(jí)。

3結(jié)果與分析

3.1河北省土地沙化敏感性與空間分異

基于ArcGIS空間運(yùn)算和分析功能，由公式（3）和（2）進(jìn)行沙化敏感性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，河北省土地沙化敏感性指數(shù)最大為6.8，沒(méi)有極度敏感區(qū)域，重度、中度、輕度和微度敏感區(qū)分別占全省總面積的0.6%、6.7%、42.4%和50.4%。從敏感程度看，全省重度敏感區(qū)所占比例很小，敏感程度整體相對(duì)較輕。由圖1可以看出，在空間分布格局上，張家口壩緣、冀西北間山盆地的部分山丘區(qū)及壩上地區(qū)敏感程度相對(duì)較高，是重度敏感及中度敏感的主要分布區(qū)，張家口大部、承德北部、冀中南平原中心區(qū)等地為輕度敏感區(qū)。河北省土地沙化的敏感程度和分布反映了其沙化潛在脆弱性的程度和分布。

3.2河北省土地沙化退化現(xiàn)狀與空間分異

河北省土地沙化面積大、范圍廣、分布不均衡，整體程度較輕，但局部退化嚴(yán)重。全省極重度和重度沙化土地比例很小，分別占全省沙化土地的0.5%和0.9%，中度和輕度沙化土地約占全省沙化土地12.0%和86.6% [16]?？臻g分布上涉及全省11個(gè)市72個(gè)縣（市、區(qū)），分布有冀西北的壩上及壩下、永定河下游、黃河故道、冀西、冀東等幾大沙區(qū)，其中張承的壩上及壩緣、間山盆地河谷區(qū)的土地沙化程度相對(duì)較高，沙化面積占全省沙化總面積的55%以上。

空間分布上，沙化退化現(xiàn)狀和沙化敏感性并不完全吻合[17]。張家口壩緣及冀西北間山盆地的山丘區(qū)，敏感程度高于沙化程度；承德北部由于局部的濫墾、過(guò)度放牧、景點(diǎn)開(kāi)發(fā)、工程挖沙等活動(dòng)，致使土地沙化程度相對(duì)較高；在冀西北間山盆地的桑洋河谷區(qū)，敏感性為微度，但由西北襲來(lái)大量沙塵連同河道積沙，在山體的阻攔下部分沉積、截留、堆積，而在河流南岸迎風(fēng)面，形成桑、洋河岸五大灘地。

3.3河北省土地沙化脆弱性與空間分異

在GIS技術(shù)支持下，按公式（1）進(jìn)行土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)，結(jié)果詳見(jiàn)圖2和表2。結(jié)果表明，河北省土地沙化脆弱性分為重度、中度、輕度和微度脆弱4個(gè)級(jí)別，面積分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%。從脆弱程度看，全省沒(méi)有極重度脆弱級(jí)別，且重度脆弱區(qū)所占比例很小，沙化脆弱程度整體較輕。從空間分異格局看，全省沙化脆弱性呈現(xiàn)從西北向東南逐漸降低的趨勢(shì)；重度脆弱區(qū)主要散布在張家口的壩緣及冀西山丘區(qū)的部分縣市，呈小斑塊狀零星分布，脆弱程度相對(duì)最高；中度脆弱區(qū)主要分布在壩上、冀西北山丘區(qū)以及承德北部，分別呈片狀、帶狀和大斑塊狀分布；冀西北的大部分地區(qū)及太行山中段的山前平原區(qū)表現(xiàn)輕度脆弱；冀中南大部及冀東大部分地區(qū)脆弱程度最低，表現(xiàn)微度脆弱。

河北省土地沙化脆弱性區(qū)域分異明顯，其中冀北壩上高原及冀西山丘區(qū)脆弱程度最高，分布面積最廣。究其原因，這是由該區(qū)域的高沙化敏感性和高沙化退化現(xiàn)狀共同作用的結(jié)果。其中壩上地區(qū)位于我國(guó)北方半干旱、半濕潤(rùn)農(nóng)牧交錯(cuò)帶和北方沙漠南侵的前緣地帶，其東部與內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地毗連，西部與黃土高原接壤，是風(fēng)沙南下的必經(jīng)之路，主要土母質(zhì)即為風(fēng)沙土，氣候干旱少雨，冬春季大風(fēng)盛行，歷史上形成的干旱、半干旱草原植被，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性差，這些是引發(fā)土地沙化和高脆弱性的潛在自然因素；然而近百年來(lái)的人口激增、過(guò)度開(kāi)墾、過(guò)度放牧、亂砍濫伐和水資源的無(wú)序利用等人為活動(dòng)干擾則是局部區(qū)域草場(chǎng)退化、沙化蔓延和脆弱性增高的最重要原因。

4結(jié)論與建議

（1）探索了脆弱性的概念和內(nèi)涵，認(rèn)為生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度相對(duì)于外界干擾產(chǎn)生響應(yīng)的敏感程度和退化受損的程度，脆弱性是敏感程度和退化受損程度疊加的結(jié)果；據(jù)此提出土地沙化脆弱性的“敏感-退化”（S-D）概念模型，構(gòu)建相應(yīng)的指標(biāo)體系框架；基于GIS/RS技術(shù)，運(yùn)用綜合指數(shù)法，進(jìn)行省域大尺度土地沙化脆弱性空間定量評(píng)價(jià)實(shí)踐。

（2）河北省土地沙化脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果及空間分異格局：重度、中度、輕度和微度脆弱區(qū)分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%；沒(méi)有極重度脆弱級(jí)別，且重度脆弱區(qū)所占比例很小，沙化脆弱程度整體較輕；空間分異上，全省

在張家口壩緣及冀西山丘區(qū)，呈小斑塊狀零星分布張家口：張北南部，陽(yáng)原與蔚縣交界，宣化縣、蔚縣與涿鹿交界處山丘區(qū)，懷安小部分中度脆弱區(qū)

1.83

9.8

壩上、冀西北山丘區(qū)、承德北部，分別呈片狀、帶狀和大斑塊狀分布張家口：張北及康保大部分，尚義、沽源、赤城、宣化縣、蔚縣、涿鹿、懷來(lái)等縣的部分地區(qū)承德：豐寧、圍場(chǎng)、隆化、寬城等縣保定市：淶源北部邯鄲：魏縣小部輕度脆弱區(qū)7.4839.9冀西北的大部分地區(qū)，以及太行山中段山前平原區(qū)張家口：赤城、崇禮、尚義、萬(wàn)全、宣化、懷來(lái)、陽(yáng)原、涿鹿等縣大部分承德：豐寧、圍場(chǎng)、隆化的大部分，平泉、興隆的部分地區(qū)保定：淶源、淶水、定州、安國(guó)等縣的部分地區(qū)石家莊：市區(qū)以東的新樂(lè)、正定、無(wú)極、藁城、深澤、晉州、欒城、趙縣、高邑、辛集的大部分，行唐、元氏的部分地區(qū)邢臺(tái)：寧晉、柏鄉(xiāng)、隆堯、任縣、新河、南宮、巨鹿、清河等縣的大部分衡水：冀州大部分，棗強(qiáng)小部分滄州：黃驊和海興大部分廊坊：永定河沙區(qū)，涉及市轄區(qū)及永清的部分。唐山：灤縣、灤南大部及市區(qū)東部秦皇島：青龍東部微度脆弱區(qū)9.3049.7冀中南大部及冀東大部分地區(qū)保定、滄州、廊坊、衡水、邯鄲、石家莊、邢臺(tái)、唐山、秦皇島9市大部分

土地沙化脆弱大體呈從西北向東南逐漸降低的趨勢(shì)，其中冀北壩上高原及冀西山丘區(qū)沙化脆弱程度最高，分布面積最廣。

（3）建議對(duì)高脆弱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理，應(yīng)遵循自然規(guī)律，引導(dǎo)和規(guī)范人類活動(dòng)的方式和強(qiáng)度，減少人為過(guò)度擾動(dòng)，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)功能，強(qiáng)化林草植被保護(hù)，依法實(shí)施圍欄封育、退耕還林草、封沙育草。同時(shí)加快建立和完善京津冀區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，將生態(tài)建設(shè)、防沙治沙與增加農(nóng)民收入有機(jī)結(jié)合，使廣大群眾享受生態(tài)建設(shè)的成果，盡早擺脫貧困，促進(jìn)區(qū)域人與自然和諧發(fā)展。

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