基于3S的晉北風(fēng)沙源治理工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)

付日勤

(山西省自然資源交易和建設(shè)用地事務(wù)中心,山西 太原 030000)

0 引言

20世紀(jì)以來,氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)[1]。國(guó)際社會(huì)為了應(yīng)對(duì)氣候變暖,采取了多種對(duì)策,其中最重要的途徑是種樹、種草和保護(hù)森林[2-3]。京津風(fēng)沙源區(qū)治理工程是我國(guó)為改善和優(yōu)化北京及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況,減輕風(fēng)沙造成的危害,帶動(dòng)本區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展而啟動(dòng)實(shí)施的生態(tài)建設(shè)工程,是對(duì)北方生態(tài)脆弱地區(qū)進(jìn)行綜合治理的代表性工程[4-5],晉北風(fēng)沙源治理工程區(qū)是國(guó)家實(shí)施京津風(fēng)沙治理工程的典型區(qū)域。一期工程(2001-2010年)已建設(shè)完畢,二期工程正在實(shí)施。近年來,為了改善生態(tài)工程區(qū)的生態(tài)環(huán)境,山西省做出了一系列重大舉措[6]。然而,由于區(qū)域廣,措施類型多樣,如何客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)晉北風(fēng)沙源治理工程實(shí)施后的生態(tài)效益是值得探索的難題。生態(tài)效益的評(píng)價(jià)不僅能判斷該工程實(shí)施的順利程度和效果,同時(shí)還能為后期工程的規(guī)劃提供一定的科技支撐,對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[7-8]。

生態(tài)工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)的工作,如何科學(xué)有效地進(jìn)行區(qū)域生態(tài)工程效益計(jì)算與評(píng)估,對(duì)生態(tài)工程因地制宜的建設(shè)、措施以及后期工程效果都起著關(guān)鍵作用[9-10]。燕楠等從水土保持、水源涵養(yǎng)、固碳釋氧和改良土壤等方面評(píng)價(jià)了北京市京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施后的生態(tài)效益,發(fā)現(xiàn)生態(tài)工程實(shí)施后生態(tài)效益顯著[11]。王秋菊從植被覆蓋度、地上生物量、植被高度和固定沙地的比例等方面對(duì)草原沙漠化治理工程生態(tài)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)生態(tài)工程的生態(tài)效益比較顯著[12]。蘇江從土地利用變化、植被覆蓋度和生態(tài)環(huán)境指數(shù)等對(duì)多倫縣生態(tài)工程的生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)生態(tài)工程實(shí)施后,全縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了極大的提高[13]。劉煒從改善生態(tài)環(huán)境和防災(zāi)減災(zāi)等方面對(duì)山西省風(fēng)沙源治理工程的效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)工程實(shí)施初步構(gòu)建了防沙治沙的生態(tài)安全屏障,改善了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,有效遏制了沙害的東移[14]。盡管前人對(duì)晉北風(fēng)沙源生態(tài)工程效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),但還存在以下不足:(1)鑒于研究?jī)?nèi)容和區(qū)域的局限性,研究結(jié)果對(duì)全面反映工程的生態(tài)效益還存在一定的不足,定性描述居多,缺乏定量評(píng)估。(2)土壤風(fēng)蝕控制是實(shí)施工程的重要出發(fā)點(diǎn),治理工程對(duì)土壤風(fēng)蝕的控制作用僅有定性的認(rèn)識(shí),沒有計(jì)算或測(cè)量的數(shù)據(jù)支持。因此,結(jié)合工程實(shí)施的目標(biāo),本文基于全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)的“3S”技術(shù),選擇工程實(shí)施前后的土地利用,植被覆蓋和土壤風(fēng)蝕量等3個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)晉北風(fēng)沙源治理工程區(qū)生態(tài)工程的生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況

晉北風(fēng)沙源治理工程區(qū)其北接內(nèi)蒙古自治區(qū),東鄰河北省,范圍包括大同、朔州、忻州3市的13個(gè)縣(市,區(qū)),東西橫跨250多 km,南北縱跨300 km,總面積達(dá)到2.05萬(wàn) km2(圖1)。晉北地區(qū)年均氣溫為5℃～9℃,年降水量約為350 mm～450 mm。研究區(qū)處于暖溫帶落葉闊葉林向溫帶草原地帶的過渡地帶。植被類型主要有云杉(PiceaSPP.)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、小葉楊(Populussimonii)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、沙棘(Hippohgaerhamnoides)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)、百里香(Thymusmongolicus)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)等。研究區(qū)處于森林土壤和草原土壤的過渡地帶,土壤類型復(fù)雜多樣。土壤主要有栗鈣土、褐土、黃綿土、黑壚土、潮土、棕壤和黃壚土等7個(gè)土類,其中栗鈣土、褐土和黃綿土面積最大、分布最廣。區(qū)域多寒冷、大風(fēng)天氣,氣候干旱、土壤沙化、植被稀疏且種類單一使得其沙化區(qū)、鹽堿地日趨增加,幾乎占到區(qū)域總土地面積的80%以上[15-16]。

Fig.1 Location of study area in China圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 土地利用遙感分類系統(tǒng)

土地利用數(shù)據(jù)主要利用美國(guó)陸地衛(wèi)星2001和2010年的分辨率30 m Landsat TM/ETM 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,結(jié)合自動(dòng)提取算法以及人機(jī)交互目視解譯獲得。結(jié)合晉北風(fēng)沙源治理區(qū)土地資源和特點(diǎn)及其利用屬性,以生態(tài)類型為基礎(chǔ),將研究區(qū)的土地利用類型分為6類:耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地[17-18]。

2.2 像元二分法模型

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是用來表征植被總體覆蓋情況的常用指標(biāo)之一,對(duì)分析植被生長(zhǎng)具有重要作用。植被覆蓋度的遙感反演主要使用2001年和2010年250 m分辨率的MODIS NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)。首先利用最大值合成法將16 d的數(shù)據(jù)合成月NDVI數(shù)據(jù);然后,以NDVI為基礎(chǔ)利用像元二分法模型計(jì)算植被覆蓋度[19-20],計(jì)算公式如下所示:

(1)

其中,NDVIsoil值(植被無(wú)覆蓋)和NDVIveg值(植被完全覆蓋)是在研究區(qū)中NDVI最小值與最大值。但是考慮到遙感影像存在的噪聲,取值時(shí)分別取定置信區(qū)間內(nèi)最小值和最大值,即在NDVI頻率累計(jì)分布上取頻率為99.5%和0.5%的NDVI分別為NDVIveg和NDVIsoil值。植被蓋度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在不同的文獻(xiàn)中其分級(jí)的閾值不盡相同,參考這些文章中提到的閾值,同時(shí)結(jié)合研究區(qū)特有的生態(tài)特征,本文將植被覆蓋度劃分為以下5個(gè)等級(jí)[21-22]:0≤fc≤0.1,為裸地;0.10.6為高植被覆蓋。

2.3 土壤風(fēng)蝕模型

采用中科院寒旱所推薦的風(fēng)蝕模型對(duì)晉北風(fēng)沙源區(qū)土壤風(fēng)蝕進(jìn)行定量評(píng)價(jià)研究,根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn),該模型主要由耕地和草(林)地兩種風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型構(gòu)成[21]。具體如下:

耕地土壤風(fēng)蝕模數(shù)由下面公式計(jì)算:

(2)

草(林)地土壤風(fēng)蝕模數(shù)由下面公式計(jì)算:

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 土地利用格局變化研究

結(jié)合自動(dòng)提取算法以及人機(jī)交互目視解譯,獲取了2001年和2010年晉北風(fēng)沙源區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖(圖2)。工程實(shí)施前,2001年研究區(qū)土地利用類型面積大小順序依次是:耕地>草地>林地>建設(shè)用地>水域>未利用地。其中耕地面積是9 011.17 km2,占研究區(qū)總面積的43.78%,主要分布在研究區(qū)西南-東北條帶。林地和草地面積分別為4 392.58 km2和6 200.56 km2,分別占研究區(qū)總面積的21.34%和30.12%(表1)，主要分布在研究區(qū)的東南部和西北部及東北部部分區(qū)域。工程實(shí)施后,2010年晉北風(fēng)沙源區(qū)土地利用類型面積大小順序依次是:耕地>林地>草地>建設(shè)用地>未利用地>水域。其中耕地面積為9 108.51 km2,比2000年增加了97.34 km2;林地為5 954.99 km2,比2000年增加了1 562.41 km2。

Fig.2 Land cover/land use in 2001 and 2010 in the study area圖2 研究區(qū)2000年和2010年土地利用類型圖

區(qū)域土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣見表2。從表2可以看出,生態(tài)工程實(shí)施以來,退耕還林和草地轉(zhuǎn)化為林地是林地面積增加的原因。由草地轉(zhuǎn)化為林地的面積為2 309.06 km2,由耕地轉(zhuǎn)化為林地面積為1 261.87 km2。耕地面積沒有減少的原因主要?dú)w結(jié)于其余5種類型均有轉(zhuǎn)化為耕地,其中草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積最多,為1 549.19 km2。究其原因可能是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢,主要以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主和國(guó)家實(shí)施退草還耕及耕地紅線政策有關(guān)。從圖中也可以看出,2001-2010年間晉北生態(tài)工程區(qū)的西北部和東南部均有顯著的退耕還林區(qū)域,但區(qū)域總的耕地并未減少。

表1 2001-2010年研究區(qū)土地利用面積變化

表2 2001-2010年研究區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣表

研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)工程實(shí)施后,研究區(qū)退耕還林和退草還草政策得到了有效落實(shí)。這一研究結(jié)果與劉煒等人的研究結(jié)果[14]類似。經(jīng)過10 a的大規(guī)模建設(shè),晉北風(fēng)沙源區(qū)新建萬(wàn)畝以上集中連片治沙造林工程有130多處,其中6 667 hm2以上的大規(guī)模工程有8處,草地治理完成197.80萬(wàn) hm2 [14]。

3.2 植被覆蓋度空間分布特征研究

生態(tài)工程實(shí)施的目的之一是增加區(qū)域植被的覆蓋度和提高各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因工程實(shí)施前后晉北風(fēng)沙源區(qū)的植被覆蓋變化見圖3。從圖3可以看出工程實(shí)施前(2001年),研究區(qū)以低植被覆蓋和中低植被覆蓋為主,約占整個(gè)研究區(qū)的84.88%。從表3植被覆蓋和高植被覆蓋的區(qū)域面積分別為1 517.69 km2和1 588.90 km2,分別僅占整個(gè)研究區(qū)的7.37%和7.72%。工程實(shí)施后(2010年),研究區(qū)仍以低植被覆蓋和中低植被覆蓋為主,但比例卻在下降,約占整個(gè)研究區(qū)的75.96%。但是中植被覆蓋和高植被覆蓋的面積在增加,分別為2 657.63 km2和2 283.52 km2,分別占整個(gè)研究區(qū)面積的12.91%和12.09%。中植被覆蓋和高植被覆蓋分別增加了1 139.94 km2和694.96 km2。從圖3可以看出,植被覆蓋增加的區(qū)域與退耕還林區(qū)域基本一致,表明生態(tài)工程實(shí)施后,區(qū)域的植被覆蓋在增加。但是生態(tài)工程實(shí)施后,研究區(qū)仍以低植被覆蓋和中低植被覆蓋度為主,大部分區(qū)域植被覆蓋度低于45%。劉煒等同樣發(fā)現(xiàn)研究區(qū)森林覆蓋率從工程初期的14.7%上升到森林覆蓋率25%以上,林草覆蓋率35%以上[14]。

Fig.3 Vegetation coverage in 2001 and 2010 in the study area圖3 研究區(qū)2001和2010年植被覆蓋度分級(jí)

類型2001年面積/km2比例/%2010年面積/km2比例/% 裸地(<10%)5.060.025.940.03 低植被覆蓋(10%-30%)14 439.3870.1510 119.4449.16 中低植被覆蓋(30%-45%)3 032.2514.735 516.7526.80 中植被覆蓋(45%-60%)1 517.697.372 657.6312.91 高植被覆蓋(>60%)1 588.907.722 283.5211.09 總面積20 583.2810020 583.28100

3.3 工程實(shí)施前后土壤風(fēng)蝕狀況動(dòng)態(tài)研究

京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施的主要目的之一是減輕風(fēng)沙災(zāi)害,控制區(qū)域土壤風(fēng)蝕。工程實(shí)施后,研究區(qū)的平均土壤風(fēng)蝕模數(shù)從2001年的5.28 t/(hm2·a)下降為2010年的4.21 t/(hm2·a),土壤風(fēng)蝕總量從2001年的1.24·107t/a下降為2010年的0.87·107t/a,下降率約為30.21%(表4)。從空間上看,工程實(shí)施前,研究區(qū)以2～4 t/(hm2·a)和>10 t/(hm2·a)為主,分別約占整個(gè)研究區(qū)的23.87%和40.58%。工程實(shí)施后,土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度在下降,大于10 t/(hm2·a)的面積下降為16.84%。從圖4可以發(fā)現(xiàn)晉北生態(tài)工程區(qū)工程實(shí)施前后,研究區(qū)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)仍然很大,大于6 t/(hm2·a)的分布面積的區(qū)域仍達(dá)到39.96%。造成這種現(xiàn)象的主要原因與研究區(qū)的植被覆蓋度不高存在很大的關(guān)系。雖然十年來植被覆蓋度有所增加,但增加區(qū)域的植被覆蓋還達(dá)不到有效防止風(fēng)蝕的效果，這表明雖然生態(tài)工程已實(shí)施10 a,但生態(tài)工程的生態(tài)效果仍需保護(hù),生態(tài)工程還需進(jìn)一步的實(shí)施。因此,未來需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)研究區(qū)植被覆蓋的監(jiān)測(cè)與評(píng)估,防止一些破壞區(qū)域植被覆蓋的現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院荒漠化監(jiān)測(cè)中心的資料分析,工程實(shí)施以來山西內(nèi)蒙古邊界的重沙化帶得到有效治理,區(qū)域土地沙化得到有效控制[14]。

Fig.4 Soil wind erosion in 2001 and 2010 in the study area圖4 研究區(qū)2001和2010年土壤風(fēng)蝕狀況圖

表42001-2010年研究區(qū)土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度變化

Table 4 Soil wind erosion change between 2001 and 2010 in the study area

等級(jí)(t/hm2·a)2001年面積/km2比例/%2010年面積/km2比例/% 無(wú)侵蝕1 878.839.132 565.6512.46 0～24 484.9421.799 508.0046.19 2～44 913.5623.8762.440.30 4～6342.811.67343.751.67 6～8316.631.542 274.5611.05 8～10293.631.432 361.8811.47 >108 352.8840.583 467.0016.84 總面積20 583.2810020 583.28100 平均風(fēng)蝕模數(shù)(t/hm2·a)5.284.21 總風(fēng)蝕量(t/a)1.24×1070.87×107

本文利用Landsat TM/ETM遙感數(shù)據(jù),MODIS NDVI數(shù)據(jù)和土壤風(fēng)蝕模型模擬數(shù)據(jù),從土地利用、植被覆蓋和土壤風(fēng)蝕三方面,基于“3S”技術(shù)評(píng)價(jià)了晉北風(fēng)沙源區(qū)生態(tài)工程實(shí)施10 a來的生態(tài)效益。但是,區(qū)域生態(tài)工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)涉及多個(gè)指標(biāo),未來還可以加入?yún)^(qū)域生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和水源涵養(yǎng)等指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)生態(tài)工程區(qū)的工程效益,以期為生態(tài)工程建設(shè)的規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本文對(duì)晉北風(fēng)沙源區(qū)的生態(tài)工程生態(tài)效益進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)生態(tài)工程實(shí)施后,生態(tài)工程的生態(tài)效益正在呈現(xiàn)。主要結(jié)論如下:

(1)工程實(shí)施后,晉北風(fēng)沙源治理區(qū)退耕還林政策得到了有效落實(shí)。林地面積增加了1 562.41 km2,西北部和東南部均有顯著的退耕還林區(qū)域,退耕面積為1 261.87 km2。

(2)工程實(shí)施后,植被覆蓋度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),中植被覆蓋和高植被覆蓋分別增加了1 139.94 km2和694.96 km2。植被覆蓋增加的區(qū)域與退耕還林的區(qū)域基本一致，但仍以低植被覆蓋和中低植被覆蓋為主。

(3)工程實(shí)施后,研究區(qū)的土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度和土壤風(fēng)蝕總量均呈下降的趨勢(shì),下降率約為30.21%，但風(fēng)蝕模數(shù)大于6 t/(hm2·a)的區(qū)域仍占接近40%。