“雙評價”視角下凍融侵蝕地區(qū)生態(tài)敏感性研究

楊立焜，孫道成，史志廣，熊奇坤，徐千惠

（自然資源部國土空間規(guī)劃研究中心，北京 100044）

0 引言

四十多年來，中國城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，土地利用方式發(fā)生了巨大的變化，土地矛盾日益突出，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，區(qū)域發(fā)展的不平衡和不充分，生態(tài)空間、生產(chǎn)空間和生活空間的矛盾不斷升級[1]。十八大后，我國提出了“大力發(fā)展生態(tài)文明”這一重大戰(zhàn)略，到十九大提出建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化[2]。2019年以前，我國規(guī)劃的種類很多，包括土地規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃，這些規(guī)劃對中國生態(tài)文明建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)、國土資源的有效利用和保護(hù)都具有積極意義，但同時也存在著流程復(fù)雜、周期長、內(nèi)容重復(fù)、工作效率低下等問題[3]?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》提出，要在“雙評價”基礎(chǔ)上，科學(xué)劃定永久基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，統(tǒng)籌布局農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城鎮(zhèn)等功能空間，為可持續(xù)發(fā)展提供空間[4]?！半p評價”中生態(tài)保護(hù)重要性的評價依據(jù)自然生態(tài)學(xué)原理，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性、生態(tài)脆弱性進(jìn)行評價，判定生態(tài)系統(tǒng)的完整性與連通性，為農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)的生態(tài)安全提供了依據(jù)[5,6]，這是“雙評價”工作的第一項工作，也是確定生產(chǎn)與居住環(huán)境的先決條件[7,8]。

凍融侵蝕是我國繼水蝕和風(fēng)蝕之后的第三大土壤侵蝕類型，21世紀(jì)以來，生態(tài)環(huán)境日益惡化，對其影響日益突出。凍融侵蝕以春、冬末為主，其基本成因是由氣溫變化引起的凍融作用與凍融作用的交替作用，使土壤、巖性發(fā)生改變，最后形成侵蝕[9]；凍融沖刷對生態(tài)環(huán)境的影響有兩個方面，一是破壞或改變土壤的物理特性，二是容易引起水土流失，使河道淤積增大[10]。

我國的凍融面積占比為13.4%[11]，西藏、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等地為全國最大的凍融侵蝕區(qū)域[12]，但與水蝕、風(fēng)蝕比較起來，目前關(guān)于凍融侵蝕的研究還比較薄弱。針對這一情況，以甘肅省山丹馬場為研究對象，根據(jù)甘肅地區(qū)凍融侵蝕的影響因素，對該地區(qū)的凍融侵蝕敏感特性進(jìn)行了分析；同時，本文還對相似區(qū)域的生態(tài)保護(hù)重要性進(jìn)行了分類，為進(jìn)一步的評價提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

山丹馬場地處河西走廊中部，祁連山冷龍嶺北麓，張掖市東南，37°30′N～38°20′N，100°50′E～101°30′E，東接永昌縣和肅南，西接民樂縣，南接青海省，北接山丹縣，陸地面積2054 km2。山丹馬場地處青藏高原與蒙新高原的交界處，南祁連山與合黎山北部構(gòu)成環(huán)抱，中央為洪積扇盆地地形，海拔高2420～4933 m，地勢為南北高中部低。山丹馬場地處高原半濕潤地區(qū)，多年平均降水量為375.4 mm，常年平均氣溫為-1℃。目前區(qū)域內(nèi)具有水域、林地、草地、濕地、冰川、永久積雪等生態(tài)資源，它們的面積約占區(qū)域總面積的78%，整個區(qū)域?qū)儆谄钸B山冰川和水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文利用高程、NDVI、氣象、土地利用類型等資料。高程資料來自于GDEM的GDEM，具有30 m的空間分辨率；NDVI資料采用了中國科學(xué)院NDVI資料（https://www.resdc.cn/)；其中的年、月數(shù)據(jù)來自于氣象站數(shù)據(jù)分享服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)來自于地方天氣系統(tǒng)，數(shù)據(jù)主要有：日最高氣溫、最低氣溫、年降雨量、月平均氣溫；月降水量、月最高氣溫、月平均氣溫等；“三調(diào)”國土開發(fā)情況（2019）的用地使用狀況資料。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了投影、插值和重采樣等預(yù)處理，得到30 m×30 m的光柵數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

生態(tài)敏感脆弱度是在一定時間空間中，被擾對象受到外部環(huán)境影響后，其自身的恢復(fù)和靈敏度。分析凍融侵蝕的敏感性，從而找出容易發(fā)生凍融的地區(qū)[13,14]。在確定凍融等級評定的基礎(chǔ)上，依據(jù)研究區(qū)的特征，選取不同類型的凍融影響因子[15]，陳劍橋等[16]利用四級劃分方法對大渡河地區(qū)的土壤凍融沖刷進(jìn)行了評估，并應(yīng)用了以下幾個評估因子：坡度、坡向和氣溫年較低；年平均降水、植物覆蓋程度等；李成六等[17]按影響因素的相關(guān)程度，評估了三江源地區(qū)的凍結(jié)-融化沖刷；李東等[10]根據(jù)甘肅凍土侵蝕特征，對各影響因素進(jìn)行了取樣變量的顯著度測試，得出了溫度年差、解凍期平均降雨量、坡度6個主要的等級評定指標(biāo)；冰凍期間平均最低氣溫、NDVI、年降水等變化趨勢。因此，本文選擇了溫度年差、凍結(jié)期最低溫度和解凍期平均降水量，以及坡度、NDVI、年均雨量等6項因子為評估指標(biāo)，應(yīng)用 GIS技術(shù)對山丹馬場進(jìn)行了分析，并對其生態(tài)敏感脆弱性進(jìn)行了評估。

1.3.1 凍融侵蝕區(qū)范圍

目前已有多種確定凍融侵蝕區(qū)范圍的研究[17,18,19]，廣泛被接受的方法是將冰緣區(qū)的下邊界視為凍融侵蝕區(qū)的下邊界，將年平均溫度-2.5℃視為凍土區(qū)的下邊界，并將冰緣區(qū)的下邊界視為比凍土區(qū)的下邊界低約200 m[18]。本研究利用多年凍土區(qū)下邊界海拔、緯度與經(jīng)度的線性回歸方程確定凍融侵蝕區(qū)的下界海拔，計算公式為：

式中：H—凍融侵蝕區(qū)下邊界海拔m；Y—緯度；X—經(jīng)度。

基于公式計算區(qū)域融侵蝕區(qū)的下邊界海拔為3200 m，結(jié)合DEM獲取凍融侵蝕區(qū)范圍見圖1。

圖1 凍融侵蝕區(qū)范圍

圖2 凍融侵蝕敏感性空間分布

圖3 不同坡度下凍融侵蝕敏感性分布

圖4 不同NDVI下凍融侵蝕敏感性分布

1.3.2 氣溫年較差因子

氣溫變化是影響凍融侵蝕的主要因素，并且反映在冰雪凍結(jié)深度上，凍結(jié)、融化層的深度越大，溫差越大，持續(xù)時間越長，發(fā)生凍融侵蝕的程度就越大[20,21]。本研究使用甘肅省氣溫年較差的回歸方程[10]：

式中：T—氣溫年較差℃；Y—緯度；H—海拔，m；X——經(jīng)度。根據(jù)公式（2）獲得氣溫年較差因子。

1.3.3 年降水量、解凍期平均降雨量和凍結(jié)期平均最低溫度因子

降水是影響凍融侵蝕的另一主要因素，包括解凍期平均降雨量和年降水量兩個因子，降水增加了土壤的含水量，導(dǎo)致凍結(jié)期間增加對土壤的破壞作用[13,22,23]。0℃以上和0℃以下的溫度波動直接影響到土壤的凍融過程，而凍融過程又影響到土壤的物理性質(zhì)和土壤抗沖刷的穩(wěn)定性，以及解凍期土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展[24]，因此解凍期平均降雨量和凍結(jié)期平均最低溫度計算方法為0℃以上區(qū)域平均降水量及0℃以下區(qū)域年平均最低溫度，并使用ArcGIS軟件的獲得解凍期平均降雨量因子、年降水量因子等氣象因子。

1.3.4 坡度因子

坡度影響凍融侵蝕量和侵蝕位移量，一個區(qū)域內(nèi)的坡度越大，越多、越遠(yuǎn)的凍融侵蝕產(chǎn)物將會被輸送[13]。而且，較大坡度地區(qū)，在降水和重力的共同作用下，凍融侵蝕度會大大增加[14]。本研究中，利用區(qū)域DEM提取坡度因子。

1.3.5 NDVI因子

凍融侵蝕被影響的主要因子之一為植被覆蓋水平[14]，凍融侵蝕受植被覆蓋水平的影響主要是以下三個方面：一是凍融侵蝕對地表的破壞作用被植被的地上部分弱化；二是土體的固結(jié)作用通過植被的地下部分得到增強(qiáng)，降低了對土壤的破壞作用，提升土壤穩(wěn)定性[23,25,26]；三是植被覆蓋度的提高可以降低地面溫差，從而減輕凍融侵蝕的程度[27]。利用中科院資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)植被覆蓋度數(shù)據(jù)，獲得NDVI因子。

1.3.6 凍融侵蝕敏感性評價體系

本研究將得到的解凍期平均降雨量、凍結(jié)期平均最低溫度、氣溫年較差、植被覆蓋度、坡度和年降水量數(shù)據(jù)整理作為凍融侵蝕強(qiáng)度評價指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，參照以往研究成果確定各指標(biāo)的等級賦值標(biāo)準(zhǔn)[10]（見表1）。

表1 評價指標(biāo)分級賦值標(biāo)準(zhǔn)

在此基礎(chǔ)上，采用 AHP方法，對凍融侵蝕的敏感性進(jìn)行了研究，得出了各因子對凍融侵蝕的影響系數(shù)的權(quán)重，其中，凍融侵蝕系數(shù)的權(quán)重為：氣溫年偏低因子0.31、年平均降水量因子0.08、坡度系數(shù)0.12、解凍期平均降雨量系數(shù)0.15、NDVI系數(shù)0.12、凍融期最低氣溫-0.22。

對凍融侵蝕敏感性的全面評價是將凍融侵蝕這一復(fù)雜過程的多項影響因子進(jìn)行綜合，使之成為單一指數(shù)的形式[22]。采用加權(quán)加和的方法獲得綜合評價指數(shù)，綜合評價指數(shù)是用來總體評價凍融侵蝕敏感程度的指標(biāo)，指數(shù)愈大凍融侵蝕愈強(qiáng)烈[10]，根據(jù)水利部頒布的《SL 190—2007土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》和自然資源部《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南(試行)》將研究區(qū)域的凍融侵蝕敏感性劃分為一般敏感（凍融侵蝕綜合評價指數(shù)＜1.7）、敏感（凍融侵蝕綜合評價指數(shù)1.7～2.5）、極敏感（凍融侵蝕綜合評價指數(shù)＞2.5）三個等級，綜合評價指數(shù)可采用下式進(jìn)行計算[16]：

式中：I—凍融侵蝕綜合評價指數(shù)，Ii—各單因子評價指標(biāo)分級值，Wi—各單因子評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，n為單因子數(shù)。

2 結(jié)論與分析

2.1 凍融侵蝕敏感性分析結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)凍融侵蝕區(qū)總面積為887.78 km2，扣除其中的水域、冰川和永久積雪地、建設(shè)用地等[28]，總面積為884.16 km2，占山丹馬場總面積的43.05%。山丹馬場凍融侵蝕敏感性空間分布差異較明顯（見下圖），凍融侵蝕一般敏感區(qū)域的面積為3.78 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的0.43%，凍融侵蝕敏感區(qū)面積為671.03 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的75.58%，凍融侵蝕極敏感區(qū)面積為212.97 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的23.99%。山丹馬場凍融侵蝕敏感、極敏感區(qū)域主要分布在祁連山山區(qū)，以3500 m為分界線，高于3500 m的祁連山區(qū)域為凍融侵蝕極敏感區(qū)，低于3500 m的祁連山區(qū)域為凍融侵蝕敏感區(qū)。該區(qū)域凍融侵蝕敏感性較高主要是由多方面因素造成，包括：①該區(qū)域氣溫低，氣溫年較差介于43.3～-44.4oC，使得該區(qū)凍融影響頻繁交替，土壤抗凍融侵蝕能力降低。②該區(qū)域山地陡峻，地表起伏度大，復(fù)雜的地形條件增加了凍融侵蝕發(fā)生的可能性[14]。③研究區(qū)域相對于平川區(qū)域海拔高且植被覆蓋度低，再加上區(qū)域緯度低，晝夜溫差大，土壤表面白天迅速升溫融化，夜晚急速降溫凍結(jié)，增加了凍融侵蝕發(fā)生的可能性[27]。④區(qū)域內(nèi)解凍期平均降雨量介于170～183 mm，降水過程主要影響巖土中水分含量來間接影響凍融過程，巖土中的水分含量越大，在凍結(jié)過程中水分相變對巖土體的破壞作用越大，融化過程也會加快坡面徑流對土壤的搬運[29]。

2.2 討論

2.2.1 單因子分析討論

通過GIS的分層迭代函數(shù)，對解凍期平均降水量和年降水量進(jìn)行了分析；研究了坡度和植被覆蓋度對土壤凍融的影響。從該地區(qū)的年平均氣溫差異為43.3～-44.4oC，年降水量在300～400 mm，解凍期平均降水量在170～183 mm，凍結(jié)期的最低溫度在-18.0℃以下，這四個因素對凍融侵蝕敏感度的影響很小，所以重點分析坡度和植被覆蓋度的變化。

隨著坡度增大，土壤凍融侵蝕敏感性也隨之增大。30°以上極敏感區(qū)是集中分布的，敏感區(qū)范圍主要位于0～10、10～20、20～30坡度段，而一般敏感性區(qū)域多位于0～10坡度。坡度是造成土壤和植被破壞的主要原因之一，而坡面上的大規(guī)模開挖會加劇土壤和植被的破壞[29]。所以，要有效地防治凍融侵蝕，就需要對其進(jìn)行恢復(fù)和治理。

隨著NDVI的降低，極敏感區(qū)所占面積比例分別由2.90%升至90.25%、敏感區(qū)所占面積比例由92.38%降至9.75%，表明削弱凍融侵蝕敏感性的方式之一就是提升植被覆蓋。此外，一般敏感所占面積比例呈降低趨勢，這主要與植被覆蓋度面積區(qū)域較大有關(guān)。研究區(qū)域土地利用以畜牧業(yè)為，隨著“一帶一路”的推進(jìn)，恢復(fù)研究區(qū)林草植被是十分必要的。

2.2.2 評價結(jié)果和土地利用類型統(tǒng)計分析

通過將土地利用現(xiàn)狀與凍融侵蝕敏感性評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，有助于識別存在的主要問題，結(jié)果見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)極敏感區(qū)域內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀中有74.70%為草地、24.14%為林地，敏感區(qū)中有38.16%為草地、59.92%為林地，其余為零星分布的水域、建設(shè)用地等，該評價結(jié)果與區(qū)域生態(tài)本底吻合。

表2 分區(qū)類型統(tǒng)計（km2）

2.3 結(jié)論

（1）山丹馬場凍融侵蝕區(qū)面積為887.78 km2，占山丹馬場總面積的43.05%，凍融侵蝕一般敏感區(qū)域的面積為3.78 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的0.43%，凍融侵蝕敏感區(qū)面積為671.03 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的75.58%，凍融侵蝕極敏感區(qū)面積為212.97 km2，占凍融侵蝕區(qū)面積的23.99%。

（2）山丹馬場凍融侵蝕敏感、極敏感區(qū)域主要分布在祁連山山區(qū)，以3500 m為分界線，高于3500 m的祁連山區(qū)域為凍融侵蝕極敏感區(qū)，低于3500 m的祁連山區(qū)域為凍融侵蝕敏感區(qū)。

（3）從不同地理背景條件下凍融侵蝕敏感性分布來看，＜45%NDVI值區(qū)域凍融侵蝕極敏感性面積最大；坡度≥30o地區(qū)敏感和極敏感區(qū)域所占比例較大，隨著坡度的增加，凍融侵蝕敏感性呈增強(qiáng)趨勢；良好的植被覆蓋有利于削弱凍融侵蝕敏感性。

（4）本文主要評價凍融侵蝕敏感性以影響甘肅地區(qū)凍融侵蝕的因子為基礎(chǔ)，對凍融侵蝕敏感性及分布特征進(jìn)行分級評價與研究，有較強(qiáng)的可操作性和實用性，以期能為類似地區(qū)的生態(tài)保護(hù)重要性評價提供補(bǔ)充評價指標(biāo)的科學(xué)參考。