科爾沁沙地西北緣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

楊 柳，唐 振，施 璐

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034

0 前言

將地質(zhì)環(huán)境作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，從環(huán)境地質(zhì)學(xué)角度研究受社會(huì)生態(tài)環(huán)境和自然生態(tài)環(huán)境雙重影響下的地質(zhì)環(huán)境與人類生存環(huán)境相互關(guān)系，這種相互關(guān)系即為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)［1］. 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境是由巖石圈表層、水圈、大氣圈、生物圈和人類圈相互滲透、交織組成的復(fù)雜體系，其中某一圈層的變異會(huì)引發(fā)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的整體失衡［2］. 科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，有利于客觀掌握區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件和可能出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，便于決策者制定合理的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)方針，以促進(jìn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展［3］. 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)作為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中重要組成部分，自20 世紀(jì)以來(lái)其理論方法和應(yīng)用實(shí)踐都得到了廣泛的拓展創(chuàng)新［4］. 考慮到生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中多指標(biāo)的復(fù)雜性，本研究采用層次分析法，結(jié)合線性加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型在科爾沁沙地西北緣對(duì)內(nèi)蒙古1∶5 萬(wàn)巨里河幅生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)分析評(píng)價(jià).

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北部（圖1），地處大興安嶺中南段與科爾沁沙地草原結(jié)合部位，地形地貌整體從西北部中山山地逐漸向東南過(guò)渡到低山丘陵區(qū)，地形多樣，主要形成有低山丘陵和山地草原. 研究區(qū)地處歐亞大陸中高緯度帶東部，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，呈干旱、半干旱特征. 區(qū)內(nèi)大小時(shí)令河流共有7 條，屬烏力吉木仁河水系（西遼河水系），河流總長(zhǎng)度63.38 km.

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Location map of the study area

層次分析法（AHP）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty 于20世紀(jì)70 年代中期提出的一種多層次權(quán)重分析決策方法，具有系統(tǒng)、靈活和實(shí)用等特點(diǎn)［5］. AHP 法是將評(píng)價(jià)（決策）有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等層次，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)［6］. AHP 法能將復(fù)雜問(wèn)題中的各種因素通過(guò)劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟问怪畻l理化，并能將數(shù)據(jù)、專家意見(jiàn)和分析者的客觀判斷直接而有效地結(jié)合［7］.

1 構(gòu)建層次分析評(píng)價(jià)模型

使用層次分析法解決問(wèn)題，首先要把研究的問(wèn)題進(jìn)行層次化處理，構(gòu)建出一個(gè)層次分析的模型. 將有關(guān)要素進(jìn)行分類歸納，并按一定層次組織影響因子的分組，將其與上一級(jí)相關(guān)的因子依次排列，通過(guò)因子間相互比較取值，最終可得出基本因子對(duì)目標(biāo)因子的影響程度［8］.

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

建立科學(xué)、完善、可行的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及選擇恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是成功進(jìn)行生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵. 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取要能夠表征研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的特征，要具有代表性、典型性. 另一方面，選擇的指標(biāo)要基于現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)資源的獲取.

生態(tài)地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)多成分的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由巖石環(huán)境、土壤環(huán)境和水環(huán)境3 個(gè)系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部又存在多種影響因子. 本研究遵循科學(xué)性、標(biāo)準(zhǔn)性、可度量性以及可操作性的原則，參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ192—2015），參考前人研究成果［9-17］，根據(jù)研究區(qū)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，在綜合考慮自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、生態(tài)條件等基礎(chǔ)上確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2、表1.

表1 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一覽表Table 1 Value and grading of eco-geological environment evaluation index

圖2 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig. 2 Evaluation index system of eco-geological environment quality

圖3 區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖Fig. 3 Evaluation grading map of regional eco-geological environment quality

1）高程

高程是地殼運(yùn)動(dòng)結(jié)果的表現(xiàn)形式，反映地表高低起伏形態(tài)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、土地生產(chǎn)力、植被類型及覆蓋度等具有制約性和主導(dǎo)性影響作用，是地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化和發(fā)展的關(guān)鍵因素. 參考了高玄彧［18］對(duì)地貌基本形態(tài)的主客分類法，結(jié)合研究區(qū)相對(duì)高度變化，將研究區(qū)分為平原、丘陵、低山、高山. 數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中Data Management Tools 柵格模塊對(duì)已經(jīng)裁剪后的DEM 數(shù)據(jù)依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類.

2）坡度

坡度表現(xiàn)為地面傾斜度，直接影響著地表徑流、水土保持和人類活動(dòng). 不同坡度具有不同的水熱條件，導(dǎo)致的土壤侵蝕程度也有所不同. 坡度是影響土壤養(yǎng)分流失最主要的地形因子之一［19］. 劃分依據(jù)參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007）中關(guān)于地面坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn). 數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中3D Analyst Tools 柵格表面模塊對(duì)已經(jīng)裁剪后的DEM數(shù)據(jù)依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類.

3）坡向

坡向是指局部地表面在水平面上的投影與正北方向的夾角. 坡向的不同導(dǎo)致太陽(yáng)輻射和降水的空間二次分配，伴隨光輻射、光照時(shí)長(zhǎng)、大氣溫度、土壤水分和土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子的差異，進(jìn)而影響著植物群落類型、物種組成、物種多樣性和功能多樣性的變化［20］. 植物功能多樣性主要受坡向影響，且功能豐富度在陰坡、半陰坡顯著高于陽(yáng)坡. 劃分依據(jù)參考多位學(xué)者的研究成果［21-23］，數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中3D Analyst Tools 柵格表面模塊對(duì)已經(jīng)裁剪后的DEM 數(shù)據(jù)依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類. 其中陰坡為315～45°，半陰坡為45～90°、270～315°，陽(yáng)坡為135～225°，半陽(yáng)坡為90～135°、225～270°.

4）斷裂帶密度

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境有著重要的影響，眾多學(xué)者在宏觀以及中小尺度研究［24］上都獲得了較為成熟的成果. 數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模塊對(duì)繪制轉(zhuǎn)化好的MapGIS軟件中的斷裂帶密度圖進(jìn)行柵格提取，進(jìn)行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，將矢量化后的斷裂帶線密度量化圖按相等間隔分為4 個(gè)等級(jí).

5）巖石風(fēng)化程度

巖石的風(fēng)化程度在大循環(huán)中影響著成土過(guò)程，小循環(huán)中影響植物營(yíng)養(yǎng)元素在生物體與土壤中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，巖石的風(fēng)化程度對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的直接和間接影響. 對(duì)評(píng)價(jià)點(diǎn)位巖石風(fēng)化程度的判斷是通過(guò)野外調(diào)查與區(qū)域地質(zhì)情況相結(jié)合的方式確定的.

6）水網(wǎng)密度

水網(wǎng)密度反映了地表水流水侵蝕和水系發(fā)育程度，影響著區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量. 根據(jù)區(qū)域內(nèi)水系分布特征，將研究區(qū)水文密度分為4 個(gè)等級(jí). 數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中Spatial Analyst Tools 水文分析模塊對(duì)已經(jīng)裁剪后的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的柵格河網(wǎng)矢量化處理，將處理后的水網(wǎng)矢量化圖形進(jìn)行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，按相等間隔分為4 個(gè)等級(jí).

7）土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是以各種形式存在于土壤中的含碳有機(jī)化合物的統(tǒng)稱，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo). 根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）中土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)評(píng)價(jià)要求，對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤中有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行評(píng)價(jià). 為評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)一，將一等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和二等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)合并，劃分為4 個(gè)等級(jí). 采用的數(shù)據(jù)是研究區(qū)內(nèi)評(píng)價(jià)點(diǎn)位的土壤測(cè)試數(shù)據(jù)分析值.

8）土地利用類型

數(shù)據(jù)的獲取基于實(shí)際野外調(diào)查與遙感解析，按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由高到低劃分為耕地、林地、草原和沙地4 個(gè)等級(jí).

9）人口密度

它是表示各地人口的密集程度的指標(biāo)（單位：人/km2）. 研究區(qū)人口分布較為分散，以村為行政單位聚集分布. 本次評(píng)價(jià)以各村為中心，以2 000 m 為活動(dòng)半徑，應(yīng)用ArcGIS 系統(tǒng)工具中Spatial Analyst Tools 距離模塊對(duì)已經(jīng)裁剪后的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行歐式距離分析，將矢量化后的歐式距離圖按相等間隔分為4 個(gè)等級(jí).

10）資源利用程度

研究區(qū)的資源利用主要有礦業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等，根據(jù)實(shí)際的調(diào)研結(jié)果將本研究區(qū)的資源利用程度分為4 個(gè)等級(jí).

11）交通通達(dá)性

交通通達(dá)性反映了區(qū)域與外界進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化交流的可能性和潛力，是衡量區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的重要指標(biāo). 路網(wǎng)的調(diào)查范圍包括國(guó)道、縣鄉(xiāng)路、主要街道和機(jī)耕路. 數(shù)據(jù)的提取采用ArcGIS 系統(tǒng)工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模塊對(duì)繪制轉(zhuǎn)化好的MapGIS 軟件中的交通路線圖進(jìn)行柵格提取，進(jìn)行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，將矢量化后的交通路線密度量化圖按相等間隔分為4 個(gè)等級(jí).

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值和分級(jí)

評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)：定量指標(biāo)包括高程、植被覆蓋度、人口密度等可由具體數(shù)值進(jìn)行量化的指標(biāo)；定性指標(biāo)包括地層巖性、礦業(yè)活動(dòng)等取值常表現(xiàn)為屬性，只能進(jìn)行定性描述的指標(biāo). 為使兩者能同時(shí)進(jìn)行綜合比較，采用分級(jí)打分方法，給予不同的定性或定量指標(biāo)1～4 的閾值（表1），應(yīng)用層次分析法yaahp 軟件進(jìn)行計(jì)算.

2 構(gòu)建判斷矩陣

構(gòu)建判斷矩陣是完成層次分析法的一個(gè)關(guān)鍵步驟，從層次結(jié)構(gòu)模型的方案層開(kāi)始，將所面臨的復(fù)雜問(wèn)題分解為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的層面，而后建立層次模型，各自獨(dú)立處理. 假設(shè)目標(biāo)元素為A，同與之相連的有關(guān)元素B1、B2…Bn 有支配關(guān)系. 假設(shè)以上一層次某目標(biāo)元素A 作為準(zhǔn)則，通過(guò)向決策者詢問(wèn)在原則A 下元素Bi 的優(yōu)劣比較，構(gòu)造判斷矩陣表（表2）. 其中bij表示對(duì)于A 來(lái)說(shuō)，Bi對(duì)Bj相對(duì)重要性的數(shù)值體現(xiàn)，通常bij可取1～9 以及它們的倒數(shù)作為標(biāo)度（表3）.

表2 判斷矩陣Table 2 Judgment matrix

表3 標(biāo)度及含義Table 3 Scale and representation

1）權(quán)重分配

以適應(yīng)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展為本次生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的目標(biāo)層逐一給定每個(gè)因素的權(quán)值. 判斷所對(duì)應(yīng)的特征值λ，并計(jì)算特征向量W，最后進(jìn)行歸一化操作，歸一后的特征向量為相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重.

2）一致性檢查

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，為防止有其他特殊因素對(duì)結(jié)果造成影響，需要對(duì)其一致性進(jìn)行檢查. 其公式如下：

式中，CR 為隨機(jī)一致性比例，CI 為一致性指標(biāo)，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo).

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根；n 為判斷矩陣的階數(shù).

RI 的取值由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算（表4）.

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 4 Random consistency index

當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，判斷矩陣才滿足一致性的要求，否則要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整，直至滿足CR＜0.1 為止. CR 值愈小，矩陣一致性愈好，當(dāng)CR＝0 時(shí)，矩陣完全一致.

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的整理，得出科爾沁沙地北緣地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（表5—9）.

表5 準(zhǔn)則層B 相對(duì)于目標(biāo)層A 的判斷矩陣及權(quán)重Table 5 Judgment matrix and weight of criterion layer（B）to target layer（A）

表6 指標(biāo)層C 對(duì)準(zhǔn)則層B1 的判斷矩陣及權(quán)重Table 6 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B1）

表7 指標(biāo)層C 對(duì)準(zhǔn)則層B2 的判斷矩陣及權(quán)重Table 7 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B2）

表8 指標(biāo)層C 對(duì)準(zhǔn)則層B3 的判斷矩陣及權(quán)重Table 8 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B3）

表9 指標(biāo)層C對(duì)目標(biāo)層A 的綜合權(quán)重Table 9 Comprehensive weight of index layer（C）to target layer（A）

4 研究區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

將研究區(qū)按面積大小分為100 個(gè)評(píng)價(jià)單元，按質(zhì)量指數(shù)作為定量化指標(biāo)，為此建立評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型：

式中，M—評(píng)價(jià)指標(biāo)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)質(zhì)量指數(shù)；Pj—評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的閾值；Wj—評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重.

目前，針對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的分級(jí)尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)域的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按指數(shù)大小，將研究區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境劃分為5 個(gè)等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表10.

表10 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 10 Classification criterion of eco-geological environment quality

5 評(píng)價(jià)結(jié)果

本次評(píng)價(jià)涉及的100 個(gè)評(píng)價(jià)單位中質(zhì)量指數(shù)最大值為11.93，最小值為6.3，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果繪制科爾沁沙地北緣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)圖（圖4）. 通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域計(jì)算結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)可知，評(píng)價(jià)指數(shù)處于IV 級(jí)和V 級(jí)的單元個(gè)數(shù)占總評(píng)價(jià)單元個(gè)數(shù)的45%；處于III 級(jí)的單元個(gè)數(shù)占總評(píng)價(jià)單元個(gè)數(shù)的41%，該級(jí)評(píng)價(jià)單元質(zhì)量指標(biāo)平均值為8.09；處于I 級(jí)和II 級(jí)的單元個(gè)數(shù)占總評(píng)價(jià)單元個(gè)數(shù)的14%.

6 結(jié)論

在深入分析影響科爾沁沙地西北緣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境因子的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)際工作及遙感數(shù)據(jù)，利用層次分析法構(gòu)建以地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境為準(zhǔn)則層，以高程、坡度、水網(wǎng)密度、人口密度等11 個(gè)指標(biāo)為指標(biāo)層的評(píng)價(jià)模型，利用生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行線性加權(quán)計(jì)算，得出100 個(gè)評(píng)價(jià)單元的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù). 結(jié)果顯示，研究區(qū)有45%的評(píng)價(jià)單元處于較差和差的質(zhì)量等級(jí)，有41%的評(píng)價(jià)單元處于中等質(zhì)量等級(jí)，可以看出科爾沁沙地西北緣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境總體處在中等偏下的水平.

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示3 個(gè)準(zhǔn)則層中生態(tài)環(huán)境因素對(duì)區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境影響處于主導(dǎo)地位，對(duì)本次評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率為62.5%. 研究區(qū)土壤絕大部分屬于砂壤，生態(tài)地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展比較依賴畜牧業(yè)和部分地區(qū)的采礦業(yè)，對(duì)區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境影響較大. 為保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，要加大自然資源管理監(jiān)督力度，尤其是對(duì)于生態(tài)地質(zhì)環(huán)境較差的區(qū)域，更要注意易誘發(fā)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的因素，如土壤沙化、過(guò)度放牧、不規(guī)范的礦區(qū)開(kāi)采等.