泥河沟流域生态敏感性分析评价

王紫薇，黄文哲，周阳阳，宋敏敏，张青峰

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨陵 712100)

近年来，随着经济社会的持续发展，人类活动对生态环境的影响不断加大，也使得生态环境问题日渐突出。为表征区域生态系统对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度，人们利用生态环境敏感性来反映区域生态系统在遇到干扰时，发生生态环境问题的难易程度和可能性的大小，以及外界干扰可能造成的后果[1-3]。同时，生态敏感性分析结果，也是制定区域生态环境保护规划的主要依据。有关生态敏感性的研究，从研究内容来看，正在从以往单一的生态环境问题[4-6]向综合研究发展[7-9]；从研究尺度来看，分别包含了国家、流域、省域和市县域尺度[10-12]；从研究区特征和类型上看，则涉及了干旱及半干旱区、水域、城市等[13-14]。这些研究对我国生态环境保护及区域生态系统分析和评价做出了积极贡献。

黄土高原地处我国干旱大陆性季风气候区，人口众多(高达1.08亿)且人均耕地有限(1.8亩/人)，加之脆弱的生态环境，地表支离破碎，水土流失严重。为了农业社会和生态系统的可持续发展，国家从“六五”开始就设立了包含泥河沟流域在内的11个小流域综合治理试验示范区，推行以小流域为单元的区域综合开发治理。到“九五”期末，这些小流域经过20余a的治理，生态环境建设取得显著成效，生态系统的整体功能和效益得以提高，充分发挥了示范作用。然而，部分小流域从“九五”末至今近20 a的时间内，一直处于自然发展状态，原先综合治理的成效及其农业生态系统的敏感性如何，尚缺乏相关的研究和评价，因而难以预测生态建设、保护和开发活动中的生态问题，也就难以开展有针对性的生态环境规划。为此，本文以泥河沟流域为例，研究其生态敏感性，以期为小流域综合治理试验示范区生态敏感性的重新认识和生态环境保护提供参考。

1 研究区概况

泥河沟小流域位于黄土高原南部的淳化县，是国家农业综合发展的试验示范区之一。该流域北高南低，呈长条形，南北长7.8 km，东西宽1.2 km，总面积9.48 km2。区内属暖温带半湿润半干旱气候。多年平均降水量600.6 mm，降雨多集中在7-9月，且以各种量级的暴雨为主。地貌为黄土残塬类型，塬面面积占59.2%，沟壑面积占39.8%，海拔712～1 193 m。沟壑上游坡陡沟窄，侵蚀活跃，下游侵蚀趋缓。土壤为黄土母质上发育的黑垆土、黄墡土、红胶土和淤墡土，以黄墡土为主，土壤肥力低。天然植被多分布在沟谷，以草本和灌木为主。

2 研究方法

2.1 数据来源

2002年SPOT-5遥感影像(空间分辨率为2.5 m)、2016年GF-1遥感卫星影像(地面分辨率为2 m)和DEM数据(分辨率为28.9×28.9 m)均来自地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)。应用ENVI5.1对SPOT-5和GF-1影像进行解译，获得土地利用类型和植被覆盖度数据；利用ArcGIS10.2对DEM数据进行处理，获得坡度和起伏度数据。进而根据国家土壤侵蚀分类分级标准[15]计算得到土壤侵蚀强度分级数据。

2.2 评价因子及权重确定

参考国内外研究，综合考虑研究区实际生态环境特点，遵循相关性、合理性、代表性原则选取5个生态敏感性影响较大的评价因子：土地利用类型、坡度、起伏度、土壤侵蚀强度和植被覆盖度，并将各因子的生态敏感性划分为5个等级，分别对应赋值1、3、5、7、9。各因子数据在经过一致性检验后，基于层次分析法[16]在Matlab软件中计算得到权重(表1)。

表1 生态敏感性因子评价分级

2.3 多因子综合评价

基于ArcGIS平台，在单因子数据赋值的基础上，进行加权叠加分析，得到生态敏感性综合分值。公式如下：

式中，W为生态敏感性的综合分值；i为评价因子编号；n为评价因子总数(n=5)；Ki为第i个评价因子的权重；Ci为第i个评价因子生态敏感性评价得分。将生态敏感性的综合评价结果进行重分类，分为极度敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感5个等级。

3 结果与分析

3.1 各单因子敏感性分析

各单因子专题图分别见图1～图5。

3.1.1 土地利用类型敏感性分析 由图1可知，2002年泥河沟流域耕地和园地、林地、建设用地和未利用地、草地、水域分别占流域总面积的53.72%、24.88%、12.66%、7.96%和0.77%，2016年泥河沟流域耕地和园地、林地、建设用地和未利用地、草地、水域分别占流域总面积的46.62%、28.29%、13.05%、11.11%和0.93%。泥河沟流域中，农业耕作是农民的主要经济来源，人类活动对耕地的使用强度大，干扰也最为剧烈。整个流域土地利用类型的敏感性表现出与人类活动呈负相关的关系，轻度敏感性，并主要集中在流域的北部塬区。土地利用类型极度或高度敏感区主要集中在水域、草地和林地等人类活动较少、干预程度较低的区域附近。经过14 a的自然发展后，该流域的林地、草地、建设用地、水域明显增加，耕地、园地、未利用地面积减少。说明退耕还林还草政策得到了有效的落实，生态环境得到改善，同时社会经济也在快速向前发展；土地利用类型敏感性总体增加，这与林地、草地、水域的增多以及耕地、园地、未利用地的减少密不可分。

图1 2002年和2016年土地利用类型

3.1.2 坡度敏感性分析 由图2可知，泥河沟流域以<15°的塬面和塬坡为主，这也是农业耕作的主要场所，2002年和2016年塬面、塬坡分别占流域总面积的70.18%、70.02%，14年来，<15°的塬面、塬坡面积基本不变，说明泥河沟流域的坡度敏感性基本不变，水土流失问题得到了较好的控制。整体上看，生态敏感性与坡度呈现正相关关系。坡度越大，其生态敏感性程度越高；坡度越小，其生态敏感性程度越低。因此，整个流域坡度的生态敏感性表现出以轻度敏感和不敏感性为主的特征，主要分布在坡度较小、地势平坦的塬面和沟谷底部。极度或高度敏感区主要分布在坡度较大的沟谷及沟谷两侧。

图2 2002年和2016年坡度

3.1.3 起伏度敏感性分析 由图3可知，泥河沟流域以<20 m的塬面和塬坡为主，这同样是农业耕作的主要场所，在2002年和2016年时分别占流域总面积的69.80%、70.17%，而其高度和极度敏感区分别占流域总面积的16.71%、17.21%，14 a来，<20 m的塬面、塬坡面积基本不变，>30 m的沟谷面积有较少增加，说明泥河沟流域整体起伏度敏感性变化不大，水土流失问题得到了较好的控制。生态敏感性与起伏度度呈现正相关关系。起伏度越大，其生态敏感性程度越高；起伏度越小，其生态敏感性程度越低。因此，整个流域起伏度的生态敏感性表现出以轻度敏感和不敏感性为主的特征，主要分布在起伏度较小、地势平坦的塬面和沟谷底部。极度或高度敏感区主要分布在起伏较大的沟谷两侧。

图3 2002年和2016年起伏度

3.1.4 土壤侵蚀强度敏感性分析 由图4可知，泥河沟流域的土壤侵蚀强度以微度和轻度为主，2002年泥河沟流域微度、轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀区域分别占流域总面积的29.53%、16.94%、40.95%、2.16%和4.42%，2016年泥河沟流域微度、轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀区域分别占流域总面积的42.06%、18.43%，32.95%，4.57%，1.99%。由此可见，经过14 a的自然发展后，该流域微度、轻度侵蚀的面积明显增加，中度、强烈、极强烈的侵蚀面积明显减少，该流域土壤侵蚀强度呈现降低趋势，逐渐从强烈，极强烈侵蚀向轻度，微度侵蚀过渡。这一变化主要体现在坡度较大的沟谷地区。这说明退耕还林还草政策得到了有效的落实，生态环境也得到了明显的改善。整体上，生态敏感性与土壤侵蚀强度呈正相关关系。土壤侵蚀强度越大，生态敏感性越高；反之，则生态敏感性越低。因此，整个流域土壤侵蚀的生态敏感性表现出以不敏感和中度敏感为主的特征。其中，不敏感区主要分布在植被覆盖度较高的沟谷或塬面上，中度敏感区主要集中在植被覆盖度较低的塬面，而极度和高度敏感区主要分布在坡度较高且植被覆盖度较低的沟谷边缘。

图4 2002年和2016年土壤侵蚀强度

3.1.5 植被覆盖度敏感性分析 植被覆盖度是植被的垂直投影面积占地表面积的百分数，它反映植被的茂密程度，以及植被进行光合作用的面积。由图5可知，2002年泥河沟流域的植被覆盖度总体较低，<39%的地区占流域总面积的57.96%；2016年泥河沟流域的植被覆盖度总体上呈现出两极化的特点，植被覆盖度>49%、0～28%的地区分别占流域总面积的46.44%和35.11%，而植被覆盖度在39%～49%、28%～39%的地区面积大致相当。从整体上看，生态敏感性与植被覆盖度呈负相关关系，植被覆盖度越大，生态敏感性越低；反之则越高。因此，在2002年整个流域植被覆盖度的生态敏感性表现出西北、南部较高，中部低的特点；在2016年整个流域植被覆盖度的生态敏感性表现出以不敏感、极高度敏感为主的两极化特征，不敏感区主要分布在植被茂盛的沟谷及少部分塬区。极度或高度敏感区主要分布在植被稀疏的大片塬面。经过14 a的自然发展，泥河沟流域的植被盖度整体增加，尤其以中部沟谷地区最为明显，更注重植树造林，对水土流失起到一定的防止作用，生态敏感性逐渐降低。

图5 2002年和2016年植被盖度

图6 2002年和2016年生态敏感性综合分级

3.2 综合生态敏感性分析与评价

由图6可知，2002年综合生态敏感性为不敏感、中度敏感、轻度敏感、高度敏感和极度敏感的土地分别占流域总面积的26.26%、18.07%、36.81%、12.84%和6.02%。2016年综合生态敏感性为不敏感、中度敏感、轻度敏感、高度敏感和极度敏感的土地分别占流域总面积的36.87%、21.65%、30.47%、8.52%和2.49%。总体来看，2002年时泥河沟流域中度敏感性地区占比最大，整个流域大致呈现出中度敏感的特点。而2016年流域生态系统的敏感性已处于较低水平，表现出以不敏感、轻度敏感为主的特征，主要分布在人类活动频繁、干预程度较大的塬区和部分植被覆盖度较大的沟谷。极度或高度敏感区主要分布在人类干预程度较低，植被覆盖度较低的土壤侵蚀较严重的沟谷两侧。

4 讨论

生态敏感性分级标准对确定发生生态环境问题的区域和可能性大小极为重要，影响进一步的生态环境保护规划。一方面表1生态敏感性因子评价分级是根据泥河沟流域的实际情况以及前人的研究成果和经验分析得出，存在一定的主观性和人为性；另一方面，随着各指标分级标准及分级因子的变化，也会导致评价结果的差异。因此，对于表1各敏感性评价因子的刚性分级有待持续深入研究。

在对植被覆盖度进行敏感性分级时，因为植被类型、群落组成结构及生长状况等都会进一步影响生态敏感性，而文中仅根据单一的植被覆盖度进行分级，所建立的指标体系的完备性仍有待进一步探讨与研究。泥河沟小流域的基础研究资料有限，有待进一步补充完善，随着研究的深入展开，我们会不断优化评价指标体系，以得到更加全面、客观的评价结果。

小流域生态敏感性是一个动态发展的过程，本文只进行了2个不同年代的比较分析，仍不能十分准确地说明其详细变化情况，因此，也需要持续研究。

5 结论

泥河沟流域位于黄土高原沟壑区，土质较为疏松，以各种量级的暴雨为主，水土流失较为严重。沟壑面积占32.4%，切沟、冲沟十分发育，荒陡坡及沟床是主要产流、产沙部位。在综合治理前土壤侵蚀十分严重。经过20余a的治理，沟壑地区大多被林草覆盖或变为梯田，植被覆盖率增加，拦蓄能力增强，土壤侵蚀强度降低[20-24]，同时，土地利用程度增加，人类活动更为频繁，建设用地等人类干预程度较高的区域占比明显增加。相比2002年，2016年泥河沟流域不敏感、轻度敏感区面积占比最大，由44.33%增加到58.52%，其次为中度敏感区，面积由36.81%降至30.47%，而高度，极度敏感区占比由18.86%降至11.01%，生态敏感性发生较大变化，整体上已处于较低水平。从目前来看，泥河沟流域发生水土流失等生态环境问题的可能性逐渐降低，当外界发生干扰时更易保持稳定不变的状态。

泥河沟流域的生态敏感性受土壤侵蚀强度的影响最为强烈，其次为土地利用类型的影响。因此，要进一步降低流域整体的生态敏感性，应将生态保护和规划的重点放在进一步控制强烈以上水土流失区域，增加林地面积，大力发展新农村或乡镇建设，提高土地拦蓄能力和利用程度，降低土壤侵蚀，促使其进一步向中度以下的水土流失强度发展。

生态敏感性程度与坡度、起伏度和土壤侵蚀强度呈正相关关系，而与植被盖度和人类活动强度呈负相关关系。因此，植被覆盖度低，坡度、起伏度极大的沟谷以及人类干预程度较小的水域、草地、林地为极度、高度敏感区；植被覆盖度中等、土壤侵蚀较为严重的塬面为中度敏感区；植被覆盖度较高、土壤侵蚀强度较低，起伏度、坡度较小的塬面和沟谷，以及人类活动频繁、干预强度较大的耕地、园地和建设用地为轻度、不敏感区。

本研究选取的5个评价因子，可以较客观地反映生态敏感性空间分布的特点。运用GIS技术并通过生态因子加权叠加方法实现对泥河沟流域生态敏感性的分析，揭示整个流域生态敏感性的空间格局，为流域开展生态建设和保护提供了科学依据。研究结果为区域土地资源的合理配置、有序开发提供了重要参考，也对黄土高原已治理小流域的生态建设、保护和开发活动具有借鉴作用。