基于3S的晋北风沙源治理工程生态效益评价

付日勤

(山西省自然资源交易和建设用地事务中心,山西 太原 030000)

0 引言

20世纪以来,气候变暖已成为不争的事实[1]。国际社会为了应对气候变暖,采取了多种对策,其中最重要的途径是种树、种草和保护森林[2-3]。京津风沙源区治理工程是我国为改善和优化北京及其周边地区的生态环境状况,减轻风沙造成的危害,带动本区域的经济发展而启动实施的生态建设工程,是对北方生态脆弱地区进行综合治理的代表性工程[4-5],晋北风沙源治理工程区是国家实施京津风沙治理工程的典型区域。一期工程(2001-2010年)已建设完毕,二期工程正在实施。近年来,为了改善生态工程区的生态环境,山西省做出了一系列重大举措[6]。然而,由于区域广,措施类型多样,如何客观准确评价晋北风沙源治理工程实施后的生态效益是值得探索的难题。生态效益的评价不仅能判断该工程实施的顺利程度和效果,同时还能为后期工程的规划提供一定的科技支撑,对区域的可持续发展具有重要的意义[7-8]。

生态工程的生态效益评价是一项复杂、系统的工作,如何科学有效地进行区域生态工程效益计算与评估,对生态工程因地制宜的建设、措施以及后期工程效果都起着关键作用[9-10]。燕楠等从水土保持、水源涵养、固碳释氧和改良土壤等方面评价了北京市京津风沙源治理工程实施后的生态效益,发现生态工程实施后生态效益显著[11]。王秋菊从植被覆盖度、地上生物量、植被高度和固定沙地的比例等方面对草原沙漠化治理工程生态效果进行了评价,发现生态工程的生态效益比较显著[12]。苏江从土地利用变化、植被覆盖度和生态环境指数等对多伦县生态工程的生态效益进行了评价,发现生态工程实施后,全县的生态环境质量得到了极大的提高[13]。刘炜从改善生态环境和防灾减灾等方面对山西省风沙源治理工程的效益进行了评价,发现工程实施初步构建了防沙治沙的生态安全屏障,改善了区域的生态环境,有效遏制了沙害的东移[14]。尽管前人对晋北风沙源生态工程效益进行了评价,但还存在以下不足:(1)鉴于研究内容和区域的局限性,研究结果对全面反映工程的生态效益还存在一定的不足,定性描述居多,缺乏定量评估。(2)土壤风蚀控制是实施工程的重要出发点,治理工程对土壤风蚀的控制作用仅有定性的认识,没有计算或测量的数据支持。因此,结合工程实施的目标,本文基于全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的“3S”技术,选择工程实施前后的土地利用,植被覆盖和土壤风蚀量等3个指标来评价晋北风沙源治理工程区生态工程的生态效益。

1 研究区概况

晋北风沙源治理工程区其北接内蒙古自治区,东邻河北省,范围包括大同、朔州、忻州3市的13个县(市,区),东西横跨250多 km,南北纵跨300 km,总面积达到2.05万 km2(图1)。晋北地区年均气温为5℃～9℃,年降水量约为350 mm～450 mm。研究区处于暖温带落叶阔叶林向温带草原地带的过渡地带。植被类型主要有云杉(PiceaSPP.)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、小叶杨(Populussimonii)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、沙棘(Hippohgaerhamnoides)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黄刺玫(Rosaxanthina)、百里香(Thymusmongolicus)、长芒草(Stipabungeana)等。研究区处于森林土壤和草原土壤的过渡地带,土壤类型复杂多样。土壤主要有栗钙土、褐土、黄绵土、黑垆土、潮土、棕壤和黄垆土等7个土类,其中栗钙土、褐土和黄绵土面积最大、分布最广。区域多寒冷、大风天气,气候干旱、土壤沙化、植被稀疏且种类单一使得其沙化区、盐碱地日趋增加,几乎占到区域总土地面积的80%以上[15-16]。

Fig.1 Location of study area in China图1 研究区位置示意图

2 数据与方法

2.1 土地利用遥感分类系统

土地利用数据主要利用美国陆地卫星2001和2010年的分辨率30 m Landsat TM/ETM 遥感影像为主要数据源,结合自动提取算法以及人机交互目视解译获得。结合晋北风沙源治理区土地资源和特点及其利用属性,以生态类型为基础,将研究区的土地利用类型分为6类:耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地[17-18]。

2.2 像元二分法模型

归一化植被指数(NDVI)是用来表征植被总体覆盖情况的常用指标之一,对分析植被生长具有重要作用。植被覆盖度的遥感反演主要使用2001年和2010年250 m分辨率的MODIS NDVI产品数据。首先利用最大值合成法将16 d的数据合成月NDVI数据;然后,以NDVI为基础利用像元二分法模型计算植被覆盖度[19-20],计算公式如下所示:

(1)

其中,NDVIsoil值(植被无覆盖)和NDVIveg值(植被完全覆盖)是在研究区中NDVI最小值与最大值。但是考虑到遥感影像存在的噪声,取值时分别取定置信区间内最小值和最大值,即在NDVI频率累计分布上取频率为99.5%和0.5%的NDVI分别为NDVIveg和NDVIsoil值。植被盖度的分级标准在不同的文献中其分级的阈值不尽相同,参考这些文章中提到的阈值,同时结合研究区特有的生态特征,本文将植被覆盖度划分为以下5个等级[21-22]:0≤fc≤0.1,为裸地;0.10.6为高植被覆盖。

2.3 土壤风蚀模型

采用中科院寒旱所推荐的风蚀模型对晋北风沙源区土壤风蚀进行定量评价研究,根据研究区的特点,该模型主要由耕地和草(林)地两种风蚀预报模型构成[21]。具体如下:

耕地土壤风蚀模数由下面公式计算:

(2)

草(林)地土壤风蚀模数由下面公式计算:

(3)

3 结果与讨论

3.1 土地利用格局变化研究

结合自动提取算法以及人机交互目视解译,获取了2001年和2010年晋北风沙源区的土地利用现状图(图2)。工程实施前,2001年研究区土地利用类型面积大小顺序依次是:耕地>草地>林地>建设用地>水域>未利用地。其中耕地面积是9 011.17 km2,占研究区总面积的43.78%,主要分布在研究区西南-东北条带。林地和草地面积分别为4 392.58 km2和6 200.56 km2,分别占研究区总面积的21.34%和30.12%(表1)，主要分布在研究区的东南部和西北部及东北部部分区域。工程实施后,2010年晋北风沙源区土地利用类型面积大小顺序依次是:耕地>林地>草地>建设用地>未利用地>水域。其中耕地面积为9 108.51 km2,比2000年增加了97.34 km2;林地为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图2 研究区2000年和2010年土地利用类型图

区域土地利用变化的转移矩阵见表2。从表2可以看出,生态工程实施以来,退耕还林和草地转化为林地是林地面积增加的原因。由草地转化为林地的面积为2 309.06 km2,由耕地转化为林地面积为1 261.87 km2。耕地面积没有减少的原因主要归结于其余5种类型均有转化为耕地,其中草地转化为耕地的面积最多,为1 549.19 km2。究其原因可能是区域经济发展缓慢,主要以农业发展为主和国家实施退草还耕及耕地红线政策有关。从图中也可以看出,2001-2010年间晋北生态工程区的西北部和东南部均有显著的退耕还林区域,但区域总的耕地并未减少。

表1 2001-2010年研究区土地利用面积变化

表2 2001-2010年研究区土地利用变化转移矩阵表

研究发现,生态工程实施后,研究区退耕还林和退草还草政策得到了有效落实。这一研究结果与刘炜等人的研究结果[14]类似。经过10 a的大规模建设,晋北风沙源区新建万亩以上集中连片治沙造林工程有130多处,其中6 667 hm2以上的大规模工程有8处,草地治理完成197.80万 hm2 [14]。

3.2 植被覆盖度空间分布特征研究

生态工程实施的目的之一是增加区域植被的覆盖度和提高各个生态系统服务功能。因工程实施前后晋北风沙源区的植被覆盖变化见图3。从图3可以看出工程实施前(2001年),研究区以低植被覆盖和中低植被覆盖为主,约占整个研究区的84.88%。从表3植被覆盖和高植被覆盖的区域面积分别为1 517.69 km2和1 588.90 km2,分别仅占整个研究区的7.37%和7.72%。工程实施后(2010年),研究区仍以低植被覆盖和中低植被覆盖为主,但比例却在下降,约占整个研究区的75.96%。但是中植被覆盖和高植被覆盖的面积在增加,分别为2 657.63 km2和2 283.52 km2,分别占整个研究区面积的12.91%和12.09%。中植被覆盖和高植被覆盖分别增加了1 139.94 km2和694.96 km2。从图3可以看出,植被覆盖增加的区域与退耕还林区域基本一致,表明生态工程实施后,区域的植被覆盖在增加。但是生态工程实施后,研究区仍以低植被覆盖和中低植被覆盖度为主,大部分区域植被覆盖度低于45%。刘炜等同样发现研究区森林覆盖率从工程初期的14.7%上升到森林覆盖率25%以上,林草覆盖率35%以上[14]。

Fig.3 Vegetation coverage in 2001 and 2010 in the study area图3 研究区2001和2010年植被覆盖度分级

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

3.3 工程实施前后土壤风蚀状况动态研究

京津风沙源治理工程实施的主要目的之一是减轻风沙灾害,控制区域土壤风蚀。工程实施后,研究区的平均土壤风蚀模数从2001年的5.28 t/(hm2·a)下降为2010年的4.21 t/(hm2·a),土壤风蚀总量从2001年的1.24·107t/a下降为2010年的0.87·107t/a,下降率约为30.21%(表4)。从空间上看,工程实施前,研究区以2～4 t/(hm2·a)和>10 t/(hm2·a)为主,分别约占整个研究区的23.87%和40.58%。工程实施后,土壤风蚀强度在下降,大于10 t/(hm2·a)的面积下降为16.84%。从图4可以发现晋北生态工程区工程实施前后,研究区的土壤风蚀模数仍然很大,大于6 t/(hm2·a)的分布面积的区域仍达到39.96%。造成这种现象的主要原因与研究区的植被覆盖度不高存在很大的关系。虽然十年来植被覆盖度有所增加,但增加区域的植被覆盖还达不到有效防止风蚀的效果，这表明虽然生态工程已实施10 a,但生态工程的生态效果仍需保护,生态工程还需进一步的实施。因此,未来需进一步加强对研究区植被覆盖的监测与评估,防止一些破坏区域植被覆盖的现象出现。根据山西省林业调查规划院荒漠化监测中心的资料分析,工程实施以来山西内蒙古边界的重沙化带得到有效治理,区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图4 研究区2001和2010年土壤风蚀状况图

表42001-2010年研究区土壤风蚀强度变化

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

等级(t/hm2·a)2001年面积/km2比例/%2010年面积/km2比例/% 无侵蚀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 总面积20 583.2810020 583.28100 平均风蚀模数(t/hm2·a)5.284.21 总风蚀量(t/a)1.24×1070.87×107

本文利用Landsat TM/ETM遥感数据,MODIS NDVI数据和土壤风蚀模型模拟数据,从土地利用、植被覆盖和土壤风蚀三方面,基于“3S”技术评价了晋北风沙源区生态工程实施10 a来的生态效益。但是,区域生态工程的生态效益评价涉及多个指标,未来还可以加入区域生物多样性、生态系统固碳能力和水源涵养等指标,综合评价生态工程区的工程效益,以期为生态工程建设的规划决策提供科学依据。

4 结论

本文对晋北风沙源区的生态工程生态效益进行了研究,发现生态工程实施后,生态工程的生态效益正在呈现。主要结论如下:

(1)工程实施后,晋北风沙源治理区退耕还林政策得到了有效落实。林地面积增加了1 562.41 km2,西北部和东南部均有显著的退耕还林区域,退耕面积为1 261.87 km2。

(2)工程实施后,植被覆盖度呈现增加的趋势,中植被覆盖和高植被覆盖分别增加了1 139.94 km2和694.96 km2。植被覆盖增加的区域与退耕还林的区域基本一致，但仍以低植被覆盖和中低植被覆盖为主。

(3)工程实施后,研究区的土壤风蚀强度和土壤风蚀总量均呈下降的趋势,下降率约为30.21%，但风蚀模数大于6 t/(hm2·a)的区域仍占接近40%。