基于遥感与地理信息数据的科尔沁沙地生态环境状况动态评价

欧阳玲,马会瑶,王宗明,路春燕,王菜林,张永生,于显双

1 赤峰学院,赤峰 024000 2 海图信息中心,天津 300000 3 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130102 4 国家地球系统科学数据中心,北京 100101 5 福建农林大学计算机与信息学院,福州 350002 6 赤峰学院环境演变与灾害应急管理研究创新团队,赤峰 024000 7 赤峰市敖汉旗长胜镇自然资源所,赤峰 024000

人类的所有生产生活不仅依赖于生态环境,同时影响着生态环境的发展变化[1]。合理利用土地资源,促进资源环境协调发展,是生态环境建设面临的主要任务[2—3]。对生态环境状况进行评价,明确影响生态环境状况的主要因素,可为区域生态环境保护和社会经济可持续发展提供数据支撑和决策支持[4]。科尔沁沙地处在蒙古、华北与兴安植物区系交汇处；是蒙古高原向东北平原的过渡区,属于典型的农牧交错区和生态系统脆弱区。目前,对科尔沁沙地的研究多集中于沙地景观格局变化[5—6]、沙漠化监测[7—8]、沙漠化风险评价[9]及气候变化[10—11]等研究,而重大生态修复工程对该区生态环境保护有效性的评估研究却较少涉及。

目前,国外学者对生态环境状况评价的研究已趋向于多元化。在研究对象上,大多数研究基于某一方面的视角对生态环境进行评价,如对地下水、城市、湖泊、森林、土壤等的生态环境的研究。Trevisan等[12]从农业与生态的联系角度入手,利用非点源危害指数评估农业活动对地下水生态环境的潜在危害。Marull等[13]从自然环境适宜性的角度出发,利用土地适宜性指数对巴塞罗那大都市区的城市生态环境状况进行评估。Chrobak等[14]利用KSVM算法对湖泊生态系统的生态情况进行评价；Jakobsson等[15]基于指数进行生态条件评估,其研究思路是对基于经验生态条件评估的补充；Jenssen等[16]验证了基于森林生态系统类型和土壤条件进行生态系统状况评估的可行性。在研究方法上,生态环境状况评价已由定性描述、定量分析,发展到多元数据集成方法应用。我国生态环境评价起步较晚,2015年环境保护部正式发布《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)[17],替代2006年国家环保局发布实施的《生态环境状况评价技术规范》(试行)(HJ/T192—2006)[18],为我国生态环境评价提供了统一评价标准。该标准通过构建生态环境状况指数(Eco-environment Index, EI)和划分生态环境状况等级对生态环境进行定量分析,使不同时期生态环境状况具有可对比性。例如,依据该标准对沈阳市2001—2018年生态环境进行评价分析,结果显示研究时间内生态环境状况指数与土地胁迫指数、污染负荷指数相关性较大,生态环境状况受污染物排放量、土壤侵蚀面积、降水总量等指标要素影响较大[19]；再者,对甘肃省庆阳市2000—2015年生态环境状况进行评价,表明15年间庆阳市整体生态环境状况处于“一般”等级,但EI增加明显,呈现出稳中变好的趋势[20]。

近年来,由于过度放牧和滥砍滥伐导致科尔沁地区植被大面积被破坏,土地沙化严重,生态环境日益脆弱,该区已由昔日的科尔沁草原变为科尔沁沙地[21—22]。与我国其他沙地沙漠相比,科尔沁沙地年降水量300—500mm之间,自然条件较为优越,如若有效实施生态保护工程,沙地极具逆转可能[23—25]。2000年以来,为恢复科尔沁沙地的生态环境功能状况,国家颁布了多项生态环境恢复政策,如退耕还林还草、公益林保护、“三北”防护林等国家重点生态工程,在此基础上,地方政府先后实施了科尔沁沙地“双千万亩”综合治理工程、“收缩转移战略”政策、“双百万亩”工程和“5820”工程。但各项生态工程对该区域生态环境的影响如何,至今仍未明确。因此,厘清实施生态恢复工程前后科尔沁沙地的生态环境变化情况,评价生态恢复工程对科尔沁沙地生态环境的影响,对于生态保护政策的制定以及资金配置均具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

科尔沁沙地是我国最大的沙地,位于内蒙古高原和东北平原的过渡地带,介于北纬41°46′59″—45°58′16″,东经116°20′49″—123°43′4″之间(图1)。地势呈南北高,中部低；西部高,东部低的特征。地貌坨甸相间,沙层覆盖广泛。科尔沁沙地主体位于半干旱区域,平均降雨量为300—500mm,年蒸发量1800—2000mm。该区域在行政区划上涉及内蒙古自治区赤峰市、通辽市、兴安盟科尔沁右翼中旗以及吉林省和辽宁省部分区域[26—27]。本文的研究范围为该区域内蒙古自治区的19个旗县,面积15.77×104km2。

图1 研究区概况图

1.2 数据来源

(1)土地覆被数据。本研究选取1990、2000、2010、2015、2020年LandsatTM/ETM/OLI遥感数据为基本数据源,对研究区土地覆被类型空间分布信息进行提取。为最大限度突出指标差异信息,所选用遥感数据获取时间均为6—10月的植被生长茂盛期。以ENVI 5.1为平台对遥感影像进行预处理,再对影像进行辐射定标和大气校正的基础上,以1∶5万地形图为基准对遥感影像进行几何精校正,误差控制在0.5个像元以内；进而,通过拼接和裁剪得到分类所用遥感影像。采用面向对象分类方法对研究区5期遥感影像进行分类,获得土地覆被数据[28—29]。2015年获取研究区的野外调查样点用于土地覆被遥感分类精度验证,野外验证点共计2350个(图2)。

图2 野外验证点

(2)植被覆盖数据。1990年数据源为AVHRR NDVI数据,该数据是由NASA(National aeronautics and space administration)发布的覆盖全球的半月最大值合成数据；2000、2010、2015和2020年数据源为MODIS NDVI产品。对该数据进行标准分数计算,将离群值与空值赋予零值(与土地覆被数据进行叠加可知,空值绝大部分为水域部分)[30—31],并通过重采样将数据空间分辨率设置为30m。

(3)水资源数据。基于1990—2020年5期土地覆被数据计算得到河流长度和水域面积数据；通过科尔沁沙地各旗县水资源公报获取各旗县水资源量,并对其进行空间化和重采样分辨率至30m。

(4)土壤侵蚀数据。收集整理第一次全国水利普查数据(http://www.mwr.gov.cn/),获得空间分辨率为30m的重度侵蚀和中度侵蚀数据(获得2005—2010年统计的数据,因侵蚀数据变化较小,因此代表5期数据),对数据进行空间可视化和重采样分辨率至30m。

(5)环境质量数据。由内蒙古统计年鉴获取2000、2010、2015和2020年的各旗县化学需氧量、氨氮、二氧化硫、烟(粉)尘和氮氧化物排放量数据,并对其进行空间化表达,获得空间分辨率为30m的数据(1990年数据由于年代久远未获取,由2000年数据代替)。

(6)气象数据。基于2472个地面台站获取研究区降水、气温和辐射数据(数据来源于中国气象网(http://data.cma.cn/)),对数据进行栅格计算、裁剪和空间化,获得空间分辨率为30m的5期气象数据[32]。

1.3 评估方法

(1)根据《生态环境状况评价技术规范》(HJ/T192—2015)的规定,生态环境状况可通过生态环境状况指数进行评价,该指数由6个分指数和20个分指标构成。基于层次分析法获取生态环境状况评价指标体系各分指数和分指标的权重,具体信息如表1所示。

表1 生态环境状况评价指标体系及其权重

运用生态环境状况指数法,以分指标作为基础数据,通过计算求得分指数,再由分指数经过加权计算求得生态环境状况指数(EI),计算方法如表2所示。

表2 评价指标计算公式

(2)根据生态环境状况指数,将科尔沁沙地生态环境分为5级。若“EI≥75”,则级别为“优”；若“55≤EI<75”,则级别为“良”；若“35≤EI<55”,则级别为“一般”；若“20≤EI<35”,则级别为“较差”；若“EI<20”,则级别为“差”。

(3)根据科尔沁沙地的生态环境状况指数变化,将变化幅度分为4级。若“|ΔEI|<1”,则级别为“无明显变化”；若“1≤|ΔEI|<3”,则级别为“略微变化”；若“3≤|ΔEI|<8”,则级别为“明显变化”；若“|ΔEI|≥8”,则级别为“显著变化”。

(4)植被覆盖、降水量与生态环境状况指数的相关性

根据计算EI与生态环境状况指标因素和气候因素之间的关系,进一步研究EI与植被覆盖、降水量的相关性。建立研究区各像元与植被覆盖、降水量的线性关系模型,以此计算各像元EI与植被覆盖、降水量间的相关系数,具体公式如下：

(1)

2 结果与分析

2.1 土地覆被时空格局演变特征

1990、2000、2010、2015、2020年科尔沁沙地土地覆被遥感分类结果如图3所示。利用野外验证点对土地覆被分类结果进行精度验证,结果显示总体精度为89.02%,Kappa系数达0.85,除湿地类型外其余类型制图精度均达80%以上,分类精度较高(表3)。

表3 2015年土地覆被分类精度验证混淆矩阵

图3 1990—2020年科尔沁沙地土地覆被空间格局

科尔沁沙地的土地覆被类型主要由草地、耕地、森林、裸地、湿地和建设用地组成。其中,草地面积最大,约占研究区总面积的44.58%,集中分布于西部的克什克腾旗、北部的巴林右旗和东部的阿鲁科尔沁旗；耕地次之,约占全区总面积的29.43%,主要分布于研究区南部的宁城县和赤峰市。此外,森林主要分布在北部的扎鲁特旗和东部的喀喇沁旗、宁城县,面积占全区的16.83%；裸地主要分布在该区中部的翁牛特旗。

综合考虑研究区植被覆盖类型面积变化情况与研究区生态环境保护工程实施时间节点(2000年开始实施各项生态环境保护工程),可将研究区生态环境状况分为3个阶段：实施前期—生态退化时期(1990—2000年)、实施中期-生态恢复时期(2000—2010年)和实施后期—生态平稳时期(2010—2020年)。对科尔沁沙地生态环境保护工程实施前后的土地覆被类型进行空间叠置分析可知(图4)：在生态退化时期,草地减少1683.56 km2,耕地增加1987.17km2,湿地减少709.26 km2,农田开垦导致草地大面积减少,生态环境状况逐步恶化；在生态恢复时期,森林增加499.78km2,草地减少525.10 km2,耕地增加375.58 km2,生态环境退化得到了明显遏制；在生态平稳时期,湿地增加34.44 km2,相对于生态退化时期环境恶化趋势变缓,生态环境状况得到改善。

图4 1990—2020年科尔沁沙地土地覆被类型面积变化

从土地覆被动态变化结果可以看出,该区域维系生态系统服务的重要覆被类型为草地和湿地,两种类型对于改善生态环境状况、提升生态系统功能起决定性作用。

2.2 生态环境状况评价指标变化

计算1990—2020年科尔沁沙地5期生态环境状况分指数,结果如表4和图5所示。1990—2020年科尔沁沙地土地胁迫指数呈逐年上升趋势,表明在研究时段内科尔沁沙地生境质量降低,土地质量遭受胁迫程度上升。生境质量指数、植被覆盖指数与水网密度指数均呈先下降后上升的趋势,2000年植被覆盖指数达到最小值49.64,在之后的20年间植被覆盖度逐年上升,比1990年上升了3.49；水网密度指数整体较小,30年间共减小0.67,反映科尔沁沙地水资源匮乏,且日渐严峻。污染负荷指数有所上升,在2010年达到最小0.9。科尔沁沙地环境限制指数除2015年和2020年为-1.00外,其余年份均为0。

表4 1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况指数

2.3 科尔沁沙地生态环境状况综合评估

利用各分指标结果计算得到科尔沁沙地在1990、2000、2010、2015、2020年生态环境状况分级图和等级面积所占百分比(图6、图7)。1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级总体由优转为良,生态环境状况处于优等级的面积减少(-3.03%)。生态环境状况等级为优的区域面积变化情况如下：1990—2000年(生态退化时期)明显减少(-23.76%),优等级面积减少区域分布在各个旗县,其中克什克腾旗、阿鲁科尔沁旗、扎鲁特旗和巴林右旗下降最为明显,减少面积均在5203.55km2以上；2000—2020年整体呈现增加趋势(20.72%),由良转化为优；其中在生态恢复时期(2000—2010年),除霍林郭勒市和开鲁县外,其余旗县均呈现增加趋势；在生态平稳时期(2010—2020年),只有10%的旗县呈现减少趋势。

图6 1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况分级

图7 1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级面积百分比

1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级为良的面积总体呈现增加趋势(5.63%)。生态环境状况等级为良的区域面积变化情况如下：1990—2010年为增加趋势(15.49%),在生态退化时期增加区域主要位于克什克腾旗和阿鲁科尔沁旗,主要由优等级的区域转化而来；在生态恢复时期增加区域主要位于科尔沁左翼中旗和敖汉旗,由一般转为良。

1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级为一般的面积总体呈现减少趋势(-3.27%)。生态环境状况等级为一般的区域面积变化情况如下：在生态退化时期(1990—2000年),除克什克腾旗外其余旗县均呈现增加趋势,生态环境状况等级由优和良转为一般；在生态恢复时期(2000—2010年),除霍林郭勒市外其余旗县均呈现减少趋势,生态环境状况等级主要由一般转为良。

1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级为较差的面积总体呈现增加趋势(0.67%)。生态环境状况等级为差的区域面积变化情况如下：在生态退化时期(1990—2000年)所有旗县均呈现增加趋势,其中科尔沁左翼后旗增加最为明显(639.36km2),由一般转化为较差；在2000—2020年,大多数旗县呈现减少趋势,大多由较差转为一般。

科尔沁沙地生态环境状况等级为差的面积变化差异不大。在1990—2020年总体呈现减少趋势。其中在生态退化时期(1990—2000年)减少最为明显(-2.90km2),减少区域位于克什克腾旗。

结合研究区土地覆被空间分布数据可知,生态环境状况为优的区域以草地和林地为主,人类开发利用程度较低,对自然环境影响相对较少,因此生态环境状况相对优越。生态环境状况为较差的区域多为植被覆盖度低的土地覆被类型,水源涵养能力低，自然环境相对较差。

依据生态环境状况指数分级标准,得到生态环境状况指数评价结果(表5)。1990—2020年科尔沁沙地生态环境状况等级由“优”变“良”的过程,其中1990年为“优”,其余年份均为“良”。生态环境状况指数整体先减小后增加,2000年达到低值(70.2),自2000年后生态环境状况指数逐步上升,至2020年生态环境状况指数为良(74.7),表明生态环境状况呈稳中向好的态势发展。

表5 科尔沁沙地生态环境状况指数及其分级

根据科尔沁沙地生态环境状况变化幅度,综合生态环境状况变化度结果(表6),1990—2020年间,科尔沁沙地ΔEI为-0.49,说明2020年与1990年相比生态环境质量还存在一定差距。各个时间段内ΔEI分级各不相同,生态退化时期(1990—2000年)、生态恢复时期(2000—2010年)和生态平稳时期(2010—2020年)3个时段内ΔEI分别为-4.99、3.31和1.19,生态环境状况变化度分级分别为明显变差、明显变好和略微变好；3个时段内ΔEI平均每年分别为-0.50、0.33和0.12。由此可知,2000年后,生态环境保护工程实施后该区域生态环境状况得到有效改善。

表6 生态环境状况变化度及其分级

2.4 各旗县生态环境状况综合评估

30年来,科尔沁沙地各旗县的生态环境状况指数均呈现先下降后上升趋势。1990—2000年生态环境状况明显变差,2000年生态环境保护工程实施后,生态环境状况呈现变好的趋势(图8)。

图8 1990—2020年科尔沁沙地各旗县生态环境状况指数

1990—2020年生态环境状况指数均为优等级的旗县为喀喇沁旗、宁城县、巴林左旗、扎鲁特旗、克什克腾旗和林西县,这些区域植被覆盖度均较高。生态环境较差的旗县有通辽市、科尔沁左翼中旗、开鲁县和翁牛特旗,生态环境状况指数均在66以下,这些区域建设用地与裸地面积所占比例均较大,植被覆盖度较低。

2.5 生态环境状况影响因素分析

为分析科尔沁沙地生态环境状况与外部压力和气候数据间的相关关系[33],对生态环境状况与国内生产总值、人口、气温、降水和辐射等因素进行相关性分析。由表7可知：相关性最大为降水[34],Pearson相关系数分别为0.96(P=0.05)。由此可知,科尔沁沙地生态环境状况与年总降水量呈显著正相关；与人口数量呈现负相关；与其余因素呈正相关。因此,科尔沁沙地的生态环境状况受降水量影响较大(图7)。

表7 Pearson相关性系数

在像元水平上,将降水与生态环境状况指数做相关分析,求得相关系数,并统计得到各相关系数所对应像元数。降水和生态环境状况指数呈现显著正相关的区域分散在整个科尔沁沙地,占总面积的63.43%(图9)。可以看出,降水直接影响科尔沁沙地生态环境状况的变化。

图9 降水与EI相关系数及频数分布

3 讨论与结论

本论文旨在运用遥感和GIS手段对科尔沁沙地进行生态环境状况进行评价,分析科尔沁沙地1990—2020年的生态环境状况和变化趋势。了解科尔沁沙地的生态环境状况变化特征,评价生态环境保护工程对科尔沁沙地生态环境的影响,为未来科尔沁沙地治理和生态环境保护政策提供科学依据。研究表明,科尔沁沙地的生态环境状况呈现先变差再转好的趋势,整体可分为3个阶段：1990—2000年生态环境状况明显退化,为生态退化时期；2000—2010年生态环境状况逐步改善,为生态恢复时期；2010—2020年生态环境状况稳中向好,为生态平稳时期。

历史上,科尔沁草原为水草丰茂、河川众多的地方。到20世纪中后期,因受到历史、人为、气候等因素的影响,科尔沁沙地的生态环境状况受到严重破坏,区域内的新开河和西辽河等主要河流相继断流,地下水位持续下降,草场相继退化沙化,沙尘暴肆虐,科尔沁草原逐渐转变为科尔沁沙地。同时,由于人口增长、城市扩张造成大面积的草地、林地转化为建设用地和农田,植被覆盖度显著下降,草地承载力逐步下降,生态环境状况趋于退化[35]。2000年之后,国家相继实施了“三北”防护林项目[36—37]、“退耕还林还草”项目[38—39]、公益林保护项目等一系列重点生态工程,后期又实施了“收缩转移战略”政策和“5820”工程等综合治理工程,加大了防沙治沙力度,实施了生物多样性保护和土地利用规划。生态保护工程的实施使得该区域的植被覆盖程度明显提升,对生态环境起到了明显的改善作用。由此说明,政策因素是该区域生态环境变化的主要驱动力之一。

综上所述,30年间水资源和植被与科尔沁沙地生态环境状况呈显著正相关关系。在生态工程实施后,实现了从“沙进人退”到“人进沙退”。流动沙丘和风沙逐渐被遏制。人们实现了“沙里淘金”,以沙地资源为依托的森林旅游等产业持续发展,科尔沁草原恢复了它的底色,部分沙地逐渐转化为林地、草地。尽管科尔沁沙地生态环境状况得到了有效改善,但生态环境脆弱性问题仍较为突出,需继续加大治理力度。为了巩固生态工程的治理成效,政府和相关部门需明确提出城镇、农业和生态空间发展布局；实施严格的水资源管理制度,建设节水型社会；落实禁牧休牧、草畜平衡政策,巩固生态建设成果。