中国生态环境敏感区评价，本文主要内容关键词为：生态环境论文,中国论文,敏感论文,评价论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2015-01-23。 中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1000-3037(2015)10-1607-10 DOI：10.11849/zrzyxb.2015.10.001 近年来，随着工业化和城镇化的快速发展，人类对自然环境的影响范围和强度都在不断加大，生态系统退化依然严重，由此引发的生态环境问题，如土地沙化、水土流失、石漠化等也日益突出。根据第一次全国水利普查水土保持普查成果[1]，全国现有土壤侵蚀总面积294.91×
，占国土面积的30.72%。其中，水力侵蚀面积129.32×
，风力侵蚀面积165.59×
。这些生态环境问题严重地威胁着人类的生存环境和区域社会经济的可持续发展[2-3]。为强化生态保护，预防和整治生态环境问题，国务院“关于加强环境保护重点工作的意见”[4]和《中华人民共和国环境保护法》修订案[5]明确指出在重点生态功能区、生态环境敏感区和生态脆弱区划定生态保护红线，实施更加严格的生态保护措施。 开展生态环境敏感性评价，识别出敏感程度高的区域，可以为生态环境敏感区的保护红线划定提供科学基础。生态敏感区是指对区域总体生态环境状况起决定作用的生态实体，这些实体要么易发生生态灾害，要么具有较强的抗干扰能力，要么拥有重要的生态服务功能，是空间开发中应该避让的区域[6-7]。生态敏感区评价实质就是对区域中各类不同的生态敏感区进行明确的辨识，并进一步归纳综合落实到各个具体的评价单元上，以说明区域内每个评价单元发生生态失衡与潜在环境问题的总体概率及危害程度[7]。生态环境敏感性高的区域，当生态系统遇到干扰时，极易产生生态环境问题，是生态环境保护和恢复建设的重点地区[8]。 当前，针对我国生态环境问题的研究，已经取得了大量研究成果[9-16]，但缺乏在全国尺度上对多种生态环境问题的综合研究[2]，且研究结果直接应用于国家或区域生态系统综合管理的成果更少。本研究借助遥感和GIS技术，针对陆地生态系统土地沙化、土壤侵蚀和石漠化等典型生态问题，构建评价指标和评价模型，开展生态环境敏感性综合评价。定量揭示中国陆地生态环境敏感程度和地域分布差异，并划定生态环境敏感区的保护红线控制区域，以期为改善生态环境敏感区环境质量和制定严格的管控制度奠定科学基础。 1 数据与方法 1.1 数据收集与处理 遥感数据：覆盖全国的2000-2010年MODIS13Q1数据，来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品(http://e4ft101.cr.usgs.gov)，空间分辨率为250 m×250 m，时间分辨率为16 d。由于MODIS/NDVI产品经过水、云、重气溶胶等处理，保证了数据质量，加之较高的空间分辨率，被广泛应用于区域植被覆盖变化研究。首先，使用MRT(MODIS Reprojection Tools)将下载的MODIS NDVI进行格式和投影转换；然后，为消除异常值的影响，采用最大合成法(Maximum Value Composites，MVC)合成月NDVI数据，进而将月NDVI数据合成年最大NDVI影像；最后，利用研究区边界裁切NDVI数据，获取全国2000-2010年逐年及逐月NDVI影像。 气象数据：全国2000-2010年降雨量、温度、风速和大风日数资料来源于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面气候资料数据集(http://cdc.cma.gov.cn/)。数据内容包括全国各个气象站点的编号、经纬度和海拔，以及每个气象站点在相应分析时间尺度内的降雨量(0.1 mm)、温度(0.l℃)、风速(0.1 m/s)。根据各气象站点的经纬度信息，采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模块对气象数据进行Kriging空间插值，获取与NDVI数据像元大小一致、投影相同的气象数据栅格图像。 高程数据：基于1∶25万数字高程模型(DEM)提取坡度、坡长、地形起伏度数据。 土壤数据：土壤质地数据来源于中国科学院南京土壤研究所的中国1∶100万土壤数据库。土壤属性数据库包括土壤表层粘粒、粉沙、沙粒、有机质含量等属性字段。 其他数据：1∶50万地质岩性图，用于提取岩溶分布地区。 本研究中所用数据均统一转换成双标准纬线等面积圆锥(Albers)投影，采用的椭球体为Krasovsky椭球体，栅格单元大小为250 m×250 m。 1.2 生态环境敏感性评价方法 1.2.1 土地沙化敏感性评价方法 土地沙化主要受气候干燥程度影响，表现在气候干燥，植物生长困难，地表植被覆盖度低，地表裸露，干燥气候减慢了地表土壤形成过程，使地表结构分散，易受风蚀，土壤的风蚀沙漠化能力与土壤水分含量成正[13]。参照《生态功能区划技术暂行规程》[17]，选取干燥度指数、≥6 m/s起沙风天数、土壤质地、植被覆盖度等评价指标。干燥度指数采用修正的谢良尼诺夫公式[18]计算；根据刘连友等[19]研究结果，沙质壤土、壤质沙土和固定风沙土的起动风速分别为6.0、6.6和5.1 m/s，本研究选用冬春季节大于6m/s起沙风天数指标评价土地沙化敏感性；土壤质地数据通过1∶100万土壤数据获取；植被覆盖度信息提取是在对光谱信号进行分析的基础上，通过建立归一化植被指数与植被覆盖度的转换关系，直接提取植被覆盖信息[20]。各项指标采用综合自然分界法(Natural break，ArcGIS的这种分类方法是利用统计学的Jenk最优化法得出的分界点，能够使各级的内部方差之和最小)与专家知识确定指标分级赋值标准(表1)。
利用ArcGIS的空间分析功能，将各单因子敏感性影响分布图进行乘积运算，得到土地沙化敏感性等级分布图，公式如下：
式中：
为i空间单元土地沙化敏感性指数；
分别为i评价单元的干燥度指数、起沙风天数、土壤质地和植被覆盖敏感性等级值。 1.2.2 土壤侵蚀敏感性评价方法 参照《生态功能区划技术暂行规程》[17]，根据通用水土流失方程的基本原理，选择降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度因子以及地表植被覆盖因子评价指标。根据王万忠等[21]利用降水资料计算的中国100多个城市的降雨侵蚀力值，采用内插法绘制降雨侵蚀力分布图；采用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型[22-23]计算K值，该模型在土壤侵蚀预测模块中采用土壤有机碳和粒径组成资料来估算土壤可蚀性K值；坡度、坡长是反映地形对土壤侵蚀影响的两个因子，坡度是主要影响因子，一般来说，在其他条件相同的情况下，＞35°的坡地土壤侵蚀量最大[17]，坡度根据研究区数字高程模型(DEM)在GIS系统下直接生成与分级；利用植被指数提取植被覆盖度信息。各项指标综合采用自然分界法与专家知识确定指标分级赋值标准(表2)。
利用ArcGIS的空间叠加功能，将上述各单因子敏感性影响分布图进行乘积计算，得到土壤侵蚀敏感性等级分布图，公式如下：
1.2.3 石漠化敏感性评价方法 石漠化是指在热带、亚热带湿润地区岩溶及其发育的自然背景下，由于人类活动的干扰，地表植被遭受破坏，造成土壤严重侵蚀，基岩大面积裸露，砾石堆积，地表呈现似荒漠化景观的土地退化乃至消失的现象。石漠化敏感性评价是为了识别容易产生石漠化的区域，评价石漠化对人类活动的敏感程度。根据石漠化形成机理，选取碳酸盐出露面积百分比、地形坡度和植被覆盖度因子构建石漠化敏感性评价体系。各项指标采用综合自然分界法与专家知识确定指标分级赋值标准(表3)。
利用ArcGIS的空间叠加功能，将各单因子敏感性影响分布图进行乘积计算，得到石漠化敏感性等级分布图，公式如下：
1.2.4 生态环境敏感性综合评价方法 综合敏感性评价涉及诸多评价因子，任何因子受影响的程度一旦超过阈值，整体生态系统将受到严重的破坏。为了突出生态环境问题的敏感性，在对多个生态环境问题进行综合评价时，采取极大值法，即取各因子敏感性评价结果中的最大值进行综合评价[8]：
式中：I为综合敏感性评价结果。 1.3 生态红线划定及命名方法 基于生态环境敏感性综合评价结果，采用自然分界法将多因子敏感性综合评价结果分为5级(表4)，并将敏感性程度最高的极敏感区划为生态保护红线区，红线边界采用趋势面分析和专家知识方法确定。生态红线区命名采取“自然地理单元+主导生态功能预防+红线区”的命名方式，例如“毛乌素沙地土地沙化预防红线区”。
2 结果与分析 2.1 土地沙化敏感性 土地沙化以轻度敏感和不敏感区为主(表5)，分别占国土面积的41.3%和34.5%；其次是中度敏感和高度敏感区，分别占11.7%和8.3%；极敏感区面积最小，所占比例为4.3%。空间上，敏感性程度高的区域分布在我国干旱与半干旱地区的主要沙漠边缘和沙地[图1(a)]。沙漠边缘主要包括古尔班通古特、塔克拉玛干、巴丹吉林、腾格里沙漠的边缘，这些区域生态脆弱，沙漠植被一旦破坏就会引起沙丘活化、流沙再起等，极易造成土地退化；沙地主要位于北方半湿润半干旱的林草交错带与农牧交错带，具体包括呼伦贝尔、科尔沁、浑善达克、毛乌素沙地等，这些区域降水年际变化大，对人类活动极其敏感。高度敏感区主要位于天山山脉南部、古尔班通古特沙漠西部和东北部、柴达木盆地南部、青藏高原西北部、河套平原、阴山山脉东北部等，这些区域气候干燥，大风日数多，土壤质地多为沙质且植被覆盖低，容易发生沙化。中度敏感区主要分布在准噶尔盆地北部、吐鲁番盆地、塔里木盆地南部、柴达木盆地东北部、青藏高原中部、祁连山东北部、阴山山脉南部、大兴安岭至科尔沁沙地过渡带等。轻度敏感区位于青藏高原东南部、大兴安岭北部森林与草原过渡区以及东南沿海地区等。其余为土地沙化不敏感地区。
图1 土地沙化、土壤侵蚀、石漠化、综合生态敏感性及23个重点生态红线区分布 Fig.1 Sensitivity assessment of land desertification,soil erosion,rocky desertification,integrated eco-environment and spatial distribution of 23 important ecological redline areas in China 2.2 土壤侵蚀敏感性 土壤侵蚀以轻度敏感和不敏感区为主(表5)，分别占国土面积的37.7%和33.8%；其次是中度敏感和高度敏感区，分别占13.7%和9.1%；极敏感区面积最小，所占比例为5.8%。受降水强度和地质条件空间差异影响，极敏感区主要分布在藏东南、横断山河谷区、三峡库区、大别山地、罗霄山地、皖南山区、仙霞岭-武夷山区、天山河谷地带和黄土高原丘陵沟壑区等[图1(b)]，这些区域降雨侵蚀力强，坡度较陡，土壤多为沙壤土或壤粘土，植被一旦破坏，极易发生水土流失。高度敏感区主要分布在西南山区、东南山区以及昆仑山脉的零星地区等，这些区域降水较集中，土质疏松，地形起伏较大，容易发生水土流失。中度敏感区集中分布于大小兴安岭、长白山地、太行山脉、西南低山、秦岭、祁连山、阿尔泰山等，这些区域虽多为山地，但降水侵蚀较小。西北部地区地形坡度大、土壤质地疏松，但年均降水量低于300 mm，土壤侵蚀为轻度敏感。东北平原、华北平原、长江中下游平原、四川盆地等地势平坦区域，植被保护较好，土壤侵蚀不敏感。 2.3 石漠化敏感性 石漠化敏感性以不敏感区为主(表5)，占国土面积比例为93.2%；其次是中度、高度和轻度敏感区，分别占国土面积的3.4%、1.6%和1.5%；极敏感区面积最小，所占比例为0.4%。空间上，极敏感区集中分布在贵州西部与南部、广西西部、云南东北部、四川西南部等；高度敏感区与极敏感区交织分布，主要分布在贵州中西部与南部、广西西北部与东部、云南东部、湖南中西部和广东北部等；中度敏感区分布在四川盆地周边、云南东部、贵州中部、广西中部、湖南南部、湖北西南部以及江西和湖北交界地区等；轻度敏感区分布零散；不敏感区主要为非碳酸盐或埋藏性可溶性岩分布地区[图1(c)]。 2.4 综合生态环境敏感性 综合生态环境敏感性以轻度敏感、不敏感和中度敏感区为主(表5)，分别占国土面积的27.1%、22.7%和22.0%；其次是高度敏感区，所占比例为17.8%；极敏感区面积最小，所占比例为10.4%。空间上，以风蚀为主的极敏感区分布在北方干旱半干旱地区的沙漠边缘和沙地，以水蚀为主的极敏感区分布在降水强度较大的西南、东南湿润地区以及环境异常脆弱的黄土高原丘陵沟壑区。高度敏感区位于阿尔泰山、天山、阴山南麓、科尔沁沙地以北、呼伦贝尔沙地、青藏高原西部、西南山地和东南山地等。中度敏感区位于吐鲁番盆地、祁连山脉、昆仑山北麓、柴达木盆地东南、青藏高原中部、秦岭、太行山、大小兴安岭和长白山。轻度敏感区主要位于沙漠、青藏高原西部、东北部山地和大小兴安岭西侧。不敏感区位于大小兴安岭、东北平原、华北平原、长江中下游平原、珠江三角洲和四川盆地等[图1(d)]。 2.5 重点生态红线区 基于全国生态环境敏感性综合评价结果，将敏感性程度最高的极敏感区划为生态红线控制区，初步在全国尺度上划定3大类和23个重点生态红线区[图1(d)、表6]，总面积为123.49×104
，约占国土面积的12.86%。其中，土地沙化预防红线区包含8个区域，土壤侵蚀预防红线区包含11个区域，石漠化预防包含4个区域(表6)。空间上，参阅中国综合自然区划方案[24]分析发现，全国生态保护红线区分布具有明显的地域分异特征，土地沙化预防红线区主要分布在西北干旱区的内蒙古草原与西北荒漠地区；土壤侵蚀预防红线区主要分布在东部季风区的华南湿润半湿润亚热带地区、华南湿润热带地区以及青藏高原区；石漠化预防红线区主要分布在西南湿润地区的碳酸盐岩出露地区。 3 结论与讨论 本文选取土地沙化、土壤侵蚀和石漠化等典型区域生态环境问题，构建敏感性评价指标与模型，开展生态环境敏感性综合评价，定量揭示中国生态环境敏感程度及其地域空间分布差异特征，并探索性提出生态环境敏感区的保护红线划定方法。 研究结果表明：①土地沙化以轻度和不敏感为主，受沙质土壤、气候干旱和大风等因素影响，敏感性等级高的区域主要位于西北干旱半干旱地区的主要沙漠边缘和沙地。②土壤侵蚀以轻度和不敏感为主，其次是中度和高度敏感；受降水强度和地质条件空间差异影响，潜在土壤侵蚀严重区域主要位于西南、东南湿润地区和黄土高原丘陵沟壑区。③石漠化以不敏感为主，石漠化易发生区域集中分布在西南喀斯特岩溶地貌区。④综合生态环境敏感性以轻度敏感、不敏感和中度敏感为主，敏感性等级高的区域主要位于北方干旱半干旱地区、西南湿润地区、东南湿润地区以及黄土高原丘陵沟壑区。⑤依据综合生态环境敏感性评价等级，将敏感性程度最高的极敏感区划为生态保护红线区，在全国尺度上初步划定3大类和23个重点生态红线区域，红线控制面积约占国土面积的12.86%。
本研究在基础数据处理过程中主要采用了遥感影像解译和GIS空间内插方法，研究结果精度会受到数据处理误差的影响，但仍然充分反映了生态环境敏感性的地域空间分异特征。23个重点生态红线区总体位于我国防沙治沙和水土保持工作的重点区域，其对于维护国家或区域生态安全及经济社会可持续发展具有关键作用，战略地位十分重要，必须实行严格保护。然而，目前全国尺度的生态保护红线划定工作刚刚起步，在技术层面应尽快明确生态保护红线的划分尺度与划分等级、提高数据准确性、辨识区域生态环境演变的驱动机制、合理确定边界等具体技术问题，为划定全国生态保护红线并实施长效监管奠定工作基础。
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