基于GIS和GS的黑龍江省生態質量氣象評價

王 利，于成龍

（1.漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300；2.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱150030）

基于GIS和GS的黑龍江省生態質量氣象評價

王 利1，于成龍2

（1.漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300；2.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱150030）

利用黑龍江省2009年氣象數據、EOS/MODIS遙感資料、全省DEM數據及相關統計數據，基于GS和GIS技術，從氣象對生態質量影響的角度出發，對黑龍江省2009年的生態質量進行綜合評價，以期為黑龍江省生態監測的全面開展和生態評估系統的建立提供一定的技術方法和理論參考。結果如下：2009年黑龍江省大部分縣（市）的濕潤指數在1及1以上；年平均植被覆蓋度在20%～40%之間；水體密度較低，大部分縣（市）的水體密度低于0.01；有67.50%的縣（市）發生了不同種類、程度的氣象災害，其中旱災的影響范圍最廣；土壤侵蝕強度以微度為主，占全省土地面積的89.07%。綜合分析得出，黑龍江省2009年度生態質量綜合評價指數在16～66之間，其中25.00%的市（縣）生態質量表現為較差，62.50%的市（縣）生態質量表現為一般，12.50%的市（縣）生態質量表現為良。

GIS；黑龍江省；生態質量氣象評價

1 引言

生態環境是人類生存和發展的基本條件，是經濟、社會發展的基礎[1]，許多學者[2-4]通過不同途徑，利用多種手段，從各個角度研究人類所面臨的生態環境問題，生態質量評價的方法很多，例如Andrew等人[5]利用傳統氣象模型，分析氣候變化和人類活動對河流生態質量的影響；國慶喜等[6]根據景觀分類圖、各景觀類型的屬性數據庫及1997年186個樣地系統空間抽樣數據，建立2個層次的生態評價指標體系，對保護區進行生態質量評價；肖榮波等[7]利用3S技術對城市綠地生態質量進行監測、對綠地景觀格局及其動態進行分析等研究。但基于生態學、地理學、可持續發展等理論體系上的區域生態環境質量評價尚不成熟，至今尚沒有一種完善、成熟并能得到廣泛推廣應用的評價方法。本研究所涉及的生態質量氣象評價是從氣象對生態質量影響的角度選定指標體系和質量標準，運用恰當的方法評價某一區域生態質量的優劣及其相互影響，從氣象角度對區域生態質量進行評價，近年來，一些研究者在該領域開展研究，取得了一些成果[8，9]，雖然研究方向相近，但研究方法和評價指標各異。

本研究基于GIS和GS技術，參照中國氣象局《生態質量氣象評價規范（試行）》中的計算方法和評價指標，利用黑龍江省各氣象站觀測資料、EOS/MODIS遙感監測資料、全省DEM數據及相關統計數據，從濕潤狀況、植被狀況、水體密度、災害情況、土地退化狀況5個方面，以2009年為例，對該省生態質量進行綜合的氣象評價。以期為黑龍江省生態監測的全面開展和生態評估系統的建立提供較為科學的技術方法和理論參考。

2 研究區域概況

黑龍江省位于中國的東北部，介于 121°11′～135°05′E，43°26′～53°33′N 之間，全省土地面積 47.4 萬 km2，占全國總面積的4.7%，地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺地、平原和水面構成。該省處于溫帶東亞季風區的北部，雨熱同季，氣溫年較差與日較差變化較大，氣溫緯向變化明顯，隨著緯度增高而氣溫降低，濕度經向變化明顯，由東向西遞減，依次出現東部山地濕潤帶、中部丘陵和臺地的半濕潤帶、西部平原的半干旱帶。全省年平均氣溫為-6～4℃，年平均降水量400～600 mm，蒸發量900～1 900 mm，由南向北遞減，年日照時數一般在2 300～2 800 h。

3 研究方法

3.1 濕潤指數

濕潤指數能較客觀地反映某一地區的水熱平衡狀況。計算方法如下：

式中，K--濕潤指數；R--月平均降水量；ET--潛在蒸散量

式中，ETi--月潛在蒸散量 （mm）；di--月天數；Ui--月平均風速（m/s）；WOi--在溫度為 ti時的飽和水氣壓（mmHg）；hi--月平均相對濕度；Pi--月平均氣壓（mb）；ti--月平均氣溫（℃）

當K＜1時，表示大氣降水少于植被生理過程需水量；當K=1時，表示該區域大氣降水與植被生理需水達到平衡；當K＞1時，表示大氣降水大于植被生理過程需水量，降水條件不成為生理需水的限制因子。

3.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是生態狀態的重要表征之一。通過EOS/MODIS資料計算出的歸一化植被指數（NDVI）后，再計算植被覆蓋度，公式如下：

式中：N--植被覆蓋指數，NDVI--歸一化植被指數，NDVI0--裸地像元NDVI，NDVIS--全植被覆蓋像元的NDVI。

本研究通過計算2009年全省旬NDVI值，尋找全省具有代表性的落地，提取NDVI，然后計算其平均值，即上式的NDVI0=0.20。計算NDVIS的方法是找到全省4～10月NDVI的最大值，即上式的NDVIS=0.90，從而得到黑龍江省的植被覆蓋度計算公式為：

式中：H--單位區域植被覆蓋度，Ni--像元的植被覆蓋指數，Si--像元面積，S--單位區域面積，本研究以行政縣為單位區域。

3.3 水體密度指數

水體密度指數是區域水體狀況的重要表征之一，是單位區域水域面積與單位區域面積之比，其中水域面積包括河流、湖泊、水庫等水體面積。

3.4 土地退化指數

本研究參照水利部發布的行業標準 《土壤侵蝕分類分級標準》SL 190-96，對土壤侵蝕強度進行分級，然后按照下式計算土地退化指數：

3.5 災害指數

災害指數是指評價區域內遭受氣象災害的面積占被評價區域面積的比重。計算公式為：

3.6 綜合評價指數

本研究采用生態綜合評價指標來評價生態質量的好壞，根據評價單元各單項評價指標值及各單項指標權重值，采用加權求和方法計算綜合評價指標值，公式如下：

式中：Pi--i區域的生態綜合評價指數，Wi--i區域第j項指標的權重值，Yij--i區域第j項指標值。

4 結果與分析

4.1 濕潤狀況

根據黑龍江省80個氣象測站的氣象觀測資料分析，2009年全省平均氣溫為2.35℃，較常年低0.62℃；降水量為511.31 mm，與常年相比基本持平；無霜期平均148 d，與常年相比基本持平；≥10℃積溫為2 650.14℃，較常年低39.73℃。從分布上看，2009年平均氣溫普遍偏低，除饒河、雞東、綏棱、青崗的年平均氣溫比常年高0.03～0.37℃外，全省其他大部分地區的年平均氣溫比常年同期低0.01～3.40℃，其中黑河、呼瑪的年平均氣溫比常年同期低3℃以上。2009年降水分布不均，全省66.23%的縣（市）的年降水量低于常年，其中五常縣的年降水量偏低243.80 mm，哈爾濱市大部、牡丹江地區大部、肇州、肇東、雞西、杜爾伯特和嫩江的年降水量偏低100 mm以上。

運用濕潤指數綜合評價黑龍江省2009年的濕潤狀況。分析濕潤指數分布圖（圖1a）可見，全省大部分縣（市）的濕潤指數在1及1以上，低于1的縣（市）主要分布于全省的南部及西部。說明從全年的角度看，水分未成為全省限制植被生長的不利條件。

4.2 植被覆蓋狀況

本研究利用植被覆蓋度來表征黑龍江省2009年的植被覆蓋狀況（圖1b），分析可見，全省絕大部分縣（市）的年平均植被覆蓋度在20%～40%之間，其中大、小興安嶺及東部山地的植被覆蓋度在30%～40%。而大慶地區的年平均植被覆蓋度低于20%。

4.3 水體狀況

利用EOS/MODIS衛星的250 m分辨率遙感資料獲取2009年全省各市（縣）最大水體面積，后再計算水體密度指數。從圖1c可見，黑龍江省2008年度各市（縣）水體分布差異較大，只有密山的水體密度指數＞0.05，哈爾濱市呼蘭區、嘉蔭、杜爾伯特蒙古族自治縣、大慶、安達、綏濱、呼蘭等地的水體密度指數在0.01～0.05之間，其它縣（市）的水體密度低于0.01。

4.4 災害狀況

2009年發生在全省的主要氣象災害有干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風、雪災和雷擊，其中以旱災為重，達303萬hm2，干旱范圍遍及全省，其中重旱區分布于齊齊哈爾、大慶、綏化、佳木斯、雙鴨山地區及哈爾濱、伊春部分縣（市），發生時間主要在5月份。

從災害指數分布圖上看（圖1d），全省有67.50%的縣（市）發生了不同種類、程度的氣象災害，主要分布于該省的西部、中部及東部。從災害程度看，饒河縣和集賢縣的災害指數較高，原因是饒河縣在5月份全縣發生了重旱，在7月18日又發生的洪澇災害，受災面積達39 733.4 hm2；集賢縣的災害主要是5月份發生全縣范圍的重旱。

4.5 土地退化

利用土壤水力侵蝕強度來表征黑龍江省2009年的土地退化狀況。圖1e為利用2009年全年平均植被覆蓋度和地形數據，依據《土壤侵蝕分類分級標準》的分級方法，對該年全省的土地水力侵蝕進行從微度侵蝕到強度侵蝕的分級，圖中可見，全省存在4個級別的土壤水力侵蝕強度，以微度為主，占全省土地面積的89.07%；其次是輕度侵蝕，占10.61%；中度和重度侵蝕較少，只占0.32%。

圖1 綜合評價模型的各指數空間分布

以縣為單位計算土地退化指數，見圖1f。分析可見，全省主要林區，即大興安嶺、小興安嶺東部、東部山地的土地退化指數普遍高于平原地區，原因是山地的坡度較大，即使常年有植被覆蓋，但年平均植被覆蓋度與平原地區相差不大，因此山區的土地退化指數較平原高。

4.6 生態質量綜合評價指數

采用生態質量綜合評價指數來評價2009度黑龍江省生態質量，并根據生態質量評價分級標準（見表1）進行分級。結果可見圖2，2009年全省生態質量綜合評價指數在16-66之間，其中鶴崗、林口、塔河、密山、海林、漠河、伊春、嘉蔭、呼瑪、鐵力的生態質量為良好，占全省參加評價市 （縣）數量的12.50%；有25.00%的市（縣）生態質量為較差，主要分布在全省的西部地區；其它62.50%的市（縣）生態質量為一般。

圖2 2009年度黑龍江省生態質量綜合評價指數分布圖

表1 生態質量評價分級標準

5 結論

針對目前生態質量評價尚無一種完善、成熟的方法，考慮到影響生態質量的因素多為氣象因子，本研究從氣象對生態質量影響的角度出發，參照中國氣象局《生態質量氣象評價規范》中的計算方法和評價指標，從濕潤狀況、植被狀況、水體密度、災害情況、土地退化狀況5個方面，對黑龍江省2009年的生態質量作綜合評價，結論如下：

從濕潤狀況看，2009年黑龍江省平均氣溫為2.35℃，較常年低0.62℃；降水量為511.31 mm，與常年相比基本持平；≥10℃積溫為2 650.14℃，較常年低39.73℃；全省大部分縣（市）的濕潤指數在1及1以上，低于1的縣（市）主要分布于我省的南部及西部，從全年的角度看，水分未成為我省限制植被生長的不利條件。

從植被狀況看，全省絕大部分縣（市）的年平均植被覆蓋度在20%～40%之間，其中林區的植被覆蓋度大于農區和牧區。

從水體密度角度看，黑龍江省水體密度較低，大部分縣（市）的水體密度低于0.01，只有密山的水體密度指數＞0.05，哈爾濱市呼蘭區、嘉蔭、杜爾伯特蒙古族自治縣、大慶、安達、綏濱、呼蘭等地的水體密度指數在0.01～0.05之間。

從氣象災害角度看，2009年全省災害有干旱、暴雨洪澇、冰雹、大風、雪災和雷擊，全省有67.50%的縣（市）發生了不同種類、程度的氣象災害，主要分布于該省的西部、中部及東部，其中旱災的影響范圍最廣。

從土地退化角度看，全省土壤侵蝕強度以微度為主，占全省土地面積的89.07%。

綜合分析得出，黑龍江省2009年度生態質量綜合評價指數在16～66之間，其中25.00%的市（縣）生態質量表現為較差，62.50%的市（縣）生態質量表現為一般，12.50%的市（縣）生態質量表現為良。

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S16

A

1002-252X(2010)03-0021-03

2010-6-6

王利（1963-），男，黑龍江省青岡縣人，西南大學，本科生，工程師.