中國北方農牧交錯帶2000—2010年生態環境狀況分析

何立環，董貴華，王偉民，明 珠

1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京100012

2.深圳市環境監測中心站，廣東 深圳518049

北方農牧交錯帶是中國典型的生態環境脆弱區之一，又稱為農牧過渡帶，農牧脆弱區。在自然條件下，該區域以東南是濕潤半濕潤地區，地勢相對平坦，生態環境條件較優;而以西、以北分布著中國主要的高原和山地，地形復雜、生態脆弱。因此，這一地帶也是中國生態環境的一條重要的過渡帶和安全屏障帶［1-3］。由于受“重農輕牧”政策導向和長期形成的獨特“農業文化”影響以及“重生產輕生態”的實踐觀，農牧交錯帶區域各子系統出現大面積的農田和草地退化現象;退化草地和農田已經被證明是京津地區沙塵暴的源頭［4-5］。同時，農牧交錯帶具有明顯的不穩定性和敏感性，容易受外來干擾影響而發生變化，往往一個因素的變化或擾動會觸發多個因素“鏈式”反應，使生態系統發生根本性改變，而且這種改變往往是不可逆的、災害性的退化。因此，農牧交錯帶作為外界干擾信號的放大器，是研究全球變化的重要預警區，已經成為國內外學者研究的熱點之一［5-8］。在國家環境保護戰略從單純的污染防治向污染防治與生態并舉轉換的背景下，農牧交錯帶地區也成為國家生態保護的重點區域之一。《全國生態脆弱區保護規劃綱要》(環發［2008］92號)將農牧交錯帶作為環保部生態監管的重要區域;《全國生態功能區劃》(公告2008年第35號)有8個重要生態功能區與農牧交錯帶有關;《全國主體功能區》(國發［2010］46號)中有3個重點功能區與農牧交錯帶有關。但目前，中國的區域生態監測與評價還處于探索階段，生態環境評價處于研究階段，大多學者從生態系統服務價值、生態足跡、生態安全、生態風險、工程建設生態影響、景觀格局、植被覆蓋等方面分析農牧交錯帶生態狀況，缺少對交錯帶生態環境整體狀況的研究［8-14］。以中國北方農牧交錯帶為研究對象，在《生態環境狀況評價技術規范(試行)》(HJ/T 192—2006)基礎上，構建了反映區域生態生產力、生態功能支撐力、生態制約因子和生態脅迫因子的農牧交錯帶生態環境狀況評估體系，利用多源遙感數據、土地覆蓋數據、環境數據、氣象數據等多源數據綜合評估2000—2010年間該地區生態質量狀況及變化趨勢。

1 研究區概況

農牧交錯帶主要是指由于生產條件、生產方式以及生產目標的不同，在農業區與牧業區的銜接處，形成的獨特而重要的過渡交界面。這個過渡界面會隨著氣候變化發生一定的空間位移［14-17］。以高吉喜等［3］確立的農牧脆弱帶為研究區，行政區域涉及蒙、吉、遼、冀、晉、陜、寧、甘等8省區的98個縣區，面積50.1萬平方公里，屬干旱半干旱區，年降水量 300～450 mm，干燥度1.0～2.0。在這個過渡帶中，氣候、生物、土壤等自然條件以及人類生產生活方式、土地利用方式等，都表現出過渡性和波段性特點，生態結構不穩定，干擾性差，環境質量脆弱［3］。

2 基礎數據及處理

研究數據主要有:2000、2005、2010年 Landsat TM影像，均為2、3和4譜段組合假彩色影像。全部影像含云量小于10%，均經過精幾何糾正。

2000、2005、2010 年 MODIS NDVI數據，數據處理采用NASA推薦的標準處理方法，采用最大值合成法，由旬NDVI合成月NDVI。

2000、2005、2010 年土地生態數據，是在Landsat TM影像基礎上目視解譯獲得。

其他數據還有全國1∶25萬水系數據，水土流失數據，降雨量和水資源量數據，COD、SO2和固體廢物排放量等數據。

所有遙感數據和土地利用數據均處理成西安80坐標系，采用Albers等面積投影像，投影參數為南標準緯線為25°N，北標準緯線47°N，中央經線110°E，起始緯度12°N，中央經線偏差和起始點偏差均為0。環境數據和氣象數據等其他統計數據按照行政區域進行插值分析，形成與遙感數據相同坐標系和投影的空間數據，再利用Arc GIS的空間分析等功能進行相關統計分析。

3 評價方法

3.1 評價模型構建

生態環境的綜合性、層次性和復雜性決定了對其進行評價的難度，更難以形成統一的評價方法［18-26］。2006年3月，《生態環境狀況評價技術規范(試行)》(HJ/T 192—2006)頒布(以下簡稱規范)作為環保部門評估生態環境狀況的標準，同時也在生態評價中得到廣泛應用。以該規范為基礎，在科學性、可行性和整合性相結合的原則下，結合區域生態特征，從生態生產力，生物功能支撐、生態制約和生態壓力因子等方面，對評價方法進行一定的優化設計，技術路線見圖1。

圖1 農牧交錯帶生態環境評價模型技術路線

3.2 分指數模型

交錯帶生態環境質量利用生態環境狀況指數(EI)表示，EI的數值范圍0～100，包括生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數和環境質量指數5個因子［27］。植被覆蓋指數反映區域的生態生產能力;生物豐度反映區域生態功能的支撐能力;水分條件是區域生態質量的主要制約因子;土地退化和環境污染壓力是區域生態系統受到外界脅迫的整體反映［28］。各分指數權重根據主成分分析法和專家打分法相結合的方式進行調整，調整結果為

EI=0.35×生物豐度指數+0.25×植被覆蓋指數+0.15×水網密度指數+0.15×(100－土地退化指數)+0.1×環境質量指數［10］

根據區域特征和數據可獲得情況，對植被覆蓋指數、水網密度指數和土地退化指數的評估方法進行了優化。

3.2.1 植被覆蓋指數

規范中的植被覆蓋指數和生物豐度指數均以遙感提取的土地生態類型經過分層次權重綜合計算獲取，兩者在數據源和計算方法上有一定的重復性，而且植被覆蓋指數沒有評估沼澤濕地等區域的植被，具有一定的局限性。目前，MODIS NDVI是反映植被覆蓋情況的一個常用指標［26，29］，結合該區域植被生長周期特征，以及NDVI常用算法，采用5—9月的 NDVI月最大值的平均值進行分析［26，29］。計算公式為

式中，Pi是某象元5—9月 NDVI月最大值的均值，n為某縣域象元數，Area縣域指某縣域的面積，Abio為植被覆蓋歸一化系數。

3.2.2 水網密度指數

規范中水網密度指數由河流長度、湖庫面積和水資源量3部分構成，反映了區域河流長度、水域面積以及水資源情況。根據近幾年全國生態環境質量評估情況，水資源量成為生態環境狀況變化的主要影響因素［30-33］。水分是生態系統發展的必要因素，但過量降水又會對區域生態環境狀況形成負面影響，引發洪水對原有生態系統造成破壞，并給人類生產生活造成極大危害。統計資料顯示，中國平均2～3年就發生一次極為嚴重的旱澇災害［16，34］。根據 2005—2010 年間中國縣水資源量年差分析，以及全國多年平均洪澇受災面積，選擇水資源量較常年增加40%為臨界閾值，即當水資源量增加超過40%時按負值處理，即對生態環境產生了負面影響。

將河流長度作為衡量生態系統水循環的基數，將水資源量增加超過年均值40%的部分作為負值處理，反映極端天氣事件對生態環境質量的影響，增加的越多，則負效應就越大。具體計算方法為

式中，Ariv為河流長度的歸一化系數，Alak為湖庫面積的歸一化系數，Ares為水資源量的歸一化系數。

3.2.3 土地退化指數

規范中土地退化指數主要反映土壤侵蝕評估，不包含退化沙地、鹽堿地等類型。根據數據可獲得性，在評估過程中將區域新增沙地、鹽堿地作為土地退化的構成要素。具體公式為

土地退化指數 =Aero×(0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積 +0.6×重度侵蝕面積)/區域面積 +A其他×(沙地面積 +鹽堿地面積)/區域面積×0.1

式中，Aero為土壤侵蝕的歸一化系數，A其他為其他退化土地的歸一化系數。

4 結果與討論

4.1 生態系統構成

研究表明，10年間中國北方農牧交錯帶森林生態系統增加明顯，以灌木林地和其他林地為主;草地生態系統面積和質量均呈下降趨勢，中覆蓋度草地面積持續減少，后5年高覆蓋度草地減少，而低覆蓋度草地持續增加;河流、湖泊、沼澤和灘地等天然濕地在持續減少，以后5年為甚;農田面積減少，但旱地減少，水田面積持續增加。由于社會經濟發展，城市化加速，城市建設用地和其他建設用地持續增加;沙地和裸土地呈明顯持續減少趨勢。

4.2 生態環境狀況

2000—2010年農牧交錯帶生態環境狀況及變化趨勢見圖2。

圖2 2000—2010年農牧交錯帶生態環境狀況及變化趨勢

由圖2a可見，2010年，中國北方農牧交錯帶98個縣域的生態環境質量以“一般”為主，縣域個數和占交錯帶的面積比分別為77個和71.6%;“良”和“一般”的面積比分別為 16.4%和11.9%;生態環境質量“良”的縣域主要分布在內蒙古自治區的拓蘭石市、烏蘭浩特市、赤峰市和承德市，該區域的生態生產力和生態系統功能均相對較高，土地退化和環境負荷等壓力相對較小;“較差”的縣域主要分布在內蒙古西部的東勝市和寧夏的白銀市，該區域的土地退化壓力較大。

由圖2b、c和d可見，10年間，研究區生態環境質量“穩中變好”，大多數縣域EI值升高，“良”和“一般”的縣域個數呈增加趨勢，分別增加了3.3%和6.7%，“較差”的縣域個數和面積均呈減少趨勢。10年間生態環境質量變好的縣域有30個，其中20個縣持續變好;3個縣后5年變好;7個縣前5年變好。10年間生態環境質量變差的縣域有5個，其中3個縣域的生態環境前5年變好，而后5年變差，且后5年生物豐度和植被覆蓋均呈明顯變差狀態。10年中，16個縣域生物豐度指數持續增加，生態功能呈改善趨勢;18個縣域植被覆蓋指數持續增加，生態生產力持續恢復;16個縣土地退化程度持續減弱，土地退化程度降低。10年間，只有4個縣域水網密度指數持續增加，說明該地區水分條件不穩定;32個縣域的環境質量指數持續降低;2個縣域的環境質量改善，說明該地區環境負荷呈增加趨勢，水分條件和環境負荷是影響該區域生態質量的主要限制因子。

4.3 原因分析

通過Linear Regression分析，10年間農牧交錯帶生態環境狀況變化的主要因子是生物豐度指數，其次是植被覆蓋指數和環境質量指數，而且前5年與后5年的主要因子與10年相同。利用K-means cluster模糊聚類分析法，對10年間3個指數對各縣域生態環境變化狀況特征進行聚類分析，即3個生態因子均穩定區為33個;生物豐度和植被覆蓋均顯著改善區為7個，該區域生態生產力和生態功能均改善，因此生態環境質量是切實變好的;生物豐度改善而植被覆蓋顯著降低區為3個，該區域生態生產力降低，而由于局部林地增加導致生物豐度指數提高，其潛在生態風險增大;生物豐度穩定而植被覆蓋顯著改善區為23個，該區域生態功能穩定，生態生產力呈恢復狀態，生態環境質量變好;生物豐度稍微降低而植被覆蓋顯著改善區為29個，該區域生態功能下降，而生態生產力變幅較大，是潛在生態風險區;環境質量指數明顯改善區為1個，環境質量明顯下降區為12個。

由此可見，10年間中國農牧交錯帶生態環境狀況變化的直接因子是生態生產力變化、水分條件和環境負荷。2000年以前，內蒙古中部及東部地區經濟發展迅猛，水土條件好的局部區域開墾為耕地，導致區域植被退化比較明顯，2000年國家實施了退耕政策，在前5年土地退化趨勢有所緩和，后5年生態狀況變好趨勢明顯，但在局部地區仍存在退化現象［5-8，12］。耕地面積增加以及氣候變化導致部分區域的水域濕地面積減少，水網密度降低［16-17，35］。由于經濟發展，尤其是資源開發活動，烏海市和蘭州市的二氧化硫和COD的排放量呈現明顯增加趨勢，導致環境負荷增加。

同時，有3類區域值得關注，一是生物豐度改善而植被覆蓋顯著降低區，該區域的生物豐度改善主要是由于植樹造林，但缺少對大范圍草地的保護，導致草地退化;二是生物豐度稍微降低而植被覆蓋顯著改善區，該區域的景觀格局基本穩定，但植被覆蓋度明顯提高，需要進一步分析發生該變化的原因。通過調研相關資料，該類區域有的森林面積稍有減少，有的水域濕地系統減少，說明區域生態保護工作取得進步的同時，存在潛在退化風險［35-36］;三是水網密度明顯降低區，該區域天然河流面積和灘地大幅減少，遠大于區域平均水平，存在較大的潛在生態風險［37］。

4.4 討論

1)受評價方法、遙感數據特性等影響，選擇了5個指數(生物豐度、植被覆蓋度、土地退化、水網密度和環境質量)進行評估，特別是土地退化只考慮了水土流失和草地退化2個方面，未考慮物種尺度的草場退化。生物豐度只考慮了景觀尺度水平，沒有考慮物種和基因水平。

2)在評價數據的精度銜接方面，遙感數據進行空間配準、生態類型提取及面積統計，利用NDVI評估植被覆蓋度等方面具有不同的精度，怎樣評估這些因素對評價結果的影響需要進一步研究探索。

3)綜合指數法是生態評價的一個重要方面，適合區域長期生態狀況評估，但在綜合分析的同時，忽略了區域生態環境構成、功能等方面的內容，需要在區域評價的時候考慮分指數和生態類型對生態狀況的影響。

5 結語

評價結果顯示，中國農牧交錯帶生態環境質量以“一般”為主，10年間生態環境質量呈現整體“穩中變好”的特征，“良”和“一般”呈增加趨勢，16個縣生態功能改善，18個縣生態生產力呈恢復狀態，16個縣土地退化程度降低。水分條件和環境負荷是影響農牧交錯帶的主要限制和脅迫因子，局部地區存在顯著生態風險。

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