若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況評價

吳玉，楊武年，劉恩勤，邵懷勇，謝洪斌

(1.第三軍醫(yī)大學高原軍事醫(yī)學系軍事醫(yī)學地理學教研室，重慶 400038；2.高原醫(yī)學教育部重點實驗室，重慶 400038；3.成都理工大學地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，成都 610059)

若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況評價

吳玉1，2，3，楊武年3，劉恩勤3，邵懷勇3，謝洪斌3

(1.第三軍醫(yī)大學高原軍事醫(yī)學系軍事醫(yī)學地理學教研室，重慶 400038；2.高原醫(yī)學教育部重點實驗室，重慶 400038；3.成都理工大學地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，成都 610059)

為了了解若爾蓋縣土地生態(tài)環(huán)境狀況及其變化趨勢，該文利用RS與GIS相關理論與技術，以TM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》，結合四川省若爾蓋縣生態(tài)實際，建立生態(tài)環(huán)境狀況評價模型。若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況總體上處于中上游水平，生態(tài)環(huán)境狀況分級呈現(xiàn)由東到西逐步降低的格局，東部高山區(qū)域優(yōu)于西部草原區(qū)，但是若爾蓋高原草原沙化、濕地退化等生態(tài)問題仍然十分嚴峻，有關部門應繼續(xù)加強當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護建設力度。

生態(tài)環(huán)境；評價；若爾蓋縣；遙感；地理信息系統(tǒng)

0 引 言

生態(tài)環(huán)境質量評價和管理，已成為地球科學、環(huán)境科學發(fā)展的前沿領域，但是由于起步較晚，目前尚無成熟的理論體系和技術方法，有待于進一步的探索和完善[1-4]。綜合利用3S技術，開展區(qū)域范圍的土地利用監(jiān)測與生態(tài)環(huán)境定量評價研究，探索適合不同空間尺度的評價體系與方法具有重要的理論意義和實踐價值[5]，為推動環(huán)境質量定量評價研究與發(fā)展貢獻力量。

川西高原位于四川省西北部，是長江上游的重要水源涵養(yǎng)區(qū)和水土保持區(qū)，是四川盆地和長江干流的重要生態(tài)屏障。在過去50年間，由于人類和自然的雙重作用，川西高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境日益惡化，資源過度開采，水土流失、草場沙化日趨嚴重[6-7]，持續(xù)惡化的生態(tài)環(huán)境已成為制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要因素，對其進行科學、高效的生態(tài)評價十分重要。國家環(huán)境保護總局2006年頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(后文簡稱《規(guī)范》)從宏觀角度對綜合評價生態(tài)環(huán)境狀況給出了規(guī)范標準，但在一些特殊地域，如若爾蓋地區(qū)，其適用性存在一定局限，為體現(xiàn)研究區(qū)地域特色，有必要根據(jù)地域特征探索針對性和操作性更強的評價模型。本文以若爾蓋縣為研究對象，依托RS與GIS技術，結合研究區(qū)實際情況，建立研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價模型，對若爾蓋縣進行生態(tài)環(huán)境狀況調查與評價，旨在探索運用RS與GIS技術研究區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境狀況進行綜合評價的方法，了解若爾蓋縣土地生態(tài)環(huán)境狀況及其變化趨勢。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋縣位于四川省川西北高原，阿壩藏族羌族自治州最北部，地理坐標為102°10′E～103°37′E，33°05′N～34°19′N，面積10437km2，人口7.03萬人。位于青藏高原東部邊緣地帶，屬長江、黃河源區(qū)，是長江黃河重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。境內地形復雜，平均海拔3500m，其中南部和西北部為典型丘狀高原，北部和東南部為高山峽谷區(qū)，境內的若爾蓋濕地是青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。若爾蓋縣氣候屬高原亞寒帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候寒冷，常年無夏，無絕對無霜期[8]。年均氣溫0.6℃～1.1℃，年降雨量650mm～750mm，年均相對濕度69%，年均日照2389.9h。自然資源豐富，擁有天然草原1212.63萬畝，其中可利用草原978萬畝，是四川省重要的草飼畜牧業(yè)基地。若爾蓋地區(qū)自上世紀60年代開始出現(xiàn)沙化現(xiàn)象[7]。

2 生態(tài)環(huán)境狀況評價指標體系建立

參照《規(guī)范》選取指標，并結合研究區(qū)實際情況對部分指標進行了修改，按照客觀性、主導因素和可操作性等原則[9]，選取生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)4個指標[10]建立若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況評價指標體系，通過賦予各個指標不同的權重，計算區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)(Ecological Index，EI)，綜合評價結果，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的優(yōu)劣程度進行定性和定量相結合的方式進行分析和評價。

由于各量綱之間存在不統(tǒng)一的情況，缺乏可比性，需對各評價因子進行標準化處理。公式如下：

(1)

式中，Y為參評因子的標準化賦值；xi為實測值；xmax為實測最大值；xmin為實測最小值。

3 生態(tài)環(huán)境狀況評價信息提取

3.1 數(shù)據(jù)源

本研究采用的主要數(shù)據(jù)源為美國陸地衛(wèi)星Landsat TM遙感影像識別、統(tǒng)計年鑒、水資源通報及野外調查。

3.2 遙感圖像處理

采用2006年TM遙感影像數(shù)據(jù)為基準，通過ERDAS IMAGINE軟件中Landsat傳感器校正模型，對TM影像進行幾何精校正。為了保證校正精度，利用該地區(qū)30m DEM數(shù)據(jù)，進行正射校正，以減輕山區(qū)地形起伏所造成的誤差影響。在此基礎上，對圖像進行直方圖匹配及圖像鑲嵌、裁剪處理。

3.3 遙感圖像信息提取

(1)土地利用/覆被信息的遙感提取

以縣級土地調查數(shù)據(jù)為參考資料，建立生態(tài)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，參考2000年、2004年、2006年影像資料及解譯成果，建立解譯標志。在此基礎上，對研究區(qū)土地利用類型首先以監(jiān)督分類法進行計算機自動解譯，再用人機交互解譯的方法進行修改。以圖斑面積大于4×4個像元，圖斑短邊寬度最小大于2個像元為最小單元，進行數(shù)字化[11]。最后，對獲得數(shù)據(jù)進行野外核查驗證，采用定點法和路線穿越法對解譯圖斑的可靠性和準確性進行核查，并及時糾正錯誤，減少誤差。最終獲得若爾蓋縣2007年土地利用/覆蓋現(xiàn)狀圖(圖1)及土地利用/覆蓋比例圖(圖2)。

圖1 若爾蓋縣2007年土地利用/覆被分類圖

結合解譯結果和圖1，可以看出若爾蓋縣是一個以牧業(yè)為主要支柱產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，擁有大面積的草地與林地，是土地利用/覆被結構的主體。其中，草地面積占總面積的49.35%，主要分布在中西部和南部為典型丘狀高原區(qū)；林地占總面積的25.00%，北部和東南部為高山峽谷區(qū)。若爾蓋縣由于地處少數(shù)民族地區(qū)，居民居住具有聚落分布特征，居民用地少而集中，受當?shù)氐匦渭皻夂虻挠绊懜孛娣e較少；未利用土地面積相對較大，占總面積的16.03%，其中，沼澤濕地的比重最大，占未利用土地面積的88.34%。同時沙地面積的比例也不容忽視，這也是近年來，若爾蓋地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到關注的焦點問題，草場沙化成為該區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的主要因素。

(2)評價指標信息的遙感提取

①生物豐度指數(shù)信息的遙感提取

將若爾蓋縣土地利用/覆被分類圖由矢量轉為柵格格式，依據(jù)生物豐度指數(shù)計算公式，進行圖件屬性與圖形的聯(lián)結操作，從而形成若爾蓋縣生物豐度指數(shù)圖[9]。計算式如下：

生物豐度指數(shù)=(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設用地+0.01×未利用地)/區(qū)域面積

(2)

計算結果見圖2。

②植被覆蓋指數(shù)信息的遙感提取

《規(guī)范》中植被覆蓋指數(shù)的計算公式與生物豐度指數(shù)相近，僅土地利用類別系數(shù)的變化，在反應植被覆蓋指數(shù)方面缺乏針對性。而歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation index，NDVI)是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，故本文采用NDVI來表達植被覆蓋指數(shù)。基于TM影像，提取波段4和波段3，應用Arc GIS 9.3軟件中的柵格計算工具條(Raster calculator)計算NDVI，公式如下：

NDVI =(TM4-TM3)/(TM4+TM3)

(3)

式中，TM4和TM3分別為TM影像的紅外波段和可見光波段值。通過研究區(qū)遙感圖像構建NDVI圖像，輔以研究區(qū)土地利用/覆被數(shù)據(jù)及相關參考資料，獲得若爾蓋縣2007年植被覆蓋指數(shù)分級圖(圖4)。

圖2 2007年若爾蓋縣生物豐度指數(shù)分級圖

圖3 2007年若爾蓋縣植被覆蓋指數(shù)分級圖

③水網(wǎng)密度指數(shù)信息的遙感提取

考慮到《規(guī)范》中水網(wǎng)密度指數(shù)公式中多個參數(shù)數(shù)據(jù)的可得性，以及水資源量等在不同年份和隨著季節(jié)性河流干枯等因素變化會有變化。為了客觀地反映研究區(qū)的水網(wǎng)密度指數(shù)信息，本文基于遙感信息的方式進行水網(wǎng)密度指數(shù)信息的提取。將土地利用/覆蓋分類圖轉為柵格格式，按照屬性提取出水體。根據(jù)研究區(qū)域范圍及相關格網(wǎng)標準[12]，將研究區(qū)分割成16×16的柵格格網(wǎng)，與研究區(qū)水體信息進行疊加處理，得到若爾蓋縣水網(wǎng)密度分級圖(圖4)。

圖4 若爾蓋縣水網(wǎng)密度網(wǎng)格分級圖

④土地退化指數(shù)信息的遙感提取

土壤侵蝕是一個自然生態(tài)系統(tǒng)被破壞的過程，其與退化以及水土流失程度和地形坡度、土地利用類型有密切的關系[13]。因此，以遙感影像為基礎，結合研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)、研究區(qū)DEM、降水統(tǒng)計資料，參考環(huán)境統(tǒng)計年報的若爾蓋縣土壤侵蝕數(shù)據(jù)，對研究區(qū)進行人機交互目視判讀解譯，提取土壤侵蝕等級信息。根據(jù)《規(guī)范》和國家相關土壤侵蝕劃分標準要求，以侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]為劃分指標，參考土地利用方式、植被覆蓋度及坡度、坡向等地形因素，將土地退化劃分為3個不同的等級，分別對應輕度、中度和重度的侵蝕面積。在此基礎上依照土地退化指數(shù)公式的權重標準，生成若爾蓋縣土地侵蝕指數(shù)分級圖(圖5)。

圖5 2007年若爾蓋縣土壤侵蝕指數(shù)圖

4 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評價

4.1 評價方法

根據(jù)各評價指標的調查計算結果，參照評價規(guī)范中所列等級標準，以Delphi和AHP兩種方法加權求平均值[9]，對表中所列各項評價指標的初始加權值進行加權綜合。

EI=0.35×生物豐度指數(shù)+0.25×植被覆蓋指數(shù)+0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.2×土地退化指數(shù)(4)

將前期獲取的生物豐度指數(shù)圖、植被覆蓋指數(shù)圖、水網(wǎng)密度指數(shù)圖和土地退化指數(shù)圖各指數(shù)數(shù)據(jù)轉換成柵格格式，將生態(tài)環(huán)境本底數(shù)據(jù)庫中各評價因子在ArcGIS軟件中進行空間分析，依照《評價規(guī)范》標準將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況分為五級，經(jīng)拓撲運算生成若爾蓋縣2007年生態(tài)環(huán)境狀況分級圖(圖6)。

圖6 2007年土地生態(tài)環(huán)境狀況評價分級

根據(jù)若爾蓋縣行政區(qū)劃圖，在ArcGIS軟件中進行空間疊加處理，經(jīng)拓撲運算，獲得若爾蓋縣17個評價單元的生態(tài)環(huán)境狀況評價數(shù)據(jù)，根據(jù)評價標準生成各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境狀況分級圖(圖7)。

圖7 2007年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)環(huán)境狀況評價分級

4.2 結果分析

根據(jù)2007年若爾蓋縣土地生態(tài)環(huán)境狀況分級圖統(tǒng)計各生態(tài)環(huán)境等級面積比(表1)。由圖8和表1可知，若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況在5種等級中均有分布。其中，若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況為“優(yōu)”的面積占縣域總面積的16.23%，主要分布于東北和東南地區(qū)，這些地區(qū)在地貌形態(tài)上屬高山峽谷區(qū)，是若爾蓋縣主要的森林資源所在地，區(qū)域內植被覆蓋度高，生態(tài)多樣性較豐富，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。典型代表為縣域東北部的鐵布梅花鹿自然保護區(qū)，東南部的包座原始森林以及大熊貓梅花鹿紫果云杉自然保護區(qū)等。

表1 生態(tài)環(huán)境狀況分級

生態(tài)環(huán)境狀況評為“良”和“一般”這兩種等級的面積最大，分別占總面積的38.69%和25.35%，是若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況的主要等級水平。其中“良”的區(qū)域主要分布在若爾蓋高原的草原大部分地區(qū)，是若爾蓋高原沼澤濕地的主要分布區(qū)，水網(wǎng)密度大，生物多樣性較好。該區(qū)域內有著名的若爾蓋濕地國家級自然保護區(qū)和喀哈爾喬濕地自然保護區(qū)。“一般”主要分布在213國道附近及鄉(xiāng)村、耕地區(qū)域，主要受人為干擾因素影響較大。

生態(tài)環(huán)境狀況為“較差”和“差”兩種級別的占研究區(qū)總面積的19.73%，主要分布于森林草原過渡地區(qū)以及沼澤草原過渡地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，一旦受到損壞很難恢復。“差”的區(qū)域面積最少，占研究區(qū)總面積的8.17%，主要分布于若爾蓋縣東部草原區(qū)，黃河流域、黑河流域沿岸以及城鎮(zhèn)居民點分布區(qū)域，與人類干擾度呈現(xiàn)明顯的相關性。這些區(qū)域分布著若爾蓋縣主要的畜牧草場，但是由于長期的超載放牧，草場生態(tài)持續(xù)惡化，草地沙化問題十分嚴重。

從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況分級的面積和空間分布格局來看，若爾蓋縣的生態(tài)環(huán)境狀況總體上處于中上游水平(良)，東部高山區(qū)域優(yōu)于西部草原區(qū)，但是若爾蓋高原草原沙化、濕地退化等生態(tài)問題仍然十分嚴峻，制約著該地區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

5 結束語

本文利用RS與GIS等相關理論與技術，以TM遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，建立契合研究區(qū)特征的解譯標志，構建研究區(qū)生態(tài)環(huán)境本底數(shù)據(jù)庫，通過分析總結前人研究成果，提取生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地退化[10]4個評價指標建立評價模型，對若爾蓋縣進行生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評價，為若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境保護和建設的提供基礎數(shù)據(jù)和信息支持，具有一定實用價值。針對《規(guī)范》中部分指標針對性、操作性不強的問題，采用NDVI計算植被覆蓋指數(shù)，利用網(wǎng)格單元水面積計算水網(wǎng)密度指數(shù)，使衡量誤差進一步降低。由于未能獲得地區(qū)污染數(shù)據(jù)，沒有將環(huán)境質量指數(shù)納入評價模型，對評價的完整性有一定影響，有待進一步完善。針對生態(tài)環(huán)境狀況評價的結果和問題，當?shù)卣畱^續(xù)加強當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護建設力度，尤其是積極開展西部草場區(qū)的生態(tài)恢復措施，大力實施退耕還林還草工程，以及轉變產(chǎn)業(yè)格局，加快當?shù)厣鷳B(tài)移民等，以促進若爾蓋縣生態(tài)環(huán)境狀況進一步的改善。

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Application of RS Technology on Ecological Environment Evaluation of Ruoergai County

WU Yu1，2，3，YANG Wu-nian3，LIU En-qin3，SHAO Huai-yong3，XIE Hong-bin3

(1.DepartmentofMilitaryMedicalGeography，CollegeofHighAltitudeMilitaryMedicine，
ThirdMilitaryMedicalUniversity，Chongqing400038；
2.KeyLaboratoryofHighAltitudeMedicine，MinistryofEducation，Chongqing400038；
3.KeyLaboratoryofGeo-spatialInformationTechnologyofMinistryofLandandResources，
ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059)

This paper evaluates the ecological environment of Ruoergai county，Sichuan province.According to the Technical Criterion for Eco-environmental Status Evaluation issued by the National Monitoring General Center，this paper uses related theories and techniques in remote sensing and GIS to establish an ecological environment quality evaluation model of Ruoergai county，and comprehensively evaluates its eco-environmental status.The ecological environment of Ruoergai county is generally in the middle and upper levels on the whole with its eco-environmental classification gradually descending from east to west，i.e.the eastern high mountain is better than the western grassland，while grassland desertification and wetland degradation is still very serious，and the relevant departments should continue to strengthen the local ecological and environmental protection.

ecological environment；evaluation；Ruoergai county；remote sensing；GIS

2014―05―30

2014―07―29

國家自然科學基金資助項目(41071265、41372340)；教育部高等學校博士點基金項目(20105122110006、20115122120007)。

吳玉(1983—)，女，碩士，講師，主要研究方向為醫(yī)學地理學。

E-mail：wuyu1261@foxmail.com

楊武年(1954—)，男，博士，教授，博士生導師，從事3S技術及地學應用科研與教學。

E-mail：ywn@cdut.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.017

X171.1

A

1000-3177(2015)141-0111-05