基于GIS的河北省土地沙化脆弱性評價與空間分異

王瑞君 王仁德 高士平 蔣紅軍

摘要：提出土地沙化脆弱性的“敏感-退化”（S-D）概念模型，構建以沙化敏感性指數和沙化退化指數為基本框架的評價指標體系，基于GIS技術，進行河北省土地沙化脆弱性評價。結果表明：河北省沒有極重度脆弱級別，重度、中度、輕度和微度脆弱區分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%；空間分異上，脆弱性呈現從西北向東南逐漸降低的趨勢，冀北壩上高原及冀西山丘區沙化脆弱程度最高，分布面積最廣。同時對這些區域的防沙治沙和生態建設提出了建議。

關鍵詞：土地沙化；脆弱性評價；敏感性；GIS；河北省

中圖分類號： S157文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0395-03

收稿日期：2015-10-20

基金項目：河北省科技計劃（編號：13276260）；河北省科學院科技計劃（編號：15109）。

作者簡介：王瑞君（1975—），女，河北保定人，副研究員，從事生態環境與“3S”技術應用研究。E-mail：wrj0115@126.com。土地沙化（sandification）是指在各種氣候條件下，由于多種因素形成地表呈現以沙（礫）物質為主要特征的土地退化過程[1]。土地沙化是荒漠化的主要類型之一，其大面積蔓延就是荒漠化。土地沙化作為最重要的全球環境問題之一，受到各國政府及學者的普遍重視。我國是世界上土地沙化和荒漠化面積大、分布廣、危害重的國家之一，嚴重的土地沙化、荒漠化威脅著我國的生態安全和經濟社會可持續發展[2]。

土地沙化的發生、發展與脆弱的生態環境密不可分。開展區域土地沙化脆弱性評價研究，明確土地沙化的脆弱類型、程度和空間分布特征，用以規范人類活動方式和強度[3]，是實施脆弱區生態保護、恢復與治理的基礎和前提。目前學者對土地沙化的敏感性評價較多[4-5]，而對土地沙化脆弱性進行評價的文獻相對較少，特別是針對區域大尺度的沙化脆弱性評價成果尚不多見。本研究從敏感性和退化受損性2個角度探討了脆弱性的概念和內涵，提出了土地沙化脆弱性評價的“敏感-退化”（S-D）概念框架模型，并基于GIS技術，對河北省土地沙化脆弱性進行評價，明確全省土地沙化脆弱程度和空間分異特征，為實施生態功能分區管理、推進沙化脆弱區的生態保護和防沙治沙提供科學依據。

1研究區概況

河北省位于華北平原北部，地處36°03′～42°40′N，113°27′～119°50′E，內環京津，東臨渤海，西隔太行與山西為鄰，西北部、北部和東北部與內蒙、遼寧相接，東南部和南部與山東、河南接壤，是全國唯一兼有淺海、平原、湖泊、丘陵、山地、高原、盆地的省份，總土地面積18.77萬km2。河北省是中國土地沙化最嚴重的省份之一，沙化土地面積居全國第6位（2004年）。按照全國沙漠化治理區劃，河北省屬于中國北部沙漠化治理區-半濕潤地帶沙漠化土地零星分布區和半干旱草原地帶與荒漠草原地帶沙漠化發展區，涉及平原、山地和高原3個地貌類型。根據2009年第四次全國荒漠化和沙化監測結果，河北省現有沙化土地2.125 3萬km2[6]，占全省總面積的11.32%，占全國沙化土地面積的123%。與2004年第三次監測結果相比，盡管河北省沙化土地實現了由擴展到縮減的歷史性轉變，但局部土地沙化問題依然突出，特別是壩上高原和冀北山地區，是京、津乃至整個華北地區上風向重要的風沙源區[7]，嚴重影響著京津冀區域的生態安全和經濟社會可持續發展。

2研究方法

2.1脆弱性概念模型

關于脆弱性的概念和內涵，國內外學者有多種闡釋[8-14]。筆者認為，生態脆弱性是指生態系統在特定時空尺度相對于外界干擾產生響應的敏感程度和退化受損的程度。敏感程度表明生態系統具有不穩定性，在外界干擾脅迫下容易發生變化，且這種變化可正可逆，用以反映產生生態失衡和環境問題的可能性大小；退化受損程度反映了生態系統遭受了不同程度的損失朝著逆向即退化的方向發展并產生了不同程度的生態環境問題，或人類為應對這種退化問題采取生態修復措施所需付出的代價大小。系統的敏感性是脆弱性的潛在前提，退化受損是脆弱性的結果表現，但系統敏感并不一定脆弱，只有當它遭受損失發生了退化才稱之為脆弱，故脆弱性是系統的敏感程度和退化受損程度疊加的結果。

土地沙化脆弱性（SF）則是指生態系統在特定時空尺度相對于外界干擾產生土地沙化變化響應的敏感程度和沙化退化程度，它是沙化敏感程度（SS）和沙化退化程度（SD）疊加的結果。基于以上闡述，筆者提出了土地沙化脆弱性評價的“敏感-退化”（S-D）概念模型：SF=f（SS，SD）。

2.2評價指標體系

基于脆弱性“敏感-退化”概念模型，采用層次分析法，構建土地沙化脆弱性的“敏感-退化”評價指標體系框架（表1），并建立相應的評價指數，即土地沙化脆弱性綜合指數（SFI）、沙化敏感性指數（SSI）和沙化退化指數（SDI），確定指標層的敏感性因子和退化因子。其中沙化敏感性指數判定依據國家生態功能區劃技術暫行規程，采用濕潤指數、冬春季大風日數、地表質地和冬春季植被覆蓋度4個影響因子；沙化退化指數表示土地沙化退化受損的程度，用土地沙化的動態變化數據可以很好地表征，但由于大尺度空間動態數據較難獲得，本次采用土地沙化現狀指數來代替表征，現狀沙化程度越重，表示退化受損的程度越重；土地沙化現狀數據由2010年中巴衛星影像數據解譯而得，并根據《沙化土地監測技術規程》中沙化土地類型和植被蓋度進行沙化土地程度分級。

3結果與分析

3.1河北省土地沙化敏感性與空間分異

基于ArcGIS空間運算和分析功能，由公式（3）和（2）進行沙化敏感性評價。結果顯示，河北省土地沙化敏感性指數最大為6.8，沒有極度敏感區域，重度、中度、輕度和微度敏感區分別占全省總面積的0.6%、6.7%、42.4%和50.4%。從敏感程度看，全省重度敏感區所占比例很小，敏感程度整體相對較輕。由圖1可以看出，在空間分布格局上，張家口壩緣、冀西北間山盆地的部分山丘區及壩上地區敏感程度相對較高，是重度敏感及中度敏感的主要分布區，張家口大部、承德北部、冀中南平原中心區等地為輕度敏感區。河北省土地沙化的敏感程度和分布反映了其沙化潛在脆弱性的程度和分布。

3.2河北省土地沙化退化現狀與空間分異

河北省土地沙化面積大、范圍廣、分布不均衡，整體程度較輕，但局部退化嚴重。全省極重度和重度沙化土地比例很小，分別占全省沙化土地的0.5%和0.9%，中度和輕度沙化土地約占全省沙化土地12.0%和86.6% [16]。空間分布上涉及全省11個市72個縣（市、區），分布有冀西北的壩上及壩下、永定河下游、黃河故道、冀西、冀東等幾大沙區，其中張承的壩上及壩緣、間山盆地河谷區的土地沙化程度相對較高，沙化面積占全省沙化總面積的55%以上。

空間分布上，沙化退化現狀和沙化敏感性并不完全吻合[17]。張家口壩緣及冀西北間山盆地的山丘區，敏感程度高于沙化程度；承德北部由于局部的濫墾、過度放牧、景點開發、工程挖沙等活動，致使土地沙化程度相對較高；在冀西北間山盆地的桑洋河谷區，敏感性為微度，但由西北襲來大量沙塵連同河道積沙，在山體的阻攔下部分沉積、截留、堆積，而在河流南岸迎風面，形成桑、洋河岸五大灘地。

3.3河北省土地沙化脆弱性與空間分異

在GIS技術支持下，按公式（1）進行土地沙化脆弱性評價，結果詳見圖2和表2。結果表明，河北省土地沙化脆弱性分為重度、中度、輕度和微度脆弱4個級別，面積分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%。從脆弱程度看，全省沒有極重度脆弱級別，且重度脆弱區所占比例很小，沙化脆弱程度整體較輕。從空間分異格局看，全省沙化脆弱性呈現從西北向東南逐漸降低的趨勢；重度脆弱區主要散布在張家口的壩緣及冀西山丘區的部分縣市，呈小斑塊狀零星分布，脆弱程度相對最高；中度脆弱區主要分布在壩上、冀西北山丘區以及承德北部，分別呈片狀、帶狀和大斑塊狀分布；冀西北的大部分地區及太行山中段的山前平原區表現輕度脆弱；冀中南大部及冀東大部分地區脆弱程度最低，表現微度脆弱。

河北省土地沙化脆弱性區域分異明顯，其中冀北壩上高原及冀西山丘區脆弱程度最高，分布面積最廣。究其原因，這是由該區域的高沙化敏感性和高沙化退化現狀共同作用的結果。其中壩上地區位于我國北方半干旱、半濕潤農牧交錯帶和北方沙漠南侵的前緣地帶，其東部與內蒙古渾善達克沙地毗連，西部與黃土高原接壤，是風沙南下的必經之路，主要土母質即為風沙土，氣候干旱少雨，冬春季大風盛行，歷史上形成的干旱、半干旱草原植被，群落結構簡單、穩定性差，這些是引發土地沙化和高脆弱性的潛在自然因素；然而近百年來的人口激增、過度開墾、過度放牧、亂砍濫伐和水資源的無序利用等人為活動干擾則是局部區域草場退化、沙化蔓延和脆弱性增高的最重要原因。

4結論與建議

（1）探索了脆弱性的概念和內涵，認為生態脆弱性是生態系統在特定時空尺度相對于外界干擾產生響應的敏感程度和退化受損的程度，脆弱性是敏感程度和退化受損程度疊加的結果；據此提出土地沙化脆弱性的“敏感-退化”（S-D）概念模型，構建相應的指標體系框架；基于GIS/RS技術，運用綜合指數法，進行省域大尺度土地沙化脆弱性空間定量評價實踐。

（2）河北省土地沙化脆弱性評價結果及空間分異格局：重度、中度、輕度和微度脆弱區分別占全省總面積的0.6%、9.8%、39.9%和49.7%；沒有極重度脆弱級別，且重度脆弱區所占比例很小，沙化脆弱程度整體較輕；空間分異上，全省

在張家口壩緣及冀西山丘區，呈小斑塊狀零星分布張家口：張北南部，陽原與蔚縣交界，宣化縣、蔚縣與涿鹿交界處山丘區，懷安小部分中度脆弱區

1.83

9.8

壩上、冀西北山丘區、承德北部，分別呈片狀、帶狀和大斑塊狀分布張家口：張北及康保大部分，尚義、沽源、赤城、宣化縣、蔚縣、涿鹿、懷來等縣的部分地區承德：豐寧、圍場、隆化、寬城等縣保定市：淶源北部邯鄲：魏縣小部輕度脆弱區7.4839.9冀西北的大部分地區，以及太行山中段山前平原區張家口：赤城、崇禮、尚義、萬全、宣化、懷來、陽原、涿鹿等縣大部分承德：豐寧、圍場、隆化的大部分，平泉、興隆的部分地區保定：淶源、淶水、定州、安國等縣的部分地區石家莊：市區以東的新樂、正定、無極、藁城、深澤、晉州、欒城、趙縣、高邑、辛集的大部分，行唐、元氏的部分地區邢臺：寧晉、柏鄉、隆堯、任縣、新河、南宮、巨鹿、清河等縣的大部分衡水：冀州大部分，棗強小部分滄州：黃驊和海興大部分廊坊：永定河沙區，涉及市轄區及永清的部分。唐山：灤縣、灤南大部及市區東部秦皇島：青龍東部微度脆弱區9.3049.7冀中南大部及冀東大部分地區保定、滄州、廊坊、衡水、邯鄲、石家莊、邢臺、唐山、秦皇島9市大部分

土地沙化脆弱大體呈從西北向東南逐漸降低的趨勢，其中冀北壩上高原及冀西山丘區沙化脆弱程度最高，分布面積最廣。

（3）建議對高脆弱區的生態恢復治理，應遵循自然規律，引導和規范人類活動的方式和強度，減少人為過度擾動，充分發揮生態系統自我修復功能，強化林草植被保護，依法實施圍欄封育、退耕還林草、封沙育草。同時加快建立和完善京津冀區域生態補償機制，將生態建設、防沙治沙與增加農民收入有機結合，使廣大群眾享受生態建設的成果，盡早擺脫貧困，促進區域人與自然和諧發展。

參考文獻：

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會. GB/T 24255—2009沙化土地監測技術規程[S]. 北京：中國標準出版社，2009.[2]祝列克. 中國荒漠化和沙化動態研究[M]. 北京：中國農業出版社，2006.

[3]喬青，高吉喜，王維，等. 生態脆弱性綜合評價方法與應用[J]. 環境科學研究，2008，21（5）：117-123.

[4]劉康，徐衛華，歐陽志云，等. 基于GIS的甘肅省土地沙漠化敏感性評價[J]. 水土保持通報，2002，22（5）：29-31，35.

[5]周利軍，張淑花.黑龍江省西南部土地沙漠化敏感性評價[J]. 中國農學通報，2009，25（21）：324-327.

[6]國家林業局. 第四次中國荒漠化和沙化狀況公報[R/OL]. [2015-09-10]. http：//www.china.com.cn/zhibo/zhuanti/ch-xinwen/2010-08/31/content_21669628.htm.

[7]劉鴻雁，田育紅，丁登. 內蒙古渾善達克沙地和河北壩上地區不同地表覆蓋類型對北京沙塵天氣物源的貢獻[J]. 科學通報，2003，48（11）：1229-1232.

[8]羅承平，薛紀渝. 中國北方農牧交錯帶生態脆弱帶特征，環境問題及綜合整治戰略[M]//趙桂久. 生態環境綜合整治和恢復技術研究：第一集. 北京：中國科學技術出版社，1993：61-70.

[9]趙躍龍. 中國脆弱生態環境類型分布及其綜合整治[M]. 北京：中國環境科學出版社，1999：23-87.

[10]Gabor T，Griffith T K. The assessment of community vulnerability to acute hazardous materials incidents[J]. Journal of Hazardous Materials，1980，3 （4）：323-333.

[11]Liverman D. The vulnerability of urban areas to technological risks[J]. CitiesMay，1986，4（5）：142-147.

[12]劉燕華，李秀斌. 脆弱生態環境可持續發展[J]. 蘭州大學學報：自然科學版，2003，39（3）：77-80.

[13] 姚健，艾南山，丁晶. 中國生態環境脆弱性及其評價研究進展[J]. 蘭州大學學報：自然科學版，2003，39（3）：77-80.

[14]Qiu P H，Xu S J，Xie G Z，et al. Analysis of the ecological vulnerability of the western Hainan Island based on its landscape pattern and ecosystem sensitivity[J]. Acta Ecologica Sinica，2007，27（4）：1257-1264.

[15]國家環境保護總局. 生態功能區劃技術暫行規程[S]. 2002.

[16]馮長紅. 河北省土地沙化狀況及治理對策[J]. 河北林業科技，2005（增刊1）：10-13.

[17]Wang R J，Liu H，Jiang H J，et al. Comprehensive assessment of ecoenvironment vulnerability in Hebei province based on ArcGIS[J]. Meteorological and Environmental Research，2011，2（10）：84-90.劉靜，徐崢靜茹，彭培好，等. 旅游踩踏對雞冠山森林公園土壤微生物數量及酶活性的影響[J]. 江蘇農業科學，2016，44（2）：398-402.