黃土高原三川河流域生態環境的時空變化特征

史廣，劉立文，楊艷

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西農業大學信息科學與工程學院，山西太谷030801）

黃土高原三川河流域生態環境的時空變化特征

史廣1，劉立文1，楊艷2

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西農業大學信息科學與工程學院，山西太谷030801）

了解與掌握黃土高原區小流域生態環境狀況的時空變化特征，對研究黃土高原區生態環境保護和防治具有重要作用。以山西省三川河流域為研究對象，依據《生態環境狀況評價技術規范（試行）》（HJ/T 192—2006）中的評價體系，基于RS和GIS方法，獲取了1990年、2000年、2010年的生態環境狀況分布圖，對三川河流域及其子流域21 a間生態環境的時空變化特征進行了分析。結果表明：三川河流域的主要生態環境狀況類型為良好和一般，21 a間研究區生態環境狀況先明顯變好后逐漸變差，整體上生態環境狀況轉好；生態環境狀況一般和良好的地區位于流域的東北部（北川河和東川河子流域內）；海拔＜1 000 m、坡度＞20°的研究區域生態環境狀況最差，也是生態環境保護和防治中應該重點關注的區域。

生態環境；時空變化；流域；遙感；地理信息系統

生態環境是地球生物得以生存和發展的必備條件，是生命系統與環境系統有機結合體[1]。近年來由于生態環境的破壞，導致人類生活環境惡化的案例不斷發生，因此對生態環境的評價研究已成為當代科學研究的熱點方向[2]。生態環境評價體系的研究起源于19世紀60年代，但早期的研究缺乏統一、規范的評價體系[3]。1987年日本學者鬼鞍豐[4]首次對生態系統的各種環境保護功能進行了評價，隨后聯合國環境

規劃署（UNEP）于2001年6月啟動了全球區域合作的千年生態系統評估項目（Millennium Ecosystem Assessment，MA）[5]。我國的生態環境評價起于20世紀70年代，主要針對城市環境污染現狀調查和評價[6]，2006年國家環保總局頒布并制定了《生態環境狀況評價技術規范（試行）》（HJ/T 192-2006）[7]，周媛麗等[8]根據規范對陜西關中地區的生態環境做了評價和對策研究，杜鎖軍等[9]根據規范對張家港市進行了生態環境評價研究。

由于地形破碎、氣候干旱、水土流失嚴重等原因，黃土高原生態環境脆弱現象日益擴張。而三川河流域位于黃土高原的中西部，是全國水土流失重點治理區，由于水土流失和資源開采等自然和人為原因導致的生態問題日益突出。作者在RS和GIS的支持下獲取了生物豐度指數、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，參照《生態環境狀況評價技術規范（試行）》[10]，得到研究區1990年、2000年和2010年的生態環境評價狀況及其空間分布特征，對研究區內不同海拔高度、不同地形坡度以及不同流域分區在1990～2010年的生態環境變化狀況進行研究[11]，旨為小流域生態環境治理及相關規劃的編制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三川河發源于山西省方山縣東北赤堅嶺，主要支流有北川河、東川河和南川河，流經方山、離石、中陽、柳林4縣（市），在柳林縣石西鄉上莊村入黃，全長176.4 km，流域面積4 161 km2。地處北緯36°55′～38°10′、東經110°33′～111°36′，屬東部季風暖溫帶地區，年平均降水量為521 mm，降水量年度變化較大，每年汛期（6～9月）降雨量為全年降雨量的70%，主要形式為大雨或暴雨[12，13]，最大年降水量約為最小量的2倍，且區域分布不均。

三川河流域地勢條件具有明顯差異，最高峰（關帝山）海拔2 831 m，最低點（黃河交匯處）海拔610 m，相對高差2 221 m。根據流域地貌特征和水文情勢分異，三川河流域可劃分為北川河流域、東川河流域、南川河流域和三川河流域4個水文分區[16]（圖1）。該地區水土流失較為嚴重，大量的泥沙源源不斷地流入黃河主干道，流域內呈現植被稀少、土地貧瘠、農作物產量低等狀態，導致當地人民收入水平較低，成為了山西省較貧困的山區之一，1983年被列為全國8個水土保持重點治理流域之一[14，15]。

圖1 三川河流域圖Fig.1 Map of Sanchuan River watershed

1.2 數據來源

本研究采用1990年、2000年和2010年TM4-5影像及ASTER-GDEM數據，來源于中國科學院地理空間數據云，運用ENVI4.8對影像數據進行大氣矯正、幾何校正、拼接、裁剪等預處理操作[17]，并通過運用監督分類和波段運算的方法獲得三川河流域1990年、2000年和2010年的土地利用類型數據；降雨量數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//www. escience.gov.cn）；環境污染數據來源于山西省環境統計年報（1990～2010）、中國環境統計年鑒（1990～2010年）和山西省統計年鑒（1990～2010）等資料。

1.3 研究方法

1.3.1 生態環境質量指數該指標計算方法[6，18]為：

EQI=0.25×生物豐度指數+0.2×植被覆蓋指數+ 0.2×水網密度指數+0.2×土地退化指數+0.15×環境質量指數

式中，EQI：生態環境質量指數。根據生態質量指數將生態質量進行分類（表1）。

1.3.2 生物豐度指數該指標從TM影像中用目視解譯的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建設用地、未利用地的面積，計算方法[6]為：

生物豐度指數=Abio×（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）

/區域面積

式中，Abio：生物豐度指數的歸一化系數。

1.3.3 植被覆蓋指數該指標從TM影像中用目視解譯的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建設用地、未利用地的面積，計算公式為：

植被覆蓋指數=Aveg×（0.38×林地面積+0.34×草地面積+0.19×耕地面積+0.07×建設用地+0.02×未利用地）/區域面積[6]

式中，Aveg：植被覆蓋指數的歸一化系數。

1.3.4 水網密度指數該指標根據TM234圖像，將水域（主要為河流和水庫）目視提取，通過山西省統計年鑒獲取水資源量，計算公式[6]為：

水網密度指數=［Ariv×河流長度/區域面積+Alak×湖庫（近海）面積/區域面積+Ares×水資源量/區域面積］/3

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

1.3.5 土地退化指數該指標計算方法為：

土地退化指數=Aero×（0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積+0.7×重度侵蝕面積）/區域面積

式中，Aero：土地退化指數的歸一化系數。

該指標通過RUSLE獲取研究區域1990年、2000年和2010年的生態環境狀況狀況，根據生態環境狀況模數≤2 500 t/（km2·a）、2 500～5 000 t/（km2·a）和＞5 000 t/（km2·a），將生態環境狀況類型分為輕度侵蝕，中度侵蝕和重度侵蝕（表2），并獲取侵蝕面積，進而得到土地退化指數。

表1 生態環境質量分類Table1 Eco-environmental quality classification

1.3.6 環境質量指數該指標計算方法[8，9]為：

環境質量指數=0.4×（100-ASO2×SO2排放量/區域面積）+0.4×（100-ACOD×COD排放量/區域面積）+0.2×（100-Asol×固體廢物排放量/區域面積）

式中，ASO2：SO2的歸一化系數；ACOD：COD的歸一化系數；Asol：固體廢物的歸一化系數。

1.3.7 生態環境總體狀況及其空間分布運用ArcGIS工具將上述因子校正為WGS_1984_UTM_Zone_49N坐標系，并運用Resample工具進行重新采樣，形成30 m×30 m的圖像，最后運用Raster Calculator進行疊加相乘，參照國家環保總局制定的《生態環境狀況評價技術規范（試行）》（HJ/T 192—2006），對研究區環境狀況進行評價分級，最終得到研究區生態環境狀況空間分布圖（圖2）。

2 結果與分析

2.1 生態環境狀況總體動態變化

根據1990年、2000年和2010年研究區的生態環境狀況評價結果，統計21 a來研究區不同侵蝕強度的生態環境狀況類型面積及其比例的分布狀況及其變化規律。

數據顯示，研究區內的整體生態環境處于一般和良好狀態，其中主要的生態環境狀況強度類型為良好，表示該流域植被覆蓋度較好，生物多樣性較好，適合人類生存。從3個時期的生態環境狀況強度的面積分布來看，整體的生態狀況經歷了由較差→優→逐漸變差的拋物線發展趨勢，其中，2000年生態環境狀況最好，其中良好所占的面積最大，占流域面積的84.38%；相對于1990年而言，2010年整體的生態狀況有所變好，其中良好和優秀的面積增加明顯（表3）。通過圖2可以看出，變化主要集中在流域的中西部地區，即城市和人口密集區，其中，東北部由于森林覆蓋狀況良好，人口稀少，所以生態環境較好，生態環境一般的地區位于流域的中西部，由于人口分布密集和植被的破壞導致該區的生態環境一般。

2.2 生態環境狀況變化幅度分析

參照《生態環境狀況評價技術規范（試行）》

（HJ/T 192—2006）將生態環境狀況變化幅度分為7級：無明顯變化、略有變化（好或差）、明顯變化（好或差）、顯著變化（好或差）（表4和5）。從以上圖表中可以看出，1990年和2000年之間生態環境狀況變化，主要體現在無明顯變化和略微變好，其中略微變好所占比例為26.42%，表明研究區整體的生態狀況轉好。2000年和2010年之間生態狀況逐漸差，集中表現在略微變差和明顯變差，除此之外略微變好和明顯變好所占比例相當，說明整體狀況變差但部分地區生態狀況明顯有所轉變。從表5可以看出，變化比較明顯的地區主要集中在流域的上游和下游，即方山縣和柳林縣等地區。

圖2 研究區1990年、2000年和2010年的生態環境狀況分級圖Fig.2 The classification map of ecological environment in study area in 1990，2000 and 2010

表3 1990年、2000年和2010年研究區的生態環境狀況面積變化Table3 The area variation of ecological environment in the study area in 1990，2000 and 2010

表4 生態環境變化度分級Table4 Ecological indexes change grading schedule

表5 研究區1990年、2000年和2010年之間生態環境狀況變化幅度Table5 Change range of ecological environment in the study area between 1990，2000 and 2010

2.3 不同子流域的生態環境狀況

整體三川河流域的生態狀況處于一般與良好之間，其中，2000年的生態環境狀況最好，1990年的生態環境狀況最差；三川河子流域的生態環境狀況最差，北川河和東川河狀況最好，2000年的北川河的良好面積達到了北川河流域的70%，生態狀況非常好（圖3）。造成這一狀況的主要原因是三川河子流域主要位于流域的下游，人口密集，植被稀少，氣候干旱，外加水土流失嚴重導致生態環境狀況最差；而北

川河和東川河地勢高，植被覆蓋度好，人口稀少，水土保持狀況優。

2.4 影響生態環境狀況的主要因素

通過對1990年、2000年、2010年不同海拔與不同坡度的生態情況進行分類與歸納，結果（圖4和5）顯示，生態環境隨著海拔高度的升高而逐漸變好，隨著坡度的降低生態環境越好，其中，生態環境處于一般和良好狀態主要分布于＞1000 m的海拔高度范圍內，且2000年生態環境為良好的面積最大，1990年最小；而生態環境處于良好和一般的面積主要分布在坡度＜20°的地帶，表明流域生態環境隨地勢和海拔高度變化明顯。

圖3 1990年、2000年、2010年4條子流域的生態環境狀況分時分區面積統計Fig.3 Ecological and environmental conditions in different sub-basin area timeshare partition statistics in 1990，2000 and 2010

圖4 1990年、2000年、2010年不同海拔高度的生態環境狀況分時分區面積統計Fig.4 Different altitudes of the ecological and environmental conditions timeshare zoning area statistics in 1990，2000 and 2010

圖5 1990、2000、2010年不同坡度的生態環境狀況分時分區面積Fig.5 Ecological and environmental conditions in different terrain slope timeshare partition area statistics in 1990，2000 and 2010

3 結論與討論

在RS和GIS的支持下，參照《生態環境狀況評價技術規范（試行）》，得到研究區1990年、2000年和2010年的生態環境評價狀況及其空間分布特征，對三川河流域不同時段、不同環境背景條件下生態環境變化狀況進行了研究，得出以下結論：

（1）三川河流域的主要生態環境狀況類型為良好和一般，且1900年、2000年和2010年3個時間段的面積變化顯示，生態環境狀況較差的面積呈現先明顯減少后逐漸增加的發展趨勢，整體上生態環境狀況轉好，通過空間分析和21 a間的變化幅度等級發現生態環境狀況變化主要集中在流域的中西部地區，即城市和人口密集的地區。

（2）整體三川河流域的生態狀況處于一般和良好，其中，三川河子流域地處下游地區，人口密集，植被稀少，氣候干旱外加水土流失嚴重導致生態環境狀況最差；北川河和東川河地勢高，植被覆蓋度好，人口稀少，水土保持狀況良好，且2000年北川河的良好面積最好，占到了該流域的70%。

（3）不同地勢和海拔生態環境狀況差異明顯，海拔＜1 000 m、坡度＞20°的地帶生態環境狀況最差，是生態環境保護和防治中應該重點關注的區域。

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Temporal and Spatial Variation in Ecological Environment of Sanchuan River Catchment in the Loess Plateau

SHI Guang1，LIU Li-wen1，YANG Yan2
（1.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Information Science and Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

It is essential to grasp characteristics in variation of ecological environment of small watershed in the Loess Plateau for study of how to protect and cure the area’s ecological environment.This article takes Sanchuan River Catchment in Shanxi Province as study object，and derives three year ecological environment distribution diagrams，namely 1990，2000 and 2010 based on RS and GIS method in accordance with specific evaluation system of Ecological and Environmental Conditions Evaluation of Technical Specifications（Trial）（HJ/T 192-2006）.By analyzing characteristics of temporal and spatial variation in Sanchuan River Catchment and its sub-basin in these 21 years，we reach a conclusion indicating that the level of ecological and environmental conditions in this main field is assessed fine.Even though it firstly experienced significantly better condition then followed by gradual deterioration during this 21 years，in general，its ecological environmental conditions was changing better.In particular，northeast watershed that is the area within Beichuan and Dongchuan River sub-basin is where the relatively good ecological environmental conditions were shown.Meanwhile，by studying ecological environmental conditions with different environment backgrounds，we find that the worst ecological environmental conditions are located in areas with altitude＜1 000 m，slope＞20°zone.Therefore，this area is where we should focus on ecological environmental protection and cure.

Ecological environment；Temporal and spatial variation；Watershed；Remote sensing；Geographic information systems

TP79

A

1008-1631（2016）04-0072-06

2016-02-26

史廣（1980-），男，山西大同人，講師，碩士，主要從事3S技術應用、信息系統開發研究工作。E-mail：sxausg@126.com。