礦區生態系統質量和生態完整性評價*

胡華浪，李偉方，孫冠楠

(農業部規劃設計研究院，北京 100125)

·持續農業·

礦區生態系統質量和生態完整性評價*

胡華浪，李偉方※，孫冠楠

(農業部規劃設計研究院，北京 100125)

進行礦區生態完整性評價，有助于更好地進行礦區資源開發、政策制定、環境保護和生態環境綜合整治。研究利用景觀生態學的方法，通過空間結構及功能與穩定性分析，進行生態系統質量評價。借助遙感NPP估算模型和Shannon-Weaver多樣性指數，從生態系統生產力和穩定性兩個方面，對該礦區的生態系統的結構和功能狀況進行分析，完成了礦區生態完整性的評價，并提出了相應的改進建議。研究結果表明：在評價區內，草地和林地優勢度最高，對生態環境質量的調控能力較強。其次依次是耕地、水域與水利設施用地、住宅用地、交通用地。而評價區生態系統生產力處于較低水平，其中林地生產力最大，恢復穩定性最強，其次是灌木林地，而評價區內面積最大的草地，在生產力水平劃分中處于最低水平，恢復穩定性較弱； 通過計算該區的Shannon-Weaver多樣性指數，發現該區群落多樣性程度較高，但由于評價區內植被多為人工種植，對生態環境的緩解改善作用有限，所以該生態系統抵抗外界干擾能力仍一般，評價區生態完整性處于較低水平。隨著人類活動和開發的加大，植物群落會有逆行演替的可能，區域生態系統也存在向低級別退化發展的趨勢。

生態完整性 生態系統質量 生產力

0 引言

生態完整性有時候也被理解為生態系統的健康程度[7]。從廣義上講，它是物理、化學和生物的完整性的總和； 從狹義上講，包含了生態系統健康、生物多樣性、穩定性、可持續性、自然性等[8]。國外關于生態完整性的研究主要包括：生態完整性的理論研究、生物完整性的研究、環境完整性的研究及基于環境保護、景觀規劃為目的的生態完整性評估[9]。國內的研究主要集中在水生生態系統、濕地系統、風景名勝區以及工程項目建設對環境生態完整性影響的評估等方面[1-4]。文章基于遙感數據，利用光能利用率模型計算植被生產力，通過分析植被的生產力確定生態系統的恢復穩定性，從而對礦區的生態系統質量和生態完整性進行評價，以促進礦區資源開發、政策制定、環境保護和生態環境綜合整治。

1 研究區概況

礦區位于鄂爾多斯高原北部，海拔1221～1544m，地勢呈南高北低，最高點海拔為1512.2m，位于井田南部；而最低點海拔為1391m，則位于井田東北部。海拔最大標高差為121m，一般相對標高差40m左右。礦區自然條件比較脆弱。氣候干旱少雨、寒暑變化劇烈，四季分明，平均溫差變化大，多大風天氣，沙塵暴也時有發生。最高氣溫38.3℃，最低氣溫-30.9℃，年平均降水量401.6mm，年平均蒸發量2108.2mm。土壤及地表組成物質以第四紀黃土為主，養分貧缺，肥力低，土質松軟，易遭受侵蝕。地表支離破碎，溝谷縱橫，山大溝深，溝床不斷下切和側蝕，谷坡擴展迅速，溝頭溯源侵蝕強烈； 植被以干草原植被為主，廣泛分布在粱峁頂、溝坡上，生長勢差，低矮稀疏，覆蓋度低，對地表的保護力弱，抗侵蝕能力低。再加上人為破壞的影響等大大加劇了水土流失和風沙侵襲對研究區的危害程度。

圖1 研究區位置

圖2 生態系統質量評價流程

2 研究方法

2.1 生態環境質量評價方法

利用景觀生態學的方法進行生態環境質量評價。景觀生態學的研究對象是作為復合生態系統的景觀[6]。景觀生態學法是通過研究一定時段內某一區域的生態系統類群的格局、特點、綜合資源狀況等自然規律，以及人為干預下的演替趨勢，揭示人類活動在改變生物與環境方面的作用的方法[10]。景觀生態學對生態質量狀況的評價是通過空間結構和功能與穩定性2個方面來分析的。景觀生態學認為，景觀的結構與功能是相輔相成的，缺一不可[5]。

2.2 生態完整性評價方法

生態完整性是生態系統維持各生態因子相互關系并達到最佳狀態的自然特性，反映了生態系統的健康程度。運用景觀生態學的原理與方法對礦區在區域的生態完整性現狀進行評價，即從生態系統生產力和生態系統穩定性2個方面對該區域生態系統的結構和功能狀況進行分析。

2.2.1 生態系統生產力評價

為了充分了解礦區生產力現狀水平，通過NPP估算模型計算出評價區生態系統凈第一性生產力，按照奧德姆劃分法，將地球上生態系統按照生產力的高低劃分為4個等級，見表1，以此判別植被生產力水平的高低。

表1 生態系統生產力水平等級劃分

評價等級生產力判斷標準(g/m2·d)生態類型舉例最低<0.5荒漠和深海較低0.5～3山地森林、熱帶稀樹草原、低產農耕地、半干旱草原、深湖和大陸架較高3～10熱帶雨林、農耕地和淺湖最高10～20,最高可到達25少數特殊生態系統、如農業高產田、河漫灘、三角洲、珊瑚礁和紅樹林等

根據NPP與植物吸收的光合有效輻射(APAR)和植物將所吸收的光合有效輻射轉化為有機物的關系構建基于遙感衛星數據的NPP估算模型，即NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)和光利用率(ε)2個因子來表示，其估算公式如下[12]：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

(1)

式(1)中，t代表時間，x代表空間位置； APAR(x，t)代表像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2·月)； ε(x，t)代表像元x在t月份的實際光能利用率(g/MJ)。

植被吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植物本身對光能的利用率，光合有效輻射(APAR)的估算用下式計算[12]。

APAR(x，t)=SOL(x，t)×FPAR(x，t)×0.5

(2)

式(2)中：SOL(x，t)代表t月在像元x處的太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x，t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例； 常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。

在遙感模型中，環境因子通過最大光能利用率實現對NPP的調控。光能利用率ε的估算如下[12]：

ε(x，t)=Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax

(3)

式中，Tε1(x，t)和Tε2(x，t)代表低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用； Wε(x，t)為水分脅迫系數； εmax是理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ1)。

2.2.2 生態系統穩定性評價

生態系統穩定性包括生態系統對干擾的阻抗能力和受到干擾后的恢復能力2方面。

(1)生態系統恢復穩定性

生態系統的恢復穩定性通過植被的生產力反映。即植被生產力越大，則生態系統受干擾后恢復到原狀的能力就越強。

(2)生態系統阻抗穩定性

生態系統阻抗穩定性通過植被的異質性反映。異質性越明顯，物種越豐富，阻抗穩定性越好。因此，對異質性的量化可用多樣性指標(H)表示，H可通過Shannon-Weaver 多樣性指數來估算。Shannon-Weaver多樣性指數：

(4)

式中，Pk代表斑塊類型k 在景觀中出現的概率； n代表景觀中斑塊類型的總數。

3 結果分析

景觀生態系統的現狀是由區域內自然環境、各種生物以及人類社會之間復雜的相互作用來決定的。生態環境質量評價采用景觀生態學理論來評價項目評價區的生態質量，通過計算各拼塊的優勢度，確定生態系統中的模地，對評價區環境質量狀況作出判定，在景觀的3組分(綴塊、廊道和模地)中，模地是景觀的背景區域，是一種重要的景觀元素類型，在很大程度上決定了景觀的性質，對景觀的動態起著主導作用。判定一塊好的模地有3個指標，即大的相對面積、高的連通程度、好的動態控制能力。對景觀模地的判定一般采用生態學中重要值的方法決定某一綴塊在景觀中的優勢(優勢度值)，其計算如下[11]：

(5)

式(5)中：Do—為優勢度；

評價區建設前的景觀生態格局分析見表2，景觀優勢度計算結果列于表3。

表2 評價區主要綴塊類型、數目和面積

綴塊類型綴塊數目(個)面積(km2)耕地44125.63園地20.05林地59848.41草地257129.64采礦用地10.01住宅用地2802.13交通用地322.67水域及水利設施用地4098.55其他土地1202.08合計2140219.17

表3 評價區各類綴塊優勢度值 %

由表2數據顯示，在上述景觀類型中，草地和林地是環境資源拼塊中對生態環境的質量調控能力較強的高亞穩定性元素類型，其優勢度較高，分別達到了48.86%和22.77%，連通程度也較高(Rd分別為12.01%和27.94%，Rf分別為65.14%和18.97%)，耕地的優勢度為13.89%，對環境質量也具有一定的調控能力。在評價區，住宅用地的優勢度達到7.94%。說明該區域受到了一定的人為干擾，但干擾不大。

因此，草地是該評價區生態環境質量的主要控制性組分，植被覆蓋度較低。由于該評價區受人為干擾較為嚴重，農田水利及農田防護林體系建設不完善，所以土壤環境對環境整體質量影響較大，土地生產能力及抗御自然災害能力較低。該區無常年性地表水體，各溝谷在雨季常形成季節性地表流水，暴雨過后可形成短暫的洪流，評價區的水體景觀的優勢度為13.01%。

在遙感影像解譯和野外實地調查的基礎上，綜合生態評價區地表植被覆蓋現狀和植被立地情況，計算的各植被類型凈生產力情況見表4。

表4 生態評價區植被自然生產力情況

植被類型面積(km2)比例(%)平均凈生產力gC/(m2.a)楊樹、柳樹、榆樹等3.271.49330.23油松、杜松等15.096.89299.42核桃、紅棗等0.050.02302.81高粱、玉米、小麥等25.6311.69172.76錦雞兒、沙棘等30.0513.71314.84長芒草、隱子草、百里香等129.6459.15167.45水域及水利設施8.553.90-住宅用地2.130.97-交通道路2.671.22-采礦用地0.010.00-其他土地2.080.95-合計219.17100188.03

從結算結果和判斷標準來看，評價區平均凈生產力為188.03g/(m2/a)，按照奧德姆劃分法，處于0.5～3g/(m2·d)的判斷標準內，屬于全球生態系統生產力“較低”水平，主要是由于評價區為干旱的荒漠地帶，植被生產力低的草地、灌叢占的比例較大。由表1較低等級的閾值0.5 g/(m2·d)可知，該類生態系統的生產力閾值為182.5gC/(m2·a)，評價區平均生產力十分接近這個閾值，這是因為該地區為荒漠草原，對生態承載能力較小。

從表4可以看出，楊樹、柳樹、榆樹等有林地的生產力最大，為330.23gC/(m2·a)，其恢復穩定性最強，但是有林地在評價區所占比例僅為1.49%，因此林地對區域生態系統穩定性貢獻較小； 評價區內生產力第二大的土地類型為灌木林地，生產力為314.84gC/(m2·a)，由于農田生態系統受人類活動直接影響，其穩定性取決于人類干預的強度。評價區內面積最大的草地生態系統占總面積的59.15%，是評價區內決定生態系統穩定程度的主要類型，其生產力僅為167.45gC/(m2·a)，在生產力水平劃分中處于最低的水平，恢復穩定性較弱。

表5 評價區內群落多樣性統計

類型Pk(%)-Pkln(Pk)楊樹、柳樹、榆樹等6.880.18油松、杜松等6.630.18核桃、紅棗等0.090.01高粱、玉米、小麥等23.450.34錦雞兒、沙棘等15.710.29長芒草、隱子草、百里香等11.060.24水域及水利設施17.600.31住宅用地12.010.25交通道路1.380.06風景名勝及特殊用地0.260.02采礦用地0.040.00其他土地5.160.15Shannon-Weaver多樣性指數(H)2.02HBmaxB2.40

通過表5可知，Shannon-Weaver多樣性指數(H)等于2.02，占HBmaxB 的84.17%，說明評價范圍內群落多樣性程度較高。但是因為評價區內植被主要為人工種植，例如油松林、檸條、錦雞兒灌叢等，組成單一，不能形成多樣性群落結構，易受蟲害等干擾，自我調節能力差，功能不夠完善，并且區域內土壤肥力低，侵蝕嚴重，因此對生態環境的緩解改善作用有限。所以，雖然該評價區群落多樣性程度較高，該生態系統阻抗干擾的能力仍一般。同時，評價范圍內出現概率(Pk)最大的植被類型為高粱、玉米、小麥群落。

綜合分析表明，評價區生態系統生產力處于較低水平，在受到人類活動干擾后，易于向更低等級退化。同時，由于該區生態系統恢復能力較弱，抵抗外界干擾能力一般，評價區生態完整性處于較低水平。

4 結論與討論

評價區目前生態環境質量屬較差水平，生態環境特征為植被覆蓋較差，嚴重干旱少雨，物種較少，生產力水平較低，穩定性較差，使得生態系統完整性處于較低水平。本區域自然生態系統的穩定性、抗干擾能力、恢復能力均較弱。隨著人類活動和開發的加大，植物群落會有逆行演替的可能，區域生態系統也存在向低級別退化發展的趨勢。

總之，評價區自然條件差，生態環境極其脆弱，溝谷密度大，崩塌滑坡重力侵蝕嚴重。雖然近年來當地政府實施多項生態治理工程如水土保持、封山禁牧、防沙、治沙等，使得生態環境有一定的改善，但總體并未改變本區生態環境脆弱的格局。因此，在礦區開發過程中應采用先進的采煤工藝，減輕采煤對環境的影響，同時，當地政府必須采取措施提高當地植被覆蓋率，防止水土流失，提高環境的抗干擾能力，使礦區開發和生態保護協調一致。

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ECOSYSTEM QUALITY AND ECOLOGICAL INTEGRITY ASSESSMENT IN MINING AREA

Hu Hualang，Li Weifang※，Sun Guannan

(Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China)

To assess the ecological integrity in mine areas can benefit the mining resources development, policy development, environmental protection, and the ecological environment. Landscape ecological approach was used to assess ecological system quality by means of spatial structure, spatial function as well as spatial stability analysis. Using landscape ecological theory and approach, it analyzed the structure of ecological system as well as function of ecological system from the two aspects which included ecological system productivity and ecological system stability with the help of remote sensing NPP estimation model and Shannon - Weaver diversity index. Finally, it put forward some suggestions for the ecological environment evaluation. Research results indicated grass land and forest land had the highest dominance in controlling the ecological environment quality, followed by cultivated land, water, water conservancy facilities land, residential land, and traffic land. The ecological system productivity of the evaluation area was at a lower level, of which the forestland had the largest productivity and strongest restore stability, followed by the bush woods and grassland. At the same time, by calculating the Shannon - Weaver diversity index of the evaluation area, it found that the community diversity degree was high, but it could not improve the ecological environment of the research region due to the artificial cultivation vegetation. As a result, the ability to resist interference of the ecological system was still at a lower level. With the increase of human activities and development in a rapid speed, it may have a trend that regional ecological system would degrade to a low level of ecological system in the future.

ecological integrity; ecosystem quality; productivity

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160434

2015-10-19

胡華浪(1980—)，男，江蘇漣水人，高級工程師、副站長。研究方向：農業遙感、資源環境遙感及農村土地確權研究。※通訊作者：李偉方(1958—)，男，山東壽光人，高級工程師、副院長。研究方向：農業遙感與農業規劃研究。Email：wfli1988@aliyun.com

國家科技支撐計劃“貧困地區災害風險評估與災害管理技術”(2012BAH33B02)

F205； X171.4； TD88

A

1005-9121[2016]04-0203-06