1980-2017紅堿淖流域環(huán)境監(jiān)測評價

敖洋釬 侯冠宇 余瀚漢 牛 婷

（1 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 四川成都 610225 2 新疆環(huán)境保護科學(xué)研究院 新疆烏魯木齊 830011 3 新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室 新疆烏魯木齊 830011）

引言

紅堿淖流域位于陜西省神木縣與蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗之間，地理坐標為東經(jīng)109°42′-110°54′、北緯39°13′-39°27′。紅堿淖位于風(fēng)沙草灘區(qū)，呈現(xiàn)顯著的大陸性氣候，其適宜的生態(tài)環(huán)境為候鳥提供了理想的棲息地，大約有30 種野生禽類在紅堿淖繁衍生息。并且在2000 年發(fā)現(xiàn)國家一級重點保護野生動物遺鷗以來，國家有關(guān)部門更是重點關(guān)注紅堿淖地區(qū)，加大了保護力度。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價是用以評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要手段，是發(fā)展區(qū)域的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域環(huán)境保護的重要評判依據(jù)[1]。國外運用RS，GIS 技術(shù)進行環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的研究與應(yīng)用比較早，在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量上的評價方法多樣。2000 年Trevisan M 利用農(nóng)業(yè)危險指數(shù)對當?shù)氐娜藗冝r(nóng)業(yè)活動與生態(tài)環(huán)境之間之間的關(guān)系以及造成的影響做出了相關(guān)的評價及分析[2]。國內(nèi)對生態(tài)質(zhì)量評價的研究起步的比較晚，2011 年沈鴻飛等[3]依照技術(shù)規(guī)范對甘肅等地區(qū)進行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境改善提出了相關(guān)的建議。王妮[4]等基于層次分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法,合理科學(xué)計算評價指標權(quán)重，運用綜合評價模型評價滁州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對滁州市生態(tài)環(huán)境改善提出了針對性的建議。本文參考國內(nèi)某些學(xué)者的計算方法計算中間指數(shù)，結(jié)合《生態(tài)環(huán)境狀況評價規(guī)范》 中對EI 指數(shù)的計算方法來獲得最終的EI 指數(shù)數(shù)據(jù)從而對紅堿淖流域的生態(tài)環(huán)境進行綜合評價。

1 數(shù)據(jù)來源

本次研究所采用的數(shù)據(jù)源主要包括：Landsat 遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒以及環(huán)境公報數(shù)據(jù)。Landsat遙感數(shù)據(jù)采用1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2017 八年的紅堿淖遙感影像。MODIS 數(shù)據(jù)每年5-9 月份NDVI 每月產(chǎn)品數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采用中國1:200 萬數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計年鑒以及環(huán)境公報數(shù)據(jù)，提取了榆林市八年來的煙粉塵量、二氧化硫排放量、年均降水量、固體廢物排放量、化學(xué)需氧量等環(huán)境指標。DEM 數(shù)據(jù)為NASA 官網(wǎng)獲取的30m 分辨率的數(shù)據(jù)，結(jié)合年鑒數(shù)據(jù)及水利廳數(shù)據(jù)對紅堿淖流域進行生態(tài)環(huán)境評價。

2 結(jié)果與分析

通過計算不同的基礎(chǔ)指數(shù)，即植被覆蓋指數(shù)、生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、污染負荷指數(shù)、土地脅迫指數(shù)，其中土地脅迫指數(shù)是根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)以及DEM 數(shù)據(jù)計算相關(guān)侵蝕面積，并且當指數(shù)值大于100 時則取為100。根據(jù)固體廢料、煙粉塵、降水數(shù)據(jù)計算出的土地脅迫指數(shù)對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況有著指示作用。最終根據(jù)以上五個指標計算出來的EI 指標值范圍在0～100以內(nèi)，通過這個數(shù)值可以對目標研究區(qū)進行綜合的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。影響因子包括：土地利用類型、植被、河流、污染物。

本文在構(gòu)建紅堿淖區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價的過程中，采用的是熵權(quán)法。依據(jù)紅堿淖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，更加客觀對不同的指數(shù)賦予不同的權(quán)重，計算出最終的環(huán)境評價指標。這種方法能夠更加客觀的分析得到不同區(qū)域最終的環(huán)境質(zhì)量狀況。構(gòu)建模型的公式為：

根據(jù)2015 年國家環(huán)境保護標準《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)標準》，將環(huán)境最終的環(huán)境級別分為五類：優(yōu)、良、一般、較差、差，描述不同區(qū)域的環(huán)境狀況。

2.1 生物豐富度指數(shù)

生物的多樣性是整個生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)成以及顯著特征。結(jié)合當?shù)氐耐恋乩脭?shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到：隨著年份的增加城市用地的面積也在逐年增加。與此同時，水域的面積卻在逐年下降，這個結(jié)果與劉英[5]的研究結(jié)果一致。農(nóng)業(yè)用地、林地、草地的面積呈現(xiàn)有增加有減少的情況。這種各類土地利用面積的變化情況表明，用于城市建設(shè)方面的土地增加，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境將帶來或多或少的影響。

再看圖1，生物豐富度指數(shù)隨著年份的變化大體上呈現(xiàn)增長的趨勢，1990 年到2017 年整體上生物豐富度指數(shù)增加了6.69，但也有幾個年份呈現(xiàn)下降的趨勢，分析1980 到1990 大幅度下降4.37 的原因可能是：根據(jù)土地分類數(shù)據(jù)顯示在這期間城市用地與農(nóng)業(yè)用地小幅度增加，但林地面積卻出現(xiàn)了較大面積的減少，這可能是導(dǎo)致其指數(shù)較大幅度出現(xiàn)下降的原因。

圖1 1980-2017年生物豐富度指數(shù)

2.2 植被覆蓋指數(shù)

結(jié)合圖2 分析可得知：植被覆蓋指數(shù)隨著時間的推移呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢，其中增長幅度較大的年份區(qū)間為1990-1980、2005-2010，這兩個年份區(qū)間植被覆蓋指數(shù)分別上升了7.96 和8.93。而且整體呈現(xiàn)為上升態(tài)勢，自1980 年至2017 年間，植被覆蓋指數(shù)共上升30.34。從植被覆蓋指數(shù)不難看出，紅堿淖地區(qū)的植被覆蓋度連年攀升。

圖2 1980-2017年植被覆蓋度指數(shù)

2.3 水網(wǎng)密度指數(shù)

結(jié)合圖3 可以看出，從1980 年到2017 年水環(huán)境指數(shù)一直有變化，這與水域面積的減少密切相關(guān)。查閱相關(guān)文獻可知自1989 年以來，沿河建壩現(xiàn)象非常普遍，減少了水的入湖，同時農(nóng)業(yè)灌溉抽取了大量地下水，導(dǎo)致水域面積萎縮，1986 年到2018年水域面積總體呈現(xiàn)減小趨勢[6]。2000 年后，陜北和內(nèi)蒙生態(tài)建設(shè)效果顯著，大量實施封育、生態(tài)林建設(shè)和退耕還林等措施。原來的裸露沙地降水入滲快，表層毛細作用弱，自身蒸散發(fā)少，下滲水容易流向海子，這也是導(dǎo)致水域面積減少的原因之一。

圖3 1980-2017年水網(wǎng)密度指數(shù)變化

2.4 土地脅迫指數(shù)

根據(jù)水利部相關(guān)土壤侵蝕分類分級土壤侵蝕強度面蝕（片蝕）的分級標準，結(jié)合紅堿淖的地區(qū)分析整理后進行分類。

依據(jù)圖4 可知，紅堿淖流域整體地勢坡度較低屬于黃土高原，土地脅迫指數(shù)不高，且呈逐年降低的趨勢，侵蝕面積較少，整體水土保持較好，在1980 年到2017 年降低了13.30。紅堿淖流域自1980 年至今，水域和沙地面積減少，林地草地面積增加[7]，所以每年的中度侵蝕面和重度侵蝕面持續(xù)減少，輕度侵蝕面逐漸增加。查閱相關(guān)文獻可以清楚的了解到從1978 到1990 年溫度都在平均溫度之下，植被的自然長勢比其他年較好，土地脅迫指數(shù)自然就降低了，自1999 年國家實行退耕還林試點以來，紅堿淖流域的沙地和水域面積逐漸減少，而草地林地的面積日趨增多，植被覆蓋度增加，這也就導(dǎo)致了土地脅迫指數(shù)的下降。

圖4 1980-2017年土地脅迫指數(shù)變化

2.5 污染負荷指數(shù)

結(jié)合圖5 分析，從圖5 可得知紅堿淖流域的污染負荷指數(shù)呈現(xiàn)波動狀態(tài)總體呈現(xiàn)降低趨勢，環(huán)境污染逐年降低。從1980-2017 年的污染負荷指數(shù)總體減少，在1995-2005 年除了煙粉塵排放量和固體廢物在減少，其他排放量都基本不變，這與1995-2005 年間紅堿淖流域植被覆蓋度的增加和有關(guān)，隨后2005-2010 年降水量和煙粉塵排放量的增加和其余各因子都有不同程度的縮減，紅堿淖流域的環(huán)境質(zhì)量提高。結(jié)合相關(guān)的資料分析可知2005-2010 年間榆林市的綠化治沙力度加強導(dǎo)致其各種污染排放量都有不同程度的縮減。在2010 年以前各污染指數(shù)增加幅度較大。隨著時間的推移，人們開始逐漸意識到生態(tài)環(huán)境保護的重要性，在城市、工業(yè)擴建發(fā)展的同時開始實行相關(guān)的環(huán)境保護政策，在2005 年以后其污染負荷指數(shù)總體呈下降趨勢，表明相關(guān)的政策的實行有一定的效果。

圖5 1980-2017年污染負荷指數(shù)變化

2.6 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（EI）是最終評價紅堿淖生態(tài)環(huán)境的重要指標，根據(jù)所計算的生物豐富度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、污染負荷指數(shù)以及水網(wǎng)密度指數(shù)得到最終的EI 指數(shù)結(jié)果如圖6。

圖6 1980-2017年EI指數(shù)變化

從圖6 得知1980-2016 年的總體EI 值從42.27 提升到65.41，其指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，與鄧彥[8]的結(jié)果產(chǎn)生差別，可能是選取標準的不同。但是在1995-2000 年以及2010-2015 年呈現(xiàn)短暫的下降，結(jié)合資料分析，可能與該年份區(qū)間中紅堿淖地區(qū)發(fā)現(xiàn)了豐富的煤炭儲備，導(dǎo)致其周邊出現(xiàn)了大批的煤炭開采企業(yè)活動，從而導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受到破壞，這個原因也在劉磊等[9]研究紅堿淖受煤炭開采的研究中得到了印證。而其余年份均呈現(xiàn)了環(huán)境狀況指數(shù)增加的過程，尤其是在2015 年到2017 年之間出現(xiàn)了環(huán)境狀況指數(shù)較大幅度的增加。分析其快速增長的原因可能與2012 年紅堿淖流域被列入全國湖泊生態(tài)環(huán)境保護項目有關(guān)，并且當?shù)卣_實加大了對紅堿淖流域的環(huán)境保護力度使得近年來環(huán)境狀況指數(shù)得到了較大程度的增加。

為探究各指數(shù)與環(huán)境狀況指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，探尋植被覆蓋度、生物豐富度等指數(shù)是否與環(huán)境狀況指數(shù)呈現(xiàn)正向相關(guān)。統(tǒng)計了各個指數(shù)與環(huán)境狀況指數(shù)的關(guān)系：

（1）生物豐富度指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為0.55，顯著性為0.160；

（2）植被覆蓋度指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為0.79，顯著性為0.021；

（3）水網(wǎng)密度指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為-0.43，顯著性為0.286；

（4）土地脅迫指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為-0.86，顯著性為0.007；

（5）污染負荷指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為-0.83，顯著性為0.010。

從中看出植被覆蓋度和生物豐富度與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈正相關(guān)，表明對生態(tài)環(huán)境起到正面效果，當?shù)貞?yīng)進行植樹造林工作，減少濫砍濫伐的現(xiàn)象，增加植被覆蓋率強化當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。同樣，土地脅迫指數(shù)和污染負荷指數(shù)以及水網(wǎng)密度指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)負相關(guān)，對生態(tài)環(huán)境起到負面效果，當?shù)卣畱?yīng)該加強環(huán)境保護措施，進行修建溝壑、強化對水流的引導(dǎo)等水利措施。關(guān)閉當?shù)匚廴緡乐氐墓S，大力發(fā)展清潔能源，減少有害氣體的排放。

結(jié)語

（1）紅堿淖流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體向好，呈現(xiàn)波動上升趨勢。1980-2016 年的總體EI 值從42.27 提升到65.41，其指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，但是在1995-2000 年以及2010-2015 年呈現(xiàn)短暫的下降，結(jié)合資料分析其下降的原因，可能與該年份區(qū)間中紅堿淖地區(qū)發(fā)現(xiàn)了豐富的煤炭儲備，導(dǎo)致其周邊出現(xiàn)了大批的煤炭開采企業(yè)活動，從而導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受到破壞。

（2）1980-1995 年的EI 指數(shù)有所上升，主要與降水量增加有關(guān)。1995-2000 年EI 呈現(xiàn)下降趨勢，主要是隨著城市的發(fā)展二氧化硫、氨氮等物質(zhì)的排放量增加，使污染負荷指數(shù)增加，影響了紅堿淖流域的生態(tài)環(huán)境。2000-2010 年的EI 指數(shù)呈現(xiàn)上漲趨勢，主要是由于自1999 年來退耕還林試點在陜西的建立，林地和草地的面積增加，沙地面積減少，使得生態(tài)環(huán)境變好。2010-2015 年EI 指數(shù)有所下降，這主要與煤礦開采活動有關(guān)，總體來說紅堿淖流域的環(huán)境狀況指數(shù)大部分時間在40-55 之間，處于一般水平，少數(shù)時間環(huán)境狀況指數(shù)大于55，屬于良好水平。

（3）1980-1995 年之間的△EI 變化為正趨勢，這是由于紅堿淖流域降水量增加，植被覆蓋度增加造成的。在1995-2000年之間△EI 變化為負趨勢，結(jié)合資料分析是由于城市發(fā)展造成的。在2000-2010 年間△EI 顯著增加，這說明退耕還林、治沙防沙措施有著顯著的效果。2010-2015 年間△EI 有所下降，可能是由于采礦活動造成的。從1980-2017 年整體來看△EI 為23.14，呈正向趨勢，有顯著的變化以及劇烈的波動，表明了人們開始對環(huán)境的保護意識有了極大的加強，相關(guān)的改善環(huán)境決策方案也有一定的成效。但是2010-2015 年的EI 指數(shù)下降了3.35，呈下降趨勢。