基于地理國情監(jiān)測的石家莊自然生態(tài)環(huán)境狀況研究

周 陽 田時雨 王 淼

(1. 河北省第二測繪院, 河北 石家莊 050031; 2. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038)

0 引言

任何生物維持自身生存與繁衍都需要的一定的環(huán)境條件,一般把處于宏觀穩(wěn)定狀態(tài)的某物種所需要或占據(jù)的環(huán)境總和稱為生態(tài)空間[1]。生態(tài)空間可分為城市生態(tài)空間和自然生態(tài)空間。城市生態(tài)空間是指城市及其周邊區(qū)域,城市中的人們在其中生產(chǎn)和生活。自然生態(tài)空間是指具有重要生態(tài)功能、以提供生態(tài)產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)為主的區(qū)域,在保障國家或區(qū)域生態(tài)安全中發(fā)揮重要作用[2]。

第一次全國地理國情普查工作于2015年完成[3],常態(tài)化的基礎(chǔ)性和專題性地理國情監(jiān)測工作持續(xù)開展。本文利用石家莊8個區(qū)縣兩個年份的地理國情監(jiān)測地表覆蓋數(shù)據(jù),研究林地、草地、水域等自然生態(tài)空間覆蓋的時空變化特征,定量評估石家莊經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展,生態(tài)環(huán)境的變化情況,為自然資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等工作決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)獲取方法及數(shù)據(jù)概況

本文的研究區(qū)域為石家莊市新華區(qū)、橋西區(qū)、長安區(qū)、裕華區(qū)、藁城區(qū)、鹿泉區(qū)、欒城區(qū)及正定縣,面積2 662.5 km2,占石家莊市總國土面積的18.9%,以下統(tǒng)稱為研究區(qū)域。利用2018年獲取的分辨率為1 m的高分辨率多光譜遙感影像數(shù)據(jù),參照地理國情普查的總體技術(shù)方法[5],根據(jù)自然生態(tài)空間不同監(jiān)測對象的特性和區(qū)域特點[6],開展內(nèi)業(yè)解譯和編輯,形成2018年的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)集[包括種植土地、林草覆蓋、房屋建筑(區(qū))、道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域等8個一級類,水田、旱地、園地、喬木林等20個二級類],以此為基礎(chǔ),利用2009年影像回溯采集形成2009年監(jiān)測成果數(shù)據(jù)集。進(jìn)而開展林草水的變化統(tǒng)計和自然生態(tài)環(huán)境狀況分析。

2 林地、草地、水域分布情況及變化

研究區(qū)域內(nèi)的林地主要分布在鹿泉西部,正定西南部以及長安東北部,市內(nèi)四區(qū)也有少量集中分布。草地主要分布在滹沱河河床及兩岸周邊區(qū)域、正定北部、鹿泉中部以及藁城中部地區(qū),市內(nèi)四區(qū)的公園綠地有零散分布。水域主要分布在鹿泉北部的黃壁莊水庫以及正定南部、長安北部的滹沱河區(qū)域,在市內(nèi)四區(qū)也有較連續(xù)分布,如圖1所示,審圖號為冀S(2018)28號。

(a)2009年

(b)2018年圖1 林地、草地、水域空間分布圖

林地面積從2009年的220.7 km2增加至2018年的251.8 km2;草地面積從124.7 km2增加至160.1 km2;水域面積從28.2 km2擴(kuò)大至41.7 km2。從地表覆蓋的子類型來看,喬木林和灌木林是主要的林地類型,綠化林地、人工幼林占比較少。2009年至2018年喬木林的面積有些許減少,灌木林、綠化林地和人工幼林有不同程度的增加。天然草地增加了16.2 km2,人工草地增加了19.2 km2。水面增加了13.8 km2,水渠減少了0.3 km2,如圖2所示。

圖2 2009年、2018年林地、草地、水域面積變化圖

3 生態(tài)環(huán)境狀況分析

3.1 生態(tài)環(huán)境狀況評價標(biāo)準(zhǔn)

參考環(huán)保部2015年發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》[7](HJ 192—2015),采用生境質(zhì)量指數(shù)、水源涵養(yǎng)指數(shù)對研究區(qū)域的生態(tài)狀況進(jìn)行評估。將生境質(zhì)量指數(shù)與水源涵養(yǎng)指數(shù)在[0,100]區(qū)間上進(jìn)行歸一化和無量綱處理,采用與技術(shù)規(guī)范中相同的分級標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

表1 評價分級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 生境質(zhì)量指數(shù)

生境指生物的個體、種群或群落生活地域的環(huán)境[8-9]。此處的生境質(zhì)量指數(shù)用來泛指區(qū)域內(nèi)的棲息地質(zhì)量,并不針對特定的物種,該值越高,說明生態(tài)環(huán)境越適宜物種生存。I表示生境質(zhì)量指數(shù)(habitat quality index,HQI),計算公式為

(1)

式中，I是生境質(zhì)量指數(shù);Abio是生境質(zhì)量指數(shù)的歸一化系數(shù),參考值為511.264 213 106 7;wi為某一生境類型的權(quán)重;Ai為相應(yīng)的面積;S為研究區(qū)域總面積。各生境類型的分權(quán)重如表2所示。

表2 生境質(zhì)量指數(shù)各生境類型分權(quán)重

為便于計算,將研究區(qū)域的地表覆蓋類型按照表3進(jìn)行重新劃歸。

表3 地表覆蓋二級類型與生境類型對應(yīng)關(guān)系

續(xù)表3

劃歸后的地表覆蓋與生境類型產(chǎn)生了關(guān)聯(lián),可繪制出2009年和2018年的生境質(zhì)量指數(shù)在100 m×100 m格網(wǎng)上的空間分布圖,如圖3所示。

圖3反映出10 a間隨著城市的擴(kuò)張,鹿泉西部山區(qū)、正定南部的滹沱河等林草分布密集區(qū)范圍擴(kuò)大,以及園博園、高遷公園、勝利公園、泊水公園、天山公園等生境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

(a)2009年

(b)2018年圖3 生境質(zhì)量指數(shù)空間分布圖 [審圖號：冀S(2018)28號]

兩個年份各區(qū)縣生境質(zhì)量指數(shù)排名順序相同,由高到低依次為:鹿泉、正定、欒城、藁城、長安、新華、裕華和橋西。2009年鹿泉和正定的指數(shù)大于20,屬于較差的區(qū)間,其他區(qū)縣屬于差的區(qū)間,這與城市地區(qū)房屋建筑密度高密切相關(guān)。鹿泉區(qū)自2015年起實施了礦山地質(zhì)環(huán)境整治和太行山綠化工程,水泥建材基地和廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù),生境質(zhì)量指數(shù)有所好轉(zhuǎn)。隨著正定新區(qū)(位于正定東南部)的建設(shè)和各區(qū)縣城市化進(jìn)程的加快,至2018年只有鹿泉生境質(zhì)量指數(shù)大于20,其他區(qū)縣均低于20。

3.3 水源涵養(yǎng)指數(shù)

水源涵養(yǎng)指數(shù)用來評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能狀況[10],利用區(qū)域內(nèi)林地、草地和水域濕地等水源涵養(yǎng)功能高的生態(tài)類型的差異進(jìn)行綜合評價獲得,該值越高表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力越高[10]。水源涵養(yǎng)指數(shù)IWC的計算公式為

(2)

式中,Acon是水源涵養(yǎng)指數(shù)的歸一化系數(shù),參考值為526.792 598 44。按照式(2)可計算得出究區(qū)域2009年和2018年水源涵養(yǎng)指數(shù)在100 m×100 m格網(wǎng)上的空間分布狀況。鹿泉西部和南部、正定縣南部和藁城區(qū)中部的滹沱河區(qū)域水源涵養(yǎng)指數(shù)較高,其他林地、草地和水域濕地分布較少的區(qū)域指數(shù)較低。同2009年相比,在環(huán)城水系、汊河、洨河水流量增多,水源涵養(yǎng)指數(shù)均有較明顯提升。

由于轄區(qū)內(nèi)有大面積山區(qū)和部分水庫,鹿泉的水源涵養(yǎng)指數(shù)最高且明顯高于其他區(qū)。其他各區(qū)水源涵養(yǎng)指數(shù)由高到低依次為新華、長安、裕華、正定、橋西、欒城和藁城。2018年的水源涵養(yǎng)指數(shù)相比2009年有明顯提高。自2009年以來,石家莊市對滹沱河開展了蓄水、綜合整治、生態(tài)修復(fù)等一系列完善省會生態(tài)功能的重要舉措,干涸多年的滹沱河重現(xiàn)碧波。2014年石家莊南水北調(diào)工程通水,緩解了用水緊張的問題。除此之外,新增的二十余處公園綠地和全長102 km的環(huán)城水系,也為石家莊水源涵養(yǎng)指數(shù)的提升做出了積極貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文基于地理國情監(jiān)測成果,利用遙感影像獲取了石家莊研究區(qū)域內(nèi)2009年和2018年跨度為十年的地表覆蓋數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上對林地、草地、水域的空間分布和變化進(jìn)行了展示,并用生境質(zhì)量指數(shù)、水源涵養(yǎng)指數(shù)分析了研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況,主要得出以下結(jié)論。

(1)10 a間,研究區(qū)域的林地、草地、水域面積分別增長了31.1 km2、35.4 km2和13.4 km2。鹿泉區(qū)的林地面積最大且遠(yuǎn)高于其他轄區(qū),類型以喬、灌木為主,市中心四轄區(qū)也有較為廣泛的林地分布,主要為綠化林地。正定、藁城和欒城林地分布較為稀疏,主要為人工幼林。天然草地主要分布在滹沱河區(qū)域以及正定北部地區(qū),在鹿泉以及市內(nèi)四區(qū)有較為分散的人工草地分布。水域主要分布在鹿泉北部的黃壁莊水庫以及流經(jīng)石家莊的主要河流與南水北調(diào)水系區(qū)域。

(2)研究區(qū)域的生境質(zhì)量指數(shù)、水源涵養(yǎng)指數(shù)具有較為相似的空間分布格局,即在鹿泉西部較高,正定、藁城和欒城相對較低,市內(nèi)四區(qū)最低。大部分地區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)處在“較差”區(qū)間內(nèi),10 a間部分區(qū)域有小幅降低,這是由于石家莊城市化進(jìn)程較快,房屋建筑區(qū)增長顯著,而耕地面積大幅縮減。水域面積較少和林草覆蓋地域性明顯,是本研究區(qū)域范圍內(nèi)固有的自然地理特征,也造成了的水源涵養(yǎng)指數(shù)均處在“差”的區(qū)間內(nèi)。若把石家莊西部的平山、井陘及北部的靈壽、行唐等以山地為主的區(qū)縣納入研究范圍,各項指數(shù)將會有大幅提升。

后續(xù)工作中,將擴(kuò)大研究范圍至石家莊市域,增加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中間年份(如2013年),探究石家莊近年來生態(tài)環(huán)境狀況更具體的變化特征,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)、自然資源管理等工作提供數(shù)據(jù)支撐。