科爾沁沙地西北緣生態地質環境評價

楊 柳，唐 振，施 璐

中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034

0 前言

將地質環境作為一個獨立系統，從環境地質學角度研究受社會生態環境和自然生態環境雙重影響下的地質環境與人類生存環境相互關系，這種相互關系即為生態地質環境系統［1］. 生態地質環境是由巖石圈表層、水圈、大氣圈、生物圈和人類圈相互滲透、交織組成的復雜體系，其中某一圈層的變異會引發生態地質環境的整體失衡［2］. 科學評價生態地質環境，有利于客觀掌握區域地質環境條件和可能出現的地質環境問題，便于決策者制定合理的生態地質環境保護方針，以促進人類社會可持續發展［3］. 生態地質環境評價作為環境質量評價體系中重要組成部分，自20 世紀以來其理論方法和應用實踐都得到了廣泛的拓展創新［4］. 考慮到生態地質環境系統中多指標的復雜性，本研究采用層次分析法，結合線性加權綜合評價模型在科爾沁沙地西北緣對內蒙古1∶5 萬巨里河幅生態地質環境質量進行系統分析評價.

研究區位于內蒙古自治區通遼市西北部（圖1），地處大興安嶺中南段與科爾沁沙地草原結合部位，地形地貌整體從西北部中山山地逐漸向東南過渡到低山丘陵區，地形多樣，主要形成有低山丘陵和山地草原. 研究區地處歐亞大陸中高緯度帶東部，屬中溫帶大陸性季風氣候區，呈干旱、半干旱特征. 區內大小時令河流共有7 條，屬烏力吉木仁河水系（西遼河水系），河流總長度63.38 km.

圖1 研究區位置圖Fig. 1 Location map of the study area

層次分析法（AHP）是由美國運籌學家Saaty 于20世紀70 年代中期提出的一種多層次權重分析決策方法，具有系統、靈活和實用等特點［5］. AHP 法是將評價（決策）有關的元素分解成目標、準則、指標等層次，并在此基礎上進行定性與定量相結合的評價［6］. AHP 法能將復雜問題中的各種因素通過劃分為相互聯系的有序層次使之條理化，并能將數據、專家意見和分析者的客觀判斷直接而有效地結合［7］.

1 構建層次分析評價模型

使用層次分析法解決問題，首先要把研究的問題進行層次化處理，構建出一個層次分析的模型. 將有關要素進行分類歸納，并按一定層次組織影響因子的分組，將其與上一級相關的因子依次排列，通過因子間相互比較取值，最終可得出基本因子對目標因子的影響程度［8］.

1.1 評價指標的選取

建立科學、完善、可行的評價指標體系及選擇恰當的評價標準是成功進行生態地質環境質量評價的關鍵. 生態地質環境質量評價指標的選取要能夠表征研究區域的生態系統的特征，要具有代表性、典型性. 另一方面，選擇的指標要基于現實數據資源的獲取.

生態地質環境是一個多成分的復雜系統，主要由巖石環境、土壤環境和水環境3 個系統組成，每個系統內部又存在多種影響因子. 本研究遵循科學性、標準性、可度量性以及可操作性的原則，參考《生態環境狀況評價技術規范》（HJ192—2015），參考前人研究成果［9-17］，根據研究區的生態地質環境特點，在綜合考慮自然地理、基礎地質、生態條件等基礎上確定評價指標體系，如圖2、表1.

表1 生態地質環境評價指標體系一覽表Table 1 Value and grading of eco-geological environment evaluation index

圖2 生態地質環境質量評價指標體系Fig. 2 Evaluation index system of eco-geological environment quality

圖3 區域生態地質環境質量評價等級分區圖Fig. 3 Evaluation grading map of regional eco-geological environment quality

1）高程

高程是地殼運動結果的表現形式，反映地表高低起伏形態，對地質災害易發性、土地生產力、植被類型及覆蓋度等具有制約性和主導性影響作用，是地區生態地質環境變化和發展的關鍵因素. 參考了高玄彧［18］對地貌基本形態的主客分類法，結合研究區相對高度變化，將研究區分為平原、丘陵、低山、高山. 數據的提取采用ArcGIS 系統工具中Data Management Tools 柵格模塊對已經裁剪后的DEM 數據依據分類標準進行重分類.

2）坡度

坡度表現為地面傾斜度，直接影響著地表徑流、水土保持和人類活動. 不同坡度具有不同的水熱條件，導致的土壤侵蝕程度也有所不同. 坡度是影響土壤養分流失最主要的地形因子之一［19］. 劃分依據參考《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007）中關于地面坡度的劃分標準. 數據的提取采用ArcGIS 系統工具中3D Analyst Tools 柵格表面模塊對已經裁剪后的DEM數據依據分類標準進行重分類.

3）坡向

坡向是指局部地表面在水平面上的投影與正北方向的夾角. 坡向的不同導致太陽輻射和降水的空間二次分配，伴隨光輻射、光照時長、大氣溫度、土壤水分和土壤養分等環境因子的差異，進而影響著植物群落類型、物種組成、物種多樣性和功能多樣性的變化［20］. 植物功能多樣性主要受坡向影響，且功能豐富度在陰坡、半陰坡顯著高于陽坡. 劃分依據參考多位學者的研究成果［21-23］，數據的提取采用ArcGIS 系統工具中3D Analyst Tools 柵格表面模塊對已經裁剪后的DEM 數據依據分類標準進行重分類. 其中陰坡為315～45°，半陰坡為45～90°、270～315°，陽坡為135～225°，半陽坡為90～135°、225～270°.

4）斷裂帶密度

地質構造對生態地質環境有著重要的影響，眾多學者在宏觀以及中小尺度研究［24］上都獲得了較為成熟的成果. 數據的提取采用ArcGIS 系統工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模塊對繪制轉化好的MapGIS軟件中的斷裂帶密度圖進行柵格提取，進行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，將矢量化后的斷裂帶線密度量化圖按相等間隔分為4 個等級.

5）巖石風化程度

巖石的風化程度在大循環中影響著成土過程，小循環中影響植物營養元素在生物體與土壤中的轉移轉化，巖石的風化程度對區域生態環境具有重要的直接和間接影響. 對評價點位巖石風化程度的判斷是通過野外調查與區域地質情況相結合的方式確定的.

6）水網密度

水網密度反映了地表水流水侵蝕和水系發育程度，影響著區域生態地質環境質量. 根據區域內水系分布特征，將研究區水文密度分為4 個等級. 數據的提取采用ArcGIS 系統工具中Spatial Analyst Tools 水文分析模塊對已經裁剪后的DEM 數據進行一系列的柵格河網矢量化處理，將處理后的水網矢量化圖形進行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，按相等間隔分為4 個等級.

7）土壤有機質

土壤有機質是以各種形式存在于土壤中的含碳有機化合物的統稱，是衡量土壤肥力的重要指標. 根據《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016）中土壤養分地球化學等級評價要求，對研究區內土壤中有機質含量進行評價. 為評價指標的統一，將一等評價標準和二等評價標準合并，劃分為4 個等級. 采用的數據是研究區內評價點位的土壤測試數據分析值.

8）土地利用類型

數據的獲取基于實際野外調查與遙感解析，按照生態系統服務價值由高到低劃分為耕地、林地、草原和沙地4 個等級.

9）人口密度

它是表示各地人口的密集程度的指標（單位：人/km2）. 研究區人口分布較為分散，以村為行政單位聚集分布. 本次評價以各村為中心，以2 000 m 為活動半徑，應用ArcGIS 系統工具中Spatial Analyst Tools 距離模塊對已經裁剪后的DEM 數據進行歐式距離分析，將矢量化后的歐式距離圖按相等間隔分為4 個等級.

10）資源利用程度

研究區的資源利用主要有礦業、建筑、農業、畜牧業等，根據實際的調研結果將本研究區的資源利用程度分為4 個等級.

11）交通通達性

交通通達性反映了區域與外界進行經濟、社會和文化交流的可能性和潛力，是衡量區域社會經濟發展程度的重要指標. 路網的調查范圍包括國道、縣鄉路、主要街道和機耕路. 數據的提取采用ArcGIS 系統工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模塊對繪制轉化好的MapGIS 軟件中的交通路線圖進行柵格提取，進行線密度分析，搜索半徑為1 000 m，將矢量化后的交通路線密度量化圖按相等間隔分為4 個等級.

1.2 評價指標的取值和分級

評價指標可分為定性指標和定量指標：定量指標包括高程、植被覆蓋度、人口密度等可由具體數值進行量化的指標；定性指標包括地層巖性、礦業活動等取值常表現為屬性，只能進行定性描述的指標. 為使兩者能同時進行綜合比較，采用分級打分方法，給予不同的定性或定量指標1～4 的閾值（表1），應用層次分析法yaahp 軟件進行計算.

2 構建判斷矩陣

構建判斷矩陣是完成層次分析法的一個關鍵步驟，從層次結構模型的方案層開始，將所面臨的復雜問題分解為一個個獨立的層面，而后建立層次模型，各自獨立處理. 假設目標元素為A，同與之相連的有關元素B1、B2…Bn 有支配關系. 假設以上一層次某目標元素A 作為準則，通過向決策者詢問在原則A 下元素Bi 的優劣比較，構造判斷矩陣表（表2）. 其中bij表示對于A 來說，Bi對Bj相對重要性的數值體現，通常bij可取1～9 以及它們的倒數作為標度（表3）.

表2 判斷矩陣Table 2 Judgment matrix

表3 標度及含義Table 3 Scale and representation

1）權重分配

以適應農牧業發展為本次生態地質環境評價的目標層逐一給定每個因素的權值. 判斷所對應的特征值λ，并計算特征向量W，最后進行歸一化操作，歸一后的特征向量為相對應的指標權重.

2）一致性檢查

在評價過程中，為防止有其他特殊因素對結果造成影響，需要對其一致性進行檢查. 其公式如下：

式中，CR 為隨機一致性比例，CI 為一致性指標，RI為隨機一致性指標.

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根；n 為判斷矩陣的階數.

RI 的取值由大量實驗數據計算（表4）.

表4 隨機一致性指標Table 4 Random consistency index

當CR＜0.1 時，判斷矩陣才滿足一致性的要求，否則要對矩陣進行調整，直至滿足CR＜0.1 為止. CR 值愈小，矩陣一致性愈好，當CR＝0 時，矩陣完全一致.

3 評價指標權重計算結果

通過對計算數據的整理，得出科爾沁沙地北緣地區生態地質環境評價指標的權重（表5—9）.

表5 準則層B 相對于目標層A 的判斷矩陣及權重Table 5 Judgment matrix and weight of criterion layer（B）to target layer（A）

表6 指標層C 對準則層B1 的判斷矩陣及權重Table 6 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B1）

表7 指標層C 對準則層B2 的判斷矩陣及權重Table 7 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B2）

表8 指標層C 對準則層B3 的判斷矩陣及權重Table 8 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B3）

表9 指標層C對目標層A 的綜合權重Table 9 Comprehensive weight of index layer（C）to target layer（A）

4 研究區生態地質環境評價

將研究區按面積大小分為100 個評價單元，按質量指數作為定量化指標，為此建立評價數學模型：

式中，M—評價指標的生態地質環境評價質量指數；Pj—評價指標相對應的閾值；Wj—評價指標的綜合權重.

目前，針對生態地質環境評價的分級尚沒有統一的標準，本區域的評價分級標準按指數大小，將研究區生態地質環境劃分為5 個等級，劃分標準如表10.

表10 生態地質環境質量劃分標準Table 10 Classification criterion of eco-geological environment quality

5 評價結果

本次評價涉及的100 個評價單位中質量指數最大值為11.93，最小值為6.3，根據評價結果繪制科爾沁沙地北緣生態地質環境質量評價分級圖（圖4）. 通過對評價區域計算結果進行概率統計可知，評價指數處于IV 級和V 級的單元個數占總評價單元個數的45%；處于III 級的單元個數占總評價單元個數的41%，該級評價單元質量指標平均值為8.09；處于I 級和II 級的單元個數占總評價單元個數的14%.

6 結論

在深入分析影響科爾沁沙地西北緣生態地質環境因子的基礎上，結合野外實際工作及遙感數據，利用層次分析法構建以地質環境、生態環境、社會環境為準則層，以高程、坡度、水網密度、人口密度等11 個指標為指標層的評價模型，利用生態地質環境評價數據模型進行線性加權計算，得出100 個評價單元的生態地質環境質量指數. 結果顯示，研究區有45%的評價單元處于較差和差的質量等級，有41%的評價單元處于中等質量等級，可以看出科爾沁沙地西北緣生態地質環境總體處在中等偏下的水平.

綜合評價結果顯示3 個準則層中生態環境因素對區域生態地質環境影響處于主導地位，對本次評價的貢獻率為62.5%. 研究區土壤絕大部分屬于砂壤，生態地質環境較為脆弱，區域社會經濟的發展比較依賴畜牧業和部分地區的采礦業，對區域生態地質環境影響較大. 為保護區域生態環境，要加大自然資源管理監督力度，尤其是對于生態地質環境較差的區域，更要注意易誘發生態環境問題的因素，如土壤沙化、過度放牧、不規范的礦區開采等.