中国北方农牧交错带2000—2010年生态环境状况分析

何立环，董贵华，王伟民，明 珠

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京100012

2.深圳市环境监测中心站，广东 深圳518049

北方农牧交错带是中国典型的生态环境脆弱区之一，又称为农牧过渡带，农牧脆弱区。在自然条件下，该区域以东南是湿润半湿润地区，地势相对平坦，生态环境条件较优;而以西、以北分布着中国主要的高原和山地，地形复杂、生态脆弱。因此，这一地带也是中国生态环境的一条重要的过渡带和安全屏障带［1-3］。由于受“重农轻牧”政策导向和长期形成的独特“农业文化”影响以及“重生产轻生态”的实践观，农牧交错带区域各子系统出现大面积的农田和草地退化现象;退化草地和农田已经被证明是京津地区沙尘暴的源头［4-5］。同时，农牧交错带具有明显的不稳定性和敏感性，容易受外来干扰影响而发生变化，往往一个因素的变化或扰动会触发多个因素“链式”反应，使生态系统发生根本性改变，而且这种改变往往是不可逆的、灾害性的退化。因此，农牧交错带作为外界干扰信号的放大器，是研究全球变化的重要预警区，已经成为国内外学者研究的热点之一［5-8］。在国家环境保护战略从单纯的污染防治向污染防治与生态并举转换的背景下，农牧交错带地区也成为国家生态保护的重点区域之一。《全国生态脆弱区保护规划纲要》(环发［2008］92号)将农牧交错带作为环保部生态监管的重要区域;《全国生态功能区划》(公告2008年第35号)有8个重要生态功能区与农牧交错带有关;《全国主体功能区》(国发［2010］46号)中有3个重点功能区与农牧交错带有关。但目前，中国的区域生态监测与评价还处于探索阶段，生态环境评价处于研究阶段，大多学者从生态系统服务价值、生态足迹、生态安全、生态风险、工程建设生态影响、景观格局、植被覆盖等方面分析农牧交错带生态状况，缺少对交错带生态环境整体状况的研究［8-14］。以中国北方农牧交错带为研究对象，在《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192—2006)基础上，构建了反映区域生态生产力、生态功能支撑力、生态制约因子和生态胁迫因子的农牧交错带生态环境状况评估体系，利用多源遥感数据、土地覆盖数据、环境数据、气象数据等多源数据综合评估2000—2010年间该地区生态质量状况及变化趋势。

1 研究区概况

农牧交错带主要是指由于生产条件、生产方式以及生产目标的不同，在农业区与牧业区的衔接处，形成的独特而重要的过渡交界面。这个过渡界面会随着气候变化发生一定的空间位移［14-17］。以高吉喜等［3］确立的农牧脆弱带为研究区，行政区域涉及蒙、吉、辽、冀、晋、陕、宁、甘等8省区的98个县区，面积50.1万平方公里，属干旱半干旱区，年降水量 300～450 mm，干燥度1.0～2.0。在这个过渡带中，气候、生物、土壤等自然条件以及人类生产生活方式、土地利用方式等，都表现出过渡性和波段性特点，生态结构不稳定，干扰性差，环境质量脆弱［3］。

2 基础数据及处理

研究数据主要有:2000、2005、2010年 Landsat TM影像，均为2、3和4谱段组合假彩色影像。全部影像含云量小于10%，均经过精几何纠正。

2000、2005、2010 年 MODIS NDVI数据，数据处理采用NASA推荐的标准处理方法，采用最大值合成法，由旬NDVI合成月NDVI。

2000、2005、2010 年土地生态数据，是在Landsat TM影像基础上目视解译获得。

其他数据还有全国1∶25万水系数据，水土流失数据，降雨量和水资源量数据，COD、SO2和固体废物排放量等数据。

所有遥感数据和土地利用数据均处理成西安80坐标系，采用Albers等面积投影像，投影参数为南标准纬线为25°N，北标准纬线47°N，中央经线110°E，起始纬度12°N，中央经线偏差和起始点偏差均为0。环境数据和气象数据等其他统计数据按照行政区域进行插值分析，形成与遥感数据相同坐标系和投影的空间数据，再利用Arc GIS的空间分析等功能进行相关统计分析。

3 评价方法

3.1 评价模型构建

生态环境的综合性、层次性和复杂性决定了对其进行评价的难度，更难以形成统一的评价方法［18-26］。2006年3月，《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192—2006)颁布(以下简称规范)作为环保部门评估生态环境状况的标准，同时也在生态评价中得到广泛应用。以该规范为基础，在科学性、可行性和整合性相结合的原则下，结合区域生态特征，从生态生产力，生物功能支撑、生态制约和生态压力因子等方面，对评价方法进行一定的优化设计，技术路线见图1。

图1 农牧交错带生态环境评价模型技术路线

3.2 分指数模型

交错带生态环境质量利用生态环境状况指数(EI)表示，EI的数值范围0～100，包括生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数5个因子［27］。植被覆盖指数反映区域的生态生产能力;生物丰度反映区域生态功能的支撑能力;水分条件是区域生态质量的主要制约因子;土地退化和环境污染压力是区域生态系统受到外界胁迫的整体反映［28］。各分指数权重根据主成分分析法和专家打分法相结合的方式进行调整，调整结果为

EI=0.35×生物丰度指数+0.25×植被覆盖指数+0.15×水网密度指数+0.15×(100－土地退化指数)+0.1×环境质量指数［10］

根据区域特征和数据可获得情况，对植被覆盖指数、水网密度指数和土地退化指数的评估方法进行了优化。

3.2.1 植被覆盖指数

规范中的植被覆盖指数和生物丰度指数均以遥感提取的土地生态类型经过分层次权重综合计算获取，两者在数据源和计算方法上有一定的重复性，而且植被覆盖指数没有评估沼泽湿地等区域的植被，具有一定的局限性。目前，MODIS NDVI是反映植被覆盖情况的一个常用指标［26，29］，结合该区域植被生长周期特征，以及NDVI常用算法，采用5—9月的 NDVI月最大值的平均值进行分析［26，29］。计算公式为

式中，Pi是某象元5—9月 NDVI月最大值的均值，n为某县域象元数，Area县域指某县域的面积，Abio为植被覆盖归一化系数。

3.2.2 水网密度指数

规范中水网密度指数由河流长度、湖库面积和水资源量3部分构成，反映了区域河流长度、水域面积以及水资源情况。根据近几年全国生态环境质量评估情况，水资源量成为生态环境状况变化的主要影响因素［30-33］。水分是生态系统发展的必要因素，但过量降水又会对区域生态环境状况形成负面影响，引发洪水对原有生态系统造成破坏，并给人类生产生活造成极大危害。统计资料显示，中国平均2～3年就发生一次极为严重的旱涝灾害［16，34］。根据 2005—2010 年间中国县水资源量年差分析，以及全国多年平均洪涝受灾面积，选择水资源量较常年增加40%为临界阈值，即当水资源量增加超过40%时按负值处理，即对生态环境产生了负面影响。

将河流长度作为衡量生态系统水循环的基数，将水资源量增加超过年均值40%的部分作为负值处理，反映极端天气事件对生态环境质量的影响，增加的越多，则负效应就越大。具体计算方法为

式中，Ariv为河流长度的归一化系数，Alak为湖库面积的归一化系数，Ares为水资源量的归一化系数。

3.2.3 土地退化指数

规范中土地退化指数主要反映土壤侵蚀评估，不包含退化沙地、盐碱地等类型。根据数据可获得性，在评估过程中将区域新增沙地、盐碱地作为土地退化的构成要素。具体公式为

土地退化指数 =Aero×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积 +0.6×重度侵蚀面积)/区域面积 +A其他×(沙地面积 +盐碱地面积)/区域面积×0.1

式中，Aero为土壤侵蚀的归一化系数，A其他为其他退化土地的归一化系数。

4 结果与讨论

4.1 生态系统构成

研究表明，10年间中国北方农牧交错带森林生态系统增加明显，以灌木林地和其他林地为主;草地生态系统面积和质量均呈下降趋势，中覆盖度草地面积持续减少，后5年高覆盖度草地减少，而低覆盖度草地持续增加;河流、湖泊、沼泽和滩地等天然湿地在持续减少，以后5年为甚;农田面积减少，但旱地减少，水田面积持续增加。由于社会经济发展，城市化加速，城市建设用地和其他建设用地持续增加;沙地和裸土地呈明显持续减少趋势。

4.2 生态环境状况

2000—2010年农牧交错带生态环境状况及变化趋势见图2。

图2 2000—2010年农牧交错带生态环境状况及变化趋势

由图2a可见，2010年，中国北方农牧交错带98个县域的生态环境质量以“一般”为主，县域个数和占交错带的面积比分别为77个和71.6%;“良”和“一般”的面积比分别为 16.4%和11.9%;生态环境质量“良”的县域主要分布在内蒙古自治区的拓兰石市、乌兰浩特市、赤峰市和承德市，该区域的生态生产力和生态系统功能均相对较高，土地退化和环境负荷等压力相对较小;“较差”的县域主要分布在内蒙古西部的东胜市和宁夏的白银市，该区域的土地退化压力较大。

由图2b、c和d可见，10年间，研究区生态环境质量“稳中变好”，大多数县域EI值升高，“良”和“一般”的县域个数呈增加趋势，分别增加了3.3%和6.7%，“较差”的县域个数和面积均呈减少趋势。10年间生态环境质量变好的县域有30个，其中20个县持续变好;3个县后5年变好;7个县前5年变好。10年间生态环境质量变差的县域有5个，其中3个县域的生态环境前5年变好，而后5年变差，且后5年生物丰度和植被覆盖均呈明显变差状态。10年中，16个县域生物丰度指数持续增加，生态功能呈改善趋势;18个县域植被覆盖指数持续增加，生态生产力持续恢复;16个县土地退化程度持续减弱，土地退化程度降低。10年间，只有4个县域水网密度指数持续增加，说明该地区水分条件不稳定;32个县域的环境质量指数持续降低;2个县域的环境质量改善，说明该地区环境负荷呈增加趋势，水分条件和环境负荷是影响该区域生态质量的主要限制因子。

4.3 原因分析

通过Linear Regression分析，10年间农牧交错带生态环境状况变化的主要因子是生物丰度指数，其次是植被覆盖指数和环境质量指数，而且前5年与后5年的主要因子与10年相同。利用K-means cluster模糊聚类分析法，对10年间3个指数对各县域生态环境变化状况特征进行聚类分析，即3个生态因子均稳定区为33个;生物丰度和植被覆盖均显著改善区为7个，该区域生态生产力和生态功能均改善，因此生态环境质量是切实变好的;生物丰度改善而植被覆盖显著降低区为3个，该区域生态生产力降低，而由于局部林地增加导致生物丰度指数提高，其潜在生态风险增大;生物丰度稳定而植被覆盖显著改善区为23个，该区域生态功能稳定，生态生产力呈恢复状态，生态环境质量变好;生物丰度稍微降低而植被覆盖显著改善区为29个，该区域生态功能下降，而生态生产力变幅较大，是潜在生态风险区;环境质量指数明显改善区为1个，环境质量明显下降区为12个。

由此可见，10年间中国农牧交错带生态环境状况变化的直接因子是生态生产力变化、水分条件和环境负荷。2000年以前，内蒙古中部及东部地区经济发展迅猛，水土条件好的局部区域开垦为耕地，导致区域植被退化比较明显，2000年国家实施了退耕政策，在前5年土地退化趋势有所缓和，后5年生态状况变好趋势明显，但在局部地区仍存在退化现象［5-8，12］。耕地面积增加以及气候变化导致部分区域的水域湿地面积减少，水网密度降低［16-17，35］。由于经济发展，尤其是资源开发活动，乌海市和兰州市的二氧化硫和COD的排放量呈现明显增加趋势，导致环境负荷增加。

同时，有3类区域值得关注，一是生物丰度改善而植被覆盖显著降低区，该区域的生物丰度改善主要是由于植树造林，但缺少对大范围草地的保护，导致草地退化;二是生物丰度稍微降低而植被覆盖显著改善区，该区域的景观格局基本稳定，但植被覆盖度明显提高，需要进一步分析发生该变化的原因。通过调研相关资料，该类区域有的森林面积稍有减少，有的水域湿地系统减少，说明区域生态保护工作取得进步的同时，存在潜在退化风险［35-36］;三是水网密度明显降低区，该区域天然河流面积和滩地大幅减少，远大于区域平均水平，存在较大的潜在生态风险［37］。

4.4 讨论

1)受评价方法、遥感数据特性等影响，选择了5个指数(生物丰度、植被覆盖度、土地退化、水网密度和环境质量)进行评估，特别是土地退化只考虑了水土流失和草地退化2个方面，未考虑物种尺度的草场退化。生物丰度只考虑了景观尺度水平，没有考虑物种和基因水平。

2)在评价数据的精度衔接方面，遥感数据进行空间配准、生态类型提取及面积统计，利用NDVI评估植被覆盖度等方面具有不同的精度，怎样评估这些因素对评价结果的影响需要进一步研究探索。

3)综合指数法是生态评价的一个重要方面，适合区域长期生态状况评估，但在综合分析的同时，忽略了区域生态环境构成、功能等方面的内容，需要在区域评价的时候考虑分指数和生态类型对生态状况的影响。

5 结语

评价结果显示，中国农牧交错带生态环境质量以“一般”为主，10年间生态环境质量呈现整体“稳中变好”的特征，“良”和“一般”呈增加趋势，16个县生态功能改善，18个县生态生产力呈恢复状态，16个县土地退化程度降低。水分条件和环境负荷是影响农牧交错带的主要限制和胁迫因子，局部地区存在显著生态风险。

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