科尔沁沙地西北缘生态地质环境评价

杨 柳，唐 振，施 璐

中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034

0 前言

将地质环境作为一个独立系统，从环境地质学角度研究受社会生态环境和自然生态环境双重影响下的地质环境与人类生存环境相互关系，这种相互关系即为生态地质环境系统［1］. 生态地质环境是由岩石圈表层、水圈、大气圈、生物圈和人类圈相互渗透、交织组成的复杂体系，其中某一圈层的变异会引发生态地质环境的整体失衡［2］. 科学评价生态地质环境，有利于客观掌握区域地质环境条件和可能出现的地质环境问题，便于决策者制定合理的生态地质环境保护方针，以促进人类社会可持续发展［3］. 生态地质环境评价作为环境质量评价体系中重要组成部分，自20 世纪以来其理论方法和应用实践都得到了广泛的拓展创新［4］. 考虑到生态地质环境系统中多指标的复杂性，本研究采用层次分析法，结合线性加权综合评价模型在科尔沁沙地西北缘对内蒙古1∶5 万巨里河幅生态地质环境质量进行系统分析评价.

研究区位于内蒙古自治区通辽市西北部（图1），地处大兴安岭中南段与科尔沁沙地草原结合部位，地形地貌整体从西北部中山山地逐渐向东南过渡到低山丘陵区，地形多样，主要形成有低山丘陵和山地草原. 研究区地处欧亚大陆中高纬度带东部，属中温带大陆性季风气候区，呈干旱、半干旱特征. 区内大小时令河流共有7 条，属乌力吉木仁河水系（西辽河水系），河流总长度63.38 km.

图1 研究区位置图Fig. 1 Location map of the study area

层次分析法（AHP）是由美国运筹学家Saaty 于20世纪70 年代中期提出的一种多层次权重分析决策方法，具有系统、灵活和实用等特点［5］. AHP 法是将评价（决策）有关的元素分解成目标、准则、指标等层次，并在此基础上进行定性与定量相结合的评价［6］. AHP 法能将复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次使之条理化，并能将数据、专家意见和分析者的客观判断直接而有效地结合［7］.

1 构建层次分析评价模型

使用层次分析法解决问题，首先要把研究的问题进行层次化处理，构建出一个层次分析的模型. 将有关要素进行分类归纳，并按一定层次组织影响因子的分组，将其与上一级相关的因子依次排列，通过因子间相互比较取值，最终可得出基本因子对目标因子的影响程度［8］.

1.1 评价指标的选取

建立科学、完善、可行的评价指标体系及选择恰当的评价标准是成功进行生态地质环境质量评价的关键. 生态地质环境质量评价指标的选取要能够表征研究区域的生态系统的特征，要具有代表性、典型性. 另一方面，选择的指标要基于现实数据资源的获取.

生态地质环境是一个多成分的复杂系统，主要由岩石环境、土壤环境和水环境3 个系统组成，每个系统内部又存在多种影响因子. 本研究遵循科学性、标准性、可度量性以及可操作性的原则，参考《生态环境状况评价技术规范》（HJ192—2015），参考前人研究成果［9-17］，根据研究区的生态地质环境特点，在综合考虑自然地理、基础地质、生态条件等基础上确定评价指标体系，如图2、表1.

表1 生态地质环境评价指标体系一览表Table 1 Value and grading of eco-geological environment evaluation index

图2 生态地质环境质量评价指标体系Fig. 2 Evaluation index system of eco-geological environment quality

图3 区域生态地质环境质量评价等级分区图Fig. 3 Evaluation grading map of regional eco-geological environment quality

1）高程

高程是地壳运动结果的表现形式，反映地表高低起伏形态，对地质灾害易发性、土地生产力、植被类型及覆盖度等具有制约性和主导性影响作用，是地区生态地质环境变化和发展的关键因素. 参考了高玄彧［18］对地貌基本形态的主客分类法，结合研究区相对高度变化，将研究区分为平原、丘陵、低山、高山. 数据的提取采用ArcGIS 系统工具中Data Management Tools 栅格模块对已经裁剪后的DEM 数据依据分类标准进行重分类.

2）坡度

坡度表现为地面倾斜度，直接影响着地表径流、水土保持和人类活动. 不同坡度具有不同的水热条件，导致的土壤侵蚀程度也有所不同. 坡度是影响土壤养分流失最主要的地形因子之一［19］. 划分依据参考《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190—2007）中关于地面坡度的划分标准. 数据的提取采用ArcGIS 系统工具中3D Analyst Tools 栅格表面模块对已经裁剪后的DEM数据依据分类标准进行重分类.

3）坡向

坡向是指局部地表面在水平面上的投影与正北方向的夹角. 坡向的不同导致太阳辐射和降水的空间二次分配，伴随光辐射、光照时长、大气温度、土壤水分和土壤养分等环境因子的差异，进而影响着植物群落类型、物种组成、物种多样性和功能多样性的变化［20］. 植物功能多样性主要受坡向影响，且功能丰富度在阴坡、半阴坡显著高于阳坡. 划分依据参考多位学者的研究成果［21-23］，数据的提取采用ArcGIS 系统工具中3D Analyst Tools 栅格表面模块对已经裁剪后的DEM 数据依据分类标准进行重分类. 其中阴坡为315～45°，半阴坡为45～90°、270～315°，阳坡为135～225°，半阳坡为90～135°、225～270°.

4）断裂带密度

地质构造对生态地质环境有着重要的影响，众多学者在宏观以及中小尺度研究［24］上都获得了较为成熟的成果. 数据的提取采用ArcGIS 系统工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模块对绘制转化好的MapGIS软件中的断裂带密度图进行栅格提取，进行线密度分析，搜索半径为1 000 m，将矢量化后的断裂带线密度量化图按相等间隔分为4 个等级.

5）岩石风化程度

岩石的风化程度在大循环中影响着成土过程，小循环中影响植物营养元素在生物体与土壤中的转移转化，岩石的风化程度对区域生态环境具有重要的直接和间接影响. 对评价点位岩石风化程度的判断是通过野外调查与区域地质情况相结合的方式确定的.

6）水网密度

水网密度反映了地表水流水侵蚀和水系发育程度，影响着区域生态地质环境质量. 根据区域内水系分布特征，将研究区水文密度分为4 个等级. 数据的提取采用ArcGIS 系统工具中Spatial Analyst Tools 水文分析模块对已经裁剪后的DEM 数据进行一系列的栅格河网矢量化处理，将处理后的水网矢量化图形进行线密度分析，搜索半径为1 000 m，按相等间隔分为4 个等级.

7）土壤有机质

土壤有机质是以各种形式存在于土壤中的含碳有机化合物的统称，是衡量土壤肥力的重要指标. 根据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）中土壤养分地球化学等级评价要求，对研究区内土壤中有机质含量进行评价. 为评价指标的统一，将一等评价标准和二等评价标准合并，划分为4 个等级. 采用的数据是研究区内评价点位的土壤测试数据分析值.

8）土地利用类型

数据的获取基于实际野外调查与遥感解析，按照生态系统服务价值由高到低划分为耕地、林地、草原和沙地4 个等级.

9）人口密度

它是表示各地人口的密集程度的指标（单位：人/km2）. 研究区人口分布较为分散，以村为行政单位聚集分布. 本次评价以各村为中心，以2 000 m 为活动半径，应用ArcGIS 系统工具中Spatial Analyst Tools 距离模块对已经裁剪后的DEM 数据进行欧式距离分析，将矢量化后的欧式距离图按相等间隔分为4 个等级.

10）资源利用程度

研究区的资源利用主要有矿业、建筑、农业、畜牧业等，根据实际的调研结果将本研究区的资源利用程度分为4 个等级.

11）交通通达性

交通通达性反映了区域与外界进行经济、社会和文化交流的可能性和潜力，是衡量区域社会经济发展程度的重要指标. 路网的调查范围包括国道、县乡路、主要街道和机耕路. 数据的提取采用ArcGIS 系统工具中Spatial Analyst Tools 密度分析模块对绘制转化好的MapGIS 软件中的交通路线图进行栅格提取，进行线密度分析，搜索半径为1 000 m，将矢量化后的交通路线密度量化图按相等间隔分为4 个等级.

1.2 评价指标的取值和分级

评价指标可分为定性指标和定量指标：定量指标包括高程、植被覆盖度、人口密度等可由具体数值进行量化的指标；定性指标包括地层岩性、矿业活动等取值常表现为属性，只能进行定性描述的指标. 为使两者能同时进行综合比较，采用分级打分方法，给予不同的定性或定量指标1～4 的阈值（表1），应用层次分析法yaahp 软件进行计算.

2 构建判断矩阵

构建判断矩阵是完成层次分析法的一个关键步骤，从层次结构模型的方案层开始，将所面临的复杂问题分解为一个个独立的层面，而后建立层次模型，各自独立处理. 假设目标元素为A，同与之相连的有关元素B1、B2…Bn 有支配关系. 假设以上一层次某目标元素A 作为准则，通过向决策者询问在原则A 下元素Bi 的优劣比较，构造判断矩阵表（表2）. 其中bij表示对于A 来说，Bi对Bj相对重要性的数值体现，通常bij可取1～9 以及它们的倒数作为标度（表3）.

表2 判断矩阵Table 2 Judgment matrix

表3 标度及含义Table 3 Scale and representation

1）权重分配

以适应农牧业发展为本次生态地质环境评价的目标层逐一给定每个因素的权值. 判断所对应的特征值λ，并计算特征向量W，最后进行归一化操作，归一后的特征向量为相对应的指标权重.

2）一致性检查

在评价过程中，为防止有其他特殊因素对结果造成影响，需要对其一致性进行检查. 其公式如下：

式中，CR 为随机一致性比例，CI 为一致性指标，RI为随机一致性指标.

式中，λmax为判断矩阵的最大特征根；n 为判断矩阵的阶数.

RI 的取值由大量实验数据计算（表4）.

表4 随机一致性指标Table 4 Random consistency index

当CR＜0.1 时，判断矩阵才满足一致性的要求，否则要对矩阵进行调整，直至满足CR＜0.1 为止. CR 值愈小，矩阵一致性愈好，当CR＝0 时，矩阵完全一致.

3 评价指标权重计算结果

通过对计算数据的整理，得出科尔沁沙地北缘地区生态地质环境评价指标的权重（表5—9）.

表5 准则层B 相对于目标层A 的判断矩阵及权重Table 5 Judgment matrix and weight of criterion layer（B）to target layer（A）

表6 指标层C 对准则层B1 的判断矩阵及权重Table 6 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B1）

表7 指标层C 对准则层B2 的判断矩阵及权重Table 7 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B2）

表8 指标层C 对准则层B3 的判断矩阵及权重Table 8 Judgment matrix and weight of index layer（C）to criterion layer（B3）

表9 指标层C对目标层A 的综合权重Table 9 Comprehensive weight of index layer（C）to target layer（A）

4 研究区生态地质环境评价

将研究区按面积大小分为100 个评价单元，按质量指数作为定量化指标，为此建立评价数学模型：

式中，M—评价指标的生态地质环境评价质量指数；Pj—评价指标相对应的阈值；Wj—评价指标的综合权重.

目前，针对生态地质环境评价的分级尚没有统一的标准，本区域的评价分级标准按指数大小，将研究区生态地质环境划分为5 个等级，划分标准如表10.

表10 生态地质环境质量划分标准Table 10 Classification criterion of eco-geological environment quality

5 评价结果

本次评价涉及的100 个评价单位中质量指数最大值为11.93，最小值为6.3，根据评价结果绘制科尔沁沙地北缘生态地质环境质量评价分级图（图4）. 通过对评价区域计算结果进行概率统计可知，评价指数处于IV 级和V 级的单元个数占总评价单元个数的45%；处于III 级的单元个数占总评价单元个数的41%，该级评价单元质量指标平均值为8.09；处于I 级和II 级的单元个数占总评价单元个数的14%.

6 结论

在深入分析影响科尔沁沙地西北缘生态地质环境因子的基础上，结合野外实际工作及遥感数据，利用层次分析法构建以地质环境、生态环境、社会环境为准则层，以高程、坡度、水网密度、人口密度等11 个指标为指标层的评价模型，利用生态地质环境评价数据模型进行线性加权计算，得出100 个评价单元的生态地质环境质量指数. 结果显示，研究区有45%的评价单元处于较差和差的质量等级，有41%的评价单元处于中等质量等级，可以看出科尔沁沙地西北缘生态地质环境总体处在中等偏下的水平.

综合评价结果显示3 个准则层中生态环境因素对区域生态地质环境影响处于主导地位，对本次评价的贡献率为62.5%. 研究区土壤绝大部分属于砂壤，生态地质环境较为脆弱，区域社会经济的发展比较依赖畜牧业和部分地区的采矿业，对区域生态地质环境影响较大. 为保护区域生态环境，要加大自然资源管理监督力度，尤其是对于生态地质环境较差的区域，更要注意易诱发生态环境问题的因素，如土壤沙化、过度放牧、不规范的矿区开采等.