楊春華, 雷 波, 李 劍, 鄭 莉, 劉建輝, 朱康文
(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院,重慶 401147;2.重慶市環(huán)境保護(hù)局,重慶 401147)
重慶市生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)方法研究
楊春華1*, 雷 波1, 李 劍2, 鄭 莉1, 劉建輝1, 朱康文1
(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院,重慶 401147;2.重慶市環(huán)境保護(hù)局,重慶 401147)
2015年5月中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了 《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱 《指南》),用以指導(dǎo)全國(guó)生態(tài)保護(hù)紅線劃定工作。本文就 《指南》中生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了研究,根據(jù)數(shù)據(jù)精度及數(shù)據(jù)獲取情況對(duì)某些指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合重慶實(shí)際。評(píng)價(jià)結(jié)果根據(jù)實(shí)際情況,結(jié)合管理需求進(jìn)行了靈活運(yùn)用。運(yùn)用結(jié)果得到了各部門的充分認(rèn)可,對(duì)重慶市生態(tài)紅線劃定工作起到重要的支撐作用。
生態(tài)保護(hù)紅線;生態(tài)敏感性;重慶市
生態(tài)敏感區(qū)是指對(duì)外界干擾和環(huán)境變化反應(yīng)敏感,易于發(fā)生生態(tài)退化的區(qū)域。根據(jù)中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部 《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》,水土流失敏感區(qū)、土地沙化敏感區(qū)、石漠化敏感區(qū)等是我國(guó)主要的陸地生態(tài)敏感區(qū)類型。根據(jù)重慶市實(shí)際情況,本文僅對(duì)水土流失敏感區(qū)和石漠化敏感區(qū)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。水土流失是指人類對(duì)土地的利用,特別是對(duì)水土資源不合理的開發(fā)和經(jīng)營(yíng),使土壤的覆蓋物遭受破壞,裸露的土壤受水力沖蝕,流失量大于母質(zhì)層育化成土壤的量,土壤流失由表土流失、心土流失而至母質(zhì)流失,最終使巖石暴露[1]。本文主要研究水力侵蝕型水土流失。石漠化是指在熱帶、亞熱帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候條件和巖溶極其發(fā)育的自然背景下,受人為活動(dòng)干擾,地表植被遭受破壞,導(dǎo)致土壤嚴(yán)重流失,基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現(xiàn)象,也是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式[2]。
重慶市幅員面積8.24×104km2,位于中國(guó)內(nèi)陸西南部,東經(jīng)105°17′~110°11′,北緯28°11′~32°13′,處于青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過渡地帶,中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)與資源富集的西部地區(qū)的結(jié)合部。地質(zhì)地貌復(fù)雜,山地、丘陵眾多,環(huán)境異質(zhì)性高;年平均氣溫18℃左右,日照總時(shí)數(shù)1 000~1 200 h,年降雨量1 000~1 450 mm,氣候溫和,屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,具有夏熱冬暖、雨量充沛、濕潤(rùn)多陰、無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn);溪河縱橫,水系發(fā)達(dá)。優(yōu)越的地理位置和復(fù)雜的自然條件,孕育了豐富的生物物種資源。市域內(nèi)陡峻的山地和復(fù)雜多變的自然環(huán)境,成為第四紀(jì)冰川時(shí)期生物的優(yōu)良避難所,孑遺生物較多,珍稀、瀕危和特有生物種類也較為豐富。
本文依據(jù) 《指南》中的方法進(jìn)行相應(yīng)的研究?!吨改稀愤x取了降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長(zhǎng)和地表植被覆蓋度4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行水土流失敏感性評(píng)價(jià);石漠化敏感性評(píng)價(jià)選取碳酸巖出露面積百分比、地形坡度、植被覆蓋度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行。需要說明的是,上述各參數(shù)因評(píng)價(jià)范圍、區(qū)域特色等差異不宜原封移植于重慶這一特殊區(qū)域,因此某些參數(shù)在獲取過程中并未完全依照 《指南》中的方法,而是做了相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化,以使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合重慶實(shí)際。
其中,水土流失敏感性評(píng)價(jià)方法見公式 (1):
式中:SSi為i空間單元水土流失敏感性指數(shù),Ri為降雨侵蝕力,Ki為土壤可蝕性,LSi為坡長(zhǎng)坡度,Ci為地表植被覆蓋度。
石漠化敏感性評(píng)價(jià)方法見公式 (2):
式中:Si為i評(píng)價(jià)單元石漠化敏感性指數(shù);Di、Pi、Ci分別為i評(píng)價(jià)單元內(nèi)碳酸巖出露面積百分比、地形坡度和植被覆蓋度。
2.1 降雨侵蝕力R
降雨侵蝕力因子R反映了降雨引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力大小[3]。《指南》推薦使用王萬(wàn)忠等[4]利用降水資料計(jì)算的中國(guó)100多個(gè)城市的R值,采用內(nèi)插法,用地理信息系統(tǒng)繪制R值分布圖。誠(chéng)然,這種方法對(duì)于全國(guó)尺度的研究可能有較好的結(jié)果,但在更小范圍的區(qū)域尺度上則不宜使用,需要尋求適合重慶地區(qū)的降雨侵蝕力參數(shù)。在查閱文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)之上,本研究采用了周伏建等[5]的研究成果,采用適合南方地區(qū)的年R值進(jìn)行計(jì)算獲取 (公式3)。
式中:R表示年侵蝕力[j·cm/(m2·h)],Pi為1~12月多年月平均降雨量 (mm)。
Pi數(shù)據(jù)通過搜集重慶市氣象局轄區(qū)內(nèi)雨量觀測(cè)點(diǎn)資料,利用公式 (3)計(jì)算出每個(gè)站點(diǎn)的降雨侵蝕力,在ArcGIS中對(duì)全市34個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行空間插值,從而獲取全市降雨侵蝕力空間分布數(shù)據(jù)。由于獲取的降雨侵蝕力數(shù)據(jù)在空間上是連續(xù)分布的,需對(duì)其進(jìn)行再分類 (ReClass)處理。在ArcMap軟件中利用自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)將降雨侵蝕力分成5個(gè)等級(jí),分類標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)值見表1。
表1 重慶市降雨侵蝕力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard for rainfall erosion force in Chongqing
2.2 土壤可蝕性K
土壤可蝕性是一種十分復(fù)雜的土壤特性,它反映土壤在雨滴擊濺、徑流沖刷或者兩者共同作用下,被分散、搬運(yùn)的難易程度。如果從侵蝕發(fā)生過程的基本原理考慮,土壤可蝕性應(yīng)被看作在單位外營(yíng)力或侵蝕力作用下,土壤或其剖面發(fā)生變化的程度。
《指南》介紹了用雷諾圖表示土壤可蝕性K指標(biāo)的方法。本研究采用通用土壤流失方程 (USLE)求取該指標(biāo)。計(jì)算方法見公式 (4)[6]:
式中:ms為土壤粗砂含量,msilt為土壤粉砂含量,mc為土壤粘粒含量,orgC為有機(jī)碳含量。獲取的土壤可蝕性數(shù)據(jù)K要用于下一步的評(píng)價(jià)需要進(jìn)行重分類處理 (ReClass)。在ArcMap中同樣采用自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)將其重分類為5級(jí),即不敏感 (0)、輕度敏感 (0,0.18]、中度敏感 (0.18,0.25]、高度敏感 (0.25,0.29]和極敏感 (>0.29),并對(duì)其敏感程度分別賦予分值為1,3,5,7,9。
2.3 坡度坡長(zhǎng)LS
大尺度分析中坡度坡長(zhǎng)因子LS的計(jì)算比較復(fù)雜。本研究應(yīng)用地形起伏度,即地面一定距離范圍內(nèi)最大高差,代替坡度坡長(zhǎng)LS指標(biāo)。采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源于重慶市地理信息中心提供的DEM (數(shù)據(jù)精度1∶50 000)。分別采用3×3、5×5、7×7、9×9共4種分析窗口計(jì)算地形起伏度LS指標(biāo)??臻g分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,7×7分析窗口的評(píng)價(jià)結(jié)果最符合重慶市情況,因此地形起伏度LS的計(jì)算基于7×7窗口進(jìn)行。為便于下一步的評(píng)價(jià)工作,同樣對(duì)地形起伏度LS指標(biāo)按照表2進(jìn)行重分類處理。
表2 重慶市地形起伏度敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard for terrain rolling sensitivity in Chongqing
2.4 植被覆蓋度C
地表植被覆蓋是水土流失的一個(gè)重要影響因子。本研究基于NDVI(植被歸一化指數(shù))獲取植被覆蓋度C指標(biāo)。NDVI是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)區(qū)域或全球植被和生態(tài)環(huán)境變化的有效指標(biāo),它是一個(gè)無(wú)量綱指標(biāo),與植被覆蓋度之間有著非常緊密的聯(lián)系,但本質(zhì)上兩者并不完全等同。一般情況下,NDVI值越大,則地表植被覆蓋度就越大;NDVI值越小,則地表植被覆蓋度也就越小[7]。
因此,通過分析典型樣區(qū)的NDVI值,實(shí)現(xiàn)NDVI值向植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換。具體步驟如下:(1)選取一定數(shù)量完全沒有植被覆蓋的典型區(qū)域 (如建筑密集區(qū)等),統(tǒng)計(jì)每一區(qū)域的NDVI值,將其平均值作為無(wú)植被覆蓋區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)NDVI值,并定義其植被覆蓋度為0;(2)通過野外實(shí)地調(diào)查,選取一系列植被覆蓋度非常高的區(qū)域 (如原始森林),統(tǒng)計(jì)出樣本內(nèi)平均NDVI值,作為植被全覆蓋區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)值,并定義其植被覆蓋度為1。至此,獲取到兩種極端植被覆蓋狀態(tài)下的NDVI值;(3)對(duì)介于兩者間的地物,按照公式5計(jì)算其植被覆蓋度[7]。
式中:NDVIveg為完全植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息,NDVIsoil為無(wú)植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息。
NDVI數(shù)據(jù)通過2000年至2010年逐旬MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算獲取。通過分別計(jì)算11年共396旬MODIS數(shù)據(jù),求取各旬NDVI值后,再求取平均值并作為全市最終NDVI值,進(jìn)而求取全市植被覆蓋度C數(shù)據(jù)。按照表3的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同樣對(duì)其進(jìn)行重分類處理。
表3 重慶市植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standard for vegetation coverage in Chongqing
2.5 碳酸巖出露面積百分比D
碳酸巖出露面積百分比D是指地表一定范圍內(nèi)碳酸巖出露面積的比例,這個(gè)數(shù)據(jù)需要國(guó)土或相關(guān)部門實(shí)地調(diào)查或者利用高精遙感數(shù)據(jù)提取,是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的基礎(chǔ)工作。理論上講,在其他同等條件下,碳酸巖分布多的區(qū)域其潛在出露的機(jī)率也大,兩者具有非常強(qiáng)的相關(guān)性。因此在碳酸巖出露面積比例數(shù)據(jù)缺乏的情況下,可以用碳酸巖空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。提取出全市碳酸巖空間分布數(shù)據(jù),并將其按照100 m×100 m的范圍逐個(gè)對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)碳酸巖分布的面積比,最后利用自然斷點(diǎn)法 (Natural Breaks)形成的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (表4)對(duì)其進(jìn)行重分類處理。
表4 重慶市碳酸巖出露面積比例分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Grading standard for ratios of carbonate rock distribution area in Chongqing
2.6 地形坡度P
地表坡度是地表單元陡緩的程度,通常把坡面的垂直高度 (h)和水平距離 (l)的比叫作坡度 (或叫作坡比)。本研究利用全市1∶50 000 DEM數(shù)據(jù)提取地表坡度值,然后利用自然斷點(diǎn)法 (Natural Breaks)形成的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (表5)對(duì)其進(jìn)行再分類處理。
表5 重慶市坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Grading standard for slope in Chongqing
3.1 水土流失敏感性評(píng)價(jià)
根據(jù)公式 (1)獲取重慶市水土流失敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果,見圖1。
圖1表明,全市水土流失空間分布差異明顯,渝東北和渝東南是水土流失最敏感的區(qū)域,渝西則是水土流失相對(duì)較弱的區(qū)域。
圖1 重慶市水土流失敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Sensitivity assessment of soil erosion in Chongqing
為進(jìn)一步分析全市水土流失程度,將全市水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果在ArcGIS中按照自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)形成的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (表6)進(jìn)行敏感性等級(jí)分類,結(jié)果見圖2,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。
表6 重慶市水土流失敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Grading standard for sensitivity of soil erosion in Chongqing
表7 重慶市水土流失綜合評(píng)價(jià)敏感性等級(jí)空間統(tǒng)計(jì)Table 7 Spatial statistics for the integrated sensitivity grade of soil erosion in Chongqing
圖2 重慶市水土流失敏感性評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布Fig.2 Spatial distribution of sensitivity grade of soil erosion in Chongqing
圖2顯示全市水土流失主要集中在 “不敏感”“輕度敏感”和 “中度敏感”3個(gè)等級(jí)。表7表明,這3個(gè)等級(jí)占了全市總面積的71.3%,水土流失最嚴(yán)重的 “極敏感”等級(jí)占了全市總面積的12.6%;空間分布上,“極敏感”區(qū)主要分布在渝東北的城口、開州和渝東南的秀山、酉陽(yáng)等區(qū)縣。
3.2 石漠化敏感性評(píng)價(jià)
根據(jù)公式 (2)獲取重慶市石漠化敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果 (圖3)。圖3表明全市石漠化敏感性的空間分布差異同樣比較明顯,石漠化敏感性主要出現(xiàn)在渝東北和渝東南區(qū)域。
為進(jìn)一步分析全市石漠化敏感性的敏感程度,將石漠化敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果在ArcGIS中按照自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)形成的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (表8)進(jìn)行敏感性等級(jí)分類,結(jié)果見圖4,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9。
圖4和表9表明,重慶市石漠化主要為 “輕度敏感”,占全市約43%;“高度敏感”和 “極敏感”共占15.4%,空間上主要分布在渝東北的城口、巫溪、巫山和渝東南的彭水、酉陽(yáng)、秀山等縣。
圖3 重慶市石漠化敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Assessment of stony desertification sensitivity in Chongqing
圖4 重慶市石漠化敏感性評(píng)價(jià)等級(jí)空間分布Fig.4 Spatial distribution of stony desertification sensitivity grade in Chongqing
表8 重慶市石漠化敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Grading standard for stony desertification sensitivity assessment in Chongqing
表9 重慶市石漠化敏感性評(píng)價(jià)等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 9 Assessment result of stony desertification sensitivity in Chongqing
(1)各指標(biāo)參數(shù)不能完全拘泥于 《指南》。本研究主要依據(jù)國(guó)家 《指南》規(guī)定的指標(biāo)和方法開展相關(guān)研究工作,但對(duì)于其中某些指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理則未按照 《指南》完全統(tǒng)一。一方面,《指南》在全國(guó)生態(tài)紅線劃定中發(fā)揮著統(tǒng)一指導(dǎo)的作用,它對(duì)數(shù)據(jù)的總體精度要求相對(duì)較低,而且某些指標(biāo)在全國(guó)范圍這種尺度上比較合適,但在省級(jí)尺度上就顯得過粗;另一方面則主要是因?yàn)橐恍﹨?shù)按照 《指南》的要求無(wú)法搜集到。因此研究過程中根據(jù)重慶市數(shù)據(jù)搜集情況,最大程度地對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了精度方面的提升和優(yōu)化,使其評(píng)價(jià)結(jié)果更接地氣,更符合重慶市實(shí)際情況。
(2)生態(tài)紅線劃定方法一定程度上要充分考慮管理訴求??陀^說來(lái),本項(xiàng)研究一定程度上需要與管理相協(xié)調(diào)。生態(tài)紅線要 “科學(xué)劃定”,這是生態(tài)紅線立足的前提,因此國(guó)家制定了統(tǒng)一的 《指南》來(lái)保證其劃定的科學(xué)性。生態(tài)紅線劃定的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn) “管得住”的要求。因此,生態(tài)紅線的空間分布及面積比例等需要根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H,在充分調(diào)研各方意見的基礎(chǔ)上最終確定出來(lái)。因而對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)的結(jié)果如何靈活運(yùn)用也是一門藝術(shù),如分級(jí)數(shù)量及其標(biāo)準(zhǔn)值的界定就需要充分聽取管理部門的意見靈活確定,這樣才能最大程度地掃清生態(tài)紅線的管理障礙,形成紅線保護(hù)的合力。
(3)一些 “點(diǎn)”狀、“線”狀要素值得考慮。水土流失敏感性和石漠化敏感性均是針對(duì)生態(tài)紅線“面”狀保護(hù)的需求,但這種 “面”要素并不能完全承載生態(tài)保護(hù)紅線的全部,“點(diǎn)”“線”要素有時(shí)候更值得關(guān)注。比如河流濱岸帶、三峽庫(kù)區(qū)以山脊線為界的生態(tài)屏障帶等線狀要素,一些重要水庫(kù)周邊一定距離緩沖帶形成的點(diǎn)狀要素等也具備了生態(tài)敏感性的內(nèi)涵,也是值得重點(diǎn)關(guān)注的,可適當(dāng)納入紅線保護(hù)范圍。
本文在國(guó)家 《指南》的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化各指標(biāo)參數(shù),完成了重慶市生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)方法的研究。研究結(jié)果得到了各部門的充分認(rèn)可,對(duì)于全市生態(tài)紅線的劃定具有重要支撐作用。主要結(jié)論如下:
(1)重慶市水土流失空間分布差異明顯。渝東北和渝東南是全市水土流失最敏感的區(qū)域,渝西則是水土流失相對(duì)較弱的區(qū)域。全市水土流失主要集中在 “不敏感”“輕度敏感”和 “中度敏感”3個(gè)等級(jí),共占全市總面積的71.3%;水土流失最嚴(yán)重的 “極敏感”區(qū)占全市12.6%,空間上主要分布在渝東北的城口、開州和渝東南的秀山、酉陽(yáng)等區(qū)縣。
(2)重慶市石漠化敏感性空間分布差異同樣較明顯。渝東北和渝東南同樣是全市石漠化敏感性的重要分布區(qū)域。重慶市石漠化主要為 “輕度敏感”,占全市約43%;“高度敏感”和 “極敏感”共占15.4%,空間上主要分布在渝東北的城口、巫溪、巫山和渝東南的彭水、酉陽(yáng)、秀山等區(qū)縣。
(3)重慶市生態(tài)紅線保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域是渝東北、渝東南。水土流失敏感性和石漠化敏感性分析結(jié)果均表明渝東北、渝東南是全市生態(tài)環(huán)境敏感性分布的主要區(qū)域,在水源涵養(yǎng)、土壤保持及生物多樣性維護(hù)等方面承擔(dān)了更多的生態(tài)功能,應(yīng)是全市生態(tài)紅線劃定的重點(diǎn)區(qū)域。
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責(zé)任編輯:肖 萍
Evaluation Method of Eco-environment Sensitivity in Chongqing
YANG Chunhua1*,LEI Bo1,LI Jian2,ZHENG Li1,LIU Jianhui1,ZHU Kangwen1
(1.Chongqing Academy of Environmental Science,Chongqing 401147,China;2.Chongqing Municipal Environmental Protection Bureau,Chongqing 401147,China)
In May,2015,to guide the national delineation of ecological redline,Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China published the Technical Guideline for Delineation of Ecological Red Line (hereinafter referred to as Guideline.This paper attempts to interpret the content of ecological sensitivity evaluation in the Guideline.In accordance with data accuracy and data acquisition,some indicators are optimized to make the results more accordant with the actual situation in Chongqing.Based on the actual situation,the evaluation results, combined with management requirements,are applied flexibly.The application results are fully recognized by all departments.And the application results are also strongly supportive to the delineation of ecological red line in Chongqing.
ecological protection red line;ecological sensitivity;Chongqing
X171.1
:A
:2096-2347(2017)02-0019-09
10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.02.03
2017-04-09
重慶市環(huán)境保護(hù)局重大科技項(xiàng)目 “重慶市生態(tài)功能紅線劃定”
楊春華 (1979-),男,重慶忠縣人,高級(jí)工程師,主要從事RS與GIS在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究。E-mail:Yang-chh@163.com