崔娟敏，季文光，，李洋宰

（1.河北民族師范學(xué)院，河北承德067000；2.圓光大學(xué)，韓國益山570749）

土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指土地生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度，主要是水土流失和土壤侵蝕（地質(zhì)災(zāi)害、礦區(qū)塌陷、土地沙化及土壤污染等生物多樣性）的優(yōu)劣程度［1－3］。土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是土地利用累積效應(yīng)的反映，其時(shí)序變化是土地利用結(jié)果時(shí)間上和空間上的累積，是環(huán)境保護(hù)建設(shè)和土地利用規(guī)劃決策者保障生態(tài)環(huán)境建設(shè)，促進(jìn)社會和諧和可持續(xù)發(fā)展的理論依據(jù)。目前，對于土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究，往往只停留在土地生態(tài)環(huán)境狀況的評價(jià)上，缺乏對土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化的研究［4－5］。

植被指數(shù)是用來表征地表植被覆蓋和生長狀況的度量參數(shù)。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，由于斑塊水平的生態(tài)系統(tǒng)研究成果的拓展，植被指數(shù)成了空間尺度拓展的連接點(diǎn)［6－8］。利用植被指數(shù)來反映土地覆蓋和土地利用的變化，是實(shí)現(xiàn)對全球環(huán)境變化研究的主要方法。山區(qū)植被指數(shù)是體現(xiàn)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對山區(qū)的土地退化影響很大。Rouse等在對RVI非線性歸一化處理后得到了歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）［9］。歸一化差值植被指數(shù)增強(qiáng)了對植被的響應(yīng)能力，是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)。歸一化差值植被指數(shù)的計(jì)算公式為：NDVI＝（NIR－R）／（NIR＋R）；其中，R和NIR是TM3和TM4波段地表反射率［10］。目前關(guān)于歸一化差值植被指數(shù)運(yùn)用到山區(qū)土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化的研究還很少。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京的山地自北、西、東三面環(huán)抱北京，山區(qū)外圍線從房山區(qū)十渡鎮(zhèn)到平谷區(qū)金海湖，全長710 km，呈扇狀半環(huán)京城。北京全市在依山傍水這一總背景下，生態(tài)地理的自然格局變化清晰，地勢大致呈階梯式下降，依次為中山—低山—丘陵—臺崗地—山前洪積扇—平原帶狀分布。山地—平原的這種階梯—分帶式自然環(huán)境結(jié)構(gòu)，決定了全市總傾斜的地勢，以及水、土、生物等自然條件的許多特征和地表物質(zhì)遷移的總方向，北京市生態(tài)地理環(huán)境各要素構(gòu)成了復(fù)雜的地域組合。山區(qū)自然地理環(huán)境復(fù)雜，垂直變化大，自然資源豐富多樣，開發(fā)利用潛力較大。在全市18個(gè)縣區(qū)中，房山區(qū)、門頭溝區(qū)、昌平區(qū)、延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、平谷區(qū)7個(gè)山區(qū)縣區(qū)的山區(qū)面積都超過了本轄區(qū)總面積的一半以上，分別占66.6%、98.5%、59.2%、72.0%、81.9%、56.2%、57.2%。此外，海淀、石景山、豐臺、順義4個(gè)區(qū)也有少量山地。依據(jù)最新的10 m等高距的地形圖生成的DEM，按照“坡度大于6°、高程差大于100 m”的標(biāo)準(zhǔn)界定山地，具體為：山地面積占鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積的比重大于或等于55%但小于100%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為半山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積100%為山地的鄉(xiāng)鎮(zhèn)則為山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，北京7個(gè)山區(qū)縣區(qū)共有77個(gè)山區(qū)、半山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖1）。

1.2 遙感影像選取

遙感影像為1992年9月landsat＿TM影像、2003年7月landsat＿ETM＋遙感影像和 2013年 6月 Landsat＿OLI／TIRS，這3期影像的可見光和近紅外波段的空間分辨率分別為30、30、30 m（圖2）。

1.3 植被指數(shù)歸一

通過研究不同地形坡度下1992年、2003年、2013年3年北京山區(qū)歸一化植被指數(shù) NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的變化來間接反映植樹造林和山區(qū)水土流失的情況。將3期遙感影像生成NDVI，得到北京山區(qū)3個(gè)階段的歸一化植被指數(shù)分布圖（圖3）。

1.4 不同坡度地區(qū)的NDVI變化

假設(shè)這3年NDVI圖像能分別代表其所在年份前后5年的大體情況，且不同時(shí)期的水熱條件變化不大。然后通過3幅影像兩兩相減，即可得到不同時(shí)期間的NDVI變化趨勢。由于山區(qū)植被受地形坡度的影響，因此，需要通過DEM數(shù)據(jù)生成坡度圖（圖4）。然后將坡度圖和年NDVI變化圖相比較，即可得到不同坡度地區(qū)的NDVI變化。

為了方便，本研究將年際間NDVI差值擴(kuò)大100倍后取整，再加上76。這樣變化圖中0值部分為NDVI值未發(fā)生變化的部分，其值變成76。考慮到誤差的存在，本研究定義75～77范圍（藍(lán)色部分）為NDVI未發(fā)生變化值域。則小于75的部分（紅色、橙色部分），說明NDVI變小，植被減少；大于77的部分（綠色、黃色部分），說明NDVI有所提高，植被數(shù)量增加。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土流失

北京山區(qū)3期歸一化植被指數(shù)（NDVI）分布圖（圖5、圖6、圖7）中綠色越深的區(qū)域說明植被覆蓋越好。將3幅圖對比可以看出，2000年初期比90年代初期大部分地區(qū)的植被指數(shù)明顯增大，而到了2010年前后在接近山麓平原的地區(qū)或山地中地勢較平的區(qū)域NDVI又逐漸下降，且部分地區(qū)甚至比1992年還要低。這充分表明，人為活動和城市建設(shè)對植被的破壞作用，這一點(diǎn)尤其在地勢較平的山麓平原地帶尤為明顯，而在海拔較高，且坡度較大的地方，NDVI卻是持平，或是少量增加的。由此可見，為了防止山區(qū)水土流失，人為地在山上植樹造林、護(hù)林和種草起了很大作用。另外，根據(jù)北京市3期的遙感影像判讀出的水土流失調(diào)查數(shù)據(jù)中顯示，近些年水土流失的面積在減少，強(qiáng)度減弱，水土流失總體上得到了控制（表 1）。

表1 北京市水土流失情況調(diào)查 km2

2.2 土壤侵蝕

由遙感調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出，1996年以來，北京山區(qū)的土壤侵蝕在一系列的措施下有所控制。輕度以上侵蝕面積從1996年的4 770.32 km2減少到2016年的4 039.47 km2，減少了730.85 km2，而且侵蝕強(qiáng)度有所下降，強(qiáng)度侵蝕已經(jīng)從211.77 km2到完全沒有，中度侵蝕也減少了905.67 km2。

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害 地質(zhì)災(zāi)害中的主要類型是滑坡和泥石流，其活動強(qiáng)弱基本與洪水活動高低周期相一致，且取決于災(zāi)害性降雨出現(xiàn)周期。1950年以前，強(qiáng)度降雨相對頻繁，如1900年、1917年、1929年、1939年均出現(xiàn)了大暴雨，這期間山洪泥石流災(zāi)害也較多。據(jù)1949年以前的史料不完全記載，北京山區(qū)在1867—1946年，共有14次災(zāi)害嚴(yán)重的泥石流，其中1888年，即光緒十四年，門頭溝區(qū)和房山區(qū)的泥石流和山洪造成1.8萬人死亡，49個(gè)村莊被毀，為泥石流災(zāi)害檔案中最重的一次。1950—1991年，根據(jù)調(diào)查和災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì)，北京地區(qū)發(fā)生的泥石流有21次，其中20世紀(jì)50年代集中發(fā)生在門頭溝區(qū)、房山區(qū)的山區(qū)，50年代末到90年代則主要發(fā)生在密云區(qū)和懷柔區(qū)。

北京市20世紀(jì)90年代以來一直處于干旱少雨?duì)顟B(tài)，泥石流活動相對減緩，出現(xiàn)了一定時(shí)間的間歇。鑒于北京大部分山區(qū)的地形條件及暴雨出現(xiàn)的概率和強(qiáng)度，決定了今后還將面臨著嚴(yán)重的泥石流威脅，因此必須提高警惕，加強(qiáng)預(yù)防。

2.2.2 礦區(qū)塌陷 北京西山地區(qū)地面塌陷自解放前至今均有發(fā)生，它與小煤窯的開采高潮相關(guān)，據(jù)實(shí)地調(diào)查，新中國成立以來出現(xiàn)了2個(gè)地面塌陷高峰期，其一是1950年前后，其二是1980年以來。前者是建國前各煤礦淺部開采所致，以地表塌陷坑、縫、山體滑塌為主，后者以建國后各煤礦深部開采因素為主，除地表塌陷坑、縫、山體滑塌外，還出現(xiàn)地下水位下降（井泉干枯）、地面不均勻沉陷、強(qiáng)烈礦震等。雖然在不同的塌陷高峰期災(zāi)害造成損失的程度不同，但京西各煤田在發(fā)生災(zāi)害的時(shí)間上具有明顯的趨同性。雖然各煤田在塌陷類型的分布上存在差異，但各類型塌陷相伴出現(xiàn)的特點(diǎn)具有一致性。

第二個(gè)高峰期主要是由于改革開放以來出現(xiàn)的大范圍的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體和個(gè)體小煤窯開采活動導(dǎo)致的。鄉(xiāng)鎮(zhèn)、私營礦山開采正規(guī)程度相對較差，機(jī)械化程度雖不斷提高，但總體水平仍較低。近期其采掘強(qiáng)度很高，產(chǎn)量很大且難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，并且其規(guī)劃性不強(qiáng)，基礎(chǔ)測量跟不上，開采范圍很難掌握，采空區(qū)距地表較近等都增大了塌陷發(fā)生的危險(xiǎn)性和災(zāi)害預(yù)測的困難。因此，小煤窯造成的危害較大，并有逐漸加重的趨勢。

近幾年來，北京市開始全面整治個(gè)體小煤窯，對于達(dá)不到要求的一律關(guān)停，在今后也將逐步關(guān)閉煤礦行業(yè)，因此，如何治理以前遺留下來的塌陷地帶和采空區(qū)也是今后工作的重點(diǎn)。

2.2.3 土地沙化 近些年，北京進(jìn)行了一系列的風(fēng)沙治理工程，其中不乏“京津風(fēng)沙源治理工程”之類的重點(diǎn)工程，也取得了顯著的成效。其中，延慶區(qū)的治理取得很大成果。延慶區(qū)位于北京的西北部，東南北三面環(huán)山，西臨官廳水庫，距北京70 km，是西北地區(qū)風(fēng)沙進(jìn)入北京的咽喉要道，北京市五大風(fēng)沙危害區(qū)之一的康莊地區(qū)就在延慶境內(nèi)。延慶沙區(qū)面積66 336.65 hm2，沙化土地 27 134.69 hm2，固定沙地面積為8 933.78 hm2，媯河兩側(cè)210個(gè)村莊為風(fēng)沙危害區(qū)。

延慶從20世紀(jì)80年代起開始治沙防沙，1993年，該地區(qū)又被市政府批準(zhǔn)為市重點(diǎn)綠化工程，在總面積18 400.92 hm2風(fēng)沙危害區(qū)的核心部位制定了治理范圍3 733.52 hm2，造林1 560.08 hm2的治理規(guī)劃。到 1998年，3 733.52 hm2重點(diǎn)治理區(qū)范圍內(nèi)的林木覆蓋率由1993年的37.80%提高到了79.90%，共營造農(nóng)田林網(wǎng)774條，總長度592 km。平均風(fēng)速由過去5 m／s減為 3.50 m／s，大于 17 m／s的風(fēng)日由以前每年的39 d減少到現(xiàn)在的15 d，降塵量也由過去的 11.50 t／（km2·月）減少到現(xiàn)在的 9 t／（km2·月）。

目前，延慶區(qū)森林面積已達(dá)110 005.50 hm2，森林覆蓋率由建國初期的7%增加到55.40%，沙區(qū)的生態(tài)環(huán)境從很大程度上得到改善。

從沙塵暴的發(fā)生次數(shù)來看，2001年北京遭受沙塵暴襲擊多達(dá)18次，河北省懷來縣境內(nèi)官廳水庫西南側(cè)的天漠距北京只有70 km，形勢十分嚴(yán)峻。近年來隨著京津風(fēng)沙源工程的開展，沙塵暴發(fā)生次數(shù)明顯減少，強(qiáng)度也逐漸減弱。

2.2.4 土壤污染 近些年，由于山區(qū)耕地的化肥和農(nóng)藥的使用量不斷增加，對土壤的污染也不斷加重。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，過去10年北京市土壤的農(nóng)藥污染水平在不斷加重。從表2可以看出，2005—2015年北京市農(nóng)藥使用總量和施用農(nóng)藥的面積均增加了約21%，而且長期以來單位面積的農(nóng)藥使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國的平均使用水平（2.33 kg／hm2）。

表2 北京市2005、2015年的農(nóng)藥使用情況

另外，隨著山區(qū)旅游業(yè)的興起，隨之帶來的一系列的污染問題也引起了人們的關(guān)注，以前人跡稀少的地區(qū)，開發(fā)成景點(diǎn)后，就產(chǎn)生了大量的污水、固體廢棄物等旅游垃圾，不但影響了景觀，也污染了土壤。

2.3 山區(qū)土地生態(tài)質(zhì)量

1992—2002年NDVI變化顯示，2003年的NDVI比1992年大部分地區(qū)是提高的，尤其在靠近城市邊緣地帶。而在海拔較高地帶NDVI是持平的。這充分說明由于歷史原因，90年代前，人們對植被破壞作用極大，使得90年代初期的植被狀況較差，但經(jīng)過十幾年的山地綠化保護(hù)工作，山區(qū)土地生態(tài)質(zhì)量得到明顯好轉(zhuǎn)。

1992—2013年NDVI變化顯示，2013年與1992年相比，絕大多數(shù)高海拔山區(qū)的植被還是增加的，但接近山前平原或城市邊緣地帶，植被減少也較多，說明了人為活動對植被的破壞作用比較強(qiáng)烈。但是隨著人們保護(hù)山地意識的增強(qiáng)，對山區(qū)植樹造林活動的開展，高海拔山區(qū)的植被是增加的，可見山區(qū)的保護(hù)起到了一定作用。

2003—2013年NDVI變化顯示，2013年植被與2003年相比，山前平原及城市邊緣的植被減少比較明顯，高海拔山區(qū)的植被逐漸增加，但近10年間城市邊緣地區(qū)減少的幅度和高海拔山區(qū)植被增加的幅度均比近20年的變化幅度要大，說明隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市擴(kuò)張劇烈，人們對北京山區(qū)山前平原地區(qū)和城市邊緣地區(qū)的植被的破壞作用也很強(qiáng)烈。然而人們對山區(qū)植被的總體保護(hù)意識逐漸增強(qiáng)，因此高海拔山區(qū)近10年植被的增加也是明顯的，土地生態(tài)質(zhì)量得到了改善。

總體來看，1992年至2013年以來，北京山區(qū)的植被指數(shù)呈上升趨勢，說明水土保持和植樹造林卓有成效；而由于城市擴(kuò)張影響，山區(qū)縣區(qū)的山前平原和山間盆地（延慶盆地）的植被指數(shù)逐漸下降，且近些年的植被變化幅度更加明顯，表明北京市部分縣區(qū)山區(qū)土地生態(tài)環(huán)境逐漸遭到破壞，且土地生態(tài)治理面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

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