胡華浪，李偉方，孫冠楠

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125)

·持續(xù)農(nóng)業(yè)·

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)完整性評價*

胡華浪，李偉方※，孫冠楠

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125)

進行礦區(qū)生態(tài)完整性評價，有助于更好地進行礦區(qū)資源開發(fā)、政策制定、環(huán)境保護和生態(tài)環(huán)境綜合整治。研究利用景觀生態(tài)學(xué)的方法，通過空間結(jié)構(gòu)及功能與穩(wěn)定性分析，進行生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價。借助遙感NPP估算模型和Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，從生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性兩個方面，對該礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能狀況進行分析，完成了礦區(qū)生態(tài)完整性的評價，并提出了相應(yīng)的改進建議。研究結(jié)果表明：在評價區(qū)內(nèi)，草地和林地優(yōu)勢度最高，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的調(diào)控能力較強。其次依次是耕地、水域與水利設(shè)施用地、住宅用地、交通用地。而評價區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力處于較低水平，其中林地生產(chǎn)力最大，恢復(fù)穩(wěn)定性最強，其次是灌木林地，而評價區(qū)內(nèi)面積最大的草地，在生產(chǎn)力水平劃分中處于最低水平，恢復(fù)穩(wěn)定性較弱； 通過計算該區(qū)的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)群落多樣性程度較高，但由于評價區(qū)內(nèi)植被多為人工種植，對生態(tài)環(huán)境的緩解改善作用有限，所以該生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾能力仍一般，評價區(qū)生態(tài)完整性處于較低水平。隨著人類活動和開發(fā)的加大，植物群落會有逆行演替的可能，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)也存在向低級別退化發(fā)展的趨勢。

生態(tài)完整性 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量 生產(chǎn)力

0 引言

生態(tài)完整性有時候也被理解為生態(tài)系統(tǒng)的健康程度[7]。從廣義上講，它是物理、化學(xué)和生物的完整性的總和； 從狹義上講，包含了生態(tài)系統(tǒng)健康、生物多樣性、穩(wěn)定性、可持續(xù)性、自然性等[8]。國外關(guān)于生態(tài)完整性的研究主要包括：生態(tài)完整性的理論研究、生物完整性的研究、環(huán)境完整性的研究及基于環(huán)境保護、景觀規(guī)劃為目的的生態(tài)完整性評估[9]。國內(nèi)的研究主要集中在水生生態(tài)系統(tǒng)、濕地系統(tǒng)、風(fēng)景名勝區(qū)以及工程項目建設(shè)對環(huán)境生態(tài)完整性影響的評估等方面[1-4]。文章基于遙感數(shù)據(jù)，利用光能利用率模型計算植被生產(chǎn)力，通過分析植被的生產(chǎn)力確定生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)穩(wěn)定性，從而對礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)完整性進行評價，以促進礦區(qū)資源開發(fā)、政策制定、環(huán)境保護和生態(tài)環(huán)境綜合整治。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于鄂爾多斯高原北部，海拔1221～1544m，地勢呈南高北低，最高點海拔為1512.2m，位于井田南部；而最低點海拔為1391m，則位于井田東北部。海拔最大標(biāo)高差為121m，一般相對標(biāo)高差40m左右。礦區(qū)自然條件比較脆弱。氣候干旱少雨、寒暑變化劇烈，四季分明，平均溫差變化大，多大風(fēng)天氣，沙塵暴也時有發(fā)生。最高氣溫38.3℃，最低氣溫-30.9℃，年平均降水量401.6mm，年平均蒸發(fā)量2108.2mm。土壤及地表組成物質(zhì)以第四紀(jì)黃土為主，養(yǎng)分貧缺，肥力低，土質(zhì)松軟，易遭受侵蝕。地表支離破碎，溝谷縱橫，山大溝深，溝床不斷下切和側(cè)蝕，谷坡擴展迅速，溝頭溯源侵蝕強烈； 植被以干草原植被為主，廣泛分布在粱峁頂、溝坡上，生長勢差，低矮稀疏，覆蓋度低，對地表的保護力弱，抗侵蝕能力低。再加上人為破壞的影響等大大加劇了水土流失和風(fēng)沙侵襲對研究區(qū)的危害程度。

圖1 研究區(qū)位置

圖2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價流程

2 研究方法

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法

利用景觀生態(tài)學(xué)的方法進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。景觀生態(tài)學(xué)的研究對象是作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的景觀[6]。景觀生態(tài)學(xué)法是通過研究一定時段內(nèi)某一區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)類群的格局、特點、綜合資源狀況等自然規(guī)律，以及人為干預(yù)下的演替趨勢，揭示人類活動在改變生物與環(huán)境方面的作用的方法[10]。景觀生態(tài)學(xué)對生態(tài)質(zhì)量狀況的評價是通過空間結(jié)構(gòu)和功能與穩(wěn)定性2個方面來分析的。景觀生態(tài)學(xué)認(rèn)為，景觀的結(jié)構(gòu)與功能是相輔相成的，缺一不可[5]。

2.2 生態(tài)完整性評價方法

生態(tài)完整性是生態(tài)系統(tǒng)維持各生態(tài)因子相互關(guān)系并達到最佳狀態(tài)的自然特性，反映了生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。運用景觀生態(tài)學(xué)的原理與方法對礦區(qū)在區(qū)域的生態(tài)完整性現(xiàn)狀進行評價，即從生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性2個方面對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能狀況進行分析。

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評價

為了充分了解礦區(qū)生產(chǎn)力現(xiàn)狀水平，通過NPP估算模型計算出評價區(qū)生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力，按照奧德姆劃分法，將地球上生態(tài)系統(tǒng)按照生產(chǎn)力的高低劃分為4個等級，見表1，以此判別植被生產(chǎn)力水平的高低。

表1 生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平等級劃分

評價等級生產(chǎn)力判斷標(biāo)準(zhǔn)(g/m2·d)生態(tài)類型舉例最低<0.5荒漠和深海較低0.5～3山地森林、熱帶稀樹草原、低產(chǎn)農(nóng)耕地、半干旱草原、深湖和大陸架較高3～10熱帶雨林、農(nóng)耕地和淺湖最高10～20,最高可到達25少數(shù)特殊生態(tài)系統(tǒng)、如農(nóng)業(yè)高產(chǎn)田、河漫灘、三角洲、珊瑚礁和紅樹林等

根據(jù)NPP與植物吸收的光合有效輻射(APAR)和植物將所吸收的光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機物的關(guān)系構(gòu)建基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的NPP估算模型，即NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)和光利用率(ε)2個因子來表示，其估算公式如下[12]：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

(1)

式(1)中，t代表時間，x代表空間位置； APAR(x，t)代表像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2·月)； ε(x，t)代表像元x在t月份的實際光能利用率(g/MJ)。

植被吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植物本身對光能的利用率，光合有效輻射(APAR)的估算用下式計算[12]。

APAR(x，t)=SOL(x，t)×FPAR(x，t)×0.5

(2)

式(2)中：SOL(x，t)代表t月在像元x處的太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x，t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例； 常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。

在遙感模型中，環(huán)境因子通過最大光能利用率實現(xiàn)對NPP的調(diào)控。光能利用率ε的估算如下[12]：

ε(x，t)=Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax

(3)

式中，Tε1(x，t)和Tε2(x，t)代表低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用； Wε(x，t)為水分脅迫系數(shù)； εmax是理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ1)。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性包括生態(tài)系統(tǒng)對干擾的阻抗能力和受到干擾后的恢復(fù)能力2方面。

(1)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定性

生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)穩(wěn)定性通過植被的生產(chǎn)力反映。即植被生產(chǎn)力越大，則生態(tài)系統(tǒng)受干擾后恢復(fù)到原狀的能力就越強。

(2)生態(tài)系統(tǒng)阻抗穩(wěn)定性

生態(tài)系統(tǒng)阻抗穩(wěn)定性通過植被的異質(zhì)性反映。異質(zhì)性越明顯，物種越豐富，阻抗穩(wěn)定性越好。因此，對異質(zhì)性的量化可用多樣性指標(biāo)(H)表示，H可通過Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)來估算。Shannon-Weaver多樣性指數(shù)：

(4)

式中，Pk代表斑塊類型k 在景觀中出現(xiàn)的概率； n代表景觀中斑塊類型的總數(shù)。

3 結(jié)果分析

景觀生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀是由區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境、各種生物以及人類社會之間復(fù)雜的相互作用來決定的。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價采用景觀生態(tài)學(xué)理論來評價項目評價區(qū)的生態(tài)質(zhì)量，通過計算各拼塊的優(yōu)勢度，確定生態(tài)系統(tǒng)中的模地，對評價區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況作出判定，在景觀的3組分(綴塊、廊道和模地)中，模地是景觀的背景區(qū)域，是一種重要的景觀元素類型，在很大程度上決定了景觀的性質(zhì)，對景觀的動態(tài)起著主導(dǎo)作用。判定一塊好的模地有3個指標(biāo)，即大的相對面積、高的連通程度、好的動態(tài)控制能力。對景觀模地的判定一般采用生態(tài)學(xué)中重要值的方法決定某一綴塊在景觀中的優(yōu)勢(優(yōu)勢度值)，其計算如下[11]：

(5)

式(5)中：Do—為優(yōu)勢度；

評價區(qū)建設(shè)前的景觀生態(tài)格局分析見表2，景觀優(yōu)勢度計算結(jié)果列于表3。

表2 評價區(qū)主要綴塊類型、數(shù)目和面積

綴塊類型綴塊數(shù)目(個)面積(km2)耕地44125.63園地20.05林地59848.41草地257129.64采礦用地10.01住宅用地2802.13交通用地322.67水域及水利設(shè)施用地4098.55其他土地1202.08合計2140219.17

表3 評價區(qū)各類綴塊優(yōu)勢度值 %

由表2數(shù)據(jù)顯示，在上述景觀類型中，草地和林地是環(huán)境資源拼塊中對生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量調(diào)控能力較強的高亞穩(wěn)定性元素類型，其優(yōu)勢度較高，分別達到了48.86%和22.77%，連通程度也較高(Rd分別為12.01%和27.94%，Rf分別為65.14%和18.97%)，耕地的優(yōu)勢度為13.89%，對環(huán)境質(zhì)量也具有一定的調(diào)控能力。在評價區(qū)，住宅用地的優(yōu)勢度達到7.94%。說明該區(qū)域受到了一定的人為干擾，但干擾不大。

因此，草地是該評價區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要控制性組分，植被覆蓋度較低。由于該評價區(qū)受人為干擾較為嚴(yán)重，農(nóng)田水利及農(nóng)田防護林體系建設(shè)不完善，所以土壤環(huán)境對環(huán)境整體質(zhì)量影響較大，土地生產(chǎn)能力及抗御自然災(zāi)害能力較低。該區(qū)無常年性地表水體，各溝谷在雨季常形成季節(jié)性地表流水，暴雨過后可形成短暫的洪流，評價區(qū)的水體景觀的優(yōu)勢度為13.01%。

在遙感影像解譯和野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合生態(tài)評價區(qū)地表植被覆蓋現(xiàn)狀和植被立地情況，計算的各植被類型凈生產(chǎn)力情況見表4。

表4 生態(tài)評價區(qū)植被自然生產(chǎn)力情況

植被類型面積(km2)比例(%)平均凈生產(chǎn)力gC/(m2.a)楊樹、柳樹、榆樹等3.271.49330.23油松、杜松等15.096.89299.42核桃、紅棗等0.050.02302.81高粱、玉米、小麥等25.6311.69172.76錦雞兒、沙棘等30.0513.71314.84長芒草、隱子草、百里香等129.6459.15167.45水域及水利設(shè)施8.553.90-住宅用地2.130.97-交通道路2.671.22-采礦用地0.010.00-其他土地2.080.95-合計219.17100188.03

從結(jié)算結(jié)果和判斷標(biāo)準(zhǔn)來看，評價區(qū)平均凈生產(chǎn)力為188.03g/(m2/a)，按照奧德姆劃分法，處于0.5～3g/(m2·d)的判斷標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，屬于全球生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力“較低”水平，主要是由于評價區(qū)為干旱的荒漠地帶，植被生產(chǎn)力低的草地、灌叢占的比例較大。由表1較低等級的閾值0.5 g/(m2·d)可知，該類生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力閾值為182.5gC/(m2·a)，評價區(qū)平均生產(chǎn)力十分接近這個閾值，這是因為該地區(qū)為荒漠草原，對生態(tài)承載能力較小。

從表4可以看出，楊樹、柳樹、榆樹等有林地的生產(chǎn)力最大，為330.23gC/(m2·a)，其恢復(fù)穩(wěn)定性最強，但是有林地在評價區(qū)所占比例僅為1.49%，因此林地對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性貢獻較?。?評價區(qū)內(nèi)生產(chǎn)力第二大的土地類型為灌木林地，生產(chǎn)力為314.84gC/(m2·a)，由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類活動直接影響，其穩(wěn)定性取決于人類干預(yù)的強度。評價區(qū)內(nèi)面積最大的草地生態(tài)系統(tǒng)占總面積的59.15%，是評價區(qū)內(nèi)決定生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度的主要類型，其生產(chǎn)力僅為167.45gC/(m2·a)，在生產(chǎn)力水平劃分中處于最低的水平，恢復(fù)穩(wěn)定性較弱。

表5 評價區(qū)內(nèi)群落多樣性統(tǒng)計

類型Pk(%)-Pkln(Pk)楊樹、柳樹、榆樹等6.880.18油松、杜松等6.630.18核桃、紅棗等0.090.01高粱、玉米、小麥等23.450.34錦雞兒、沙棘等15.710.29長芒草、隱子草、百里香等11.060.24水域及水利設(shè)施17.600.31住宅用地12.010.25交通道路1.380.06風(fēng)景名勝及特殊用地0.260.02采礦用地0.040.00其他土地5.160.15Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(H)2.02HBmaxB2.40

通過表5可知，Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(H)等于2.02，占HBmaxB 的84.17%，說明評價范圍內(nèi)群落多樣性程度較高。但是因為評價區(qū)內(nèi)植被主要為人工種植，例如油松林、檸條、錦雞兒灌叢等，組成單一，不能形成多樣性群落結(jié)構(gòu)，易受蟲害等干擾，自我調(diào)節(jié)能力差，功能不夠完善，并且區(qū)域內(nèi)土壤肥力低，侵蝕嚴(yán)重，因此對生態(tài)環(huán)境的緩解改善作用有限。所以，雖然該評價區(qū)群落多樣性程度較高，該生態(tài)系統(tǒng)阻抗干擾的能力仍一般。同時，評價范圍內(nèi)出現(xiàn)概率(Pk)最大的植被類型為高粱、玉米、小麥群落。

綜合分析表明，評價區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力處于較低水平，在受到人類活動干擾后，易于向更低等級退化。同時，由于該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力較弱，抵抗外界干擾能力一般，評價區(qū)生態(tài)完整性處于較低水平。

4 結(jié)論與討論

評價區(qū)目前生態(tài)環(huán)境質(zhì)量屬較差水平，生態(tài)環(huán)境特征為植被覆蓋較差，嚴(yán)重干旱少雨，物種較少，生產(chǎn)力水平較低，穩(wěn)定性較差，使得生態(tài)系統(tǒng)完整性處于較低水平。本區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力、恢復(fù)能力均較弱。隨著人類活動和開發(fā)的加大，植物群落會有逆行演替的可能，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)也存在向低級別退化發(fā)展的趨勢。

總之，評價區(qū)自然條件差，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，溝谷密度大，崩塌滑坡重力侵蝕嚴(yán)重。雖然近年來當(dāng)?shù)卣畬嵤┒囗椛鷳B(tài)治理工程如水土保持、封山禁牧、防沙、治沙等，使得生態(tài)環(huán)境有一定的改善，但總體并未改變本區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的格局。因此，在礦區(qū)開發(fā)過程中應(yīng)采用先進的采煤工藝，減輕采煤對環(huán)境的影響，同時，當(dāng)?shù)卣仨毑扇〈胧┨岣弋?dāng)?shù)刂脖桓采w率，防止水土流失，提高環(huán)境的抗干擾能力，使礦區(qū)開發(fā)和生態(tài)保護協(xié)調(diào)一致。

[1] 陳昌篤， 李迪華.湖南省武陵源地區(qū)的生物多樣性和生態(tài)完整性.生態(tài)學(xué)報， 2003, 23(11): 2414～2423

[2] 楊麗， 李春宇，余紹文，等.濕地生態(tài)完整性評價方法研究進展.安全與環(huán)境工程， 2008, 15(4): 1～4

[3] 徐碧華， 朱俊，馬蔚純.公路建設(shè)對區(qū)域生態(tài)完整性影響的關(guān)鍵因子及評估框架.復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2008， 47(4)： 424～431， 437

[4] 李鑫， 田衛(wèi).基于景觀格局指數(shù)的生態(tài)完整性動態(tài)評價.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報， 2012， 29： 780～785

[5] 邵曉梅. 基于GIS與景觀生態(tài)學(xué)的土壤資源格局分析——以魯西北地區(qū)為例.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2004, 25(6): 14～19

[6] 吳國慶， 楊良山，金敏毓，曲建國.浙江省生態(tài)環(huán)境區(qū)域類型劃分及不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2000, 21(5): 33～37

[7] 成文連， 劉鋼，智慶文，等.生態(tài)完整性評價的理論和實踐.環(huán)境科學(xué)與管理， 2010, 35(4): 162～165

[8] 劉 珂， 陳海棠.景觀生態(tài)學(xué)在水庫環(huán)評中的應(yīng)用——以周公宅水庫為例.環(huán)境污染與防治， 2003, 25(4): 228～230

[9] 楊強. 南寧青秀山風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)完整性研究.中南林業(yè)科技大學(xué)， 2012

[10]李明輝， 彭少麟，申衛(wèi)軍，等.景觀生態(tài)學(xué)與退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù).生態(tài)學(xué)報， 2003, 23(8): 1622～1628

[11]張利權(quán)， 吳健平，甄彧，等.基于GIS的上海市景觀格局梯度分析.植物生態(tài)學(xué)報， 2004, 28(1): 78～85

[12]朱文泉， 潘耀忠，張錦水.中國陸地植被凈初級生產(chǎn)力遙感估算.植物生態(tài)學(xué)報， 2007, 31(3): 413～424

ECOSYSTEM QUALITY AND ECOLOGICAL INTEGRITY ASSESSMENT IN MINING AREA

Hu Hualang，Li Weifang※，Sun Guannan

(Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China)

To assess the ecological integrity in mine areas can benefit the mining resources development, policy development, environmental protection, and the ecological environment. Landscape ecological approach was used to assess ecological system quality by means of spatial structure, spatial function as well as spatial stability analysis. Using landscape ecological theory and approach, it analyzed the structure of ecological system as well as function of ecological system from the two aspects which included ecological system productivity and ecological system stability with the help of remote sensing NPP estimation model and Shannon - Weaver diversity index. Finally, it put forward some suggestions for the ecological environment evaluation. Research results indicated grass land and forest land had the highest dominance in controlling the ecological environment quality, followed by cultivated land, water, water conservancy facilities land, residential land, and traffic land. The ecological system productivity of the evaluation area was at a lower level, of which the forestland had the largest productivity and strongest restore stability, followed by the bush woods and grassland. At the same time, by calculating the Shannon - Weaver diversity index of the evaluation area, it found that the community diversity degree was high, but it could not improve the ecological environment of the research region due to the artificial cultivation vegetation. As a result, the ability to resist interference of the ecological system was still at a lower level. With the increase of human activities and development in a rapid speed, it may have a trend that regional ecological system would degrade to a low level of ecological system in the future.

ecological integrity; ecosystem quality; productivity

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160434

2015-10-19

胡華浪(1980—)，男，江蘇漣水人，高級工程師、副站長。研究方向：農(nóng)業(yè)遙感、資源環(huán)境遙感及農(nóng)村土地確權(quán)研究。※通訊作者：李偉方(1958—)，男，山東壽光人，高級工程師、副院長。研究方向：農(nóng)業(yè)遙感與農(nóng)業(yè)規(guī)劃研究。Email：wfli1988@aliyun.com

國家科技支撐計劃“貧困地區(qū)災(zāi)害風(fēng)險評估與災(zāi)害管理技術(shù)”(2012BAH33B02)

F205； X171.4； TD88

A

1005-9121[2016]04-0203-06