楊琪雪，潘換換，吳樹榮，杜自強(qiáng)，張 紅，武志濤

（1山西大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，太原 030006；2山西大學(xué)黃土高原研究所，太原 030006）

0 引言

生態(tài)環(huán)境敏感性指生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)自然和人為活動干擾的敏感程度，即生態(tài)系統(tǒng)在遇到干擾時，生態(tài)環(huán)境問題出現(xiàn)的可能性，是評價生態(tài)系統(tǒng)的健康活力和生態(tài)功能區(qū)劃的重要指標(biāo)[1]。目前，區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[2]，其研究內(nèi)容主要涉及以下方面：基于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境敏感性的研究，主要對河流水域[3]、自然保護(hù)區(qū)[4]、省市縣域[1,5]等進(jìn)行研究；基于區(qū)域特定的生態(tài)問題敏感性的研究，主要是水土流失[6]、土壤沙化[7]、鹽漬化[8]、石漠化[9]等進(jìn)行研究；基于生態(tài)環(huán)境敏感性目的研究，采用生態(tài)敏感性評價進(jìn)行自然生態(tài)空間分區(qū)管制[2]，生態(tài)紅線劃定[10]、區(qū)域生態(tài)發(fā)展規(guī)劃[11]等。一些學(xué)者采用遙感技術(shù)、GIS空間分析技術(shù)[12-14]、層次分析法[15]、最大值法[16]等方法，對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行單因子評價和綜合評價。其中，GIS 空間分析技術(shù)是將影響生態(tài)環(huán)境的各評價因子空間疊加，從宏觀上展示區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性等級分布情況，該方法能有效地解釋各自然因素對生態(tài)環(huán)境的綜合影響程度，是生態(tài)環(huán)境敏感性定量分析的有效方法[17]。學(xué)者對上述內(nèi)容進(jìn)行廣泛探索，但仍存在一定不足：目前主要針對自然保護(hù)區(qū)或省市等區(qū)域進(jìn)行研究，對煤田生態(tài)環(huán)境敏感性的關(guān)注極少；已有的研究中評價指標(biāo)選取多從自然因素出發(fā)，缺乏人為干擾在區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性定量評價方法中的應(yīng)用。

針對上述情況，本研究對2018年山西省六大煤田土壤侵蝕、土壤沙化、人為干擾綜合強(qiáng)度進(jìn)行單因子及綜合生態(tài)環(huán)境敏感性評價，揭示煤田生態(tài)環(huán)境敏感性的地理空間分異特征，以期為煤田的生態(tài)修復(fù)和分區(qū)管制提供理論依據(jù)。

山西省六大煤田地處生態(tài)脆弱的黃土高原，是國家重點關(guān)注的區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)區(qū)之一。2000—2019年間，該區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)受到強(qiáng)烈擾動，區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題突出[18]，自2006年實施的煤田生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理也對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況產(chǎn)生了顯著的影響。鑒于此，以山西省六大煤田作為研究區(qū)具有較好的代表性，以期能為煤田生態(tài)規(guī)劃提供科學(xué)借鑒。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省地處黃河中游東岸，黃土高原東部，南北緯度范圍為34.57°—40.72°N，東西經(jīng)度范圍為110.23—114.55°E。區(qū)域地貌類型復(fù)雜多樣，由西向東為呂梁山、汾河谷地、太行山，山地丘陵多平原少，區(qū)內(nèi)有大小河流十余條，分屬黃河和海河水系。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期。受緯度跨度范圍影響，區(qū)域內(nèi)南北氣候差異顯著。各地年平均氣溫介于4.2～14.2℃之間，總體分布趨勢為由北向南升高，由盆地向高山降低；各地年降水量介于358～621 mm之間，季節(jié)分布不均，夏季降水相對集中，且省內(nèi)降水分布受地形影響較大。

按照煤田的地理位置和規(guī)模大小，全省劃分為大同、寧武、河?xùn)|、西山、霍西和沁水六大煤田（圖1）。煤田區(qū)覆蓋山西省10 個市，總面積約61217 km2[19]。20世紀(jì)90 年代以來，山西省作為中國重要的煤炭基地，經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，煤田周圍環(huán)境變化較為顯著。煤炭井工開采不僅造成地表塌陷、地面沉降、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和植被生長環(huán)境破壞，引發(fā)嚴(yán)重的水土流失、土壤沙化等生態(tài)環(huán)境問題[20]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的指標(biāo)因子數(shù)據(jù)主要包括：歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。其中DEM 數(shù)據(jù)、2018 年土地利用數(shù)據(jù)和NDVI 數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，氣象數(shù)據(jù)為2018年山西省地面累年值數(shù)據(jù)集，主要包括累年降雨量、累年氣溫數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。土壤數(shù)據(jù)來源于HWSD中國土壤圖，包括土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤類型分布。對上述空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的坐標(biāo)投影，柵格大小為1000 m×1000 m。

數(shù)據(jù)具體的處理方法如下：（1）通過ArcGIS10.2空間分析工具，得到高程數(shù)據(jù)集的最大值和最小值，經(jīng)柵格計算器計算得到研究區(qū)地形因子?xùn)鸥駡D。（2）對土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分類，對土壤進(jìn)行可蝕性賦值，得到K 值。（3）通過對山西省24 個氣象站點的起風(fēng)沙天數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離權(quán)重插值處理，得到起風(fēng)沙天數(shù)的柵格圖，經(jīng)裁剪得到研究區(qū)起風(fēng)沙天數(shù)柵格圖。（4）根據(jù)NDVI的頻率統(tǒng)計表，計算NDVI的頻率累積值，累積頻率為2%的NDVI值為NDVIsoil，累積頻率為98%的NDVI值為NDVIveg。使用柵格計算器，計算植被覆蓋度[21]。

1.3 評價方法及因子選取

生態(tài)環(huán)境敏感性評價是通過選定評價因子、評定權(quán)重等步驟建立評價指標(biāo)體系[22]，從宏觀方向定量展示不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性的區(qū)域空間分異特征與演變規(guī)律[23]。生態(tài)環(huán)境敏感性問題主要考慮土壤侵蝕、土地沙漠化、土壤鹽漬化和水環(huán)境等[24]。本研究評價選取土壤侵蝕性、土地沙化敏感性、人為干擾3 項指標(biāo)，對山西省六大煤田分布區(qū)的生態(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行評價[25]。

1.3.1 土壤侵蝕敏感性評價因子選取 區(qū)域內(nèi)土壤流失量主要受來降雨、土壤、地形地貌和地面覆蓋或植被和人為活動等因子的影響。土壤侵蝕敏感是自然因素生態(tài)系統(tǒng)決定的對人類活動反應(yīng)的敏感程度。本研究采用通用水土流失方程的基本原理對研究區(qū)的土壤侵蝕敏感性進(jìn)行評價，選取評價指標(biāo)因子包括降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度以及地表植被覆蓋等（表1）。敏感性分級圖。運算公式如式(1)所示。

表1 土壤侵蝕敏感性評價指標(biāo)及分級賦值

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數(shù)，評價因子包括降雨侵蝕力(Ri)、土壤可蝕性(Ki)、坡度坡長(LSi)、地表覆蓋度(Ci)。

（1）降雨侵蝕力。本次評價采用綜合參數(shù)R值（降雨侵蝕力）來評價區(qū)域內(nèi)降雨對土壤侵蝕的影響，R值是一個地區(qū)降雨沖蝕潛勢的綜合量度。公式如(2)所示。

根據(jù)上述4 類因子的敏感等級和分級賦值情況，利用ArcGIS對其影響分布圖進(jìn)行運算，得出土壤侵蝕式中，R年為降雨侵蝕力數(shù)值；P年為降水量(mm)。

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（2）土壤可蝕性。土壤可蝕性是土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度，主要與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等土壤理化性質(zhì)有關(guān)[26-27]，計算公式如(3)～(4)所示。

式中，KEPIC表示修正前的土壤可蝕性因子，K表示修正后的土壤可蝕因子，mc、msilt、ms和orgC分別為粘粒(＜0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和有機(jī)碳的百分比含量(%)。依據(jù)表1 中的分級標(biāo)準(zhǔn)繪制土壤侵蝕對降水侵蝕的敏感性分級圖。

（3）地形起伏度。地形起伏度即地面一定距離范圍內(nèi)最大高差，將其作為區(qū)域土壤侵蝕評估的地形指標(biāo)[28]。根據(jù)研究區(qū)是實際情況將地形起伏度分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、重度敏感四級。

（4）植被覆蓋度。植被覆蓋度升高對防治土壤侵蝕具有積極作用。植被覆蓋度信息提取是通過建立歸一化植被指數(shù)與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換信息，直接提取植被覆蓋度信息[29]。根據(jù)煤田植被覆蓋度實際情況，將其分為≥0.6、0.6～0.4、0.2～0.4、≤0.2四級。計算公式如(5)所示。

式中：NDVIveg為完全植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息，NDVIsoil為無植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息。

1.3.2 土地沙化敏感性評價因子選取 本研究選擇降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度因子以及地表植被覆蓋因子，采用土地沙化方程，開展研究區(qū)土地沙化敏感性評價。各項指標(biāo)采用自然分界法與專家知識確定分級賦值標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 土壤沙化敏感性評價指標(biāo)及分級賦值

（1）干燥度指數(shù)。干燥度指數(shù)表征一個地區(qū)氣候干燥程度的指數(shù)，反映了區(qū)域內(nèi)水分支出與收入情況[25]。先計算出區(qū)域所有氣象站點全年≥10℃的積溫和全年≥10℃期間的降雨量，然后利用下述干燥度指數(shù)公式計算干燥度指數(shù)再用反距離插值法得到干燥度柵格圖。計算公式如(6)所示。

（2）起風(fēng)沙天數(shù)。風(fēng)力強(qiáng)度是影響風(fēng)對土壤顆粒搬運的重要因素。已有研究資料表明[7]，砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土和固定風(fēng)砂土的起動風(fēng)速分別為6.0、6.6、5.1 m/s，本研究選用風(fēng)速大于6 m/s起沙風(fēng)天數(shù)指標(biāo)評估土地沙化敏感性。

根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)來確定各因子的敏感性等級，計算其影響分布圖。運算公式如(7)所示。

式中：Di為i評估區(qū)域土地沙化敏感性指數(shù)；Ii、Wi、Ki、Ci分別為干燥度指數(shù)、起風(fēng)沙天數(shù)、土壤質(zhì)地、植被覆蓋度的敏感性等級值。

1.3.3 人類干擾綜合強(qiáng)度定量分析指標(biāo)選取 不同的景觀類型能夠指示不同的人類開發(fā)活動強(qiáng)度[30]。本研究引用梁發(fā)超等[31]提出的人類干擾強(qiáng)度綜合指數(shù)，定量化描述六大煤田內(nèi)的人類活動強(qiáng)度，其計算公式如式(8)所示。

式中HII為人為影響綜合指數(shù)，N為景觀組分類型的數(shù)量，本研究將景觀分為6 種類型；Ai為第i種景觀組分的面積，Pi為第i種景觀組分所反映的人為影響強(qiáng)度系數(shù)，TA為景觀總面積。根據(jù)山西省煤田的實際情況本研究對不同景觀類型的人類影響強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行修正，將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地相對的人為影響強(qiáng)度指數(shù)依次賦值為0.59、0.13、0.10、0.14、0.94、0.06[32]。

1.3.4 綜合生態(tài)環(huán)境敏感性評價方法 將上述各單因子敏感性影響分布圖利用ArcGIS 的空間分析功能進(jìn)行疊加計算，公式如式(9)所示。

式中ESi為i空間單元生態(tài)環(huán)境敏感性指數(shù)，Wi為i生態(tài)環(huán)境因子的權(quán)重。

由于土壤侵蝕是黃土高原面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，采用層次分析法，結(jié)合專家知識與統(tǒng)計分析確定各生態(tài)環(huán)境因子的權(quán)重得出結(jié)果土壤侵蝕性因子權(quán)重設(shè)為0.4，土壤沙化、人為綜合干擾影響強(qiáng)度的因子權(quán)重均設(shè)為0.3。繪制山西省煤田綜合生態(tài)環(huán)境敏感性評價結(jié)果圖，并將其結(jié)果按自然間斷點法分為4類。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕敏感性評價

從圖2可以看出，河?xùn)|煤田、寧武煤田、大同煤田、西山煤田有大面積區(qū)域土壤侵蝕敏感性表現(xiàn)為中度、重度敏感，而霍西煤田和沁水煤田的土壤侵蝕敏感性較低。土壤侵蝕以輕度敏感為主，占43.4%，中度、重度敏感區(qū)分別占研究區(qū)面積的25.6%和12.3%，不敏感區(qū)占18.7%。六大煤田的土壤侵蝕敏感性分布有很強(qiáng)規(guī)律性，從南向北土壤侵蝕敏感性等級依次表現(xiàn)先下降后升高。土壤侵蝕高敏感區(qū)分布在大同煤田南部、寧武煤田的北部和中部、沁水煤田東南部地區(qū)、西山煤田東部，多是由于區(qū)域內(nèi)土壤類型以砂土、粉土為主，降水相對集中，地形起伏大，水力侵蝕較強(qiáng)。不敏感區(qū)多集中在沁水煤田西北部、霍西煤田南部，占比18.7%，這些地區(qū)降水少，地形平緩，降雨侵蝕力弱，導(dǎo)致土壤侵蝕敏感性較低。

2.2 土地沙化敏感性評價

由圖2 可知，研究區(qū)土地沙化不敏感區(qū)所占比例為49.8%；輕度、中度敏感區(qū)分別占37%和10.4%；高敏感區(qū)占3.8%。高敏感區(qū)位于大同煤田北部、寧武煤田中部、沁水煤田北部。這些地區(qū)冬春季節(jié)常年大風(fēng)，降水少，地表干旱，土壤質(zhì)地多為沙粒，植被覆蓋度低等自然要素導(dǎo)致土地沙化敏感性高。中度敏感區(qū)多位于高度敏感區(qū)的外圍，包括大同煤田西北部、西山煤田東南部、霍西煤田南部、沁水煤田北部和東南部等。輕度敏感和不敏感區(qū)位于寧武煤田中西部、河?xùn)|煤田、沁水煤田東、西、南部等，這些區(qū)域地處呂梁山西部、太岳山南部、云中山、太行山西側(cè)，風(fēng)速較小，氣候相對濕潤，植被覆蓋度高，土地沙化程度不高。此外，過度放牧和礦產(chǎn)過度開發(fā)等人為活動對土地沙化的行程起到了加速作用。

2.3 人為綜合干擾度分析

山西省六大煤田區(qū)人為綜合干擾強(qiáng)度的指數(shù)計算結(jié)果見圖2。人為干擾中強(qiáng)度影響區(qū)占絕對優(yōu)勢，占比約37.8%；高強(qiáng)度影響區(qū)的分布比較分散，分布在研究區(qū)的平坦地帶。受地形影響，大同煤田、寧武煤田人為干擾綜合強(qiáng)度南北差異顯著，寧武煤田表現(xiàn)為北高難低，大同煤田呈南高北低。沁水煤田表現(xiàn)出較強(qiáng)的水平分異特征，人為干擾綜合強(qiáng)度指數(shù)由南向北逐漸變低?；粑髅禾锉憩F(xiàn)為中高影響強(qiáng)度，人為干擾區(qū)的景觀類型以建設(shè)用地和耕地為主。研究發(fā)現(xiàn)：在城鎮(zhèn)化、人口增加和煤田發(fā)展的推動下，煤田內(nèi)干擾強(qiáng)度高的部分主要分布在城市及周邊區(qū)域，其分布區(qū)域與人類活動強(qiáng)烈的盆地地區(qū)基本一致。干擾強(qiáng)度最大的區(qū)域也是人類活動最頻繁和環(huán)境質(zhì)量退化最顯著的區(qū)域，是煤田生態(tài)規(guī)劃和設(shè)計的重點區(qū)域。

圖2 土壤侵蝕、土壤沙化、人為干擾綜合強(qiáng)度和綜合生態(tài)敏感性評價

2.4 綜合生態(tài)環(huán)境敏感性評價

單因子評價只能反映煤田生態(tài)環(huán)境在單一因子作用下的結(jié)果，很難將煤田的綜合生態(tài)環(huán)境敏感性空間分異特征反映出來[33]。在上述土壤侵蝕、土壤沙化、人為干擾單因子敏感性評價的基礎(chǔ)上，利用GIS 空間分析技術(shù)，將研究區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境敏感劃分為高度、中度、輕度、不敏感4個等級。山西省六大煤田生態(tài)環(huán)境綜合敏感性以不敏感、輕度、中度區(qū)為主，分別占研究區(qū)面積的20.3%、36.%、32.2%，重度敏感區(qū)面積最小，占11.1%?？臻g上，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合敏感性空間分布的總體特征與其他3個單項因子敏感性的空間分布特征有較高吻合性。重度敏感區(qū)分布在寧武煤田北部、大同煤田東南部、沁水煤田北部和東北部。輕度敏感和不敏感區(qū)分在河?xùn)|煤田南部、霍西煤田和沁水煤田的西北部、中部。

生態(tài)敏感性等級高的區(qū)域是六大煤田生態(tài)環(huán)境問題多發(fā)地，也是山西省煤田修復(fù)治理的重點區(qū)域。應(yīng)針對生態(tài)環(huán)境敏感性等級高的區(qū)域，實施適宜強(qiáng)制性保護(hù)措施，以遏制煤田生態(tài)環(huán)境退化趨勢，為中國北方構(gòu)筑牢固的生態(tài)安全屏障。

3 結(jié)論與討論

本研究以山西省六大煤田為研究對象，運用GIS空間分析技術(shù)，選取煤田具有典型代表意義的生態(tài)環(huán)境問題，從自然和人為影響定量分析了生態(tài)環(huán)境敏感性的空間分異。結(jié)果表明：山西省六大煤田的土壤侵蝕敏感性輕度、中度、重度敏感區(qū)分別占37.6%、32.1%和16.3%?？臻g上，土壤侵蝕敏感性表現(xiàn)出從南向北敏感性等級先降低后升高的態(tài)勢。土地沙化不敏感區(qū)面積比達(dá)49.8%；敏感等級高的區(qū)域集中分布在山西省五大盆地及周邊地區(qū)。人為干擾高影響、中高影響地區(qū)占比分別為17.7%、33.9%，其次為輕度敏感、不敏感區(qū)，其中建設(shè)用地和耕地等景觀類型表現(xiàn)為較高的人為綜合干擾強(qiáng)度。綜合生態(tài)環(huán)境敏感性中度、輕度、不敏感區(qū)所占比例分別為32.2%、36.4%和20.3%，重度敏感區(qū)面積最小，占11.1%，六大煤田主要盆地的周邊區(qū)域綜合生態(tài)環(huán)境敏感性等級高，沁水煤田西北部、河?xùn)|煤田南部敏感性等級相對低。

本研究以格網(wǎng)為單元，將影響山西省六大煤田的生態(tài)環(huán)境敏感性的各評價因子疊加分析，煤田的生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布規(guī)律基本得到解釋。相比基于單一的自然因素的生態(tài)環(huán)境敏感性評價，更全面的體現(xiàn)煤田受自然和人類活動的綜合影響程度，對煤田的分區(qū)管制與生態(tài)恢復(fù)具有一定的借鑒意義。本研究存在不足之處，僅僅對生態(tài)環(huán)境敏感性評價進(jìn)行初步探究，多是非定量化地對各因素對生態(tài)環(huán)境影響程度的強(qiáng)弱分析，根據(jù)結(jié)果很難推斷出煤田生態(tài)環(huán)境敏感性形成機(jī)制與各因子的作用機(jī)理，在今后的研究中應(yīng)繼續(xù)深化生態(tài)環(huán)境受人類影響的定量化探討，使其更好的為煤田的生態(tài)修復(fù)和分區(qū)管制提供切實可行的理論依據(jù)。