史广，刘立文，杨艳

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西农业大学信息科学与工程学院，山西太谷030801）

黄土高原三川河流域生态环境的时空变化特征

史广1，刘立文1，杨艳2

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西农业大学信息科学与工程学院，山西太谷030801）

了解与掌握黄土高原区小流域生态环境状况的时空变化特征，对研究黄土高原区生态环境保护和防治具有重要作用。以山西省三川河流域为研究对象，依据《生态环境状况评价技术规范（试行）》（HJ/T 192—2006）中的评价体系，基于RS和GIS方法，获取了1990年、2000年、2010年的生态环境状况分布图，对三川河流域及其子流域21 a间生态环境的时空变化特征进行了分析。结果表明：三川河流域的主要生态环境状况类型为良好和一般，21 a间研究区生态环境状况先明显变好后逐渐变差，整体上生态环境状况转好；生态环境状况一般和良好的地区位于流域的东北部（北川河和东川河子流域内）；海拔＜1 000 m、坡度＞20°的研究区域生态环境状况最差，也是生态环境保护和防治中应该重点关注的区域。

生态环境；时空变化；流域；遥感；地理信息系统

生态环境是地球生物得以生存和发展的必备条件，是生命系统与环境系统有机结合体[1]。近年来由于生态环境的破坏，导致人类生活环境恶化的案例不断发生，因此对生态环境的评价研究已成为当代科学研究的热点方向[2]。生态环境评价体系的研究起源于19世纪60年代，但早期的研究缺乏统一、规范的评价体系[3]。1987年日本学者鬼鞍丰[4]首次对生态系统的各种环境保护功能进行了评价，随后联合国环境

规划署（UNEP）于2001年6月启动了全球区域合作的千年生态系统评估项目（Millennium Ecosystem Assessment，MA）[5]。我国的生态环境评价起于20世纪70年代，主要针对城市环境污染现状调查和评价[6]，2006年国家环保总局颁布并制定了《生态环境状况评价技术规范（试行）》（HJ/T 192-2006）[7]，周媛丽等[8]根据规范对陕西关中地区的生态环境做了评价和对策研究，杜锁军等[9]根据规范对张家港市进行了生态环境评价研究。

由于地形破碎、气候干旱、水土流失严重等原因，黄土高原生态环境脆弱现象日益扩张。而三川河流域位于黄土高原的中西部，是全国水土流失重点治理区，由于水土流失和资源开采等自然和人为原因导致的生态问题日益突出。作者在RS和GIS的支持下获取了生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数，参照《生态环境状况评价技术规范（试行）》[10]，得到研究区1990年、2000年和2010年的生态环境评价状况及其空间分布特征，对研究区内不同海拔高度、不同地形坡度以及不同流域分区在1990～2010年的生态环境变化状况进行研究[11]，旨为小流域生态环境治理及相关规划的编制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三川河发源于山西省方山县东北赤坚岭，主要支流有北川河、东川河和南川河，流经方山、离石、中阳、柳林4县（市），在柳林县石西乡上庄村入黄，全长176.4 km，流域面积4 161 km2。地处北纬36°55′～38°10′、东经110°33′～111°36′，属东部季风暖温带地区，年平均降水量为521 mm，降水量年度变化较大，每年汛期（6～9月）降雨量为全年降雨量的70%，主要形式为大雨或暴雨[12，13]，最大年降水量约为最小量的2倍，且区域分布不均。

三川河流域地势条件具有明显差异，最高峰（关帝山）海拔2 831 m，最低点（黄河交汇处）海拔610 m，相对高差2 221 m。根据流域地貌特征和水文情势分异，三川河流域可划分为北川河流域、东川河流域、南川河流域和三川河流域4个水文分区[16]（图1）。该地区水土流失较为严重，大量的泥沙源源不断地流入黄河主干道，流域内呈现植被稀少、土地贫瘠、农作物产量低等状态，导致当地人民收入水平较低，成为了山西省较贫困的山区之一，1983年被列为全国8个水土保持重点治理流域之一[14，15]。

图1 三川河流域图Fig.1 Map of Sanchuan River watershed

1.2 数据来源

本研究采用1990年、2000年和2010年TM4-5影像及ASTER-GDEM数据，来源于中国科学院地理空间数据云，运用ENVI4.8对影像数据进行大气矫正、几何校正、拼接、裁剪等预处理操作[17]，并通过运用监督分类和波段运算的方法获得三川河流域1990年、2000年和2010年的土地利用类型数据；降雨量数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//www. escience.gov.cn）；环境污染数据来源于山西省环境统计年报（1990～2010）、中国环境统计年鉴（1990～2010年）和山西省统计年鉴（1990～2010）等资料。

1.3 研究方法

1.3.1 生态环境质量指数该指标计算方法[6，18]为：

EQI=0.25×生物丰度指数+0.2×植被覆盖指数+ 0.2×水网密度指数+0.2×土地退化指数+0.15×环境质量指数

式中，EQI：生态环境质量指数。根据生态质量指数将生态质量进行分类（表1）。

1.3.2 生物丰度指数该指标从TM影像中用目视解译的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建设用地、未利用地的面积，计算方法[6]为：

生物丰度指数=Abio×（0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地）

/区域面积

式中，Abio：生物丰度指数的归一化系数。

1.3.3 植被覆盖指数该指标从TM影像中用目视解译的方法提取出林地、水域、草地、耕地、建设用地、未利用地的面积，计算公式为：

植被覆盖指数=Aveg×（0.38×林地面积+0.34×草地面积+0.19×耕地面积+0.07×建设用地+0.02×未利用地）/区域面积[6]

式中，Aveg：植被覆盖指数的归一化系数。

1.3.4 水网密度指数该指标根据TM234图像，将水域（主要为河流和水库）目视提取，通过山西省统计年鉴获取水资源量，计算公式[6]为：

水网密度指数=［Ariv×河流长度/区域面积+Alak×湖库（近海）面积/区域面积+Ares×水资源量/区域面积］/3

式中，Ariv：河流长度的归一化系数；Alak：湖库面积的归一化系数；Ares：水资源量的归一化系数。

1.3.5 土地退化指数该指标计算方法为：

土地退化指数=Aero×（0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积）/区域面积

式中，Aero：土地退化指数的归一化系数。

该指标通过RUSLE获取研究区域1990年、2000年和2010年的生态环境状况状况，根据生态环境状况模数≤2 500 t/（km2·a）、2 500～5 000 t/（km2·a）和＞5 000 t/（km2·a），将生态环境状况类型分为轻度侵蚀，中度侵蚀和重度侵蚀（表2），并获取侵蚀面积，进而得到土地退化指数。

表1 生态环境质量分类Table1 Eco-environmental quality classification

1.3.6 环境质量指数该指标计算方法[8，9]为：

环境质量指数=0.4×（100-ASO2×SO2排放量/区域面积）+0.4×（100-ACOD×COD排放量/区域面积）+0.2×（100-Asol×固体废物排放量/区域面积）

式中，ASO2：SO2的归一化系数；ACOD：COD的归一化系数；Asol：固体废物的归一化系数。

1.3.7 生态环境总体状况及其空间分布运用ArcGIS工具将上述因子校正为WGS_1984_UTM_Zone_49N坐标系，并运用Resample工具进行重新采样，形成30 m×30 m的图像，最后运用Raster Calculator进行叠加相乘，参照国家环保总局制定的《生态环境状况评价技术规范（试行）》（HJ/T 192—2006），对研究区环境状况进行评价分级，最终得到研究区生态环境状况空间分布图（图2）。

2 结果与分析

2.1 生态环境状况总体动态变化

根据1990年、2000年和2010年研究区的生态环境状况评价结果，统计21 a来研究区不同侵蚀强度的生态环境状况类型面积及其比例的分布状况及其变化规律。

数据显示，研究区内的整体生态环境处于一般和良好状态，其中主要的生态环境状况强度类型为良好，表示该流域植被覆盖度较好，生物多样性较好，适合人类生存。从3个时期的生态环境状况强度的面积分布来看，整体的生态状况经历了由较差→优→逐渐变差的抛物线发展趋势，其中，2000年生态环境状况最好，其中良好所占的面积最大，占流域面积的84.38%；相对于1990年而言，2010年整体的生态状况有所变好，其中良好和优秀的面积增加明显（表3）。通过图2可以看出，变化主要集中在流域的中西部地区，即城市和人口密集区，其中，东北部由于森林覆盖状况良好，人口稀少，所以生态环境较好，生态环境一般的地区位于流域的中西部，由于人口分布密集和植被的破坏导致该区的生态环境一般。

2.2 生态环境状况变化幅度分析

参照《生态环境状况评价技术规范（试行）》

（HJ/T 192—2006）将生态环境状况变化幅度分为7级：无明显变化、略有变化（好或差）、明显变化（好或差）、显著变化（好或差）（表4和5）。从以上图表中可以看出，1990年和2000年之间生态环境状况变化，主要体现在无明显变化和略微变好，其中略微变好所占比例为26.42%，表明研究区整体的生态状况转好。2000年和2010年之间生态状况逐渐差，集中表现在略微变差和明显变差，除此之外略微变好和明显变好所占比例相当，说明整体状况变差但部分地区生态状况明显有所转变。从表5可以看出，变化比较明显的地区主要集中在流域的上游和下游，即方山县和柳林县等地区。

图2 研究区1990年、2000年和2010年的生态环境状况分级图Fig.2 The classification map of ecological environment in study area in 1990，2000 and 2010

表3 1990年、2000年和2010年研究区的生态环境状况面积变化Table3 The area variation of ecological environment in the study area in 1990，2000 and 2010

表4 生态环境变化度分级Table4 Ecological indexes change grading schedule

表5 研究区1990年、2000年和2010年之间生态环境状况变化幅度Table5 Change range of ecological environment in the study area between 1990，2000 and 2010

2.3 不同子流域的生态环境状况

整体三川河流域的生态状况处于一般与良好之间，其中，2000年的生态环境状况最好，1990年的生态环境状况最差；三川河子流域的生态环境状况最差，北川河和东川河状况最好，2000年的北川河的良好面积达到了北川河流域的70%，生态状况非常好（图3）。造成这一状况的主要原因是三川河子流域主要位于流域的下游，人口密集，植被稀少，气候干旱，外加水土流失严重导致生态环境状况最差；而北

川河和东川河地势高，植被覆盖度好，人口稀少，水土保持状况优。

2.4 影响生态环境状况的主要因素

通过对1990年、2000年、2010年不同海拔与不同坡度的生态情况进行分类与归纳，结果（图4和5）显示，生态环境随着海拔高度的升高而逐渐变好，随着坡度的降低生态环境越好，其中，生态环境处于一般和良好状态主要分布于＞1000 m的海拔高度范围内，且2000年生态环境为良好的面积最大，1990年最小；而生态环境处于良好和一般的面积主要分布在坡度＜20°的地带，表明流域生态环境随地势和海拔高度变化明显。

图3 1990年、2000年、2010年4条子流域的生态环境状况分时分区面积统计Fig.3 Ecological and environmental conditions in different sub-basin area timeshare partition statistics in 1990，2000 and 2010

图4 1990年、2000年、2010年不同海拔高度的生态环境状况分时分区面积统计Fig.4 Different altitudes of the ecological and environmental conditions timeshare zoning area statistics in 1990，2000 and 2010

图5 1990、2000、2010年不同坡度的生态环境状况分时分区面积Fig.5 Ecological and environmental conditions in different terrain slope timeshare partition area statistics in 1990，2000 and 2010

3 结论与讨论

在RS和GIS的支持下，参照《生态环境状况评价技术规范（试行）》，得到研究区1990年、2000年和2010年的生态环境评价状况及其空间分布特征，对三川河流域不同时段、不同环境背景条件下生态环境变化状况进行了研究，得出以下结论：

（1）三川河流域的主要生态环境状况类型为良好和一般，且1900年、2000年和2010年3个时间段的面积变化显示，生态环境状况较差的面积呈现先明显减少后逐渐增加的发展趋势，整体上生态环境状况转好，通过空间分析和21 a间的变化幅度等级发现生态环境状况变化主要集中在流域的中西部地区，即城市和人口密集的地区。

（2）整体三川河流域的生态状况处于一般和良好，其中，三川河子流域地处下游地区，人口密集，植被稀少，气候干旱外加水土流失严重导致生态环境状况最差；北川河和东川河地势高，植被覆盖度好，人口稀少，水土保持状况良好，且2000年北川河的良好面积最好，占到了该流域的70%。

（3）不同地势和海拔生态环境状况差异明显，海拔＜1 000 m、坡度＞20°的地带生态环境状况最差，是生态环境保护和防治中应该重点关注的区域。

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Temporal and Spatial Variation in Ecological Environment of Sanchuan River Catchment in the Loess Plateau

SHI Guang1，LIU Li-wen1，YANG Yan2
（1.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Information Science and Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

It is essential to grasp characteristics in variation of ecological environment of small watershed in the Loess Plateau for study of how to protect and cure the area’s ecological environment.This article takes Sanchuan River Catchment in Shanxi Province as study object，and derives three year ecological environment distribution diagrams，namely 1990，2000 and 2010 based on RS and GIS method in accordance with specific evaluation system of Ecological and Environmental Conditions Evaluation of Technical Specifications（Trial）（HJ/T 192-2006）.By analyzing characteristics of temporal and spatial variation in Sanchuan River Catchment and its sub-basin in these 21 years，we reach a conclusion indicating that the level of ecological and environmental conditions in this main field is assessed fine.Even though it firstly experienced significantly better condition then followed by gradual deterioration during this 21 years，in general，its ecological environmental conditions was changing better.In particular，northeast watershed that is the area within Beichuan and Dongchuan River sub-basin is where the relatively good ecological environmental conditions were shown.Meanwhile，by studying ecological environmental conditions with different environment backgrounds，we find that the worst ecological environmental conditions are located in areas with altitude＜1 000 m，slope＞20°zone.Therefore，this area is where we should focus on ecological environmental protection and cure.

Ecological environment；Temporal and spatial variation；Watershed；Remote sensing；Geographic information systems

TP79

A

1008-1631（2016）04-0072-06

2016-02-26

史广（1980-），男，山西大同人，讲师，硕士，主要从事3S技术应用、信息系统开发研究工作。E-mail：sxausg@126.com。