基于GIS的山西省煤田生態環境敏感性評價

楊琪雪，潘換換，吳樹榮，杜自強，張 紅，武志濤

（1山西大學資源與環境學院，太原 030006；2山西大學黃土高原研究所，太原 030006）

0 引言

生態環境敏感性指生態系統對區域內自然和人為活動干擾的敏感程度，即生態系統在遇到干擾時，生態環境問題出現的可能性，是評價生態系統的健康活力和生態功能區劃的重要指標[1]。目前，區域生態環境敏感性受到國內外學者的普遍關注[2]，其研究內容主要涉及以下方面：基于區域的生態環境敏感性的研究，主要對河流水域[3]、自然保護區[4]、省市縣域[1,5]等進行研究；基于區域特定的生態問題敏感性的研究，主要是水土流失[6]、土壤沙化[7]、鹽漬化[8]、石漠化[9]等進行研究；基于生態環境敏感性目的研究，采用生態敏感性評價進行自然生態空間分區管制[2]，生態紅線劃定[10]、區域生態發展規劃[11]等。一些學者采用遙感技術、GIS空間分析技術[12-14]、層次分析法[15]、最大值法[16]等方法，對區域的生態環境敏感性進行單因子評價和綜合評價。其中，GIS 空間分析技術是將影響生態環境的各評價因子空間疊加，從宏觀上展示區域生態環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環境的綜合影響程度，是生態環境敏感性定量分析的有效方法[17]。學者對上述內容進行廣泛探索，但仍存在一定不足：目前主要針對自然保護區或省市等區域進行研究，對煤田生態環境敏感性的關注極少；已有的研究中評價指標選取多從自然因素出發，缺乏人為干擾在區域生態環境敏感性定量評價方法中的應用。

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、人為干擾綜合強度進行單因子及綜合生態環境敏感性評價，揭示煤田生態環境敏感性的地理空間分異特征，以期為煤田的生態修復和分區管制提供理論依據。

山西省六大煤田地處生態脆弱的黃土高原，是國家重點關注的區域生態環境建設區之一。2000—2019年間，該區的自然生態系統受到強烈擾動，區域生態環境問題突出[18]，自2006年實施的煤田生態環境修復治理也對該區的生態環境狀況產生了顯著的影響。鑒于此，以山西省六大煤田作為研究區具有較好的代表性，以期能為煤田生態規劃提供科學借鑒。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

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，東西經度范圍為110.23—114.55°E。區域地貌類型復雜多樣，由西向東為呂梁山、汾河谷地、太行山，山地丘陵多平原少，區內有大小河流十余條，分屬黃河和海河水系。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明、雨熱同期。受緯度跨度范圍影響，區域內南北氣候差異顯著。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，季節分布不均，夏季降水相對集中，且省內降水分布受地形影響較大。

按照煤田的地理位置和規模大小，全省劃分為大同、寧武、河東、西山、霍西和沁水六大煤田（圖1）。煤田區覆蓋山西省10 個市，總面積約61217 km2[19]。20世紀90 年代以來，山西省作為中國重要的煤炭基地，經濟社會快速發展，煤田周圍環境變化較為顯著。煤炭井工開采不僅造成地表塌陷、地面沉降、地質結構變化和植被生長環境破壞，引發嚴重的水土流失、土壤沙化等生態環境問題[20]。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源與處理

本研究所使用的指標因子數據主要包括：歸一化植被指數數據、DEM 數據、氣象數據、土壤類型數據、土地利用數據等。其中DEM 數據、2018 年土地利用數據和NDVI 數據來源于資源環境科學數據中心，氣象數據為2018年山西省地面累年值數據集，主要包括累年降雨量、累年氣溫數據，來源于中國氣象科學數據共享服務網。土壤數據來源于HWSD中國土壤圖，包括土壤有機質含量與土壤類型分布。對上述空間數據進行統一的坐標投影，柵格大小為1000 m×1000 m。

數據具體的處理方法如下：（1）通過ArcGIS10.2空間分析工具，得到高程數據集的最大值和最小值，經柵格計算器計算得到研究區地形因子柵格圖。（2）對土壤質地數據進行提取、分類，對土壤進行可蝕性賦值，得到K 值。（3）通過對山西省24 個氣象站點的起風沙天數據進行反距離權重插值處理，得到起風沙天數的柵格圖，經裁剪得到研究區起風沙天數柵格圖。（4）根據NDVI的頻率統計表，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

生態環境敏感性評價是通過選定評價因子、評定權重等步驟建立評價指標體系[22]，從宏觀方向定量展示不同區域生態環境敏感性的區域空間分異特征與演變規律[23]。生態環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，對山西省六大煤田分布區的生態環境敏感性進行評價[25]。

1.3.1 土壤侵蝕敏感性評價因子選取 區域內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系統決定的對人類活動反應的敏感程度。本研究采用通用水土流失方程的基本原理對研究區的土壤侵蝕敏感性進行評價，選取評價指標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及分級賦值

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數，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R值（降雨侵蝕力）來評價區域內降雨對土壤侵蝕的影響，R值是一個地區降雨沖蝕潛勢的綜合量度。公式如(2)所示。

根據上述4 類因子的敏感等級和分級賦值情況，利用ArcGIS對其影響分布圖進行運算，得出土壤侵蝕式中，R年為降雨侵蝕力數值；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，主要與土壤質地、有機質含量、土體結構、滲透性等土壤理化性質有關[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)和有機碳的百分比含量(%)。依據表1 中的分級標準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最大高差，將其作為區域土壤侵蝕評估的地形指標[28]。根據研究區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與植被覆蓋度的轉換信息，直接提取植被覆蓋度信息[29]。根據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的信息，NDVIsoil為無植被覆蓋地表所貢獻的信息。

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，開展研究區土地沙化敏感性評價。各項指標采用自然分界法與專家知識確定分級賦值標準（表2）。

表2 土壤沙化敏感性評價指標及分級賦值

（1）干燥度指數。干燥度指數表征一個地區氣候干燥程度的指數，反映了區域內水分支出與收入情況[25]。先計算出區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公式計算干燥度指數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）起風沙天數。風力強度是影響風對土壤顆粒搬運的重要因素。已有研究資料表明[7]，砂質壤土、壤質砂土和固定風砂土的起動風速分別為6.0、6.6、5.1 m/s，本研究選用風速大于6 m/s起沙風天數指標評估土地沙化敏感性。

根據分級標準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評估區域土地沙化敏感性指數；Ii、Wi、Ki、Ci分別為干燥度指數、起風沙天數、土壤質地、植被覆蓋度的敏感性等級值。

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

式中HII為人為影響綜合指數，N為景觀組分類型的數量，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度系數，TA為景觀總面積。根據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度指數進行修正，將耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地相對的人為影響強度指數依次賦值為0.59、0.13、0.10、0.14、0.94、0.06[32]。

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

式中ESi為i空間單元生態環境敏感性指數，Wi為i生態環境因子的權重。

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

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕敏感性評價

從圖2可以看出，河東煤田、寧武煤田、大同煤田、西山煤田有大面積區域土壤侵蝕敏感性表現為中度、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、重度敏感區分別占研究區面積的25.6%和12.3%，不敏感區占18.7%。六大煤田的土壤侵蝕敏感性分布有很強規律性，從南向北土壤侵蝕敏感性等級依次表現先下降后升高。土壤侵蝕高敏感區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、西山煤田東部，多是由于區域內土壤類型以砂土、粉土為主，降水相對集中，地形起伏大，水力侵蝕較強。不敏感區多集中在沁水煤田西北部、霍西煤田南部，占比18.7%，這些地區降水少，地形平緩，降雨侵蝕力弱，導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，研究區土地沙化不敏感區所占比例為49.8%；輕度、中度敏感區分別占37%和10.4%；高敏感區占3.8%。高敏感區位于大同煤田北部、寧武煤田中部、沁水煤田北部。這些地區冬春季節常年大風，降水少，地表干旱，土壤質地多為沙粒，植被覆蓋度低等自然要素導致土地沙化敏感性高。中度敏感區多位于高度敏感區的外圍，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位于寧武煤田中西部、河東煤田、沁水煤田東、西、南部等，這些區域地處呂梁山西部、太岳山南部、云中山、太行山西側，風速較小，氣候相對濕潤，植被覆蓋度高，土地沙化程度不高。此外，過度放牧和礦產過度開發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

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

圖2 土壤侵蝕、土壤沙化、人為干擾綜合強度和綜合生態敏感性評價

2.4 綜合生態環境敏感性評價

單因子評價只能反映煤田生態環境在單一因子作用下的結果，很難將煤田的綜合生態環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上，利用GIS 空間分析技術，將研究區綜合生態環境敏感劃分為高度、中度、輕度、不敏感4個等級。山西省六大煤田生態環境綜合敏感性以不敏感、輕度、中度區為主，分別占研究區面積的20.3%、36.%、32.2%，重度敏感區面積最小，占11.1%?？臻g上，研究區生態環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分在河東煤田南部、霍西煤田和沁水煤田的西北部、中部。

生態敏感性等級高的區域是六大煤田生態環境問題多發地，也是山西省煤田修復治理的重點區域。應針對生態環境敏感性等級高的區域，實施適宜強制性保護措施，以遏制煤田生態環境退化趨勢，為中國北方構筑牢固的生態安全屏障。

3 結論與討論

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

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