矿区生态系统质量和生态完整性评价*

胡华浪，李伟方，孙冠楠

(农业部规划设计研究院，北京 100125)

·持续农业·

矿区生态系统质量和生态完整性评价*

胡华浪，李伟方※，孙冠楠

(农业部规划设计研究院，北京 100125)

进行矿区生态完整性评价，有助于更好地进行矿区资源开发、政策制定、环境保护和生态环境综合整治。研究利用景观生态学的方法，通过空间结构及功能与稳定性分析，进行生态系统质量评价。借助遥感NPP估算模型和Shannon-Weaver多样性指数，从生态系统生产力和稳定性两个方面，对该矿区的生态系统的结构和功能状况进行分析，完成了矿区生态完整性的评价，并提出了相应的改进建议。研究结果表明：在评价区内，草地和林地优势度最高，对生态环境质量的调控能力较强。其次依次是耕地、水域与水利设施用地、住宅用地、交通用地。而评价区生态系统生产力处于较低水平，其中林地生产力最大，恢复稳定性最强，其次是灌木林地，而评价区内面积最大的草地，在生产力水平划分中处于最低水平，恢复稳定性较弱； 通过计算该区的Shannon-Weaver多样性指数，发现该区群落多样性程度较高，但由于评价区内植被多为人工种植，对生态环境的缓解改善作用有限，所以该生态系统抵抗外界干扰能力仍一般，评价区生态完整性处于较低水平。随着人类活动和开发的加大，植物群落会有逆行演替的可能，区域生态系统也存在向低级别退化发展的趋势。

生态完整性 生态系统质量 生产力

0 引言

生态完整性有时候也被理解为生态系统的健康程度[7]。从广义上讲，它是物理、化学和生物的完整性的总和； 从狭义上讲，包含了生态系统健康、生物多样性、稳定性、可持续性、自然性等[8]。国外关于生态完整性的研究主要包括：生态完整性的理论研究、生物完整性的研究、环境完整性的研究及基于环境保护、景观规划为目的的生态完整性评估[9]。国内的研究主要集中在水生生态系统、湿地系统、风景名胜区以及工程项目建设对环境生态完整性影响的评估等方面[1-4]。文章基于遥感数据，利用光能利用率模型计算植被生产力，通过分析植被的生产力确定生态系统的恢复稳定性，从而对矿区的生态系统质量和生态完整性进行评价，以促进矿区资源开发、政策制定、环境保护和生态环境综合整治。

1 研究区概况

矿区位于鄂尔多斯高原北部，海拔1221～1544m，地势呈南高北低，最高点海拔为1512.2m，位于井田南部；而最低点海拔为1391m，则位于井田东北部。海拔最大标高差为121m，一般相对标高差40m左右。矿区自然条件比较脆弱。气候干旱少雨、寒暑变化剧烈，四季分明，平均温差变化大，多大风天气，沙尘暴也时有发生。最高气温38.3℃，最低气温-30.9℃，年平均降水量401.6mm，年平均蒸发量2108.2mm。土壤及地表组成物质以第四纪黄土为主，养分贫缺，肥力低，土质松软，易遭受侵蚀。地表支离破碎，沟谷纵横，山大沟深，沟床不断下切和侧蚀，谷坡扩展迅速，沟头溯源侵蚀强烈； 植被以干草原植被为主，广泛分布在粱峁顶、沟坡上，生长势差，低矮稀疏，覆盖度低，对地表的保护力弱，抗侵蚀能力低。再加上人为破坏的影响等大大加剧了水土流失和风沙侵袭对研究区的危害程度。

图1 研究区位置

图2 生态系统质量评价流程

2 研究方法

2.1 生态环境质量评价方法

利用景观生态学的方法进行生态环境质量评价。景观生态学的研究对象是作为复合生态系统的景观[6]。景观生态学法是通过研究一定时段内某一区域的生态系统类群的格局、特点、综合资源状况等自然规律，以及人为干预下的演替趋势，揭示人类活动在改变生物与环境方面的作用的方法[10]。景观生态学对生态质量状况的评价是通过空间结构和功能与稳定性2个方面来分析的。景观生态学认为，景观的结构与功能是相辅相成的，缺一不可[5]。

2.2 生态完整性评价方法

生态完整性是生态系统维持各生态因子相互关系并达到最佳状态的自然特性，反映了生态系统的健康程度。运用景观生态学的原理与方法对矿区在区域的生态完整性现状进行评价，即从生态系统生产力和生态系统稳定性2个方面对该区域生态系统的结构和功能状况进行分析。

2.2.1 生态系统生产力评价

为了充分了解矿区生产力现状水平，通过NPP估算模型计算出评价区生态系统净第一性生产力，按照奥德姆划分法，将地球上生态系统按照生产力的高低划分为4个等级，见表1，以此判别植被生产力水平的高低。

表1 生态系统生产力水平等级划分

评价等级生产力判断标准(g/m2·d)生态类型举例最低<0.5荒漠和深海较低0.5～3山地森林、热带稀树草原、低产农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架较高3～10热带雨林、农耕地和浅湖最高10～20,最高可到达25少数特殊生态系统、如农业高产田、河漫滩、三角洲、珊瑚礁和红树林等

根据NPP与植物吸收的光合有效辐射(APAR)和植物将所吸收的光合有效辐射转化为有机物的关系构建基于遥感卫星数据的NPP估算模型，即NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和光利用率(ε)2个因子来表示，其估算公式如下[12]：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

(1)

式(1)中，t代表时间，x代表空间位置； APAR(x，t)代表像元x在t月份吸收的光合有效辐射(MJ/m2·月)； ε(x，t)代表像元x在t月份的实际光能利用率(g/MJ)。

植被吸收的光合有效辐射取决于太阳总辐射和植物本身对光能的利用率，光合有效辐射(APAR)的估算用下式计算[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处的太阳总辐射量(MJ/m2)；FPAR(x，t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例； 常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射占太阳总辐射的比例。

在遥感模型中，环境因子通过最大光能利用率实现对NPP的调控。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)代表低温和高温对光能利用率的胁迫作用； Wε(x，t)为水分胁迫系数； εmax是理想条件下的最大光能利用率(gC/MJ1)。

2.2.2 生态系统稳定性评价

生态系统稳定性包括生态系统对干扰的阻抗能力和受到干扰后的恢复能力2方面。

(1)生态系统恢复稳定性

生态系统的恢复稳定性通过植被的生产力反映。即植被生产力越大，则生态系统受干扰后恢复到原状的能力就越强。

(2)生态系统阻抗稳定性

生态系统阻抗稳定性通过植被的异质性反映。异质性越明显，物种越丰富，阻抗稳定性越好。因此，对异质性的量化可用多样性指标(H)表示，H可通过Shannon-Weaver 多样性指数来估算。Shannon-Weaver多样性指数：

(4)

式中，Pk代表斑块类型k 在景观中出现的概率； n代表景观中斑块类型的总数。

3 结果分析

景观生态系统的现状是由区域内自然环境、各种生物以及人类社会之间复杂的相互作用来决定的。生态环境质量评价采用景观生态学理论来评价项目评价区的生态质量，通过计算各拼块的优势度，确定生态系统中的模地，对评价区环境质量状况作出判定，在景观的3组分(缀块、廊道和模地)中，模地是景观的背景区域，是一种重要的景观元素类型，在很大程度上决定了景观的性质，对景观的动态起着主导作用。判定一块好的模地有3个指标，即大的相对面积、高的连通程度、好的动态控制能力。对景观模地的判定一般采用生态学中重要值的方法决定某一缀块在景观中的优势(优势度值)，其计算如下[11]：

(5)

式(5)中：Do—为优势度；

评价区建设前的景观生态格局分析见表2，景观优势度计算结果列于表3。

表2 评价区主要缀块类型、数目和面积

缀块类型缀块数目(个)面积(km2)耕地44125.63园地20.05林地59848.41草地257129.64采矿用地10.01住宅用地2802.13交通用地322.67水域及水利设施用地4098.55其他土地1202.08合计2140219.17

表3 评价区各类缀块优势度值 %

由表2数据显示，在上述景观类型中，草地和林地是环境资源拼块中对生态环境的质量调控能力较强的高亚稳定性元素类型，其优势度较高，分别达到了48.86%和22.77%，连通程度也较高(Rd分别为12.01%和27.94%，Rf分别为65.14%和18.97%)，耕地的优势度为13.89%，对环境质量也具有一定的调控能力。在评价区，住宅用地的优势度达到7.94%。说明该区域受到了一定的人为干扰，但干扰不大。

因此，草地是该评价区生态环境质量的主要控制性组分，植被覆盖度较低。由于该评价区受人为干扰较为严重，农田水利及农田防护林体系建设不完善，所以土壤环境对环境整体质量影响较大，土地生产能力及抗御自然灾害能力较低。该区无常年性地表水体，各沟谷在雨季常形成季节性地表流水，暴雨过后可形成短暂的洪流，评价区的水体景观的优势度为13.01%。

在遥感影像解译和野外实地调查的基础上，综合生态评价区地表植被覆盖现状和植被立地情况，计算的各植被类型净生产力情况见表4。

表4 生态评价区植被自然生产力情况

植被类型面积(km2)比例(%)平均净生产力gC/(m2.a)杨树、柳树、榆树等3.271.49330.23油松、杜松等15.096.89299.42核桃、红枣等0.050.02302.81高粱、玉米、小麦等25.6311.69172.76锦鸡儿、沙棘等30.0513.71314.84长芒草、隐子草、百里香等129.6459.15167.45水域及水利设施8.553.90-住宅用地2.130.97-交通道路2.671.22-采矿用地0.010.00-其他土地2.080.95-合计219.17100188.03

从结算结果和判断标准来看，评价区平均净生产力为188.03g/(m2/a)，按照奥德姆划分法，处于0.5～3g/(m2·d)的判断标准内，属于全球生态系统生产力“较低”水平，主要是由于评价区为干旱的荒漠地带，植被生产力低的草地、灌丛占的比例较大。由表1较低等级的阈值0.5 g/(m2·d)可知，该类生态系统的生产力阈值为182.5gC/(m2·a)，评价区平均生产力十分接近这个阈值，这是因为该地区为荒漠草原，对生态承载能力较小。

从表4可以看出，杨树、柳树、榆树等有林地的生产力最大，为330.23gC/(m2·a)，其恢复稳定性最强，但是有林地在评价区所占比例仅为1.49%，因此林地对区域生态系统稳定性贡献较小； 评价区内生产力第二大的土地类型为灌木林地，生产力为314.84gC/(m2·a)，由于农田生态系统受人类活动直接影响，其稳定性取决于人类干预的强度。评价区内面积最大的草地生态系统占总面积的59.15%，是评价区内决定生态系统稳定程度的主要类型，其生产力仅为167.45gC/(m2·a)，在生产力水平划分中处于最低的水平，恢复稳定性较弱。

表5 评价区内群落多样性统计

类型Pk(%)-Pkln(Pk)杨树、柳树、榆树等6.880.18油松、杜松等6.630.18核桃、红枣等0.090.01高粱、玉米、小麦等23.450.34锦鸡儿、沙棘等15.710.29长芒草、隐子草、百里香等11.060.24水域及水利设施17.600.31住宅用地12.010.25交通道路1.380.06风景名胜及特殊用地0.260.02采矿用地0.040.00其他土地5.160.15Shannon-Weaver多样性指数(H)2.02HBmaxB2.40

通过表5可知，Shannon-Weaver多样性指数(H)等于2.02，占HBmaxB 的84.17%，说明评价范围内群落多样性程度较高。但是因为评价区内植被主要为人工种植，例如油松林、柠条、锦鸡儿灌丛等，组成单一，不能形成多样性群落结构，易受虫害等干扰，自我调节能力差，功能不够完善，并且区域内土壤肥力低，侵蚀严重，因此对生态环境的缓解改善作用有限。所以，虽然该评价区群落多样性程度较高，该生态系统阻抗干扰的能力仍一般。同时，评价范围内出现概率(Pk)最大的植被类型为高粱、玉米、小麦群落。

综合分析表明，评价区生态系统生产力处于较低水平，在受到人类活动干扰后，易于向更低等级退化。同时，由于该区生态系统恢复能力较弱，抵抗外界干扰能力一般，评价区生态完整性处于较低水平。

4 结论与讨论

评价区目前生态环境质量属较差水平，生态环境特征为植被覆盖较差，严重干旱少雨，物种较少，生产力水平较低，稳定性较差，使得生态系统完整性处于较低水平。本区域自然生态系统的稳定性、抗干扰能力、恢复能力均较弱。随着人类活动和开发的加大，植物群落会有逆行演替的可能，区域生态系统也存在向低级别退化发展的趋势。

总之，评价区自然条件差，生态环境极其脆弱，沟谷密度大，崩塌滑坡重力侵蚀严重。虽然近年来当地政府实施多项生态治理工程如水土保持、封山禁牧、防沙、治沙等，使得生态环境有一定的改善，但总体并未改变本区生态环境脆弱的格局。因此，在矿区开发过程中应采用先进的采煤工艺，减轻采煤对环境的影响，同时，当地政府必须采取措施提高当地植被覆盖率，防止水土流失，提高环境的抗干扰能力，使矿区开发和生态保护协调一致。

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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

胡华浪(1980—)，男，江苏涟水人，高级工程师、副站长。研究方向：农业遥感、资源环境遥感及农村土地确权研究。※通讯作者：李伟方(1958—)，男，山东寿光人，高级工程师、副院长。研究方向：农业遥感与农业规划研究。Email：wfli1988@aliyun.com

国家科技支撑计划“贫困地区灾害风险评估与灾害管理技术”(2012BAH33B02)

F205； X171.4； TD88

A

1005-9121[2016]04-0203-06