壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程生態(tài)效益監(jiān)測與評價研究-

1、收稿日期:2002-11-5基金項目:國家自然科學基金(40071039;北京教委科研基金(KM200310028113作者簡介:徐東瑞(1966-,男,助理研究員,博士,主要從事資源環(huán)境監(jiān)測與保護方面的研究工作。壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程生態(tài)效益監(jiān)測與評價研究徐東瑞1,馬禮2(11河北師范大學資環(huán)學院,河北石家莊050016;21首都師范大學地理系,北京100037摘要:利用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)對河北壩上實施生態(tài)農(nóng)業(yè)工程建設(shè)后的生態(tài)效益進行了監(jiān)測與評價。定量描述了壩上生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化趨勢,并對壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程的氣候效益、土壤改良效益、農(nóng)業(yè)水文生態(tài)效益進行了分析與評價。研究結(jié)果表明,通

2、過工程治理,使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能增強,結(jié)構(gòu)合理,取得了顯著的生態(tài)效益。關(guān)鍵詞:生態(tài)效益;監(jiān)測;GIS ;遙感;信息系統(tǒng)中圖分類號:S159文獻標識碼:A 文章編號:1000-7091(200302-0114-04R esearch on Ecological E ffect of B ashang Eco 2agriculture Project inEvaluation and the MonitoringXU Dong 2rui 1,MA Li 2(1.College of Resources and Environment Science ,Hebei Normal University

3、 ,Shijiazhuang 050016,China ;2.G eography Department ,Capital Normal University ,Beijing 100037,China Abstract :With the help of remote sensing ,geography information system ,globe position system ,the eco 2logical impacts of Bashang Eco 2agriculture Project were monitored and evaluated.A qualitativ

4、e description of the dynamics of the eco 2environment was presented and the effects of Bashang Eco 2agriculture Project on the cli 2mate ,soil water ,and other ecological factors were analyzed and evaluated.The results showed that the Bashang ,after harnessed by Eco 2agriculture Project ,its system

5、function had been strengthened up ,and its structure tends to reach rationalization ,acquire the obvious ecology beneficial result.K ey w ords :Ecological beneficial ;Monitoring ;GIS ;Remote sensing ;Information system沙漠化和土地退化是中國干旱和半干旱地區(qū)面臨的嚴重環(huán)境問題之一1。壩上作為農(nóng)牧交錯帶,其自然環(huán)境表現(xiàn)出過渡性和脆弱性的特點2。為了改善京津地區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)

6、的可持續(xù)發(fā)展,從1990年開始實施了壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程建設(shè)。通過一系列的種草、植樹、農(nóng)田改造工程,使經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護走上了良性發(fā)展的軌道,對壩上生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響。因此,監(jiān)測區(qū)域的生態(tài)環(huán)境動態(tài)及變化趨勢,揭示其生態(tài)效應(yīng),就成為壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程建設(shè)中的一項重要的研究工作。作為對地觀測高新技術(shù)發(fā)展起來的RS 、GIS 、GPS ,在農(nóng)業(yè)土地資源監(jiān)測等方面獲得了廣泛的應(yīng)用3。20世紀90年代后,在“3S ”支持下的農(nóng)、林生態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)相繼建成,實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的長期動態(tài)監(jiān)測4。本文利用遙感5和地理信息系統(tǒng),對壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程的氣候效益、土壤改良效益、水文生態(tài)效益68進行了綜合分析與評價,以便

7、為今后生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式和方向提供理論依據(jù)。1研究方法本項研究是通過生態(tài)效益監(jiān)測與評價信息系統(tǒng),在遙感圖像處理軟件GRASS 和地理信息系統(tǒng)華北農(nóng)學報2003,18(2:1142117基礎(chǔ)軟件ARC/IN FO 的支持下,提取有關(guān)的生態(tài)因子,對壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程的生態(tài)效益進行監(jiān)測和評價。以探討時間與空間效應(yīng)下壩上區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律及變化趨勢。生態(tài)效益監(jiān)測信息系統(tǒng)是由農(nóng)業(yè)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫和環(huán)境模擬模型組成。111數(shù)據(jù)源生態(tài)效益監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,主要用于空間和屬性數(shù)據(jù)的分析和管理。其內(nèi)容主要包括:遙感數(shù)據(jù)為多時相Landsat TM 影像,通過遙感圖像處理,以獲取工程建設(shè)現(xiàn)狀圖及土地利用現(xiàn)狀圖;

8、統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要包括農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、氣象數(shù)據(jù);專題地圖資料包括土壤圖、土壤養(yǎng)分圖、農(nóng)業(yè)生態(tài)工程竣工分布和實施圖等;還有定位監(jiān)測數(shù)據(jù)等。112數(shù)據(jù)庫的設(shè)計數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是整個信息系統(tǒng)的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)類型可歸結(jié)為點狀、線狀、面狀和柵格圖4類 。為了便于數(shù)據(jù)處理分析和應(yīng)用,本系統(tǒng)采用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別管理的方法,即空間數(shù)據(jù)利用拓撲數(shù)據(jù)模型管理,屬性數(shù)據(jù)利用關(guān)系數(shù)據(jù)模型管理,兩者之間通過用戶標識碼或接口文件相互聯(lián)接,以實現(xiàn)從屬性到空間和空間到屬性的查詢與分析。113生態(tài)環(huán)境模擬模型通過構(gòu)建專業(yè)分析模型,可以為生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測提供管理和評價工具,以模擬生態(tài)環(huán)境的演變過

9、程。本項研究所應(yīng)用的模擬模型主要包括:土地利用方式與生態(tài)環(huán)境演化關(guān)系模型,土地退化分析模型?？衫肎IS 的邏輯和空間分析及數(shù)學統(tǒng)計軟件實現(xiàn)。2結(jié)果與分析211農(nóng)業(yè)生態(tài)工程土地利用方式變化的環(huán)境效應(yīng)在GIS 的支持下,通過遙感影像處理,將1990年和2000年兩個不同時期土地利用方式的圖件進行疊加復(fù)合,即可得到該地區(qū)土地方式變化圖。在此基礎(chǔ)上用主成份分析將綜合復(fù)雜的多因素簡化,建立起由土地利用方式變化所引起的環(huán)境效應(yīng)方程。在研究區(qū)域內(nèi),計算某一要素Y 與系統(tǒng)其他因子的空間關(guān)聯(lián)時,當時間序列數(shù)據(jù)不足,可把區(qū)域劃分為若干小區(qū)域作為取數(shù)單元,得到N 組區(qū)域序列數(shù)據(jù),然后再進行關(guān)聯(lián)分析。表1中X i

10、=S i (1999-S i (2000表示從1990年到2000年不同地類面積變表1壩上高原土地沙漠化與土地利用方式變量數(shù)據(jù)表hm 2地點x 1x 2x 3y3106.82-3897.72化量。X 1為耕地,X 2為草地,X 3為林地。設(shè)Y 為系統(tǒng)行為因子的因變量,X i 為自變量。則GM (1,N 模型灰微分方程可表示為:Y (0(k +aZ i (1(k =3i =1b i x i (1(k ,則GM (1,N 的白化方程的形式為:d y(1/d t +a x 1(1=3i =1b i x i(1,在最小二乘準則下其辨析算式為:a =(B T B -1B T y N ,而y N 和B 可

11、表示為:y N =x 1(0(1,x 1(0(2,x 1(0(3B =-z (11(1x (11(1 x (12(1x (13(1-z (11(2x (11(2x (12(2x (13(2-z (11(3x (11(3x (12(3x (13(3其中-z 1(1(k =0.5x (1(k +0.5x (1(k -1經(jīng)計算可得:a =a ,b 1,b 2,b 3T =(-2173,9119,-6191,-111,構(gòu)造GM (1,N ,x 有:y 1(0(k -2.73z 1(1(k =9.19x 1(1(k -6.91x 2(1(k -x 3(1(k 經(jīng)驗證,相對誤差在允許范圍內(nèi)。從上式可以看出

12、,壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程實施區(qū),耕地,林地,草地3種不同土地利用方式的面積變化是影響土地沙漠化的3個重要因素。耕地面積增加可使土地沙漠化面積顯著增大,而林地、草地面積的擴大則土地沙漠化面積隨之減小。經(jīng)空間分析和計算,壩上地區(qū)土地沙漠化面積1995年與2000年相比,項目區(qū)土地退化面積減小了近5.12%。212氣候生態(tài)效益評價在壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)項目區(qū)內(nèi),經(jīng)生態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)的測算,到2000年森林覆蓋率比1990年提高了1.67%。草場植被覆蓋度也比1990年提高了39%,其覆蓋度已達82.6%。從1990年到1998年,無霜期增長了7d 。氣候生態(tài)效益的定量評價主要考慮項目區(qū)由于造林面積的增加而相應(yīng)的增氧

13、量,據(jù)研究1hm 2針2期徐東瑞等:壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程生態(tài)效益監(jiān)測與評價研究115闊葉林的光合作用日產(chǎn)氧量:0.73t/(d.hm 2。其評價公式:壩上地區(qū)2000年與1990年對比,增氧量=林地面積增加量×0.73×365=2696.3萬t 。通過上述的計算,可以看出增加的林地蘊藏著巨大的氣候生態(tài)效益(圖1 。圖1壩上大風和沙塵暴日數(shù)對照圖213土壤生態(tài)效益評價壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程的實施,改變了原來粗放經(jīng)營的土地利用方式,從多方面改善了土壤質(zhì)量,提高了土壤生態(tài)肥力。枸杞是一種耐鹽堿、抗沙荒的多年生灌木,對改造、利用壩上大面積的鹽堿地,具有特殊的生態(tài)意義,經(jīng)遙感解譯的結(jié)果,枸杞目

14、前已種植了3381 hm 2。圖2,3表示中度鹽漬化草灘地在栽種枸杞前后不同層次土壤鹽分含量及p H 的變化情況,樣點取自尚義大營盤村,其對照值則來源于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)。從圖2,3可以看出,種植枸杞,對鹽堿灘地的改良具有明顯的生態(tài)效應(yīng),整個土壤剖面鹽分含量和p H 值均有降低。在1995年生態(tài)農(nóng)業(yè)工程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上結(jié)合遙感監(jiān)測結(jié)果 ,2000年壩上改良草場面積為8 061hm 2。表2樣地取自張北小二臺二陰灘地草場。改良前草場的土壤理化數(shù)據(jù)來源于信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。從分析結(jié)果可以看出,生態(tài)工程改良后的草場,其土壤表層全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)含量等理化指標,較改良前有明顯的提

15、高,土壤的物理狀況也得到進一步的改善。圖2栽種枸杞前后土壤鹽分變化圖圖3栽種枸杞前后土壤p H 值變化圖土壤生態(tài)效益的定量評價依據(jù)下式進行:總保土量=灌木保土量+森林保土量+草地保土量;保土量=植被面積增加量×植被保土系數(shù)×平均侵蝕模數(shù)(保土系數(shù)、侵蝕模數(shù)均為經(jīng)驗值;N P K 保持量=總保土量×土壤N P K 含量。以下計算均以1990年作為對照年,2000年作為計算年,計算區(qū)域為項目區(qū),并通過GIS 對土地利用類型進行加權(quán)平均計算。表2草場改良工程對土壤理化性質(zhì)的影響處理有機質(zhì)(mg/g 全氮(mg/g 全磷(mg/g 全鉀(mg/g 田間持水量(%容重(g/

16、cm 3毛管孔隙度(%28.32.091.2923.019.761.3939.63表3土壤生態(tài)效益的定量評價表t/年灌木保土量森林保土量草地保土量總保土量N 保持量P 保持量K 保持量381368356531383718761.913583561696116華北農(nóng)學報18卷2.4農(nóng)業(yè)水文生態(tài)效益評價水文生態(tài)效益指林草等植被調(diào)節(jié)地表徑流、防止水土流失的作用。圖4表示不同植被類型不同時期,其地表多年平均徑流量的情況。在降水、坡度、土壤、植被條件一致時,不同植被覆蓋其地表徑流量大小也不相同,其中以林地的保水蓄水能力最大,灌林地次之。農(nóng)業(yè)水文生態(tài)效益定量評價采用下式計算:保水量=林地面積增加量

17、5;單位面積蓄水量。當對照年代為1990年,計算年為2000年時,項目區(qū)保水量為213614062m 3/年 。圖4不同植被類型地表徑流量利用壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)工程生態(tài)效益監(jiān)測信息系統(tǒng),對區(qū)域水土流失進行了定量計算。水土流失模型采用美國土壤保持局水土流失通用公式:A =R K L C P 。其中A 為土壤侵蝕量;R 為降雨因子;K 為土壤可蝕性因子:L 為坡長因子;S 為坡度因子;C 為生物學因子;P 為農(nóng)業(yè)生態(tài)工程措施因子。利用GIS 編制R 等值線圖、K 值和L S 分布圖、C 值及P 值分布圖,結(jié)合D TM 模型,應(yīng)用該方程對隆化縣的水土流失量進行了計算。1990年其土壤年均侵蝕量為762.8

18、t/km 2,而1999年則降低到632.7t/km 2。3討論在GIS 、RS 的支持下,對生態(tài)農(nóng)業(yè)工程項目區(qū)近十年來生態(tài)環(huán)境的變化情況進行了動態(tài)監(jiān)測研究。其結(jié)果為:進入20世紀90年代以來,工程區(qū)的耕地面積在逐年下降,而林地、草地面積在不斷增加。土地退化、水土流失面積增大的趨勢得以控制,生態(tài)環(huán)境進一步的改善,人為干預(yù)下的新的生態(tài)平衡模式正在形成。取得了顯著的氣候、土壤、水文生態(tài)效益。參考文獻:1Zhou Q.Use of GIS technology for land resource invento 2ries and modeling for sustainable regional development J .AMBIO ,1998,27(6:4