“雙評價”視角下凍融侵蝕地區生態敏感性研究

楊立焜，孫道成，史志廣，熊奇坤，徐千惠

（自然資源部國土空間規劃研究中心，北京 100044）

0 引言

四十多年來，中國城市化、工業化進程加快，土地利用方式發生了巨大的變化，土地矛盾日益突出，生態環境嚴重惡化，區域發展的不平衡和不充分，生態空間、生產空間和生活空間的矛盾不斷升級[1]。十八大后，我國提出了“大力發展生態文明”這一重大戰略，到十九大提出建設人與自然和諧共生的現代化[2]。2019年以前，我國規劃的種類很多，包括土地規劃、城鄉規劃、生態環境規劃，這些規劃對中國生態文明建設、城鎮化建設、國土資源的有效利用和保護都具有積極意義，但同時也存在著流程復雜、周期長、內容重復、工作效率低下等問題[3]?！吨泄仓醒雵鴦赵航量臻g規劃體系并監督實施的若干意見》提出，要在“雙評價”基礎上，科學劃定永久基本農田、生態保護紅線和城鎮開發邊界，統籌布局農業、生態、城鎮等功能空間，為可持續發展提供空間[4]?！半p評價”中生態保護重要性的評價依據自然生態學原理，對生態系統服務功能重要性、生態脆弱性進行評價，判定生態系統的完整性與連通性，為農業、城鎮的生態安全提供了依據[5,6]，這是“雙評價”工作的第一項工作，也是確定生產與居住環境的先決條件[7,8]。

凍融侵蝕是我國繼水蝕和風蝕之后的第三大土壤侵蝕類型，21世紀以來，生態環境日益惡化，對其影響日益突出。凍融侵蝕以春、冬末為主，其基本成因是由氣溫變化引起的凍融作用與凍融作用的交替作用，使土壤、巖性發生改變，最后形成侵蝕[9]；凍融沖刷對生態環境的影響有兩個方面，一是破壞或改變土壤的物理特性，二是容易引起水土流失，使河道淤積增大[10]。

我國的凍融面積占比為13.4%[11]，西藏、青海、內蒙古、甘肅等地為全國最大的凍融侵蝕區域[12]，但與水蝕、風蝕比較起來，目前關于凍融侵蝕的研究還比較薄弱。針對這一情況，以甘肅省山丹馬場為研究對象，根據甘肅地區凍融侵蝕的影響因素，對該地區的凍融侵蝕敏感特性進行了分析；同時，本文還對相似區域的生態保護重要性進行了分類，為進一步的評價提供了科學的依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

山丹馬場地處河西走廊中部，祁連山冷龍嶺北麓，張掖市東南，37°30′N～38°20′N，100°50′E～101°30′E，東接永昌縣和肅南，西接民樂縣，南接青海省，北接山丹縣，陸地面積2054 km2。山丹馬場地處青藏高原與蒙新高原的交界處，南祁連山與合黎山北部構成環抱，中央為洪積扇盆地地形，海拔高2420～4933 m，地勢為南北高中部低。山丹馬場地處高原半濕潤地區，多年平均降水量為375.4 mm，常年平均氣溫為-1℃。目前區域內具有水域、林地、草地、濕地、冰川、永久積雪等生態資源，它們的面積約占區域總面積的78%，整個區域屬于祁連山冰川和水源涵養生態功能區。

1.2 數據來源

本文利用高程、NDVI、氣象、土地利用類型等資料。高程資料來自于GDEM的GDEM，具有30 m的空間分辨率；NDVI資料采用了中國科學院NDVI資料（https://www.resdc.cn/)；其中的年、月數據來自于氣象站數據分享服務網絡，數據來自于地方天氣系統，數據主要有：日最高氣溫、最低氣溫、年降雨量、月平均氣溫；月降水量、月最高氣溫、月平均氣溫等；“三調”國土開發情況（2019）的用地使用狀況資料。對上述數據進行了投影、插值和重采樣等預處理，得到30 m×30 m的光柵數據。

1.3 研究方法

生態敏感脆弱度是在一定時間空間中，被擾對象受到外部環境影響后，其自身的恢復和靈敏度。分析凍融侵蝕的敏感性，從而找出容易發生凍融的地區[13,14]。在確定凍融等級評定的基礎上，依據研究區的特征，選取不同類型的凍融影響因子[15]，陳劍橋等[16]利用四級劃分方法對大渡河地區的土壤凍融沖刷進行了評估，并應用了以下幾個評估因子：坡度、坡向和氣溫年較低；年平均降水、植物覆蓋程度等；李成六等[17]按影響因素的相關程度，評估了三江源地區的凍結-融化沖刷；李東等[10]根據甘肅凍土侵蝕特征，對各影響因素進行了取樣變量的顯著度測試，得出了溫度年差、解凍期平均降雨量、坡度6個主要的等級評定指標；冰凍期間平均最低氣溫、NDVI、年降水等變化趨勢。因此，本文選擇了溫度年差、凍結期最低溫度和解凍期平均降水量，以及坡度、NDVI、年均雨量等6項因子為評估指標，應用 GIS技術對山丹馬場進行了分析，并對其生態敏感脆弱性進行了評估。

1.3.1 凍融侵蝕區范圍

目前已有多種確定凍融侵蝕區范圍的研究[17,18,19]，廣泛被接受的方法是將冰緣區的下邊界視為凍融侵蝕區的下邊界，將年平均溫度-2.5℃視為凍土區的下邊界，并將冰緣區的下邊界視為比凍土區的下邊界低約200 m[18]。本研究利用多年凍土區下邊界海拔、緯度與經度的線性回歸方程確定凍融侵蝕區的下界海拔，計算公式為：

式中：H—凍融侵蝕區下邊界海拔m；Y—緯度；X—經度。

基于公式計算區域融侵蝕區的下邊界海拔為3200 m，結合DEM獲取凍融侵蝕區范圍見圖1。

圖1 凍融侵蝕區范圍

圖2 凍融侵蝕敏感性空間分布

圖3 不同坡度下凍融侵蝕敏感性分布

圖4 不同NDVI下凍融侵蝕敏感性分布

1.3.2 氣溫年較差因子

氣溫變化是影響凍融侵蝕的主要因素，并且反映在冰雪凍結深度上，凍結、融化層的深度越大，溫差越大，持續時間越長，發生凍融侵蝕的程度就越大[20,21]。本研究使用甘肅省氣溫年較差的回歸方程[10]：

式中：T—氣溫年較差℃；Y—緯度；H—海拔，m；X——經度。根據公式（2）獲得氣溫年較差因子。

1.3.3 年降水量、解凍期平均降雨量和凍結期平均最低溫度因子

降水是影響凍融侵蝕的另一主要因素，包括解凍期平均降雨量和年降水量兩個因子，降水增加了土壤的含水量，導致凍結期間增加對土壤的破壞作用[13,22,23]。0℃以上和0℃以下的溫度波動直接影響到土壤的凍融過程，而凍融過程又影響到土壤的物理性質和土壤抗沖刷的穩定性，以及解凍期土壤侵蝕的發生和發展[24]，因此解凍期平均降雨量和凍結期平均最低溫度計算方法為0℃以上區域平均降水量及0℃以下區域年平均最低溫度，并使用ArcGIS軟件的獲得解凍期平均降雨量因子、年降水量因子等氣象因子。

1.3.4 坡度因子

坡度影響凍融侵蝕量和侵蝕位移量，一個區域內的坡度越大，越多、越遠的凍融侵蝕產物將會被輸送[13]。而且，較大坡度地區，在降水和重力的共同作用下，凍融侵蝕度會大大增加[14]。本研究中，利用區域DEM提取坡度因子。

1.3.5 NDVI因子

凍融侵蝕被影響的主要因子之一為植被覆蓋水平[14]，凍融侵蝕受植被覆蓋水平的影響主要是以下三個方面：一是凍融侵蝕對地表的破壞作用被植被的地上部分弱化；二是土體的固結作用通過植被的地下部分得到增強，降低了對土壤的破壞作用，提升土壤穩定性[23,25,26]；三是植被覆蓋度的提高可以降低地面溫差，從而減輕凍融侵蝕的程度[27]。利用中科院資源科學與數據中心數據植被覆蓋度數據，獲得NDVI因子。

1.3.6 凍融侵蝕敏感性評價體系

本研究將得到的解凍期平均降雨量、凍結期平均最低溫度、氣溫年較差、植被覆蓋度、坡度和年降水量數據整理作為凍融侵蝕強度評價指標，并根據指標數據，參照以往研究成果確定各指標的等級賦值標準[10]（見表1）。

表1 評價指標分級賦值標準

在此基礎上，采用 AHP方法，對凍融侵蝕的敏感性進行了研究，得出了各因子對凍融侵蝕的影響系數的權重，其中，凍融侵蝕系數的權重為：氣溫年偏低因子0.31、年平均降水量因子0.08、坡度系數0.12、解凍期平均降雨量系數0.15、NDVI系數0.12、凍融期最低氣溫-0.22。

對凍融侵蝕敏感性的全面評價是將凍融侵蝕這一復雜過程的多項影響因子進行綜合，使之成為單一指數的形式[22]。采用加權加和的方法獲得綜合評價指數，綜合評價指數是用來總體評價凍融侵蝕敏感程度的指標，指數愈大凍融侵蝕愈強烈[10]，根據水利部頒布的《SL 190—2007土壤侵蝕分類分級標準》和自然資源部《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南(試行)》將研究區域的凍融侵蝕敏感性劃分為一般敏感（凍融侵蝕綜合評價指數＜1.7）、敏感（凍融侵蝕綜合評價指數1.7～2.5）、極敏感（凍融侵蝕綜合評價指數＞2.5）三個等級，綜合評價指數可采用下式進行計算[16]：

式中：I—凍融侵蝕綜合評價指數，Ii—各單因子評價指標分級值，Wi—各單因子評價指標對應的權重，n為單因子數。

2 結論與分析

2.1 凍融侵蝕敏感性分析結果

研究區內凍融侵蝕區總面積為887.78 km2，扣除其中的水域、冰川和永久積雪地、建設用地等[28]，總面積為884.16 km2，占山丹馬場總面積的43.05%。山丹馬場凍融侵蝕敏感性空間分布差異較明顯（見下圖），凍融侵蝕一般敏感區域的面積為3.78 km2，占凍融侵蝕區面積的0.43%，凍融侵蝕敏感區面積為671.03 km2，占凍融侵蝕區面積的75.58%，凍融侵蝕極敏感區面積為212.97 km2，占凍融侵蝕區面積的23.99%。山丹馬場凍融侵蝕敏感、極敏感區域主要分布在祁連山山區，以3500 m為分界線，高于3500 m的祁連山區域為凍融侵蝕極敏感區，低于3500 m的祁連山區域為凍融侵蝕敏感區。該區域凍融侵蝕敏感性較高主要是由多方面因素造成，包括：①該區域氣溫低，氣溫年較差介于43.3～-44.4oC，使得該區凍融影響頻繁交替，土壤抗凍融侵蝕能力降低。②該區域山地陡峻，地表起伏度大，復雜的地形條件增加了凍融侵蝕發生的可能性[14]。③研究區域相對于平川區域海拔高且植被覆蓋度低，再加上區域緯度低，晝夜溫差大，土壤表面白天迅速升溫融化，夜晚急速降溫凍結，增加了凍融侵蝕發生的可能性[27]。④區域內解凍期平均降雨量介于170～183 mm，降水過程主要影響巖土中水分含量來間接影響凍融過程，巖土中的水分含量越大，在凍結過程中水分相變對巖土體的破壞作用越大，融化過程也會加快坡面徑流對土壤的搬運[29]。

2.2 討論

2.2.1 單因子分析討論

通過GIS的分層迭代函數，對解凍期平均降水量和年降水量進行了分析；研究了坡度和植被覆蓋度對土壤凍融的影響。從該地區的年平均氣溫差異為43.3～-44.4oC，年降水量在300～400 mm，解凍期平均降水量在170～183 mm，凍結期的最低溫度在-18.0℃以下，這四個因素對凍融侵蝕敏感度的影響很小，所以重點分析坡度和植被覆蓋度的變化。

隨著坡度增大，土壤凍融侵蝕敏感性也隨之增大。30°以上極敏感區是集中分布的，敏感區范圍主要位于0～10、10～20、20～30坡度段，而一般敏感性區域多位于0～10坡度。坡度是造成土壤和植被破壞的主要原因之一，而坡面上的大規模開挖會加劇土壤和植被的破壞[29]。所以，要有效地防治凍融侵蝕，就需要對其進行恢復和治理。

隨著NDVI的降低，極敏感區所占面積比例分別由2.90%升至90.25%、敏感區所占面積比例由92.38%降至9.75%，表明削弱凍融侵蝕敏感性的方式之一就是提升植被覆蓋。此外，一般敏感所占面積比例呈降低趨勢，這主要與植被覆蓋度面積區域較大有關。研究區域土地利用以畜牧業為，隨著“一帶一路”的推進，恢復研究區林草植被是十分必要的。

2.2.2 評價結果和土地利用類型統計分析

通過將土地利用現狀與凍融侵蝕敏感性評價結果進行對比分析，有助于識別存在的主要問題，結果見表2。通過對比發現極敏感區域內的土地利用現狀中有74.70%為草地、24.14%為林地，敏感區中有38.16%為草地、59.92%為林地，其余為零星分布的水域、建設用地等，該評價結果與區域生態本底吻合。

表2 分區類型統計（km2）

2.3 結論

（1）山丹馬場凍融侵蝕區面積為887.78 km2，占山丹馬場總面積的43.05%，凍融侵蝕一般敏感區域的面積為3.78 km2，占凍融侵蝕區面積的0.43%，凍融侵蝕敏感區面積為671.03 km2，占凍融侵蝕區面積的75.58%，凍融侵蝕極敏感區面積為212.97 km2，占凍融侵蝕區面積的23.99%。

（2）山丹馬場凍融侵蝕敏感、極敏感區域主要分布在祁連山山區，以3500 m為分界線，高于3500 m的祁連山區域為凍融侵蝕極敏感區，低于3500 m的祁連山區域為凍融侵蝕敏感區。

（3）從不同地理背景條件下凍融侵蝕敏感性分布來看，＜45%NDVI值區域凍融侵蝕極敏感性面積最大；坡度≥30o地區敏感和極敏感區域所占比例較大，隨著坡度的增加，凍融侵蝕敏感性呈增強趨勢；良好的植被覆蓋有利于削弱凍融侵蝕敏感性。

（4）本文主要評價凍融侵蝕敏感性以影響甘肅地區凍融侵蝕的因子為基礎，對凍融侵蝕敏感性及分布特征進行分級評價與研究，有較強的可操作性和實用性，以期能為類似地區的生態保護重要性評價提供補充評價指標的科學參考。