在选取生态环境质量评价指标时应遵循3个原则:1)科学性与系统性原则。指标应与生态环境质量有明确的、可预测的、能证实的联系, 能综合反映生态、环境、胁迫等要素, 构成一个层次分明、具有完整系统的评价体系; 2)动态性与定量性原则。指标应对生态环境质量的变化反应敏锐, 能全面反映较长时空间隔的环境影响, 且能够简单地测度和说明; 3)可操作性原则。在数据收集、分析和阐释方面有合理的效率费用比, 能及时地收集、分析和报告。

1.2.1 指标体系建立的理论基础 草地生态系统是变动非常大的系统, 其状况不但随着生态系统内部物理、化学及生物因素变化而转变, 同时受到人类生活的影响^[16]。草地生态系统是一个复杂的综合体, 评价其生态环境水平, 揭示其变化规律, 并提出改善生态环境的有效方法, 必须建立可行的指标体系。已有众多学者^{[17, 18, 19, 20]}提出了有关草地生态系统生态环境评价的指标体系。

相比草地生态系统, 草地类自然保护区有更为严格的保护原则和更大的生态价值^[21], 其生态环境质量的评价标准应比一般草地生态系统的评价更加严格。我国的草地类自然保护区位于中西部生态脆弱区, 退化、沙化、盐碱化问题严重, 近年来, 又面临矿产资源开发和过度放牧等诸多问题^[22], 生态环境不断恶化, 严重阻碍了草地类自然保护区的可持续发展。

1.2.2 指标体系建立 制定指标体系时, 参考现有草地生态系统生态环境评价指标, 综合考虑草地类自然保护区生态意义重大、开发建设活动多、生态脆弱等诸多特征, 在对生态环境各要素进行深入分析的基础上, 确定生态结构、生态功能、生态胁迫、环境质量、人为影响共5个要素组成的体系框架。在此基础上, 利用专家咨询和论证的方法筛选出能正确反映各要素的、简明的、易于量化和能够进行尺度扩展的14个一般性指标, 包括植被覆盖指数、代表性植被面积、景观破碎度、草地退化指示物种、植被生产力、物种多样性、水质质量、空气质量、土壤质量、外来入侵物种、土壤侵蚀面积、鼠害面积、载畜量、人类活动影响, 利用层次分析法确定指标之间的递阶层结构, 并邀请相关专家分别对指标进行赋权, 计算平均值后, 确定指标权重(表1)。在具体评价中, 若不能获取以上所有14个指标, 可根据指标权重的比值做适度的调整。

自然保护区不同于一般的生态功能区, 是最严格保护、严禁开发的区域, 违法违规建设活动将对保护区的生态环境产生严重影响^[23]。此外, 重大环境灾害(如极端气候、火灾、地震等)也是影响自然保护区生态环境质量的重要因素^[24]。因此, 将违法违规活动和环境灾害情况两个指标纳入草地类自然保护区生态环境质量动态评价指标体系中, 并作为限制性指标, 对生态环境质量变化情况进行限制和调节, 若发生违法违规活动或环境灾害情况, 则将生态环境质量的评价等级作降一级处理。

为更加直观地展示草地类自然保护区生态环境质量的变化情况, 参照国内外生态环境质量综合指数评价法^{[25, 26]}和国家环境保护标准《生态环境状况评价技术规范》^[27], 引入生态环境质量变化指数(Δ EI)的概念, 反映生态环境质量的动态变化情况, 计算公式为:

Δ EI= ∑i=1nW_iΔ X_i(1)

式中:W_i为第i个指标的权重, Δ X_i为第i个指标的变化率。

根据生态环境质量变化幅度, 将生态环境质量变化指数分为7级(表2), 即显著变好、明显变好、略微变好、无明显变化、略微变差、明显变差、显著变差。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 草地类自然保护区生态环境质量变化指数(Δ EI)分级 Table 2 The level of change of eco-environmental quality(Δ EI) of grassland natural reserve 级别Level 变化值Change value 描述Description 1级Level 1 Δ EI≥ 0.5 生态环境质量显著变好Eco-environmental quality is significantly better 2级Level 2 0.20≤ Δ EI< 0.5 生态环境质量明显变好Eco-environmental quality is obviously better 3级Level 3 0.05≤ Δ EI< 0.2 生态环境质量略微变好Eco-environmental quality is slightly better 4级Level 4 -0.05< Δ EI< 0.05 生态环境质量无明显变化No obvious change 5级Level 5 -0.05≥ Δ EI> -0.2 生态环境质量略微变差Eco-environmental quality is slightly worse 6级Level 6 -0.20≥ Δ EI> -0.5 生态环境质量明显变差Eco-environmental quality is obviously worse 7级Level 7 Δ EI≤ -0.5 生态环境质量显著变差Eco-environmental quality is significantly worse

表2 草地类自然保护区生态环境质量变化指数(Δ EI)分级 Table 2 The level of change of eco-environmental quality(Δ EI) of grassland natural reserve

锡林郭勒草原国家级自然保护区(43° 26'-44° 33'N、115° 32'-117° 12' E)位于内蒙古自治区锡林浩特市境内, 始建于1985年, 1997年晋升为国家级, 总面积5 800 km², 主要保护对象为草甸草原、典型草原、沙地疏林草原和河谷湿地生态系统等。

基于数据可获取性, 选择草地面积、景观破碎度、植被覆盖指数、水质质量、土壤质量、土壤侵蚀面积、载畜量、人类活动影响、违法违规活动共9个指标进行案例分析。评价的时间尺度为2010-2015年。遥感数据来源于2010年的Landsat5 TM(分辨率30 m)8月遥感影像和2015年的Landsat8 ETM(分辨率15 m)8月遥感影像(轨道编号为124/29-30, 云量少于5%), 监测数据来源于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站2010-2015年的水分监测数据集和土壤监测数据集, 其他数据来源于内蒙古统计年鉴和网页通告信息等。

用ArcGIS10.2、ENVI5.2、Fragstats4.0、Excel等软件对每个指标2010年和2015年的变化情况进行逐个计算和分析。①草地面积:在ENVI5.2软件支持下, 对2010年和2015年的遥感影像进行辐射校正、几何校正、波段融合、影像拼接、裁剪等预处理, 利用监督分类法^[28]进行解译, 得到保护区2010年和2015年的土地利用类型图(土地利用类别包括草地、林地、耕地、沙地、盐碱地、水体、居民及工矿用地和裸地), 在ArcMap10.2软件下进行拓扑形成矢量数据, 统计保护区的草地面积; ②景观破碎度:在ArcMap10.2软件支持下, 将保护区2010年和2015年的土地利用类型图保存为标签图像文件格式(TIFF格式), 利用Fragstats4.0软件统计保护区的斑块数量, 斑块数量与保护区面积的比值即景观破碎度指数; ③植被覆盖度指数(f_c):采用像元二分模型方法^[29], 通过ENVI5.2软件提取纯植被像元的归一化植被指数(NDVI_veg)和纯土壤像元的归一化植被指数(NDVI_soil), 并统计每个像元的归一化植被指数(NDVI), 像元中植被所占的面积百分比即保护区的植被覆盖指数, 计算公式为f_c= NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil。④土壤侵蚀面积:基于保护区2010年和2015年的植被覆盖度, 利用ENVI5.2软件, 通过建立沙化解译标志^[30], 将土地退化情况划分为未沙化、轻度沙化、中度沙化和重度沙化4个等级, 保护区的土壤侵蚀面积等于中度沙化和重度沙化的面积总和。⑤水质质量和土壤质量数据:利用中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站2010-2015年的监测数据, 分别计算保护区的水质达标率和土壤质量情况。⑥载畜量:下载内蒙古统计年鉴, 查询锡林浩特市2010年和2015年年末家畜存栏数据, 分析保护区载畜量的变化; ⑦人类活动影响和违法违规活动:数据来源于环境保护部发布的锡林郭勒草原自然保护区人类活动遥感报告以及网站信息等。

因获取的指标有限, 根据指标权重的比例, 对现有8个一般性指标的权重进行了调整, 并根据式1, 计算锡林郭勒草原自然保护区的生态环境质量变化指数。

草地是保护区主要的土地利用类型, 保护区东部的草地长势比西部好, 2010年保护区内草地面积所占比例为70.88%, 2015年为63.99%, 减少了9.72%(图1)。

图1

Fig. 1

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	图1 2010和2015年锡林郭勒草原自然保护区的草地面积Fig. 1 Grassland area of Xilinguole Grassland Nature Reserve in 2010 and 2015

空间上, 植被覆盖度呈现东部高而西部低的格局; 时间上, 2015年与2010年相比, 保护区植被覆盖度有所减少(-4%), 尤其是保护区中部区域, 植被覆盖度下降趋势明显(图2)。

图2

Fig. 2

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	图2 2010和2015年锡林郭勒草原自然保护区的植被覆盖度Fig. 2 Vegetation cover of Xilinguole Grassland Nature Reserve in 2010 and 2015

土壤侵蚀状况与植被覆盖度呈现同样的空间分布格局, 即西部比东部土壤侵蚀严重; 时间上, 土壤侵蚀面积由2010年的33.13%增加为2015年的43.35%, 变化率为-30.85%(图3)。

图3

Fig. 3

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	图3 2010和2015年锡林郭勒草原自然保护区土壤侵蚀状况Fig. 3 Soil erosion area of Xilinguole Grassland Nature Reserve in 2010 and 2015

其他5项一般性指标的结果(图4), 2010-2015年间, 景观破碎度指标变化程度最大, 整个保护区的斑块数量增加了5 047个, 表明锡林郭勒自然保护草原碎片化趋势增加, 破碎化程度加剧; 土壤质量次之, 土壤有机质和全氮含量由31.89和1.71 g· kg^-1下降为19.15和1.07 g· kg^-1, 变化率分别为39.95%和37.43%; 其他指标均呈现负向变化趋势。

图4

Fig. 4

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	图4 锡林郭勒草原自然保护区其他各项指标变化Fig. 4 Other assessment indicators of Xilinguole Grassland Nature Reserve

从8个一般性指标的分析结果(表3)可以看出, 2010-2015年间, 锡林郭勒草原自然保护区草地面积、植被覆盖指数、景观破碎度、水质质量、土壤质量共5项一般性指标均呈现负向变化趋势, 其中, 景观破碎度指标变化程度最大, 变化率为-308.82%, 植被覆盖指数的变化程度最小, 变化率为-7.95%。同时, 一个限制性指标的分析显示, 因核心区和缓冲区内存在大片喷灌农业等突出生态环境问题, 锡林郭勒草原自然保护区于2016年1月被环境保护部约谈^[31], 说明2010-2015年间保护区内存在违法违规活动, 这一限制性指标致使锡林郭勒草原自然保护区的生态环境质量变化情况降一级。通过公式对8个一般性指标进行计算, 并用一个限制性指标对其约束, 得出生态环境质量变化指数为-0.7, 这表明, 5年间锡林郭勒草原自然保护区的生态环境质量显著变差。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 锡林郭勒草原国家级自然保护区生态环境质量评价结果 Table 3 Model assessment of the eco-environmental quality in Xilinguole Grassland Nature Reserve 评价指标 Assessment indicator 2010年 The year of 2010 2015年 The year of 2015 变量率 Change rate 调整权重 Adjust weight 植被覆盖指数Vegetation coverage 50.3% 46.3% -7.95% 0.182 草地面积Grassland area 70.88% 63.99% -9.72% 0.182 景观破碎度指数 Landscape fragmentation index 0.004 4 0.018 0 -308.82% 0.182 水质质量(达标率)Water quality 83.33% 66.67% -19.92% 0.091 土壤质量 Soil quality 有机质Organic 全氮Total nitrogen 31.89 g· kg-1 1.70 g· kg-1 19.15 g· kg-1 1.07 g· kg-1 -39.95% -37.43% 0.091 土壤侵蚀面积比例 Soil erosion area persent 33.13% 43.35% -30.85% 0.091 载畜量Stock capacity 年末家畜存栏量为54.34万头 Livestock volume at the end of the year is 5.434× 105 head 年末家畜存栏量为66.50万头 Livestock volume at the end of the year is 6.650× 105 head -22.37% 0.091 人类活动影响 Human activity 639处 639 Sites 714处 714 Sites -11.74% 0.091 违法违规活动Illegal activity 2016年1月, 锡林郭勒草原自然保护区因生态破坏问题被环境保护部约谈 In January 2016, because of ecological destruction, Xilinguole Grassland Nature Reserve was reviewed by the Ministry of Environmental Protection — 生态环境变化指数降一级 Eco-environmental change index degraded to the next level

表3 锡林郭勒草原国家级自然保护区生态环境质量评价结果 Table 3 Model assessment of the eco-environmental quality in Xilinguole Grassland Nature Reserve