基于GIS的西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)研究

李 軍，曹明明，邱海軍，胡 勝，郝俊卿，劉 聞

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127;2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 商學(xué)院，陜西西安 710061)

生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)環(huán)境對(duì)區(qū)域內(nèi)自然和人類活動(dòng)反應(yīng)的敏感程度，用來(lái)反映產(chǎn)生生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性大小[1]。受人類不合理土地利用行為和方式的影響，往往會(huì)產(chǎn)生各種各樣的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，規(guī)劃時(shí)必須重點(diǎn)關(guān)注土地生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)[2]。區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)是協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要手段[3]。土地生態(tài)環(huán)境與土地利用方式相輔相成，一方面土地生態(tài)環(huán)境在一定程度上決定了土地利用方式，另一方面不合理的利用方式會(huì)造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降甚至惡化[4]。

通過(guò)分析土地生態(tài)環(huán)境面臨的主要問(wèn)題，選取具有代表性的生態(tài)影響因子，并對(duì)分別這些單因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后對(duì)土地生態(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?；诖?，本文利用單因子評(píng)價(jià)和多因子綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合，充分運(yùn)用GIS，RS技術(shù)手段，對(duì)西安市土地生態(tài)環(huán)境單因子敏感性和綜合敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到西安市土地生態(tài)敏感性分布圖，為西安市土地資源整治、土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)和規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于陜西省中部，北與咸陽(yáng)市相連，南以秦嶺為界，與商洛、安康、漢中市接壤，西與寶雞市毗鄰，東與渭南市相接，地理位置在東經(jīng)107°40'～ 109°49'，北緯 33°49'～ 34°35'之間，現(xiàn)轄 9區(qū)(新城、碑林、蓮湖、灞橋、未央、雁塔、閻良、臨潼、長(zhǎng)安)4縣(藍(lán)田、周至、戶縣、高陵)，國(guó)土面積1.01×104km2。西安市地勢(shì)南高北低，猶如簸箕形狀，南部秦嶺山地為褶皺斷塊山脈，東西延伸，橫亙于西安市南部，主脊海拔2 000～2 800 m。北部渭河平原主要由渭河及其支流沖積而成的洪積沖積平原、山前洪積扇群組成。西安市屬東亞暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.4℃ ～13.4℃，年均降水量 537.5 ～1 028.4 mm，植被區(qū)系主要為溫帶闊葉落葉林區(qū)域，生態(tài)環(huán)境區(qū)域差異明顯，生態(tài)系統(tǒng)類型多樣。境內(nèi)有河流54條，主要有涇河、渭河、浐河、灞河、灃河、滈河、潏河、澇河等，素有“八水繞長(zhǎng)安”之譽(yù)，其中灞河、渭河及灃河等流域面積超過(guò)90 000 hm2。

西安2012年末常住人口855.29萬(wàn)人，實(shí)現(xiàn)GDP 4 369.37億元，比上年增長(zhǎng)11.8%。第一產(chǎn)業(yè)增加值占生產(chǎn)總值的比重為4.5%，第二產(chǎn)業(yè)增加值比重為43.3%，第三產(chǎn)業(yè)增加值比重為52.2%。2012年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入29 982元，農(nóng)民人均純收入11 442元。

1.2 研究方法

1.2.1 構(gòu)建指標(biāo)體系 土壤侵蝕敏感性、鹽漬化敏感性、酸雨敏感性、沙漠化敏感性、生境敏感性、石漠化敏感性是生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容[1]。考慮到西安市土地沙漠化、鹽漬化、酸雨不顯著，但水土流失較為嚴(yán)重，生物多樣性日益減少，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度高。本文選取了生境因子、水環(huán)境因子、土壤侵蝕因子和地質(zhì)災(zāi)害因子4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo);選取了降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕因子(K)、坡度因子(S)、植被因子(C)4個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)一二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定，構(gòu)建了西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.2.2 確定評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)合西安市的實(shí)際情況，本文分別從單因子評(píng)價(jià)與多因子綜合評(píng)價(jià)兩方面來(lái)考慮，具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要依照國(guó)家環(huán)?？偩稚鷳B(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程附件C和相關(guān)研究確定，如表1所示。

表1 敏感性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standard of sensitivity classification

生境敏感性表征生物棲息地響應(yīng)人類活動(dòng)的敏感性程度。本文生境敏感性等級(jí)由自然保護(hù)區(qū)、森林公園的重要性等級(jí)確定。自然保護(hù)區(qū)和森林公園級(jí)別高、物種豐富度高的區(qū)域，敏感性級(jí)別就高，反之則低;水環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)以地表水為評(píng)價(jià)對(duì)象，選取主要河流向兩側(cè)呈梯度擴(kuò)展，離河越近敏感性越強(qiáng);土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)主要考慮降水侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、坡度(S)及植被蓋度等因素;采用地質(zhì)災(zāi)害綜合發(fā)育程度指數(shù)法，對(duì)西安市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度分析，劃分出地質(zhì)災(zāi)害高、中、低發(fā)育區(qū)[5]。

1.2.3 評(píng)價(jià)方法 生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)往往是多個(gè)因子共同作用的結(jié)果，單個(gè)因子的影響強(qiáng)度、空間分布以及多因子相互影響至關(guān)重要。因此，大多數(shù)學(xué)者在評(píng)價(jià)土地生態(tài)環(huán)境敏感性時(shí)，多采用單因子評(píng)價(jià)和多因子綜合評(píng)價(jià)的方法[6－9]。

單因子評(píng)價(jià)時(shí)，首先利用ArcGIS對(duì)單因子圖層按照不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5個(gè)分類等級(jí)進(jìn)行重分類。然后對(duì)分類后的降雨侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、坡度(S)、植被覆蓋度圖層進(jìn)行敏感性分級(jí)賦值(Ci)。最后，利用公式(1)計(jì)算各個(gè)柵格單元的敏感性綜合指標(biāo)。根據(jù)敏感性綜合指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SS)，將相同等級(jí)的單元格進(jìn)行歸并，生成西安市土壤侵蝕綜合評(píng)價(jià)敏感性分級(jí)圖。

式中:Ci為i指標(biāo)的敏感性等級(jí)值;SSj為j空間單元土壤侵蝕敏感性綜合性指數(shù)。

依據(jù)單因子敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合考慮生境、水環(huán)境、土壤侵蝕和地質(zhì)災(zāi)害4項(xiàng)因子對(duì)土地生態(tài)敏感性的貢獻(xiàn)值并賦予一定的權(quán)重，利用公式(2)計(jì)算土地生態(tài)敏感性綜合指數(shù)，生成西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)圖。

其中，SI為土地生態(tài)環(huán)境敏感性指數(shù);Si為生境、水環(huán)境、土壤侵蝕和地質(zhì)災(zāi)害的等級(jí)賦值;Wi為每個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)。

本研究利用ArcGIS10.0生成二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布圖層，然后通過(guò)空間分析工具中的柵格計(jì)算器計(jì)算，生成一級(jí)單因子綜合敏感性的空間分布圖層，最終通過(guò)空間疊加分析，生成西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布圖，如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子敏感性評(píng)價(jià)

2.1.1 生境敏感性評(píng)價(jià) 本文采用西安市自然保護(hù)區(qū)、森林公園的級(jí)別表示生境敏感程度，在ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行重分類生成生境敏感性空間分布圖(見(jiàn)圖1a)。

從圖1a可以得出，極敏感區(qū)主要分布在西安市最南部的秦嶺北坡中高山地，總面積為837.48 km2，占到西安市土地總面積的8.39%，這里有太白山、周至牛背梁國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和周至老縣城省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。中度敏感區(qū)分布在極敏感區(qū)以北的秦嶺北麓林區(qū)和驪山丘陵等地，總面積為224.68 km2，占到西安市土地總面積的2.25%，這里有終南山國(guó)家森林公園、太平森林公園等，動(dòng)植物資源豐富。輕度敏感區(qū)主要分布在平原，總面積為8 920.83 km2，占到西安市土地總面積的89.36%，主要是以農(nóng)田為主。不敏感等級(jí)分布在西安市建成區(qū)，主要以建設(shè)用地為主，生物物種數(shù)量最少。

2.1.2 水環(huán)境敏感性評(píng)價(jià) 本文選取主要河流緩沖區(qū)距離來(lái)評(píng)價(jià)水環(huán)境敏感性，根據(jù)距河流距離遠(yuǎn)近，將水體敏感性分為5級(jí)，0～500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，＞2 000 m，利用ArcGIS緩沖區(qū)分析做出西安市地表水系緩沖區(qū)圖(見(jiàn)圖1b)，距離河流越近敏感性越強(qiáng)。

從圖1b可以得出，0～500 m緩沖區(qū)內(nèi)總面積為2 761km2，占到西安市總面積的27.66%;500～1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)總面積為2 551 km2，占到西安市總面積的25.56%;1 000～1 500 m緩沖區(qū)內(nèi)總面積為2 080 km2，占到西安市總面積的20.84%;1 500～2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)總面積為1 562 km2，占到西安市總面積的15.65%;＞2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)總面積為1 027 km2，占到西安市總面積的10.92%。

2.1.3 土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià) 土壤侵蝕強(qiáng)度一方面受降雨、水文、地形、土壤質(zhì)地等自然因子的影響[2]，另一方面也受水土保持工程因子和植被覆蓋管理因子措施等人為因素的制約。綜合考慮主要土壤侵蝕因子，結(jié)合西安市實(shí)際，本文確定了西安市土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)和敏感性等級(jí)(見(jiàn)表1)

1)降雨侵蝕力(R)

降雨是誘發(fā)土壤侵蝕最直接的外在動(dòng)力，降雨侵蝕力表示降雨對(duì)土壤顆粒分離和運(yùn)移能力，也能夠反映出降水對(duì)土壤侵蝕的強(qiáng)度。本文降雨侵蝕力的計(jì)算采用章文波、付金生提出的利用逐月雨量估算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法模型[10]，采用克里金內(nèi)插法插值出西安市R值分布圖，根據(jù)表1中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制西安市降雨侵蝕力敏感性分布圖(見(jiàn)圖1c)。

從圖1c可以看出，西安市的降雨侵蝕力R值范圍分布呈現(xiàn)從南向北依次減少的趨勢(shì)，地區(qū)差異較明顯。一般敏感區(qū)占西安市總面積的13.81%，低度敏感區(qū)占西安市總面積的9.22%，中度敏感區(qū)占西安市總面積的18.80%，高度敏感區(qū)占西安市總面積的27.15%，極度敏感區(qū)占西安市總面積的31.02%。其空間分布特征為:北部渭河盆地降雨量相對(duì)較少，R值較小，屬于一般敏感區(qū)域。秦嶺山地、漢中平原氣候濕潤(rùn)，雨量充沛，降水量多，該區(qū)域R值普遍較大，屬于中度和高度敏感性。

2)土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性因子K主要表示土壤的抗侵蝕能力，反映土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度，它可以表示標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)單位降雨侵蝕指標(biāo)的土壤流失率。本文中的K值主要根據(jù)中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所關(guān)于黃土高原土壤特性的研究成果獲取，K值范圍在0～0.508之間。根據(jù)K值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，基于ArcGIS軟件進(jìn)行重分類，繪制土壤可蝕性因子敏感性分布圖(見(jiàn)圖1d)。

從圖1d中可以看出，K值一般敏感區(qū)占西安市總面積的1.75%，低度敏感區(qū)占西安市總面積的12.7%，中度敏感區(qū)占西安市總面積的14.38%，高度敏感區(qū)占西安市總面積的39.45%，極度敏感區(qū)占西安市總面積的31.72%。

3)坡度(S)

影響土壤侵蝕的地形因素主要有坡度、坡長(zhǎng)、坡向和坡型等，本文中采用坡度作為西安市土壤侵蝕評(píng)價(jià)的地形因子指標(biāo)。在ArcGIS軟件下，基于西安市30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)提取坡度，對(duì)坡度進(jìn)行重分類，繪制西安市地形坡度敏感性分布圖(見(jiàn)圖1e)。

從圖1e可以看出，坡度一般敏感區(qū)占西安市總面積的44.68%，低度敏感區(qū)占西安市總面積的14.52%，中度敏感區(qū)占西安市總面積的16.6%，高度敏感區(qū)占西安市總面積的15.54%，極度敏感區(qū)占西安市總面積的8.86%。根據(jù)地形坡度特征，不敏感區(qū)域主要分布在渭河谷地的大部分地區(qū)，這些地區(qū)地勢(shì)平坦，主要為平原和盆地，坡度值最小。秦巴山地大部分地區(qū)，地形坡度較陡，屬于高度敏感和極敏感區(qū)域。

4)植被覆蓋度

地表植被具有涵養(yǎng)水源和保持水土的重要作用，植被覆蓋度的大小在一定程度上可以反映植被對(duì)土壤侵蝕能力的大小，植被覆蓋度越大，說(shuō)明土壤侵蝕越不明顯，反之，土壤侵蝕越嚴(yán)重。像元二分模型在植被覆蓋度遙感估算中得到廣泛應(yīng)用，并且取得較好的結(jié)果[11－14]，像元二分法模型估算植被覆蓋度的公式如下:

其中:fc為植被覆蓋度，NDVI為該像元的歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全由植被所覆蓋的像元(純植被像元)的NDVI值。

本文中采用陜西省2010年Landsat TM圖像，根據(jù)公式(3)計(jì)算陜西省2010年植被覆蓋度(見(jiàn)圖1f)。植被覆蓋度一般敏感區(qū)占西安市總面積的30.2%，低度敏感區(qū)占西安市總面積的20.8%，中度敏感區(qū)占西安市總面積的18.5%，高度敏感區(qū)占西安市總面積的15.5%，極度敏感區(qū)占西安市總面積的15%。

通過(guò)ArcGIS對(duì)上述單因子進(jìn)行空間分析，得到西安市土壤侵蝕綜合評(píng)價(jià)敏感性分級(jí)圖(見(jiàn)圖1g)。從圖1g中可以發(fā)現(xiàn):西安市土壤侵蝕高度敏感區(qū)主要分布于長(zhǎng)安區(qū)、戶縣、周至縣沿山一帶的山前洪積扇和周至縣的翠峰、竹峪周圍原坡，本區(qū)坡度在15°以上的面積占51.02%，遇暴雨極易形成面蝕和溝蝕，水土流失嚴(yán)重，流失面積達(dá)100%，侵蝕模數(shù)為3 547 t/akm2;中度敏感區(qū)分布在黃土臺(tái)塬和秦嶺北坡淺山，該區(qū)川塬相間，塬坡切割破碎，加之土層較薄，巖石風(fēng)化，坡積物覆蓋其上，采礦、修建公路等工程，故水蝕和重力侵蝕成為該區(qū)的主要侵蝕形式。泥石流、瀉溜、滑坡、坍塌等也時(shí)有發(fā)生，土壤侵蝕模數(shù)為1 288～1 592 t/akm2;輕度敏感區(qū)主要分布于秦嶺北坡深山區(qū)，該區(qū)地貌特征和侵蝕類型與淺山區(qū)相同，但25°以上土地面積占總面積的90%。由于人口稀少，距山口較遠(yuǎn)，林草破壞程度較輕，植被保護(hù)較好，侵蝕模數(shù)為590 t/akm2;不敏感區(qū)為渭河川道平原，地勢(shì)平坦，多為河流、河漫灘及一、二、三級(jí)階地，坡度為0°～2°的土地面積占 80.7%，25°以上坡度土地面積占1.20%，土壤侵蝕模數(shù)小于200 t/akm2，屬不明顯流失區(qū)。

2.1.4 地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià) 本文根據(jù)西安市主要地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流、崩塌、地面坍塌、地面沉降)發(fā)生特征、分布規(guī)律和成因分析，選擇地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，生成西安市地質(zhì)災(zāi)害敏感性等級(jí)分布圖(見(jiàn)圖1h)。

從圖1h可以看出，西安市地質(zhì)災(zāi)害高敏感區(qū)主要分布在秦嶺、驪山、黃土丘陵和黃土臺(tái)塬的高邊坡區(qū)，占到西安市總面積的34.7%，中敏感區(qū)主要分布于西安市東北部，占到西安市總面積的37.4%，低敏感區(qū)主要分布于西安市西部，占到西安市總面積的27.9%。

2.2 綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)單因子敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果，采用專家打分法得到一級(jí)影響因子的權(quán)重，其中生境因子為0.3，水環(huán)境為0.2，土壤侵蝕為0.3，地質(zhì)災(zāi)害為0.2。利用ArcGIS平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行空間疊合分析，利用公式(2)計(jì)算土地環(huán)境生態(tài)敏感性綜合指數(shù)，生成西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)圖(見(jiàn)圖1i)。

采用上述模型，在單因子敏感性分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ArcGIS疊加分析，生成西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性分區(qū)圖(見(jiàn)圖1i)，從圖1i中可以得出:

極敏感區(qū)位于西安市秦嶺北坡的中高山地，這里既是動(dòng)植物棲息地，同時(shí)也承擔(dān)著水源涵養(yǎng)的生態(tài)服務(wù)功能，總面積為2 132 km2，占西安市土地總面積的21.36%。

高度敏感區(qū)主要是驪山丘陵和浐河、灞河上游地區(qū)，驪山黃土臺(tái)塬區(qū)水土流失嚴(yán)重，屬于強(qiáng)度侵蝕區(qū)，總面積為1 936 km2，占西安市土地總面積的19.40%。

中度敏感區(qū)位于秦嶺北麓與渭河平原過(guò)渡的緩斜地帶，本區(qū)為中度侵蝕區(qū)，同時(shí)也是西安市的水源涵養(yǎng)區(qū)，總面積為2 683 km2，占西安市土地總面積的26.88%。

輕度敏感區(qū)位于西安市建成區(qū)周邊的平原，本區(qū)是農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，地形平坦，水土流失輕，總面積為2 344 km2，占西安市土地總面積的23.49%。

不敏感區(qū)主要包括西安市建成區(qū)，這里人類活動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，總面積為885 km2，占西安市土地總面積的8.87%。

3 結(jié)語(yǔ)

單因子評(píng)價(jià)和多因子綜合評(píng)價(jià)是比較成熟的研究方法，利用該方法在ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可視化表達(dá)，生成了單因子敏感性分布圖和土地生態(tài)環(huán)境綜合敏感性分布圖。研究結(jié)果將西安市土地生態(tài)環(huán)境敏感性劃分成5個(gè)等級(jí)，得出了不同區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布特征，這不僅為不同區(qū)域開(kāi)展土地生態(tài)建設(shè)與保護(hù)提供理論基礎(chǔ)，還能為西安市土地資源的優(yōu)化利用提供有力借鑒。

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