基于GIS的黔西市生態(tài)敏感性評價與分析

趙 迅,徐艷芳,2*,王浩天,張婷婷,劉曉倩,魏洪剛

(1.山東建筑大學藝術(shù)學院,山東濟南 250101;2.風景園林科學研究中心,山東濟南 250101)

2022年1月國務院發(fā)布二號文件,對支持貴州在新時代西部大開發(fā)上闖新路給出了一系列的指導意見,作出要持之以恒推進生態(tài)文明建設、改善提升自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,科學推進巖溶地區(qū)石漠化和水土流失綜合治理等系列指示[1]。黔西市作為黔中經(jīng)濟圈內(nèi)集農(nóng)商旅為一體的區(qū)域,近年來在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的支持下,大力發(fā)展旅游業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè),并結(jié)合“三水一火”工程項目,讓經(jīng)濟建設得以飛速發(fā)展。但在發(fā)展的過程中,人類活動及工廠運作不乏對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了一定的破壞和影響。根據(jù)國務院二號文件精神,城鄉(xiāng)建設和生態(tài)文明建設是并駕齊驅(qū)的,要協(xié)同推進社會經(jīng)濟的發(fā)展與自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升。因此,對黔西市的生態(tài)敏感性進行評價分析是至關(guān)重要的。

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)在受到自然環(huán)境變化和人為干擾等諸多影響時的敏感程度,即生態(tài)系統(tǒng)在自然狀態(tài)下出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和概率大小。通常來說,生態(tài)敏感性越高,在受到外部破壞時生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更容易降低[2-4]。生態(tài)環(huán)境敏感系統(tǒng)是一個復雜的多層次、多因子系統(tǒng),進行生態(tài)敏感性評價能為分析和預測區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞和生態(tài)系統(tǒng)失衡等問題提供科學的依據(jù),在生態(tài)功能區(qū)劃分、評價生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性等方面,也是一項至關(guān)重要的評價指標;對生態(tài)敏感性的評價不僅是生態(tài)系統(tǒng)建設調(diào)控和生態(tài)環(huán)境影響分析必不可少的環(huán)節(jié),還是生態(tài)文明建設、國土空間規(guī)劃的重要參考[4-7]。國內(nèi)外專家使用GIS軟件的強大數(shù)據(jù)處理和空間分析功能,充分考慮每個評估因素的影響,進行了眾多關(guān)于生態(tài)敏感性評價與分析的研究,并且大部分現(xiàn)有的研究已經(jīng)實現(xiàn)了準確的評估結(jié)果[3,5-6]。因此,該研究借鑒相關(guān)研究方法,采用AHP層次分析,并結(jié)合GIS技術(shù)來評估黔西市的生態(tài)敏感性。

1 研究區(qū)概況

黔西市位于貴州省中部偏西北、烏蒙高原東部、烏江中游、鴨池河北岸,地理坐標為26°45′～27°21′N、 105°47′～106°26′E,是由畢節(jié)市代為管理的縣級市,享有“中國杜鵑花都”的美譽。該區(qū)域地勢呈現(xiàn)為西北高,東南低,四面環(huán)山,中部為丘陵洼地,比較開闊平坦。境內(nèi)海拔最高為1 679.3 m,最低為760.0 m,平均海拔1 250.0 m。由于地處喀斯特地貌區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤侵蝕嚴重,巖石裸露率高,且地形起伏較大,植物根系的固土能力較弱,故此經(jīng)常發(fā)生山體滑坡、泥石流等自然災害,加劇地方水土流失[8]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理該研究所采用的遙感衛(wèi)星影像圖和DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),通過ArcGIS 10.8軟件計算并提取得到高程、坡度、水環(huán)境等數(shù)據(jù)。植物覆蓋率數(shù)據(jù)來源于Landsat 8 OLI_TIRS 2019年04月(云量≤5%)的遙感影像,采用ENVI 5.3軟件進行數(shù)據(jù)預處理之后,通過計算NDVI植被指數(shù)來估算植物覆蓋度,最后導入GIS軟件中進行重分類,得到研究區(qū)域的植被覆蓋類型分級圖。土地利用類型數(shù)據(jù)從全球地表覆蓋平臺獲得(http://globeland30.org),并采用ArcGIS 10.8軟件進行裁剪分類,得到研究區(qū)域的土地利用類型圖。

2.2 評價方法生態(tài)環(huán)境問題一般來說是在多種影響因子綜合下作用的結(jié)果。該研究將GIS空間分析技術(shù)、層次分析法相結(jié)合,選取能反映黔西市生態(tài)敏感情況的評價因子,通過對單因子劃分評價等級體系,進而對各單因子進行生態(tài)敏感性評價;然后通過層次分析法對各單因子進行權(quán)重判斷以及加權(quán)計算,最后根據(jù)疊加出的綜合生態(tài)敏感度圖分析研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題[9-13]。

2.3 評價因子的選取為了構(gòu)建合理的評價指標體系,選擇具有科學性、代表性和全面性的評價因子,建立統(tǒng)一、標準、科學的評價標準[3,14]。生態(tài)敏感區(qū)是各種生態(tài)相關(guān)因子綜合作用的結(jié)果,因此選擇合適的評價因子對最終生態(tài)敏感性評價結(jié)果的合理性有很大影響[8-9,15]。根據(jù)已有的相關(guān)研究成果,參照其生態(tài)敏感性分類標準,結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境和土地利用現(xiàn)狀,選取高程、坡度、水環(huán)境、土地利用類型和植被覆蓋度5個影響因子作為評價指標,對黔西市的生態(tài)敏感性進行評價和分析。地形地貌是影響區(qū)域生態(tài)敏感性的重要因子,越高越陡的地帶,發(fā)生自然災害的可能性越大,生態(tài)敏感度也越高,故該研究選取了影響較為顯著的高程和坡度因子;影響生態(tài)環(huán)境的因子則選取水域緩沖區(qū)、土地利用類型和植被覆蓋度等自然因子[2-3,9,16-17]。

2.4 評價因子敏感等級劃分構(gòu)建評價因子等級指標體系是進行生態(tài)敏感性評價最關(guān)鍵的步驟。鑒于生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與綜合性,同時為了降低各評價因子之間的關(guān)聯(lián)性,參照《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》的分級標準,根據(jù)各因子對生態(tài)敏感性的影響程度及研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況,將其劃分為5個等級,即:不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極敏感,然后分別賦值為1、3、5、7、9代表區(qū)域的敏感性程度,各單因子分級與賦值情況如表1所示。

表1 單因子評價體系分級標準

2.5 評價因子權(quán)重確定層次分析法是一種結(jié)合定量分析和定性分析的決策分析方法,通過各評價因子進行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣,最終確定各因子的權(quán)重,從而得到可行的綜合評價值。綜合相關(guān)文獻,該研究通過Yaahp 10.0層次分析軟件對各評價因子構(gòu)建判斷矩陣并進行賦值[15-16,18],然后根據(jù)一致性結(jié)果(0.083 2<0.1)判定該判斷矩陣符合要求,最終獲得各單因子的權(quán)重值(表2)。

表2 判斷矩陣及各評價因子權(quán)重計算結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子生態(tài)敏感性評價與分析

3.1.1高程生態(tài)敏感性分析。一般來說,海拔越高,生態(tài)系統(tǒng)多樣性就越低,生態(tài)敏感性越高[18]。黔西市地勢西北高、東南低,最高海拔為1 679.3 m,最低處為760.0 m。由圖1可知,高度敏感區(qū)占比最大,主要分布在中西部地區(qū),共占研究區(qū)域總面積的67.2%;不敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)集中分布在河流域一帶,分別占研究區(qū)域總面積的0.3%和3.1%;而極敏感區(qū)則主要集中分布在西北區(qū)域,同時也散布在山脈起伏較大的西南、東北區(qū)域,共占研究區(qū)域總面積的7.1%。

圖1 高程生態(tài)敏感性評價Fig.1 Elevation ecological sensitivity evaluation

3.1.2坡度生態(tài)敏感性分析。在不同坡度下的影響下,其生態(tài)敏感性程度也是不一樣的。通常來說,坡度越大,生態(tài)系統(tǒng)就會越不穩(wěn)定,從而生態(tài)敏感性也就越高[18-19]。由圖2可知,研究區(qū)基于坡度的生態(tài)敏感性以輕度敏感為主,占比為44.5%,集中分布在研究區(qū)的中西部區(qū)域。其次為分布比較廣泛且錯綜復雜的中度敏感區(qū),占比為30.0%;不敏感區(qū)和高度敏感區(qū)面積相對較少,比重分別為10.0%和11.9%,主要集中分布于研究區(qū)的西部和北部區(qū)域。而極敏感區(qū)的占比最少,僅有3.6%,主要集中分布在研究區(qū)的烏江和鴨池河的河岸兩側(cè),隨著河兩岸山體坡度的增加,土壤的穩(wěn)定程度會逐漸減弱,導致山上的水土保育能力降低,再加上雨水的沖刷,就加速了侵蝕性徑流的形成,對土壤的侵蝕就會愈發(fā)增強,所以使得生態(tài)敏感性程度逐漸增加。

圖2 坡度生態(tài)敏感性評價Fig.2 Slope ecological sensitivity evaluation

3.1.3水域生態(tài)敏感性分析。通常來說,距離河流水體越近,該區(qū)域所遭受的水流沖刷程度就越大,那么生態(tài)敏感性就越高[8]。在對所研究區(qū)域內(nèi)的主要河道進行GIS緩沖區(qū)解析之后,可以得出不同緩沖距離的水體環(huán)境分類示意圖。由圖3可知,離河流越遠,其敏感性程度越低;離河流越近,則敏感性程度越高。由表1和圖3可得出,距離河流0.5 km的輕度敏感區(qū)占研究區(qū)域總面積的27.8%;距河流0.1 km的極敏感區(qū)和0.3 km的高度敏感分別占研究區(qū)域總面積的6.8%和29.5%;距河流緩沖1 km以外的區(qū)域為不敏感區(qū),僅占研究區(qū)總面積的1.0%,該區(qū)域遠離河流,無法滿足人類生產(chǎn)生活的需要、且對水環(huán)境的影響很小,因此水環(huán)境的生態(tài)敏感性較低[8]。

圖3 水環(huán)境生態(tài)敏感性評價Fig.3 Water environment ecological sensitivity evaluation

3.1.4土地利用生態(tài)敏感性分析。黔西市農(nóng)用地比重較大、垂直分布明顯,而建設用地比例較低。如圖4所示,由于受喀斯特地貌的影響,黔西市天然林地的生態(tài)敏感性高于建設用地[18]。研究區(qū)的生態(tài)敏感性以中度為主,面積約為1 258.8 km2,占比為49.1%,廣泛分布于黔西市山區(qū)。不敏感區(qū)和極敏感區(qū)面積相對較小,占比分別為1.5%和1.4%,主要分布在主城區(qū)與河流域地帶。高度敏感區(qū)的占比為37.3%,分布在黔西市主要林區(qū)。根據(jù)圖4可知,對比同一土地利用類型不同生態(tài)敏感程度的面積比例,建設用地和耕地的生態(tài)敏感程度主要為中、輕度敏感,林地的生態(tài)系統(tǒng)敏感程度為中、高度敏感[19]。

圖4 土地利用類型生態(tài)敏感性評價Fig.4 Land use type ecological sensitivity evaluation

3.1.5植被生態(tài)敏感性分析。植被覆蓋度是反映地表植被生長情況的關(guān)鍵指標,也是研究生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的重要依據(jù)[18]。由圖5可知,基于植被覆蓋率的生態(tài)敏感性以極敏感為主,占比70.8%,喬灌木等植物種類遍及該區(qū)域;輕度敏感區(qū)比重為6.1%,主要分布在耕地、農(nóng)田等植物覆蓋率較小的區(qū)域;中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)分別占比為9.5%和12.0%,而不敏感區(qū)僅有1.6%的比重,主要分布于黔西市中部的城鎮(zhèn)建設用地以及河流水庫等植被覆蓋率較低的區(qū)域。

圖5 植被覆蓋度生態(tài)敏感性分析Fig.5 Vegetation cover ecological sensitivity evaluation

3.2 多因子生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評價與分析確定各評價單因子的權(quán)重及空間分布數(shù)據(jù)后,利用ArcGIS 10.8軟件中的柵格計算功能,將上面得到的單因子敏感性分級圖及其對應的權(quán)重值進行加權(quán)計算,即:高程×0.034 3+坡度×0.066 5+水環(huán)境×0.118 7+土地利用類型×0.193 0+植被覆蓋度×0.587 6,計算出研究區(qū)域的生態(tài)敏感性綜合指數(shù),最后得到研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性分布圖(圖6)。

圖6 多因子綜合生態(tài)敏感性評價Fig.6 Multi-factor integrated ecological sensitivity evaluation

在ArcGIS 10.8軟件中選擇自然斷點分級法,將研究區(qū)的生態(tài)敏感性綜合評價結(jié)果劃分為5個等級分區(qū):不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)、極敏感區(qū),并且對所得生態(tài)敏感性區(qū)域具體面積及所占百分比進行分類統(tǒng)計(表3)。綜合表3和圖6可知,黔西市的高度敏感區(qū)占比較大,共占研究區(qū)域總面積的55.5%;其次是輕度敏感和中度敏感的區(qū)域分別占研究區(qū)域總面積的14.2%和14.5%;極敏感區(qū)域相對較少,占研究區(qū)域總面積的10.3%;不敏感區(qū)域占比最少,占研究區(qū)域總面積的5.5%。總體來看,黔西市的綜合生態(tài)敏感性比較高,且區(qū)域生態(tài)敏感性等級分布較為分散。

表3 黔西市綜合生態(tài)敏感性評價分析結(jié)果

4 結(jié)論與討論

在不同研究尺度下對生態(tài)敏感性的評估和空間劃分,基于GIS的加權(quán)疊加技術(shù)和許多衍生方法正被廣泛應用。它可以更全面地分析不同情況下的生態(tài)敏感性,能夠?qū)ο嚓P(guān)研究領(lǐng)域生態(tài)環(huán)境實時變化的信息及時進行處理,極大提高生態(tài)環(huán)境管理的效率,在社會經(jīng)濟發(fā)展、城鄉(xiāng)建設、環(huán)境保護等相關(guān)政策的提出和制定中發(fā)揮了積極作用[20]。然而,對生態(tài)敏感性造成影響的因子有很多,選擇不同的評價因子乃至加權(quán)疊加計算方法的差別,都會對最后的結(jié)果造成一定的影響。該研究以高程、坡度2個地形地貌方面的影響因子,水環(huán)境、土地利用類型和植被覆蓋度3個生態(tài)自然環(huán)境方面的影響因子,以此建立生態(tài)敏感性評價指標體系,綜合分析黔西市的生態(tài)自然環(huán)境。

研究區(qū)域具有較高的生態(tài)敏感性,并且超過一半?yún)^(qū)域處于高度敏感的區(qū)域。水環(huán)境、土地利用類型和植被覆蓋率是影響其生態(tài)敏感性的主要因素。研究結(jié)果表明:①黔西市極敏感區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱,很容易受到人類活動的干擾,該區(qū)域在進行生產(chǎn)生活時一旦被破壞將很難恢復,故這類區(qū)域應當劃為自然生態(tài)環(huán)境保護的重點區(qū)域,嚴禁一切開發(fā)建設;②高度敏感區(qū),要以保護其生態(tài)功能為目的,嚴禁濫砍濫伐,提高對防護林的建設和公益林的保護,減少水土流失,進一步提升對石漠化荒漠化的治理;③中度敏感區(qū),雖然其對人類活動及自然災害有一定的抗干擾和抵抗能力,但總體的生態(tài)環(huán)境比較脆弱,應在堅持生態(tài)保護優(yōu)先原則的前提下,進行適度適量開發(fā),同時還應增強該區(qū)域的生態(tài)修復能力;④輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定,且植被覆蓋率較低,抗干擾能力強,可以做多種用途的開發(fā)建設,但要始終堅持把生態(tài)放第一位的發(fā)展戰(zhàn)略定位,協(xié)同推進農(nóng)商旅的融合發(fā)展。該研究結(jié)果可為處于新時代西部大開發(fā)路上的黔西市關(guān)于城鄉(xiāng)建設、生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展等方面的建設提供理論依據(jù)。

在生態(tài)敏感性研究的發(fā)展過程中,對于評估敏感性因子選擇從單因子分析逐步發(fā)展到多因子綜合分析。該研究通過選取5個具有代表性的評價因子來反映研究區(qū)域的生態(tài)敏感性,但由于信息資料的獲取有一定的難度,故主要選取了自然因子,對人為因素和外部干擾等因子的選取較少,這可能對研究區(qū)域生態(tài)敏感性的識別和區(qū)分結(jié)果有一定的影響,而且對于因子權(quán)重的分析也存在一定的主觀判斷,在今后的研究中還應加以完善和改進。