咸豐縣域生態(tài)敏感性空間格局分析

張馳 孫佩 康全國 王雯雯 尹偉 易潔偉

摘要? 選取地形地貌因子（主要包括高程、坡度、坡向）、水體緩沖區(qū)、NDVI、土地利用類型四大類指標(biāo)，綜合單因子分析及多因子加權(quán)疊加的方法，利用ArcGIS分析技術(shù)和層次分析法對咸豐縣生態(tài)敏感性的空間格局進(jìn)行分析，得出各單因子及多因子綜合性評價(jià)圖。結(jié)果表明：咸豐縣綜合生態(tài)敏感性強(qiáng)度整體上由西北和東南向中部降低，研究區(qū)的極低敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極高敏感區(qū)面積占研究區(qū)總土地面積的比重依次為0.87%、14.96%、27.89%、35.51%、20.77%。

關(guān)鍵詞? 生態(tài)敏感性；空間格局；綜合性評價(jià)；加權(quán)疊加；咸豐縣

中圖分類號? X321?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A?? 文章編號? 0517-6611（2024）07-0078-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.019

Analysis of Ecological Sensitivity Spatial Pattern in Xianfeng County

ZHANG Chi， SUN Pei， KANG Quan-guo et al

（Hubei Institute of Geoscience ，Wuhan， Hubei 430000）

Abstract? Selecting four major categories of indicators： terrain and geomorphic factors （mainly including elevation， slope， aspect）， water buffer zone， NDVI and land use type， using single factor analysis and multi factor weighted superposition methods， ArcGIS analysis technology and Analytic Hierarchy Process were used to analyze the spatial pattern of ecological sensitivity in Xianfeng County， and comprehensive evaluation map of each single factor and multi factor was obtained.The results showed that the overall ecological sensitivity intensity of Xianfeng County had decreased from northwest and southeast to central. The proportion of the areas of extremely low sensitivity， mild sensitivity， moderate sensitivity， high sensitivity and extremely high sensitivity in the total land area of the study area was 0.87%， 14.96%， 27.89%， 35.51% and 20.77%， respectively.

Key words? Ecological sensitivity;Spatial pattern;Comprehensive evaluation;Weighted stacking;Xianfeng County

生態(tài)環(huán)境變化對人類生產(chǎn)生活會(huì)造成一定程度影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境變化幅度將會(huì)更大，因而維持和改進(jìn)生態(tài)環(huán)境成了當(dāng)今世界各國政府日益關(guān)注的重要問題。生態(tài)敏感性分析能夠客觀說明不同生態(tài)環(huán)境問題的程度及可能性大小，能為預(yù)防和防治各種生態(tài)問題提供科學(xué)的理論依據(jù)。

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界從不同尺度和地形地貌區(qū)對生態(tài)敏感性進(jìn)行了分析，如甘梓瑩［1］通過構(gòu)建廣東省生態(tài)敏感性等級指標(biāo)體系對廣東省敏感區(qū)的空間布局進(jìn)行了深入分析，為城市建設(shè)開發(fā)以及生態(tài)方面的防治與治理提供了決策依據(jù)。劉樂怡等［2］基于香格里拉市1990—2020年土地利用演變特征，對香格里拉市生態(tài)敏感性進(jìn)行了評價(jià)。從生態(tài)敏感性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性結(jié)合的角度，方臣等［3］以武漢市為研究區(qū)，提取生態(tài)廊道，構(gòu)建了武漢市生態(tài)安全格局，為武漢市可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)；王李睿等［4］選取了生物多樣性、土壤保持等指標(biāo)，以福建省永春縣為例，構(gòu)建了縣域自然生態(tài)空間劃設(shè)方法，為生態(tài)保護(hù)勘界等方面提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。張朝瓊等［5-8］利用GIS技術(shù)，分別從市、區(qū)、鎮(zhèn)尺度運(yùn)用單因子和綜合敏感因子評價(jià)2種方法對研究區(qū)生態(tài)敏感性空間分布進(jìn)行了研究。此外，一些學(xué)者對特殊地形地貌區(qū)也進(jìn)行了生態(tài)敏感性方面的研究，例如一些河谷［9］和喀斯特地區(qū)［10］。吳林英等［11］、萬松等［12］以山地型縣域尺度的生態(tài)敏感性為研究對象，為類似縣城的可持續(xù)發(fā)展提供了理論參考，除了縣級尺度的山地型區(qū)域，還有我國天山北坡［13］、秦 巴山區(qū)［14］等也有不少學(xué)者深入研究其生態(tài)敏感性。黃背英等［15］為了探討生態(tài)敏感區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)布局優(yōu)化方案，基于農(nóng)村居民點(diǎn)的適宜性和生態(tài)敏感性，以西藏改則縣為研究對象，為鄉(xiāng)村振興及村莊的合理規(guī)劃布局提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。趙正嫄等［16-17］利用空間距離指數(shù)法，通過構(gòu)建土地荒漠化、滑坡災(zāi)害敏感性等指標(biāo)對青藏高原生態(tài)敏感性進(jìn)行了綜合評價(jià)，從而為保護(hù)管理措施的制定起到了有效的推動(dòng)作用。生態(tài)敏感性評價(jià)在城市用地?cái)U(kuò)張模擬［18］等方面應(yīng)用也較廣。

鑒于以上學(xué)者的研究成果，該研究選取了具有區(qū)域代表性的生態(tài)因子，借助ArcGIS分析功能，對湖北省咸豐縣的生態(tài)敏感性進(jìn)行了研究，以期為環(huán)境管理、城市建設(shè)、區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展及相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省咸豐縣地處鄂西南山區(qū)，地跨108°37′38″～109°20′08″E、29°19′28″～30°02′54″N，東北臨宣恩縣、恩施市，西北接利川市，東南臨來鳳縣，西南與重慶市黔江區(qū)相接。咸豐縣地形復(fù)雜，總地勢特征為中間低，由北東向南西傾斜［19］，區(qū)內(nèi)垂直差異顯著，相對高差達(dá)1 476.5 m，山大人稀，植被茂盛。屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季降水豐富，多年平均降水量約1 514.3 mm，境內(nèi)水能資源豐富，日照較少。全縣土地面積約2 550 km2，包括7鎮(zhèn)、3鄉(xiāng)、1區(qū)工委，據(jù)咸豐縣人民政府網(wǎng)可知2021年全縣戶籍人口約38.46萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1??? 數(shù)據(jù)來源。

該研究所選取的數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（https：//www.gscloud.cn/）下載的咸豐縣云霧干擾在5%以下、成像時(shí)間在2019年6月3日的Landsat8/OLI遙感影像（Path126/Row037和Path126/Row040），空間分辨率為 30 m×30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），遙感影像主要用來計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度，DEM數(shù)據(jù)主要用來計(jì)算研究區(qū)的高程、坡度、坡向及水體緩沖區(qū)因子。土地利用數(shù)據(jù)來源于第三次全國國土調(diào)查成果，其中包含土地利用數(shù)據(jù)及行政區(qū)劃矢量界線。

1.2.2??? 數(shù)據(jù)預(yù)處理。

對從地理空間數(shù)據(jù)云所下載的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行投影，投影坐標(biāo)為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_36，然后利用ArcGIS平臺對影像及DEM數(shù)據(jù)按研究區(qū)行政范圍進(jìn)行提取、拼接，接著對DEM數(shù)據(jù)通過ArcGIS中的3D分析工具提取坡度和坡向因子，再利用空間分析工具中的水文分析功能提取水體緩沖區(qū)因子。而對于植被覆蓋度的提取，需要通過遙感影像進(jìn)行歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）的計(jì)算［20］，其計(jì)算公式如下：

NDVI=（NIR-Red）/（NIR+Red） （1）

式中，Red和NIR分別是紅光和近紅外波段的反射率，它們各自對應(yīng)于Landsat8/OLI影像中第4和第5波段的反射率。

對于第三次全國國土調(diào)查成果按照國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）［21］進(jìn)行重新分類整理，主要分為耕地、林地、園地、草地、水域、建設(shè)用地、設(shè)施農(nóng)用地、未利用地、其他土地9類。

1.3 研究方法

1.3.1??? 評價(jià)因子的選擇與分級。

區(qū)域生態(tài)敏感性程度受多種因素共同影響，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合特征，該研究選取了地形地貌（主要包括高程、坡度、坡向）、NDVI、水體緩沖區(qū)、土地利用類型4類因子分析研究區(qū)生態(tài)敏感性狀況。參考相關(guān)文獻(xiàn)［1，5-10］，將各因子生態(tài)敏感性進(jìn)行不同等級的劃分，主要分為極低敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感5個(gè)等級，其分級與賦值情況如表 1 所示。

1.3.2??? 評價(jià)因子權(quán)重的確定。

該研究在進(jìn)行生態(tài)敏感性分析時(shí)，引入了多個(gè)因子，而每種因子對區(qū)域生態(tài)敏感性的影響程度各異，因此需對每種因子賦予不同的權(quán)重。該研究采用AHP層次分析法來計(jì)算每個(gè)因子的權(quán)重，該方法能夠解決多因子復(fù)雜的問題，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

AHP層次分析法需首先構(gòu)建兩兩因子之間的比較矩陣，根據(jù)影響因子的相對重要性賦值1～9的標(biāo)度［22］，計(jì)算各因子的權(quán)重后經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，公式如下：

CI= λmax-n n-1?? （2）

CR= CI RI? （3）

式中：λmax為矩陣的最大特征根；CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)的一致性指標(biāo)；CR為一致性比率；n為項(xiàng)目數(shù)。若CR<0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)［23-24］，否則就不具有滿意一致性。計(jì)算得出高程、坡度、坡向、NDVI、水體緩沖區(qū)、土地利用類型的權(quán)重分別為0.097、0.048、0.030、0.493、0.093、0.239。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)敏感性單因子分析

2.1.1??? 高程生態(tài)敏感性。

氣溫與降水隨海拔的變化而變化，一般而言，海拔越高，生物多樣性越單一，環(huán)境抗干擾性能力亦隨之降低，因而生態(tài)敏感性也越高。咸豐縣高程生態(tài)敏感性整體由西北和西南偏東的區(qū)域向中部不斷降低，西北與西南較強(qiáng)，其高程生態(tài)敏感性等級空間分布如圖1a所示。

由圖1a和表2可知，在高程生態(tài)敏感性中以中度敏感區(qū)分布面積最大，約1 056.87 km2，占研究區(qū)總面積的4191%，主要分布在輕度敏感區(qū)四周；其次是高度敏感區(qū)，面積約685.60 km2，占研究區(qū)總面積的27.19%；極低敏感區(qū)所占面積最小，僅占研究區(qū)總面積的0.37%；輕度敏感區(qū)面積占研究區(qū)總面積的23.80%，呈條帶狀主要分布于中部地勢低的平原區(qū)域；全區(qū)極高敏感區(qū)所占比重不大，面積約169.84 km2，占研究區(qū)總面積的6.73%，主要分布于西南部及西北部高山區(qū)。

2.1.2??? 坡度生態(tài)敏感性。

坡度反映了區(qū)域的傾斜程度，在不同坡度上地表物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換強(qiáng)度各異，從而使得坡度在一定程度上不僅對部分自然因素造成一定影響，且制約著人類活動(dòng)。一般在其他外界條件相同的情況下，坡度與生態(tài)敏感性存在正相關(guān)的關(guān)系，即坡度越大，生態(tài)敏感性越強(qiáng)。由坡度生態(tài)敏感性的空間分布（圖1b）可知，咸豐縣坡中度、高度和極高敏感區(qū)主要分布于研究區(qū)西北與西南區(qū)域，中部以輕度與極低敏感區(qū)為主，中度、高度和極高敏感區(qū)環(huán)繞在輕度和極低敏感區(qū)周圍。由表2可知，研究區(qū)坡度生態(tài)敏感性以輕度敏感區(qū)為主，面積約1 288.05 km2，占研究區(qū)總面積的51.08%；其次是極低敏感區(qū)，所占面積為620.72 km2，占研究區(qū)總面積的24.61%；中度敏感區(qū)所占面積與極低敏感區(qū)相差不大，占比為22.78%；高度敏感區(qū)與極高敏感區(qū)在整個(gè)研究區(qū)中所占面積較少，兩者共約38.62 km2，僅占研究區(qū)總面積的1.53%。

2.1.3??? 坡向生態(tài)敏感性。

坡向影響一個(gè)地區(qū)的局部小氣候，我國地處北半球，整體而言南坡和東坡的光照條件較北坡和西坡更優(yōu)越，因此植被類型與覆蓋度在南坡和東坡比北坡和西坡更豐富，加之北坡、西坡光照不均，結(jié)果使得北坡、西北坡、西坡和東北坡的生態(tài)穩(wěn)定性更差，坡向的生態(tài)敏感性空間分布如圖1c所示。由表2可知，在咸豐縣坡向生態(tài)敏感性中輕度、中度和高度敏感區(qū)面積相差不大，分別為661.21、660.91、636.76? km2，分別占研究區(qū)總面積的2622%、26.21%、25.25%；極低與極高敏感區(qū)面積亦相差不大，分別為286.18和276.77? km2，分別占研究區(qū)總面積的11.35%、10.97%。

2.1.4??? NDVI生態(tài)敏感性。

植被覆蓋度影響區(qū)域的水土流失強(qiáng)度，對局部地區(qū)的小氣候也會(huì)造成一定影響，是區(qū)域地表植被分布狀況優(yōu)良與否的重要指標(biāo)之一，植被覆蓋度的大小對區(qū)域生態(tài)敏感性的程度影響較大，該研究采用NDVI來估算研究區(qū)的植被覆蓋情況。由圖1d可知，咸豐縣NDVI生態(tài)敏感性強(qiáng)度由西南偏東區(qū)域與西北向中部降低，整體而言，中度和高度敏感區(qū)在研究區(qū)所占空間最大，極低和輕度敏感區(qū)零散分布于中度和高度敏感區(qū)周圍。由表2可知，咸豐縣NDVI生態(tài)敏感性以中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)為主，其中中度敏感區(qū)面積約1 208.31 km2，占研究區(qū)總面積的4791%，高度敏感區(qū)面積僅比中度敏感區(qū)少37.67 km2，占研究區(qū)總面積的46.42%；在咸豐縣幾乎不存在極高敏感區(qū)，面積僅為0.15 km2；極低敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)面積亦較小，總面積約142.73 km2，占研究區(qū)總面積的5.66%。

2.1.5??? 水體緩沖區(qū)生態(tài)敏感性。

地球上絕大部分生物的生存離不開水，離水域越近的區(qū)域越適合物種的生存，因此生態(tài)敏感性也越強(qiáng)。該研究采用ArcGIS軟件的空間分析工具進(jìn)行水文分析，提取研究區(qū)內(nèi)的水體，然后結(jié)合區(qū)域特征，分別以20、60、120、300 m為水體緩沖區(qū)分界界點(diǎn)。由于距水體越近的區(qū)域生態(tài)條件越好，生物多樣性隨之越豐富，因此水體緩沖區(qū)生態(tài)敏感性越高，反之，生態(tài)敏感性越低。由圖1e和表2可知，咸豐縣水體緩沖區(qū)生態(tài)敏感性以極低敏感區(qū)為主，其他敏感區(qū)呈條帶狀穿插于極低敏感區(qū)之中，由極低敏感區(qū)到輕度、中度、高度與極高敏感區(qū)所占面積越來越小，其中極低敏感區(qū)所占面積最大，達(dá)2 071.95 km2，占研究區(qū)總面積的82.16%，其次是輕度敏感區(qū)，面積約262.52 km2，占研究區(qū)總面積的10.41%，中度及以上的敏感區(qū)總面積僅約187.36 km2，共占研究區(qū)總面積的7.43%。

2.1.6??? 土地利用類型生態(tài)敏感性。

土地利用是否合理能夠影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而對生態(tài)敏感性的程度造成較大影響，若土地利用不合理甚至?xí)?dǎo)致人地矛盾激化。咸豐縣土地利用類型主要包括耕地、林地、園地、草地、水域、建設(shè)用地、設(shè)施農(nóng)用地、未利用地、其他土地，參考相關(guān)文獻(xiàn)［5，8］及區(qū)域特征，將這9類土地利用類型根據(jù)對生態(tài)敏感性影響程度的相似性劃分為建設(shè)用地與未利用地、耕地與草地、設(shè)施農(nóng)用地與其他土地、水域、林地與園地5大類，并對其生態(tài)敏感性進(jìn)行分級賦值。

由圖1f可知，土地利用類型極高敏感區(qū)分布范圍最廣，極低和輕度敏感區(qū)的范圍較小。由表2可定量分析土地利用 類型生態(tài)敏感性的面積及比重分布情況，其中極高敏感區(qū)面積最大，約1 289.93 km2，占研究區(qū)總面積的51.15%，主要在林地和園地分布區(qū)；其次是中度敏感區(qū)，面積約1 147.69 km2， 占比45.51%；其他敏感區(qū)面積均較小，共約84.21 km2，共占研究區(qū)總面積的3.34%。

2.2 區(qū)域生態(tài)敏感性綜合評價(jià)

綜合上述各單因子生態(tài)敏感性的分析結(jié)果，采用ArcGIS軟件中的加權(quán)疊加功能，得出咸豐縣生態(tài)敏感性綜合分布圖（圖1g），并通過統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算獲得綜合生態(tài)敏感性的面積分布情況， 見表2。由圖1g和表2可知，研究區(qū)內(nèi)高度敏感區(qū)分布面積最廣，約895.44 km2， 占研究區(qū)總面積的35.51%，主要分布于海拔較高的林地和園地地區(qū)；其次是中度敏感區(qū)，面積約703.27 km2，占研究區(qū)總面積的27.89%；極高敏感區(qū)面積比中度敏感區(qū)少179.36 km2，占研究區(qū)總面積的20.77%；輕度敏感區(qū)面積約377.33 km2，占研究區(qū)總面積的14.96%；極低敏感區(qū)分布范圍最小且分散，主要分布在建設(shè)用地與未利用地區(qū)域，面積僅為21.88 km2，占研究區(qū)總面積的0.87%。

3 結(jié)論與討論

極低和輕度敏感區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，所受外界干擾較小，可進(jìn)行強(qiáng)度較大的開發(fā)利用，劃分為適宜開發(fā)區(qū)；相反，極高和高度敏感區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，抵抗外界干擾能力弱，生態(tài)系統(tǒng)很不穩(wěn)定性，一旦遭到破壞就很難恢復(fù)，因此該類區(qū)域不適宜開發(fā)利用，并需要加強(qiáng)保護(hù)；中度敏感區(qū)較極高和高度敏感區(qū)而言，具有一定抗干擾能力，但人類活動(dòng)會(huì)造成一定的擾動(dòng)，因此對此類區(qū)域的利用需控制在一定的度，應(yīng)在科學(xué)指導(dǎo)下進(jìn)行合理的開發(fā)與利用。咸豐縣作為適宜開發(fā)的面積約399.21 km2，占研究區(qū)總面積的15.83%，在科學(xué)指導(dǎo)下可開發(fā)利用的面積約703.27 km2，占比為27.89%；研究區(qū)內(nèi)有大約1 419.35 km2的地區(qū)需作為重點(diǎn)保護(hù)對象，占比為56.28%。

該研究主要運(yùn)用了ArcGIS技術(shù)平臺分析、統(tǒng)計(jì)了各單項(xiàng)因子的生態(tài)敏感性，并通過加權(quán)疊加分析獲得了全區(qū)生態(tài)敏感性的綜合狀況，整個(gè)過程不僅操作簡單且運(yùn)算統(tǒng)計(jì)效率高，避免了柵格數(shù)據(jù)計(jì)算過程的繁雜與低效的缺陷。影響區(qū)域生態(tài)敏感性的因子眾多，該研究主要選取了各項(xiàng)主要的自然因子，如果需要進(jìn)行更加深入全面的研究可根據(jù)研究區(qū)特征加入人文因子或是生態(tài)旅游的保護(hù)規(guī)劃等，對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

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基金項(xiàng)目?? 湖北省耕地保護(hù)規(guī)劃研究項(xiàng)目（HBECC-ZB-ZC22097）。

作者簡介?? 張馳（1990—），女，湖北紅安人，工程師，碩士，從事土地生態(tài)與資源及農(nóng)情監(jiān)測研究。*通信作者，助理工程師，碩士，從事土地生態(tài)與資源及土地遙感和農(nóng)情監(jiān)測研究。