大辽河地区生态环境敏感性评价❋

陈 爽, 马安青❋❋, 马冰然, 李正炎, 焦俊超, 崔静岚

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3. 浙江大学环境与资源学院， 浙江 杭州 310029)



大辽河地区生态环境敏感性评价❋

陈 爽1,2, 马安青1,2❋❋, 马冰然1,2, 李正炎1,2, 焦俊超1,2, 崔静岚3

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3. 浙江大学环境与资源学院， 浙江 杭州 310029)

为了防止大辽河地区湿地生态功能减退，促进大辽河地区的河流及湿地生态环境保护，本研究以盘锦和营口地区为研究区域，建立了大辽河地区生态环境敏感性评价的指标体系，结合GIS技术，利用层次分析法和模糊评判模型计算出研究区域的敏感性等级及空间分布。评价结果表明，大辽河地区生态敏感性在空间分布上呈现显著差异性；中度敏感区主要分布在盘山县区以及盖州东南部分地区，土地面积为2607.42km2，占总土地面积的30.38%；高度敏感区占整个研究区域的大部分，覆盖了盘锦市、大洼县、营口市、大石桥市以及盖州市大部分地区，土地面积为5975.55km2，占总土地面积的69.62%。中度敏感区要适度开发，避免生态环境破坏；高度敏感区要恢复与保护原生植被，提高生态系统的多样性与稳定性，实现可持续发展。

生态环境敏感性；层次分析法；模糊综合评判；大辽河地区

生态环境敏感性是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度，表征一个区域产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小及恢复速度[1]。生态环境敏感性评价就是评价在不损失或不降低环境质量的情况下，生态因子对外界压力或外界干扰适应的能力[2]。敏感性高的区域容易产生生态环境问题，是生态环境保护与恢复的重点。

国际上对生态环境敏感性的研究较早，主要侧重于大尺度范围内的生态环境敏感性研究，包括雨林对选择采伐的生态敏感性[3]、大陆架生态敏感性[4]、水文系统对气候的敏感性[5]等。国内对于生态环境敏感性的研究主要表现在三个方面：一是针对某一单一的生态环境问题的敏感性分析，如水土流失、土壤侵蚀和土地荒漠化的敏感性分析[6-16]；二是以土地利用和景观设计为目的的生态敏感性评价[17-18]；三是以城市生态系统为研究对象的生态敏感性分析[19-20]。本研究运用GIS技术，结合人类干扰因子和自然因子，采用层次分析法(AHP)和模糊综合评判相结合的方法，对大辽河口地区的生态环境敏感性进行分析评价，诊断其生态系统的破坏或退化程度，探讨生态敏感性及其区域分布，为促进大辽河口河流及湿地生态环境保护，防止湿地生态功能减退，制定区域发展规划等提供科学基础。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

选取盘锦市和营口市作为研究区域(见图1)，地处40°40′N～41°01′N,122°05′E～122°26′E，面积8582.97km2，属于东北亚经济圈黄金地段。这里经济区位优势显著，经济社会发展水平居辽宁省前列，人类活动对环境质量的变迁影响显著。1958年以后，将辽河主流全部引向双台子河，由盘山县入海，将辽河的支流浑河与太子河汇合后单独在营口市入海。浑河和太子河在海城三岔河汇合后，称为大辽河，河长95km，自营口入渤海辽东湾。大辽河流经海城、盘山、大石桥、大洼、营口等市县，穿行于辽河中下游区的近海地带，沿岸属于滨海堆积平原，地势平坦，海拔在3～10m之间，属暖温带大陆性半湿润季风气候区。年平均气温8.0 ℃，年平均降水量620～730mm，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风[21]。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

本研究所需的空间数据包括：1988，1995，2001，2007年研究区域Landsat-TM影像(处理过程和结果见相关参考文献[21])、盘锦和营口地区行政区划轮廓图、土壤类型分布图等，空间分辨率统一到30m×30m的栅格单元；非空间数据包括《辽宁省统计年鉴2008》、《中国旅游统计年鉴2008》、《中国土种志》、《31个省区市社会发展发生新变化》、辽宁省生态环境现状调查数据、1∶1 000 000辽宁省自然地图集等。

2 评价指标体系及研究方法

2.1 评价指标体系建立

建立合理的指标体系是进行评价的关键，在选取指标时，本研究遵循主导性、差异性、综合性、实用性以及所需指标的可获取性等基本原则，建立评价指标体系[22]。本研究建立评价指标体系如图2所示。研究中将整个系统分成A、B、C三层。其中，A为目标层，B为综合评价层，C为评价指标层。

图2 大辽河地区生态环境敏感性评价指标体系

2.2 各评价指标敏感度评价等级确定方法

评价的等级分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感[23]。各个指标的评价等级确定方法如下：

干燥度敏感度 根据多年气象观测值进行计算并分级。公式表达为：

Yi=ΔY(Xi-fmin)/Δf+Ymin。

(1)

式中：Yi代表敏感度值；Xi代表已经获得的该地区干燥度值；fmin代表该干燥度所属敏感度级干燥度值域的最小值；Δf代表该值段值域(最大值-最小值)；ΔY则代表该级敏感值域(最大值-最小值)；Ymin则代表敏感值域的最小值。其中干燥度值的计算公式为：

K=PE/P。

(2)

式中：PE为可能的蒸散量；P为年降水量。

气候稳定性 中国东部处于亚洲大陆东部季风区，降水年际变化大，使降水变化因素对区域生境质量好坏发挥着更重要的决定力量。因此，选取降水变率作为气候稳定性评判的指标。其数学表达式为：

(3)

式中：Cv表示降水年际变率，表示平均降水量；Bi表示第i年降水值。

土壤因素 土壤是土地景观格局形成的基础，也是土地生态系统抵御外界扰动的物质基础。本研究中根据实地调查，结合《中国土种志》，根据辽河口地区主要土壤类型各自的生产潜力水平，按照土种对敏感性进行分级。水稻土为不敏感，沼泽土、草甸沼泽土、盐渍水稻土、潜育水稻土、腐泥沼泽土为低敏感，棕壤、潮棕壤、棕壤性土、石灰性草甸土、针叶林土、棕色针叶林土为中度敏感，潮土、盐化草甸土为高度敏感，盐土、滨海沼泽盐土、滨海盐土、滨海潮滩盐土、冲积土为极敏感。

初级生产力 采用C-Fix模型，具体计算公式为：

NPPd=p(Tatm)·Cfert·ε·fAPAR·c·sg,d·(1-Ad)。

(4)

式中：p(Tatm)为NPPd的归一化的气温依赖性；Cfert为标准化的CO2施肥因子；ε为光能利用率；fAPAR为植被冠层可吸收的光合有效辐射比例;c为气候效率系数;sg,d为逐日太阳入射总辐射通量;Ad为植被自养呼吸率。

海岸淤积/蚀退率 大辽河口河口地区平均淤积/蚀退率大于1时，属于不敏感，小于1时属于极度敏感区。根据遥感影像解译的分析结果[21]，1988—2007年间，大辽河口陆地总体面积呈增长趋势，因此河口平均淤积/蚀退率大于1，属于不敏感地区。

多样性指数

H′=-∑pi/Inpi。

(5)

式中：H′表示某景观类型出现的面积比重；pi为景观类型i所占的面积比例。该值越大，说明景观结构复杂，类型越多样化，生态系统结构越稳定，抗扰动能力越突出。

植被覆盖度 植被覆盖度是区域内林地和草地占总区域面积的比例，反映了土地裸露的程度，可通过对遥感影像的解译结果获取。

土地利用 根据各土地利用类型对生态环境施加的消极影响程度。土地利用指数成为根据土地利用进行敏感性定级的依据，其计算公式如下表达：

(6)

式中：Lj为区域土地利用程度的综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i级土地利用程度分级面积百分比；n为所定的土地利用程度分级数量。

污染程度 大辽河流域环境污染问题主要集中在水稻田由于施肥和施药造成的面源污染，以及河流作为上游污染源的宣泄地造成的线源污染，因此，离这两种污染源距离越远，污染敏感性越小。在本研究中使用GIS软件ArcGIS中的Spatial Analyst分析模块中的直线距离函数Straight-Line Distance量测图中栅格单元每一点到这些污染源的直线距离，采用ArcGIS自然分级法，定为5级，距离越近，敏感程度越高。

人均耕地 发达国家人均耕地为0.48 hm2，中国人均耕地红线为0.075 hm2，根据此标准进行分级。

农民人均收入 以2008年全国农民人均GDP统计数值为参照，按照农民GDP与生境质量的关系，将人均GDP按照敏感性进行分级。

人口密度 根据相关文献资料[24]，依据辽宁省人口承载力[25]和中国人口密度的总体分布背景进行计算，将人口密度与生态环境质量敏感性关系进行分级。

人口素质 根据《31个省区市社会发展发生新变化》计算结果，以全国人口素质总值为背景，按照聚类关系，划分出敏感性等级。

通过上述计算及相关资料，结合大辽河口区域的相关特点和专家意见，整理出各指标分级表，如表1所示。

表1 生态环境敏感性评价因子分级Table 1 Grading standards of the evaluation factors of eco-environmental sensitivity

Note：①Index type;②Insensitivity;③Low sensitivity;④Modenate sensitivity;⑤High;⑥Extreme scnsitivity;⑦Climate stablity/Interannual variability of precipitation;⑧Coastal sedimentation/erosion ratio

2.3 研究方法

首先使用层次分析法法确定图2中各评价指标的权重，再利用模糊综合评判法计算模糊综合指数得到沿岸湿地退化敏感度。

2.3.1 层次分析法(AHP) 层次分析法(AHP)[26-27]是一种定性与定量相结合的分析方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行比较和计算，就可以得到不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。层次分析法的步骤包括：(1)构造递阶层次模型(见图2)；(2)按照各评价因子相互之间的内在关系，采用1～9标度法，通过两两比较，构造出判断矩阵；(3)分别计算各个判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，从而求得各层次相对于上一层次各个因素的单排序权重值，并进行一致性检验；(4)进行层次总排序，求算出各评价因子对大辽河地区生态环境敏感度的最终作用权重值，并进行一致性检验。只有通过一致性检验，才能判断所构造的判断矩阵是否真实的反映各比较因素间的客观权重，本研究所构造的判断矩阵的一致性检验结果都小于0.1，通过一致性检验，认为得到的结果(见表2)可以用来作为大辽河地区生态环境敏感性评价各个指标的权重。

表2 大辽河地区生态环境敏感性评价指标体系Table 2 Evaluation index system of the eco-environmental sensitivity in the Daliaohe River

Note：①Code;②Title;③Weight

2.3.2 模糊综合评判 模糊数学在土地质量、土壤生产力定量评价等方面的应用很广泛。模糊综合评判[28]是根据多变量对事物进行评价的一种方法。通式可用数学模式表示：

A·R=G。

(7)

式中：A称为输入，它是由参加评价因子的权重经归一化处理得到的一个由aj组成的(1×m)阶行矩阵；R被称为“模糊变换器”，它是由各变量对各等级标准因子的隶属度rij组成的一个(m×n)阶模糊关系矩阵；G称为输出，是综合评价的结果，它是一个由gj组成的(1×n)阶行矩阵，其中m为评价因子个数，n为评价等级个数。

本研究选择了加权平均型的模糊综合评价模型进行沿岸湿地土壤退化敏感性评价。方法如下：

(1)综合评价空间为三元组(U,V,R)，其中：

U={u1,u2,u3,…,un}为评价因素集，为图2中确定的各个指标组成的集合；

V={v1,v2,v3,…,vn}为评价等级集，为表2中确定的各因素的评价等级值组成的集合，如污染程度的评价等级集为{29.5，23.6，17.7，11.8，5.9}；

R∈F(U×V)为模糊评价矩阵，rij(i=1,2,…,m j=1,2,…,n)为评价值，表示第i个因素对第j个等级的隶属度,

(8)

(2)通常采用降半梯形[29]法求得各分类内因子对各等级标准因子的隶属度，并据此建立隶属关系矩阵，当vi>vi+1时，

vi的隶属函数为：

(9)

vi+1的隶属函数为：

(10)

式中：x为单因子实测值；vi，vi+1分别表示因子的i级和i+1级标准值。若vi

(3)模糊综合指数用FCI表示，其中S为等级标准向量，ST={1,2,…,m}。本研究所采用的标准等级向量为ST={1，2，3，4，5}，对应表示的等级为不敏感，轻度敏感，中度敏感，高度敏感，极敏感。模糊综合指数为最后的敏感度综合评价值，解析式为：

FCI=G·S。

(11)

2.3.3 指标评价过程 根据模糊综合评判原理，G=A·R，FCI=G·S，即FCI=A·R·S。即先将各个指标通过隶属度函数计算出模糊评价矩阵R，乘以等级标准向量S，得到一个各指标的评价指数FCI′=R·S，再运用ArcGIS软件的栅格运算器进行加权叠加，完成FCI=A·FCI′的运算，最后出图。

将评价指标分为两类，第一类指标是一致性较强的指标(如研究区的干燥度一致，均为1.1)，包括干燥度、气候稳定性、海岸淤积/蚀退率、初级生产力、多样性指数、土地利用、人均耕地、人均纯收入、人口密度、人口素质；第二类指标是地区一致性较差需要细化到栅格单元的指标(如污染程度，整个地区的水平相差很大)，包括土壤因素、植被覆盖度、污染程度，应该分别采用不同的计算方法。

对于第一类指标运用简单的FORTRAN编程即可完成，将10个指标都计算好后，根据AHP得到的权重加权运算，得到这些指标的加权值。这个工作利用EXCEL即可完成。然后，在盘锦和营口地区行政区划轮廓图中，添加新的字段，名为“一类指标”，设置合适的参数。启动编辑器“Editor”，在各个县市中输入第一类指标的敏感指数加权值。打开Arctoolbox中的工具Polygon to raster，设置输入输出文件，选择“cell size”为30。

对于第二类指标的计算，需要启动Arctoolbox中的工具“Raster to ASCⅡ”，将栅格数据导出为二进制文件的形式，再通过编写的FORTRAN程序进行运算，得到这一个各指标的评价指数FCI′，通过“ASCⅡto Raster”工具导回GIS软件，生成栅格图。其中土壤因素由土壤类型图得到，本身根据土种分级为1、2、3、4、5，即为FCI′，无需再计算。

最后利用ARCGIS软件的栅格运算器进行图层加权叠加，得到最终的评价结果。

3 综合评价结果及分析

将结果按照评价等级进行分级，可视化后如图3所示，即大辽河地区沿岸湿地退化敏感性评价结果为中度敏感和高度敏感。

结果表明，整个研究区域的生态敏感性由西北向东南呈现出先升高再降低的趋势。高度敏感的区域占大部分，是主要的敏感类型，土地面积约为5975.55km2，占总土地面积的69.62%，在全区除盘山县以外的5个县市均有分布,其中盘锦市的东部、西南少数地区以及大石桥市的中部和南部少数地区的敏感度值最高，大洼县的大部分地区和盖州市的大部敏感性相差不大。中度敏感的地区占总地区土地面积的份额较小，土地面积约为2607.42km2，占总土地面积的30.38%，主要分布在盘山县区，盖州东南部分地区，其中盖州东南部分地区的敏感性最低，盘山县的东部和南部大部分地区的敏感性要高于县内的其它地区。

图3 大辽河地区生态敏感性等级图

敏感性分类①土地面积②/km2占总土地面积③/%中度敏感④2607．4230．38高度敏感⑤5975．5569．62

Note：①Sensitivity analysis;②Lanel area;③Percentage of tolal land area;④Moderate sensitivity;⑤Hige sensitivity

高度敏感区中，土地利用类型多为养殖区、水稻田和建筑用地。这部分地区经济比较发达，盲目追求经济效益而带来的生态环境破坏是造成沿岸湿地退化的重要因素。因此在该区要恢复与保护原生植被，提高生态系统的多样性与稳定性，建立生态良性循环，加强土地的使用和管理，采用科学合理的发展模式，实现科学发展和可持续发展。

中度敏感区中，盘山县生长有大片芦苇地和部分盐碱地，盖州市多为山区林地，生态环境较好，在该区应该以“在保护中开发，在开发中保护”为指导原则进行适度开发，避免对生态环境的破坏，力求经济和环境协调发展。

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责任编辑 庞 旻

Assessment on Eco-Environmental Sensitivity in Daliaohe Area

CHEN Shuang1,2, MA An-Qing1,2, MA Bing-Ran1,2, LI Zheng-Yan1,2, JIAO Jun-Chao1,2, CUI Jing-Lan3

(1. The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100,China; 2. College of Environmental Science and Engineerning, Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 3. College of Environment and Resources, Zhejiang University, Hangzhou 310029,China)

In order to prevent the decline of wetland function and promote the ecological environment protection of river and wetland in Daliaohe region, this study established a regional eco-environmental sensitivity evaluation index system in Panjin and Yingkou. Combined with GIS technology, AHP and fuzzy evaluation model, this study calculated the level of sensitivity and the spatial distribution of the study area. The evaluation results indicated that ecological sensitivity in Daliaohe region showed significant differences in the aspect of spatial distribution; moderately sensitive areas were mainly distributed in some parts of the southeast in Panshan, Gaizhou, the square was 2607.42km2, 30.38% of the total land area; highly sensitive area accounted for most of the study area, covering the Panjin, Dawa, Yingkou, Dashiqiao and most areas of Gaizhou, the square was 5975.55km2, 69.62% of the total land area. Moderately sensitive areas should be developed moderately to avoid ecological damage; highly sensitive areas should recover and protect native vegetation, and increase the diversity and stability of ecosystems to achieve sustainable development.

eco-environmental sensitivity； AHP； fuzzy comprehensive evaluation； Daliaohe Area

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07526-001-02)；辽河河口区大型湿地生态修复关键技术与示范研究项目(2008ZX07208-009)资助

2014-06-27；

2014-09-10

陈 爽(1986-)，女，研究生，研究方向为RS与GIS在环境工程中的应用。

❋❋ 通讯作者： E-mail:anqing@ouc.edu.cn

X8

A

1672-5174(2015)09-103-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140210