基于GIS的湖南省植物园生态敏感性分析

彭琳玉，胡希军

(中南林业科技大学 风景园林学院，湖南 长沙 410004)

1 引言

随着社会的发展和人类活动的加剧，自然资源不断遭到高强度的开采和利用，城镇空间不断扩张，对区域的生态环境和可持续发展造成了严重威胁[1]。近年来，生态环境问题备受关注，生态保护也被提到了前所未有的高度，贯彻和落实生态文明建设是当前的重要任务[2]。生态敏感性评价能够科学地从环境问题的发生机制评估区域的生态环境情况，是实现生态资源管控保护与合理生态规划的重要途径[3，4]。

生态敏感性即生态系统在人类活动干扰和自然环境变化影响下的敏感程度，反映了该区域发生生态问题的可能性、难易程度以及自我恢复的能力[5，6]。随着ArcGIS技术发展的逐步成熟，区域生态敏感性分析可通过ArcGIS平台实现数据的定量化与可视化，使得结果更为科学直观，这也为协调区域规划开发和生态环境的保护提供了科学依据，能够在未来发展中有效缓解人类，社会，生态环境之间的矛盾。

目前国内外生态敏感性相关的研究成果较多。国外学者Mcharg最早开创了生态敏感性研究，通过适宜性评价和叠加图层的方法确定用地选址[7]。国内学者欧阳志云[8]、林涓涓[9]等分别首次提出了生态敏感性和流域生态敏感性的概念，为国内生态敏感性研究奠定了基础。在研究尺度上，生态敏感性研究多集中于省[10]、市[11]、流域[12]、自然风景区[13]等研究尺度，而针对小尺度区域的生态敏感性研究相对较少。本文以湖南省植物园为研究对象，构建合理的评价体系，运用ArcGIS技术对研究区进行生态敏感性分析，并探讨土地利用变化对生态敏感性的影响，提出相关建议。

2 研究区概况

湖南省植物园位于湖南省长沙市雨花区洞井镇，地处雨花区交通枢纽核心地带，隶属亚热带季风性湿润气候，年平均气温17.2 ℃，降水集中在3～5月，年均降水量为1361.6 mm。湖南省植物园地表发育的土壤多为沙土，山脊多不相连，山势较陡峭，东侧和东南侧为红岩丘岗，东北侧为花岗岩低山丘陵地带。地理坐标为113°0′52″～113°2′13″E、28°5′59″～28°6′49″N，占地总面积约为140 hm2。

3 研究方法

3.1 数据处理

文中所用到的数据包括湖南省植物园矢量边界；1∶10000湖南省植物园CAD地形图；2009、2013和2017年湖南省植物园三期遥感影像图；12.5 m的DEM数据，以及实地调研的数据资料等。结合卫星遥感影像图和实地调研材料在CAD中分别提取出2009、2013和2017年湖南省植物园道路，建筑，水体、绿地等用地类型，分别导入ArcGIS制作三期的土地利用分类图，同时通过ArcGIS中的空间处理模块生成研究区的高程，坡度，坡向分布图(如图1、图2、图3所示)，构建生态敏感性分析数据库。

图1 湖南省植物园高程分布

图2 湖南省植物园坡度分布

图3 湖南省植物园坡向分布

3.2 评价因子的选择与分级

确定评价因子是进行生态敏感性分析关键的一步，选择不同的评价因子会直接影响到最终的分析结果。张广创[14]选取了高程、坡度、坡向、积温、降水、植被覆盖度、水域缓冲区、土地覆被类型、土壤类型9个指标对锡尔河中游生态敏感性进行了分析。王浩程[15]等选取了高程、坡度、水域、土地利用类型和道路交通等5个因子，结合层次分析法和加权叠加法对研究区域进行了综合生态敏感性评价。刘澜[16]等基于地形地貌、坡度、坡向、土地利用类型、交通通达度、地质灾害和水域距离等7个评价因子，对太湖东村自然景观生态敏感性进行了评估。

基于评价因子的代表性、数据的可获取性与可操作性等原则，通过咨询相关专家，选取了高程、坡度、坡向、水体缓冲区、道路缓冲区5个因子评估湖南省植物园生态敏感性。运用ArcGIS量化原始数据，按照各评价因子敏感程度的高低分为低敏感区、较低敏感区、中敏感区、较高敏感区和高敏感区5个等级，并且依次赋予评价值1、2、3、4、5(表1)。

表1 生态敏感性单因子等级划分标准

评价因子选取说明如下：

3.2.1 高程

高程对植物生境的影响主要在于不同的高程的植物接受的阳光、土层土壤、雨水径流等都不一样。海拔较高的地方气温变化大，温度较低，不利于有积温要求的植物生长。根据调查研究，随着海拔的逐渐升高，环境温度也随之降低，海拔每上升10 m，环境温度就会下降0.6 ℃，因此植物的分布会随着高程的变化呈现出明显的垂直分布特点，生态系统也会呈现出垂直特征，并随着海拔的升高变得更加脆弱。

3.2.2 坡度

坡度越大的地方，雨水径流一般较大，越容易造成土壤的侵蚀和滑坡，生态系统的抗干扰能力越差，因此这些区域的生态敏感性更强。

3.2.3 坡向

坡向在很大程度上影响了植被接受太阳光照的时长，也导致了不同坡向的温度差异。从北半球的光照规律来看，南坡所接受的日照显然要比北坡充分，土壤水分蒸发也较快易造成植物缺水，不利于植被的生长，因此北坡生物多样性较高，生态敏感性也较高。

3.2.4 水体缓冲区

水源不仅为其周边的动植物提供了必要的生存条件，还能潜移默化地调节片区的环境小气候，有益于维护生态系统。同时水域生态环境也较为脆弱，容易受到人为活动的干扰。湖南省植物园内存在樱花湖等多个水体区域，可根据到水体的远近距离依次划分敏感度级别。

3.2.5 道路缓冲区

缓冲区分析是探究人类活动干扰下生态环境变化问题的重要途径之一，缓冲带是没有加入道路本身宽度的单侧宽度范围。在GIS的支撑下，构建道路缓冲带，并统计各敏感性等级缓冲带的面积。

3.3 缓冲区分析

缓冲区分析是以点、线、面等作为空间对象，在其周围自动建立一定宽度范围的缓冲区多边形图层，是用来解决邻近度问题的空间分析工具之一。本文中通过缓冲区分析得到水体缓冲区与道路缓冲区单因子生态敏感性分析图。

3.4 权重的确定

根据分析因子在敏感性中的重要性不同，通过专家打分建立生态敏感性判断矩阵，以两两比较的方式计算得出敏感性因子的权重如表2所示。

表2 权重分布

3.5 ArcGIS加权叠加分析

加权叠加是ArcGIS中常用的空间分析工具，目前已广泛运用于选址适宜性分析、生态敏感性分析等多种研究领域。根据前文计算出的评价因子权重，将各单因子生态敏感性分布数据在ArcGIS中进行叠加整合，根据评价等级的划分对得叠加的结果进行重分类并赋予评价值，最终得到综合性图层。

4 结果与分析

4.1 单因子生态敏感性分析

4.1.1 高程因子生态敏感性分析

由图1所知，研究区域最低海拔为48.23 m，最高海拔为105.20 m，根据最低海拔与最高海拔的高差，将高程分为5等级，形成高程因子敏感性分析图(如图4a所示)。由分析结果可知，48～65 m(低敏感区)，面积为5.74 hm2，占比4.1%；65～76 m(较低敏感区)，面积为24.36 hm2，占比17.4%；76～85 m(中敏感区)，面积35.84 hm2，占比25.6%；85～93 m(较高敏感区)，面积为40.18 hm2，占比28.7%；93～106 m(高敏感区)，面积为33.88 hm2，占比24.2%。由高中低三个层次敏感区面积占比可知，植物园内地形起伏不平，高程因子在一定程度上影响着研究区的生态敏感性。全园以高敏感区和较高敏感区为主，大片分布于研究区的中西部和中东部，北部片区也有零散分布。

4.1.2 坡度因子生态敏感性分析

坡度划分为了0°～5°(低敏感区)，5°～15°(较低敏感区)，15°～25°(中敏感区)，25°～35°(较高敏感区A)以及35°～45°(高敏感区)五个级别，得到坡度因子生态敏感性如图4b所示。由分析结果可知，低敏感区和较低敏感区所占面积分别为26.74 hm2和35.98 hm2，占比分别为19.1%和25.7%，主要集中分布于研究区中北部，部分零散分布于东、西部。中敏感区为37.38 hm2，占26.7%，主要零散分布在研究区边缘地带。较高敏感区和高敏感区所分布的面积较少，分别为27.58 hm2、12.32 hm2，共占比28.5%，集中分布在植物园南部边缘地带。植物园中坡度因子主要以低敏感和较低敏感区为主，对于外界的干扰具有一定的抵抗力，因此可进行适当的开发建设，增设园内服务设施。

4.1.3 坡向因子生态敏感性分析

按照北半球每个坡面受到光照的长短以及被阴影覆盖的时间长短，划分5个级别后得到坡向生态敏感性分析图如图4c所示。其中，高敏感区分布面积最多为36.54 hm2，占比26.1%。较高敏感区和中敏感区面积分别为26.18 hm2和24.08 hm2，分别占18.7%、17.2%。较低敏感区和低敏感区分别为31.22 hm2、21.98 hm2，分别占22.3%和15.7%，除高敏感区分布面积较大以外，其他级别的区域分布相对较为均匀，不同坡向对于生态敏感程度存在一定影响。

4.1.4 水体缓冲区生态敏感性分析

水体的生态脆弱性较高，容易受周围环境的影响，根据湖南省植物园水体的质量以及其面积的大小，将水体缓冲区分为距离水体350 m以上(低敏感区)、200～350 m(较低敏感区)、100～200 m(中敏感区)、50～100 m(较高敏感区)、距离水体50 m以内(高敏感区)，共5个缓冲区(图4d)。其中中敏感区分布面积最多为45.08 hm2，占比32.2%，较高敏感区和高敏感区同样也占有较大比重，面积分别是31.08 hm2和23.94 hm2，分别占22.2%、17.1%。低敏感区和较低敏感区面积为18.9 hm2、21 hm2，分别占13.5%、15%，主要分布于植物园的东、西边缘区域及北部边缘区域，与周边交通要道及居民区临近，受到的人为干扰较频繁，因此生态敏感程度反而较低。

4.1.5 道路缓冲区生态敏感性分析

湖南省植物园主要以小型游路为主，将道路缓冲区划分为20 m以内(低敏感区)，20～60 m(较低敏感区)，60～140 m(中敏感区)，140～300 m(较高敏感区)及300 m以上(高敏感区)五个等级(如图4e所示)。道路缓冲带中低敏感区和较低敏感区面积超过了总土地面积的一半，分别为45.22 hm2和47.04 hm2，共占比65.9%。中敏感区为30.66 hm2，占21.9%。较高敏感区为15.4 hm2，占11%。面积最小的为高敏感区，1.68 hm2，仅占1.2%。由分析结果可知，高敏感区及较高敏感区面积远小于低敏感区域和较低敏感区之和，说明道路的开发建设破坏了周边原有的生态环境，导致周边生态敏感性的降低。

图4 单因子生态敏感性分析

4.2 湖南省植物园综合生态敏感性评价分析

通过ArcGIS将所有评价因子进行加权叠加，并将叠加结果划分为5个等级，经重分类后得到综合生态敏感性图层(如图5所示)。通过统计分析可知，研究区域内低敏感区面积占7.2%、较低敏感区面积占23.6%、中敏感区面积占43.8%、较高敏感区面积占20.3%、高敏感区面积占5.1%。根据研究结果可知，中敏感区面积分布范围最广，中敏感区及以下的面积综合远远大于较高敏感和高敏感区，由此可见，植物园中发挥着重要生态作用的区域面积处于较低水平，而具备一定生态功能的中敏感区也不断受到外界活动的干扰，存在生态敏感度下降的趋势，不利于植物园生态系统的稳定与发展。

由图5可知，湖南省植物园内的低敏感区及较低敏感区主要分布在植物园中北部，东南部红线边缘及西部边缘也少有分布，均为地势较低且坡度平缓的区域，这些区域建筑与道路的密度相对较高，受人类活动的影响也最大，区域内植被抗干扰能力也较强，是园内较为适合建设服务设施，或开展户外活动的区域。

图5 湖南省植物园生态敏感性综合评价分析

中敏感区主要分布于植物园东部和南部，大多都为坡度较缓和的区域，区域中的植被比较丰富，生态环境与自然景观资源较好，同时也具备一定的抗干扰能力，但过多的人为活动依然会影响到其生态平衡，在对此区域的建设开发中应考虑可行性和生态维护管理。

较高敏感区以及高敏感区大多为生态价值高，植被丰富度高，自然资源较为丰厚的区域，多分布于海拔较高，坡度陡峭的区域。人为的干扰会直接破坏其生态系统的稳定性，甚至导致区域内环境的循环恶化，造成不可恢复的损害，因此对该区域应当加大保护力度，建立完整的管控体制，同时提高植被覆盖度和生物多样性。

4.3 土地利用变化对生态敏感性的影响

土地利用类型是反映土地性质、用途以及分布规律的基本地域单位。不同的土地利用类型也反映了不同的人类活动方式，以及其对生态环境造成的影响。本文通对2009，2013，2017三年的湖南省植物园土地利用数据的提取和处理，得到植物园三年土地利用类型分布图和用地面积变化表格(如图6、表3所示)。

图6 湖南省植物园三期土地利用类型分布

(1)由表3可知，2009～2017年间，道路面积从4.48 hm2逐步增加到到5.60 hm2，表明了植物园为便于游客休憩游玩建设了更多的园路，人为活动的增多，使得园内高生态敏感区域和低敏感区域不断发生置换，将导致园内道路缓冲区低敏感或较低敏感区域的增多，中敏感以及中敏感以上的区域减少，由此可知园路的修建在一定程度上影响着植物园的生态敏感性区域的分布。

表3 湖南省植物园三期土地利用面积变化 hm2

(2)园内建筑面积也呈逐步增多的趋势，面积由1.96 hm2增加到4.06 hm2。由于植物园内的生态环境良好，选择来植物园游玩的人数也日益增多，使得植物园内不断建设和完善相应的服务设施，占用了园内部分的自然资源，同时也带动了周边居住用地价值的上涨，建筑数量增多，人为活动更为频繁，也势必生对园区生态环境造成影响。

(3)水体面积在2013至2017年内减少了0.84 hm2，期间植物园内的部分水域被开发为游乐园，导致了水体及其周围原有植被遭到破坏，进而造成了由高敏感区域转变为低敏感区域的局面。

(4)园内的绿地面积数量呈逐年下降趋势，2009～2017年间，绿地面积共减少了2.38 hm2，作为园内生态系统的基本载体，绿地的持续减少将会对区域生态系统平衡造成威胁。

5 结论

本文通过选取高程、坡度、坡向、水体缓冲区、道路缓冲区为评价因子对研究区生态敏感性进行了具体分析，并运用ArcGIS技术，分析了研究区三期土地利用变化对生态敏感性的影响。植物园中低敏感区和较低敏感区多分布在园区的北部、西南部等边缘地带和道路缓冲带。高敏感区域面积较少，多分布于东、南部片区及北门片区。中敏感区域面积分布最广。根据不同敏感性级别的数量分布情况，可进行分区管控。在今后的发展中应当加强对植物园高敏感区域保护和管制，严禁随意开发建设；对于中敏感区可适当开放，同时提升中、高敏感区的生境质量，加强管控园区内及其周边建筑的密度和高度。在保护好生态环境的前提下，可适当地对群众开放，以增强群众的环境保护意识，协调园内生态可持续发展。