天水市生态敏感性分析研究

乔育，种培芳

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

生态敏感性是指生态系统对区域内自然环境变化和人类活动干扰的敏感程度，反映生态系统遭到自然或人为因素干扰时发生生态环境问题的难易程度和概率大小[1-5].生态敏感性分析及评价是综合多种环境影响因素来反映区域生态系统是否稳定的重要方法与手段[6-9].合理的生态敏感性分析能够为区域资源利用、开发提供理论基础[10].生态敏感性的评价起初多是针对项目中某种特定的生态环境问题进行单因素评价，随着研究的深入，众多学者开始利用多个因素进行生态敏感性综合评价.目前，诸多学者对脆弱生态环境评价理论与方法应用进行了大量的研究，在评价方法上，主要倾向于采用数学方法对生态环境脆弱性进行定量评价，如模糊综合评判法、生态脆弱度指数法、层次分析(AHP)法、主成分分析法等.同时，生态脆弱性评价指标体系的构建问题[11]，一直被许多学者所关注，不同研究人员针对所研究的对象各自建立了不同的评价指标体系，不仅借助3S技术深入到各类型区域，而且在旅游资源规划、景观格局规划、承载力评估、城市建设等多领域得到应用.其研究尺度从国家、流域到省市级，研究日趋精细[12].评价方法正处于探索与发展阶段，对指标体系选择存在较大随意性，还未形成统一标准[13].

天水市是关中平原城市群次核心城市、丝绸之路经济带重要节点城市、也是全国老工业基地和重要的装备制造业基地之一，因此，对天水市进行生态敏感性分析研究对推动区内经济、社会、生态、文化建设具有重要意义.为天水市生态旅游资源的合理开发提供了有意义的参考价值，也为天水市生态环境保护与土地开发利用提供依据.

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

天水市地处甘肃省东南部(N 34°05′～35°10′，E 104°35′～106°44′)，陕、甘、川三省交界处，全市横跨长江、黄河两大流域，新欧亚大陆桥横贯全境.至2013年10月31日，天水市下辖秦州区、麦积区两个市辖区，甘谷县、武山县、秦安县、清水县和张家川回族自治县5个县，区域总面积14 325 km2，总人口340万(2012年)，常住人口372万，其中城镇人口120万，城市化率达到33%，城区人口60.3万.东西全长约197 km，南北跨度约122 km[14].研究区地形复杂，地势西北高，东南低，海拔1 000～2 100 m，市域内平均海拔高度为1 100 m[15]，地跨长江、黄河两河流域，以西秦岭为分水岭[16-17].天水市属温带季风气候，年平均气温为11 ℃，年平均降水量为491.7 mm，南部亚热带林区年降水量为800～900 mm，中东部山区降水量为600 mm，渭河北部不及500 mm，降水量自东南向西北逐渐减少.境内渭河长约280 km，多年平均径流量15亿m3，平均流量47.4 m3/s,最大峰值可达6 170 m3/s，最小约13.95 m3/s.渭河光在麦积区内有61条较大的支流，流域面积大，覆盖范围广，形成向四周延伸的水网.森林总面积39.33万hm2，森林覆盖率为45.5%，天然林地主要分布在东部、东南部.研究区域内土地利用类型主要有耕地、林地、草地、水域以及建设用地等.土壤以山地褐土、山地棕壤土和山地草甸土为主.

1.2 数据来源

本研究基础数据包括2018年的Landsat-8遥感影像、ASTER DEM(30 m×30 m)数据、天水市政区矢量图、MODIS GNDVI数据(50 m×50 m)和1∶600 000河流矢量图.用ENVI对Landsat-8数据通过预处理和监督分类获得土地利用类型数据，再用ArcGIS软件提取出该区域的高程和坡度坡向数据，对水域数据做缓冲区分析，利用ENVI对MODIS GNDVI数据进行大气矫正、辐射定标和投影转换(WGS-1984_Alber投影)等预处理得到研究区的植被归一化指数(NDVI)数据.

2 研究方法

2.1 评价因子的选取及等级体系的划分

本研究依据整体性、层次性、区域特殊性和可操作性原则，选取能准确反映生态脆弱性且容易获取的评价因子[18]，本研究参考《生态功能区划技术暂行规程》对生态环境现状评价的规定内容并结合咨询专家选取6个生态环境因子：高程、坡度、坡向、水系、植被覆盖度、土地利用作为生态敏感性分析的主要因子.对因子构建相应的评价指标体系，并将各单因子敏感性划分为不敏感区、轻敏感区、中度敏感区、高度敏感区、极敏感区5个等级并赋值为1、2、3、4、5.具体如表1所示.

表1 生态敏感性因子等级体系

2.2 评价指标权重的确定

生态环境经常受到各个方面的影响，所以在进行生态敏感性评价时，常采用多因子综合方法，各因子对生态敏感性的影响程度不同，故应具有不同的权重.通过层次分析(AHP)法计算各因子权重并运用层次分析法构造生态敏感度两两判断矩阵，排序计算得出各评价因子的权重，最后通过一致性检验来判断所确定的权重值是否接近客观实际[19].

层次分析法基本计算步骤如下:

1)构建递阶层次模型.将天水市生态敏感性设定为目标层，地形和生态要素两大因素设定为一级指标，二级指标层为6个生态因子.

2)极差法构造判断矩阵:

f(ri.rj)=CijCb(ri.rj)/R得出矩阵C=(Ci,j)m×m为一致性判断矩阵.其中Cb为常数，是按某种标准预先给定的极差元素对相对重要性程度Rmax-Rmin为极差，式中：

Rmax=max{r1,r2,r3,…,rn},Rmin=min{r1,r2,…，rn}.

3)进行一致性检验：C=(Ci,j)m×n=C×Wt.

2.3 AHP法构造敏感性评价矩阵

采用AHP法构造生态敏感性两两判断矩阵，求得矩阵的特征向量B=[0.104，0.165，0.065，0.140，0.160，0.366]和矩阵最大特征值γmax=6.071，因为γmax>4，需要对矩阵进行一致性检验，一致性指标CI=(γmax-n)/(n-1)，经计算CI=0.014，通过查表可以得到矩阵的平均随机一致性指标(RI)，当n=6,RI=1.260.再计算一致性比率CR=CI/RI，经计算通过一致性检验得出CR值为0.011，在0～0.1之间，说明对生态因子的权重判断是可行的；各因子的权重为W=[0.104，0.165，0.065，0.140，0.160，0.366].

由表2可见，在天水市的6个指标中，权重系数从小到大依次为：坡向(0.065)、高程(0.104)、水域(0.140)、植被覆盖度(0.160)、坡度(0.165)、土地利用(0.366).从指标权重可以看出，坡度因子和土地利用因子是影响天水市生态脆弱性程度高低的重要因素.

表2 生态敏感性分布统计结果

2.4 空间叠加分析

利用 ArcGIS 10.6的空间分析功能对6个单一敏感性因子进行空间叠加分析，得到综合敏感性评价结果.生态敏感性数学模型如式(1)所示：

(1)

式中，i：为评价单元编号，k：评价因子编号，n：为评价因子总数，Si为第1个评价单元的综合值，W为第W个评价因子的权重，Ci(k)为第i个评价单元的第k个评价因子敏感性评价值.采用ArcGIS 10.6进行水域缓冲区处理、叠加等对因子进行分析，就能够完成天水市范围内生态敏感性的综合评价、空间分布和面积统计等分析[20].

3 结果与分析

3.1 单因子生态敏感性分析

3.1.1 高程生态敏感性分布 高程对于生态敏感性评价是一个重要的因子.高程的变化引起气候的变化，一般海拔越高温度随之降低，海拔每上升100 m，年平均气温下降约0.6 ℃，随之也导致植物分布以及生态体系在高程上垂直分布特征的变化.随海拔的上升，生物多样性相应降低，环境自身的抗干扰能力相应降低，生态敏感性就越高.从图1及表2可以看出，极敏感区面积约为977.05 km2，占区域总面积的7.09%，主要分布在武山县、张家川回族自治县、还有一少部分分布在麦积区等地势较高的区域.

图1 高程生态敏感性图

3.1.2 坡度生态敏感性分析 坡度表示这个地方倾斜的大小幅度，倾斜的大小影响地表面的物质活动与能量之间转换的规模与强度，都会因为坡度的不同程度而呈现出不一样[21].其中极敏感区面积约为1 069.68 km2，占区域总面积的7.77%，高度敏感区面积约为2 382.79 km2，占区域总面积的17.31%；中度敏感区面积约为3 526.03 km2，占区域总面积的25.61%；轻度敏感区面积约为3 983.56 km2，占区域总面积的28.94%；不敏感区面积为2 807.18 km2，占区域总面积的20.39%.

图2 坡度生态敏感性图

3.1.3 坡向生态敏感性分析 坡向是小气候条件形成的重要因子，由于我国地处北半球，山体的南坡受到的太阳辐射以及辐射时间都要大于北坡，使得我国的山体大多呈现南坡植被类型均多于北坡.由于北坡接受的阳光照度时间较少，导致北坡生境系统性不稳定，生态敏感性较脆弱，一旦北坡受到生态的破坏将不容易修复，而南坡则较好保护.其极敏感区面积2 896.39 km2>轻度敏感区面积2 818.99 km2>不敏感区面积为2 760.58 km2>高度敏感区面积2 712.15 km2>中度敏感区面积2 581.14 km2.

图3 坡向生态敏感性图

3.1.4 水域生态敏感性分布 从图4及表2可以看出，水域生态敏感性整体上在各因子中最低.其中极敏感区面积约为447.51 km2，占区域总面积的3.25%，主要分布在河流100 m的缓冲区内；高度敏感区面积约为458.81 km2，占区域总面积的3.33%，主要分布在河流100～500 m内的缓冲区域内；中度敏感区面积约为465.09 km2，占区域总面积的3.37 %，主要分布在河流的500～1 000 m缓冲区域内；轻度敏感区面积约为244.57 km2，占区域总面积的1.77%，主要分布在河流的1 000～1 500 m缓冲区域内；不敏感区面积为12 140.56 km2，占区域总面积的88.20%，分布于离河流较远的地区.

图4 水域生态敏感性图

3.1.5 植被归一化指数生态敏感性分布 植被是衡量地表植被状况的重要指标之一，也是影响土壤侵蚀和水土流失的主要因素[22].从图5及表2可以看出，极敏感区面积约为1 188.68 km2，占区域总面积的8.63%，主要分布在甘谷县、武山县等植被覆盖度稀少的地方；高度敏感区面积约为2 971.94 km2，占区域总面积的21.59%，主要分布在天水市东、西两侧；中度敏感区面积约3 568.29 km2，占区域总面积的25.92 %；轻度敏感区面积约为2 910.14 km2，占区域总面积的21.14%，不敏感区面积为3 129.03 km2，占区域总面积的22.73%，主要集中分布在天水市、麦积区等植被覆盖较高的地带.

图5 植被覆盖度生态敏感性图

3.1.6 土地利用生态敏感性分布 土地利用极敏感区面积约为2 349.02 km2，占研究区域总面积的17.06%，集中分布在林地较多的地方；高度敏感区面积约为10 913.09 km2，占研究区域总面积的79.28%，区域内生态系统单一，占地面积大，敏感性程度高，主要分布在各县区草地和耕地的地方；中度敏感区面积约为81.63 km2，占区域总面积的0.59%，主要分布在水域范围内；轻度敏感区面积约为412.67 km2，占区域总面积的2.99%，而中部密集的城镇化建设使得土地利用类型大多为建设用地和裸地；不敏感区面积12.63 km2，占区域总面积的0.09%.

3.2 综合分析

极敏感区和高度敏感区面积约为387.41 km2和4 585.66 km2，该区域主要受到土地利用类型的影响，主要集中分布在西北部和一些较为平坦的区域，降水量相对较少，植被覆盖度低，对人类活动干扰和自然环境变化的反应程度较大，则此区域内的生态系统容易受到损害，需要加大生态保育，减少大规模开发建设，减少生态环境带来的危害.

图6 土地利用生态敏感性图

中度敏感区面积约为5 575.22 km2，该区域主要受到地形、土地利用类型、植被覆盖度的影响在分区内区域内地形起伏较大，土地利用多以草地、耕地为主，在适度开发时应注重生态环境的保护，有节制、有限度的合理开发，避免对当地的生态环境造成不可逆的危害的.

不敏感区和轻度敏感区面积约为69.63 km2和3 145.77 km2，该区域主要受植被覆盖度的影响，该区以森林、草地为主，其降水量相对较高、植被覆盖度良好，在合理开发的同时兼顾生态保护.

图7 综合生态敏感性图

4 讨论

该研究利用GIS空间分析技术对天水市生态敏感性进行分析研究，综合考虑最终选取高程、坡度、坡向、植被覆盖度、土地利用5个因子作为评价指标，构建适用于天水市的生态敏感性评价指标体系.一方面，由于高程、坡度、坡向、植被覆盖度、土地利用等因素能够准确地反映天水市实际情况和存在生态问题，另一方面，运用GIS空间技术在生态敏感性分析方面的研究较为成熟，使得结果更具可靠性，所得分析图可以直观的体现生态环境的脆弱程度，以便人们进行保护和管理.由于研究资料的限制，指标体系还需完善，如缺少水土流失、水质、泥石流、土地沙化方面的指标，因而得到的结果并不能针对性的说明研究区生态敏感的脆弱度状况.

5 结论

本研究对天水市生态敏感性进行分析，得出结果表明：研究区主要以中度敏感为主，占全区总面积的40.50%，区内均有分布，但主要集中在研究区东西部；其次为高敏感区，占全区总面积的33.31%，主要分布在甘谷县、秦安县等植被覆盖度较低的区域；低敏感区，占全区总面积的22.85%，分布在研究区内的东南部，区域内包括石门、金龙山、麦积山、香积山等风景名胜区；极敏感区，占全区总面积2.81%，主要分布在研究区域的西北部；不敏感等级面积最小，占比0.50%，位于天水市东部，穿插分布在低敏感区内.本研究结果平铺直叙地展示了天水市主要生态敏感区域，不仅为区域开展土地生态建设和保护提供了科学依据，而且为区域土地资源的合理配置提供有效参考.