基于GIS 的山地生态县域生态敏感性研究——以闽侯县为例

万 松，范祝连，邓 双，卞阿娜,2★

（1.福建农林大学·园林学院，福建 福州350002；2.闽南师范大学·生物科学与技术学院，福建 漳州363000）

在当今城镇化的快速推动下，城市空间扩张速度随之加快，生态环境问题面临着巨大的挑战,环境污染、水土流失、土地荒漠化、热岛效应等问题随之而来[1]。生态环境作为人类社会可持续发展的必要前提，其问题的解决刻不容缓。生态环境敏感性是指区域内生态系统面对人类活动干扰以及自然环境变化所做出的反应程度，是该区域遇到干扰时，其生态系统出现问题的难易程度和可能性大小[2-3]。生态环境敏感性评价与分析可以识别出需要重点进行生态环境保护与建设的区域，从而为城市的可持续发展提供科学依据[4]。

目前国内外对于生态环境敏感性的研究较多。在国外，生态敏感性研究起步较早，研究的区域尺度相对较大，研究对象也比较广泛，但其主要是对单一的生态敏感性问题进行研究[5-6]。国内在其研究范围上涵盖了多个尺度，不仅对省域[7]、市域[8]、县域[9]等尺度进行研究，还对乡镇[10]、自然保护区[11]等区域进行了生态敏感性研究。我国对生态环境敏感性的研究实现了从单一性向综合性的转变，研究的内容结合了多个类型的生态环境问题进行综合评价[12]。生态敏感性研究被广泛应用于多个方面，其中包括了土地利用[13]、生态空间区划[14]、生态安全格局的构建[15]、城市增长边界的划定[16]等，并取得了较好的成果。在研究方法上，大多采用多因子加权叠加法来对其进行综合评价，但在评价指标权重的确定上大多无法消除其所用方法的缺陷：舒波等[17]运用了层次分析法对乐山市进行了生态敏感性评价，这使得因子权重的确定过于依赖主观判断；屈赛等[18]通过G1 法对AHP 进行改进来确定各因素权重，对庐山进行生态敏感性评价，但其也受到了较强主观因素的影响，导致结果有一定的误差；李怡等[19]虽然运用变异系数法实现了指标客观赋权，对南昌市进行了生态敏感性空间分异研究，但其也存在一定的弊端，缺乏一定的说服力。

闽侯县作为福州市的山地生态县，依山傍水，在2016 年被授予了“国家生态县”荣誉称号，至此闽侯县力争做“绿水青山就是金山银山”的践行者，故该区域的生态敏感性分析变得尤为重要。本研究以闽侯县为研究区域，选取了具有特征性的评价因子来构建科学合理的指标评价体系。为使评价结果更加客观可行，文章采用层次分析法与变异系数法相结合来确定评价因子权重，并结合评价结果对闽侯县制定了生态环境保护和分区建设的方案，这为闽侯县的可持续性发展提供依据和参考，同时也为其他相似的山地城市提供借鉴。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

闽侯县位于福建省福州市西南侧（25°47′—26°36′ N，118°52′—119°25′ E），南邻福清市，西邻闽清、永泰县，东北部与古田、罗源县相连，总面积为2 136 km2。境内地势起伏大，西北高、东南低，有44 座海拔千米以上的山峰。闽侯县林地资源优越，水系发达，有闽江、乌龙江和大漳溪三大流域穿境而过，是“七山一水二分田”的县。然而随着城市的发展，闽侯境内局部地区正面临着植被破坏、水土流失、水环境污染等生态问题。

1.2 数据来源与处理

本研究所涉及的数据（高程、坡度、坡向、水域缓冲区、植被覆盖指数（NDVI）以及土地利用）主要包含DEM 数据与遥感影像数据，均来自于地理空间数据云。DEM 数据分辨率为30 m，用于获取高程、坡度和坡向信息；遥感数据为Landsat 8 卫星系列的2020 年4 月的30 m 空间分辨率的影像数据，并对其进行辐射定标、大气校正等预处理，用于获取研究区的植被覆盖指数信息。土地利用数据来源于2020 年全球地表覆盖数据(GlobeLand30)，分辨率为30 m，并通过该数据提取出相应的水域数据。

2 研究方法

2.1 评价因子的选取与评价指标体系的构建

生态系统具有开放性、复杂性和不确定性的特点[20]，研究的区域不同，其生态环境问题也不尽相同。生态环境问题一般是自然和人类活动共同作用的结果[21]。侯志华等[22]选取了坡度、土地利用、植被覆盖指数、水体、生态保护区等因子来评价太原市的生态敏感性；张伟等[23]选取了高程、坡度、植被覆盖、地质灾害、河流水库缓冲区等因子来评价山地城市谷城县的生态敏感性。

闽侯县作为一个典型的山地县城，其地形结构复杂，森林资源优越，水资源丰富。结合闽侯县的特点以及其面临的环境问题，文章选取了对闽侯县生态环境影响较大、代表性强的生态因素：高程、坡度、坡向、水域缓冲区、植被覆盖指数（NDVI）以及土地利用。高程会造成生态系统出现垂直分布现象；坡度影响了地质的稳定性，水土流失与土壤侵蚀的可易程度与之有关；坡向决定了坡地接受太阳辐射的强弱，影响植被的生长状况；水域能够起到调节区域内气候、净化环境的作用；植被能够起到稳固水土、净化大气的作用，同时也体现了物种多样性；土地利用反映了人类活动干预自然环境所产生的结果。本研究将各因子敏感程度分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感以及极度敏感5 个等级并对其进行赋值。参考相关研究成果[24-26]，建立起由选取的6 个生态因子组成的生态敏感性评价指标体系（表1）。

表1 评价指标体系Tab.1 Evaluation index system

2.2 指标权重的确定

2.2.1 层次分析法确定权重

本方法根据相关专家9 分制打分原则，对每两两指标判断其相对重要性。用1～9 及其倒数，按每个敏感因子重要性进行打分。然后将打分结果录入yaahp软件，并构成各层判断矩阵，得出判断矩阵的一致性检验结果（CR=0.0277＜0.10），其一致性检验通过，最后得出各要素权重（表2）。

表2 层次分析法确定因子权重Tab.2 The factors weight value determined by AHP method

2.2.2 变异系数法确定权重

变异系数法是能够反映数据差异程度的统计量，是一种客观的赋权方法。它的原理是通过在评价体系中指标取值的差异程度来确定该指标的权重，一个指标的变异系数越大，则其相应的权数就越大[27]。变异系数法能够反映因子内部的结构问题。其公式为：

式（1）中bi表示因子权重，vi是评价因子的变异系数，si是评价因子的标准差，x¯表示因子的平均值，根据上述公式推算得出权重(表3)。

表3 变异系数法确定因子权重Tab.3 The factors weight value determined by variance method

2.2.3 组合赋权法确定权重

层次分析法作为主观赋权法，容易造成主观上的过强偏好，会导致结果与实际不符；变异系数法作为客观赋权法，其过于依赖实测数据，完全摆脱了决策者的经验知识[28-29]。为避免单一方法确定权重的不足，采用层次分析法以及变异系数法来共同确定各生态因子的权重，削弱专家的主观偏好，使得出的权重更加科学。基于前人相关研究[30-31]，采用乘法合成归一法对层次分析法和变异系数法得出的权重进行耦合，其公式为：

式（2）中wi表示组合权重，ai为层次分析法确定的权重，bi为变异系数法确定的权重，通过上述公式计算得到高程、坡度、坡向、水域、植被覆盖指数（NDVI） 以及土地利用这6 个指标的权重分别为0.0512、0.0879、0.0550、0.4515、0.2449、0.1095。

2.3 叠加分析

结合多个因子用加权叠加法，利用ArcGIS 10.2将每个因子按照组合赋权法确定的权重进行加权叠加，得到综合性生态敏感性的评价结果，计算公式如下：

式（3）中S 表示敏感性综合评价值，Wi表示指标权重，Pi表示各因子得分。

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

闽侯县内以山地丘陵为主，高程呈现出东北高、西南低的格局。该因子的高度敏感与极度敏感区占比13.23%，主要分布在县内北侧以及西南侧山区一带。不敏感区主要分布在县内中部与东南部高程低的区域，包含南屿镇、上街镇、南通镇等片区，占总面积的40.15%，适合作为城市建设的首选区域（图1a，表4）。

3.1.2 坡度生态敏感性

闽侯县内山体的坡度敏感性面积占比较均匀。敏感性强的区域（高度敏感和极度敏感）分布面积较大，占总面积的45.46%，主要分布在境内南侧以及北侧高山一带，其土壤易受雨水冲刷和侵蚀；不敏感区占比面积较小，为20.90%，主要分布在县内东南侧一带，其坡度平缓，都在5°以内，适合城市开发建设以及农耕（图1b，表4）。

3.1.3 坡向生态敏感性

采用常用的8 个方向分类方法：正南、东南、正东、东北、正北、西北、正西、西南，还有平地这特殊一类。将这些坡向分为了5 类生态敏感区。该因子敏感性分布比较零散，其中高度敏感区与极度敏感区共占总面积的36.47%，轻度敏感及不敏感区域面积占比较大，占总面积的39.27%（图1c，表4）。

3.1.4 水域生态敏感性

水域生态敏感性用水域缓冲区来表示，敏感性强弱与离水域的距离成反比。其高度敏感区与极度敏感区共占6.47%，中度敏感区占10.54%，不敏感区占总面积的71.01%。该研究区的水域除了闽江、大漳溪、乌龙江这三条河流外，还包含了面积较大的湖泊、水库、坑塘等，且多分布在闽江周边，敏感区域主要为河流及其周围，故要加强其周边缓冲区的防护（图1d，表4）。

3.1.5 植被生态敏感性

NDVI 值与植被覆盖度呈正相关关系，因此可侧面看出闽侯县的植被分布情况。闽侯县的森林覆盖率高，其中敏感度高的区域主要分布在闽侯县的西南部与中北部，高度敏感区和极度敏感区共占总面积的70.03%，该区域属高山密林地带，植被茂密，其对县内生态格局的稳定性起到至关重要的作用；敏感度低的区域主要在乡镇及其周围，共占面积的17.20%，此区域也要适当加强绿化建设（图1e，表4）。

3.1.6 土地利用生态敏感性

闽侯县的土地利用类型主要为林地、湿地、耕地、灌木草地、水体、建设用地等。由于境内林地面积大，极度敏感区占了较大比例，为总面积的63.65%，该县中度敏感区为草地以及灌木林，占总面积的7.42%；轻度敏感区为耕地，占总面积的21.93%，其与不敏感区共占28.25%，该范围是人类活动较为频繁的区域，但也要合理控制其区域的开发强度（图1f，表4）。

表4 单因子敏感性分布面积Tab.4 The area of single factor sensitivity distribution

图1 单因子敏感性分布图Fig.1 Single factor sensitivity distribution

3.2 综合生态敏感性分析

将选定的6 个生态因子用ArcGIS10.2 按照AHP-变异系数法对各因子确定的权重进行叠加分析。采用自然间断点分级法（Jenks）对叠加后的分析图划分为极度、高度、中度、轻度和不敏感这5 个敏感区域，得到综合生态敏感性评价图（图2），并得出以下结果（表5）。

表5 综合生态敏感性评价结果Tab.5 The result of comprehensive ecological sensitivity assessment

图2 综合生态敏感性分布图Fig.2 Comprehensive ecological sensitivity distribution

由综合敏感性图可以看出：闽侯县的总体生态敏感性较高，其中敏感性高的区域（极度敏感区和高度敏感区）占比为44.32%，主要分布于境内江河水域、高山林地一带，此处应作为县内核心保护区域，禁止人类相关破坏性的建设活动；敏感性中等的区域（中度敏感区）占比为28.92%，主要分布于乡镇外围，该区域也应以生态保护为主，以防止城市的无序扩张；敏感性低的区域（轻度敏感区和不敏感区）占比为26.76%，主要分布于乡镇地带及其周边，此处要适当加强绿化建设，处理好人类活动与生态环境之间的关系。

4 结论与讨论

4.1 结论

以山地生态城市闽侯县为研究对象，选用了反映闽侯县主要生态环境特征的评价因子，即高程、坡度、坡向、水域、植被覆盖指数与土地利用，建立生态敏感性评价指标体系，并借助GIS 技术，采用AHP-变异系数法来确定各评价因子的权重对其进行生态敏感性评价，很好地消除了主客观单一赋权方法的缺陷。研究结果得出闽侯县的极度敏感区、高度敏感区、中度敏感区、轻度敏感区、不敏感区面积占比分别为10.52%、33.80%、28.92%、18.33%、8.43%，水域和植被是其最主要的敏感因子。

基于该研究得出的结果，本文为闽侯县不同程度的敏感性区域的可持续发展策略提出如下建议：1）敏感性高的区域：该区域集中分布于县内北部、南部山区以及江河流域，此处是最容易受到破坏的区域。该区域易发生水土流失、水环境污染等灾害，应作为县内的核心保护区。对其要加强监督管理，严格保护当地植被，防止水体污染，做好灾害防护措施。可通过建立自然保护区来加强生态保护，发挥该区域的生态价值，禁止人类相关建设活动。2）敏感性中等的区域：该区域主要位于乡镇外的灌木地、草地以及局部山地。该区域作为敏感性高的区域转向敏感性低的区域的过渡地带，能够有效防止城市的无序扩张与发展，对生态系统具有一定的缓冲和保护作用。该区域容易受到高强度的人类活动干扰而导致其生态功能退化，故此处应限制人类开发强度，加强此处的生态保护。3）敏感性低的区域：主要位于南屿镇、南通镇、青口镇、祥谦镇、荆溪镇等乡镇地带及其周围。该区域是人类集中进行城市建设、农业生产的区域，可承受一定强度的干扰，适合作为城市开发建设的首选区域。对于乡镇周边即将废弃的耕地应当进行还林，适当限制开垦强度和规模，提高生态效益。对于乡镇中心要注重绿化建设，合理规划建设公园绿地，提升绿化面积，改善人居环境；此外，要加大污水治理，加强雨天防洪排涝能力，保障人居安全。

4.2 讨论

闽侯县作为山水县，其水环境污染、水土流失、山洪威胁等问题日益突出，因此县内水环境、植被为当今生态保护与规划的重点对象，旨在减少自然灾害的发生，降低整体生态敏感性。从县内综合敏感性的研究结果来看，与水环境相关的水域和与水土流失、地质灾害相关的植被敏感性最为突出，这是由于水域和植被覆盖度指数因子的权重占比较大，分别为45.15%和24.49%，共占69.64%，很好地诠释了水环境以及植被的重要性。通过此次生态敏感性评价结果与闽侯县生态环境现状对比发现，该结果基本吻合闽侯县当今生态环境发展的实际情况。

本次生态敏感性评价研究结合了水文学、地理学、生态学等多个学科领域的相关知识，但由于研究区面积较大、生态环境复杂等原因，该评价必然还存在不足之处，大致分为以下两点：1）在评价因子的选取上仍没有考虑全面。由于数据的获取以及复杂因子分析的难度，本研究只选取了具有一定代表性的6个生态敏感因子来构建评价体系。生态系统是非常复杂的综合体，未考虑到气候、土壤质地、生物多样性等因素的影响，所得出的结果无法具体到研究区更深层次的内容。2）评价体系的分级标准仍存在一定的主观性。国内对生态敏感性评价体系还缺乏统一的标准，望后期相关学者在研究当中进一步完善评价体系，以期得出更加科学、合理的评价结果。