基于AHP-TOPSIS最优组合赋权的闽侯县生态敏感性评价*

丁鸿浩 赖宁静 邓林昊 吴天杰 吴小刚

福建农林大学艺术学院园林学院(合署) 福州 350000

随着城镇化建设的飞速发展,各种环境问题诸如热岛效应、洪涝灾害、土地荒漠化等也随之而来,且影响范围越来越广。为了更好地落实国家“生态文明建设”政策,在规划开发前对区域开展生态敏感性评价尤为重要。生态敏感性全称为生态环境敏感性,欧阳志云等[1]认为生态敏感性是指生态系统对自然破坏和人为干扰等多种因素的反应程度,表明区域生态环境问题发生的难易程度和可能性大小。

目前,国内外学者对于生态敏感性的研究主要集中在3个方面:1)针对单一生态问题的研究,如土壤侵蚀[2]、水土流失[3]、矿区开发[4]等；2)针对小尺度专题类的研究,如自然保护区[5]、风景区[6]、公园[7-8]等；3) 针对县域[9]、流域[10-11]、城市[12]等大尺度研究对象开展生态敏感性评价,为进行生态功能评价与区划、保障自然基底的完整性和生态功效、防止城市无限蔓延提供科学依据与指导[13]。目前国内学者所使用的评价因子赋权方法主要有主观赋权法、客观赋权法以及主客观赋权法3种,其中以层次分析法[4,9,14]为主的主观赋权法和以熵值法[15]、变异系数法[16]、序关系法[17]等为主的客观赋权法应用较多。

本研究以闽侯县作为研究区域,借助GIS空间分析功能和AHP-TOPSIS组合赋权法对闽侯县的单因子生态敏感性与综合生态敏感性进行分析,基于分析结果对闽侯县进行初步生态功能区划分,并提出针对性保护开发建议,为闽侯县开展生态检察、生态监督、生态治理以及相关保护措施的制定提供科学依据,以期改善闽侯县生态资源空间分布不均匀的现状、协助解决县域内旅游开发与生态保护之间的矛盾、保障其生态安全与可持续发展。

1 研究区域概况

闽侯县(118°52′10″—119°25′31″E,25°47′35″—26°36′28″N)地处闽江下游,全境南北长89.7 km、东西宽55.75 km,总面积约为2136 km2。全县地势西北高、东南低,整体地势较为平坦,海拔多在3～10 m,地貌主要分为中山、低山、高丘、低丘和台地平原[18]5种类型。周边与福州市区、闽清县、永泰县、福清市、古田、罗源县毗邻。闽侯县整体生态环境良好,林地占总面积的68.22%[18],拥有众多森林公园和名山；湿地资源较为丰富,主要分布在闽江周边[19]；拥有“国家生态县”“森林县城”“全国休闲农业与乡村旅游示范县”等众多荣誉称号。

2 研究方法

2.1 闽侯县生态敏感性评价体系构建

本研究选取地形地貌、植被、水系、人类活动4个维度构建评价体系框架,根据专家意见和相关文献[2,9],筛选出12个敏感因子。参照中国科学院编制、原国家环境保护总局发布的《生态功能区划暂行规程》[20]与《生态保护红线划定指南》[21]以及黄发明等[9]、简卿等[2]、张晓瑞等[22]关于生态敏感性因子的分级标准确定本研究的分级标准(表1)。在生态敏感性等级划分上,将区域划分为低敏感区、较低敏感区、中敏感区、较高敏感区和高敏感区,从低到高分别对各区域进行1～5分赋值。

表1 闽侯县生态敏感性评价体系及其指标分级标准

2.2 评价因子权重确定

研究采用AHP-TOPSIS[22]最优组合赋权法,基于最小熵原理对AHP与TOPSIS两种赋权方法进行计算,理论上最终得出的组合权重应尽可能接近主观权重和客观权重[23]。最优组合赋权法的应用,一方面避免了主观赋权法的随意性,另一方面也规避了客观赋权法缺少对因子间概念性质相互关系判断的弊端,增强了闽侯县生态敏感性评价结果的现实意义和理论上的合理性与科学性。权重计算公式如式(1),计算结果如表2所示。

表2 闽侯县生态敏感性评价因子综合权重

式(1)中,ˉwj为第j个因子的组合权重,Wj和wj分别为第j个因子的主观权重和客观权重。

基于上述最优组合赋权结果(表2),在ArcGIS 10.5软件中对12个评价因子进行加权叠加得到综合评价结果,计算公式如式(2):

式(2)中,ˉWi表示第i个评价指标的综合赋权权重,Mi表示第i个评价指标的生态敏感性评价赋值,n表示评价指标的个数,p表示综合评价结果。

2.3 数据来源及预处理

研究数据包括来自美国地调局(USGS)的分辨率为30 m的遥感数据影像、地理空间数据云下载的闽侯县30 m分辨率DEM数据、基础地理信息数据,以及从中国科学院资源与环境科学数据中心获得的中国100万植被类型空间分布数据。将DEM数据、基础地理数据和植被类型空间分布数据导入ArcGIS10.5进行掩膜提取得到用于空间分析的数据,对遥感影像数据进行裁剪、辐射定标等预处理生成用于分析NDVI、MNDWI、NDBI、VFC、土地利用类型的数据。

3 结果与分析

3.1 单因子敏感性分析

3.1.1 地形地貌因子分析

闽侯县高程与坡度生态敏感性整体不高(图1A、图1B、表3),等级分布呈现自南向北逐渐增高趋势且两者间存在相似性。高程生态敏感性较强的区域(900～1 392 m)主要分布在大湖乡中部以及牛姆山和天湖顶；坡度生态敏感性较强地区(25°～45°)主要分布在西南和北部山区。高程中度敏感区(600～900 m)主要分布在中部流域平原两侧的南北山区；坡度中度敏感区(15°～25°)占比最大,为31.2%,分散地分布在西南和北部山区。高程敏感性较弱区域(2～600 m)与坡度敏感性较弱区域(0°～15°)均分布在闽江上游的两侧和下游乌龙江西侧的建成区以及北部山区山脚下的平原及山间盆地。闽侯县坡向生态敏感性整体适中(图1C、表3),其中生态敏感性高(正北)和较高(东北、西北)的区域分别占比13.6%、24.9%,集中分布在闽侯县西南部呈东北西南走向和中部呈东西走向的山岭；中度敏感区占比21.8%；较低和低敏感区分别占比25.2%、14.5%,空间分布较为平均。

图1 闽侯县地形地貌生态敏感性分级

3.1.2 水系因子分析

水体类型和MNDWI两个指标可以有效反映闽侯县境内的水体空间分布(图2A、图2B、表3)。MNDWI高敏感区域占比0.71%,集中分布在祥谦镇、南通镇北部的乌龙江、竹岐乡的金水湖以及鸿尾乡的榜上水库附近；较高敏感区域占比0.81%,集中分布在闽江和大樟溪；中敏感区域占比0.46%,集中分布在闽江和南港周边；较低敏感区域占比0.39%,主要零星分布在县域林地中的湿地或水塘；低敏感区域占比97.63%。水体类型高生态敏感性区(面状水域)占比2.5%；中敏感区域(点状或线状水域)占比1.47%；低敏感区域占比96.03%(陆地)。水体缓冲区是用于研究水体与周边外部环境相互作用的一种常用方法。闽侯县水体缓冲区占闽侯县整体面积的42.59%,生态敏感性整体适中,其中敏感性高和较高的区域占比分别为9.05%、8.84%,中敏感性区域占比8.58%,较低与低敏感区域占比分别为8.25%、7.86%(表3)。

图2 闽侯县水系生态敏感性分级

3.1.3 植被因子分析

闽侯县NDVI生态敏感性程度整体较高(图3A、表3),呈现由山区向河流和建成区方向逐渐降低的趋势。高敏感区占比3.3%,集中分布于西南部和东北部等海拔较高的山区；较高和中度敏感区分别占比32.96%、38.6%,集中分布在闽侯县除河流和建成区以外的林地；较低和低敏感区分别占比18.64%、6.5%,集中分布在闽江、乌龙江周边的建成区。将植被覆盖度提取置信度空间后按自然间断点法进行分级,得到闽侯县植被覆盖度生态敏感性分级图(图3B、表3),其各级敏感性区域空间分布与NDVI相似,区域敏感性由高到低分别占比为67.13%、11.96%、6.73%、5.03%、9.15%。闽侯县植被类型生态敏感性程度整体较高(图3C、表3)。高敏感区域(自然森林56.09%)主要分布在东北、西南林地及森林公园等地；中敏感区域(竹林、果木林20.61%)集中分布在南部建成区周边和北部的山麓地区；低敏感区域(灌木、草地23.30%)集中分布在闽江和闽江南港周边。

图3 闽侯县植被生态敏感性分级

3.1.4 人类活动因子分析

闽侯县NDBI整体生态敏感性程度不高(图4A、表3),各区域敏感性从高到低分别占比16%、29.59%、23.15%、18.88%、12.38%。敏感性较强的区域主要分布在山区林地；敏感性较弱的区域主要分布在沿江流域的平原和盆地。

图4 闽侯县人类活动生态敏感性分级

土地利用类型的生态敏感性整体较高(图4B、表3)。高敏感区(水域4.36%)集中分布在闽江、闽江南港和大樟溪；较高敏感区(林地64.04%)集中分布在西南和东北山区；中敏感区(草地12.01%)集中分布在建成区和西北、西南、东北部的山麓地区及平原、盆地地区；较低敏感区(耕地、裸地15.29%)集中分布在西北部山区、闽江上游和乌龙江西侧的建成区；低敏感区(人造地表4.3%)集中分布在闽江分叉口的南北两侧和乌龙江的西侧。道路缓冲区整体生态敏感性不高(图4C、表3),缓冲区占县域总面积的32.79%,区域生态敏感性从高到低面积占比分别为6.02%、6.63%、7.37%、8.19%、4.59%。

表3 闽侯县各生态敏感性因子分级面积比例

3.2 综合敏感性分析

将综合评价结果按照自然断点法(Natural Breaks,NB)进行重分类,划分为5个等级区域,即高敏感区、较高敏感区、中敏感区、较低敏感区、低敏感区(图5)。各级区域所占全县面积的比例如表4所示。闽侯县整体生态敏感性较高,生态敏感性等级呈自流域、建成区向南北两侧以及西侧的山区逐渐发散性升高的趋势。高敏感性地区主要分布在东北、西南山区以及森林公园、湿地公园等自然环境较好的区域,具体分布在北部的大湖乡山区、延坪乡西部山区以及洋里乡南北部山区,中部的鸿尾乡、竹岐乡、上街镇的西南部和旗山国家森林公园以及三叠井森林公园；中度敏感区主要分布在山麓地区和流域周边,整体空间分布较为平均；敏感性较弱地区主要分布在人类活动痕迹相对较多的区域,如流域两旁的建成区以及山间盆地等。

图5 闽侯县生态敏感性综合分级

表4 闽侯县综合生态敏感性分析结果

3.3 生态分区与开发建议

根据研究结果,将闽侯县初步划分为生态保育区、生态缓冲管制区和开发建设区3类生态功能区(图6)。

图6 闽侯县生态功能区划

生态保育区集中分布在海拔较高,地形较陡的山区。该区生态敏感性较高,生态系统易受到外界影响而诱发环境问题且修复难度大。开发时应依据保育区内具体情况设定生态红线,对内部开发活动进行严格把控；保护方面应对森林资源做好建档和更新工作,健全“三防”体系加大监管力度。

生态缓冲管制区集中于闽侯县的山麓地带及流域周边等人类干扰较为频繁的地带。该区生态敏感性适中,生态系统相对较为稳定但受人为干扰而出现环境问题的可能性较大。对此区域进行规划开发时,应尽可能保证其原有生态环境和景观资源的完整性和连续性,同时要加强对于人类干扰活动诸如污染物排放、旅游开发等活动的管控,尽可能减少人为破坏。

开发建设区集中于闽江流域、乌龙江流域以及大樟溪流域附近。该区生态敏感性低、城市化水平高,由于地形地势平坦且靠近主要水源因此人类活动较多。此类区域往往环境问题频发,在开发时应重视生态系统承载力阈值的考虑,统筹考虑短期收益与长期可持续发展两方面,在基于对场地环境、生态承载力、土地适宜性等定量评估和内在作用机制充分认识的基础上,选择合适的开发项目。

4 讨论与结论

4.1 讨论

根据研究结果,在生态敏感性评价模型上,高敏感区面积占比较大的因子主要集中在地形地貌和植被两个方面,其原因在于闽侯县内部山地众多且占地较广,约占总面积的69.9%,山地间连接性较好,为当地植被提供了良好的生长环境；水系方面,闽侯县现存径流长度较短且水域面积相对较小,因而水系生态敏感性较弱；人类活动方面,闽侯县台地平原较少,仅占土地总面积的18.3%,客观上限制了当地城市化的蔓延发展和人类的活动范围,同时后期城市发展格局的合理规划也对维持当地生态系统的完整性起到了很大作用,因此敏感性程度较小。

闽侯县整体生态敏感性较高,敏感性较强的区域主要集中于海拔较高且生态资源丰富的区域,敏感性较低的区域集中于地形平坦且靠近水源的地区,土地类型多为建设用地和农田。在等级分布趋势上,综合评价结果与地形地貌、植被、人类活动因子评价结果大致相同,与水系因子结果存在一定差异,其原因在于植被、地形地貌、人类活动评价因子在空间区域等级分布上的一致性,使水系因子在综合评价中权重相对减小。

对比相关市域、县域生态敏感性研究结果,市域、县域尺度的综合高敏感区往往集中分布在区域内的山区和植被覆盖度较高的地区[2,9],这与本研究结果一致,地形地貌和植被在评价体系中所占权重较高。相较于流域尺度,生态高敏感区则多集中于水域及其外围,土地类型与水域等环境因子的评价所占权重往往较高[10-11],这种差异可归因于不同空间尺度上内部优势景观类型不同,同时不同目标导向的生态敏感性评价体系制定对最终的研究结果也有着较大影响。

4.2 结论

研究基于最优组合赋权法对生态敏感性评价体系进行优化,选取县域尺度开展生态敏感性评价与生态区划,得出如下结论:闽侯县地形地貌和植被相较于水体和人类活动因子所占高敏感面积区域更大,在空间分布趋势上除水系外皆与综合敏感性评价结果一致。闽侯县综合生态敏感性整体较高,敏感性等级趋势上呈自中部流域向东北、西南逐渐增高。生态区划结果中各区分离度较高,生态保育区分布最广且连续性较强,主要位于域内的山地地区；生态缓冲管制区空间分布较为零散,集中于山麓和河流地区；开发建设区则主要以城市建成区为主。