基于GIS的泉州市生态敏感性分析

陈榕榕，丁铮

（福建农林大学艺术学院园林学院合署，福建 福州 350000）

随着中国的工业及城市化发展，人类所面临的环境资源问题日益凸显，引起许多专家学者的注意。目前的许多环境生态问题都与土地资源的利用有直接的关系。生态敏感性的研究始于20世纪末，学术界将其定义为生态系统在特定时空条件下对抗外界不良影响的自我恢复能力[1]。通过生态敏感性评价可反映全国或区域生态变化状况和空间分异规律，以此为国土资源利用和生态环境保护奠定基础[2]。泉州作为全国第三个国家级金融综合改革试验区，以经济发展为优势，至2020年，泉州市经济总量连续22年保持全省第一。过快的经济、社会发展，使得人地矛盾日益尖锐，综合评价泉州市生态敏感性对于泉州市环境保护规划和产业布局具有重要参考价值。目前，城市的经济发展与环境保护问题是学者们较为关注的热点，如颜磊[3]等在综合考虑自然和人文因子的基础上，构建北京市生态敏感评价体系；何苏玲[4]等基于GIS、AHP 和MSE 赋权法，从土壤侵蚀、酸雨侵蚀两方面，探究龙南县2003年-2018年生态敏感性时空变化情况；李巍[5]等从土壤侵蚀敏感性、水环境敏感性、生境敏感性3个方面，综合评价青城古镇的生态敏感性；李怡[6]等则从土壤侵蚀、生境、地质灾害和水生态4 个方面，对江西省南昌市生态敏感性进行综合评价和分析。本研究以泉州市为研究分析对象，选择有区域代表性的6 个生态因子即坡度、高程、坡向、植被覆盖度、土地利用类型作为评价指标，利用GIS 的空间分析和层次分析法(AHP)，分别对6个因子进行单一分析以及多因子加权叠加综合分析，并划分相应敏感等级，以期为泉州市的生态环境建设和规划设计提供一定的科学依据。

1 研究区概况

泉州市位于福建省东南沿海，南临台湾海峡，行政区地处24°22'～25°56'N、117°34'～119°05'E。管辖4个区，3个县级市，5个县，全市土地面积为1110099.69hm2。境内山峦起伏，丘陵、河谷、盆地错落其间，地势西北高东南低，山地、丘陵占土地总面积的五分之四，俗称“八山一水一分田”。一方面由于土地开发利用早，经济活动频繁，使得泉州市近年来频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害；另一方面，地势高差大，植被根系涵水固土的能力较差，故此区域易发生水土流失。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据获取与处理

2.1.1 数据获取

该研究所需的基础数据主要包括2018年Landset8遥感影像、基础地理信息数据、专题数据、其他相关数据、文献资料以及调研统计数据等六大方面。查阅相关资料及参考前人研究，选取空间分辨率为30m 且云雾干扰量＜10%的Landset8 遥感影像，以泉州市的数字高程为基础数据，专题数据主要为泉州市地表水资源分布数据、土地利用类型数据（地理国情普查数据）、县级行政区划矢量数据。

2.1.2 数据处理

利用泉州市的Landset8 遥感影像，以ENVI5.3 为技术平台对数据进行进行大气校正、辐射定标等处理，通过NDVI 近似估算植被覆盖度；地表水资源分布则是运用相同的方法，即通过NDWI 指数凸显水体影像。在实际操作过程中，为避免空间坐标无法匹配的情况出现，需要对DEM 数据、县级行政区划矢量数据、土地利用类型数据、地表水资源分布数据、植被覆盖度数据等专题数据进行底图校准或几何校正，本次研究采用的投影坐标为：WGS_1984_UTM_Zone_50N。

以ArcGIS10.6 为技术平台，运用其中的空间分析模块功能对单因子的数据进行提取计算，并为其赋予不同的权重，完成单因子的生态敏感性分级图。根据相关专家打分结果，通过MPai 数据科学平台计算出各因子权重，最后运用加权叠加与重分类法，使用自然断裂法将其划分为五个等级，生成研究区域的生态敏感性分析总图。

2.2 生态敏感性评价指标体系

2.2.1 指标选取与分级

参考与城市生态敏感性评价相关的论文，并结合本文的研究目的以及泉州市生态环境的综合特征，以代表性、综合性、科学性为选取原则[7]，故选取的评价因子以生态类因子为主、土地、地质类因子为辅。在城市化进程的背景下，人地矛盾是人类亘古不变的话题，而人类对于土地利用的方式直接影响了生态环境的敏感程度，故土地利用类型是必不可少的评价指标之一。泉州地势差距较大，其地形坡度、坡向不仅会影响植物分布，还会影响人类的行为活动，因此，坡度、坡向、高程因子可反映区域的生态敏感性。最后，植被覆盖度可反映被土壤侵蚀的程度，以此作为评价泉州市生态环境敏感程度的一个重要因子。最终确定了坡度、坡向、高程、植被覆盖度、水体缓冲区、土地利用类型等6个因子作为评价泉州市生态敏感性的主要指标。将其单因子的生态敏感性分为1、3、5、7、9五个等级，分别对应极低敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感。其分级与赋值情况如表1所示。

表1 生态敏感性评价因子等级体系

2.2.2 评价因子权重的确定

由于各单因子对于泉州市生态敏感性的影响程度不同，故在评价体系种占据的比重不同。运用层次分析法（AHP）结合专家打分法构造判断矩阵，确定敏感性评价因子的权重值。该方法因其系统性、理论成熟，被学者们广泛运用。为减小生态因子之间的关联程度，AHP 只包括目标层和指标层[8]，目标层即综合生态敏感性，指标层即是以上选取的6 个指标。并在MPai 数据科学平台构建各单因子对比矩阵，通过比较各矩阵得出因子权重(表2)。最后，根据一致性检验结果，CR=0.0563＜0.1说明此权重的判断结果是可靠的(表3)。

表2 层次分析法判断矩阵评分标准

表3 一致性检验结果

2.2.3 空间叠加分析

将处理后的6 个生态敏感因子通过Arc-GIS10.6 的空间分析模块赋予不同权重，并进行加权叠加以得到泉州市生态敏感性综合分布图。再利用重分类工具中的自然断点法，将结果划分为5 个等级：极低敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感[9]。计算生态敏感性数学模型[8]，公式如下：

式中，i为评价单元编号，k为评价因子编号，n为评价因子总数，Si为第i个评价单元的综合值，Wk为第k个评价因子的权重，Ci(k)为第i评价单元的第k个评价因子敏感性评价值。

3 结果与分析

3.1 单因子敏感性分析

3.1.1 坡度生态敏感性分析

坡度大小可反映地势高低，进而影响地表物质的流动和承受力，同时，制约着土地的使用和建筑布置[10]。外界条件相同时，坡度越大，生态系统的稳定性越差，敏感程度越高。根据结果分析，泉州市坡度的敏感性以轻度敏感为主，占面积的46.17%。该敏感区在研究区域内广泛分布，主要集中在中部及北部即德化县、永春县、安溪县、南安市；其次是极低敏感区域，占面积的37.39%。集中分布于金门县、晋江市、惠安县、石狮市、鲤城区、丰泽区、泉港区、南安市；中度敏感区与轻度敏感区相间分布，占面积的16.22%。分布地区与轻度敏感区相似；高度敏感区和极度敏感区分别占面积的0.22%、0.001%，区域面积极小。

3.1.2 高程生态敏感性分析

表4 泉州市单因子生态敏感性分级面积及占比

泉州市最高的海拔为1828m，整体地势西北高东南低，山峦起伏的丘陵地带。高程的大小不仅与气候、气温、降水量等自然环境因素紧密相关，还影响植物垂直分层的显著性[11]。海拔越高，生态系统的生物种类就越少，生态敏感性就越高。根据结果分析，极低敏感区占全域面积近1/2，主要分布在泉州市经济贸易较发达的金门县、晋江市、石狮市、鲤城区、丰泽区、洛江区、泉港区、惠安县、南安市；其次是轻度敏感区域占面积的28.17%，主要分布在安溪县、永春县、德化县，南安市、洛江区、泉港区、惠安县呈少量分布；中度、高度、极度敏感区则分布与研究区域的西北方向山体，分别占面积的11.57%、4.65%、0.74%。整体来看，与泉州市的地势特征相吻合。

图2 泉州市坡度生态敏感性分析

3.1.3 坡向生态敏感性分析

图3 泉州市高程生态敏感性分析

图4 泉州市坡向生态敏感性分析

坡向不同，所受的光照辐射强度和日照时间长短会有很大的差别，光照辐射对于山体植被的生长有着较大的影响。在北半球，东坡、南坡、东南坡和西南坡所受到的光照辐射相对较多[12]。泉州市境内丘陵、河谷、盆地错落其间，因而坡向敏感程度分布较为均匀。轻度敏感区相较于其他敏感区所占比例较大，为研究区域面积的26%。该区域为东南、西南坡向，所受的光照辐射充足，植物生长较好，覆盖率较高。中度敏感区、高度敏感区和极度敏感区，分别占研究区域面积的22.30%、24.82%、12.84%。正北坡向占研究区域面积的14.04%，由于该坡向为阴坡，接受的光照辐射较少，间接影响植物生长情况，导致物种丰富度以及森林覆盖度较低。

3.1.4 水系生态敏感性分析

根据对研究区域内的河流实行GIS缓冲区得到的数据分析，水环境距离河流远近有不同的敏感度，距离河流较远的水环境其生态环境敏感度较低，距离河流较近的水环境其生态环境敏感度较高[13]。研究区域内的整体水系，河网密集且多，水环境的敏感度较高，高度敏感和极度敏感分别占研究区域的35.34%、58.15%，这部分地区地势平坦离河流近适宜人类生活，人类生活行为对环境的干扰较大。河流缓冲区超过250 米区域为极低敏感型，这些区域距离河流较远无法满足人类日常的生活需要，因此，对水环境不易受到人类行为的影响，其相对较小。

图5 泉州市水体生态敏感性分析

3.1.5 土地利用生态敏感性分析

泉州市的土地利用类型划分为水体、林地、耕地、草地、建设用地、未建设用地五种类型，其中林地面积占研究区域的49.93%，整体生态服务价值较高。高度敏感区以及中度敏感区面积分别为22346.19hm2、410405.6hm2，占研究区总面积的1.99%、36.56%。由此可见，泉州市的土地利用类型生态敏感程度较高，主要分布在中部及西北部森林密集的山体以及贯穿泉州市境内的河流水系以及郊区水域，林地、耕地、草地所发挥的生态效益对于改善泉州市生态环境、维护地区生态安全具有重要作用。泉州市未建设用地所占研究区域较少，面积为0.15%，主要分布在东南部的平原地带。建设用地占研究区总面积的11.37%，主要集中分布于人均GDP 较高的晋江市、石狮市、鲤城区、丰泽区。

图6 泉州市土地利用类型生态敏感性分析

3.1.6 植被覆盖度生态敏感性分析

泉州市的植被种类较多，总体生态敏感性较高，中度敏感、高度敏感和极度敏感主要分布在西北部以及中部地区，分别占面积的20.06%、70.66%、0.11%。这部分区域内整体植被较为茂盛，物种更加丰富，如果地区内自然生长的植被遭到破坏，将会导致土壤遭到侵蚀，生物的多样性减少，最终引发严重的生态环境问题。东南部地区的植被覆盖度的以0.2以下和0.2～0.3为主，分别占总面积的9.17%和0.00009%。这部分地区主要为城镇和居民居住区，这种的地类生态价值较低，这种生态环境对于人类生活行为反应性较低，不易产生生态环境问题。

图7 泉州市植被覆盖度生态敏感性分析

3.2 综合评价结果

3.2.1 全域评价结果

数分值区间为[1.44，8.68]，平均值为5.9。通过自然断点法生成泉州市区域评价结果，并对评价单元进行统计，得到生态敏感性级别划分图（图8），泉州市生态敏感程度情况饼图（图9）。同时根据结果得到泉州市生态敏感分布图（图10）。评价过程共生成12334441 个评价单元，综合评价指的区间为（1.44，2.76］，（2.76，4.22］，（4.22，5.42］，（5.42，6.46］，（6.46，8.68］。从整体上看，泉州市整体生态敏感程度较高，高度敏感区和极度敏感区占研究区域面积的74.69%。

图1 研究区分布

图8 生态敏感性级别划分

图9 泉州市生态敏感程度

图10 泉州市生态敏感性综合评价分析

3.2.2 按行政区划统计评价结果

通过对泉州各县（市）敏感程度的面积、敏感程度占研究区域面积的百分比及综合敏感指数情况进行统计（表5），可得下列结果。

表5 各县（市）生态敏感性

各县市的平均生态敏感指数由高到低为：德化县、永春县、安溪县、洛江区、金门县、南安市、泉港区、惠安县、丰泽区、晋江市、石狮市、鲤城区。根据数据统计，与实际情况一致，能很好反映泉州市生态敏感分布特征。

泉州市极度敏感区和高度敏感区主要分布在中部、西北部山体以及金门县，占研究区域面积的74.79%。主要分布县（市）为德化县、永春县、安溪县，其极度敏感区域面积分别占73.04%、56.56%、47.04%。根据各项指标可以看出，坡度、高程、植被覆盖度等因子都体现出较为敏感特征。实际上，这些区域地势偏高、地形复杂，地貌以低中山地为主，生态环境敏感程度较高，需要重点保护。

除中部、西北部的县（市）以及金门县分布着极度敏感与高度敏感区域，泉港区、惠安县、丰泽区、鲤城区、晋江市、石狮市都有零星分布。根据各单因子敏感性分析图，发现这些区域易受到地质灾害风险，坡度、水体缓冲区、土地利用类型等因子的敏感性较高。由于鲤城区、丰泽区、石狮市、惠安县、金门县水网密集、水系发达，因而水环境的敏感程度较高，易受人类活动的干扰。惠安县、金门县、泉港区、洛江区耕地、草地、林地的面积较东南部县（市）的大，因此土地利用类型的敏感程度较高。受地形地势影响，以上四个县（市）的植物种类较为丰富，植被覆盖度较高。

极低敏感区、轻度敏感区主要分布东南部的丘陵地带，鲤城区、晋江市、石狮市、丰泽区表现最佳，分别占辖区面积的69.52%、59.73%、63.05%、53.38%。根据数据统计，可知以上4个县（市）的生态安全较为稳定。中度敏感区则在全市呈均匀分布的状态，占研究范围面积的12.38%。

4 讨论

根据评价结果（图10）知，泉州市生态敏感性分布的空间特征显著。泉州市的极敏感区域和高度敏感区集中分布在中部、西北部山体以及附近的区域，中度敏感区广泛分布于各县（市），极低敏感区和轻度敏感区主要分布在东南部丘陵。可以看出，德化县、永春县、安溪县综合生态敏感度最高，其次为南安市、洛江区、金门县，最低的是晋江市、石狮市、鲤城区、丰泽区、泉港区、惠安县。总而言之，泉州市的综合敏感性分布与西北高东南低的地形地势相吻合，由于德化县、永春县、安溪县的坡度、植被覆盖度、土地利用类型等因子敏感性较高，且分布着自然保护区，因此，容易受人类活动影响，应重点保护。

指标选取方面，考虑到泉州市的境内山峦起伏，以丘陵、山地为主，因此，植被覆盖度为评价体系中重要的影响因子。目前，关于泉州市生态环境的研究有涉及生态服务价值评估[14-15]、生态安全评价[16]、生态系统服务功能时空变化分析[17]、生态承载力评价[18]、生态足迹[19]、生态安全格局[20]等，尚未有关于泉州市的生态敏感性评价的研究。在构建体系选择评价指标时，本文充分考虑了可能引发或加剧自然灾害的影响因素，以期为泉州市生态环境保护和发展提供一些参考。

本文使用的层次分析法引用了专家的主观和客观方面知识相互结合，该方法广泛运用在土地生态的相关研究方面，但是该方法的弊端在于结果方面一定程度会受到个人主观的影响。目前各式评价方式不断涌现，各种评价方式在主观和客观的赋权中取得平衡还有待突破。

另外本文主要从自然因子的角度来评价泉州市生态敏感性，在生态系统中，人类是不可缺少的一部分，人们的意识观念以及生产生活对自然环境产生的影响也应考虑在内。因此，有关自然—人耦合系统的生态敏感评价还有待进一步探讨。

5 结论

（1）土地利用类型、水环境敏感性、植被覆盖度为区域生态敏感性主要影响因子。

（2）泉州市以高度敏感和极度敏感为主，生态环境敏感程度较高。

（3）生态敏感性的空间分布呈现自东南向西北逐渐增加的规律，高度敏感区和极度敏感区集中分布在区域地势偏高、地形复杂的西北部。该区域植被覆盖度、坡度较高，且有自然保护区分布，综合的生态环境敏感性较高。极低敏感区域主要分布在研究区域东南部地势较低的丘陵、平原地带，该地区适宜人类活动，建设区域较大。

（4）在轻度敏感区和极低敏感区内，除了河湖水系分布密集，敏感性较高，其他因子都呈现出安全稳定的特征。在极度敏感区和高度敏感区，生态因子并非都表现出较为敏感的特征。

（5）总体来看，德化县、永春县、安溪县综合生态敏感度最高。应当重视土地的开发利用，加强生态安全监管，保证生态环境的稳定性。对于晋江市、石狮市、鲤城区、丰泽区、泉港区、惠安县这些敏感程度较低的县（市），应当在充分考虑致敏因子对于土地开发的影响。