基于GIS的黔西市生态敏感性评价与分析

赵 迅,徐艳芳,2*,王浩天,张婷婷,刘晓倩,魏洪刚

(1.山东建筑大学艺术学院,山东济南 250101;2.风景园林科学研究中心,山东济南 250101)

2022年1月国务院发布二号文件,对支持贵州在新时代西部大开发上闯新路给出了一系列的指导意见,作出要持之以恒推进生态文明建设、改善提升自然生态系统质量,科学推进岩溶地区石漠化和水土流失综合治理等系列指示[1]。黔西市作为黔中经济圈内集农商旅为一体的区域,近年来在乡村振兴战略的支持下,大力发展旅游业、现代农业,并结合“三水一火”工程项目,让经济建设得以飞速发展。但在发展的过程中,人类活动及工厂运作不乏对当地生态环境造成了一定的破坏和影响。根据国务院二号文件精神,城乡建设和生态文明建设是并驾齐驱的,要协同推进社会经济的发展与自然生态环境质量的提升。因此,对黔西市的生态敏感性进行评价分析是至关重要的。

生态敏感性是指生态系统在受到自然环境变化和人为干扰等诸多影响时的敏感程度,即生态系统在自然状态下出现生态环境问题的难易程度和概率大小。通常来说,生态敏感性越高,在受到外部破坏时生态环境质量更容易降低[2-4]。生态环境敏感系统是一个复杂的多层次、多因子系统,进行生态敏感性评价能为分析和预测区域生态环境破坏和生态系统失衡等问题提供科学的依据,在生态功能区划分、评价生态系统的脆弱性等方面,也是一项至关重要的评价指标;对生态敏感性的评价不仅是生态系统建设调控和生态环境影响分析必不可少的环节,还是生态文明建设、国土空间规划的重要参考[4-7]。国内外专家使用GIS软件的强大数据处理和空间分析功能,充分考虑每个评估因素的影响,进行了众多关于生态敏感性评价与分析的研究,并且大部分现有的研究已经实现了准确的评估结果[3,5-6]。因此,该研究借鉴相关研究方法,采用AHP层次分析,并结合GIS技术来评估黔西市的生态敏感性。

1 研究区概况

黔西市位于贵州省中部偏西北、乌蒙高原东部、乌江中游、鸭池河北岸,地理坐标为26°45′～27°21′N、 105°47′～106°26′E,是由毕节市代为管理的县级市,享有“中国杜鹃花都”的美誉。该区域地势呈现为西北高,东南低,四面环山,中部为丘陵洼地,比较开阔平坦。境内海拔最高为1 679.3 m,最低为760.0 m,平均海拔1 250.0 m。由于地处喀斯特地貌区,生态环境脆弱,土壤侵蚀严重,岩石裸露率高,且地形起伏较大,植物根系的固土能力较弱,故此经常发生山体滑坡、泥石流等自然灾害,加剧地方水土流失[8]。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理该研究所采用的遥感卫星影像图和DEM数字高程模型数据均来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn),通过ArcGIS 10.8软件计算并提取得到高程、坡度、水环境等数据。植物覆盖率数据来源于Landsat 8 OLI_TIRS 2019年04月(云量≤5%)的遥感影像,采用ENVI 5.3软件进行数据预处理之后,通过计算NDVI植被指数来估算植物覆盖度,最后导入GIS软件中进行重分类,得到研究区域的植被覆盖类型分级图。土地利用类型数据从全球地表覆盖平台获得(http://globeland30.org),并采用ArcGIS 10.8软件进行裁剪分类,得到研究区域的土地利用类型图。

2.2 评价方法生态环境问题一般来说是在多种影响因子综合下作用的结果。该研究将GIS空间分析技术、层次分析法相结合,选取能反映黔西市生态敏感情况的评价因子,通过对单因子划分评价等级体系,进而对各单因子进行生态敏感性评价;然后通过层次分析法对各单因子进行权重判断以及加权计算,最后根据叠加出的综合生态敏感度图分析研究区的生态环境问题[9-13]。

2.3 评价因子的选取为了构建合理的评价指标体系,选择具有科学性、代表性和全面性的评价因子,建立统一、标准、科学的评价标准[3,14]。生态敏感区是各种生态相关因子综合作用的结果,因此选择合适的评价因子对最终生态敏感性评价结果的合理性有很大影响[8-9,15]。根据已有的相关研究成果,参照其生态敏感性分类标准,结合研究区生态环境和土地利用现状,选取高程、坡度、水环境、土地利用类型和植被覆盖度5个影响因子作为评价指标,对黔西市的生态敏感性进行评价和分析。地形地貌是影响区域生态敏感性的重要因子,越高越陡的地带,发生自然灾害的可能性越大,生态敏感度也越高,故该研究选取了影响较为显著的高程和坡度因子;影响生态环境的因子则选取水域缓冲区、土地利用类型和植被覆盖度等自然因子[2-3,9,16-17]。

2.4 评价因子敏感等级划分构建评价因子等级指标体系是进行生态敏感性评价最关键的步骤。鉴于生态系统的多样性与综合性,同时为了降低各评价因子之间的关联性,参照《生态功能区划技术暂行规程》的分级标准,根据各因子对生态敏感性的影响程度及研究区生态环境状况,将其划分为5个等级,即:不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极敏感,然后分别赋值为1、3、5、7、9代表区域的敏感性程度,各单因子分级与赋值情况如表1所示。

表1 单因子评价体系分级标准

2.5 评价因子权重确定层次分析法是一种结合定量分析和定性分析的决策分析方法,通过各评价因子进行两两比较构造判断矩阵,最终确定各因子的权重,从而得到可行的综合评价值。综合相关文献,该研究通过Yaahp 10.0层次分析软件对各评价因子构建判断矩阵并进行赋值[15-16,18],然后根据一致性结果(0.083 2<0.1)判定该判断矩阵符合要求,最终获得各单因子的权重值(表2)。

表2 判断矩阵及各评价因子权重计算结果

3 结果与分析

3.1 单因子生态敏感性评价与分析

3.1.1高程生态敏感性分析。一般来说,海拔越高,生态系统多样性就越低,生态敏感性越高[18]。黔西市地势西北高、东南低,最高海拔为1 679.3 m,最低处为760.0 m。由图1可知,高度敏感区占比最大,主要分布在中西部地区,共占研究区域总面积的67.2%;不敏感区和轻度敏感区集中分布在河流域一带,分别占研究区域总面积的0.3%和3.1%;而极敏感区则主要集中分布在西北区域,同时也散布在山脉起伏较大的西南、东北区域,共占研究区域总面积的7.1%。

图1 高程生态敏感性评价Fig.1 Elevation ecological sensitivity evaluation

3.1.2坡度生态敏感性分析。在不同坡度下的影响下,其生态敏感性程度也是不一样的。通常来说,坡度越大,生态系统就会越不稳定,从而生态敏感性也就越高[18-19]。由图2可知,研究区基于坡度的生态敏感性以轻度敏感为主,占比为44.5%,集中分布在研究区的中西部区域。其次为分布比较广泛且错综复杂的中度敏感区,占比为30.0%;不敏感区和高度敏感区面积相对较少,比重分别为10.0%和11.9%,主要集中分布于研究区的西部和北部区域。而极敏感区的占比最少,仅有3.6%,主要集中分布在研究区的乌江和鸭池河的河岸两侧,随着河两岸山体坡度的增加,土壤的稳定程度会逐渐减弱,导致山上的水土保育能力降低,再加上雨水的冲刷,就加速了侵蚀性径流的形成,对土壤的侵蚀就会愈发增强,所以使得生态敏感性程度逐渐增加。

图2 坡度生态敏感性评价Fig.2 Slope ecological sensitivity evaluation

3.1.3水域生态敏感性分析。通常来说,距离河流水体越近,该区域所遭受的水流冲刷程度就越大,那么生态敏感性就越高[8]。在对所研究区域内的主要河道进行GIS缓冲区解析之后,可以得出不同缓冲距离的水体环境分类示意图。由图3可知,离河流越远,其敏感性程度越低;离河流越近,则敏感性程度越高。由表1和图3可得出,距离河流0.5 km的轻度敏感区占研究区域总面积的27.8%;距河流0.1 km的极敏感区和0.3 km的高度敏感分别占研究区域总面积的6.8%和29.5%;距河流缓冲1 km以外的区域为不敏感区,仅占研究区总面积的1.0%,该区域远离河流,无法满足人类生产生活的需要、且对水环境的影响很小,因此水环境的生态敏感性较低[8]。

图3 水环境生态敏感性评价Fig.3 Water environment ecological sensitivity evaluation

3.1.4土地利用生态敏感性分析。黔西市农用地比重较大、垂直分布明显,而建设用地比例较低。如图4所示,由于受喀斯特地貌的影响,黔西市天然林地的生态敏感性高于建设用地[18]。研究区的生态敏感性以中度为主,面积约为1 258.8 km2,占比为49.1%,广泛分布于黔西市山区。不敏感区和极敏感区面积相对较小,占比分别为1.5%和1.4%,主要分布在主城区与河流域地带。高度敏感区的占比为37.3%,分布在黔西市主要林区。根据图4可知,对比同一土地利用类型不同生态敏感程度的面积比例,建设用地和耕地的生态敏感程度主要为中、轻度敏感,林地的生态系统敏感程度为中、高度敏感[19]。

图4 土地利用类型生态敏感性评价Fig.4 Land use type ecological sensitivity evaluation

3.1.5植被生态敏感性分析。植被覆盖度是反映地表植被生长情况的关键指标,也是研究生态环境系统变化的重要依据[18]。由图5可知,基于植被覆盖率的生态敏感性以极敏感为主,占比70.8%,乔灌木等植物种类遍及该区域;轻度敏感区比重为6.1%,主要分布在耕地、农田等植物覆盖率较小的区域;中度敏感区和高度敏感区分别占比为9.5%和12.0%,而不敏感区仅有1.6%的比重,主要分布于黔西市中部的城镇建设用地以及河流水库等植被覆盖率较低的区域。

图5 植被覆盖度生态敏感性分析Fig.5 Vegetation cover ecological sensitivity evaluation

3.2 多因子生态环境敏感性综合评价与分析确定各评价单因子的权重及空间分布数据后,利用ArcGIS 10.8软件中的栅格计算功能,将上面得到的单因子敏感性分级图及其对应的权重值进行加权计算,即:高程×0.034 3+坡度×0.066 5+水环境×0.118 7+土地利用类型×0.193 0+植被覆盖度×0.587 6,计算出研究区域的生态敏感性综合指数,最后得到研究区综合生态敏感性分布图(图6)。

图6 多因子综合生态敏感性评价Fig.6 Multi-factor integrated ecological sensitivity evaluation

在ArcGIS 10.8软件中选择自然断点分级法,将研究区的生态敏感性综合评价结果划分为5个等级分区:不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区、极敏感区,并且对所得生态敏感性区域具体面积及所占百分比进行分类统计(表3)。综合表3和图6可知,黔西市的高度敏感区占比较大,共占研究区域总面积的55.5%;其次是轻度敏感和中度敏感的区域分别占研究区域总面积的14.2%和14.5%;极敏感区域相对较少,占研究区域总面积的10.3%;不敏感区域占比最少,占研究区域总面积的5.5%。总体来看,黔西市的综合生态敏感性比较高,且区域生态敏感性等级分布较为分散。

表3 黔西市综合生态敏感性评价分析结果

4 结论与讨论

在不同研究尺度下对生态敏感性的评估和空间划分,基于GIS的加权叠加技术和许多衍生方法正被广泛应用。它可以更全面地分析不同情况下的生态敏感性,能够对相关研究领域生态环境实时变化的信息及时进行处理,极大提高生态环境管理的效率,在社会经济发展、城乡建设、环境保护等相关政策的提出和制定中发挥了积极作用[20]。然而,对生态敏感性造成影响的因子有很多,选择不同的评价因子乃至加权叠加计算方法的差别,都会对最后的结果造成一定的影响。该研究以高程、坡度2个地形地貌方面的影响因子,水环境、土地利用类型和植被覆盖度3个生态自然环境方面的影响因子,以此建立生态敏感性评价指标体系,综合分析黔西市的生态自然环境。

研究区域具有较高的生态敏感性,并且超过一半区域处于高度敏感的区域。水环境、土地利用类型和植被覆盖率是影响其生态敏感性的主要因素。研究结果表明:①黔西市极敏感区的生态环境非常脆弱,很容易受到人类活动的干扰,该区域在进行生产生活时一旦被破坏将很难恢复,故这类区域应当划为自然生态环境保护的重点区域,严禁一切开发建设;②高度敏感区,要以保护其生态功能为目的,严禁滥砍滥伐,提高对防护林的建设和公益林的保护,减少水土流失,进一步提升对石漠化荒漠化的治理;③中度敏感区,虽然其对人类活动及自然灾害有一定的抗干扰和抵抗能力,但总体的生态环境比较脆弱,应在坚持生态保护优先原则的前提下,进行适度适量开发,同时还应增强该区域的生态修复能力;④轻度敏感区和不敏感区的生态系统较为稳定,且植被覆盖率较低,抗干扰能力强,可以做多种用途的开发建设,但要始终坚持把生态放第一位的发展战略定位,协同推进农商旅的融合发展。该研究结果可为处于新时代西部大开发路上的黔西市关于城乡建设、生态保护和经济发展等方面的建设提供理论依据。

在生态敏感性研究的发展过程中,对于评估敏感性因子选择从单因子分析逐步发展到多因子综合分析。该研究通过选取5个具有代表性的评价因子来反映研究区域的生态敏感性,但由于信息资料的获取有一定的难度,故主要选取了自然因子,对人为因素和外部干扰等因子的选取较少,这可能对研究区域生态敏感性的识别和区分结果有一定的影响,而且对于因子权重的分析也存在一定的主观判断,在今后的研究中还应加以完善和改进。