咸丰县域生态敏感性空间格局分析

张驰 孙佩 康全国 王雯雯 尹伟 易洁伟

摘要  选取地形地貌因子（主要包括高程、坡度、坡向）、水体缓冲区、NDVI、土地利用类型四大类指标，综合单因子分析及多因子加权叠加的方法，利用ArcGIS分析技术和层次分析法对咸丰县生态敏感性的空间格局进行分析，得出各单因子及多因子综合性评价图。结果表明：咸丰县综合生态敏感性强度整体上由西北和东南向中部降低，研究区的极低敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区和极高敏感区面积占研究区总土地面积的比重依次为0.87%、14.96%、27.89%、35.51%、20.77%。

关键词  生态敏感性；空间格局；综合性评价；加权叠加；咸丰县

中图分类号  X321   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2024）07-0078-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.019

Analysis of Ecological Sensitivity Spatial Pattern in Xianfeng County

ZHANG Chi， SUN Pei， KANG Quan-guo et al

（Hubei Institute of Geoscience ，Wuhan， Hubei 430000）

Abstract  Selecting four major categories of indicators： terrain and geomorphic factors （mainly including elevation， slope， aspect）， water buffer zone， NDVI and land use type， using single factor analysis and multi factor weighted superposition methods， ArcGIS analysis technology and Analytic Hierarchy Process were used to analyze the spatial pattern of ecological sensitivity in Xianfeng County， and comprehensive evaluation map of each single factor and multi factor was obtained.The results showed that the overall ecological sensitivity intensity of Xianfeng County had decreased from northwest and southeast to central. The proportion of the areas of extremely low sensitivity， mild sensitivity， moderate sensitivity， high sensitivity and extremely high sensitivity in the total land area of the study area was 0.87%， 14.96%， 27.89%， 35.51% and 20.77%， respectively.

Key words  Ecological sensitivity;Spatial pattern;Comprehensive evaluation;Weighted stacking;Xianfeng County

生態环境变化对人类生产生活会造成一定程度影响，随着社会经济的快速发展，生态环境变化幅度将会更大，因而维持和改进生态环境成了当今世界各国政府日益关注的重要问题。生态敏感性分析能够客观说明不同生态环境问题的程度及可能性大小，能为预防和防治各种生态问题提供科学的理论依据。

当前，学术界从不同尺度和地形地貌区对生态敏感性进行了分析，如甘梓莹［1］通过构建广东省生态敏感性等级指标体系对广东省敏感区的空间布局进行了深入分析，为城市建设开发以及生态方面的防治与治理提供了决策依据。刘乐怡等［2］基于香格里拉市1990—2020年土地利用演变特征，对香格里拉市生态敏感性进行了评价。从生态敏感性与生态系统服务重要性结合的角度，方臣等［3］以武汉市为研究区，提取生态廊道，构建了武汉市生态安全格局，为武汉市可持续发展提供了科学依据；王李睿等［4］选取了生物多样性、土壤保持等指标，以福建省永春县为例，构建了县域自然生态空间划设方法，为生态保护勘界等方面提供了现实依据。张朝琼等［5-8］利用GIS技术，分别从市、区、镇尺度运用单因子和综合敏感因子评价2种方法对研究区生态敏感性空间分布进行了研究。此外，一些学者对特殊地形地貌区也进行了生态敏感性方面的研究，例如一些河谷［9］和喀斯特地区［10］。吴林英等［11］、万松等［12］以山地型县域尺度的生态敏感性为研究对象，为类似县城的可持续发展提供了理论参考，除了县级尺度的山地型区域，还有我国天山北坡［13］、秦 巴山区［14］等也有不少学者深入研究其生态敏感性。黄背英等［15］为了探讨生态敏感区农村居民点布局优化方案，基于农村居民点的适宜性和生态敏感性，以西藏改则县为研究对象，为乡村振兴及村庄的合理规划布局提供了理论依据和技术支撑。赵正嫄等［16-17］利用空间距离指数法，通过构建土地荒漠化、滑坡灾害敏感性等指标对青藏高原生态敏感性进行了综合评价，从而为保护管理措施的制定起到了有效的推动作用。生态敏感性评价在城市用地扩张模拟［18］等方面应用也较广。

鉴于以上学者的研究成果，该研究选取了具有区域代表性的生态因子，借助ArcGIS分析功能，对湖北省咸丰县的生态敏感性进行了研究，以期为环境管理、城市建设、区域的可持续发展及相关政策的制定提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

湖北省咸丰县地处鄂西南山区，地跨108°37′38″～109°20′08″E、29°19′28″～30°02′54″N，东北临宣恩县、恩施市，西北接利川市，东南临来凤县，西南与重庆市黔江区相接。咸丰县地形复杂，总地势特征为中间低，由北东向南西倾斜［19］，区内垂直差异显著，相对高差达1 476.5 m，山大人稀，植被茂盛。属亚热带湿润性季风气候，雨热同期，夏季降水丰富，多年平均降水量约1 514.3 mm，境内水能资源丰富，日照较少。全县土地面积约2 550 km2，包括7镇、3乡、1区工委，据咸丰县人民政府网可知2021年全县户籍人口约38.46万人。

1.2 数据来源及处理

1.2.1    数据来源。

该研究所选取的数据来源于地理空间数据云平台（https：//www.gscloud.cn/）下载的咸丰县云雾干扰在5%以下、成像时间在2019年6月3日的Landsat8/OLI遥感影像（Path126/Row037和Path126/Row040），空间分辨率为 30 m×30 m的数字高程数据（DEM），遥感影像主要用来计算研究区的植被覆盖度，DEM数据主要用来计算研究区的高程、坡度、坡向及水体缓冲区因子。土地利用數据来源于第三次全国国土调查成果，其中包含土地利用数据及行政区划矢量界线。

1.2.2    数据预处理。

对从地理空间数据云所下载的数据首先进行投影，投影坐标为CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_36，然后利用ArcGIS平台对影像及DEM数据按研究区行政范围进行提取、拼接，接着对DEM数据通过ArcGIS中的3D分析工具提取坡度和坡向因子，再利用空间分析工具中的水文分析功能提取水体缓冲区因子。而对于植被覆盖度的提取，需要通过遥感影像进行归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）的计算［20］，其计算公式如下：

NDVI=（NIR-Red）/（NIR+Red） （1）

式中，Red和NIR分别是红光和近红外波段的反射率，它们各自对应于Landsat8/OLI影像中第4和第5波段的反射率。

对于第三次全国国土调查成果按照国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）［21］进行重新分类整理，主要分为耕地、林地、园地、草地、水域、建设用地、设施农用地、未利用地、其他土地9类。

1.3 研究方法

1.3.1    评价因子的选择与分级。

区域生态敏感性程度受多种因素共同影响，结合研究区生态环境综合特征，该研究选取了地形地貌（主要包括高程、坡度、坡向）、NDVI、水体缓冲区、土地利用类型4类因子分析研究区生态敏感性状况。参考相关文献［1，5-10］，将各因子生态敏感性进行不同等级的划分，主要分为极低敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感5个等级，其分级与赋值情况如表 1 所示。

1.3.2    评价因子权重的确定。

该研究在进行生态敏感性分析时，引入了多个因子，而每种因子对区域生态敏感性的影响程度各异，因此需对每种因子赋予不同的权重。该研究采用AHP层次分析法来计算每个因子的权重，该方法能够解决多因子复杂的问题，并在多个领域得到广泛应用。

AHP层次分析法需首先构建两两因子之间的比较矩阵，根据影响因子的相对重要性赋值1～9的标度［22］，计算各因子的权重后经过一致性检验，公式如下：

CI= λmax-n n-1   （2）

CR= CI RI  （3）

式中：λmax为矩阵的最大特征根；CI为一致性指标；RI为平均随机的一致性指标；CR为一致性比率；n为项目数。若CR<0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验［23-24］，否则就不具有满意一致性。计算得出高程、坡度、坡向、NDVI、水体缓冲区、土地利用类型的权重分别为0.097、0.048、0.030、0.493、0.093、0.239。

2 结果与分析

2.1 生态敏感性单因子分析

2.1.1    高程生态敏感性。

气温与降水随海拔的变化而变化，一般而言，海拔越高，生物多样性越单一，环境抗干扰性能力亦随之降低，因而生态敏感性也越高。咸丰县高程生态敏感性整体由西北和西南偏东的区域向中部不断降低，西北与西南较强，其高程生态敏感性等级空间分布如图1a所示。

由图1a和表2可知，在高程生态敏感性中以中度敏感区分布面积最大，约1 056.87 km2，占研究区总面积的4191%，主要分布在轻度敏感区四周；其次是高度敏感区，面积约685.60 km2，占研究区总面积的27.19%；极低敏感区所占面积最小，仅占研究区总面积的0.37%；轻度敏感区面积占研究区总面积的23.80%，呈条带状主要分布于中部地势低的平原区域；全区极高敏感区所占比重不大，面积约169.84 km2，占研究区总面积的6.73%，主要分布于西南部及西北部高山区。

2.1.2    坡度生态敏感性。

坡度反映了区域的倾斜程度，在不同坡度上地表物质与能量转换强度各异，从而使得坡度在一定程度上不仅对部分自然因素造成一定影响，且制约着人类活动。一般在其他外界条件相同的情况下，坡度与生态敏感性存在正相关的关系，即坡度越大，生态敏感性越强。由坡度生态敏感性的空间分布（图1b）可知，咸丰县坡中度、高度和极高敏感区主要分布于研究区西北与西南区域，中部以轻度与极低敏感区为主，中度、高度和极高敏感区环绕在轻度和极低敏感区周围。由表2可知，研究区坡度生态敏感性以轻度敏感区为主，面积约1 288.05 km2，占研究区总面积的51.08%；其次是极低敏感区，所占面积为620.72 km2，占研究区总面积的24.61%；中度敏感区所占面积与极低敏感区相差不大，占比为22.78%；高度敏感区与极高敏感区在整个研究区中所占面积较少，两者共约38.62 km2，仅占研究区总面积的1.53%。

2.1.3    坡向生态敏感性。

坡向影响一个地区的局部小气候，我国地处北半球，整体而言南坡和东坡的光照条件较北坡和西坡更优越，因此植被类型与覆盖度在南坡和东坡比北坡和西坡更丰富，加之北坡、西坡光照不均，结果使得北坡、西北坡、西坡和东北坡的生态稳定性更差，坡向的生态敏感性空间分布如图1c所示。由表2可知，在咸丰县坡向生态敏感性中轻度、中度和高度敏感区面积相差不大，分别为661.21、660.91、636.76  km2，分别占研究区总面积的2622%、26.21%、25.25%；极低与极高敏感区面积亦相差不大，分别为286.18和276.77  km2，分别占研究区总面积的11.35%、10.97%。

2.1.4    NDVI生态敏感性。

植被覆盖度影响区域的水土流失强度，对局部地区的小气候也会造成一定影响，是区域地表植被分布状况优良与否的重要指标之一，植被覆盖度的大小对区域生态敏感性的程度影响较大，该研究采用NDVI来估算研究区的植被覆盖情况。由图1d可知，咸丰县NDVI生态敏感性强度由西南偏东区域与西北向中部降低，整体而言，中度和高度敏感区在研究区所占空间最大，极低和轻度敏感区零散分布于中度和高度敏感区周围。由表2可知，咸丰县NDVI生态敏感性以中度敏感区和高度敏感区为主，其中中度敏感区面积约1 208.31 km2，占研究区总面积的4791%，高度敏感区面积仅比中度敏感区少37.67 km2，占研究区总面积的46.42%；在咸丰县几乎不存在极高敏感区，面积仅为0.15 km2；极低敏感区和轻度敏感区面积亦较小，总面积约142.73 km2，占研究区总面积的5.66%。

2.1.5    水体缓冲区生态敏感性。

地球上绝大部分生物的生存离不开水，离水域越近的区域越适合物种的生存，因此生态敏感性也越强。该研究采用ArcGIS软件的空间分析工具进行水文分析，提取研究区内的水体，然后结合区域特征，分别以20、60、120、300 m为水体缓冲区分界界点。由于距水体越近的区域生态条件越好，生物多样性随之越丰富，因此水体缓冲区生态敏感性越高，反之，生态敏感性越低。由图1e和表2可知，咸丰县水体缓冲区生态敏感性以极低敏感区为主，其他敏感区呈条带状穿插于极低敏感区之中，由极低敏感区到轻度、中度、高度与极高敏感区所占面积越来越小，其中极低敏感区所占面积最大，达2 071.95 km2，占研究区总面积的82.16%，其次是轻度敏感区，面积约262.52 km2，占研究区总面积的10.41%，中度及以上的敏感区总面积仅约187.36 km2，共占研究区总面积的7.43%。

2.1.6    土地利用类型生态敏感性。

土地利用是否合理能够影响区域生态系统的稳定性，从而对生态敏感性的程度造成较大影响，若土地利用不合理甚至会导致人地矛盾激化。咸丰县土地利用类型主要包括耕地、林地、园地、草地、水域、建设用地、设施农用地、未利用地、其他土地，参考相关文献［5，8］及区域特征，将这9类土地利用类型根据对生态敏感性影响程度的相似性划分为建设用地与未利用地、耕地与草地、设施农用地与其他土地、水域、林地与园地5大类，并对其生态敏感性进行分级赋值。

由图1f可知，土地利用类型极高敏感区分布范围最广，极低和轻度敏感区的范围较小。由表2可定量分析土地利用 类型生态敏感性的面积及比重分布情况，其中极高敏感区面积最大，约1 289.93 km2，占研究区总面积的51.15%，主要在林地和园地分布区；其次是中度敏感区，面积约1 147.69 km2， 占比45.51%；其他敏感区面积均较小，共约84.21 km2，共占研究区总面积的3.34%。

2.2 区域生态敏感性综合评价

综合上述各单因子生态敏感性的分析结果，采用ArcGIS软件中的加权叠加功能，得出咸丰县生态敏感性综合分布图（图1g），并通过统计功能计算获得综合生态敏感性的面积分布情况， 见表2。由图1g和表2可知，研究区内高度敏感区分布面积最广，约895.44 km2， 占研究区总面积的35.51%，主要分布于海拔较高的林地和园地地区；其次是中度敏感区，面积约703.27 km2，占研究区总面积的27.89%；极高敏感区面积比中度敏感区少179.36 km2，占研究区总面积的20.77%；轻度敏感区面积约377.33 km2，占研究区总面积的14.96%；极低敏感区分布范围最小且分散，主要分布在建设用地与未利用地区域，面积仅为21.88 km2，占研究区总面积的0.87%。

3 结论与讨论

极低和轻度敏感区内生态系统稳定性较好，所受外界干扰较小，可进行强度较大的开发利用，划分为适宜开发区；相反，极高和高度敏感区生态环境脆弱，抵抗外界干扰能力弱，生态系统很不稳定性，一旦遭到破坏就很难恢复，因此该类区域不适宜开发利用，并需要加强保护；中度敏感区较极高和高度敏感区而言，具有一定抗干扰能力，但人类活动会造成一定的扰动，因此对此类区域的利用需控制在一定的度，应在科学指导下进行合理的开发与利用。咸丰县作为适宜开发的面积约399.21 km2，占研究區总面积的15.83%，在科学指导下可开发利用的面积约703.27 km2，占比为27.89%；研究区内有大约1 419.35 km2的地区需作为重点保护对象，占比为56.28%。

该研究主要运用了ArcGIS技术平台分析、统计了各单项因子的生态敏感性，并通过加权叠加分析获得了全区生态敏感性的综合状况，整个过程不仅操作简单且运算统计效率高，避免了栅格数据计算过程的繁杂与低效的缺陷。影响区域生态敏感性的因子众多，该研究主要选取了各项主要的自然因子，如果需要进行更加深入全面的研究可根据研究区特征加入人文因子或是生态旅游的保护规划等，对区域的可持续发展具有重要的指导意义。

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基金项目   湖北省耕地保护规划研究项目（HBECC-ZB-ZC22097）。

作者简介   张驰（1990—），女，湖北红安人，工程师，硕士，从事土地生态与资源及农情监测研究。*通信作者，助理工程师，硕士，从事土地生态与资源及土地遥感和农情监测研究。