天水市生態(tài)敏感性分析研究

喬育，種培芳

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境變化和人類活動干擾的敏感程度，反映生態(tài)系統(tǒng)遭到自然或人為因素干擾時發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和概率大小[1-5].生態(tài)敏感性分析及評價是綜合多種環(huán)境影響因素來反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要方法與手段[6-9].合理的生態(tài)敏感性分析能夠為區(qū)域資源利用、開發(fā)提供理論基礎(chǔ)[10].生態(tài)敏感性的評價起初多是針對項目中某種特定的生態(tài)環(huán)境問題進行單因素評價，隨著研究的深入，眾多學(xué)者開始利用多個因素進行生態(tài)敏感性綜合評價.目前，諸多學(xué)者對脆弱生態(tài)環(huán)境評價理論與方法應(yīng)用進行了大量的研究，在評價方法上，主要傾向于采用數(shù)學(xué)方法對生態(tài)環(huán)境脆弱性進行定量評價，如模糊綜合評判法、生態(tài)脆弱度指數(shù)法、層次分析(AHP)法、主成分分析法等.同時，生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建問題[11]，一直被許多學(xué)者所關(guān)注，不同研究人員針對所研究的對象各自建立了不同的評價指標(biāo)體系，不僅借助3S技術(shù)深入到各類型區(qū)域，而且在旅游資源規(guī)劃、景觀格局規(guī)劃、承載力評估、城市建設(shè)等多領(lǐng)域得到應(yīng)用.其研究尺度從國家、流域到省市級，研究日趨精細[12].評價方法正處于探索與發(fā)展階段，對指標(biāo)體系選擇存在較大隨意性，還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[13].

天水市是關(guān)中平原城市群次核心城市、絲綢之路經(jīng)濟帶重要節(jié)點城市、也是全國老工業(yè)基地和重要的裝備制造業(yè)基地之一，因此，對天水市進行生態(tài)敏感性分析研究對推動區(qū)內(nèi)經(jīng)濟、社會、生態(tài)、文化建設(shè)具有重要意義.為天水市生態(tài)旅游資源的合理開發(fā)提供了有意義的參考價值，也為天水市生態(tài)環(huán)境保護與土地開發(fā)利用提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天水市地處甘肅省東南部(N 34°05′～35°10′，E 104°35′～106°44′)，陜、甘、川三省交界處，全市橫跨長江、黃河兩大流域，新歐亞大陸橋橫貫全境.至2013年10月31日，天水市下轄秦州區(qū)、麥積區(qū)兩個市轄區(qū)，甘谷縣、武山縣、秦安縣、清水縣和張家川回族自治縣5個縣，區(qū)域總面積14 325 km2，總?cè)丝?40萬(2012年)，常住人口372萬，其中城鎮(zhèn)人口120萬，城市化率達到33%，城區(qū)人口60.3萬.東西全長約197 km，南北跨度約122 km[14].研究區(qū)地形復(fù)雜，地勢西北高，東南低，海拔1 000～2 100 m，市域內(nèi)平均海拔高度為1 100 m[15]，地跨長江、黃河兩河流域，以西秦嶺為分水嶺[16-17].天水市屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11 ℃，年平均降水量為491.7 mm，南部亞熱帶林區(qū)年降水量為800～900 mm，中東部山區(qū)降水量為600 mm，渭河北部不及500 mm，降水量自東南向西北逐漸減少.境內(nèi)渭河長約280 km，多年平均徑流量15億m3，平均流量47.4 m3/s,最大峰值可達6 170 m3/s，最小約13.95 m3/s.渭河光在麥積區(qū)內(nèi)有61條較大的支流，流域面積大，覆蓋范圍廣，形成向四周延伸的水網(wǎng).森林總面積39.33萬hm2，森林覆蓋率為45.5%，天然林地主要分布在東部、東南部.研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型主要有耕地、林地、草地、水域以及建設(shè)用地等.土壤以山地褐土、山地棕壤土和山地草甸土為主.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括2018年的Landsat-8遙感影像、ASTER DEM(30 m×30 m)數(shù)據(jù)、天水市政區(qū)矢量圖、MODIS GNDVI數(shù)據(jù)(50 m×50 m)和1∶600 000河流矢量圖.用ENVI對Landsat-8數(shù)據(jù)通過預(yù)處理和監(jiān)督分類獲得土地利用類型數(shù)據(jù)，再用ArcGIS軟件提取出該區(qū)域的高程和坡度坡向數(shù)據(jù)，對水域數(shù)據(jù)做緩沖區(qū)分析，利用ENVI對MODIS GNDVI數(shù)據(jù)進行大氣矯正、輻射定標(biāo)和投影轉(zhuǎn)換(WGS-1984_Alber投影)等預(yù)處理得到研究區(qū)的植被歸一化指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 評價因子的選取及等級體系的劃分

本研究依據(jù)整體性、層次性、區(qū)域特殊性和可操作性原則，選取能準(zhǔn)確反映生態(tài)脆弱性且容易獲取的評價因子[18]，本研究參考《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》對生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評價的規(guī)定內(nèi)容并結(jié)合咨詢專家選取6個生態(tài)環(huán)境因子：高程、坡度、坡向、水系、植被覆蓋度、土地利用作為生態(tài)敏感性分析的主要因子.對因子構(gòu)建相應(yīng)的評價指標(biāo)體系，并將各單因子敏感性劃分為不敏感區(qū)、輕敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)、極敏感區(qū)5個等級并賦值為1、2、3、4、5.具體如表1所示.

表1 生態(tài)敏感性因子等級體系

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

生態(tài)環(huán)境經(jīng)常受到各個方面的影響，所以在進行生態(tài)敏感性評價時，常采用多因子綜合方法，各因子對生態(tài)敏感性的影響程度不同，故應(yīng)具有不同的權(quán)重.通過層次分析(AHP)法計算各因子權(quán)重并運用層次分析法構(gòu)造生態(tài)敏感度兩兩判斷矩陣，排序計算得出各評價因子的權(quán)重，最后通過一致性檢驗來判斷所確定的權(quán)重值是否接近客觀實際[19].

層次分析法基本計算步驟如下:

1)構(gòu)建遞階層次模型.將天水市生態(tài)敏感性設(shè)定為目標(biāo)層，地形和生態(tài)要素兩大因素設(shè)定為一級指標(biāo)，二級指標(biāo)層為6個生態(tài)因子.

2)極差法構(gòu)造判斷矩陣:

f(ri.rj)=CijCb(ri.rj)/R得出矩陣C=(Ci,j)m×m為一致性判斷矩陣.其中Cb為常數(shù)，是按某種標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先給定的極差元素對相對重要性程度Rmax-Rmin為極差，式中：

Rmax=max{r1,r2,r3,…,rn},Rmin=min{r1,r2,…，rn}.

3)進行一致性檢驗：C=(Ci,j)m×n=C×Wt.

2.3 AHP法構(gòu)造敏感性評價矩陣

采用AHP法構(gòu)造生態(tài)敏感性兩兩判斷矩陣，求得矩陣的特征向量B=[0.104，0.165，0.065，0.140，0.160，0.366]和矩陣最大特征值γmax=6.071，因為γmax>4，需要對矩陣進行一致性檢驗，一致性指標(biāo)CI=(γmax-n)/(n-1)，經(jīng)計算CI=0.014，通過查表可以得到矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)(RI)，當(dāng)n=6,RI=1.260.再計算一致性比率CR=CI/RI，經(jīng)計算通過一致性檢驗得出CR值為0.011，在0～0.1之間，說明對生態(tài)因子的權(quán)重判斷是可行的；各因子的權(quán)重為W=[0.104，0.165，0.065，0.140，0.160，0.366].

由表2可見，在天水市的6個指標(biāo)中，權(quán)重系數(shù)從小到大依次為：坡向(0.065)、高程(0.104)、水域(0.140)、植被覆蓋度(0.160)、坡度(0.165)、土地利用(0.366).從指標(biāo)權(quán)重可以看出，坡度因子和土地利用因子是影響天水市生態(tài)脆弱性程度高低的重要因素.

表2 生態(tài)敏感性分布統(tǒng)計結(jié)果

2.4 空間疊加分析

利用 ArcGIS 10.6的空間分析功能對6個單一敏感性因子進行空間疊加分析，得到綜合敏感性評價結(jié)果.生態(tài)敏感性數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

式中，i：為評價單元編號，k：評價因子編號，n：為評價因子總數(shù)，Si為第1個評價單元的綜合值，W為第W個評價因子的權(quán)重，Ci(k)為第i個評價單元的第k個評價因子敏感性評價值.采用ArcGIS 10.6進行水域緩沖區(qū)處理、疊加等對因子進行分析，就能夠完成天水市范圍內(nèi)生態(tài)敏感性的綜合評價、空間分布和面積統(tǒng)計等分析[20].

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子生態(tài)敏感性分析

3.1.1 高程生態(tài)敏感性分布 高程對于生態(tài)敏感性評價是一個重要的因子.高程的變化引起氣候的變化，一般海拔越高溫度隨之降低，海拔每上升100 m，年平均氣溫下降約0.6 ℃，隨之也導(dǎo)致植物分布以及生態(tài)體系在高程上垂直分布特征的變化.隨海拔的上升，生物多樣性相應(yīng)降低，環(huán)境自身的抗干擾能力相應(yīng)降低，生態(tài)敏感性就越高.從圖1及表2可以看出，極敏感區(qū)面積約為977.05 km2，占區(qū)域總面積的7.09%，主要分布在武山縣、張家川回族自治縣、還有一少部分分布在麥積區(qū)等地勢較高的區(qū)域.

圖1 高程生態(tài)敏感性圖

3.1.2 坡度生態(tài)敏感性分析 坡度表示這個地方傾斜的大小幅度，傾斜的大小影響地表面的物質(zhì)活動與能量之間轉(zhuǎn)換的規(guī)模與強度，都會因為坡度的不同程度而呈現(xiàn)出不一樣[21].其中極敏感區(qū)面積約為1 069.68 km2，占區(qū)域總面積的7.77%，高度敏感區(qū)面積約為2 382.79 km2，占區(qū)域總面積的17.31%；中度敏感區(qū)面積約為3 526.03 km2，占區(qū)域總面積的25.61%；輕度敏感區(qū)面積約為3 983.56 km2，占區(qū)域總面積的28.94%；不敏感區(qū)面積為2 807.18 km2，占區(qū)域總面積的20.39%.

圖2 坡度生態(tài)敏感性圖

3.1.3 坡向生態(tài)敏感性分析 坡向是小氣候條件形成的重要因子，由于我國地處北半球，山體的南坡受到的太陽輻射以及輻射時間都要大于北坡，使得我國的山體大多呈現(xiàn)南坡植被類型均多于北坡.由于北坡接受的陽光照度時間較少，導(dǎo)致北坡生境系統(tǒng)性不穩(wěn)定，生態(tài)敏感性較脆弱，一旦北坡受到生態(tài)的破壞將不容易修復(fù)，而南坡則較好保護.其極敏感區(qū)面積2 896.39 km2>輕度敏感區(qū)面積2 818.99 km2>不敏感區(qū)面積為2 760.58 km2>高度敏感區(qū)面積2 712.15 km2>中度敏感區(qū)面積2 581.14 km2.

圖3 坡向生態(tài)敏感性圖

3.1.4 水域生態(tài)敏感性分布 從圖4及表2可以看出，水域生態(tài)敏感性整體上在各因子中最低.其中極敏感區(qū)面積約為447.51 km2，占區(qū)域總面積的3.25%，主要分布在河流100 m的緩沖區(qū)內(nèi)；高度敏感區(qū)面積約為458.81 km2，占區(qū)域總面積的3.33%，主要分布在河流100～500 m內(nèi)的緩沖區(qū)域內(nèi)；中度敏感區(qū)面積約為465.09 km2，占區(qū)域總面積的3.37 %，主要分布在河流的500～1 000 m緩沖區(qū)域內(nèi)；輕度敏感區(qū)面積約為244.57 km2，占區(qū)域總面積的1.77%，主要分布在河流的1 000～1 500 m緩沖區(qū)域內(nèi)；不敏感區(qū)面積為12 140.56 km2，占區(qū)域總面積的88.20%，分布于離河流較遠的地區(qū).

圖4 水域生態(tài)敏感性圖

3.1.5 植被歸一化指數(shù)生態(tài)敏感性分布 植被是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)之一，也是影響土壤侵蝕和水土流失的主要因素[22].從圖5及表2可以看出，極敏感區(qū)面積約為1 188.68 km2，占區(qū)域總面積的8.63%，主要分布在甘谷縣、武山縣等植被覆蓋度稀少的地方；高度敏感區(qū)面積約為2 971.94 km2，占區(qū)域總面積的21.59%，主要分布在天水市東、西兩側(cè)；中度敏感區(qū)面積約3 568.29 km2，占區(qū)域總面積的25.92 %；輕度敏感區(qū)面積約為2 910.14 km2，占區(qū)域總面積的21.14%，不敏感區(qū)面積為3 129.03 km2，占區(qū)域總面積的22.73%，主要集中分布在天水市、麥積區(qū)等植被覆蓋較高的地帶.

圖5 植被覆蓋度生態(tài)敏感性圖

3.1.6 土地利用生態(tài)敏感性分布 土地利用極敏感區(qū)面積約為2 349.02 km2，占研究區(qū)域總面積的17.06%，集中分布在林地較多的地方；高度敏感區(qū)面積約為10 913.09 km2，占研究區(qū)域總面積的79.28%，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)單一，占地面積大，敏感性程度高，主要分布在各縣區(qū)草地和耕地的地方；中度敏感區(qū)面積約為81.63 km2，占區(qū)域總面積的0.59%，主要分布在水域范圍內(nèi)；輕度敏感區(qū)面積約為412.67 km2，占區(qū)域總面積的2.99%，而中部密集的城鎮(zhèn)化建設(shè)使得土地利用類型大多為建設(shè)用地和裸地；不敏感區(qū)面積12.63 km2，占區(qū)域總面積的0.09%.

3.2 綜合分析

極敏感區(qū)和高度敏感區(qū)面積約為387.41 km2和4 585.66 km2，該區(qū)域主要受到土地利用類型的影響，主要集中分布在西北部和一些較為平坦的區(qū)域，降水量相對較少，植被覆蓋度低，對人類活動干擾和自然環(huán)境變化的反應(yīng)程度較大，則此區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)容易受到損害，需要加大生態(tài)保育，減少大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，減少生態(tài)環(huán)境帶來的危害.

圖6 土地利用生態(tài)敏感性圖

中度敏感區(qū)面積約為5 575.22 km2，該區(qū)域主要受到地形、土地利用類型、植被覆蓋度的影響在分區(qū)內(nèi)區(qū)域內(nèi)地形起伏較大，土地利用多以草地、耕地為主，在適度開發(fā)時應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保護，有節(jié)制、有限度的合理開發(fā)，避免對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成不可逆的危害的.

不敏感區(qū)和輕度敏感區(qū)面積約為69.63 km2和3 145.77 km2，該區(qū)域主要受植被覆蓋度的影響，該區(qū)以森林、草地為主，其降水量相對較高、植被覆蓋度良好，在合理開發(fā)的同時兼顧生態(tài)保護.

圖7 綜合生態(tài)敏感性圖

4 討論

該研究利用GIS空間分析技術(shù)對天水市生態(tài)敏感性進行分析研究，綜合考慮最終選取高程、坡度、坡向、植被覆蓋度、土地利用5個因子作為評價指標(biāo)，構(gòu)建適用于天水市的生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系.一方面，由于高程、坡度、坡向、植被覆蓋度、土地利用等因素能夠準(zhǔn)確地反映天水市實際情況和存在生態(tài)問題，另一方面，運用GIS空間技術(shù)在生態(tài)敏感性分析方面的研究較為成熟，使得結(jié)果更具可靠性，所得分析圖可以直觀的體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的脆弱程度，以便人們進行保護和管理.由于研究資料的限制，指標(biāo)體系還需完善，如缺少水土流失、水質(zhì)、泥石流、土地沙化方面的指標(biāo)，因而得到的結(jié)果并不能針對性的說明研究區(qū)生態(tài)敏感的脆弱度狀況.

5 結(jié)論

本研究對天水市生態(tài)敏感性進行分析，得出結(jié)果表明：研究區(qū)主要以中度敏感為主，占全區(qū)總面積的40.50%，區(qū)內(nèi)均有分布，但主要集中在研究區(qū)東西部；其次為高敏感區(qū)，占全區(qū)總面積的33.31%，主要分布在甘谷縣、秦安縣等植被覆蓋度較低的區(qū)域；低敏感區(qū)，占全區(qū)總面積的22.85%，分布在研究區(qū)內(nèi)的東南部，區(qū)域內(nèi)包括石門、金龍山、麥積山、香積山等風(fēng)景名勝區(qū)；極敏感區(qū)，占全區(qū)總面積2.81%，主要分布在研究區(qū)域的西北部；不敏感等級面積最小，占比0.50%，位于天水市東部，穿插分布在低敏感區(qū)內(nèi).本研究結(jié)果平鋪直敘地展示了天水市主要生態(tài)敏感區(qū)域，不僅為區(qū)域開展土地生態(tài)建設(shè)和保護提供了科學(xué)依據(jù)，而且為區(qū)域土地資源的合理配置提供有效參考.