基于GIS的喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)

楊 青 劉蔚怡 張 斌

(1. 安順學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 安順 561000;2. 貴州省第三測(cè)繪院, 貴州 貴陽(yáng) 550004)

0 引言

生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)是用于揭示人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境可能造成的影響的重要指標(biāo),對(duì)指定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策的制定和有效實(shí)施具有很重要的作用[1],對(duì)生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)的研究也從單因子評(píng)價(jià)方法延伸到多因子綜合評(píng)價(jià)法[2]。我國(guó)生態(tài)環(huán)境敏感性的區(qū)域差異大,地形、地貌以及氣候等環(huán)境影響因素存在很大的差異,所以我國(guó)生態(tài)環(huán)境敏感性的研究?jī)H限于部分地區(qū)[3]。主要分為針對(duì)區(qū)域生態(tài)敏感性的綜合評(píng)價(jià)和針對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的評(píng)價(jià)分析[4],都是采用單因子分析和多因子疊加綜合分析的方法進(jìn)行的。

近年來(lái),有關(guān)研究學(xué)者通過(guò)利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行敏感性分析,并對(duì)其進(jìn)行單因子評(píng)價(jià),得出研究區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性影響程度和主要因素[5]。研究表明坡度、土地利用類型、水環(huán)境敏感性、植被覆蓋度、水環(huán)境敏感性、地形、地貌、氣候等對(duì)生態(tài)系統(tǒng)敏感性均有不同程度的影響[6-9]。岳佳穎等運(yùn)用GIS和層次分析法的研究方法,選取9個(gè)因子進(jìn)行生態(tài)敏感性單因子分析和綜合分析。得出研究區(qū)生態(tài)敏感性整體以中、高為主[10]。馬驊等應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)貴州省畢節(jié)市的土壤侵蝕敏感性、石漠化敏感性及酸雨敏感性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)并進(jìn)行生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)[11]。張浪等以ArcGIS平臺(tái)為技術(shù)支撐,采用單因子與多因子評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,對(duì)烏江流域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：烏江流域整體敏感性程度較高,流域的土地利用類型對(duì)敏感性綜合評(píng)價(jià)起重要作用[12]。綜上,通過(guò)GIS技術(shù)結(jié)合遙感數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境敏感性技術(shù)可行,也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義,能為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià),變化趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支持。

本文以貴州省畢節(jié)市為研究區(qū),利用美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat8)遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)遙感圖像處理軟件(the environment for visualizing images,ENVI)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,結(jié)合ArcGIS空間分析得出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合空間疊置分析,得出畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,以期為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及現(xiàn)狀分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省西北部,是西南喀斯特地區(qū)的典型區(qū)域。畢節(jié)市處于川滇黔三省交界之處,屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,水熱同期,降雨量較為充沛,植被豐富,年平均降水量在849～1 399 mm之間。畢節(jié)市地勢(shì)西高東低,多為巖溶地帶,地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,褶皺斷裂交錯(cuò)縱橫,形成典型的喀斯特巖溶地貌。區(qū)域內(nèi)石漠化土地面積擴(kuò)大,耕地減少,且由于土地貧瘠、地形坡度大,水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括畢節(jié)市2020年的Landsat8遙感影像、分辨率為30 m的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)以及畢節(jié)市行政邊界等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源：地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站)。其中,植被覆蓋指數(shù)是基于Landset8遙感影像利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算而得;坡度、坡向和水系數(shù)據(jù)是通過(guò)ArcGIS軟件由DEM提取而來(lái);高程由DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類得到。

2.2 研究方法

本次研究采用單因子評(píng)價(jià)和多因子綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法：以研究區(qū)的Landsat遙感影像和DEM等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)ENVI軟件對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再通過(guò)ArcGIS軟件,對(duì)各單因子數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,并運(yùn)用加權(quán)疊加方法疊加各單因子敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果,從而對(duì)畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

本文所選取的敏感性因子為坡度、坡向、高程、水系和植被覆蓋指數(shù),參考相關(guān)研究的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分別將這5個(gè)單因子按照極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感5個(gè)等級(jí)進(jìn)行重分類[12-13],然后進(jìn)行敏感性分級(jí)賦值,具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

最后根據(jù)權(quán)重公式,利用加權(quán)疊加分析法對(duì)所選取的5個(gè)因子進(jìn)行加權(quán)分析,制作生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)圖,最終得到畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性的等級(jí)和分布。

(1)

式中,S是生態(tài)環(huán)境敏感性;P1代表坡度;D代表高程;P2代表坡向;NDVI是植被覆蓋指數(shù);W代表水系。

表1 生態(tài)敏感性因子類別與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 生態(tài)環(huán)境敏感性單因子分析

3.1 坡度

通常情況下,坡度表示的是地形的陡緩程度,影響著地表的敏感性。由于部分地區(qū)土壤貧瘠,一般坡度越陡,越容易造成水土流失,植被受到破壞的可能性也越大,且不易恢復(fù)。通過(guò)對(duì)畢節(jié)市區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)提取,得出畢節(jié)市坡度的敏感性分布。

其中,坡度小于10°地區(qū)為不敏感區(qū),占總面積的27.26%,是較為理想的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地;10°～25°為低度敏感區(qū),占總面積的53.34%,不適合建設(shè)開(kāi)發(fā);25°～45°為中度敏感區(qū),占總面積的18.43%,不滿足開(kāi)墾條件,限制植被生長(zhǎng),應(yīng)加強(qiáng)防護(hù);45°～60°為高度敏感區(qū),占總面積的0.94%,該區(qū)由于坡度較大,植被覆蓋低,加上過(guò)度放牧、不合理耕作、過(guò)度開(kāi)墾等人為影響以及部分地區(qū)特殊的喀斯特地貌土層較薄,導(dǎo)致石漠化較為嚴(yán)重;60°以上為極敏感區(qū),占總面積的0.03%,生態(tài)環(huán)境承受能力較差,極易造成水土流失,也很大程度上限制了開(kāi)發(fā)建設(shè)[14],綜上可知,畢節(jié)市區(qū)域坡度敏感性處于低度敏感(表2)。

表2 畢節(jié)市坡度敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)表

3.2 坡向

不同的坡向受到的日照時(shí)長(zhǎng)和光照輻射強(qiáng)度不同,在北半球,通常東坡、南坡、東南坡和西南坡所受到的光照輻射強(qiáng)度較大[15],影響著區(qū)域植被的生長(zhǎng)情況,對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生間接性的影響,同時(shí)也在一定程度上影響著區(qū)域建筑物的采光[16]。不敏感區(qū)主要為平地和正南面,光照充足,占總面積的13.61%,例如：威寧彝族回族自治縣的草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū);低度敏感區(qū)占總面積的25.36%,該區(qū)的坡向主要為東南和西南,光照較為充足;中度敏感區(qū)主要為正東和正西面,占總面積的22.24%;高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)主位于東、西北和正北方向,該區(qū)受到的光照輻射強(qiáng)度較小,分別占總面積的25.61%和13.18%(表3),因此畢節(jié)市的坡向敏感性總體為高度敏感。

表3 畢節(jié)市坡向敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)表

3.3 高程

畢節(jié)市地勢(shì)崎嶇,整體呈現(xiàn)西高東低的地形,最高海拔為2 900.6 m,最低海拔為457 m。對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(表4)。其中高程<1 000 m的為不敏感區(qū),主要分布在畢節(jié)市東北部,占總面積的4.71%;高程范圍在1 000～1 500 m的為低度敏感區(qū),主要分布在畢節(jié)市的東部地區(qū),占總面積的31.56%;高程范圍在1 500～2 000 m的為中度敏感區(qū),大部分在中部地區(qū),少部分分布在西部地區(qū),該區(qū)占總面積的37.71%;高程范圍在2 000～2 500 m的為高度敏感區(qū),占總面積的24.59%;高程>2 500的為極敏感區(qū),占總面積的1.43%,高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)主要分布在西部,因此,畢節(jié)市高程敏感性總體屬于中度敏感。

表4 畢節(jié)市高程敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)

3.4 水系

優(yōu)良的水資源與水系所在地的環(huán)境質(zhì)量、區(qū)域濕度和水循環(huán)等息息相關(guān),因此,評(píng)價(jià)水系的敏感性有助于明確其生態(tài)情況,并為相關(guān)部門(mén)制定相應(yīng)防護(hù)政策提供科學(xué)依據(jù)。由于研究區(qū)范圍較大,本次研究選取區(qū)域內(nèi)幾條主要的河流水系,設(shè)定最大流量(柵格單元值)不超過(guò)200 000,并根據(jù)水體的遠(yuǎn)近距離,將水系敏感性分為水系本身區(qū)域及周邊300 m、800 m和非緩沖區(qū)四個(gè)范圍等級(jí)(表5)。距離水系越遠(yuǎn)的地區(qū),由于不能更好地滿足人類生產(chǎn)生活的需求,生態(tài)環(huán)境的外界干擾較少,污染小,因此,水系周圍生態(tài)環(huán)境敏感性程度越低,反之亦然。其中,極度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的0.11%,高度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的2.42%,中度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的4.02%,低度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的93.46%。因此,畢節(jié)市的水系敏感性總體屬于低度敏感。

表5 畢節(jié)市水系敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)表

3.5 植被指數(shù)

畢節(jié)市境內(nèi)植被種類繁多,有苔類植物近100種,蕨類植物34科130種,裸子植物9科22種,被子植物155科1 809種。本研究通過(guò)ENVI軟件計(jì)算植被覆蓋指數(shù),并在ArcGIS中進(jìn)行重分類并賦值。

(1)利用ENVI進(jìn)行波段運(yùn)算：

其中，NDVI為植被覆蓋指數(shù)；b1為近紅外波段；b2為紅外波段。

(2)在ArcGIS中對(duì)植被覆蓋指數(shù)進(jìn)行重分類并賦值。NDVI值越高,植被覆蓋度就越高,區(qū)域的植被生態(tài)敏感性就越高,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越弱,受到外界干擾和破壞后的自我恢復(fù)能力也越弱。經(jīng)分析可知,NDVI≥0.5為極度敏感區(qū),占總面積的16.89%,主要分布在畢節(jié)市的東北部和中南部地區(qū);NDVI≤0為高度敏感區(qū),該區(qū)域地表無(wú)植被覆蓋,屬于巖石或裸土地帶,石漠化特征明顯,占總面積的5.94%;0.3≤NDVI<0.5為低度敏感區(qū),占總面積的43.21%;0

表6 畢節(jié)市植被覆蓋指數(shù)敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)表

4 生態(tài)環(huán)境敏感性多因子綜合分析

根據(jù)權(quán)重利用柵格計(jì)算工具對(duì)以上5個(gè)生態(tài)敏感性因子進(jìn)行加權(quán)疊加分析,并采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行分級(jí)賦值,最后得到畢節(jié)市的生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布圖(圖1)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性分為5級(jí),分別為極度敏感、高度敏感、中度敏感、低度敏感和不敏感(表7)。

圖1 畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)圖

表7 畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)

(1)不敏感區(qū)域占總面積的37.12%,主要分布在黔西地區(qū)、金沙縣和織金縣東部地區(qū)、畢節(jié)市的中南部地區(qū),該區(qū)植被覆蓋較低,敏感性低,多為地勢(shì)較平坦的耕地和建筑用地,在建設(shè)開(kāi)發(fā)的同時(shí),應(yīng)合理規(guī)劃并嚴(yán)格監(jiān)控環(huán)境污染情況。

(2)低度敏感區(qū)所占面積最大,分布較為分散,占總面積的38.12%,其中織金縣與黔西縣交界處有一定范圍的巖石裸露地帶,石漠化程度較高,自然條件下植被不易恢復(fù),應(yīng)加大對(duì)水土流失的防護(hù)和治理力度,注重對(duì)裸露巖石邊坡的生態(tài)修復(fù)工作,保證裸露山體的穩(wěn)定性和安全性。

(3)中度敏感區(qū)占總面積的12.87%,主要分布在各主要河谷地帶,河流水系周邊人類活動(dòng)較為集中,區(qū)域生態(tài)環(huán)境受外界干擾強(qiáng)度較大,生態(tài)環(huán)境敏感性也相對(duì)較高,應(yīng)注重對(duì)河湖生態(tài)的保護(hù)和修復(fù)治理,加強(qiáng)相應(yīng)區(qū)域的生態(tài)管控力度,針對(duì)水土流失嚴(yán)重地區(qū),應(yīng)以小流域?yàn)閱卧?開(kāi)展林草、耕作、工程相結(jié)合的水土保持措施。

(4)高度敏感區(qū)占總面積的9.12%,主要分布在金沙縣西部、赫章縣、七星關(guān)區(qū)、大方縣、納雍縣、織金縣部分地區(qū)以及威寧縣的河流周邊。該區(qū)域水系縱橫交錯(cuò),水域面積比重較大,植被覆蓋指數(shù)高,生態(tài)環(huán)境敏感性高,部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后,發(fā)展過(guò)程中應(yīng)合理開(kāi)發(fā)建設(shè),盡量減少人為的干擾和破壞,盡可能發(fā)揮該區(qū)域的生態(tài)功能,維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)及其穩(wěn)定性[17]。

(5)極度敏感區(qū)面積相對(duì)較小,占總面積的2.77%。受到各敏感性因子的共同影響,該區(qū)生態(tài)敏感性極高,生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性差且脆弱,主要分布于區(qū)域主要水系范圍附近及部分區(qū)縣交界處。該區(qū)極易受到人為干擾,一旦區(qū)域生態(tài)受到一定的破壞,恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),就會(huì)造成不同程度的自然生態(tài)災(zāi)害,發(fā)展中應(yīng)加大開(kāi)發(fā)建設(shè)的控制力度,增強(qiáng)對(duì)水土流失地區(qū)的退耕還林工程,防止石漠化的形成和演化,促進(jìn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

5 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的實(shí)際情況,選取了坡度、坡向、高程、水系和歸一化植被指數(shù)五個(gè)生態(tài)敏感性因子構(gòu)建了畢節(jié)市的生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)體系,基于GIS的空間分析技術(shù)研究了畢節(jié)市的生態(tài)敏感性程度,并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),綜合分析結(jié)果顯示：

(1)不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的75.24%,中度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的12.87%,極度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)占畢節(jié)市總面積的11.89%。根據(jù)畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境的不同敏感性程度進(jìn)行分析,其分布情況為：不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)主要分布于畢節(jié)市地勢(shì)較平坦的區(qū)域,以及部分巖石裸露地帶,部分地區(qū)石漠化較嚴(yán)重,導(dǎo)致土地資源喪失,人類活動(dòng)頻率大大減少,生態(tài)敏感性低;中度敏感區(qū)主要分布在各主要水系發(fā)達(dá)的區(qū)域;極度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)主要分布在畢節(jié)市中北部和東南部。

(2)畢節(jié)市的生態(tài)環(huán)境敏感性整體呈現(xiàn)出低度敏感。極度敏感區(qū)面積占比最高的是植被指數(shù),占比最少的是坡度;不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)面積占比最高的是水系,占比最少的是高程。畢節(jié)市整體生態(tài)環(huán)境敏感性屬于極度敏感的區(qū)域主要分布于赫章縣、七星關(guān)區(qū)、大方縣、納雍縣地區(qū),且分布廣泛;金沙縣和織金縣的局部地區(qū)屬于極度敏感區(qū);黔西縣和威寧彝族回族苗族自治縣地區(qū)極度敏感區(qū)分布較為分散且面積較少。

(3)針對(duì)納雍縣、大方縣、赫章縣和七星關(guān)區(qū)這些敏感性高的區(qū)域,應(yīng)嚴(yán)格控制人類活動(dòng),加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè),同時(shí)加大區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度;對(duì)于金沙縣西部和織金縣西北部這樣中度敏感的地區(qū)應(yīng)優(yōu)化當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè),適度開(kāi)發(fā),提高區(qū)域生態(tài)效益;在威寧彝族回族苗族自治縣和黔西縣這樣敏感性較低的區(qū)域,應(yīng)在合理限度內(nèi)盡可能地發(fā)揮區(qū)域的生態(tài)功能,尤其對(duì)威寧地區(qū)草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和石漠化地區(qū)要加大保護(hù)力度,進(jìn)一步提升和優(yōu)化區(qū)域的生態(tài)環(huán)境開(kāi)發(fā)建設(shè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著喀斯特地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)畢節(jié)市的開(kāi)發(fā)程度會(huì)進(jìn)一步加大,相關(guān)部門(mén)應(yīng)因地制宜,綜合考慮各個(gè)區(qū)域的整體情況,采取有效的措施規(guī)劃各個(gè)區(qū)域的開(kāi)發(fā)建設(shè),合理規(guī)劃生態(tài)適度開(kāi)發(fā)區(qū),科學(xué)應(yīng)對(duì)畢節(jié)市生態(tài)問(wèn)題的防治力度。目前基于GIS的區(qū)域生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)大多數(shù)采用的是單因子和多因子疊加分析相結(jié)合的方法,能在一定程度上反映某個(gè)研究區(qū)域的生態(tài)敏感性情況,但該研究方法忽略了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的時(shí)空變化過(guò)程[18],今后可以進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。