基于GIS的呂梁山區貧困縣生態環境敏感性評價

張會霞, 劉麗榮

基于GIS的呂梁山區貧困縣生態環境敏感性評價

張會霞, 劉麗榮

太原師范學院地理科學學院, 晉中 030619

生態敏感性是指生態系統有外界干擾的情況下, 其適應能力及遭到破壞后生態系統恢復能力強弱。生態敏感性評價能為分析和預測區域的生態環境問題提供科學依據。論文以呂梁山區13個國家級貧困縣為研究區域, 針對呂梁山區的生態環境特點, 在GIS和RS技術支持下, 選取高程、坡度、植被覆蓋指數(NDVI)、土地利用、土壤質地及降水侵蝕力6個因子進行生態環境敏感性評價。結果表明: 呂梁山區極高敏感區占研究區面積0.44%, 高度敏感區占46.74%, 中度敏感區占39.60%, 低度敏感區占12.11%, 不敏感區占1.11%, 生態環境敏感程度總體偏高, 其中岢嵐縣、隰縣、靜樂縣生態環境敏感程度最高, 永和縣、臨縣、汾西縣相對較低。研究結果可為政府部門制定區域生態安全防范策略提供一定的參考。

呂梁山區; 生態敏感性評價; 變異系數; 加權疊加

0 前言

生態敏感性是指生態系統有外界干擾的情況下, 其適應能力及遭到破壞后生態系統恢復能力強弱[1]。全球環境問題日趨嚴重, 生態環境是人類生存和可持續發展的必要前提, 因此生態環境評價工作顯得尤為重要。隨著科學技術的發展, 生態敏感性評價不僅為分析和預測區域的生態環境問題提供了科學依據, 也是研究生態環境影響及生態系統建設的重要內容[2]。國外對生態環境敏感性研究早于國內, 生態環境評價研究范圍多集中在大區域、大尺度[3]; 在環境敏感性評價研究領域都有較快的發展,并廣泛地運用到實際工作中。Ladson[5]等提出了基于河流水文學、物理構造特征、河岸區狀況、水質、水生生物等五個方面的溪流狀況指數, 并據此對澳大利亞 80 多條河流的生態環境進行評價; Alastair Cameron[6]等對環境敏感區的動物進行了分類和評估研究; Garrod[7]等評價了環境敏感區域的價值和利益。國內對生態環境敏感性研究從單一到綜合[4], 從自然區劃延伸到生態區劃。歐陽志云等[2]在分析全國的主要生態環境問題的基礎上, 把全國劃分為不同的區域單元, 揭示生態環境敏感性的區域分異規律, 在生態環境問題的預防和治理中做出貢獻; 我國國土面積廣闊, 生態系統多樣, 不同區域的生態環境及影響因子有很大差異, 因此我國生態環境問題的敏感性研究僅限于局部地區[16], 生態環境敏感性評價指標體系沒有統一的標準。目前, 國內對于生態環境敏感性研究大致分為2類, 一是針對區域的生態敏感性的綜合性評價, 如侯志華等[9]對太原市生態環境敏感性進行評價, 杜婕等[10]對隴南市生態敏感性進行評價, 針對研究區生態特點選擇評價的生態因子, 如生態功能區、坡度、植被、土地利用、土壤質地、水域等; 二是針對地區的生態環境問題進行評價分析, 如唐潔等[11]對山西晉北地區生態環境敏感性進行評價, 劉冰等[12]對漢中生態問題的生態敏感性評價, 針對土壤侵蝕、酸雨、水土流失、土地沙化問題等生態問題進行生態敏感性評價分析, 王再嵐等[13]對鄂爾多斯東勝地區的生態研究等, 針對土壤侵蝕、酸雨、水土流失、土地沙化問題等生態問題進行生態敏感性評價分析, 這兩類研究常常采用是單因子和綜合因子分析相結合來進行[14-15], 評價標準基于《生態功能區劃暫行規程》及相關環境保護規程中對區域的生態環境問題的評價。本文以山西省境內的呂梁山區13個國家級貧困縣為研究區域, 針對研究區的特點選取高程、坡度、植被覆蓋指數、土地利用、土壤質地、降水侵蝕力等6個生態敏感性因子進行生態環境敏感性評價, 建立評價指標體系, 進行生態環境敏感性評價分析, 將呂梁山區劃分出不同的生態環境敏感區域, 分析它的敏感縣, 為制定區域安全防范策略提供參考, 為呂梁山區的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

本文研究區為山西省內的呂梁山區13個國家級貧困縣, 分別是忻州市的靜樂縣、神池縣、五寨縣、岢嵐縣, 臨汾市的吉縣、大寧縣、隰縣、永和縣、汾西縣及呂梁市的興縣、臨縣、石樓縣、嵐縣。呂梁山區處于山西省與陜西省的交匯處, 位于黃河中游, 呂梁山脈中段, 其地質發育較為齊全, 它是黃土高原的重要部分, 片區黃土堆積深厚, 土質疏松, 植被稀少, 降水少而集中, 水流失特別嚴重[16], 土壤貧瘠, 地表支離破碎, 水土流失面積達277.2萬公頃, 占國土面積的76.5%。該地氣候屬于中溫地區, 具有典型的大陸性季風氣候特征, 夏季炎熱多雨, 冬季干寒多風[17], 春秋二季處于2者之間, 四季分明, 降水集中在6—9月, 其他季節降水稀少, 降水量小于蒸發量, 旱澇問題并存; 大部分人生活在低山河谷地帶, 隨著人口增長, 耕地也隨之密集, 自然生長植物稀少, 出現區域性超載[18], 加劇水土流失情況。丘陵溝壑地形嚴重制約農業規模化生產、產業化經營和城鎮空間拓展。2010年末, 總人口402.8萬人, 其中鄉村人口340.4萬人。人均地區生產總值為9839.2元, 人均地方財政一般預算收入為365.7元, 城鎮居民人均可支配收入為12967.7元, 農村居民人均純收入為3340.5元。

1.2 數據來源

(1)呂梁山區的遙感影像數據和DEM數據均來自地理空間數據云, 遙感影像數據采用Landsat衛星系列中2016年8月到10月的影像, DEM數據采用呂梁山區分辨率30m的DEM數據; (2)土壤質地數據來源于hwsd土壤數據集(寒區旱區科學數據中心), 其中國境內數據來源于第二次全國土地調查南京土壤所提供的1:100萬土壤數據; (3)土地利用數據來源于modis_lucc_1KM_China的中國地區土地覆蓋綜合數據集(寒區旱區科學數據中心); (4)降水數據來源于中國氣象數據網, 獲得33個氣象站的月平均降水量; (5)呂梁山區縣界矢量數據來源于第二次全國土地調查結果。所有數據都轉換為與界線數據的投影一致。

2 評價因子的選取及評價體系的建立

2.1 評價因子的選取及分級

根據呂梁山區生態環境的實際情況, 對呂梁山區的生態敏感性選取評價因子。呂梁山區生態環境系統的特點具有復雜性和綜合性, 因此選取評價因子的指標不需要太細, 否則容易交叉重復[19]。針對黃土高原的水土流失嚴重的問題及呂梁山區的環境特點, 本文從地形起伏、植被、土地利用、土壤質地、降水等方面選擇了坡度、高程、植被覆蓋指數(NDVI)、土地利用、土壤質地、降水侵蝕力6個評價因子。分級標準依據《生態功能區暫行規程》及其他相關生態環境規程的分級標準和相關研究綜合制定[20-23], 將單因子劃分5個等級即極度敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區、不敏感區, 統一賦值9、7、5、3、1, 便于各因子的橫向比較。

2.2 單因子評價分級

2.2.1 地形起伏

呂梁山區位于山西省西部, 是黃土連續分布的典型黃土高原地區, 水土流失問題嚴重。地形起伏對于水土流失有著重大的影響, 采用高程和坡度2個因子來對呂梁山區的生態環境敏感性進行研究。將獲得的DEM數據進行重分類, 以1000 m, 1500 m, 2000 m, 2500 m為分級值,將高程分為5級, 分別賦值1,3,5,7,9; 將坡度數據進行重分類, 以5°、8°、15°、25°為分級點將其分為5級并賦等級值, 分級標準見表1。

2.2.2 植被

植被防止土壤侵蝕, 能夠削弱降雨能量, 保水固土, 抵抗侵蝕作用, 用植被覆蓋指數(NDVI)量化為植被對生態環境敏感性的影響因子, NDVI值越高, 對環境敏感性影響程度越大。采用Landsat遙感影像在ArcGIS軟件中用柵格計算器算出NDVI值, 進行重分類, 以0.2,0.4,0.6為分級值將其分成4個等級, 賦值1,3,5,7, 分級標準見表1。

2.2.3 土地利用

人類活動對生態環境的影響程度主要表現在土地利用方面, 將呂梁山區土地利用分為林地、水域、草地、灌木林地、耕地、建設用地、未利用地等7種土地利用類型, 用重分類工具, 將建設用地、未利用地分為一類, 耕地一類, 灌木林地一類, 草地一類, 林地、水域一類, 賦值1,3,5,7,9, 分級標準見表1。

2.2.4 土壤質地

土壤是水蝕的主體, 可以說是水蝕的內因, 土壤的粘粒、有機質含量、膠體性質等性質, 使其對水土流失具有抗蝕和抗沖作用。本文采用土壤質地因子對呂梁山區生態環境敏感性進行分析, 將石礫、沙土, 砂土、粘土, 壤土, 砂壤土分為4等級, 賦值1,3,5,7, 分級標準見表1。

2.2.5 降水

降水采用USLE土壤侵蝕公式中降水侵蝕力值表示, 根據土壤侵蝕公式中值的估算公式如下:

表1 單因子敏感性分級標準

式中:P為月均降水量,為年均降水量,=0.3589,=1.9462, 在ArcMap軟件中矢量化各站點, 在屬性表中錄入站點名稱和值, 用克呂金插值法得出降水侵蝕力分布圖, 用1000,1300,1400,1600為分級值分為5級, 賦值1,3,5,7,9, 分級標準見表1。

2.3 綜合因子評價

2.3.1 各因子權重確定

采用變異系數法求各因子對生態環境敏感性影響的權重。變異系數法是一種客觀賦權的方法, 是用來度量各觀測值的變異程度的統計量, 可以直接利用各項指標所包含的信息, 通過計算得到各項指標的權重[24]。變異系數是數據標準差與平均值之比, 各因子變異系數占總體變異系數比重就是各因子的權重, 計算公式:

2.3.2 綜合因子計算

綜合因子分析采用加權疊加分析法, 這種方法常用來提取系統空間隱含信息, 它必須是在統一的空間坐標系統下, 將兩個或兩個以上的圖層按照一定的算法, 疊加計算產生新數據。加權疊加分析的計算公式:

式中:為加權疊加分析的結果,w為第個數據的權重值,P為第個數據值; 采用柵格計算器進行計算, 各因子的權重值見表2, 利用該公式對6項生態敏感性因子進行加權疊加, 得出綜合性生態敏感性評價結果。

3 結果及分析

3.1 生態環境敏感性單因子評價分析

(1)坡度敏感性分析: 由坡度敏感分級可得, 不敏感區面積占比為10.79%, 主要分布在五寨縣和嵐縣中部; 低度敏感區面積占比11.48%, 主要分布在靜樂縣西部、岢嵐縣北部及神池縣大部分區域; 中度敏感區面積占比為31.33%, 高度敏感區為32.9%, 極度敏感區為13.5%, 大部分處于中高度敏感區域, 石樓縣、永和縣、隰縣、汾西縣、大寧縣、吉縣, 臨縣、興縣及靜樂縣東部敏感程度高, 評價結果見圖1(a)及表3。

(2)高程敏感性分析: 由高程敏感分級可得, 不敏感區面積占比為20.59%, 主要分布在呂梁山區西部、大寧縣的河流谷地及汾西縣東部盆地區域; 低度敏感區面積占56.2%, 主要分布在五寨縣西部、興縣和臨縣、石樓縣, 汾西縣中部, 嵐縣東部和靜樂縣西部的等丘陵地帶; 中度、高度和極度敏感區面積占比為分別為21.45%、1.66%、0.1%, 主要分布在呂梁山區東北方向山脈及靜樂縣東部山地等, 評價結果見圖1(b)及表3。

(3)植被覆蓋指數敏感性分析: 由植被指數敏感分級可得, 不敏感區面積占比為3.52%, 主要在研究區西部河流河岸; 低度敏感區為75.61%, 除嵐縣、五寨縣、岢嵐縣外其他縣大部分處于低度敏感區域; 中度面積占比20.86%, 主要分布在嵐漪河兩岸的平川地區, 及五寨縣、岢嵐縣丘陵地區; 高度敏感區面積占比為0.01%, 敏感程度總體偏低, 評價結果見圖1(c)及表3。

(4)土地利用敏感性分析: 由土地利用敏感分級可得, 不敏感和低度敏感區面積占比分別為2.62%、1.35%, 主要分布在汾西縣東部及各縣域發展中心建設區域; 中度敏感區為19.25%, 主要分布在岢嵐縣西南部、興縣東部、汾西縣西部, 大寧縣和吉縣邊界山區; 高度和極度敏感區面積占比分別為64.62%、12.16%, 土地利用敏感程度總體偏高, 主要分布在興縣, 臨縣, 五寨縣、嵐縣、靜樂縣、神池縣等山地丘陵地區, 及西部黃河流域、中部嵐漪河、汾河流域區域, 評價結果見圖1(d)及表3。

表2 各因子權重計算結果

圖1 單因子評價分級圖

Figure 1 Single factor evaluation classification map

表3 單因子及綜合因子敏感分級占比

(5)土壤質地敏感性分析: 由土壤質地敏感分級可得, 不敏感區面積占比為1.65%, 低度和中度敏感區分別為0.14%、0.54%, 高度敏感區為97.67%, 呂梁山區土壤質地絕大部分都是敏感程度較高的砂壤土, 只有在西部河谷、平川地區敏感程度較低的壤土、黏土等, 以及在北部的五寨縣, 神池縣零星分布的壤土黏土, 敏感程度整體高, 評價結果見圖1(e)及表3。

(6)降水侵蝕力敏感性分析: 由降水侵蝕力敏感分級可得, 不敏感區和低度敏感區面積占比分別為0.75%和10.04%, 主要分布在研究區西南部; 中度敏感區為13.7%, 主要分布在臨縣中部, 興縣西南部及石樓縣、永和縣, 大寧縣中部地帶性分布; 高度敏感區為64.41%, 主要分布在研究區東北部及南部的中心地帶, 處于中度敏感區東面, 大致與中度敏感區分布地帶平行; 極度敏感區為11.10%, 主要分布在石樓縣和隰縣東部及汾西縣。高度和極度敏感區占75.52%, 大部分處于中高度敏感區域, 評價結果見圖1(f)及表3。

3.2 生態環境敏感性綜合因子評價分析

根據綜合因子敏感度分級的結果如圖2可知, 呂梁山區極度敏感區占研究區面積0.44%, 高度敏感區占總面積46.74%, 中度敏感區占39.60%, 低度敏感區占12.11%, 不敏感區占1.11%, 極度敏感區主要分布在呂梁山區中部山地、丘陵地區, 敏感區整體分布大致呈東北向帶狀分布, 總體來講, 中部山地丘陵敏感程度高, 兩邊河流谷地、平川地區敏感程度低。靜樂縣東部山地敏感程度高, 西部與嵐縣形成的小盆地敏感程度低; 大寧縣南北群山敏感程度高, 中部昕水河流域敏感程度低; 神池縣東北部高, 西南部低; 岢嵐縣境內嵐漪河流域敏感程度低, 兩邊敏感程度遞增; 綜合性生態環境敏感程度評價的結果顯示, 生態環境敏感程度總體較高, 中高敏感區占86.77%, 神池縣、岢嵐縣、嵐縣、靜樂縣、石樓縣、隰縣、汾西縣大多區域處于高度敏感區, 各縣中岢嵐縣生態環境敏感程度最高, 臨縣相對較低。綜合因子敏感性分異規律大致與高程、土壤質地、土地利用類型、植被覆蓋指數、降水侵蝕力地域分異規律趨勢大致相同, 與坡度大致相反。

4 結論與討論

結合RS和GIS技術, 選取坡度、高程、植被覆蓋指數、土地利用、土壤質地、降水侵蝕力6個評價因子評價呂梁山區生態環境敏感性程度。從研究結果來看, 山區植被覆蓋率低, 土地利用結構不夠優化, 降水集中, 地形土壤等原因使得水土流失問題嚴重, 綜合因素使得呂梁山區生態環境敏感程度總體偏高, 其中岢嵐縣生態環境敏感程度最高, 臨縣相對較低, 生態敏感區空間差異規律明顯, 呂梁山區北部敏感性總體西南向東北方向增高, 呂梁山區南部生態環境敏感性中間高, 向東西方向遞減。研究結果將研究區分為5個等級, 得出不同區域的生態環境敏感性的空間分布規律和特征, 為呂梁山區的經濟發展提供理論依據。研究區內的極度和高度敏感區生態環境脆弱, 生態環境極易受到人為破壞, 應作為生態環境重點建設保護區, 禁止進行開發建設活動, 對其應進行保持水土工程, 加強環境保護, 提高森林覆蓋率, 增強生態系統穩定性; 中度敏感區的生態環境也較為脆弱, 容易遭受人為干擾, 應作為控制發展區, 進行適度開發, 遵守開發和保護的一致性; 低度敏感區與不敏感區土地生態環境相對良好, 可以進行有節制的開發活動。在發展中堅持青山綠水就是金山銀山的理念, 優化呂梁山區生態環境狀況, 堅持生態建設與環境保護并舉, 建設水土保持區和水源涵養區的重要生態功能區。環境是呂梁山區可持續發展的必要前提, 而呂梁山區是打贏脫貧攻堅戰的重要區域, 為其他連片特別貧困區域的發展提供參考建議。

圖2 生態環境敏感性綜合因子評價分級圖

Figure 2 Comprehensive factor evaluation classification map of ecological environment sensitivity

表4 各縣敏感區占比(%)

針對研究區的生態環境敏感性情況選取的6個評價因子, 基本可以體現呂梁山區的生態環境敏感性, 但是沒有考慮氣候、河流、生物多樣性等因素影響; 在制定分級標準中雖然參考大量研究資料和相關文獻, 但在研究過程中依然存在主觀性, 缺乏生態環境敏感性評價統一標準, 在今后的研究工作中需要進一步加強完善。呂梁山區的主要環境問題是水土流失, 評價對象主要針對水土流失問題的影響因子進行選取, 沒有綜合考慮其他生態問題對呂梁山區生態敏感性的影響。此外, 局部地區的生態問題與整體有差異性, 各區域的環境問題在程度上也有差別, 導致各生態因子綜合性評價的權重不能具體到研究區局部。

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Evaluating ecological environmental sensitivity in poor county of Lvliang mountain area based on GIS

ZHANG Huixia, LIU Lirong

Institute of Geographical Science, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China

Ecological sensitivity refers to the adaptability and restoration ability of ecosystem when it is disturbed by constant external interference and destruction. Ecological sensitivity evaluation can provide scientific basis for analysis and prediction of regional ecological environment problems. According to the characteristics of the ecological environment in Lvliang mountainous area, 13 national poverty-stricken Counties in Lvliang mountainous area were selected as the study area. With the support of GIS and RS technology, these six factors were used to evaluate the sensitivity of ecological environment which included elevation, slope, vegetation coverage index (NDVI), land use, soil texture and rainfall erosivity. The results show that the sensitivity of the ecological environment in Lvliang mountainous area was generally high. In the whole study area, the extremely sensitive area accounted for 0.44%, the highly sensitive area accounted for 46.74%, the moderately sensitive area accounted for 39.60%, the low sensitive area accounted for 12.11%, and the non sensitive area accounted for 1.11%. Moreover, Kelan County, Xi County and Jingle County had the highest sensitivity to ecological environment, while Yonghe County, Linxian County and Fenxi County were relatively low. The results can provide some references for the government departments to formulate regional ecological security prevention strategies.

lvliang mountainous area; ecological sensitivity evaluation; variance coefficient; weighted superposition

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.005

X826

A

1008-8873(2020)06-030-08

2019-10-16;

2019-11-20

國家自然科學基金青年科學基金項目(41501219); 山西省自然科學基金項目(201901D111291)

張會霞(1972—), 女,山西運城人, 博士, 副教授, 主要從事生態環境、GIS空間分析研究, E-mail:zhanghuixia120@163.com

張會霞, 劉麗榮. 基于GIS的呂梁山區貧困縣生態環境敏感性評價[J]. 生態科學, 2020, 39(6): 30–37.

ZHANG Huixia, LIU Lirong. Evaluating ecological environmental sensitivity in poor county of Lvliang mountain area based on GIS[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 30–37.