天水市生態敏感性分析研究

喬育，種培芳

(甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

生態敏感性是指生態系統對區域內自然環境變化和人類活動干擾的敏感程度，反映生態系統遭到自然或人為因素干擾時發生生態環境問題的難易程度和概率大小[1-5].生態敏感性分析及評價是綜合多種環境影響因素來反映區域生態系統是否穩定的重要方法與手段[6-9].合理的生態敏感性分析能夠為區域資源利用、開發提供理論基礎[10].生態敏感性的評價起初多是針對項目中某種特定的生態環境問題進行單因素評價，隨著研究的深入，眾多學者開始利用多個因素進行生態敏感性綜合評價.目前，諸多學者對脆弱生態環境評價理論與方法應用進行了大量的研究，在評價方法上，主要傾向于采用數學方法對生態環境脆弱性進行定量評價，如模糊綜合評判法、生態脆弱度指數法、層次分析(AHP)法、主成分分析法等.同時，生態脆弱性評價指標體系的構建問題[11]，一直被許多學者所關注，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體系，不僅借助3S技術深入到各類型區域，而且在旅游資源規劃、景觀格局規劃、承載力評估、城市建設等多領域得到應用.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展階段，對指標體系選擇存在較大隨意性，還未形成統一標準[13].

天水市是關中平原城市群次核心城市、絲綢之路經濟帶重要節點城市、也是全國老工業基地和重要的裝備制造業基地之一，因此，對天水市進行生態敏感性分析研究對推動區內經濟、社會、生態、文化建設具有重要意義.為天水市生態旅游資源的合理開發提供了有意義的參考價值，也為天水市生態環境保護與土地開發利用提供依據.

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

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、麥積區兩個市轄區，甘谷縣、武山縣、秦安縣、清水縣和張家川回族自治縣5個縣，區域總面積14 325 km2，總人口340萬(2012年)，常住人口372萬，其中城鎮人口120萬，城市化率達到33%，城區人口60.3萬.東西全長約197 km，南北跨度約122 km[14].研究區地形復雜，地勢西北高，東南低，海拔1 000～2 100 m，市域內平均海拔高度為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，南部亞熱帶林區年降水量為800～900 mm，中東部山區降水量為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.渭河光在麥積區內有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.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.研究區域內土地利用類型主要有耕地、林地、草地、水域以及建設用地等.土壤以山地褐土、山地棕壤土和山地草甸土為主.

1.2 數據來源

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

2 研究方法

2.1 評價因子的選取及等級體系的劃分

本研究依據整體性、層次性、區域特殊性和可操作性原則，選取能準確反映生態脆弱性且容易獲取的評價因子[18]，本研究參考《生態功能區劃技術暫行規程》對生態環境現狀評價的規定內容并結合咨詢專家選取6個生態環境因子：高程、坡度、坡向、水系、植被覆蓋度、土地利用作為生態敏感性分析的主要因子.對因子構建相應的評價指標體系，并將各單因子敏感性劃分為不敏感區、輕敏感區、中度敏感區、高度敏感區、極敏感區5個等級并賦值為1、2、3、4、5.具體如表1所示.

表1 生態敏感性因子等級體系

2.2 評價指標權重的確定

生態環境經常受到各個方面的影響，所以在進行生態敏感性評價時，常采用多因子綜合方法，各因子對生態敏感性的影響程度不同，故應具有不同的權重.通過層次分析(AHP)法計算各因子權重并運用層次分析法構造生態敏感度兩兩判斷矩陣，排序計算得出各評價因子的權重，最后通過一致性檢驗來判斷所確定的權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)構建遞階層次模型.將天水市生態敏感性設定為目標層，地形和生態要素兩大因素設定為一級指標，二級指標層為6個生態因子.

2)極差法構造判斷矩陣:

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，是按某種標準預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法構造敏感性評價矩陣

采用AHP法構造生態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CI=(γmax-n)/(n-1)，經計算CI=0.014，通過查表可以得到矩陣的平均隨機一致性指標(RI)，當n=6,RI=1.260.再計算一致性比率CR=CI/RI，經計算通過一致性檢驗得出CR值為0.011，在0～0.1之間，說明對生態因子的權重判斷是可行的；各因子的權重為W=[0.104，0.165，0.065，0.140，0.160，0.366].

由表2可見，在天水市的6個指標中，權重系數從小到大依次為：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).從指標權重可以看出，坡度因子和土地利用因子是影響天水市生態脆弱性程度高低的重要因素.

表2 生態敏感性分布統計結果

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果.生態敏感性數學模型如式(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，Si為第1個評價單元的綜合值，W為第W個評價因子的權重，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進行水域緩沖區處理、疊加等對因子進行分析，就能夠完成天水市范圍內生態敏感性的綜合評價、空間分布和面積統計等分析[20].

3 結果與分析

3.1 單因子生態敏感性分析

3.1.1 高程生態敏感性分布 高程對于生態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 ℃，隨之也導致植物分布以及生態體系在高程上垂直分布特征的變化.隨海拔的上升，生物多樣性相應降低，環境自身的抗干擾能力相應降低，生態敏感性就越高.從圖1及表2可以看出，極敏感區面積約為977.05 km2，占區域總面積的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等地勢較高的區域.

圖1 高程生態敏感性圖

3.1.2 坡度生態敏感性分析 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活動與能量之間轉換的規模與強度，都會因為坡度的不同程度而呈現出不一樣[21].其中極敏感區面積約為1 069.68 km2，占區域總面積的7.77%，高度敏感區面積約為2 382.79 km2，占區域總面積的17.31%；中度敏感區面積約為3 526.03 km2，占區域總面積的25.61%；輕度敏感區面積約為3 983.56 km2，占區域總面積的28.94%；不敏感區面積為2 807.18 km2，占區域總面積的20.39%.

圖2 坡度生態敏感性圖

3.1.3 坡向生態敏感性分析 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，導致北坡生境系統性不穩定，生態敏感性較脆弱，一旦北坡受到生態的破壞將不容易修復，而南坡則較好保護.其極敏感區面積2 896.39 km2>輕度敏感區面積2 818.99 km2>不敏感區面積為2 760.58 km2>高度敏感區面積2 712.15 km2>中度敏感區面積2 581.14 km2.

圖3 坡向生態敏感性圖

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

圖4 水域生態敏感性圖

3.1.5 植被歸一化指數生態敏感性分布 植被是衡量地表植被狀況的重要指標之一，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，極敏感區面積約為1 188.68 km2，占區域總面積的8.63%，主要分布在甘谷縣、武山縣等植被覆蓋度稀少的地方；高度敏感區面積約為2 971.94 km2，占區域總面積的21.59%，主要分布在天水市東、西兩側；中度敏感區面積約3 568.29 km2，占區域總面積的25.92 %；輕度敏感區面積約為2 910.14 km2，占區域總面積的21.14%，不敏感區面積為3 129.03 km2，占區域總面積的22.73%，主要集中分布在天水市、麥積區等植被覆蓋較高的地帶.

圖5 植被覆蓋度生態敏感性圖

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

3.2 綜合分析

極敏感區和高度敏感區面積約為387.41 km2和4 585.66 km2，該區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境變化的反應程度較大，則此區域內的生態系統容易受到損害，需要加大生態保育，減少大規模開發建設，減少生態環境帶來的危害.

圖6 土地利用生態敏感性圖

中度敏感區面積約為5 575.22 km2，該區域主要受到地形、土地利用類型、植被覆蓋度的影響在分區內區域內地形起伏較大，土地利用多以草地、耕地為主，在適度開發時應注重生態環境的保護，有節制、有限度的合理開發，避免對當地的生態環境造成不可逆的危害的.

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

圖7 綜合生態敏感性圖

4 討論

該研究利用GIS空間分析技術對天水市生態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，構建適用于天水市的生態敏感性評價指標體系.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確地反映天水市實際情況和存在生態問題，另一方面，運用GIS空間技術在生態敏感性分析方面的研究較為成熟，使得結果更具可靠性，所得分析圖可以直觀的體現生態環境的脆弱程度，以便人們進行保護和管理.由于研究資料的限制，指標體系還需完善，如缺少水土流失、水質、泥石流、土地沙化方面的指標，因而得到的結果并不能針對性的說明研究區生態敏感的脆弱度狀況.

5 結論

本研究對天水市生態敏感性進行分析，得出結果表明：研究區主要以中度敏感為主，占全區總面積的40.50%，區內均有分布，但主要集中在研究區東西部；其次為高敏感區，占全區總面積的33.31%，主要分布在甘谷縣、秦安縣等植被覆蓋度較低的區域；低敏感區，占全區總面積的22.85%，分布在研究區內的東南部，區域內包括石門、金龍山、麥積山、香積山等風景名勝區；極敏感區，占全區總面積2.81%，主要分布在研究區域的西北部；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內.本研究結果平鋪直敘地展示了天水市主要生態敏感區域，不僅為區域開展土地生態建設和保護提供了科學依據，而且為區域土地資源的合理配置提供有效參考.