基于GIS的喀斯特地區生態環境敏感性綜合評價

楊 青 劉蔚怡 張 斌

(1. 安順學院 資源與環境工程學院, 貴州 安順 561000;2. 貴州省第三測繪院, 貴州 貴陽 550004)

0 引言

生態環境敏感性評價是用于揭示人類活動對生態環境可能造成的影響的重要指標,對指定區域的生態環境建設政策的制定和有效實施具有很重要的作用[1],對生態環境敏感性評價的研究也從單因子評價方法延伸到多因子綜合評價法[2]。我國生態環境敏感性的區域差異大,地形、地貌以及氣候等環境影響因素存在很大的差異,所以我國生態環境敏感性的研究僅限于部分地區[3]。主要分為針對區域生態敏感性的綜合評價和針對地區生態環境問題的評價分析[4],都是采用單因子分析和多因子疊加綜合分析的方法進行的。

近年來,有關研究學者通過利用地理信息系統(geographic information system,GIS)對生態環境進行敏感性分析,并對其進行單因子評價,得出研究區生態環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、水環境敏感性、植被覆蓋度、水環境敏感性、地形、地貌、氣候等對生態系統敏感性均有不同程度的影響[6-9]。岳佳穎等運用GIS和層次分析法的研究方法,選取9個因子進行生態敏感性單因子分析和綜合分析。得出研究區生態敏感性整體以中、高為主[10]。馬驊等應用GIS技術對貴州省畢節市的土壤侵蝕敏感性、石漠化敏感性及酸雨敏感性進行分級評價并進行生態環境敏感性綜合評價[11]。張浪等以ArcGIS平臺為技術支撐,采用單因子與多因子評價相結合的方法,對烏江流域進行綜合評價：烏江流域整體敏感性程度較高,流域的土地利用類型對敏感性綜合評價起重要作用[12]。綜上,通過GIS技術結合遙感數據評價生態環境敏感性技術可行,也具有一定的現實意義,能為研究區生態環境現狀評價,變化趨勢提供數據支持。

本文以貴州省畢節市為研究區,利用美國陸地衛星(Landsat8)遙感影像數據為基礎,通過遙感圖像處理軟件(the environment for visualizing images,ENVI)進行數據預處理,結合ArcGIS空間分析得出統計數據,結合空間疊置分析,得出畢節市生態環境敏感性綜合評價結果,以期為喀斯特地區生態環境保護及現狀分析提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于貴州省西北部,是西南喀斯特地區的典型區域。畢節市處于川滇黔三省交界之處,屬北亞熱帶季風濕潤氣候,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。畢節市地勢西高東低,多為巖溶地帶,地質條件復雜多樣,褶皺斷裂交錯縱橫,形成典型的喀斯特巖溶地貌。區域內石漠化土地面積擴大,耕地減少,且由于土地貧瘠、地形坡度大,水土流失嚴重,導致生態環境脆弱。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本次研究所采用的數據主要包括畢節市2020年的Landsat8遙感影像、分辨率為30 m的數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據以及畢節市行政邊界等基礎地理數據(數據來源：地理空間數據云網站)。其中,植被覆蓋指數是基于Landset8遙感影像利用歸一化植被指數(NDVI)計算而得;坡度、坡向和水系數據是通過ArcGIS軟件由DEM提取而來;高程由DEM數據進行重分類得到。

2.2 研究方法

本次研究采用單因子評價和多因子綜合評價相結合的方法：以研究區的Landsat遙感影像和DEM等數據為基礎,通過ENVI軟件對部分數據進行預處理,再通過ArcGIS軟件,對各單因子數據進行相應的處理,并運用加權疊加方法疊加各單因子敏感性評價結果,從而對畢節市生態環境敏感性進行綜合評價。

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,參考相關研究的分級標準,分別將這5個單因子按照極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感5個等級進行重分類[12-13],然后進行敏感性分級賦值,具體分級標準如表1所示。

最后根據權重公式,利用加權疊加分析法對所選取的5個因子進行加權分析,制作生態環境敏感性綜合評價圖,最終得到畢節市生態環境敏感性的等級和分布。

(1)

式中,S是生態環境敏感性;P1代表坡度;D代表高程;P2代表坡向;NDVI是植被覆蓋指數;W代表水系。

表1 生態敏感性因子類別與分級標準

3 生態環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。通過對畢節市區域的DEM數據提取,得出畢節市坡度的敏感性分布。

其中,坡度小于10°地區為不敏感區,占總面積的27.26%,是較為理想的基礎設施建設用地;10°～25°為低度敏感區,占總面積的53.34%,不適合建設開發;25°～45°為中度敏感區,占總面積的18.43%,不滿足開墾條件,限制植被生長,應加強防護;45°～60°為高度敏感區,占總面積的0.94%,該區由于坡度較大,植被覆蓋低,加上過度放牧、不合理耕作、過度開墾等人為影響以及部分地區特殊的喀斯特地貌土層較薄,導致石漠化較為嚴重;60°以上為極敏感區,占總面積的0.03%,生態環境承受能力較差,極易造成水土流失,也很大程度上限制了開發建設[14],綜上可知,畢節市區域坡度敏感性處于低度敏感(表2)。

表2 畢節市坡度敏感性評價分級表

3.2 坡向

不同的坡向受到的日照時長和光照輻射強度不同,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度較大[15],影響著區域植被的生長情況,對生態環境也產生間接性的影響,同時也在一定程度上影響著區域建筑物的采光[16]。不敏感區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家級自然保護區;低度敏感區占總面積的25.36%,該區的坡向主要為東南和西南,光照較為充足;中度敏感區主要為正東和正西面,占總面積的22.24%;高度敏感區和極度敏感區主位于東、西北和正北方向,該區受到的光照輻射強度較小,分別占總面積的25.61%和13.18%(表3),因此畢節市的坡向敏感性總體為高度敏感。

表3 畢節市坡向敏感性評價分級表

3.3 高程

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

表4 畢節市高程敏感性評價分級

3.4 水系

優良的水資源與水系所在地的環境質量、區域濕度和水循環等息息相關,因此,評價水系的敏感性有助于明確其生態情況,并為相關部門制定相應防護政策提供科學依據。由于研究區范圍較大,本次研究選取區域內幾條主要的河流水系,設定最大流量(柵格單元值)不超過200 000,并根據水體的遠近距離,將水系敏感性分為水系本身區域及周邊300 m、800 m和非緩沖區四個范圍等級(表5)。距離水系越遠的地區,由于不能更好地滿足人類生產生活的需求,生態環境的外界干擾較少,污染小,因此,水系周圍生態環境敏感性程度越低,反之亦然。其中,極度敏感區占畢節市總面積的0.11%,高度敏感區占畢節市總面積的2.42%,中度敏感區占畢節市總面積的4.02%,低度敏感區占畢節市總面積的93.46%。因此,畢節市的水系敏感性總體屬于低度敏感。

表5 畢節市水系敏感性評價分級表

3.5 植被指數

畢節市境內植被種類繁多,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ENVI軟件計算植被覆蓋指數,并在ArcGIS中進行重分類并賦值。

(1)利用ENVI進行波段運算：

其中，NDVI為植被覆蓋指數；b1為近紅外波段；b2為紅外波段。

(2)在ArcGIS中對植被覆蓋指數進行重分類并賦值。NDVI值越高,植被覆蓋度就越高,區域的植被生態敏感性就越高,生態系統的穩定性就越弱,受到外界干擾和破壞后的自我恢復能力也越弱。經分析可知,NDVI≥0.5為極度敏感區,占總面積的16.89%,主要分布在畢節市的東北部和中南部地區;NDVI≤0為高度敏感區,該區域地表無植被覆蓋,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,占總面積的43.21%;0

表6 畢節市植被覆蓋指數敏感性評價分級表

4 生態環境敏感性多因子綜合分析

根據權重利用柵格計算工具對以上5個生態敏感性因子進行加權疊加分析,并采用自然間斷點分級法進行分級賦值,最后得到畢節市的生態環境敏感性空間分布圖(圖1)。評價結果顯示：畢節市生態環境敏感性分為5級,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 畢節市生態環境敏感性綜合評價圖

表7 畢節市生態環境敏感性綜合評價分級

(1)不敏感區域占總面積的37.12%,主要分布在黔西地區、金沙縣和織金縣東部地區、畢節市的中南部地區,該區植被覆蓋較低,敏感性低,多為地勢較平坦的耕地和建筑用地,在建設開發的同時,應合理規劃并嚴格監控環境污染情況。

(2)低度敏感區所占面積最大,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,應加大對水土流失的防護和治理力度,注重對裸露巖石邊坡的生態修復工作,保證裸露山體的穩定性和安全性。

(3)中度敏感區占總面積的12.87%,主要分布在各主要河谷地帶,河流水系周邊人類活動較為集中,區域生態環境受外界干擾強度較大,生態環境敏感性也相對較高,應注重對河湖生態的保護和修復治理,加強相應區域的生態管控力度,針對水土流失嚴重地區,應以小流域為單元,開展林草、耕作、工程相結合的水土保持措施。

(4)高度敏感區占總面積的9.12%,主要分布在金沙縣西部、赫章縣、七星關區、大方縣、納雍縣、織金縣部分地區以及威寧縣的河流周邊。該區域水系縱橫交錯,水域面積比重較大,植被覆蓋指數高,生態環境敏感性高,部分地區經濟較為落后,發展過程中應合理開發建設,盡量減少人為的干擾和破壞,盡可能發揮該區域的生態功能,維護區域生態系統的健康狀態及其穩定性[17]。

(5)極度敏感區面積相對較小,占總面積的2.77%。受到各敏感性因子的共同影響,該區生態敏感性極高,生態環境穩定性差且脆弱,主要分布于區域主要水系范圍附近及部分區縣交界處。該區極易受到人為干擾,一旦區域生態受到一定的破壞,恢復時間長,就會造成不同程度的自然生態災害,發展中應加大開發建設的控制力度,增強對水土流失地區的退耕還林工程,防止石漠化的形成和演化,促進該區生態環境的良性循環。

5 結論與討論

本研究根據研究區域生態環境的實際情況,選取了坡度、坡向、高程、水系和歸一化植被指數五個生態敏感性因子構建了畢節市的生態環境敏感性評價體系,基于GIS的空間分析技術研究了畢節市的生態敏感性程度,并進行分析和評價,綜合分析結果顯示：

(1)不敏感區和低度敏感區占畢節市總面積的75.24%,中度敏感區占畢節市總面積的12.87%,極度敏感區和高度敏感區占畢節市總面積的11.89%。根據畢節市生態環境的不同敏感性程度進行分析,其分布情況為：不敏感區和低度敏感區主要分布于畢節市地勢較平坦的區域,以及部分巖石裸露地帶,部分地區石漠化較嚴重,導致土地資源喪失,人類活動頻率大大減少,生態敏感性低;中度敏感區主要分布在各主要水系發達的區域;極度敏感區和高度敏感區主要分布在畢節市中北部和東南部。

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

(3)針對納雍縣、大方縣、赫章縣和七星關區這些敏感性高的區域,應嚴格控制人類活動,加強生態保護區的建設,同時加大區域生態環境的保護力度;對于金沙縣西部和織金縣西北部這樣中度敏感的地區應優化當地基礎設施建設,適度開發,提高區域生態效益;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域,應在合理限度內盡可能地發揮區域的生態功能,尤其對威寧地區草海國家級自然保護區和石漠化地區要加大保護力度,進一步提升和優化區域的生態環境開發建設。

6 結束語

隨著喀斯特地區經濟的發展,對畢節市的開發程度會進一步加大,相關部門應因地制宜,綜合考慮各個區域的整體情況,采取有效的措施規劃各個區域的開發建設,合理規劃生態適度開發區,科學應對畢節市生態問題的防治力度。目前基于GIS的區域生態敏感性綜合評價大多數采用的是單因子和多因子疊加分析相結合的方法,能在一定程度上反映某個研究區域的生態敏感性情況,但該研究方法忽略了生態環境系統的時空變化過程[18],今后可以進一步挖掘數據進行分析。