杨 青 刘蔚怡 张 斌
(1. 安顺学院 资源与环境工程学院, 贵州 安顺 561000;2. 贵州省第三测绘院, 贵州 贵阳 550004)
生态环境敏感性评价是用于揭示人类活动对生态环境可能造成的影响的重要指标,对指定区域的生态环境建设政策的制定和有效实施具有很重要的作用[1],对生态环境敏感性评价的研究也从单因子评价方法延伸到多因子综合评价法[2]。我国生态环境敏感性的区域差异大,地形、地貌以及气候等环境影响因素存在很大的差异,所以我国生态环境敏感性的研究仅限于部分地区[3]。主要分为针对区域生态敏感性的综合评价和针对地区生态环境问题的评价分析[4],都是采用单因子分析和多因子叠加综合分析的方法进行的。
近年来,有关研究学者通过利用地理信息系统(geographic information system,GIS)对生态环境进行敏感性分析,并对其进行单因子评价,得出研究区生态环境敏感性影响程度和主要因素[5]。研究表明坡度、土地利用类型、水环境敏感性、植被覆盖度、水环境敏感性、地形、地貌、气候等对生态系统敏感性均有不同程度的影响[6-9]。岳佳颖等运用GIS和层次分析法的研究方法,选取9个因子进行生态敏感性单因子分析和综合分析。得出研究区生态敏感性整体以中、高为主[10]。马骅等应用GIS技术对贵州省毕节市的土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性及酸雨敏感性进行分级评价并进行生态环境敏感性综合评价[11]。张浪等以ArcGIS平台为技术支撑,采用单因子与多因子评价相结合的方法,对乌江流域进行综合评价：乌江流域整体敏感性程度较高,流域的土地利用类型对敏感性综合评价起重要作用[12]。综上,通过GIS技术结合遥感数据评价生态环境敏感性技术可行,也具有一定的现实意义,能为研究区生态环境现状评价,变化趋势提供数据支持。
本文以贵州省毕节市为研究区,利用美国陆地卫星(Landsat8)遥感影像数据为基础,通过遥感图像处理软件(the environment for visualizing images,ENVI)进行数据预处理,结合ArcGIS空间分析得出统计数据,结合空间叠置分析,得出毕节市生态环境敏感性综合评价结果,以期为喀斯特地区生态环境保护及现状分析提供科学依据。
研究区位于贵州省西北部,是西南喀斯特地区的典型区域。毕节市处于川滇黔三省交界之处,属北亚热带季风湿润气候,水热同期,降雨量较为充沛,植被丰富,年平均降水量在849～1 399 mm之间。毕节市地势西高东低,多为岩溶地带,地质条件复杂多样,褶皱断裂交错纵横,形成典型的喀斯特岩溶地貌。区域内石漠化土地面积扩大,耕地减少,且由于土地贫瘠、地形坡度大,水土流失严重,导致生态环境脆弱。
2.1 数据来源
本次研究所采用的数据主要包括毕节市2020年的Landsat8遥感影像、分辨率为30 m的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据以及毕节市行政边界等基础地理数据(数据来源：地理空间数据云网站)。其中,植被覆盖指数是基于Landset8遥感影像利用归一化植被指数(NDVI)计算而得;坡度、坡向和水系数据是通过ArcGIS软件由DEM提取而来;高程由DEM数据进行重分类得到。
2.2 研究方法
本次研究采用单因子评价和多因子综合评价相结合的方法：以研究区的Landsat遥感影像和DEM等数据为基础,通过ENVI软件对部分数据进行预处理,再通过ArcGIS软件,对各单因子数据进行相应的处理,并运用加权叠加方法叠加各单因子敏感性评价结果,从而对毕节市生态环境敏感性进行综合评价。
本文所选取的敏感性因子为坡度、坡向、高程、水系和植被覆盖指数,参考相关研究的分级标准,分别将这5个单因子按照极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感5个等级进行重分类[12-13],然后进行敏感性分级赋值,具体分级标准如表1所示。
最后根据权重公式,利用加权叠加分析法对所选取的5个因子进行加权分析,制作生态环境敏感性综合评价图,最终得到毕节市生态环境敏感性的等级和分布。
(1)
式中,S是生态环境敏感性;P1代表坡度;D代表高程;P2代表坡向;NDVI是植被覆盖指数;W代表水系。
表1 生态敏感性因子类别与分级标准
3.1 坡度
通常情况下,坡度表示的是地形的陡缓程度,影响着地表的敏感性。由于部分地区土壤贫瘠,一般坡度越陡,越容易造成水土流失,植被受到破坏的可能性也越大,且不易恢复。通过对毕节市区域的DEM数据提取,得出毕节市坡度的敏感性分布。
其中,坡度小于10°地区为不敏感区,占总面积的27.26%,是较为理想的基础设施建设用地;10°～25°为低度敏感区,占总面积的53.34%,不适合建设开发;25°～45°为中度敏感区,占总面积的18.43%,不满足开垦条件,限制植被生长,应加强防护;45°～60°为高度敏感区,占总面积的0.94%,该区由于坡度较大,植被覆盖低,加上过度放牧、不合理耕作、过度开垦等人为影响以及部分地区特殊的喀斯特地貌土层较薄,导致石漠化较为严重;60°以上为极敏感区,占总面积的0.03%,生态环境承受能力较差,极易造成水土流失,也很大程度上限制了开发建设[14],综上可知,毕节市区域坡度敏感性处于低度敏感(表2)。
表2 毕节市坡度敏感性评价分级表
3.2 坡向
不同的坡向受到的日照时长和光照辐射强度不同,在北半球,通常东坡、南坡、东南坡和西南坡所受到的光照辐射强度较大[15],影响着区域植被的生长情况,对生态环境也产生间接性的影响,同时也在一定程度上影响着区域建筑物的采光[16]。不敏感区主要为平地和正南面,光照充足,占总面积的13.61%,例如：威宁彝族回族自治县的草海国家级自然保护区;低度敏感区占总面积的25.36%,该区的坡向主要为东南和西南,光照较为充足;中度敏感区主要为正东和正西面,占总面积的22.24%;高度敏感区和极度敏感区主位于东、西北和正北方向,该区受到的光照辐射强度较小,分别占总面积的25.61%和13.18%(表3),因此毕节市的坡向敏感性总体为高度敏感。
表3 毕节市坡向敏感性评价分级表
3.3 高程
毕节市地势崎岖,整体呈现西高东低的地形,最高海拔为2 900.6 m,最低海拔为457 m。对DEM数据进行重分类(表4)。其中高程<1 000 m的为不敏感区,主要分布在毕节市东北部,占总面积的4.71%;高程范围在1 000～1 500 m的为低度敏感区,主要分布在毕节市的东部地区,占总面积的31.56%;高程范围在1 500～2 000 m的为中度敏感区,大部分在中部地区,少部分分布在西部地区,该区占总面积的37.71%;高程范围在2 000～2 500 m的为高度敏感区,占总面积的24.59%;高程>2 500的为极敏感区,占总面积的1.43%,高度敏感区和极敏感区主要分布在西部,因此,毕节市高程敏感性总体属于中度敏感。
表4 毕节市高程敏感性评价分级
3.4 水系
优良的水资源与水系所在地的环境质量、区域湿度和水循环等息息相关,因此,评价水系的敏感性有助于明确其生态情况,并为相关部门制定相应防护政策提供科学依据。由于研究区范围较大,本次研究选取区域内几条主要的河流水系,设定最大流量(栅格单元值)不超过200 000,并根据水体的远近距离,将水系敏感性分为水系本身区域及周边300 m、800 m和非缓冲区四个范围等级(表5)。距离水系越远的地区,由于不能更好地满足人类生产生活的需求,生态环境的外界干扰较少,污染小,因此,水系周围生态环境敏感性程度越低,反之亦然。其中,极度敏感区占毕节市总面积的0.11%,高度敏感区占毕节市总面积的2.42%,中度敏感区占毕节市总面积的4.02%,低度敏感区占毕节市总面积的93.46%。因此,毕节市的水系敏感性总体属于低度敏感。
表5 毕节市水系敏感性评价分级表
3.5 植被指数
毕节市境内植被种类繁多,有苔类植物近100种,蕨类植物34科130种,裸子植物9科22种,被子植物155科1 809种。本研究通过ENVI软件计算植被覆盖指数,并在ArcGIS中进行重分类并赋值。
(1)利用ENVI进行波段运算：
其中，NDVI为植被覆盖指数；
b1为近红外波段；
b2为红外波段。
(2)在ArcGIS中对植被覆盖指数进行重分类并赋值。NDVI值越高,植被覆盖度就越高,区域的植被生态敏感性就越高,生态系统的稳定性就越弱,受到外界干扰和破坏后的自我恢复能力也越弱。经分析可知,NDVI≥0.5为极度敏感区,占总面积的16.89%,主要分布在毕节市的东北部和中南部地区;NDVI≤0为高度敏感区,该区域地表无植被覆盖,属于岩石或裸土地带,石漠化特征明显,占总面积的5.94%;0.3≤NDVI<0.5为低度敏感区,占总面积的43.21%;0 表6 毕节市植被覆盖指数敏感性评价分级表 根据权重利用栅格计算工具对以上5个生态敏感性因子进行加权叠加分析,并采用自然间断点分级法进行分级赋值,最后得到毕节市的生态环境敏感性空间分布图(图1)。评价结果显示：毕节市生态环境敏感性分为5级,分别为极度敏感、高度敏感、中度敏感、低度敏感和不敏感(表7)。 图1 毕节市生态环境敏感性综合评价图 表7 毕节市生态环境敏感性综合评价分级 (1)不敏感区域占总面积的37.12%,主要分布在黔西地区、金沙县和织金县东部地区、毕节市的中南部地区,该区植被覆盖较低,敏感性低,多为地势较平坦的耕地和建筑用地,在建设开发的同时,应合理规划并严格监控环境污染情况。 (2)低度敏感区所占面积最大,分布较为分散,占总面积的38.12%,其中织金县与黔西县交界处有一定范围的岩石裸露地带,石漠化程度较高,自然条件下植被不易恢复,应加大对水土流失的防护和治理力度,注重对裸露岩石边坡的生态修复工作,保证裸露山体的稳定性和安全性。 (3)中度敏感区占总面积的12.87%,主要分布在各主要河谷地带,河流水系周边人类活动较为集中,区域生态环境受外界干扰强度较大,生态环境敏感性也相对较高,应注重对河湖生态的保护和修复治理,加强相应区域的生态管控力度,针对水土流失严重地区,应以小流域为单元,开展林草、耕作、工程相结合的水土保持措施。 (4)高度敏感区占总面积的9.12%,主要分布在金沙县西部、赫章县、七星关区、大方县、纳雍县、织金县部分地区以及威宁县的河流周边。该区域水系纵横交错,水域面积比重较大,植被覆盖指数高,生态环境敏感性高,部分地区经济较为落后,发展过程中应合理开发建设,尽量减少人为的干扰和破坏,尽可能发挥该区域的生态功能,维护区域生态系统的健康状态及其稳定性[17]。 (5)极度敏感区面积相对较小,占总面积的2.77%。受到各敏感性因子的共同影响,该区生态敏感性极高,生态环境稳定性差且脆弱,主要分布于区域主要水系范围附近及部分区县交界处。该区极易受到人为干扰,一旦区域生态受到一定的破坏,恢复时间长,就会造成不同程度的自然生态灾害,发展中应加大开发建设的控制力度,增强对水土流失地区的退耕还林工程,防止石漠化的形成和演化,促进该区生态环境的良性循环。 本研究根据研究区域生态环境的实际情况,选取了坡度、坡向、高程、水系和归一化植被指数五个生态敏感性因子构建了毕节市的生态环境敏感性评价体系,基于GIS的空间分析技术研究了毕节市的生态敏感性程度,并进行分析和评价,综合分析结果显示： (1)不敏感区和低度敏感区占毕节市总面积的75.24%,中度敏感区占毕节市总面积的12.87%,极度敏感区和高度敏感区占毕节市总面积的11.89%。根据毕节市生态环境的不同敏感性程度进行分析,其分布情况为：不敏感区和低度敏感区主要分布于毕节市地势较平坦的区域,以及部分岩石裸露地带,部分地区石漠化较严重,导致土地资源丧失,人类活动频率大大减少,生态敏感性低;中度敏感区主要分布在各主要水系发达的区域;极度敏感区和高度敏感区主要分布在毕节市中北部和东南部。 (2)毕节市的生态环境敏感性整体呈现出低度敏感。极度敏感区面积占比最高的是植被指数,占比最少的是坡度;不敏感区和低度敏感区面积占比最高的是水系,占比最少的是高程。毕节市整体生态环境敏感性属于极度敏感的区域主要分布于赫章县、七星关区、大方县、纳雍县地区,且分布广泛;金沙县和织金县的局部地区属于极度敏感区;黔西县和威宁彝族回族苗族自治县地区极度敏感区分布较为分散且面积较少。 (3)针对纳雍县、大方县、赫章县和七星关区这些敏感性高的区域,应严格控制人类活动,加强生态保护区的建设,同时加大区域生态环境的保护力度;对于金沙县西部和织金县西北部这样中度敏感的地区应优化当地基础设施建设,适度开发,提高区域生态效益;在威宁彝族回族苗族自治县和黔西县这样敏感性较低的区域,应在合理限度内尽可能地发挥区域的生态功能,尤其对威宁地区草海国家级自然保护区和石漠化地区要加大保护力度,进一步提升和优化区域的生态环境开发建设。 随着喀斯特地区经济的发展,对毕节市的开发程度会进一步加大,相关部门应因地制宜,综合考虑各个区域的整体情况,采取有效的措施规划各个区域的开发建设,合理规划生态适度开发区,科学应对毕节市生态问题的防治力度。目前基于GIS的区域生态敏感性综合评价大多数采用的是单因子和多因子叠加分析相结合的方法,能在一定程度上反映某个研究区域的生态敏感性情况,但该研究方法忽略了生态环境系统的时空变化过程[18],今后可以进一步挖掘数据进行分析。
