基于GIS的徐州生態敏感性分析

單勇兵,李志江,馬曉冬

(徐州師范大學城市與環境學院,江蘇徐州221116)

隨著社會經濟的快速發展,人類活動對自然環境的影響范圍和強度在不斷加大,這對自然生態環境已有的結構和功能必定產生巨大影響。進行區域生態敏感性評價分析,是合理評價人與自然生態環境和諧發展的綜合性指標,也是區域生態環境規劃、保護和管理的基礎。所謂生態敏感性(ecological sensitivity)是指生態系統在遇到人類活動干擾時,生態環境對外界壓力的靈敏程度,是生態系統的一種重要屬性,說明產生生態失衡與生態環境問題的可能性大小[1-2]。

目前國內對生態系統敏感性的研究日益重視,已從單一生態敏感性問題發展到生態敏感性綜合評價,取得了不少成果,但大部分集中在大尺度范圍的研究[2-5],對小尺度范圍的綜合研究相對較少;生態敏感性評價方法往往采用多因子加權疊加算法[6-10],而對于其他的計算方法較少涉及。本文采用取最大值的方法進行生態敏感性綜合評價,對徐州地區進行生態敏感性分析,以期為研究區的開發建設和生態環境規劃與保護提供參考。

1 研究區概況

徐州隸屬江蘇省 ,位于 116°22′-118°40′E 、33°43′-34°58′N 之間 ,總面積 11 040.9 km2。地處黃淮海平原的南部,長江流域與黃河流域過渡地帶。屬暖溫帶濕潤性季風氣候,四季分明。境內河流縱橫交錯,湖沼、水庫星羅棋布,故黃河斜穿東西,京杭大運河由西北向東南斜穿而過,東有沂、沭諸水及駱馬湖,西有夏興、大沙河及微山湖。地貌以平原為主,中部和東部存在少數低山丘陵,既有洪積、沖積平原,亦有剝蝕平原。

2 研究方法

2.1 評價因子的選取

影響生態敏感性的因子很多,如地形、植被、土壤、地質、水系等,但在不同區域影響因子的選擇亦有差異。

根據徐州地區的環境本底特征,選取了自然生態、災害風險、生態服務作為生態敏感性分析的一級影響因素,每一級影響因素又包含若干具體的敏感性因子。自然生態因素包括水體、坡度、土壤與植被3個因子,災害風險包括塌陷風險、地震風險、滯洪風險3個因子,生態服務主要是自然保護區類別。

2.2 因子敏感性等級的劃分

根據研究區生態系統在遇到外界活動干擾時發生生態失衡和生態環境問題的可能性大小,將每個敏感性因子按影響程度劃分為極高敏感、高敏感、中敏感、低敏感和非敏感5個等級;為了運算的方便,分別賦值9,7,5,3,1(表1)。

表1 生態因子及其類別與等級體系

(1)自然生態各因子敏感性等級的劃分。水體對工農業生產和人類生活有著極其重要的影響,且徐州又屬于資源型地域城市,所以,使得境內水體因子的生態敏感性等級較高;徐州境內丘陵崗地大部分由石灰巖組成,在這些巖石上發育的土壤,其厚度多在10 cm以下,易于發生水土流失和土壤侵蝕,利用徐州地區數字高程模型生成坡度圖,以坡度 5°、15°、25°為界限,相應劃分為非敏感區、低生態敏感區、中敏感區及高生態敏感區;土壤與植被敏感性等級的劃分主要是根據土壤的理化性質、地貌條件等分析其植被生長的限制性因素,將無限制宜農耕地化為非敏感區,有限制宜農耕地劃分為低敏感區,將宜林用地劃為中敏感區,宜林宜牧用地劃為高敏感區。

(2)災害風險各因子敏感性等級的劃分。徐州地區塌陷風險主要是煤礦采空塌陷。由于采煤塌陷地會引發不可預知的環境問題,總體上生態敏感性較高。根據采煤塌陷危害程度,將未穩沉采空區劃為高敏感區,穩沉采空區劃為極高敏感區;徐州處于多條斷裂帶穿越的地震風險區,但由于地震災害的重現期較長,不確定性較多,故將地震風險的敏感性總體等級劃得較低。將有活動斷裂帶穿越的高風險地震劃為低敏感區,將有隱藏斷裂帶穿越的低風險地震區劃為非敏感區。區域內的防洪主要是防御沂沭泗流域可能發生的特大洪水,依徐州市的防洪規劃滯洪區分為極重災區、腹部重災區和邊緣重災區,將極重災區劃為高敏感區,腹部重災區劃為中敏感區,邊緣重災區劃為低敏感區。

(3)自然保護區為人類生存提供一定生態服務功能、具有直接或間接生態系統效益的區域,依行政管理級別可分為國家級、省級、市級和縣級等,根據保護區的管理級別將省級自然保護區、市級自然保護區、縣級自然保護區分別劃分為高敏感區、中敏感區和低敏感區。

2.3 評價方法

運用GIS技術對地形、水系、土壤與植被、塌陷風險、地震風險、洪水風險和自然保護區各個敏感性因子的矢量圖形經過配準形成統一坐標系,同時建立相關屬性數據庫。運用GIS的空間分析功能分別對這些限制性的因素作單因子的評價,由于研究區各因子的生態敏感性存在一定程度上的差異,多個因子進行加權求和的評價方法在一定程度上將導致單因子評價結果之間抵消或放大,同時權重的確定具有主觀性,從而影響區域綜合生態敏感性的評價結果;所以采用因子加權疊置的方法進行評價不太適合;因此,本文選用影響某地因子的最大值方法,來確定該地區的生態敏感性綜合指數[11],計算公式為：DES=max(Di),i=1,2,3,4,5,式中 ：DES——生態綜合敏感性指數;Di——第i個因子的敏感性指數。

3 評價結果與分析

在ArcGIS 9.2軟件的支持下,首先對各個生態敏感性單因子矢量圖形進行配準,然后運用其空間分析模塊逐個將各單因子生態敏感性分級的空間單元相互疊置,將單因子生態敏感性指數的最大值賦予疊置后的空間單元,作為其生態敏感性等級屬性,得到基于自然生態因子、災害風險因子和生態服務3個一級影響因素的生態敏感性空間分布特征及其差異。

3.1 自然生態因子生態敏感性

自然生態因子生態敏感性是研究區內水系、坡度和土壤與植被3個單因子共同作用的結果。對疊置后的屬性數據進行統計分析,可以得出具有極高敏感區面積為228.3 km2,占區域總面積的2.07%;高敏感區面積為1 407.3 km2,占12.75%;中敏感區面積為837.8 km2,占7.59%;低敏感區面積為3 997.8 km2,占 36.20%;非敏感區面積為4 571.0 km2,占41.40%(圖1,表2)。中敏感區主要分布于沿故黃河和大沙河沿線及徐州市區附近丘陵和賈汪部分丘陵崗地;極高和高敏感區分布在微山湖、駱馬湖及京杭大運河沿線。

圖1 基于自然生態因子的生態敏感性等級分布

表2 生態敏感性分析結果及相關指數

3.2 災害風險因子生態敏感性

災害風險因子生態敏感性是研究區內塌陷、地震和滯洪3個單因子共同作用的結果。對疊置后的屬性數據進行統計分析,可以得出具有極高敏感區面積為74.0 km2,占區域總面積的0.67%;高敏感區面積為170.4 km2,占1.54%;中敏感區面積為99.9 km2,占0.91%;低敏感區面積為 1 137.0 km2,占10.30%;非敏感區面積為9 558.3 km2,占86.58%。中敏感區主要分布于新沂市大部分地區、邳蒼泄洪道一部分及銅山縣、賈汪煤礦穩沉塌陷區;極高和高敏感區分布在賈汪和銅山縣煤礦未穩沉塌陷區(圖2)。

3.3 生態服務因子生態敏感性

經過對生態服務因子進行空間統計分析,基于生態服務因子的高敏感區面積為162.6 km2,占區域總面積的1.47%;中敏感區面積為517.5 km,占4.69%;低敏感區面積為7.6 km2,占0.07%。中敏感區主要分布銅山縣圣人窩自然保護區,高敏感區分布在微山湖濕地自然保護區和新沂馬陵山自然保護區(圖3)。

圖2 基于災害風險因子的生態敏感性等級分布

圖3 基于生態服務因子的生態敏感性分析結果

3.4 綜合生態敏感性

將基于自然生態、災害風險和生態服務3個一級影響因素的生態敏感性空間分布經過疊置再取最大值,可獲得徐州地區綜合生態敏感性的空間分異圖(圖4)。經過對疊置后的屬性數據進行統計分析,非敏感區3 748.3 km2,占區域總面積的33.94%,主要分布于睢寧、邳州、銅山縣東部和北部;低敏感區面積為4 296.9 km2,占38.91%,主要分布在新沂市、邳州西北部、豐縣、沛縣;中敏感區面積為1 088.1 km2,占9.85%,分布于新沂河沿線滯洪區、微山湖濕地緩沖帶;高敏感區面積為 1 608.4 km2,占 14.56%,主要分布于故黃河、大沙河和京杭大運河沿線、馬陵山自然保護區、微山湖濕地自然保護區及區域中部和賈汪丘陵地帶;極高敏感區面積為 301.8 km,占2.73%,主要分布在微山湖、駱馬湖沿線及銅山縣和賈汪煤礦塌陷區。非敏感區與低敏感區兩者之和占研究區面積的72.85%,表明徐州地區的生態敏感性總體上較低。

4 結論

極高與高生態敏感區屬于脆弱生態環境區,系統穩定性極差,極易受到人為破壞,而且一旦破壞很難恢復,此類區域應該重點保護;中生態敏感區屬于較為脆弱的生態環境區,對外界的干擾活動具有一定的抵抗能力,較易遭受人為干擾,造成生態系統的擾動和不穩定,此類區域可以作為控制發展區或過渡區,宜于在科學指導下進行適度的開發利用;低生態敏感區與非生態敏感區,生態敏感性較低,系統穩定性較好,外部的干擾對生態環境的影響不大,可作為適宜開發區,進行強度較大的開發利用[11]。因此,可作強度較大的開發利用的面積為8 045.2 km2,占研究區面積的72.85%;可在指導下進行適度的開發利用的面積為1 088.1 km2,占9.85%;而作為重點保護的面積為1 910.2 km2,占17.29%。

本研究中采用GIS技術將多生態敏感性因子通過空間矢量疊置方法取最大值確定區域敏感性,操作方法簡單、運算高效;避免了柵格疊加操作復雜、運算效率低的缺點。影響生態敏感性的因子很多,在分析生態敏感性時,應根據研究區環境特征選擇主要的影響因子。本文根據徐州的環境本底特征選擇了3個一級因子共7個單因子對該地區生態敏感性進行分析,結果可作為該地區的開發建設和環境規劃與保護的依據。

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