基于生態(tài)敏感性評價(jià)的烏海市土地資源承載力分析

史娜娜，全占軍，韓 煜，王 琦，肖能文，高曉奇

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

基于生態(tài)敏感性評價(jià)的烏海市土地資源承載力分析

史娜娜，全占軍，韓 煜，王 琦，肖能文，高曉奇

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

土地資源承載力反映了快速城市化背景下土地資源可持續(xù)利用狀況。利用GIS空間分析技術(shù)，采用多因素加權(quán)疊加法，以地形地貌、土地利用類型、土壤侵蝕、距離條件、生態(tài)敏感區(qū)5類因子進(jìn)行了生態(tài)敏感性評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上分析了其土地資源承載力。結(jié)果表明：（1）高度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、低度敏感區(qū)和不敏感區(qū)所占比例分別為11.61%，25.70%，37.80%和24.80%，烏海市以不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)為主，占總面積的62.6%。（2）土地利用在生態(tài)敏感性評價(jià)中最為敏感，區(qū)域內(nèi)土地資源承載了86.03%的城鎮(zhèn)村及工礦用地、93.18%的交通運(yùn)輸用地。研究結(jié)果將對烏海市可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

生態(tài)敏感性；土地資源承載力；空間分析；GIS；烏海市

土地承載著區(qū)域的一切開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，是區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和制約因素之一[1-2]，因此，土地資源承載力分析是評價(jià)區(qū)域土地資源條件是否可以支撐區(qū)域發(fā)展的方法之一。土地資源承載力指一定時(shí)期、一定空間區(qū)域和一定社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境條件下，土地資源所能承載的人類各種活動(dòng)的規(guī)模和強(qiáng)度的限度[3-5]。以往關(guān)于土地資源承載力的研究以“人—糧”關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)[6]，多采用線性規(guī)劃模型、灰色系統(tǒng)模型和一元回歸分析模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[7]，對工業(yè)用地、商業(yè)用地、建設(shè)用地等的土地資源承載力研究尚未有成熟的理論和方法[8]。

生態(tài)敏感性表征現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下，人類活動(dòng)干擾和自然環(huán)境變化導(dǎo)致發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的難易程度及其可能性大小[9-12]。生態(tài)敏感性評價(jià)實(shí)質(zhì)上是辨識(shí)現(xiàn)狀生態(tài)背景下潛在的生態(tài)環(huán)境問題[13-16]，分析其空間布局，明晰不同敏感性分區(qū)上的土地利用格局，指出其可能存在的空間布局短板，以期為確定區(qū)域重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)、土地生態(tài)承載力及生態(tài)保育區(qū)提供技術(shù)支撐。已有關(guān)于生態(tài)敏感性的評價(jià)主要具有以下特點(diǎn)：以土壤侵蝕、土地沙化、土壤鹽漬化等自然生態(tài)敏感因子為主，在單一生態(tài)敏感性評價(jià)基礎(chǔ)上，采用權(quán)重法或最大值法進(jìn)行國家、流域、省域及市/縣域尺度上的生態(tài)敏感性綜合評價(jià)。既有研究取得了較大的成績，但是對人文因素的考慮不到位，并且在半干旱區(qū)的應(yīng)用研究較少。鑒于此，以烏海市為案例區(qū)，嘗試引入距離條件這一人文因素，以GIS和RS為技術(shù)手段，結(jié)合自然因素和人文因素，分析和評價(jià)烏海市生態(tài)敏感性的空間布局。

在生態(tài)敏感性空間分析的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)不同敏感區(qū)上不同土地利用類型的面積比例，生態(tài)敏感性越低，表明生態(tài)環(huán)境對不同用地的限制越小，不同用地需求對生態(tài)系統(tǒng)及其功能結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響越小，土地承載力越大。因此，分析生態(tài)敏感性基礎(chǔ)上的現(xiàn)有土地資源承載力，以期為該區(qū)環(huán)境管理和決策提供相應(yīng)的借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏海市是內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的新興工業(yè)城市，地處黃河流域上游，東臨鄂爾多斯高原，西接阿拉善草原，南連銀川平原，北靠河套沃野，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°36′—107°08′，北緯 39°13′—39°54′，平均海拔1 150 m，南北長約69 km，東西寬42 km，總面積1 754 km2。行政轄區(qū)內(nèi)轄海勃灣、烏達(dá)、海南3個(gè)區(qū)、5個(gè)鎮(zhèn)和15個(gè)街道辦事處。烏海市具有復(fù)雜的荒漠、山間谷地、沖洪積扇等地貌格局，山地以中低山和丘陵為主，溝谷發(fā)育，桌子山和甘德格爾山為主要山脈。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，氣候干燥少雨，風(fēng)沙嚴(yán)重，故該區(qū)地帶性土壤為漠鈣土，土壤侵蝕強(qiáng)度大，植被覆蓋度較低。作為新興工業(yè)城市，該市能源、化工、建材、機(jī)械、冶金等迅猛發(fā)展，城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、郵電通訊等隨之發(fā)展[17]。但是，由于該區(qū)本底生態(tài)環(huán)境較為脆弱，可能導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境承載能力下降，主要表現(xiàn)為：荒漠化草原生態(tài)調(diào)節(jié)和供給功能較弱，進(jìn)而加劇水土流失，而城市開發(fā)建設(shè)過程中不合理的土地利用方式又加快了土地生產(chǎn)力退化趨勢。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降將降低地區(qū)承載力，制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展，危害人類健康。因此，針對上述生態(tài)環(huán)境問題，選取地形條件、土地利用類型、土壤侵蝕、交通條件、生態(tài)敏感區(qū)5大類指標(biāo)，進(jìn)行烏海市生態(tài)敏感性分析，揭示該區(qū)土地承載力，以期為該區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供一定借鑒和參考。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)包括研究區(qū)Landsat TM 8影像（2014年7月）、地形圖（1：50 000）、土地利用圖（2010年）、行政區(qū)劃圖、林相圖以及相關(guān)的社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。Landsat TM 8全色影像空間分辨率15 m，多光譜影像空間分辨率30 m，通過圖像融合生成具有豐富地物信息的較高空間分辨率的影像，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖、輔以現(xiàn)場勘查解譯獲取烏海市2014年土地利用數(shù)據(jù)。專題地圖制備過程中利用ArcGIS軟件，統(tǒng)一采用北京1954年坐標(biāo)格式和高斯—克里格投影，將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，柵格大小為30 m×30 m。

1.3 生態(tài)敏感性評價(jià)

生態(tài)敏感性評價(jià)首先分析研究區(qū)存在的主要生態(tài)環(huán)境問題，然后對其敏感性進(jìn)行綜合分析，明確區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性的分布特征[18]。根據(jù)調(diào)查研究，烏海市主要的生態(tài)環(huán)境問題表現(xiàn)為水土流失、林地和草場退化等[17]，結(jié)合研究區(qū)面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題、生態(tài)敏感性評價(jià)原理以及資料可獲性，選取對該區(qū)生態(tài)敏感度影響較大的地形地貌、土地利用類型、土壤侵蝕、交通條件、生態(tài)敏感區(qū)等5類8個(gè)因子進(jìn)行烏海市生態(tài)敏感性分析。生態(tài)敏感性評價(jià)步驟如下：

（1）分級(jí)賦值：對選定的指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)賦值，結(jié)合相應(yīng)的現(xiàn)狀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將各因子的敏感性分為4級(jí)，即高度敏感、中度敏感、低度敏感和不敏感（表1），從而得到各個(gè)指標(biāo)的等級(jí)柵格圖（圖1）。

（2）確定指標(biāo)權(quán)重：采用AHP法[19]確定各指標(biāo)權(quán)重，利用yaahp軟件構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，結(jié)果通過一致性檢驗(yàn)（C.R.＜0.028 3）。烏海市生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重見表1。

（3）生態(tài)敏感性評價(jià)：采用ArcGIS空間分析模塊中的柵格運(yùn)算進(jìn)行多因子生態(tài)敏感性綜合性評價(jià)，

式中：SS為綜合生態(tài)敏感性指數(shù)，其空間柵格單元為30 m×30 m；wi為第i個(gè)因子的敏感性權(quán)重；ai為第i個(gè)因子敏感性等級(jí)分級(jí)結(jié)果，i=1，2，…，8。

（4）劃分敏感性等級(jí)：采用Natural Breaks將生態(tài)敏感性等級(jí)劃分為4級(jí)，其值在6.1～8.0為高度敏感；4.1～6.0為中度敏感；2.1～4.0為低度敏感；1.0～2.0為不敏感。

1.4 基于生態(tài)敏感性的土地資源承載力分析

生態(tài)敏感性分析主要從自然生態(tài)資源的角度來分析區(qū)域內(nèi)各系統(tǒng)對人類活動(dòng)的反應(yīng)，揭示區(qū)域土地生態(tài)特點(diǎn)和問題，可為區(qū)域土地資源的合理利用提供重要依據(jù)[20]。根據(jù)生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果，以30 m×30 m柵格為單位，以不敏感區(qū)、低度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)為地理邊界，采用地圖疊加法，將現(xiàn)狀土地利用與生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，提煉基于不同生態(tài)敏感性的土地利用類型的面積和比例，分析其空間規(guī)劃布局的合理性，進(jìn)而提出空間調(diào)整和優(yōu)化的建議。

表1 生態(tài)敏感性評價(jià)因子指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)敏感性評價(jià)

2.1.1 單因子評價(jià) （1）地形敏感性。地形是影響人類居住空間分布的重要自然因素，包括高程和坡度兩個(gè)因子。通過計(jì)算數(shù)字高程模型（DEM）得到研究區(qū)地形起伏因子分布（圖1）。研究區(qū)境內(nèi)多山，山地丘陵約占總面積的2/3。東部是桌子山、甘德爾山，西部有五虎山，均呈南北向帶狀延伸。海拔較高。地形起伏以平坦地類為主（0°～15°），一線天風(fēng)景區(qū)、桌子山周邊較大，以15°～25°為主。（2）土地利用敏感性。烏海市以荒漠型地帶植被為主，故林地和水域在該區(qū)體現(xiàn)為高度敏感，園地、耕地和草地為中度敏感，不敏感和低度敏感區(qū)域主要為建設(shè)用地及交通用地周邊區(qū)域。（3）土壤侵蝕敏感性。中度侵蝕主要分布在沿河流域、西桌子山沿線區(qū)域；強(qiáng)度侵蝕和極強(qiáng)度侵蝕零星分布，面積較小；其余為低度侵蝕。（4）距離敏感性。到主要交通道路的距離中，高度敏感區(qū)主要分布在烏海市南部草原區(qū)、四合木自然保護(hù)區(qū)及烏達(dá)西部；中度敏感區(qū)主要依高度敏感區(qū)分布，其余為不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)；在到水域的距離中，沿黃流域?yàn)楦叨让舾袇^(qū)；研究流域1～2 km范圍為中度敏感區(qū)，2～3 km范圍內(nèi)為低度敏感區(qū)，其余為不敏感區(qū)；到居民點(diǎn)的距離中，以低度敏感區(qū)為主，四合木自然保護(hù)區(qū)以中度敏感和高度敏感為主，其余為低度敏感區(qū)。（5）生態(tài)敏感區(qū)敏感性：主要為自然保護(hù)區(qū)、文物遺跡、水域、林地。

2.1.2 綜合評價(jià) 利用ArcGIS的空間分析功能，進(jìn)行單因子加權(quán)綜合評價(jià)，得到評價(jià)區(qū)域生態(tài)敏感性綜合評價(jià)值為1.0～8.0。各敏感區(qū)面積及比例見表2，生態(tài)敏感性空間分布見圖1。

如圖1、表2所示：（1）不敏感區(qū)域面積413.87 km2，占總面積的24.80%，主要分布在城市建設(shè)區(qū)、居民點(diǎn)、工業(yè)園區(qū)、交通用地等建設(shè)區(qū)。該區(qū)主要以建設(shè)用地為主，坡度較緩，土壤侵蝕較弱，適宜進(jìn)行開發(fā)建設(shè)；（2）低度敏感區(qū)面積632.28 km2，占總面積的37.80%，主要分布在不敏感區(qū)外圍一定距離之內(nèi)；（3）中度敏感區(qū)域面積428.31 km2，占總面積的25.70%，主要分布在北部，中部自然保護(hù)區(qū)周邊1～2 km范圍內(nèi)，南部草原部分區(qū)域；（4）高度敏感區(qū)主要分布在沿黃河流域、文物遺跡、自然保護(hù)區(qū)，面積193.68 km2，占總面積的11.61%。該區(qū)海拔在1 200 m以下，坡度較緩，但距離軍民區(qū)、水域等敏感目標(biāo)較近。

圖1 烏海市生態(tài)敏感性分區(qū)

表2 烏海市生態(tài)敏感性分析結(jié)果

綜上可知，不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)占總面積的62.6%，主要為城市建設(shè)區(qū)、交通運(yùn)輸用地及其周邊土地；高、中敏感區(qū)占總面積的37.4%，主要分布在水域、自然保護(hù)區(qū)、文物古跡等周邊。

2.1.3 生態(tài)敏感區(qū)分區(qū)保護(hù)對策 根據(jù)生態(tài)敏感性區(qū)劃結(jié)果，辨識(shí)各個(gè)生態(tài)單元不同的生態(tài)環(huán)境敏感性，并按照烏海市未來發(fā)展規(guī)劃，對烏海市不同敏感性地區(qū)分別制定了相應(yīng)的保護(hù)對策。

（1）高度敏感區(qū)保護(hù)對策建議：城市建設(shè)禁止占用該區(qū)任何用地，劃定生態(tài)保護(hù)紅線，禁止從事任何與生態(tài)環(huán)境保護(hù)無關(guān)的建設(shè)活動(dòng)；對已破壞的生態(tài)環(huán)境盡快做好生態(tài)修復(fù)工作。

（2）中度敏感區(qū)保護(hù)對策建議：嚴(yán)格控制該區(qū)城市建設(shè)用地?cái)?shù)量和規(guī)模，嚴(yán)格限制煤化工、化工材料等污染企業(yè)的建設(shè)，可以工業(yè)園區(qū)的形式相對集中發(fā)展。

（3）低度敏感區(qū)保護(hù)對策建議：已開發(fā)區(qū)域，注重生態(tài)恢復(fù)工作，改變產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式，合理工業(yè)布局，逐步恢復(fù)破壞的生態(tài)環(huán)境；尚未開發(fā)地方，以生態(tài)保護(hù)紅線為出發(fā)點(diǎn)，注重新區(qū)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性、適應(yīng)性，遵照預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理、損害擔(dān)責(zé)的原則，協(xié)調(diào)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（4）不敏感區(qū)保護(hù)對策建議：城市建設(shè)仍應(yīng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以環(huán)境容量為約束條件，以生態(tài)環(huán)境承載力為落腳點(diǎn)，加強(qiáng)生態(tài)補(bǔ)償工作和綠地建設(shè)。

2.2 基于生態(tài)敏感性的土地資源承載力分析

在烏海市生態(tài)敏感性分析的基礎(chǔ)上，將區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖與生態(tài)敏感性綜合評價(jià)圖進(jìn)行空間疊加分析（表3），將高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)視為生態(tài)用地限制，評價(jià)區(qū)域土地資源是否可以承載目前的用地規(guī)模。結(jié)果表明：（1）在建設(shè)用地方面，86.03%的城鎮(zhèn)村及工礦用地、93.18%的交通運(yùn)輸用地分布在不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)，這表明建設(shè)用地布局合理性較高。（2）在農(nóng)用地方面，林地和草地具有防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能，其在不同敏感性分區(qū)內(nèi)的分布均呈現(xiàn)出生態(tài)適宜性；耕地和園地對土壤的開墾會(huì)造成一定程度的流失，此外，根據(jù)上述分析結(jié)果，耕地有60.61%分布在中高敏感區(qū)域，這可能與該區(qū)毀林毀草開荒有關(guān)，因此，該區(qū)要加大退耕還林還草力度，采用生態(tài)恢復(fù)手段，恢復(fù)良好的生態(tài)環(huán)境。（3）在未利用地方面，水系主要由于天然作用而形成，在各個(gè)敏感區(qū)均有分布，并且水域?yàn)樯鷳B(tài)敏感區(qū)，在開發(fā)利用水資源的過程中要優(yōu)先保護(hù)；38.36%的其他未利用地，主要是裸地和沙地，分布在不敏感和低度敏感區(qū)，這部分土地可進(jìn)行一定程度的開發(fā)利用；其余61.64%的土地由于分布在高中敏感區(qū)，主要進(jìn)行以生態(tài)恢復(fù)為主的開發(fā)利用。

綜合上述，土地利用在生態(tài)敏感性評價(jià)中最為敏感，根據(jù)生態(tài)敏感性分析結(jié)果，區(qū)域內(nèi)土地資源承載了86.03%的城鎮(zhèn)村及工礦用地、93.18%的交通運(yùn)輸用地。由此可見，土地利用空間格局與區(qū)域生態(tài)環(huán)境相適宜，不會(huì)對區(qū)域生態(tài)總格局造成破壞，部分位于高度敏感區(qū)域內(nèi)的用地可能會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成重大影響，今后應(yīng)繼續(xù)加大封山禁牧、退耕還林還草力度，進(jìn)一步改善區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境。

表3 不同生態(tài)敏感區(qū)下土地利用類型面積比例統(tǒng)計(jì) %

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土地資源承載力分析是基于生態(tài)敏感性綜合評價(jià)結(jié)果進(jìn)行的，并不是傳統(tǒng)意義上的評價(jià)，地圖疊加法可以直接展現(xiàn)現(xiàn)狀土地利用的合理性及需要優(yōu)化調(diào)整的區(qū)域。這表明該法簡單明了，可在一定程度上反映現(xiàn)狀土地資源承載力的變化情況。劉孝富等[20]認(rèn)為，評價(jià)因子的空間疊加忽略了景觀過程；白義琴等[21]認(rèn)為土地包括時(shí)間和空間序列上的優(yōu)化配置，本研究未涉及景觀尺度上的時(shí)間序列分析，今后需深入探討。

將GIS疊加技術(shù)應(yīng)用于中小尺度的基于生態(tài)敏感性的土地資源承載力分析，能夠快速高效地獲取多種生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)地理信息，生成不同生態(tài)因子專題圖，并提煉不同用地規(guī)模的承載力，可為同類型土地資源承載力評價(jià)提供參考。然而，影響生態(tài)敏感性的因子眾多，生態(tài)因子選擇不同，其結(jié)果亦將不同，因此，指標(biāo)體系的建立應(yīng)以評價(jià)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)和表現(xiàn)出的生態(tài)環(huán)境問題為甄選依據(jù)。另外，由于指標(biāo)權(quán)重的確定具有一定的主觀因素，這將在一定程度上影響區(qū)域生態(tài)敏感性分區(qū)的結(jié)果。

3.2 結(jié)論

（1）高度敏感區(qū)主要分布在沿黃河流域、文物、自然保護(hù)區(qū)；中度敏感區(qū)域主要分布在區(qū)域北部工業(yè)區(qū)，中部自然保護(hù)區(qū)周邊1～2 km范圍內(nèi)，南部草原部分區(qū)域；低度敏感區(qū)主要依不敏感區(qū)域外圍分布；不敏感區(qū)域主要分布在城市建設(shè)區(qū)、居民點(diǎn)、工業(yè)園區(qū)等、交通用地等建設(shè)區(qū)。

（2）土地利用在生態(tài)敏感性評價(jià)中最為敏感，區(qū)域內(nèi)土地資源承載了86.03%的城鎮(zhèn)村及工礦用地、93.18%的交通運(yùn)輸用地。土地利用空間格局與區(qū)域生態(tài)環(huán)境相適宜，不會(huì)對區(qū)域生態(tài)總格局造成破壞，部分位于高度敏感區(qū)域內(nèi)的用地可能會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成重大影響，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

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Analysis of Land Resources Carrying Capacity in Wuhai City Based on Ecological Sensitivity

SHI Nana，QUAN Zhanjun，HAN Yu，WANG Qi，XIAO Nengwen，GAO Xiaoqi
（Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing100012，China）

Land resources carrying capacity reflects the sustainable utilization of land resources under the background of rapid urbanization.With the help of ArcGIS spatial analysis，using the multi-factor weighted overlay method，based on the ecological sensitivity by landform，land use，soil erosion，distance conditions and ecological areas，land resources carrying capacity was analyzed.The results showed that：（1）highly sensitive area，moderately sensitive areas，low sensitive areas and insensitive area accounted for 11.61%，25.70%，37.80%and 24.80%，respectively，the insensitive and low sensitive areas accounted for 62.6%in Wuhai City；（2）land use was the most sensitive in the ecological sensitivity assessment，and the land resources had the capacity of 86.03%for urban，village，industrial and mining land，and 93.18%for transportation land.The results can provide the theoretical support for the sustainable development of Wuhai City.

eco-sensitivity；land resources carrying capacity；spatial analysis；GIS；Wuhai City

X171.1

A

1005-3409（2017）01-0239-05

2016-01-13

2016-03-25

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)“半干旱采煤塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分循環(huán)過程及控制”（2013-YSKY-14）

史娜娜（1983—），女，山東濰坊人，碩士，工程師，主要從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail：shinn123＠163.com

全占軍（1979—），男，河北張家口人，博士，副研究員，主要從事生態(tài)環(huán)境評價(jià)研究。E-mail：quanzj＠craes.org.cn