太原市域生態敏感性綜合評價

侯志華, 馬義娟*, 賈宇平

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太原市域生態敏感性綜合評價

侯志華, 馬義娟*, 賈宇平

太原師范學院地理科學學院, 山西, 晉中 030619

基于遙感和GIS技術, 從“地”、“水”、“林”、“人”四方面, 篩選坡度、水體、植被覆蓋指數、生態保護區、土地利用類型五項生態敏感因子, 對太原市域生態敏感的類型、程度及其分布進行綜合評價與分析。結果顯示: 敏感度高的區域面積782.92 km2, 占總面積的12.11%, 主要分布在市域北部陽曲縣和西北部婁煩縣的山地地區, 這些地區山高坡陡, 植被覆蓋較好, 有些被劃為生態保護區, 受多種敏感類型的影響; 中度敏感區面積2955.07 km2, 占45.69%, 主要是沿汾河干支流方向和高度敏感區周邊的丘陵低山地區, 水體是最為主要的敏感類型, 此外, 地形、植被及人類的土地利用都對其具有一定的影響。從研究結果來看, 太原市域生態敏感類型多樣, 且在空間上交錯分布, 具有明顯的空間地域差異, 能為政府在區域開發中制定科學的生態安全防范策略提供有力的依據和參考。

生態敏感性; 評價體系; GIS; 太原市

1 前言

生態環境是人類賴以生存、生活和生產的基本條件。隨著社會經濟的發展和科學技術的提高, 人類對生態環境的影響在廣度和深度上都在不斷加強加大, 由此也引發了一系列生態環境問題, 這些問題已經嚴重威脅到人類的生存和社會經濟的可持續發展, 因此, 長期以來, 生態環境問題就一直受到各層政府的高度關注, 也成為國內外眾多專家學者的研究熱點[1-5]。所謂生態敏感性, 即是指當區域內有人類和自然活動干擾時, 生態環境對此的敏感程度, 它反映了區域生態系統遭遇到外界各種干擾時, 產生生態環境問題的概率大小, 和之后生態進行修復時的難易程度。生態敏感性分析和評價是生態系統研究的一項重要內容, 對一個區域生態敏感性的深入分析和合理評價, 能為政府制定城市建設與發展空間規劃以及環境保護策略等提供科學依據。

目前, 對于生態敏感性的研究國內學者已從單一生態敏感性問題發展到基于多個生態因子的綜合評價[6-9], 但由于區域環境的地域差異大, 尚未形成一個規范的指標體系, 從研究區域上看, 多以平原區、卡斯特山區和干旱半干旱區為例。太原市地處生態環境較為脆弱的黃土高原地區[4,10], 區內地形破碎, 土壤侵蝕嚴重, 水資源普遍不足, 土地利用形式多樣, 生態敏感類型眾多, 如何在國家“中部崛起”和“經濟轉型發展”戰略實施下, 建立環境友好型經濟社會發展模式, 目前仍是一個尚未完全解答的難題。本文根據太原市自身的地域特征, 建立集“地”、“水”、“林”、“人”于一體的生態敏感性評價體系, 在遙感和GIS技術支持下, 將單因子分級和多因子空間疊加模型相結合, 對整個區域進行生態敏感區綜合評價及分區, 能為國家、省市各級政府因地制宜地制定科學的空間開發管制政策和構建有效的生態安全制度, 也為我國其他地區開展同類生態敏感區評價及保護工作提供一定的參考和借鑒。

2 研究區概況及研究數據

2.1 研究區概況

太原市——山西省省會城市, 位于省境中央, 面臨渤海灣, 背靠大西部, 是東西部的結合地, 是內陸與環渤海聯動發展的主要增長極, 在國家戰略布局中發揮承東啟西、溝通南北的交通樞紐作用。全市總面積6999 km2, 下轄清徐縣、陽曲縣、婁煩縣3縣, 古交市1市和迎澤區、萬柏林區、杏花嶺區、尖草坪區、晉源區、小店區6區, 2015年總人口431.87萬人, 地區生產總值2735億元。太原市地處黃土高原東端, 地勢西高東低, 北高南低, 區域外形似蝙蝠形, 東西距離約144 km, 南北距離約107 km; 屬溫帶大陸性季風區, 氣候干燥, 降雨較少, 四季分明, 日夜溫差較大, 表現為較強的大陸性氣候特點; 黃河第二大支流汾河自北向南貫穿全境, 是一座擁有四千七百余年的歷史古都, 擁有眾多歷史名勝古跡和人文景觀, 自古就有“錦繡太原城”的美譽。

改革開放以來, 太原市依靠自身的資源優勢, 迅速進入了工業開發和城市建設快速發展期, 經濟發展迅猛, 人們生活水平極大提高, 而同時也付出了沉重的代價, 生態明顯惡化, 環境污染嚴重。生態環境成為制約區域經濟發展的瓶頸因素, 如何更好的協調生態、生活、生產空間, 是區域經濟可持續發展面臨的一個重要挑戰。

2.2 研究數據及處理

2.2.1 數據源

本研究的數據主要包括遙感數據、基礎地理數據、專題數據和其他相關的統計和文字資料。參考已有關于空間尺度和信息類型的研究成果[11-13], 遙感數據選擇了分辨率為15 m的Landsat 8遙感影像數據(2015年10月7日和2015年8月13日); 基礎地理數據為太原市30 m數字高程模型(DEM); 專題地圖為太原市行政區劃圖、太原市自然保護區分布圖、太原市地表水系圖和太原市旅游景點分布圖; 其它統計資料或文字資料主要為山西省和太原市統計年鑒, 山西省對國家級或省級重點生態保護區的統計資料等。

2.2.2 數據處理

圖像預處理: (1)幾何校正, 將遙感影像、DEM數據和各類專題地圖校正到統一的投影坐標系下, 本次采用的投影坐標為WGS 1984 UTM Zone 49; (2)遙感影像融合, 將Landsat8的543光譜波段和全色8波段進行融合, 生成15 m標準假彩色圖像; (3)圖像拼接和裁切, 全區域涉及兩幅遙感影像, 需要進行拼接, 然后再利用行政邊界將研究區裁出。

數據提取: (1)基于遙感影像, 采用NDVI植被指數算法, 生成“植被覆蓋指數”生態敏感因子分布圖; (2)結合遙感影像和地表水系專題圖, 提取水體信息, 生成“水體功能”生態敏感因子分布圖; (3)基于DEM圖像, 提取坡度數據, 生成“地形坡度”生態敏感因子分布圖; (4)基于遙感影像, 采用人機交互解譯, 并通過90%的精度檢驗, 生成“土地利用類型”生態敏感因子分布圖; (5)利用太原市自然保護區分布圖、旅游景點分布圖并通過實地考察, 提取生態保護區地信息, 生成“生態保護區”敏感因子分布圖。

3 生態敏感性分析體系構建

3.1 評價因子選擇

生態敏感性分析的核心工作是評價指標體系的構建, 指標體系的建立沒有統一的規范標準, 需要充分考慮區域的實際情況, 如歐陽志云等在對中國生態環境敏感性劃分研究中選用了氣候、地形、土壤、地表覆蓋度等因子[10], 后來研究甘肅生態敏感性時確定了水土流失、土地沙漠化、土壤鹽漬化三類指標, 并細分土壤質地、降水沖蝕力、植被、≥6 m/s起沙風天數、地貌等11類評價因子[14]; 齊姍姍等基于SRP模型對甘肅白龍江流域生態環境進行脆弱性評價時, 生態敏感性要素選取了地形因子(坡度、坡向和地形起伏度)、地表因子(土壤侵蝕強度、景觀結構指數和潛在蒸散發)、氣象因子(年均降水、相對濕度和氣溫)三方面9個評價因子[15]; 秦賢宏等對廣西欽州市生態敏感區綜合評價時構建了“地”、“水”、“綠”指標體系, 并細化為斷裂構造、地形起伏、地質災害、飲用水源保護、水體功能和水質保護、洪澇災害、植被覆蓋、農業生產和生物多樣性保護9個評價因子[16]。本研究借鑒已有的研究成果, 結合太原市區域特點, 并遵循代表性、綜合性、區域完整性、資料完備性、可操作性等原則, 集“地”、“水”、“林”、“人”四方面, 選取地形坡度、植被覆蓋指數、水體功能、生態保護區、土地利用類型5個因素作為生態敏感性的評價因子, 以此進行定量評價。

3.2 各因子敏感性等級劃分

3.2.1 “地”敏感因子

太原市地處黃土高原, 地形復雜, 土層薄且土質松軟, 西部呂梁山脈和東部太行山區的黃土丘陵溝壑區、土石山區、黃土殘塬溝壑區一直面臨著嚴重的水土流失。水土流失受到降水、地形坡度、地表植被等多方因素影響, 一般來說坡度的大小與發生水土流失的幾率成正比, 因此本研究選擇坡度作為一個評價因子, 并依據第二次全國土地調查中對耕地坡度級別的劃分標準, 以2°、6°、15°、25°為界劃分敏感等級, 詳見表1和圖1(a)。

3.2.2 “水”敏感因子

水體是生態系統的重要組成部分, 在動植物的生存生長、人類社會的生存和發展、生態環境的調節和凈化等方面具有不可替代的作用。太原市水資源缺乏, 且污染嚴重, 成為環境治理和生態保護的主要“瓶頸”, 因此本研究選擇市內的主要干流及支流水系、湖泊、水庫庫區作為水體功能生態敏感性評價因子, 并設立500 m、1000 m、1500 m、2000 m的緩沖距離用以表征水環境對生態環境的影響強度以及隨距離衰減的特點, 見表1和圖1(b)。

3.2.3 “林”敏感因子

植被在保護區域的生物多樣性、改善區域景觀質量以及調節生態環境質量等方面具有十分重要的作用。太原市地貌類型復雜多樣, 山多川少, 山地丘陵面積接近三分之二, 天然林草地資源原本比較豐富, 但由于脆弱的自然生境和多年來的不合理開發和利用, 使林草地退化嚴重。森林嚴重破壞后, 恢復相當困難, 致使生物多樣性也遭受嚴重破壞, 部分物種滅絕, 部分物種處于瀕危狀態, 因此本研究將植被覆蓋度作為一個生態敏感性評價因子, 具體用NDVI植被指數表示, 并通過聚類分析, 以0.01、0.12、0.27、0.36為界進行敏感性等級劃分, 見表1和圖1(c)。

3.2.4 “人”敏感因子

人類本來就是自然的一個組成部分, 但近幾百年來人類社會非理性超速發展, 已經使人類活動成為影響地球上各圈層自然環境穩定的主導負面因子。土地利用是人類對生態環境最直接的干擾途徑, 不同的土地利用方式對生態環境也有不同程度的影響。因此, 本研究選擇土地利用類型作為其中一個人為生態敏感性評價因子。根據研究目的和實際情況, 將土地利用類型劃定為有林地、灌木林地、水域、農用地、建設用地、未利用土地六個類型, 參考前人研究[9,17、18]并咨詢多位專家后, 將有林地和水域確定為極度敏感區, 灌木林地和未利用土地定為高度敏感區, 農用地定為中度敏感區, 建設用地定為低度敏感區, 見表1和圖1(d)。

為了保障國家和地方生態安全, 人類在一些具有涵養水源、保持水土、調蓄洪水、防風固沙、維系生物多樣性等方面有重要作用的生態功能區內, 有選擇地劃定一定面積予以重點保護和限制開發建設, 這些區域統稱為生態保護區。本次研究選擇太原市各種自然保護區、風景名勝區、水源涵養區、森林公園、地質公園、文物古跡等作為生態保護區敏感性評價因子, 并對生態保護區做緩沖區分析, 以200 m、500 m、1000 m、2000 m為界進行敏感性等級劃分, 見表1和圖1(e)。

表1 生態環境敏感性因子及其分級

3.3 多因子綜合評價

3.3.1 評價因子權重確定

為了更加客觀、準確的量化各個敏感性因子對于區域生態敏感性影響的重要程度, 確定各因子權值時, 以問卷的方式, 調查了12位地理學、生態學方面的專家學者, 采用層次分析法(AHP)計算每個因子的權重值, 經多次討論和商榷, 最終確定各因子的權重分別為地形坡度0.20、植被覆蓋指數0.20、水體功能0.20、生態保護區0.25、土地利用類型0.15。

3.3.2 多因子綜合計算

生態環境敏感性綜合指數計算公式為:

式中指生態環境敏感性綜合評價指數,C指單因子生態環境敏感性等級值,W是各個生態敏感性因子的權值。

為了更好的分析數據, 根據實際情況, 取8、6、4、2為界限, 將計算出的綜合生態環境敏感性評價指數劃分為五個等級區, 即: 極度敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區及不敏感區。

4 結果分析

4.1 單因子生態敏感性評價分析

4.1.1 “地”敏感性因子評價分析

由圖1(a)可見: 市域地形坡度極度敏感區, 面積505 km2, 高度敏感區, 面積1408 km2, 兩者共占總面積的29.55%, 主要分布在陽曲縣西部、市區西部、婁煩縣西南部及古交市周邊的山區地帶; 中度敏感區面積2513 km2, 占38.81%, 廣泛分布在陽曲縣東部、市區東部、婁煩縣中部和古交市中部的丘陵地帶; 低度敏感和不敏感區面積分別為1362 km2、689 km2, 分別占21.03%和10.61%, 主要分布在陽曲縣中部、市區中南部、清徐縣中東部的盆地區及婁煩縣、古交市的河流谷地。

4.1.2 “水”敏感性因子評價分析

由圖1(b)可見: 市域水體極度敏感區和高度敏感區面積分別為993 km2和815 km2, 各占15.30%和12.54%, 主要為太原市內汾河干流、支流和湖泊、水庫本身及其周邊1000 m范圍內的防洪堤壩區; 中度、低度敏感區面積分別為731 km2和663 km2, 分別占11.27%和10.21%, 主要為距離河流、湖泊、水庫1000—2000 m范圍之間; 不敏感區面積3279 km2, 占50.68%, 主要是距水體2000 m以外的居住用地、農用地、植被覆蓋等的非水體區域。

4.1.3 “林”敏感性評價分析

由圖1(c)可見: 市域植被極度敏感區面積2648 km2, 占總面積的40.85%, 集中在市域西部的呂梁山區, 中部的云中山區和東部邊緣的太行山區; 高度敏感區面積2080 km2, 占32.11%, 分布在各縣(市)中心周邊的低山丘陵區; 中度敏感區面積1792 km2, 占22.97%, 主要包括婁煩縣的東北部和其他各縣的中部; 低度敏感區面積231 km2, 占3.54%, 集中在各縣(市)轄區的中心部分; 不敏感區面積37 km2, 占0.53%, 主要為汾河水庫和晉陽湖等水體。總體上看, 太原市植被覆蓋指數敏感性具有一定的空間分布規律性, 從各縣(區)所在的平川、河谷地帶向周圍環繞的低山丘陵地區再到外圍的中高山區, 敏感性依次增加。

圖1 太原市5個生態敏感因子分布圖(a-e)

4.1.4 “人”敏感性評價分析

(1)生態保護區敏感性評價分析

由圖1(d)可見: 市域生態保護極度和高度敏感區面積分別為925 km2和161 km2, 各占總面積的13.94%、2.47%, 主要為自然保護區、風景名勝區、文物古跡地等受保護區及其周邊500 m的地區, 集中分布在婁煩縣、陽曲縣西部和市轄區; 中度敏感區面積335 km2, 占5.14%, 主要為距生態保護區500—1000 m的范圍; 低度敏感區和不敏感區面積分別為758 km2和4317 km2, 分別占11.73%和66.72%, 主要為距生態保護區1000 m以外的區域。

(2)土地利用類型敏感性評價分析

由圖1(e)可見, 市域土地利用極度敏感區面積1555.01 km2, 占總面積的24.03%, 土地利用類型為有林地和水體, 主要分布在陽曲縣的東北角和西部, 市轄區的西部, 古交市的西北角和西南邊緣, 婁煩縣境內等植被覆蓋好的山區以及汾河水庫、晉陽湖等地; 高度敏感區面積3234.21 km2, 占49.98%, 為灌木林和未利用地, 主要分布在西部的婁煩縣、古交市, 北部的陽曲縣, 清徐縣西北部, 市轄區西南和東端等這些植被覆蓋一般的低山丘陵地區; 中度敏感區面積974.78 km2, 占15.07%, 為農用地, 主要分布在陽曲縣中東部、市轄區北部及與其相鄰的陽曲縣南部、市轄區東南部及清徐縣的中東部, 這些地勢平緩的盆地、河谷地區; 低度敏感區面積706.38 km2, 占10.92%, 為建設用地, 主要是太原市內各市區、縣城所在地。

4.2 綜合生態敏感性評價

利用ArcGIS軟件空間加權疊加技術, 根據各因子及權重計算得到太原市生態敏感性綜合分析數據, 見表2和圖2。太原市極度敏感區面積7.06 km2, 占總面積的0.11%; 高敏感區面積775.86 km2, 占12.00%; 中度敏感區面積最大, 為2955.07 km2, 占45.69%; 低度敏感區面積2661.05 km2, 占41.15%; 不敏感區面積68.44 km2, 占1.05%。

從空間分布上看, 太原市生態環境敏感性在不同地域上表現出較大的差異性。由圖2可見:

(1) 敏感性高的地區(極度敏感區和高度敏感區)主要分布在婁煩縣、陽曲縣西部及市區西北邊緣和西南邊緣, 這些地區山高坡陡, 植被覆蓋較好, 有些被劃為生態保護區, 受多種敏感類型的影響。它們對全市生態環境具有決定性作用, 具有很高的生態價值, 這些地區應以生態保護為主要目的, 加強對各類開發建設活動的管控, 盡量減少人類會對其產生危害的行為。

(2) 中度敏感區, 主要是沿汾河干支流方向和高度敏感區周邊的丘陵低山地區, 水體是其最為主要的敏感類型, 此外, 地形、植被及人類的土地利用都對其具有一定的影響。這些區域對核心生態系統有一定的緩沖和保護意義, 起隔離外界污染的作用, 同時能夠防止城市無序發展, 該地區應重點加強植被的保護與退耕還林還草的建設, 防控水土流失的發生, 逐步恢復受損的生態環境。

表2 太原市生態環境敏感性綜合評價結果

圖2 太原市綜合生態敏感性評價分布圖

(3) 敏感性低的地區(低度敏感區和不敏感區)廣泛分布于研究區的盆地、平川、緩丘一帶, 即古交市、清徐縣、市轄區和陽曲縣的東部、婁煩縣部分地區。這些區域是農田生產、城市建設等人類活動的集中地區, 重點要控制污染物的排放, 加強區域內部的綠化建設。

5 結論與討論

利用RS和GIS技術, 從“地”、“水”、“林”、“人”四個角度對太原市域生態敏感性進行綜合分析和評價。從研究結果來看, 市域生態敏感類型多樣, 且在空間上交錯分布, 敏感類型、敏感程度具有明顯的區域差異性, 總的來說, 西部、北部的山地丘陵區, 河流、湖泊、水庫及一些重點生態保護區, 生態脆弱, 敏感性程度更高。

通過選取具有一定代表性的五個具體評價因子, 基本反映了研究區域的生態脆弱狀況, 但由于資料缺乏, 未考慮氣候氣象、地質災害、采煤塌陷、生物多樣性等方面的影響, 而且評價因子的敏感程度分級也具有一定的主觀性, 這些還需要在今后的研究中繼續加以補充和完善。

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Integrated assessment on ecological sensitivity for Taiyuan City

HOU Zhihua, MA Yijuan, JIA Yuping

School of Geographical Sciences, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619,Shanxi, China

Based on RS and GIS techniques, the ecological sensitivity types, degrees and their spatial distributions are studied in Taiyuan City. In this study, 4 factors such as land, water, forest and human, are considered; in order to integrate the 4 factors, 5 indices such as slope, water, vegetation coverage index, ecological protection area and land use type are selected for ecological sensitivity assessment. The results are as follows. 1) The high sensitive region covers an area of 78292 km2, accounting for 12.11% of the total area. And the regions are located in mountainous regions of Yangqu County, north of Taiyuan City and Loufan County, northwest of Taiyuan City with steep slope and good vegetation cover. 2) The moderate sensitive region covers an area of 2955.07 km2, with 45.69% of the total area. And the regions have two types: one is distributed along Fenhe River and its branches, the other one is located in hills and low mountains around the high sensitive regions peripherally. The results also show that the most important sensitivity factor is water-ecology. The outcome of this work may be utilized to protect the ecological securities and to develop more scientific ecological policy for Taiyuan city.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.025

X826

A

1008-8873(2018)04-204-07

2017-08-31;

2017-10-08

汾河流域生態脆弱性及其補償機制研究(2015332); 汾河流域生態補償機制及其政策研究(2014041018-4)

侯志華(1981—) , 女, 山西陽泉人, 碩士, 講師, 主要從事遙感與GIS的資源和環境應用研究, E-mail:houzhihua1008@126.com

馬義娟, 女, 碩士, 教授, 主要從事自然環境變化與土地利用研究, E-mail:mayijuan@163.com

侯志華, 馬義娟, 賈宇平. 太原市域生態敏感性綜合評價[J]. 生態科學, 2018, 37(4): 204-210.

HOU Zhihua, MA Yijuan, JIA Yuping. Integrated assessment on ecological sensitivity for Taiyuan City[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 204-210.