基于GIS的特色小鎮生態敏感性研究?——以山東營丘鎮為例

王浩程， 王 琳， 衛寶立

(1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島266100； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島266011)

生態環境是人類社會賴以生存和發展的基礎，也是實現區域可持續發展的重要條件[1]。在社會經濟快速發展的同時，生態環境惡化，區域生態受到嚴重影響。對區域生態進行生態敏感性分析，制定生態環境保護規劃，指導區域社會經濟建設是當前國內外普遍采用的戰略[2]。通過生態環境穩定性分析，確定生態保護區、生態緩沖區和適度開發區，為實現區域經濟、社會、環境的可持續發展打下堅實基礎[3]。

生態敏感性是指生態系統對由于人類活動和自然變化所產生的環境問題的反應程度，即區域生態系統受干擾而出現生態環境問題的概率[4]。通常將所研究區域按敏感性程度分為非敏感區、低敏感區、中敏感區、高敏感區和極敏感區。高敏感區和極敏感區極易受到人為活動影響，一旦破壞在短時間內難以恢復，此類用地不易開發，禁止人為活動，是需要進行生態保護和恢復建設的重要區域。國外主要根據某一單一生態敏感性問題展開對生態敏感性的研究[5]。Eggermont等研究了湖泊對氣候變化的生態敏感性[6]，Horne等對澳大利亞雨林選擇性伐木生態敏感性的研究[5]。國內研究已從單一生態敏感性問題發展到生態敏感性綜合評價[7]，包括土壤侵蝕、酸沉降、土地荒漠化、土壤鹽漬化等生態環境問題的生態敏感性研究[2]，及對于國家[8]、省域[9-10]、流域[11-12]、市/縣域[13-14]和城市[15]等研究尺度的生態敏感性研究，評價方法多采用多因子加權疊加算法。研究方法已經從定性發展到定量評價[16]。研究表明，通過建立生態敏感性評價指標體系，運用GIS技術與數學模型結合的方式，實現對評價結果的定量研究和定位分析[16]。吳金華等采用ArcGIS區統計方法，以水土流失、地質災害、地形坡度、土地覆蓋等作為敏感因子，對延安市土地進行生態敏感性評價[17]；李建軍等基于GIS采用多因子綜合法，選取土壤侵蝕、生境、地質災害3個評價因子，以鄉鎮為基本單元，利用遙感影像和GIS空間分析技術對地處黃土高原生態脆弱區的萬榮縣進行生態敏感性評價[18]。但目前對于中小尺度領域——鎮域尺度的研究仍相對較少，研究方法仍在不斷探索發展階段[19-20]。

文章以營丘鎮為研究對象，選取具有區域象征性的評價因子并進行評價。由于層次分析法是將定性與定量相結合的多目標決策分析方法，將定性因素定量化，該方法的核心是將專家經驗判斷給予量化。同時，AHP法相比較其他研究方法更加簡單直觀，方便實用，適用于本研究目標結構復雜且缺乏必要數據的情況。因此采用層次分析法算出各敏感因子權重，利用GIS軟件的數據統計和空間分析模型，將屬性數據與空間圖形數據相結合，得到該區域的綜合敏感性指數。建立的研究方法可充分劃定研究區敏感性的分布規律，為營丘特色小鎮生態規劃提供基礎。

1 研究區概況

營丘鎮位于昌樂縣東部，處于 118°43′E～119°10′E、36°19′N～36°46′N，西與喬官鎮相連，西北臨五圖街道辦事處，南接紅河鎮，北與濰城區接壤，東南與安丘市相接，鎮域東西長 20.5 km，南北長21.6 km，總面積218 km2，其中耕地11 790 hm2，林地814 hm2。地勢南高北低，西高東低。境內平原丘陵俱全，南部、東部多屬丘陵，地形地貌較復雜，北部多為平原。境內有白浪河與金釵河兩條重要河流，白浪河河水流向自南向北，流域面積1 237 km2。白浪河上游發源于昌樂縣打鼓山，流經濰坊市坊子區、濰城區、奎文區和寒亭區，最后經寒亭區央子鎮流入渤海萊州灣。金釵河發源于鎮域中西部，從鎮域中部穿過，在營丘村南匯入白浪河。鎮域屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季空氣干燥，多風少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴，冬季寒冷多風，雨雪稀少。年平均氣溫12.5℃。降雨集中在7～8月份，平均降水量639.4 mm，雨季一般在6月底到7月初開始，在8月中、下旬結束。

營丘鎮境內水資源豐富，但年際、時空分布不均，由于白浪河、金釵河與營丘地勢的原因，以及氣候變化的影響，洪澇現象嚴重。因對城鄉布局缺乏合理有效的建設規劃，致使鄉鎮居民布局散亂無章，生態環境以及水土等自然資源破壞嚴重。近年來，隨著城鎮化發展，各類基礎設施的興建，區域景觀格局發生極大改變，生態環境惡化程度加劇，極大限制了營丘的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據來源

研究基礎數據主要來源于遙感、規劃和統計3方面，包括：2014年Landsat-TM影像，分辨率30 m；高程模型GDEM 30 m數據；研究區營丘鎮土地利用現狀圖(濰坊市昌樂縣國土資源局提供)等地理信息數據和《鄉鎮大事記》及現場調研數據。通過使用GIS技術處理營丘鎮域土地利用現狀圖，得到營丘鎮斑塊圖。同時還包括《營丘鎮總體規劃(2014—2030)》、《昌樂縣統計年鑒》、《營丘鎮志》、《鎮政府工作報告》等數據資料和社會經濟資料。因獲得的數據類型不同，使用ArcGIS進行數據處理過程中會出現投影信息丟失或無法匹配的問題，需要通過GIS軟件對取得的數據及圖形進行校準、投影變換和矢量處理，使數據轉化為同一投影坐標下的shapefile格式類型。

2.2 評價因子的選取及評價指標體系的建立

由于區域生態環境是人類活動與自然因素共同作用的結果，不同區域生態敏感性因子具有差異性。根據生態系統系統性和差異性的特點，參照《生態功能區劃暫行規程》，綜合考慮所研究區域的環境現狀、土地利用情況及開發情況等因素，依據科學性、定量與定性相結合、可操作性等原則[21-22]，同時，考慮到數據的可獲取性和為減小各指標之間的相關性，采用AHP層次分析法構建評價指標體系。以綜合生態敏感性作為其目標層；選取坡度、高程、水域、土地利用類型和道路交通5個生態敏感因子作為AHP層次分析法的指標層。坡度是區域地形土壤侵蝕和沙漠化的主要影響因子，對區域農業和生態保護起關鍵作用；高程不同，則高度所對應的地質體穩定性、溫度、氣候、降水量以及土壤條件都有一定差異；研究區域水域資源豐富，包括湖泊、河流、壩塘等，生物多樣性極豐富,不僅可以很好反映生態敏感性，還具有調節區域水循環、提升景觀質量的功能，是生態系統不可或缺的自然元素，也是易被污染的環境因子，需要重點保護；土地是人類活動的載體，與生態環境聯系緊密，用地利用類型不同表明人類對土地和生態環境的利用程度也不同，從而導致生態敏感性的差異；人類活動對自然系統的影響基本都沿道路進行，道路可以對生態系統造成嚴重影響[13]，距離道路越近越容易受到人類活動干擾，對生態環境保護的作用越低，生態敏感性程度越低。宜以生態敏感性從道路中心向外由低到高變化為原則，劃分其不同等級所對應的的緩沖區。因此，將以上5個敏感因子作為AHP的指標層要素。

根據相關研究，將生態敏感因子按可能對環境造成影響的程度進行分級，將單個敏感性因子分為極敏感、高度敏感、中度敏感、低敏感、不敏感5個等級，并賦值[14-23]。參考相關研究成果[17-21]確立了營丘鎮生態敏感性評價指標體系(見表1)。

2.3 權重確定

各敏感因子對區域生態環境影響程度有很大差異，在進行綜合生態敏感性評價之前，首先要確定單個敏感因子在整個評價體系中的重要性，即各敏感因子權重。選擇合適的分級指標和權重值可以保證區域敏感性評價結果的科學性及可靠性。

表1 營丘鎮生態敏感性評價指標體系Table 1 Ecological sensitivity evaluation index system of yingqiu town

通過參考文獻[23-24]選擇GIS技術與層次分析法(AHP)結合的方式確定權重，步驟如下：

(1)建立層次結構模型；(2)專家依據5分制原則，兩兩比較，用1～5及其倒數，按每個敏感因子重要性進行賦值。極端重要：賦值5，相反賦值1/5；強烈重要：賦值4，相反賦值1/4；明顯重要賦值3，相反重要賦值1/3；稍重要賦值2，相反賦值1/2；同樣重要賦值1；(3)建立判斷矩陣并通過GIS技術計算各敏感因子權重值；(4)進行檢驗，確認所得評價因子權重值的準確性。營丘鎮敏感因子判斷矩陣及其權重值如表2所示。

運用MATLAB軟件求得該矩陣最大特征值λmax=5.189 9，通過公式CI= (λmax-n) / (n-1)，對該矩陣進行一致性檢驗，求得CI=0.047 5，通過查RI值表(見表3)得：當n= 5時，RI= 1.12。根據一致性比率公式CR=CI/RI，求得CR= 0.042 4。CR<0.1，則該矩陣一致性可接受。最后，將該特征值對應的特征向量進行歸一化處理，得到各敏感因子權重值分別為：0.059 4，0.157 4，0.404 0，0.296 5，0.082 7。

表2 營丘鎮敏感因子判斷矩陣及其權重值Table 2 The sensitivity factor judgment matrix and its weight value of yingqiu town

Note:①Evaluation factors;②Elevation;③Slope;④Water area;⑤Land use;⑥Road transportation;⑦Weight

表3 判斷矩陣RI值Table 3 RI values of Judgment matrix

2.4 生態敏感性分析與評價

在上述評價體系基礎上，選取鎮域重要敏感區等信息，利用ArcGIS繪制各單因子生態敏感性分布圖，然后通過(AHP)層次分析法計算各敏感因子權重，最后利用GIS多因子加權疊加分析模型得到該區生態敏感性綜合指數，進而得到綜合生態敏感性分布圖。計算綜合生態敏感性數學公式如下：

式中：i為評價因子編號；n為評價因子總數;P為生態敏感性綜合值;ωi為第i個評價因子的權重；Ai為第i個評價單元的第i個評價因子敏感性評價值。

通過利用ArcGIS數據統計與空間分析功能，將計算與圖形變換緊密結合在一起，使評價精度和科學性得到極大提高。根據GIS準確提取的關于研究區域生態環境的基礎信息，使不同階段各種敏感因子的專題圖得到更新，更能及時了解區域生態環境的變化動態，提高了生態環境管理效率。

3 結果與分析

3.1 單因子敏感性評價

3.1.1 高程敏感性分析 營丘鎮高程生態敏感性分析圖見圖1。營丘鎮域高程生態敏感性相對較敏感，極、高敏感區主要分布在其西南部，區域面積為5 995.71 hm2，占總面積的27.8%；中敏感區區域面積6 684.48 hm2，占總面積的31%，呈塊狀分布于鎮域西北部，中部以及南部；低、非敏感區區域面積8 909.37 hm2，占總面積的41.3%，在營丘鎮東北部和東南部分布較廣泛。低、非敏感區域可做適當建設和農耕。境內地貌呈多樣形態，整體地勢南高北低，西高東低。

圖1 高程生態敏感性分析圖Fig.1 Ecological sensitivity distribution of elevation

3.1.2 坡度敏感性分析 營丘鎮地勢平緩，坡度敏感性總體較低，坡度生態敏感性分析圖見圖2。0°～2°之間的坡度區域面積為8 479.98 hm2，占總面積的39.7%，分布在營丘鎮全境；2°～6°之間的坡度區域面積為11 991.06 hm2，占總面積的56.2%，在營丘鎮全境均有分布；6°～15°之間的坡度區域面積為866.97 hm2，占總面積的4.1%，在營丘鎮域內呈散亂分布，15°之上的坡度區域面積為4.77 hm2，幾乎不存在，該鎮域坡度以低、非敏感區為主，利于農業的發展生產，但仍需加強生態保護，預防因可能存在的水土流失等問題而造成的地質災害。

圖2 坡度生態敏感性分析圖Fig.2 Ecological sensitivity distribution of slope

3.1.3 水域敏感性分析 水域作為自然環境中的基本元素，也是對人為干擾最為敏感的因子之一，可以很好的反映研究區生態敏感性，其生態敏感性分析圖見圖3。研究區域內極、高敏感區的面積為5 867.64 hm2，占總面積的27.1%，主要是分布在境內的白浪河、金釵河兩條重要河流，還有位于鎮域中部，鎮區的西北部的后備水源——馬宋水庫,以及位于中、北部供應農業、居民、工業的地下水以及連通整個鎮域溝渠和坑塘；低、非敏感區面積為1 4743.8 hm2,占總面積的68.2%，分布在鎮域全境，中敏感區面積為1 022.4 hm2，占總面積的4.7%。距離水體越近，則其生態敏感性越高，需以設立緩沖區的方式加強對水域環境保護。

圖3 水域生態敏感性分布圖Fig.3 Ecological sensitivity distribution of water area

3.1.4 用地類型敏感性分析 營丘鎮的用地類型主要包括耕地、建筑用地、水體、林地、園地、草地和未利用地，用地類型生態敏感性分析圖見圖4。極、高敏感區域面積為15 210.18 hm2，占總面積的70.2%，主要因為在營丘鎮存在大量水域、耕地和林地；中敏感區面積為403.11 hm2，占總面積的1.9%，在區域全境呈零星分布，用地類型主要為草地；低、非敏感區面積為6 041.25 hm2，占總面積的27.9%，低敏感區用地類型主要包括園地和其他農用地；非敏感區主要分布在道路，工商業用地和居住區，用地類型為建設用地和未利用地。該鎮域土地類型敏感性程度總體較高，開發建設時需小心謹慎，務必進行科學有效的生態規劃，保護營丘鎮優良的生態本底。

圖4 用地類型生態敏感性分布圖Fig.4 Ecological sensitivity distribution of land use

3.1.5 道路交通敏感性分析 營丘鎮道路交通四通八達，其規劃建設基本都沿道路線展開。交通道路敏感性分析見圖5。其中，低、非敏感區面積分別為9 386.28和6 890.04 hm2,分別占總面積的43.4%、31.8%；中敏感區面積為3 660.12 hm2，占總面積的16.9%；極、高敏感區面積分別為326.16和1 371.24 hm2，占總面積的1.5%、6.3%。離道路越近的區域，敏感性越低，應沿道路線進行開發建設；離道路兩邊越近，越適合作為建設用地，但不可破壞原有生態。鎮域道路交通敏感性總體不高，可沿道路線適當提高開發力度，極、高敏感區附近有農田、林地存在，應著重保護，不適合建設。

3.2 綜合敏感性評價

運用GIS空間分析功能，利用已確定的評價因子權重對營丘鎮單因子生態敏感性分布圖進行疊加分析，計算出生態敏感性綜合得分，得到營丘鎮綜合生態敏感性分布圖。該鎮域綜合生態敏感性評價指數介于1.16～7.66之間，根據生態敏感性評價指數空間分布情況，采用Nature Breaks法，將該指數區間劃分5個分級標準，即營丘鎮劃分為5類敏感區，其中，1.16

圖5 交通道路生態敏感性分布圖Fig.5 Ecological sensitivity distribution of road transportation

營丘鎮生態敏感性總體較高，分布規律為水域周圍敏感性較高，鎮區周圍較低，鎮域西南區域較高，東北區域相對較低。極、高敏感區占研究區總面積的22.59%，主要分布在鎮域的南部、中部和西部，為面積較大的河流、溝渠、林地和農田；營丘鎮主要以低敏感區和中敏感區為主，兩者占總面積的57.81%，廣泛分布在鎮域內，主要為道路周圍的綠地、園地、其他農用地，以及河流外圍的緩沖區域，區域地勢平緩，人類活動相對集中。由居住區、工業用地、道路、水工建筑、鹽堿地、未利用地等構成的非敏感區占總面積的19.60%。整個鎮域東北部開發力度較大，西南部生態敏感性相對較高，營丘鎮城鎮化規劃建設也是向東北部發展，與生態敏感性評價結果相吻合。營丘鎮是農業鎮，耕地面積廣闊，且土層深厚，土質肥沃，其中，豐富的水資源，悠久的文化歷史和自然景觀使營丘鎮具有得天獨厚的優勢，可依靠優越的自然景觀本底發展生態旅游等產業，這樣不僅能保護鎮域自然生態環境不受破壞，還能帶動營丘鎮的經濟發展，從而實現區域環境與城鎮的可持續發展。

通過將營丘鎮生態環境現狀與得到的生態敏感性評價結果對比發現，營丘鎮真實的生態環境狀況與評價結果基本相同，以此反映了采用AHP層次分析法和GIS多因子加權疊加法的科學性，準確性和可實踐性。

表4 營丘鎮5個生態敏感性因子及綜合生態敏感性Table 4 Five ecological sensitivity factors and comprehensive ecological sensitivity in yingqiu town

Note：①Insensitive；②Low sensitive；③Moderate sensitive；④Highly sensitive；⑤Very sensitive；⑥Elevation；⑦Slope；⑧Water area；⑨Land use；⑩Road transportation；Comprehensive ecological sensitivity

圖6 營丘鎮綜合生態敏感性分布圖Fig.6 Comprehensive ecological sensitivity distribution of Yingqiu town

3.3 生態分區

根據營丘鎮實際情況和綜合生態敏感性分析結果，綜合考慮生態環境的脆弱程度，提取鎮生態框架，在生態框架下對營丘鎮進行分區，分為保護區、限建區和適建區，結果如圖7所示。

極敏感區和高敏感區屬于生態保護區，面積4 791.87 hm2，占總面積比例為22.59%；中敏感區劃分為限制建設區，面積5 424.21 hm2，占總面積的25.57%；低敏感區和非敏感區屬于適建區，面積10 997.19 hm2，占總面積的51.84%。

根據營丘鎮的生態分區結果，營丘鎮一半區域可以進行合理生態規劃，建設同時宜與原有的生態景觀結合，合理發展旅游業與生態產業等，同時應對鎮域西南部加強生態保護，實現鎮域經濟與環境的可持續發展。

圖7 營丘鎮生態分區圖Fig.7 Ecological zoning of Yingqiu town

4 結論與建議

研究通過對土地利用、道路交通、水域、高程和坡度5個生態因子的敏感性分析，運用層次分析法計算各敏感因子權重，利用GIS多因子加權疊加法對該區生態敏感性進行綜合評價，揭示研究區域生態敏感性的空間格局分布規律。營丘鎮生態敏感性的空間分布存在較大差異，營丘鎮總體敏感程度較高，分布規律為水域周圍敏感性較高，鎮區周圍較低，鎮域西南區域較高，東北區域相對較低。極、高敏感區占總面積的10.09%和12.50%；低敏感區和中敏感區占總面積的32.24%、25.57%；非敏感區占總面積的19.60%。

極、高敏感區生態環境極其脆弱，景觀用地多為水域、農田、林地，極易受到人為因素干擾，并且一旦破壞很難在短時間恢復，此區域應視為生態保護區，建立生態良性循環，用于涵養水資源和保護環境生態，禁止開發利用，特殊情況下還需實施搶救性建設與保護。營丘鎮內的過境河流，宜建立河流緩沖區，合理規劃調整區域內部水系河網，并通過河網搭建綠色生態廊道，避免對水域及其周邊環境造成破壞，保證原生生態系統完整性。中敏感區為控制開發區，占總面積的25.57%，此類區域生態環境較脆弱，較易受人類活動的影響，從而破壞自然生態系統的穩定性，應遵循開發與保護應同時進行的理念，對于農用地、園地、及河流等區域，應作為重點保護區，禁止開發。同時，應提高此區域植被覆蓋率，保護天然草地資源，大力發展風景林，針對城鎮防護林帶，宜結合人居和產業布局建設，適當開發生態旅游，如建設防護林公園、生態園等增加營丘鎮景觀效果，同時為生物間的交流提供渠道。低敏感區和非敏感區，生物多樣性簡單，植被覆蓋率低，可承受一定程度的開發建設。對于低敏感區，土地可做多用途開發，充分利用當地原有水文、植被、歷史古跡等條件，搞好城鎮綠化建設，開展循環經濟，但必須嚴格控制“三廢”污染，鎮域內應引入環境影響評價制度，加強植物引種、育種研究，以此提高營丘鎮生態效益和綠化率。對于非敏感區，在進行城鎮化建設時，應進行科學、合理的生態規劃，嚴格控制建設用地占地面積，利用營丘鎮優越的水資源條件和肥沃的土壤條件，大力發展城郊種植業；同時大力改善營丘鎮土地不合理利用、環境破壞嚴重等生態現狀，創造優美人居環境，建設生態城鎮，保證營丘鎮生態環境可持續發展。