基于變異系數法的馬鞍山江心洲生態敏感性定量研究

嚴軍, 王婷, 秦玨

基于變異系數法的馬鞍山江心洲生態敏感性定量研究

嚴軍*, 王婷, 秦玨

南京林業大學風景園林學院, 江蘇, 南京 210037

在城市跨江發展背景下, 江心洲成為濱水城市有機更新戰略增長點, 它作為城市與自然緊密相融的生態區域, 是保障沿江生態安全的重要屏障。以典型區域馬鞍山江心洲為例, 依據其生態數據, 從地形、水體、植被、人類活動4個方面選取高程、坡度、坡向、水域緩沖、植被覆蓋度、土地利用類型及道路緩沖7個因子構建江心洲生態敏感性評價指標體系。在常用主觀賦權法與客觀賦權法比較后, 選取變異系數法結合層次分析法共同確定各指標因子的權重, 可以較為全面地反映評價指標的相對重要程度, 使基于ArcGIS空間分析的江心洲生態敏感性劃分更科學。研究結果表明(1)江心洲生態敏感性總體較高, 其中坡度數據在研究區敏感性分布中不穩定, 變異系數達0.9402, 異質性程度較高, 對于內部生態結構的影響更大, 因此對坡度變化明顯的地區應加強生態保護和修復; (2)基于變異系數法的主客觀綜合賦權后各因子權重的重要性排序為植被覆蓋度、水域緩沖區、土地利用類型、坡度、高程、坡向、道路緩沖區, 因子排序所表征出的環境問題與現狀契合; (3)在此分析基礎上,將研究區域劃分為5個級別: 生態高敏感區、生態較高敏感區、生態中敏感區、較低敏感區以及生態不敏感區, 并對不同的生態敏感性區域提出了相應的環境保護與規劃用地策略,以促進馬鞍山江心洲生態保護和有機更新。

變異系數法; 江心洲; 生態敏感性; 景觀規劃

0 前言

生態敏感性是指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的反映程度, 表征發生區域生態環境問題的難易程度和概率大小[1-2]。它反映了區域生態系統遭遇到外界干擾時, 產生生態環境問題的概率大小,和之后對生態進行修復時的難易程度[1-2]。區域生態敏感性的科學合理分析對于片區的生態保護和有機更新提供重要的理論依據。

目前, 生態敏感性分析內容由單一生態因子研究發展到多生態因子綜合評價研究[3–4], 分析方法由定性評價發展到定量評價[5]。評價指標體系與因子權重的選擇是否合理直接影響評價結果的科學性。目前, 相關研究主要集中在優化評價模型與賦權方法上[6], 存在主要不足是評價因子的權重確定受主觀方法影響[7-8]。劉智慧等運用層析分析法對研究區進行生態敏感性評價, 然而層次分析法確定因子權重難以客觀定量[2]。李益敏等對研究區域進行柵格處理, 并利用多因子加權求和模型對研究區域進行評價分析, 研究單元的柵格化使得研究結果更加精確, 但未克服層次分析法的主觀因素[5]。康薇等利用變異系數法嘗試性分析了研究區域內生態敏感性與地形因子二者的關系, 相比先前單一的土地開發適宜性評價有一定的創新性, 然而僅為定性分析, 缺乏一定的說服力[9]。屈賽采用GIS技術與GI法相結合, 獲取該區生態敏感性的空間分布圖, GI法對AHP法進行改進, 能夠綜合平衡因子間比重, 然而GI法基于主觀賦權法, 評價結果具有一定誤差[10]。劉正佳等結合空間主成分分析法和層次分析法對山區生態環境脆弱性進行評價, 主成分分析法可以對數據進行貢獻率的篩選和分級, 確定因子重要性順序, 但對因子權重的具體量化還依賴于主觀判斷[11]。

目前各類方法得出的研究成果豐富, 在生態建模、生態脆弱性評價、生態承載力分析、城市生態敏感性分析、自然保護區生態規劃等領域廣泛應用[12-13]。但研究區域多集中在全國、區域和省市等大尺度上, 對市縣域及以下等中小尺度的研究相對較少[14-15]。

馬鞍山作為皖江城市帶中關鍵一環, 自從將原地級市巢湖市管轄的含山縣, 和縣(不含沈巷鎮)劃歸馬鞍山市管轄后, 傳統的江南城市馬鞍山成為跨江城市, 長江“天塹”成為城中之江[16]。作為馬鞍山都市發展區西南方向生態廊道的重要節點和重要生態斑塊, 江心洲憑借其豐富自然資源與特有區位條件, 對構建沿江生態廊道、保障沿江水安全、維持沿江生態格局穩定性具有核心生態意義[16-17]。本文以馬鞍山江心洲為例, 根據區域生態特點篩選評價因子、建立研究區評價指標體系, 并結合變異系數法、層次分析法充分考慮各個因子對評價結果的影響, 使得評價因子的權重更加客觀可行, 以期建立針對性強、科學合理的評價體系, 為江心洲生態保護與景觀規劃提供科學依據。

1 研究區概況

江心洲位于馬鞍山市中、當涂縣西北, 由江心洲、泰興洲、幸福洲組成, 其中江心洲面積最大, 故統稱江心洲, 是長江第四大洲。江心洲整體規劃用地63.3 km2, 其中北部何家洲用地面積3.11 km2, 夾江水域面積1.49 km2。本研究重點考慮58.7 km2主要地段的規劃分析。地理坐標介于東經118°39'67"—118°47'14", 北緯31°53'06"—131°68'43", 東與濱江新區相連; 南至姑蘇副城; 北到馬鞍山主城區和下何家洲; 西至長江與江北產業集中區相望, 見圖1。南北長約 14 km, 東西最寬處約為5 km。江心洲土地利用構成包括: 何家洲與宮錦圩之間夾江面積約1.49 km2, 農業用地遍布全島, 具有保障農產品質量安全和生產可持續發展的良好生態環境, 面積約29.6 km2。林地面積約7.4 km2, 多為速生林, 主要分布在何家洲和柴洲。灘涂面積約12.6 km2, 分布在江堤以外。水域面積共約9.4 km2, 主要由現狀灌溉溝渠、夾江以及濕地構成, 見表1。

圖1 馬鞍山江心洲位置圖

Figure 1 Location map of Ma'anshan Jiangxinzhou

表1 土地利用現狀表

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文所采用的數據主要包括基礎地理數據、遙感數據以及相關的規劃文本。數據具體來源見表2。

基于遙感(RS)對馬鞍山江心洲地物信息的提取, 本文采取764波段進行融合, 在ERDAS IMAGINE 2014軟件中采用監督分類選擇訓練區樣本, 從而進行要素提取, 并根據其他相關資料和實地調研情況, 采用人工目視方法糾正明顯的分類錯誤, 最終在ArcGIS10.0平臺上獲得數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1 評價因子的選取與敏感性等級劃分

本研究根據實地調研勘察以及生態環境的基礎分析設置地形因子、水體因子、植被因子、人類活動因子四類準則層。地形因子作為整體環境的背景, 包括高程因子、坡度因子、坡向因子。地勢較低的區域生態環境相對脆弱, 此區域易匯聚雨水、沖刷嚴重[18]。坡度易影響地表水熱的分配和物質流動, 導致影響物種多樣性等[19]。坡向所受太陽輻射強度降序依次是南坡、東南坡和西南坡、東坡和西坡、東北坡和西北坡, 北坡最少[20]。

水文因子作為研究對象這一類地貌中最敏感的元素, 對于保障生態系統的平衡有重要意義。本研究對水域緩沖區進行分析, 水域包括陸地水域和水利設施用地。水域系統內部物種多樣性豐富、生態敏感性高, 距水域邊界距離越遠, 生態敏感性越低[21]。

植被因子作為江心洲生態環境的重要基底, 是影響景觀格局的重要組分。植被覆蓋度越高的區域物種更為豐富、易受人為因素干擾, 具有高度敏感性[5]。

人類活動因子是人為干擾最為強烈的代表, 包括土地利用類型以及道路緩沖區的分析。土地利用類型可以直觀反映人的活動類型和對環境的影響程度, 是影響區域生態系統結構與功能的重要因子[1]。道路硬質建設及頻繁使用會對生態帶來一定干擾, 距離道路越近受人類活動影響越大, 環境生態敏感性越低。

具體生態敏感性評價指標體系, 見表3。基于此, 在Arcgis10.0中, 通過緩沖區分析、空間插值等方法制作單因子生態敏感性分布圖。

表2 數據類型、名稱及來源

表3 馬鞍山江心洲生態敏感性評價指標體系

2.2.2 常用確定權重方法

生態敏感性定量研究中, 評價指標權重直接關系到最終評價結果的正確程度。目前因子權重的確定方法主要有: 層次分析法、特爾斐法、變異系數法、主成分分析法、熵權法、灰色關聯度法、離差最大化法等, 其內在關系比較見表4[1,22–23]。

2.2.3 結合變異系數法確定權重

變異系數法是一種客觀賦權法, 能夠分析單因子內部、橫向結構的規律, 在評價指標體系中, 指標取值差異越大的指標, 更能反映被評價單元的差距, 則權重相應越大, 此過程可以有效削弱層次分析法的內在主觀性[24]。

分析可得層次分析法適用于分析線性空間的社會價值、景觀質量及適宜建設的潛在區域, 具有一定的有序性和合理性, 可作為指標層縱向的影響控制, 然而對各單因子內部、橫向結構的規律無法體現, 且權重的量化具有主觀性。鑒于此, 本研究引入變異系數法, 將權重的確定由層次分析法與變異系數法共同決定, 削弱專家賦權重的偏好性, 技術路線如圖2。

其次, 利用ArcGIS10.0在單因子敏感性分析時的重分類后的柵格數據圖, 統計每類敏感性下各因子的像素點組成情況, 或根據前期可分析獲得的面積分類情況, 得出7項因子的指標均值及標準差, 從而計算變異系數, 作為單因子內部、橫向結構規律的表征。最后, 本研究將變異系數與層次分析法權重相乘, 歸1后得到每項因子生態敏感性權重。其計算步驟如下:

求各指標層數據的平均值和標準差:

表4 常用主觀賦權法與客觀賦權法比較

Figure 2 Technology route based on the Method of Variation Coefficient

求各指標層的變異系數:

計算各項評價因子歸一化后的綜合權重:

2.2.4 生態敏感性綜合分析

得出單因子評價分析圖之后, 運用ArcGIS軟件將各個單因子圖進行加權疊加, 并利用自然斷點法對評價結果進行聚類, 根據生態敏感性指標體系劃分為高敏感性(9)、較高敏感性(7)、中敏感性(5)、較低敏感性(3)和低敏感性(1)5個等級, 從而得出馬鞍山江心洲生態敏感性分布圖。不僅可以直觀反映研究區域的現狀生態問題, 更是區域未來生態修復與規劃的重要參考依據。

3 研究結果與分析

3.1 單因子生態敏感性分析

地形因子分析中, 研究區域地形總體平坦, 據分析最高高程為11.74 m, 最低高程為1.71 m, 如圖3(a)。利用ArcGIS中對地形圖進行轉化所得到的DEM數據圖, 可見坡度變化多出現在堤壩、田埂和局部高地, 總體坡度變化較小, 如圖3(b)。對于坡向的分析中, 本研究采用八個方向分類方法: 正北(0°—22.5°、337.5°—360°), 東北(22.5°—67.5°), 正東(67.5°—112.5°), 東南(112.5°—127.5°)、正南(157.5°— 202.5°)、西南(202.5°—247.5°)、正西(247.5°— 292.5°)、西北(292.5°—337.5°), 以及-1°—0°的平地[3], 將八個方向分類為五類生態敏感區, 如圖3(c)。

研究區內包含河流、坑塘、灘涂、溝渠等水域類型, 本研究以20 m、40 m、60 m以及80 m為緩沖距離作為水域緩沖區分析的等級劃分, 得到水體因子的生態敏感性分析, 如圖3(d)。植被覆蓋度由ETM—L7多波段衛星影像計算NDVI, 即歸一化植被指數, 將植被覆蓋度分為較高、中等、較低, 生態敏感性分區如圖3(e)。

人類活動因子分析中, 研究區的土地利用類型有: 建設用地、道路用地、耕地、水體、灘涂、林地, 根據不同土地利用類型對于外部影響的抗干擾能力和對于自我生境的修復能力, 將建設用地和道路用地分為低敏感性區域, 耕地為中敏感性區域, 水系、灘涂和林地為高敏感性區域, 如圖3(f)。道路交通層中, 研究中以對于生態敏感性影響較為明顯的硬化道路為主, 以距離道路0 m、20 m、40 m、60 m為緩沖區的分類標準, 獲得道路因子的生態敏感性分析, 如圖3(g)。

3.2 結合變異系數法確定評價因子權重

首先根據層次分析法統計各指標層的權重, 見表5。基于ArcGIS10.0在單因子敏感性分析時的重分類后的柵格數據圖, 統計每類敏感性下各因子的像素點組成情況, 或根據前期可分析獲得的面積分類情況, 整理為表6的因子各項分值統計。變異系數是根據單因子內部數據的平均值和標準差所得, 見表7。

通過數據縱向的比較可發現, 地形因子中坡度的變異系數較高程和坡向高, 說明坡度在研究區各類敏感性分布中不穩定, 異質性程度較高, 對于內部生態結構的影響更大。道路緩沖區因硬質道路有限, 且緩沖區距離均勻分布, 因子內部結構穩定, 對于生境影響較小。變異系數法可以反映因子內部的結構問題, 是以往主觀判斷方法所無法比擬的。最后將變異系數與層次分析法權重相乘, 歸1后得到綜合生態敏感性權重, 見表8。

圖3 單因子生態敏感性分析圖(a—g)

Figure 3 Single factor ecological analysis

表5 層次分析法確定權重結果表

表6 因子各項分值統計表

表8 綜合權重

3.3 生態敏感性綜合分析

根據數據的權重, 在ArcGIS的圖層進行加權疊加分析, 生成綜合生態環境敏感性分析圖, 其結果將土地分為不同的生態敏感區域, 見圖4。分析得出4點結論:

(1)生態高敏感區主要是水陸交錯帶、植被覆蓋度高、受人為因素干擾較少的區域。包括宮錦圩與何家洲、江心圩與彭太圩之間的濕地、圩內支流、帶狀自然水渠以及沿江岸的部分灘涂、林地。自然程度較高、較少有人干擾且面積較大, 連續性分布。

(2)生態較高敏感區主要分布于北部洲頭生態片區、東北部水源保護區以及中部干渠沿線, 斑塊破碎度較高, 連通性較差。

(3)生態中敏感區和較低敏感區, 則為大部分的農田用地、水質較好的自然水塘, 能承受一定的人類干擾, 但也因此生態環境不穩定。

(4)生態低敏感區和生態不敏感區則為主要村莊及周邊、道路、養殖塘等受到人為干擾較大的區域, 可承受一定強度的開發建設。

生態高敏感區及較高敏感區生境脆弱、易受外界環境干擾, 是影響全域景觀生態結構的重要部分, 主要為水陸交錯帶、沿江灘涂、濕地、水源保護區、帶狀自然水渠等。這類地區應以生態保護為主要目的, 在規劃中以片區生態環境修復為首要措施, 通過建設活動的禁止、對外部環境的干擾阻隔、生態環境的修復來保障高敏地帶的生態系統穩定。

生態中敏感區域和較低敏感區為大部分的農田用地、水質較好的自然水塘, 能承受一定的人類干擾, 這些區域對于生態高敏感區及較高敏感區有一定的保護意義, 起到生態緩沖區的作用, 可有效防止對內部核心區的開發利用。該地區應以“重視生境的保護, 控制區域建設”為原則, 對于區域內破碎的斑塊進行修復整改, 加強植被的恢復和水系的溝通, 以最小破壞原則, 有效利用區域內的生態資源。此外可適當結合本土歷史文化、植物文化, 與區域產業聯動發展, 打造生態園、農業觀光園、本土文化展示園等一系列較低強度的生態旅游活動[10]。

對于生態低敏感區和不敏感區, 這些區域是城市建設、農業漁業生產等人類活動的集中地區, 以經濟發展為主、生態保護為輔。首先對區域進行多方位綜合環境整治, 主要為控制點源污染、面源污染的排放; 其次通過對城市基礎設施建設的完善、對農業休閑觀光景點的建設, 著力打造集生態觀光、休閑娛樂為一體的美麗城鎮, 發展以鄉村生態觀光、傳統農事體驗、果品采摘、稻田撈魚、民宿體驗、品菜吃茶等項目為主的綠色旅游[10]; 此外通過旅游反哺農業, 品牌帶動產業的經濟思維, 優化產業布局, 促進產業轉型, 打造產業特色, 創建人與自然和諧相處, 經濟與環境協調發展的新模式。

圖4 生態敏感性分析圖

Figure 4 Comprehensive eco-sensitivity analysis

4 結論與討論

4.1 結論

本文以現狀生態數據和ArcGIS為基礎, 分析馬鞍山江心洲生態環境的主要因子, 運用層次分析法和變異系數法共同確定評價因子權重, 從而對馬鞍山江心洲生態敏感性進行評價, 得出3點結論:

(1)在不同評價因子的變異系數對比中, 坡度最高, 達0.9402, 可見坡度對于內部生態結構的影響更大, 因而在之后的片區生態修復過程中, 應注重坡度變化較大的區域。坡度是影響土壤侵蝕的一個重要因素, 它反映了地形地貌對土壤侵蝕的敏感性程度[25]。一般認為, 坡度越小, 土壤持水性能越高, 坡度越大發生滑坡和泥石流的風險越高[25]。目前坡度高敏感性、極高敏感性分布區域主要為現狀堤防路附近、灘涂、水陸交錯帶及中部干渠沿線。現狀這些地區的植被覆蓋度較為薄弱, 多為人工林, 林相單一, 群落穩定性差。雖然目前水土流失現象尚不明顯, 但這些地區植被一旦遭受破壞, 發生水土流失的風險性更高, 因此, 在這些地區加強植被與生態環境保護尤為重要[25]。

(2)基于變異系數法的綜合賦權后各因子權重的重要性排序為植被覆蓋度、水域緩沖區、土地利用類型、坡度、高程、坡向、道路緩沖區, 因子重要性的排序反映出的環境問題與現狀符合[6]。在對單因子評價結果與多因子綜合評價結果對比時, 植被覆蓋度、水域緩沖區、土地利用類型敏感性分析圖與綜合評價結果圖分布趨于類似, 而高程、坡度、坡向、道路緩沖區敏感性圖卻與之存在很大差異。究其源由, 主要為兩方面原因。一方面, 植被覆蓋度、水域緩沖區、土地利用類型因子權重和占比高達81.24%, 采用加權疊加后, 自然與多因子綜合評價結果圖相近; 另一方面, 目前馬鞍山江心洲的生態環境問題主要是耕地面積過高、植被覆蓋度不均衡及水域有過多人為干擾, 與坡度、高程、坡向密切關聯的土壤侵蝕問題不明顯, 因而分析結果與實際情況相符。

(3)本研究將區域劃分為5個級別: 生態高敏感區、生態較高敏感區、生態中敏感區、較低敏感區以及生態不敏感區, 并對不同的生態敏感性區域提出了相應的環境保護與規劃用地策略, 結果可作為該區域土地資源環境保護與修復的依據, 并為江心洲這一地域類型開展研究提供參考。對于生態高敏感區以及較高敏感區應加大對環境的生態環境修復, 繼續通過對建設的禁止、對外部環境的干擾阻隔、生態環境的修復來保障高敏地帶的生態系統穩定; 較低敏感區域和中敏感區域應重視生境的保護和合理利用, 堅持“在保護中開發, 在開發中保護”[6]。以最小破壞原則, 有效利用生態資源適當發展生態園、農業觀光園等[10]; 對于生態低敏感區和不敏感區, 以經濟發展為主、生態保護為輔, 通過綜合整治生態環境、完善城市基礎建設建設、優化產業布局, 創建經濟與環境協調發展的新模式。

4.2 討論

本研究內容涉及生態學、水文學、景觀學等諸多方面知識, 需要不同學科領域的理論作為支撐。此外研究區域面積大、生態系統修復研究必然存在諸多缺陷和不足, 大致包含以下兩點:

(1)在江心洲的生態敏感性研究中, 筆者選取具有一定代表性的7個評價因子構建生態敏感性評價體系。但研究區生態環境較為復雜, 且對于復雜系統的基礎數據獲取、分析存在難點, 未考慮氣候氣象、地質災害、雨洪風險、生物多樣性等方面的影響, 因而評價因子還需進一步充實, 望后期可以綜合多學科共同研究探討以達到最優效果。

(2)鑒于生態敏感性評價因子較多, 筆者希望健全因子權重的確定方法, 通過探究引入變異系數法, 將主客觀方法加以結合進行賦權, 使權重確定更為合理全面。但權重確定時只是將層次分析法與變異系數法分別得出的權重進行簡單疊加, 對于其內在關系需進一步驗證完善; 此外, 對于緩沖區距離的確定目前仍是主觀設置, 望更多學者在今后的研究中能探討出客觀的方法。

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Research on ecological sensitivity analysis of Ma'anshan Jiangxinzhou based on the method of variation coefficient

YAN Jun*, WANG Ting, QIN Jue

College of Landscape Architecture, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China

Under the background of urban cross-river development, island is becoming a strategic point of growth for the organic renewal of waterfront cities. As an ecological region where the city and nature are closely integrated, island is an important barrier to protect ecological security along the river. Taking the study of Ma'anshan Jiangxinzhou as an example, according to its ecological data, the indicators were selected from four aspects: topography, water, vegetation, and human activities to construct an island ecological sensitivity evaluation index system. After comparing the commonly used subjective with objective weighting methods, Analytic Hierarchy Process (AHP) and variation coefficientswere applied to determine theweight of each index, which can thoroughly reflect the relative importance of the evaluation index. This method makes the ecological sensitivity division of island based on ArcGIS spatial analysis more scientific. Three conclusions can be drawn: (1) The ecological sensitivity of Jiangxinzhou is generally higher, among which the slope factor is unstable in the sensitivity distribution of the study area, with a high degree of heterogeneity. It’s coefficient of variation is 0.9402, which has a greater impact on the internal ecological structure. Consequently, ecological protection and restoration should be strengthened where slope changes obviously. (2) After the comprehensiveweighting of the factors based on the method of variation coefficient, the importance of the weights is ranked as vegetation coverage, water buffer zone, land use type, slope, elevation, aspect, and road buffer. The ranking of factors corresponds to the current environmental problems. (3) Based on the analysis, the study area is divided as five levels: the extremely sensitive area, the highly sensitive area, moderately sensitive area, low sensitive area and no sensitive area. The corresponding strategies of environmental protection and land use planning are put forward to promote the ecological protection and organic renewal of the Ma'anshan Jiangxinzhou.

method of variation coefficient; Ma'anshan Jiangxinzhou; ecological sensitivity; landscape planning

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.01.016

TU986

A

1008-8873(2020)01-124-09

2019-03-08;

2019-08-08

國家自然科學基金項目(31570703); 江蘇高校品牌專業建設工程項目(PPZY2015A063)

嚴軍(1969—), 男, 江蘇南京人, 博士, 主要從事生態景觀規劃研究, E-mail:csthesis@163.com

嚴軍, 男, 博士, 教授, 主要從事生態景觀規劃研究, E-mail:csthesis@163.com

嚴軍, 王婷, 秦玨. 基于變異系數法的馬鞍山江心洲生態敏感性定量研究[J]. 生態科學, 2020, 39(1): 124–132.

YAN Jun, WANG Ting, QIN Jue. Research on ecological sensitivity analysis of Ma'anshan Jiangxinzhou based on the method of variation coefficient[J]. Ecological Science, 2020, 39(1): 124–132.