基于GIS的太原市土地生態敏感性評價*

袁領兄 李 坤 范舒欣 董 麗

北京林業大學園林學院 城鄉生態環境北京實驗室 北京 100083

生態文明是人類文明發展的一個新的階段，在生態文明建設的過程中首先應該對規劃區域進行生態區劃，以規劃設計生態文明建設的重點領域和重點工程[1]。合理的生態區劃必須建立在合理的評價基礎之上。生態敏感性評價實質上是對現狀自然環境背景下的潛在生態問題進行明確辨識，并將其落實到具體空間區域上的過程[2－3]。生態環境敏感性越高的區域，當受到人類不合理活動影響時，就越容易產生生態環境問題，因此生態敏感性評價是區域生態環境保護和建設的重要方法之一。深入分析區域生態敏感性并了解空間分布狀況可以為制定區域環境政策提供科學依據[4]。

針對不同空間尺度的生態環境敏感性評價分析，國內外學者做了大量的研究及應用。歐陽志云等[2]早在2000年研究了中國生態環境敏感性及其區域差異規律；李月臣[5]、葉其炎等[6]對土壤侵蝕敏感性和生境敏感性進行了研究。國外學者有關于陸地生態系統對溫度敏感性[7]、氣候變化敏感性[8]、土地利用變化敏感性等的分析[9]。相對來說，在國家尺度和省級尺度的生態環境敏感性分析研究較多，如李東梅[10]、李詠紅等[11]分別對云南、四川等省的生態環境敏感性進行了評價。近年來，市縣級及流域等小尺度生態敏感性評價研究也有所增加[12－15]。 王國玉[16]、 王凱等[17]對生態敏感性評價在風景區生態規劃中的應用做了大量的研究。在生態敏感性評價中，較為關鍵的是生態因子的選取(區域不同，關鍵生態因子也不同)，一般可從高程、坡度、植被、土壤、地址、水文等方面進行選擇[18]。

本研究以太原市城市規劃區為研究區域，基于GIS空間分析功能和層次分析法在規劃區尺度上對太原市土地生態空間敏感性進行評價研究，為區域生態環境保護與土地開發利用奠定基礎，對于制定合理的區域環境管理政策有重要意義。

1 研究區域概況及研究方法

太原是山西省省會，地理坐標東經111°30'~113°09'，北 緯37°27'~38°25'，全 市 面 積6 988 km2，占全省總面積4.5%。太原市境內地貌形態復雜多樣，平原、山地、丘陵均有分布。境內地勢起伏較大，最高點海拔2 670 m，最低點海拔760 m，平均海拔約800 m。太原市區坐落于海拔800 m的汾河河谷平原上，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均溫度為9.5℃，年均降水量456 mm。礦產資源豐富，境內有煤、鐵礦石等。土壤類型多樣，植物資源豐富，截至2017年底，太原市森林覆蓋率22.02%。本研究以太原市規劃區為研究區域，面積2 712 km2。

1.1 數據來源

太原市土地利用類型采用2017年LANDSAT8土地利用遙感影像數據信息獲得。植被覆蓋信息使用太原市遙感影像，利用NDVI進行波段計算。反映人口密度的夜間燈光指數數據以美國軍事氣象衛星計劃 (Defense Meteorological Satellite Program，DMSP)的線性掃描業務系統(DMSPOLS，OLS)數據夜間燈光指數產品為數據源，其空間分辨率為1 km。坡度信息由太原市30m的DEM影像圖進行提取，使用ArcGIS進行坡度計算。

1.2 評價方法

借助遙感解譯和GIS的空間分析技術，采用單因子評價分析和多因子綜合評價分析相結合的方法，首先構建反映太原市規劃區土地生態敏感性狀況的生態敏感性評價因子，并對單一因子進行分級評價，按照敏感性評價等級體系完成單因子生態敏感性評價；然后，通過層次分析法確定各單因子權重，綜合各單因子的權重值和生態敏感性圖，完成多種生態環境問題的敏感性綜合分析，明確區域生態環境敏感性的分布特征。

1.3 評價指標選取

評價指標的選取對生態敏感性評價結果的合理性影響比重較大，生態敏感區是各種生態相關要素綜合作用的結果[16]。自然生態問題一般是自然因素和人類活動綜合作用的結果，因此評價因子的選取要兼顧自然因素和人類活動的影響[17]。太原作為山水城市，自然環境因素的特殊性主要表現為地形結構復雜，水網、水庫密布，植被覆蓋廣泛。坡度是影響城市地質穩定性的重要因素，水域是保持城市山水格局的重要組成部分，植被覆蓋是反映生態系統水土保持和調節氣候功能的重要因子。太原市作為山西省省會，社會經濟活動活躍，人類各種建設活動和產生的污染對自然生態帶來了不利影響，土地利用類型表征城市土地的不同使用功能且不同類型的土地對生態環境影響差異較為明顯。本研究基于太原市山地采空塌陷區與裸露面積分布廣、綠量偏少且植被群落單一、水系和城區綠地空間利用不合理的城市自然本底，結合2015年環境保護部發布的《全國生態功能區劃(修編版)》中關于生態敏感性評價方法使用指標內容，選取自然環境、社會經濟兩方面要素5個因子構建指標體系。

1.4 評價因子敏感等級劃分

生態敏感性評價中最重要的環節是制定評價因子分級標準進行定量的生態環境敏感性綜合評價。參考多位學者已有的研究成果[12－13]，根據太原市規劃區范圍內各生態系統影響因素的重要性，再根據專家咨詢意見，將各單因子對土地生態敏感性的影響等級按不敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感4個等級劃分，同時分別賦值1、3、5、7進行數量化。各生態因子的敏感度等級分級標準如表1所示。

表1 生態敏感性指數分級標準

1.5 評價因子權重確定

單因子的權重值與它對敏感性的影響成正比，根據層次權重決策分析的方法(AHP法)兩兩比較單因子對生態環境的重要性確定各因子權重。參考相關文獻[12、20]，從太原市自然本底出發，使用層次分析軟件yaahp對各敏感性因子按照9分制進行打分:相對絕對重要賦值9，相反賦值1/9；相對非常重要賦值7，相反賦值1/7；相對強重要賦值5，相反賦值1/5；相對略為重要賦值3，相反賦值1/3；同等重要賦值1。得到5×5判斷矩陣，并由一致性結果(0.0304<0.1)判定該判斷矩陣與一致性檢驗符合要求，最后得到單因子的重要性權重值Wi(表2)。

表2 判斷矩陣及各因子權重

2 結果與分析

2.1 單因子敏感性評價與分析

使用ArcMap空間分析模塊的區統計功能統計5項指標因子數據，得到各項因子統計指數。按5個評價因子的分級標準將數據矢量化后的因子數據統一轉換成像元大小為30 m×30 m的柵格數據，用規劃區矢量數據構成的評價單元對柵格數據進行區統計分析，最后得到各單因子敏感性分析結果。

分析結果表明，生態敏感性程度與坡度呈正相關關系，而與植被蓋度、水環境、人口密度等生態因子呈負相關關系。由圖1可知，太原市規劃區植被覆蓋高度敏感區主要分布在東西兩山和陽曲縣的東部，城鎮及周邊區域敏感度較低。坡度越大的區域水土越容易流失，且植被受破壞后越不容易恢復，抗干擾能力較差。坡度因子中度和高度敏感區位于規劃區北部、中部及南部，占規劃區總面積的52.1%。從水環境敏感性評價圖看，高度敏感和中度敏感區僅占到全市總面積的17.63%，主要分布在汾河二庫、晉陽湖濕地、汾河濕地公園等地區，低度敏感和不敏感區主要分布在東西部低山丘陵地區。選取夜間平均燈光強度的年度柵格影像反映人口密度指數，人口密度因子不敏感區和低度敏感區占規劃區總面積的63.67%，包括中心城區及其外圍的大部分地區；中度敏感區主要集中于東西兩山及陽曲縣的生態緩沖區；高度敏感區域分布在遠離城鎮、村莊的丘陵、林地等無人區域。不同的土地利用類型生態敏感性不盡相同，其中以建設及交通用地為主的土地生態系統結構相對穩定，而林地、草地則更容易受到人為或自然的影響。

圖1 植被覆蓋度、坡度、水環境、人口密度、土地利用類型生態敏感性評價

2.2 多因子生態環境敏感性綜合評價與分析

確定各評價單因子權重及空間分布數據之后，采用加權疊加法對太原市規劃區綜合生態敏感性進行評價分析。對規劃區土地利用類型、坡度、水環境、植被覆蓋度、人口密度5項生態敏感性因子進行計算，即土地利用類型×0.107 4＋坡度×0.054 6＋水環境×0.522 4＋植被覆蓋度×0.261＋人口密度×0.054，得到研究區綜合土地生態敏感性分布，將所生成的敏感性綜合評價圖進行重分類，敏感等級分為4級并計算不同敏感性程度區域的面積占比(表3)。

從表3和圖2分級結果可知，太原市規劃區范圍內不敏感區比重較大，主要分布于城鎮及周圍；東西兩山及北部的陽曲縣敏感性較高；土地敏感性由城市外圍向中心城區呈現逐漸遞減的趨勢。整個規劃區不敏感區、低度敏感區、中度敏感和高度敏感區分別占研究區域總面積的35.19%、25.75%、23.25%、15.81%。

表3 生態敏感性綜合評價結果

圖2 多因子綜合生態敏感性評價

3 建議

由于城市發展、礦產資源的開發等使太原市人類干預程度較高的區域占比增加。從目前來看，由于國家園林城市、生態園林城市等的建設使太原城市發展造成的水體和土壤污染、礦山修復等多種環境問題得到了有效的解決，大大降低了發生水土流失等生態環境問題的可能性，受到外界干擾時保持不變的穩定性增強。現階段，太原市規劃區的生態敏感性受水環境因子的影響最大，其次為植被蓋度的影響。因此，將改善水體環境、增加林地面積、優化林地結構作為生態保護和規劃的重點，可以進一步降低研究區域整體的生態敏感性。針對太原市不同等級的生態敏感性區域提出以下建議:

1)高度敏感區。生態環境高度敏感區域位于汾河二庫、馬頭水鄉，上水峪村、曹家山，王家嶺等規劃區外圍區域，面積為414.55 km2，占太原市規劃區總面積的15.81%。保護高度敏感性區域的生態環境是維護區域生態系統服務功能的重要因素。該區域內水網密布、植被覆蓋度高、生物多樣性豐富、抵抗人為干擾的能力較弱，極易受人類活動影響。為保持生態系統的穩定性和完整性，應對已被破壞的區域進行生態修復，實現生態循環系統的良性循環。

2)中度敏感區。規劃區城鎮周邊和東西部山地、草地、園地屬于生態環境中度敏感區域，這些區域是重要的土地利用、生物多樣性保護及人口分布的生態緩沖區，面積609.81 km2，占規劃區總面積的23.25%。由于該地區脆弱的生態穩定性，極易受到人為和環境因素的干擾引起嚴重的生態退化，因此限制開發建設活動避免強大的干擾度。建議加強該地區現有生態環境的保護，在此基礎上發展規模可控的鄉村旅游以促進區域經濟發展。

3)低度敏感區。生態環境低敏感區分布在規劃區中部人口密度較高的城鎮，位于中心城市外圍，總面積675.26 km2，占比25.75%。這些區域是中度敏感區向不敏感區的過渡區域，生態環境的建設應該以減少人類活動、保護自然生態系統為基礎，對產業結構和布局進行合理的調整，從而維持生態安全。

4)不敏感區。不敏感區域集中在太原市中心城區范圍內，主要土地利用類型為居民點和部分產業用地，面積為923.03 km2，占研究區總面積的35.19%。生態系統相對簡單的中心城區可以作為優化開發區，通過控制人口規模、調整產業結構、發展生態產業實現產業的清潔生產和人類的生態定居。太原市晉祠風景區分布于西南部的低山丘陵區，可適當發展生態旅游促活當地經濟。

4 討論

在城市土地利用和生態規劃中生態敏感性評價的應用越來越廣泛，技術手段也越來越成熟[21]。ArcGIS技術作為一種基本的輔助決策工具和方法，雖然很大程度上提高了生態敏感性分析評價的效率和結果的科學性，但不能解決城市生態規劃中面臨的生態、經濟、社會等各方面問題。因此還需要提高從業人員自身專業素養，落位于研究區實際面臨的生態環境問題，提升評價的合理性，以期達到理論研究層面與生態敏感區保護與利用實踐相結合，實現理論研究對實踐的真正指導意義。

植被類型、生長狀況和群落組成結構都會影響植被覆蓋敏感度。本文所建立的基于單一植被覆蓋度的指標體系還有待提升，只有不斷收集植被基礎數據、優化評價體系，才能獲得更加客觀全面的評價結果。

生態環境敏感性評價的指標體系是基于國家和省市級大尺度建立的，因此過去針對生態環境敏感性的研究多集中于國家和省市級尺度，針對小范圍城市規劃區尺度敏感性評價的指標體系尚不成熟，可能導致評價結果的誤差。因此，深入探討合理的評價體系為生態城市的建設提供更為科學的參考依據是未來的研究方向。