基于AHP的民勤縣生態敏感性評價

趙 欣，付蓉潔，辛存林*，張 華

(1.甘肅省有色工程勘察設計研究院，甘肅 蘭州 730000；2.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070)

生態敏感性是指自然環境變化和人類活動對生態系統的干擾程度，可以說明研究區發生生態環境問題的難易程度和可能性大小[1]，對研究區的生態保護與生態建設有重要意義.在此背景下，關于生態敏感性的研究逐漸成為熱點[2-3].20世紀70年代，Coleman等[4]首次在生態學領域中引入了敏感性概念，對生態敏感性的研究自此拉開了帷幕.2013年召開的第5屆國際生態恢復學會大會，其中一個重要議題便是生態恢復評價，對評價體系的確立、評價體系指標的選取及評價方法的選擇等進行了討論[5].DeLange 等[6]綜述了生態敏感性分析在風險評價中的作用，介紹了生態敏感性分析方法的新進展，介紹了種群(單一物種)、群落(由不同種群組成的物種)和生態系統(群落和生境組合)的敏感性分析方法.國內學者對生態敏感性也展開了深入而細致的研究,牛文元[7]對敏感帶的寬度、重疊度、敏感度等指標，運用生態數學語言進行歸納，將生態系統敏感帶的空間表達劃分為7種類型.劉康等[8]運用GIS技術，對土壤鹽漬化敏感性進行研究，發現甘肅省廣泛分布著生態敏感性區域.林涓涓等[9]結合GIS技術，提出了流域生態敏感性的概念，建立了流域相關的敏感性體系.張月等[10]根據景觀指數構建出了景觀敏感度指數模型，并以此作為依據，將新疆艾比湖流域的典型區域劃分為低、較低、中、較高和高5個敏感度等級.何蘇玲等[11]運用層次分析法，在時間和空間兩個方面對縣域的生態敏感性進行評價.目前，生態敏感性的研究尺度主要有國家[12]、省[13]、市縣[14]以及流域[15-16]，關于生態敏感性評價的研究方法有主成分分析法[17-18]、層次分析法[19-20]等，研究成果可以用于生態保護、生態建設、土地科學利用等領域[21-23].

石羊河流域是我國干旱內陸河流域典型的生態敏感區域，人口密集，用水矛盾突出，近年來，流域內各個地區需水量劇增，水資源利用程度已經遠遠超過其承載能力，特別是中上游地區水資源的過度利用，導致下游地區的來水量銳減[24].民勤縣位于石羊河流域下游，由于上游來水量減少，進入民勤縣的地表水銳減，引起了荒漠化等一系列生態系統問題[25-28]，因此，進行生態敏感性評價對民勤縣生態保護和生態建設具有一定的指導意義.文中以民勤縣為研究對象，選取對當地具有重要影響的15項指標因子，構建民勤縣生態敏感性評價指標體系，并計算各因子權重，選用層次分析法對該區域生態敏感性進行綜合評價，以此為民勤縣生態治理和可持續發展提供理論依據.

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

民勤縣位于甘肅省河西走廊東部，石羊河流域最下游，地理位置為38°03′～39°28′N，101°49′～104°12′E，隸屬武威市，東依內蒙古阿拉善左旗，西靠永昌縣，南鄰涼洲區，北接阿拉善右旗(圖1)[29].全縣平均海拔1 400 m，由沙漠、低山丘陵和平原三種基本地貌組成.研究區深居內陸，東、西、北三面被中國第三大沙漠巴丹吉林沙漠和第四大沙漠騰格里沙漠包圍，屬溫帶大陸性干旱氣候，其特點是：日照充足，晝夜溫差大，降水量少、蒸發強烈、空氣干燥、多年平均蒸發量遠大于降水量，年內降水分配不均.近年來，在全球變暖的大氣候背景下，自然與人文因素的雙重驅動使得民勤縣生態環境急劇惡化，人地關系日趨緊張，目前，民勤縣已成為全國最干旱、荒漠化危害最嚴重的地區之一[30]，已經引起了黨中央、國務院及地方各級黨委政府的高度重視.

圖1 研究區概況圖Fig 1 Overview map of the study area

1.2 數據來源

文中選擇的基礎數據有2018年7月30 m空間分辨率的Landsat8 OLI遙感影像數據和90 m空間分辨率的DEM高程數據，此數據可以通過地理空間數據云共享平臺(http://www.gscloud.cn)獲取.還包括4—10月MODIS植被指數產品數據、1∶10 000地形圖、1∶10 000土地利用現狀圖(2018年)、研究區氣象站點的降水數據、氣象站點的大風數據、土壤數據以及社會統計數據.遙感影像數據為地理空間數據云下載的民勤縣2018年Landsat8 OLI遙感影像數據，為了獲得較為精確的信息，選取植被生長狀況較好的6—8月的遙感影像.Landsat TM/OLI遙感影像需要進行預處理，預處理后的影像才能用于信息提取和指標反演.利用ENVI5.3對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、融合、鑲嵌以及裁剪等預處理，輻射定標可以將影像的DN值轉換為亮度值，為大氣校正做準備；大氣校正可以消除或減少由于大氣散射、吸收、反射引起的誤差，得到真實的地表反照率.采用的氣象數據和社會統計數據分別來源于中國科學院資源環境科學數據中心、中國統計年鑒.

2 研究方法與因子提取

2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美國運籌學家托馬斯·塞蒂(T.L.Saaty)于20世紀70年代提出的對方案的多指標系統進行分析的一種層次化、結構化決策方法，應用這種方法，決策者按支配關系將復雜問題分解為若干層次和若干因素，通過兩兩比較的方式確定諸要素的相對重要性，然后綜合專家判斷來確定諸要素相對重要性的順序.計算步驟如下：

1)建立層次結構模型.

2)確定判斷矩陣A=(aij)n×n.

根據專家判斷，按照Saaty1～9標度法，獲取各元素間相對重要性程度的定量化數值(表1).

表1 Saaty 1～9標度法Tab 1 Saaty 1～9 scale method

3)計算權重向量及一致性檢驗.

基于判斷矩陣，利用方根法計算出權重向量，具體步驟如下：

第一步.計算判斷矩陣每一行的乘積Mi:

第二步.計算Mi的n次方根Wi:

第四步.對判斷矩陣進行一致性檢驗:

由于一致偏離可由隨機因素引起，所以在檢驗判斷矩陣的一致性時，將CI與平均隨機一致性指標RI進行比較，得出檢驗數CR，即

其中RI為平均一致性指標，可查表獲取(表2).

表2 判斷矩陣平均隨機一致性指標Tab 2 Average random consistency index of the judgment matrix

指標CI越趨近于0，判斷矩陣一致性越好，當CI=0時，判斷矩陣具有完全一致性；當CR≤0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性，當CR>0.1時，判斷矩陣不具有滿意的一致性，需要進一步調整，直到達到滿意一致.判斷矩陣具有滿意一致性時，計算得出的權重向量才是可以接受的.

2.2 指標選取及評價體系的建立

不同的研究區域和研究問題需要選擇不同的生態敏感性評價因子，生態敏感性評價是涉及多方面的綜合評價，選擇合理的評價因子是生態敏感性評價的關鍵.影響民勤縣生態敏感性的因素復雜多樣，不僅要考慮地形地貌、降水量、蒸發量、植被覆蓋、土地利用類型等自然因素，還要考慮歸一化建筑指數、人均GDP等人類社會經濟活動因素.因此，指標體系的確定要依據研究區具體情況而定，本文針對民勤縣生態環境的特點，綜合考慮到評價因子的可操作性,將各要素劃分為3個層次：目標層(A)、準則層(B)、指標層(C)，選取15項具體的因子構建敏感性評價指標體系(表3)，對民勤縣生態敏感性進行多因子綜合評價，來揭示民勤縣的生態敏感性現狀.

表3 民勤縣生態敏感性評價指標體系Tab 3 Assessment index system of ecologicalsensitivity in Minqin County

2.3 評價因子選取及評價方法

2.3.1 單因子敏感性評價法 土地沙漠化敏感性評價選取高程、坡度、坡向3個評價因子.高程、坡度、坡向利用90 m空間分辨率的DEM高程數據，在ArcGIS軟件空間分析模塊中進行高程、坡度、坡向提取.氣象敏感性選取年降水、年均溫度、年蒸發量3個評價因子.根據氣象站點的多年降水量和溫度、蒸發量數據，利用ArcGIS反距離空間插值法，分別獲得氣象敏感性各因子分布圖.土壤鹽漬化敏感性評價選取歸一化植被指數、土地利用類型、干旱指數、濕度指數4個評價因子.根據氣象站點的多年降水量和蒸發量數據，計算蒸發量與降水量的比值，利用ArcGIS反距離插值法，獲得干旱指數分布圖；纓帽變換又稱K-T變換，變換后的前3個特征數據反映了不同的地物類型，按順序分別為亮度、綠度和濕度，其中，濕度數據可以反映地表的水分狀況，尤其可以反映土壤的水分狀況，選取濕度數據來反演濕度指數[31]；利用Landsat數據可以計算出NDVI、濕度數據，得到NDVI、濕度數據分布圖，根據權重在ArcGIS中得到土壤鹽漬化敏感性[32].人類活動敏感性選取歸一化建筑指數、人均GDP、人均密度、受教育程度、人均水資源占有量5個評價因子.查勇等[33]發現，在ρNIR與ρSWIR1兩波段之間，除了城鎮灰度值增高外，其他地類值都變小，由此模型構建采用歸一化建筑指數.利用ArcGIS 10.4將人均國內生產總值(GDP)數值可視化，并在民勤縣范圍內進行插值，得到人均國內生產總值空間(GDP)分布圖[34].

2.3.2 多因子綜合敏感性評價 為了綜合反映不同敏感性的區域差異，通過咨詢專家賦予各影響因子相應權重，采用生態敏感性指數法對各類敏感性進行綜合評價，即

其中，S為綜合敏感性指數；Ci為i因子敏感性等級值；Wi為i因子權重.

2.4 指標權重的確定

權重并不是一個絕對的概念，某一個因子的權重就是指這個因子在綜合評價中的相對重要程度[35，36].本文采用層次分析法來確定所選取指標的權重.在選擇的眾多生態因子中，各因子的影響程度不盡相同，因此，根據影響程度賦予不同的權值，影響大的因子賦予較大的權值，影響小的因子賦予較小的權值.

通過咨詢生態敏感性評價方面的專家，構建判斷矩陣，經過計算機數據處理進行層次單排序和層次總排序，得到各因素權重值，然后進行一致性檢驗.本研究劃分生態敏感性評價的目標層(A：民勤縣生態敏感性評價)、指標層(B：B1～B4)、準則層(C：C1～C15)，通過層次分析法得到指標層和準則層的判斷矩陣(表4～8)，層次總排序權重見表9，計算得到的各評價因子權重見表10.

表4 準則層判斷矩陣及各因子權重Tab 4 Judgment matrix of criterion level andthe weight of each factor

表5 指標層B1-C判斷矩陣及各指標權重Tab 5 Judgment matrix of index layer B1-C andthe weight of each index

表6 指標層B2-C判斷矩陣及各指標權重Tab 6 Judgment matrix of index layer B2-C andthe weight of each index

表7 指標層B3-C判斷矩陣及各指標權重Tab 7 Judgment matrix of index layer B3-C andthe weight of each index

表8 指標層B4-C判斷矩陣及各指標權重Tab 8 Judgment matrix of index layer B4-C andthe weight of each index

表9 層次總排序權重及一致性指標Tab 9 The total ranking weight and consistencyindex of the hierarchy

表10 生態敏感性各評價因子及指標權重Tab 1 0Ecological sensitivity assessment factors and index weights

總體指標的一致性檢驗：

即總體指標通過一致性檢驗,說明對生態因子的權重判斷是可行的.

3 結果與分析

3.1 單因子敏感性分析

3.1.1 地形敏感性分析 選取高程、坡度、坡向作為評價地形敏感性的因子.將處理得到的高程、坡度、坡向的柵格圖像按照層次分析法得到的權重，在ArcGIS軟件中利用柵格計算器，得到地形敏感性分布圖(圖2).

民勤縣地處河西走廊東北部石羊河流域下游，是一個半封閉的內陸荒漠區，平均海拔1 400 m，地勢起伏不大，地形敏感性相對較低.從圖2可以看出，民勤縣地形敏感性面積最大為低敏感區，面積為5 406 km2，占縣域總面積的34%；其次為不敏感區，面積為3 975 km2，占縣域總面積的25%；然后是中度敏感區和高度敏感區，面積分別為3 180 km2和1 908 km2，分別占縣域總面積的20%和12%；面積最小的是極高敏感區，面積為1 431 km2，占縣域總面積的9%，因此其地形敏感性主要表現為低敏感性.

圖2 地形敏感性分布Fig 2 Topographic sensitivity distribution

3.1.2 氣象敏感性分析 選擇年均降水、年均溫度和年蒸發量作為評價氣象敏感性的因子，將處理得到的年均降水、年均溫度、年蒸發量的柵格圖像按照層次分析法得到的權重，在ArcGIS軟件中利用柵格計算器，得到氣象敏感性的分布圖(圖3).

圖3 氣象敏感性分布Fig 3 Weather sensitivity distribution

民勤縣氣象敏感性面積最大的為中敏感區，面積6 201 km2，占縣域總面積的39%；其次為高敏感區，面積4 770 km2，占縣域總面積的30%；然后是低敏感區，面積4 134 km2，占縣域總面積的26%；最小的是極高敏感區，面積795 km2，占縣域總面積的5%.可以看出，研究區氣象敏感性以中敏感為主.低敏感區主要分布在民勤綠洲，中敏感和高敏感區主要分布在沙漠之中.民勤縣深居內陸，三面環沙，僅有南部沿石羊河一條綠色通道與流域中上游的武威綠洲相連.在氣候上屬溫帶大陸性干旱氣候，但由于三面被沙漠包圍，所以氣候特點以大陸性沙漠氣候為主，日照充足，晝夜溫差大，年蒸發量為年均降水量的24倍以上，是全國最干旱地區之一.

3.1.3 土壤鹽漬化敏感性分析 本文選擇植被覆蓋度、土地利用類型、干旱指數、濕度作為評價土壤鹽漬化敏感性的因子，將處理得到的植被覆蓋度、土地利用類型、干旱指數、濕度的柵格圖像按照各自所占權重在ArcGIS軟件中利用柵格計算器，得到土壤鹽漬化敏感性分布圖(圖4).

圖4 土壤鹽漬化敏感性分布Fig 4 Ecological environment sensitivity distribution

可以看出，民勤縣土壤鹽漬化敏感性面積最大的為中敏感區，面積6 360 km2，占縣域總面積的40%；其次為低敏感區，面積5 088 km2，占縣域總面積的32%；然后是高敏感區，面積2 862 km2，占縣域總面積的18%；面積最小的是極低和極高敏感區，面積分別為954 km2和636 km2，占縣城總面積的6%和4%.因此，民勤縣土壤鹽漬化敏感性以中敏感性為主.民勤縣土地呈現出各類沙丘和沙質草甸交錯分布的地貌格局，民勤綠洲是該地區一種特殊水熱條件組合下形成的特殊景觀，綠洲是主要農業區，綠洲內大部分土地由沙礫石覆蓋，是人類活動最為集中的地方，也是遭受鹽漬化危害最嚴重的地方，在此區域生態敏感性主要為中度和高度敏感.同樣，氣候干燥、地勢低，也是造成該區域土壤鹽漬化高敏感性的主要原因.

3.1.4 人類活動敏感性分析 選擇歸一化建筑指數、人均GDP、人均密度、受教育程度、人均水資源占有量作為評價土壤鹽漬化敏感性的因子，將處理得到的歸一化建筑指數、人均GDP、人均密度、受教育程度、人均水資源占有量的柵格圖像按照各自所占權重在ArcGIS軟件中利用柵格計算器，得到土壤鹽漬化敏感性分布圖(圖5).可以看出，民勤縣人類活動敏感性面積最大的為低敏感區，面積5 883 km2，占縣域總面積的37%；其次為中敏感區，面積5 080 km2，占縣域總面積的32%；然后是高敏感區，面積為2 544 km2，占縣域總面積的16%；面積最小的是極低和極高敏感區，分別為636 km2和1 908 km2，占縣域總面積的4%和12%(表11).

圖5 人類活動敏感性分布Fig 5 Human activity sensitivity distribution

表11 民勤縣生態敏感性敏感性等級及空間面積估算Tab 1 1Ecological sensitivity level and spatial area estimation in Minqin County

民勤縣中部沿著石羊河流域，建設用地和耕地主要分布于此，呈帶狀分布，由于人類活動頻繁，長期的經濟活動帶來了生態壓力，主要為中度敏感和高度敏感.隨著經濟活動加強，伴隨區域氣候長期干旱且劇烈波動，加劇了土壤旱化、土地荒漠化.在全球變暖的大氣候背景下，自然與人文因素的雙重驅動使得民勤綠洲生態環境急劇惡化，人地關系日趨緊張，尤其以土地荒漠化最為嚴重.由于水熱條件極端、生態環境極其脆弱，目前，民勤縣已成為我國最干旱、荒漠化危害最嚴重的地區之一，嚴重危及西北乃至華北地區的生態安全.

3.2 綜合敏感性分析

在上述地形、氣象、土壤鹽漬化、人類活動單因子敏感性評價的基礎上，利用ArcGIS軟件的空間分析功能，根據各因子的賦值和權重，對各項因子進行相應的重分類、賦值、分級等操作，將研究區生態環境綜合敏感性定量劃分為極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、輕度敏感區和不敏感區5個等級.將處理得到的單因子敏感性分布圖再根據一級指標權重，在ArcGIS軟件中利用柵格化計算器進行加權疊加計算，得到民勤縣生態敏感性綜合分布見圖6.

圖6 生態敏感性綜合分布圖Fig 6 Comprehensive distribution map ofecological sensitivity

高度敏感、極高敏感區主要分布在民勤縣西北和東南部，包括紅沙崗鎮西北部、蔡旗鄉、重興鄉、南湖鄉、東湖鎮西北部，面積分別為1 749 km2和795 km2，占研究區總面積的11%和5%，這些區域大部分位于沙漠之中，植被覆蓋度最低，土地沙漠化趨勢顯著，土壤鹽漬化現象嚴重，水資源匱乏，用水矛盾突出，生態環境脆弱.因此，民勤縣應加強區域生態治理，嚴格保護當地現有植被，與此同時，發展人工植被，加速防護林體系的建設，減少綠洲風沙災害.其次，必須加強對水資源的保護，采取有效措施限制地下水資源的盲目開采和過量利用，提高水資源利用率，保證生產、生活用水和生態用水.

中度敏感區主要位于西部和東北部，包括昌寧鄉、夾河鄉、雙茨科鄉、東壩鄉東北部，面積4 929 km2，占研究區總面積的31%，這些地區海拔相對較低，靠近沙漠區域，人類活動較為頻繁，所以，民勤縣應加強該地區現有生態環境的保護，從區域上協調人口、資源、環境及經濟發展的關系；要加大環保宣傳力度，提高全民環保意識，讓居民科學、理性地認識自己與環境的關系，加強生態保護意識.

中部綠洲區的西渠鎮、大灘鄉、收成鄉、大壩鄉、三雷鎮、蘇武鄉、東壩鎮為低敏感區，面積4 452 km2，占研究區總面積的28%，東湖鎮、紅崗鎮東北部為極低敏感區，面積3 975 km2，占研究區總面積的25%，此區域地形平坦，人類活動較少，生態環境基本穩定.該區域內地勢起伏不大且植被覆蓋度高、生物多樣性豐富、人類活動較頻繁，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.

4 結論

1)在探討民勤縣地形、氣象、生態環境、人類活動4個單一生態因子敏感性分析得出，民勤縣地形敏感性主要表現為低敏感性；氣象敏感性主要表現為中敏感性，主要分布在沙漠之中；土壤鹽漬化敏感性主要表現為中敏感性，綠洲是遭受鹽漬化危害最嚴重的地方；人類活動敏感性主要表現為低敏感性.

2)在地形、氣象、土壤鹽漬化、人類活動單因子敏感性評價的基礎上，利用ArcGIS軟件的空間分析功能對民勤縣生態敏感性綜合分布進行研究，得出中度敏感占民勤縣總面積的35%，不敏感區占民勤縣總面積的24%，低敏感區面積占民勤縣總面積的25%，高敏感區和極敏感區占民勤縣總面積的16%.

3)通過綜合敏感性分析得出民勤縣生態敏感性的空間分布差異較大，高度敏感、極敏感區主要分布民勤縣西北和東南部，中度敏感區主要位于西部和東北部，不敏感區和低敏感位于中部綠洲區和東部地形平坦的地區.