基于GIS的南渡江流域生態(tài)敏感性評價(jià)

宋沛林，陳 默，呂金鑫，張 聰，王小宇

(山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590)

為了加強(qiáng)流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，自然資源的合理開發(fā)，對其展開生態(tài)敏感性評價(jià)非常重要。生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)受到人類和自然環(huán)境的干擾，表征出生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程所表現(xiàn)出的難易程度和可能性大小，是分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性的主要方法之一[1- 2]。對流域范圍內(nèi)生態(tài)敏感性的合理評價(jià)和深入分析，能為政府相關(guān)部門制定土地規(guī)劃以及資源開發(fā)策略等提供科學(xué)依據(jù)。

目前，對于生態(tài)敏感性的研究國內(nèi)學(xué)者已從單一生態(tài)敏感性問題發(fā)展到綜合多個(gè)生態(tài)敏感因子的評價(jià)[3- 5]。由于研究區(qū)域的不同，區(qū)域類別以及研究尺度大小差異，目前還未形成具體的生態(tài)敏感性規(guī)范指標(biāo)體系，因此對于不同主題的研究區(qū)域，生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)的選取及其權(quán)重的計(jì)算具有特殊性[6- 7]。本文結(jié)合南渡江流域的自然條件、生態(tài)問題以及數(shù)據(jù)可獲取性，從遙感影像數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中確定了8個(gè)指標(biāo)，包括高程、坡度、地形起伏度、土壤侵蝕、土地覆蓋、水體緩沖、降雨侵蝕力和植被覆蓋度，并根據(jù)專家打分結(jié)合層次分析法確定上述生態(tài)敏感指標(biāo)的權(quán)重，基于GIS的多因子加權(quán)求和模型以及自然斷點(diǎn)法將其流域生態(tài)敏感性劃分為5個(gè)等級，再通過空間聚集性分析對其生態(tài)敏感性等級的空間分布進(jìn)行研究，為南渡江流域的生態(tài)保護(hù)和資源開發(fā)等提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

南渡江流域是中國海南島最大的河流，流域面積約占海南島面積的21%，海拔范圍為-22～1795m，平均海拔高度177m，如圖1所示。地勢呈西南高東北低，降雨量南部多于北部。流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，發(fā)源于南峰山，干流斜貫海南島中北部，流經(jīng)白沙、瓊中、儋州、澄邁、屯昌、定安、瓊山等市縣至海口沙上港匯入瓊州海峽。主要支流有龍州河、大塘河、腰子河等。流域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，其中5—10月為雨季，占年雨量的85%。

圖1 南渡江流域高程分布圖

1.2 研究數(shù)據(jù)及處理

本研究的數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，其中遙感影像數(shù)據(jù)為分辨率30m的Landsat 8影像，通過GEE平臺對研究區(qū)域內(nèi)影像進(jìn)行去云處理(2020年5月1日—9月30日)；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為數(shù)字高程模型(DEM)，通過對DEM表面分析和水文分析得到坡度、地形起伏度和南渡江流域范圍，世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)土壤數(shù)據(jù)集(v1.2)，通過土壤空間位置和屬性(沙子、淤泥、粘土和有機(jī)碳的百分比體積)的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到土壤侵蝕性，降水?dāng)?shù)據(jù)通過對2020年海南省氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)克里金插值得到，中科院2020年30m分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

由于區(qū)域差異性的存在，針對不同的研究區(qū)，通常需要因地制宜地選取評價(jià)因子，如當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境狀況與地形地貌等特點(diǎn)[8]。本文根據(jù)南渡江流域的數(shù)據(jù)可獲取性、自然生態(tài)環(huán)境條件以及代表性原則從水體分布、地表覆蓋、地形地貌及生態(tài)環(huán)境等方面選取了高程、坡度、地形起伏度、土壤侵蝕、土地覆蓋、水體緩沖、降雨侵蝕力和植被覆蓋度8個(gè)生態(tài)敏感性因子構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。參考目前的研究，結(jié)合南渡江地理情況，將流域內(nèi)生態(tài)敏感性程度劃分為非敏感(1分)、低敏感(3分)、中敏感(5分)、高敏感(7分)和極高敏感(9分)5個(gè)等級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

本文選取層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)確定各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重，AHP是一種多目標(biāo)決策分析方法，它將定性與定量相結(jié)合使其定性因素定量化，其核心思想是將專家經(jīng)驗(yàn)定量化，同時(shí)，相比較其他根據(jù)數(shù)據(jù)分布客觀賦權(quán)更加方便實(shí)用[9]。其步驟主要包括：

(1)層次結(jié)構(gòu)模型的建立。

(2)通過專家對各生態(tài)敏感因子打分對各指標(biāo)兩兩相互比較構(gòu)建判斷矩陣：

(1)

式中，aij—因子i與因子j相對重要性的比較結(jié)果。

(3)計(jì)算各生態(tài)敏感因子權(quán)重以及一致性檢驗(yàn)：

(2)

(3)

表1 生態(tài)敏感性評價(jià)體系

式中，CI—偏離性一致性指標(biāo)；λmax—矩陣最大特征根；n—矩陣階數(shù)；RI—隨機(jī)性一致性指標(biāo)；CR—一致性檢驗(yàn)值。

通過AHP對各生態(tài)敏感性指標(biāo)計(jì)算得到一致性檢驗(yàn)值CR=0.006，由于CR<0.1，符合一致性檢驗(yàn)，各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重見表2。

表2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 生態(tài)敏感性綜合評價(jià)

通過多因子加權(quán)求和模型，將各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算，最終得到研究區(qū)域生態(tài)敏感性綜合評價(jià)結(jié)果[10]，計(jì)算公式如下：

(4)

式中，Pi—第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)生態(tài)敏感性權(quán)重；Xi—第i個(gè)生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)；n—評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子敏感性評價(jià)分析

3.1.1地形地貌敏感性評價(jià)

南渡江流域地形地貌敏感性評價(jià)包含高程、坡度和地形起伏度，敏感性等級均從東北方向由西南方向過渡且增大，其中高程和地形起伏度敏感性分布相似，高敏感區(qū)和極高敏感區(qū)占比較少，占總流域面積分別為6.93%、7.19%；坡度是造成水土流失的重要因素，南渡江流域范圍內(nèi)坡度非敏感和低敏感等級分布較為集中，其中坡度高敏感和極高敏感區(qū)域離水體范圍較遠(yuǎn)，累計(jì)占比為12.73%，結(jié)果見表3，如圖2a、2b、2c所示。

3.1.2土壤侵蝕敏感性評價(jià)

南渡江流域土壤類型豐富，大部分屬于非敏感類別，其中非敏感和低敏感區(qū)面積和為5923.17km2部分，占比總流域面積的82.99%，在各類敏感等級中，土壤侵蝕對流域生態(tài)產(chǎn)生重要影響的是高敏感區(qū)和極高敏感區(qū)，占比和為14.82%，主要分布在流域北部，該地區(qū)為流域下游部分，土壤侵蝕容易導(dǎo)致土地被破壞以及河床抬升導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，結(jié)果見表3，如圖2d所示。

圖2 南渡江流域單因子生態(tài)敏感性分布圖

表3 南渡江流域各敏感性評價(jià)指標(biāo)分級統(tǒng)計(jì)

3.1.3土地覆蓋敏感性評價(jià)

隨著社會發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的改造，土地覆蓋類型主要受人類改造的影響。南渡江流域土地覆蓋類型以耕地、草地、林地、水域和建設(shè)用地及未利用土地為主，不同的土地類別使得生態(tài)服務(wù)功能和對人為活動擾動的反應(yīng)程度存在差異[11]。流域內(nèi)林地覆蓋較多，使得生態(tài)敏感性整體偏高，高敏感和極高敏感區(qū)占比和為66.62%，其流域西南地區(qū)幾乎為中敏感以上且極高敏感分布最多，主要是該地區(qū)為水體最大且林地覆蓋較多，結(jié)果見表3，如圖2e所示。

3.1.4水體緩沖敏感性評價(jià)

水體是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，南渡江水體主要由西南流向東北以及位于南渡江上游的松濤水庫，水體的生態(tài)敏感性無論是在流域還是其他生態(tài)系統(tǒng)中基本處于較高的程度且隨著水體距離緩沖越遠(yuǎn)敏感性程度逐層遞減。南渡江流域內(nèi)高敏感和極高敏感區(qū)面積為508.44km2，占比總流域面積的7.13%，非敏感區(qū)面積4633.78km2，占比64.92%，主要是距離水體1000m以外的耕地、草地、林地和建設(shè)用地及未利用土地等的非水體區(qū)域，結(jié)果見表3，如圖2f所示。

3.1.5降雨侵蝕力敏感性評價(jià)

降雨侵蝕力的不穩(wěn)定性是導(dǎo)致流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定的重要因素之一，本文選用王萬中[12]等根據(jù)南方實(shí)測的數(shù)據(jù)提出的年降雨侵蝕力計(jì)算方法，首先根據(jù)海南島氣象站點(diǎn)日降水?dāng)?shù)據(jù)逐步得到月降雨、年降雨侵蝕力，其次，對各氣象站點(diǎn)計(jì)算的降雨侵蝕力進(jìn)行克里金插值法處理得到南渡江流域的降雨侵蝕力，最后再通過自然斷點(diǎn)法將降雨侵蝕敏感性劃分為5個(gè)敏感等級，結(jié)果見表3，如圖2g所示。

3.1.6植被覆蓋度敏感性評價(jià)

植被覆蓋度是反映植物進(jìn)行光合作用面積的大小以及植被生長的茂盛程度，能夠在一定程度上代表植被的生長狀態(tài)和生長趨勢[13]。南渡江流域植被覆蓋較多，生態(tài)敏感性整體偏高，高敏感和極高敏感區(qū)面積6083.71km2，占流域總面積的85.24%，植被覆蓋度最高的區(qū)域?yàn)榱饔蛭髂系貐^(qū)，結(jié)果見表3，如圖2h所示。

3.2 生態(tài)敏感性綜合評價(jià)分析

通過多因子加權(quán)求和模型，根據(jù)各生態(tài)敏感指標(biāo)權(quán)重計(jì)算并通過自然斷點(diǎn)法將其南渡江流域生態(tài)敏感性分為5個(gè)等級，生態(tài)敏感性綜合評價(jià)分布如圖3所示，綜合評價(jià)指數(shù)范圍為1～8.18，平均值為4.86，整體生態(tài)敏感性適中，分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。南渡江流域非敏感區(qū)(敏感指數(shù)1～3.51)占比最少，為6.66%，其土地覆蓋主要是建設(shè)用地和未利用土地，該地區(qū)是人類主要活動的區(qū)域；低敏感區(qū)(敏感指數(shù)3.51～4.35)，占比19.49%，主要分布在流域內(nèi)河流水域；中敏感區(qū)(敏感指數(shù)4.35～5.03)、高敏感區(qū)(5.03～5.67)分別占總面積的26.11%和32.83%，其中高敏感區(qū)主要集中分布在流域上游西南地區(qū)，中敏感區(qū)主要分布在河流、水庫和人類活動區(qū)域周圍，這部分區(qū)域起到對極高敏感區(qū)域緩沖和一定的保護(hù)的作用，該地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)增加植被覆蓋和控制水土流失，逐步修復(fù)受到損害的生態(tài)環(huán)境；極高敏感區(qū)主要分布在河流和水體周圍、降雨量較高和植被覆蓋度極高的地區(qū)，該地區(qū)具有很高的生態(tài)價(jià)值，應(yīng)該作為生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)地區(qū)并加強(qiáng)對該地區(qū)開發(fā)建設(shè)和人類活動的控制。

圖3 南渡江流域綜合生態(tài)敏感性評價(jià)分布圖

表4 南渡江流域綜合生態(tài)敏感性評價(jià)分級統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文基于GIS技術(shù)，對南渡江流域進(jìn)行生態(tài)敏感性綜合評價(jià)，研究表明，南渡江流域整體生態(tài)敏感性適中，生態(tài)敏感等級分布差異明顯，非敏感區(qū)和低敏感區(qū)主要是人類活動較多的地方和水體區(qū)域部分，中敏感和高敏感地區(qū)對極高敏感區(qū)域起到緩沖和一定的保護(hù)的作用，該地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)增加植被覆蓋和控制水土流失，逐步修復(fù)受到損害的生態(tài)環(huán)境，極高敏感區(qū)域?yàn)橹猩嫌蔚暮恿魉蛞约爸脖桓采w極高的地方，該地區(qū)需要加強(qiáng)生態(tài)監(jiān)管，減少人類活動以及修復(fù)潛在的生態(tài)問題。其研究結(jié)果可為相關(guān)政府部門根據(jù)不同敏感層級的空間分布對潛在生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行合理的生態(tài)管理和規(guī)劃保護(hù)。由于指標(biāo)未考慮到經(jīng)濟(jì)、自然災(zāi)害等對生態(tài)敏感性的影響，其評價(jià)體系在今后的研究中將繼續(xù)完善。