武當山旅游經濟特區生態敏感性空間格局分析

孫佩 易潔偉 康全國 張馳 王雯雯 袁知洋

(湖北省地質科學院研究院，湖北 武漢 430000)

引言

在全球化經濟快速發展的大背景下，人地矛盾日漸突出，社會經濟與生態環境的和諧發展是全球面臨的共同挑戰[1]。為了促進經濟增長與生態保護協同發展，通過生態敏感性分析合理評價人地關系是重要的研究方法之一[2]，可為區域生態環境預防、保護和環境規劃、管理等提供理論基礎和科學依據[3，4]。

生態環境敏感性是指生態系統對區域內自然和人類活動干擾的敏感程度，其反映區域生態系統在同樣干擾強度或外力作用下，各類生態系統出現區域生態環境問題可能性的大小，并用來表征外界干擾可能造成的后果[5]。敏感性越高的區域生態系統越脆弱，可表征該區域是生態環境保護和管理的重點，也是人類活動被禁止或受限制的區域。近年來，大量學者對生態敏感性進行了多角度、不同尺度的研究。在單一環境要素方面有地質環境敏感性研究[6，7]、鹽漬化的動態敏感性[8]、濕地敏感性評價[9，10]、礦區敏感性[11]、公園生態敏感性[12]、旅游生態敏感性[13，14]等。不同尺度上有市/縣級、省域、流域以及國家級等[3]，如曹建軍等對上海城市生態敏感性分析[15]，莫斌等對重慶市土壤侵蝕敏感性評價[16]，劉康等對甘肅省生態環境敏感性的評價及空間分布的研究[5]，劉春霞等對三峽庫區重慶段生態與環境敏感性綜合評價[17]，林涓涓等對流域生態敏感性評價[18]，王效科等對中國水土流失敏感性分布規律及其區劃研究[19]，劉軍會等對中國生態環境敏感區[20]等。而對市/縣一級尺度的研究雖存在但尚不多見[21]，且研究方法與指標體系的選擇還處于探索階段，并沒有統一的標準[2]，對生態環境敏感性的認知關乎區域的高質量可持續發展。因此，本文以武當山旅游經濟特區為實驗對象，研究區縣級生態敏感性評價指標及武當山旅游經濟特區生態敏感性的空間分布。

武當山旅游經濟特區是一座以旅游開發為主的生態型城市，不合理的旅游開發將影響區域的可持續發展。為此，本文收集了武當山旅游經濟特區的相關資料，對不確定的變化部分進行實地調查后，在借鑒相關研究成果的基礎上，選取能夠突顯武當山旅游經濟特區生態敏感性的6種因子：高程、坡度、坡向、水體、植被覆蓋度和土地利用類型；通過層次分析法進行剖析，并基于GIS空間分析中的加權疊加以及重分類等功能對生態環境的敏感性進行綜合評價與分析，定性、定量的劃分出不同等級的生態環境敏感區，為武當山生態環境的保護與合理的開發利用提供了生態學基礎[5]，為研究區城市化的發展，保護規劃方案的制定與決策以及管理等方面提供相應的科學依據[3]，讓綠水青山就是金山銀山的理念在武當山旅游經濟特區生態旅游的發展中得到更好的踐行。

1 研究區概況及數據

1.1 研究區概況

武當山旅游經濟特區位于E110°57′42″～111°13′52″，N32°23′～32°34′58″，地處湖北省十堰市丹江口市，屬大巴山東段，東臨丹江口市丁家營鎮與丹江口市城區相接，東界南河，南界軍店河、馬南河，達丹江口市官山鎮，西界堵河，北界漢江，面向亞洲第一大人工湖，南水北調中線工程水源地——丹江口水庫。武當山轄30個行政村、2個社區居委會、1個農隊、122個村(居)民小組。全縣土地總面積達29108.01hm2，以季風性濕潤氣候(高山氣候)為主，最高海拔約1612m，地形呈西南高東北低。

1.2 基礎數據及數據預處理

1.2.1 基礎數據

本文采用30m×30m分辨率的數字高程數據(Digital Elevation Model，DEM)，云霧干擾量<5%的Landset8/OLI遙感影像(Path125/Row037)，2020年土地變更調查數據成果，以及行政區劃矢量數據。其中，DEM數據用來計算高程、坡度、坡向和水域緩沖區，是本文開展研究區域生態敏感性分析的主要數據源。Landset8/OLI影像的成像時間為2021年3月7日，主要用來提取研究區的植被覆蓋度。

1.2.2 數據預處理

對地理空間數據云網站上下載的DEM數據進行投影，投影坐標為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_37；利用ArcGIS 10.2的空間分析模塊功能分別計算高程、坡度、坡向和水體緩沖區。地理空間數據云網站上的Landsat-8數據已完成系統的輻射校正和幾何校正，且精度較高。因此，按照云量較少(本文選取的影像云量在5%以下)、質量最好等要求選擇實驗所需的Landsat8/OLI影像。利用該遙感影像，進行NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)指數的計算[22]，并根據研究區內的整體植被覆蓋情況，以NDVI指數0、0.1、0.25、0.35作為分界點近似估算植被覆蓋度。

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(1)

式中，Red和NIR分別是紅光和近紅外波段，其各自對應于Landsa8/OLI影像中的第4和第5波段。

2 研究方法

2.1 評價因子的選擇與分級

在不同區域，地形、水系、植被、土地利用等因子對其生態敏感性的影響程度亦不相同。本文主要考慮研究區的自然條件，結合相關文獻，將每個因子的生態敏感性，依其影響程度劃分為極低敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極高敏感5個等級，并依次賦值1、3、5、7、9，如表1所示[4]。

表1 研究區單因子及綜合因子的生態敏感性

2.2 評價因子權重的確定

權重值的大小表示對生態敏感性的影響的程度，因此獲得研究區精確的生態敏感性關鍵在于各個因子權重的準確性、有效性。AHP于20世紀70年代初被提出，在各個領域中得到廣泛應用，是一種能夠定量、定性解決多因子復雜問題的決策分析方法[2]，在一定程度上有助于提高研究區分析結果的精確度。因此，本文采取層次分析法計算每個因子的權重值。

構建兩兩因子之間的判斷矩陣，并根據影響因子的相對重要性評判1～9的標度[2]，然后通過比較得出最佳結果后進行一致性檢驗，若CR<0.1則證明符合一致性檢驗[23]，公式：

(2)

(3)

式中，λmax為矩陣的最大特征根；CI為一致性指標；RI為平均隨機的一致性指標，RI與判斷矩陣的階數有關，一般情況下，矩陣階數越大，則出現一致性隨機偏離的可能性也越大；CR為一致性比率；n為項目數；如果CR<0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則不具有滿意一致性。最終根據判斷矩陣和算術平均法，計算得出各因子的權重系數，見表2。

表2 各生態因子的權重

2.3 綜合生態敏感性指數的計算

對參與評價的各生態敏感性因子賦予相應的權重值后，利用公式(4)進行綜合生態敏感性指數的計算：

(4)

式中，P為生態敏感性指數；n為評價指標總數；i為評價指標編號；Wi為各指標的權重，見表2；Ai為各評價指標的生態敏感性貢獻值；i=1，3，5，7，9，分別對應極低敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極高敏感5個等級。

3 生態敏感性結果及空間分析

3.1 生態敏感性單因子分析

3.1.1 高程生態敏感性

隨著海拔高度的改變，氣溫與降水隨之發生變化，且海拔越高，生物多樣性越簡單，導致生態敏感性也會越高[24]。因此，生態敏感性具有隨著海拔高度的增加而增加的特征。武當山旅游經濟特區的地勢走向為西南高東北低，大部分地區分布在200～800m，最高的山峰天柱峰海拔1612m。據圖1a可知，區內高程敏感性大致呈現出由西北向東南增加的趨勢，與實際情況相符。并且以輕度敏感性為主，由表3可知，面積為14321.38hm2，占研究區總面積的49.20%，主要分布在武當山的中部以及東部地區；其次是中度敏感區域占研究區比重為22.19%，面積約6457.85hm2，主要分布在西南地區。極低敏感區主要分布在西北部的水庫、坑塘與河流，建設用地和耕地與園地覆蓋區，面積約5467.62hm2，占研究區總面積的18.78%。高度以及極高敏感區戰研究區比重較小，僅9.83%，面積共約2861.16hm2，主要分布在武當山的西南部。

圖1 各單因子及綜合性生態敏感性分布圖

表3 各生態敏感性因子及綜合生態敏感性評價結果表

3.1.2 坡度生態敏感性分析

一般而言，坡度越大，對生態系統的影響越大，生態敏感值也會越高[24]。受武當山山地地貌影響，坡度整體偏大，因此，研究區的坡度敏感性以中度敏感區為主，面積約9876.40hm2，占研究區總面積的34.04%，主要分布在武當山的中部以及北部地區。極度敏感區分布在西南方向，海拔高，坡度陡，起伏大，面積約442.71hm2，只占全區總面積的1.53%。輕度與高度敏感區面積分別為6494.75hm2、7355.17hm2，占研究區的比重分別為22.38%、25.35%，其中，輕度敏感區主要分布于研究區的中北部地區，高度敏感區主要分布于中南部地區。極低敏感區主要分布在武當山的西北地區，海拔低，坡度和緩，占研究區總面積的16.71%，面積約4848.98hm2，見圖1b、表3。

3.1.3 坡向生態敏感性分析

不同坡向接收的太陽輻射量以及時長差異顯著，會影響植被的生長情況。對于北半球而言，東坡、東南坡、南坡和西南坡所吸收輻射量相對較多，而西和西北方向相對較少[25]。該研究區以中、高度敏感區為主，占研究區面積的比重差異不大，分別為26.91%、28.09%，面積約為7831.96hm2、8176.40hm2，除了北部丹江口水庫附近，其他地方幾乎都有分布。

極低與極高敏感區占研究區比重差別也不大，分別為11.15%、13.44%，面積約5940.26hm2、3913.55hm2，其中極低敏感區主要分布在丹江口水庫附近，主要為平面和南面，光照更加充足，極高敏感區的分布比較分散，由于該坡向為所接受的太陽輻射相對較少，間接影響了植被的生長情況，使得植被覆蓋度較低[24]。輕度敏感區面積約5940.26hm2，占研究區總面積的20.41%，除了北部丹江口水庫附近分布較少，其他地方都有零散的分布，見圖1c、表3。

3.1.4 植被覆蓋度敏感性分析

植被覆蓋度是指示區域生態環境是否發生變化的重要因素，該指標數值越高表明植被生長狀況越好，群落越豐富[25-27]。目前研究區內植被因子的生態敏感性總體上以輕度和中度為主，分別占研究區總面積的36.56%、48.86%，面積約10642.54hm2、14222.96hm2，其中輕度敏感區土地利用類型以建設用地為主，中度敏感區廣泛分布著林地。極低敏感區占研究區的13.96%，面積約為4063.55hm2，主要為水庫、坑塘與河流分布，高度以及極高敏感區僅占研究區的0.61%，見圖1d、表3。

3.1.5 水體生態敏感性分析

丹江口水庫是我國南水北調中線工程源頭，武當山位于丹江口水庫以南，因此水資源較為豐富。而科學研究表明，距離水域越近，適合物種生存的條件越優良，生態敏感度也越高。

結合研究區的尺度，對武當山旅游經濟特區的水體緩沖區分別以80m、160m、320m、640m為分界點，在水體緩沖區大于640m的區域為極低敏感區，面積約17565.84hm2，占研究區比重的60.35%，輕度敏感面積約5455.61hm2，占研究區比重的18.74%，主要分布在320～640m緩沖區以內的地區，中度敏感區占研究區比重的10.50%，面積約3056.87hm2，主要分布在160～320m緩沖區以內的地區，高度敏感區與極高敏感區所占研究區比重都不大，分別為5.55%、4.86%，面積分別為1615.58hm2與1414.11hm2，主要分布在160m緩沖區以內的地區，見圖1e、表3。

3.1.6 土地利用類型敏感性分析

城市化的加速發展導致土地利用變化明顯，在城市化開發建設過程中，不同的土地利用結構對大氣圈、水圈、生物圈等生態系統的穩定性產生一定的影響，而土地利用不合理，不僅會造成一定程度的人地矛盾，也會增加生態系統環境的敏感性。目前武當山旅游經濟特區的土地利用生態敏感性總體上很高，極高敏感區以林地為主，所占比重最大，達到了77.40%，面積約22528.25hm2，主要集中在南部及東部地區。

水庫、坑塘與河流為高度敏感區，面積約2399.50hm2，占研究區總面積的8.24%。極低、輕度、中度敏感區分別占研究區總面積的3.68%、9.68%、1.00%，面積分別為1071.18hm2、2817.12hm2、291.96hm2，分布在武當山西北部地區的土地類型主要是建設用地、耕地與園地以及未利用地與其他土地，見圖1f和表3。

3.2 區域生態敏感性綜合評價

研究區生態敏感性綜合評價結果見圖1g、表3。可以看出，武當山旅游經濟特區整體上以輕、中度敏感區為主，兩者共占研究區總面積的73.49%，主要分布在武當山南部山區以及東部地區，該地區廣泛分布著大面積的林地，植被覆蓋度也以輕、中敏感性為主。高度敏感區面積約6737.83hm2，占研究區總面積的23.15%，主要分布在武當山的南部地區，海拔高度在200～800m，以林地為主。極低與極高敏感區所占研究區比重都很小，分別為2.98%、0.39%，面積共約981.18hm2，并且極低敏感區以水域為主，主要是水庫、坑塘與河流，海拔在200m以下。

4 結語

本研究將GIS空間分析與層次分析法相結合，實現了武當山旅游經濟特區生態敏感性的綜合評價，揭示了整個研究區生態敏感性的空間格局。總體來看，研究區生態敏感性偏低，以輕、中度敏感區為主，主要分布在武當山南部山區以及東部地區。

生態敏感性的分析成果還可用于確定研究區生態保護的重點區域，避免土地生態資源的開發過程中可能產生的土地問題，如果進行深入的研究，還可以應用于各項工程建設的項目論證、生態旅游的保護規劃方案的制定與決策之中，對區域發展策略具有積極的指導意義等，使生態保護與經濟發展不斷的良性循環。