基于GIS的通城縣生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性評價

孫智杰, 曾 嘉, 王 辛, 梁 川, 余 波, 劉 帆, 王 宇

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034)

生態(tài)地質(zhì)學(xué)是生態(tài)學(xué)和地質(zhì)學(xué)之間的新興邊緣科學(xué)[1],研究對象涉及巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈及生物圈[2],主要探究在不同生態(tài)環(huán)境地質(zhì)條件下的各類生態(tài)作用、成因規(guī)律及其影響因素[3-5]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,人類活動對生態(tài)環(huán)境地質(zhì)的影響逐漸成為區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)[6],生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性評價也成為相關(guān)領(lǐng)域的熱點問題之一[7]。

生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性是指生態(tài)環(huán)境地質(zhì)對周邊環(huán)境變化和人類活動等干擾的敏感程度[8],以及因缺乏抵抗力而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境地質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變的一種屬性[9]。在生態(tài)脆弱性領(lǐng)域,前人開展過多角度的研究工作[10],如任源鑫等[11]以省為單元,開展了陜西省水資源脆弱性評價;王貝貝等[12]以市為單元,開展了南昌市生態(tài)環(huán)境脆弱性評價;張慧琳等[13]、張殿發(fā)等[14]以地區(qū)為單元,分別開展了山西五臺山地區(qū)生態(tài)脆弱性評價、吉林西部農(nóng)業(yè)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價。常用的評價方法包括模糊綜合分析法[15]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[16]、主成分分析法[17-18]、層次分析法[19]等。評價模型一般采用敏感性—恢復(fù)力—壓力度模型(sensitivity-resilience-pressure,SRP),該模型包含了生態(tài)脆弱性的主要構(gòu)成要素[20],能較全面地展現(xiàn)生態(tài)脆弱性的綜合方面,同時結(jié)合GIS技術(shù)可取得較好的表達(dá)效果[21],因此得到了廣泛應(yīng)用[22-23]。

在前人關(guān)于生態(tài)脆弱性的研究中,主要集中在生態(tài)環(huán)境與社會環(huán)境之間的影響,而較少考慮地質(zhì)環(huán)境相關(guān)指標(biāo);地質(zhì)環(huán)境相關(guān)評價則主要圍繞環(huán)境地質(zhì)問題與地質(zhì)災(zāi)害展開,與生態(tài)環(huán)境的結(jié)合不夠緊密。本文以通城縣為研究區(qū),運用GIS技術(shù)、SRP評價模型和層次分析法,對通城縣生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性進(jìn)行評價和分區(qū),旨在為通城縣生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

通城縣地處湘鄂贛三省交界處,是連接武漢城市圈、長株潭城市群、大南昌都市圈的核心區(qū)域(圖1-a),地跨東經(jīng)113°36′～114°04′、北緯29°02′～29°24′,國土總面積1 140.70 km2,2022年末戶籍總?cè)丝?2.17萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值199.58億元。

圖1 研究區(qū)區(qū)位概況圖(a)和地質(zhì)簡圖(b)

縣境東、南、西三面群山環(huán)抱,中、北部為丘陵起伏的盆地,大體可劃分為構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)、構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)、平原河谷區(qū)三種地貌類型。氣候溫暖濕潤,年均氣溫16.7℃,多年平均降雨量1 554.9 mm。境內(nèi)水資源豐富,有港、溪135條,多年平均徑流量8.64×108m3。受復(fù)雜的地形地貌及發(fā)達(dá)的水網(wǎng)影響,境內(nèi)氣候南北有別,并形成了多種多樣的小氣候,為生物多樣性提供了優(yōu)越的氣候條件,全縣共有植物2 000余種,森林覆蓋率達(dá)54.14%,豐富的植物資源不僅具有廣闊的開發(fā)前景,而且有保持水土、涵養(yǎng)水源、增加土壤養(yǎng)分、調(diào)節(jié)生態(tài)功能的重要作用[24]。

境內(nèi)侵入巖廣泛分布,主要為二長花崗巖、花崗閃長巖等,約占總面積的82%,其余為變質(zhì)巖、碳酸鹽巖、碎屑巖等。土壤類型主要為紅壤和水稻土,土壤質(zhì)地為黏土、壤土、沙土等。境內(nèi)規(guī)模較大的斷裂多呈NE向展布,分布于南部及東部地區(qū)(圖1-b)。主要環(huán)境地質(zhì)問題為地質(zhì)災(zāi)害、水土流失及礦山地質(zhì)環(huán)境問題等,其中地質(zhì)災(zāi)害共87處,主要類型為滑坡、崩塌、泥石流;水土流失主要分布于溝谷發(fā)育、人類活動集中的地段;礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要集中于麥?zhǔn)小⑻梁⒋笃旱鹊亍?/p>

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)平臺及現(xiàn)有資料的轉(zhuǎn)化,主要數(shù)據(jù)來源詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源

2.2 SRP模型

生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境與社會環(huán)境相互影響、相互制約[25]。不同的地質(zhì)環(huán)境條件下,生態(tài)系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)、功能和敏感性的時空差異;在不同強度的經(jīng)濟(jì)社會活動影響下,地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境也表現(xiàn)出不同程度的適應(yīng)能力和恢復(fù)能力。地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性控制著地貌形態(tài)和成土母質(zhì)的出露,從而影響著土壤、植被等生態(tài)環(huán)境地質(zhì)要素;人類活動對資源環(huán)境的高強度開發(fā)和利用,帶來了地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境問題,同時也改造了原始的生態(tài)環(huán)境,塑造了現(xiàn)今的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)格局。基于此,綜合考慮生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境與社會環(huán)境因素,為實現(xiàn)評價的有效性、代表性和資料的可獲取性,在參考前人關(guān)于生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性研究的基礎(chǔ)上[26-28],構(gòu)建了基于SRP模型的敏感性、恢復(fù)力和壓力度評價指標(biāo)體系。

敏感性代表生態(tài)環(huán)境地質(zhì)對各種內(nèi)外干擾的抵抗能力,本次選取地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、土壤和氣象4個因子,用坡度、地表起伏度、溝壑密度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、斷裂帶密度、地下水環(huán)境質(zhì)量、土壤有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、年均降雨、年均氣溫11個指標(biāo)進(jìn)行量化。

恢復(fù)力代表生態(tài)環(huán)境地質(zhì)受到干擾后的自我調(diào)節(jié)與恢復(fù)能力[29]。本次恢復(fù)力選取植被因子,用NPP(凈初級生產(chǎn)力)和NDVI(歸一化植被指數(shù))2個指標(biāo)進(jìn)行量化。

壓力度代表生態(tài)環(huán)境地質(zhì)受到外部干擾的程度。本次壓力度選取社會經(jīng)濟(jì)因子,用人口密度、GDP、土地利用強度(依據(jù)土地利用類型衡量[30])及礦山影響(依據(jù)礦山生態(tài)環(huán)境地質(zhì)影響分區(qū))4個指標(biāo)進(jìn)行量化。

2.3 層次分析法

層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法,適用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素、多層次的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜決策問題,在資源環(huán)境評價領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。借助SPSSPRO進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重賦值,經(jīng)多次模擬確保權(quán)重與實際情況基本符合,最終權(quán)重詳見表2。各級判斷矩陣一致性均<0.1,通過一致性檢驗,表明模型指標(biāo)權(quán)重的計算結(jié)果較合理。

表2 評價指標(biāo)權(quán)重及排序表

最終權(quán)重排序顯示,土地利用強度、工程地質(zhì)巖組、GDP、坡度、土壤質(zhì)地、NDVI等指標(biāo)權(quán)重較大。其中,工程地質(zhì)巖組控制著“巖石—成土母質(zhì)—土壤—植被”這一生態(tài)環(huán)境地質(zhì)譜系[9],是影響生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性的根本因素,同時也決定了礦產(chǎn)資源的空間分布;植被、土壤和坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害、水土流失等生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題的重要因素,對脆弱性有較大的影響;人類活動的影響甚至是形成如今生態(tài)環(huán)境地質(zhì)格局的決定性因素[31],綜合來看,各因子權(quán)重賦值基本合理,可滿足評價需要。

2.4 評價指標(biāo)分級

由于不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)類型和空間精度存在差異,在GIS平臺支持下,對原數(shù)據(jù)進(jìn)行空間量化處理,所運用的功能包括柵格表面分析、焦點分析、水文分析、密度分析、要素轉(zhuǎn)柵格、空間插值分析、柵格重分類等,將各因子數(shù)據(jù)類型統(tǒng)一為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù),并統(tǒng)一投影到2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。在參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、以往研究成果及通城縣實際情況的基礎(chǔ)上,結(jié)合自然斷點法分級工具,構(gòu)建了本次評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)(表3),并初步得出單指標(biāo)評價結(jié)果(圖2)。

表3 評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)表

a.坡度;b.地表起伏度;c.溝壑密度;d.工程地質(zhì)巖組;e.地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性;f.斷裂帶密度;g.地下水環(huán)境質(zhì)量;h.土壤有機質(zhì)含量;i.土壤質(zhì)地;j.年均降雨;k.年均氣溫;l.NDVI;m.NPP;n.人口密度;o.GDP;p.土地利用強度;q.礦山影響

2.5 綜合評價

基于單指標(biāo)評價結(jié)果,首先根據(jù)指標(biāo)權(quán)重加權(quán)計算生態(tài)環(huán)境地質(zhì)敏感性指數(shù)(ESI)、恢復(fù)力指數(shù)(ERI)及壓力度指數(shù)(EPI),最后綜合計算生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性指數(shù)(EVI)[32],其計算公式如下:

式中:EVI為生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性指數(shù);ESI為生態(tài)環(huán)境地質(zhì)敏感性指數(shù);ERI為生態(tài)環(huán)境地質(zhì)恢復(fù)力指數(shù);EPI為生態(tài)環(huán)境地質(zhì)壓力度指數(shù);Si、Ri和Pi分別代表敏感性、恢復(fù)力、壓力度第i個評價指標(biāo)的權(quán)重值;Wi分別為每個評價指標(biāo)的分級賦值。其中,EVI、ESI、EPI為正向指數(shù),數(shù)值越大代表脆弱性、敏感性及壓力度越高;ERI為負(fù)向指數(shù),數(shù)值越大代表恢復(fù)力越低。

3 結(jié)果分析

3.1 敏感性、恢復(fù)力和壓力度評價結(jié)果分析

通過評價指標(biāo)加權(quán)計算得到ESI、ERI和EPI的評價結(jié)果,根據(jù)自然斷點法分別劃分為5個等級(圖3、表4),可見縣內(nèi)ESI等級以中度脆弱為主,占總面積的37.92%,主要分布于縣境北部、中部地區(qū);重度、極度脆弱區(qū)主要分布于南部丘陵山區(qū)。ERI等級以微度、輕度脆弱為主,其面積之和占總面積的73.05%,主要為植被覆蓋較好的區(qū)域;重度、極度脆弱區(qū)主要分布于北部城鎮(zhèn)區(qū)。EPI等級與人類活動有關(guān),重度、極度脆弱區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)周邊。全縣在空間上可分為平原、丘陵和山區(qū)三大區(qū)域,平原區(qū)特點為中ESI、高ERI和高EPI;丘陵區(qū)特點為高ESI、低ERI和低EPI;山區(qū)特點為低ESI、低ERI和低EPI。

表4 敏感性、恢復(fù)力、壓力度和脆弱性各等級面積統(tǒng)計表

a.ESI分級;b.ERI分級;c.EPI分級

3.2 脆弱性評價結(jié)果分析

由表4及圖4可知,通城縣EVI等級主要為輕度、中度及重度脆弱。其中,極度脆弱區(qū)主要分布于中部城鎮(zhèn)區(qū),區(qū)內(nèi)城市化程度較高,對生態(tài)環(huán)境地質(zhì)影響較大;重度脆弱區(qū)主要分布于北部平原區(qū),區(qū)內(nèi)人口壓力較大,植被較少,面臨水土流失等環(huán)境風(fēng)險;微度脆弱區(qū)主要分布于西北部及東部山區(qū),區(qū)內(nèi)生態(tài)狀況相對較好,具有較強的抗干擾能力和恢復(fù)能力;輕度、中度脆弱區(qū)主要分布于南部丘陵區(qū)。

a.基于柵格單元的EVI等級分布;b.基于行政區(qū)劃的EVI等級分布

通過空間自相關(guān)分析,EVI全局莫蘭指數(shù)I=0.83、Z>1.96、P<0.05,表明脆弱性分布有較強的空間聚集性,特別是高值與低值地區(qū)分帶性較為顯著。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上來看,雋水鎮(zhèn)、石南鎮(zhèn)EVI最高,屬極度脆弱區(qū);岳姑林場、黃袍林場EVI最低,屬微度脆弱區(qū)(圖5)。

圖5 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)脆弱性等級面積占比圖

4 生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性分區(qū)

根據(jù)EVI評估結(jié)果,基于脆弱性空間分布的差異性和相似性,同時盡量保持分區(qū)的連續(xù)性與完整性,進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性分區(qū),將全縣劃分為7個分區(qū),并提出了相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)建議,詳見圖6、表5。

表5 生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性分區(qū)與修復(fù)建議

圖6 生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱性分區(qū)圖

5 結(jié)論

(1) 生態(tài)環(huán)境地質(zhì)的敏感性、生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力、社會經(jīng)濟(jì)與人類活動的干擾程度等因素共同影響了通城縣生態(tài)環(huán)境地質(zhì)格局。土地利用強度、工程地質(zhì)巖組、GDP、坡度、土壤質(zhì)地、NDVI等指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境地質(zhì)脆弱程度影響較大。

(2) 根據(jù)SRP模型分析結(jié)果,全縣在空間上可分為平原、丘陵和山區(qū)三大區(qū)域,平原區(qū)特點為中ESI、高ERI和高EPI;丘陵區(qū)特點為高ESI、低ERI和低EPI;山區(qū)特點為低ESI、低ERI和低EPI。

(3) 全縣EVI等級分布具有一定的空間聚集性與區(qū)域分帶性,具體表現(xiàn)為:極度脆弱區(qū)主要分布于中部城鎮(zhèn)區(qū),重度脆弱區(qū)主要分布于北部平原區(qū),微度脆弱區(qū)主要分布于西北部及東部山區(qū),輕度、中度脆弱區(qū)主要分布于南部丘陵區(qū)。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,雋水鎮(zhèn)、石南鎮(zhèn)EVI最高,屬極度脆弱區(qū);岳姑林場、黃袍林場EVI最低,屬微度脆弱區(qū)。