內(nèi)蒙古自治區(qū)敕勒川乳業(yè)開發(fā)區(qū)生態(tài)敏感性綜合評價(jià)及分析

張正國，徐銀健，劉利霞，祝順萬，吉曉奇，楊乾坤，邢建勛，戴 捷

（1.北京市京西林場管理處，北京 102300；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院，a.生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究所；b.荒漠化研究所，北京 100091；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，呼和浩特 010062）

隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的干擾范圍及強(qiáng)度越來越大，加劇了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，造成了水土流失、土地沙化等一系列的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題［1-3］。此類問題嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，威脅人類賴以生存的環(huán)境。由于不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和人類生產(chǎn)生活存在差異，各區(qū)域所面臨的生態(tài)環(huán)境問題及生態(tài)敏感性也各不相同［4］。生態(tài)敏感性是指生態(tài)環(huán)境受到人類和自然環(huán)境的干擾，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程所表現(xiàn)出的難易程度［5-14］。生態(tài)敏感性評價(jià)是研究人類對生態(tài)環(huán)境的干擾程度，找出人類活動(dòng)引起的不同區(qū)域生態(tài)問題，這是生態(tài)保護(hù)建設(shè)與修復(fù)的基礎(chǔ)，通過生態(tài)敏感性評價(jià)可為不同敏感區(qū)域制定相應(yīng)的保護(hù)措施提供理論基礎(chǔ)［15］。國內(nèi)外的相關(guān)研究大多數(shù)以省、市、縣等區(qū)域?yàn)橹鳎槍Τ鞘羞吘墔^(qū)域的生態(tài)敏感性評價(jià)研究涉及不多。

內(nèi)蒙古自治區(qū)敕勒川乳業(yè)開發(fā)區(qū)緊鄰呼和浩特市中心城區(qū)西邊緣，區(qū)域內(nèi)有小黑河、白石頭溝、霍寨溝和烏素圖溝4 條河流，并通過山體、林地、農(nóng)田等自然開敞空間形成北部大青山前坡生態(tài)廊道、中部敕勒川生態(tài)廊道、南部大小黑河生態(tài)廊道3 條大型生態(tài)廊道。大小黑河與大青山南北相望，多條河流川流其間。因此，該研究區(qū)域具有重要生態(tài)保護(hù)價(jià)值與意義，亟待開展該研究區(qū)域的生態(tài)敏感性綜合評價(jià)及分析。

本研究采用層次分析法［16］和GIS 空間分析［17］等方法對內(nèi)蒙古自治區(qū)敕勒川乳業(yè)開發(fā)區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性綜合評價(jià)與分析，以期為敕勒川乳業(yè)開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)與修復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)敕勒川乳業(yè)開發(fā)區(qū)位于默川平原，溫帶大陸性氣候，冬季長而寒冷，夏季短而炎熱，寒暑變化劇烈，降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥且無霜期較短。開發(fā)區(qū)北側(cè)山區(qū)降水量充沛（年均降水量＞800 mm），開發(fā)區(qū)內(nèi)平均降水量接近500 mm，年均潛在蒸發(fā)量＞8 000 mm，靠近市區(qū)蒸發(fā)量顯著升高，區(qū)域干旱程度由東南向西北呈遞減趨勢；開發(fā)區(qū)內(nèi)90%以上地區(qū)坡度小于6°，地勢整體較為平坦。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，并以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算研究區(qū)坡度、坡向分布，空間分辨率為30 m；依據(jù)三調(diào)數(shù)據(jù)土地分類結(jié)果及生態(tài)敏感性評估特性，將研究區(qū)土地利用類型分為城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)用地、工業(yè)用地、生態(tài)用地和水域5 類；植被歸一化指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)來源于Landsat8 OLI 遙感影像，并基于谷歌地球云平臺(tái)（Google earth engine，GEE）計(jì)算年最大NDVI。

2.2 層次分析法

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）是做定量及定性分析的決策方法，具體步驟如下。

1）構(gòu)建判斷矩陣。各評價(jià)指標(biāo)之間兩兩進(jìn)行比較，給定其量化值1（同樣重要）、3（較為重要）、5（較強(qiáng)重要）、7（強(qiáng)重要）、9（非常重要），按其重要程度評定等級，根據(jù)兩兩比較結(jié)果構(gòu)成判斷矩陣，該矩陣具有以下性質(zhì)，具體計(jì)算式如下。

式中，i、j表示評價(jià)指標(biāo)。

2）一致性檢驗(yàn)。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重，為檢驗(yàn)權(quán)重是否具有科學(xué)性，還需對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體計(jì)算式如下。

式中，λmax為最大特征值；A為判斷矩陣；ω為特征向量；n為矩陣階數(shù)；CI為一致性指標(biāo)；CR為檢驗(yàn)系數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)（通過查表可得）。通常情況下，若CR＜0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，且CR越接近于0，說明該判斷矩陣質(zhì)量越高；反之則說明該判斷矩陣未通過一致性檢驗(yàn)。

經(jīng)計(jì)算得出特征值λmax= 5.0，CI= 0，根據(jù)RI表查到對應(yīng)的RI為1.11，因此CR=CI/RI=0.0＜0.1，說明所構(gòu)建的判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)，因此得出各生態(tài)評價(jià)因子的權(quán)重是可用的。

2.3 GIS 空間分析方法

1）緩沖區(qū)分析。緩沖區(qū)分析可表示各地理要素間的空間近鄰性及近鄰程度?；谌{(diào)數(shù)據(jù)提取研究區(qū)水域、工業(yè)用地的空間分布，然后在ArcGIS 中對水域、工業(yè)用地建立多級緩沖區(qū)，進(jìn)而對周圍環(huán)境進(jìn)行生態(tài)敏感性分析。

2）生態(tài)景觀聚集度分析。景觀聚集度指數(shù)（Aggregation index，AI）表示同一景觀類型斑塊間的連通性與聚集程度，取值為1～100，如果景觀是由許多離散的小斑塊組成，則聚集度取值越小，反之則聚集度取值越大，聚集度指數(shù)除了受斑塊數(shù)量、均勻度的影響外，還受到斑塊間相鄰關(guān)系的影響。本研究基于三調(diào)數(shù)據(jù)提取研究區(qū)生態(tài)用地的空間分布，在Fragstates 4.2 軟件中利用移動(dòng)窗口法計(jì)算研究區(qū)生態(tài)用地景觀聚合度，表征研究區(qū)生態(tài)景觀的分布狀況。

式中，AI為景觀聚集度；gii為相應(yīng)景觀類型中相鄰接斑塊的數(shù)量，臨界判定范圍為100 m。

3）統(tǒng)計(jì)分析。對多個(gè)評價(jià)因子的生態(tài)敏感性分布進(jìn)行不同敏感度區(qū)域的面積計(jì)算，得出不同敏感區(qū)域在研究區(qū)總面積中的占比，便于進(jìn)行敏感性等級之間的相互對比。

4）疊加分析。疊加分析是通過疊加多層對象的空間特征和屬性特征，從而產(chǎn)生新的空間特征和屬性關(guān)系［18］。將5 個(gè)生態(tài)因子按照生態(tài)評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分類分級賦值后，根據(jù)各因子的權(quán)重，使用ArcGIS 的疊加分析功能對5 個(gè)對象數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加操作，得到研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性分布圖。

2.4 生態(tài)敏感性評價(jià)因子的選取與分級

由于區(qū)域差異性的存在，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件與地形地貌等特點(diǎn)因地制宜地選取評價(jià)因子［19］。研究區(qū)地形起伏較小，主要產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及工業(yè)。根據(jù)其土地利用狀況及生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，從地貌環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境等方面選取了土地利用、坡度、工業(yè)用地緩沖、水域緩沖、生態(tài)景觀聚集度共5 個(gè)評價(jià)因子對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行敏感性評價(jià)與分析，基于層次分析法計(jì)算各評價(jià)因子權(quán)重。依據(jù)各評價(jià)因子空間數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行敏感性等級劃分，將研究區(qū)生態(tài)敏感性分為5 個(gè)等級，極低敏感區(qū)用阿拉伯?dāng)?shù)字1 代表、低度敏感區(qū)用阿拉伯?dāng)?shù)字3 代表、中度敏感區(qū)用阿拉伯?dāng)?shù)字5 代表、高度敏感區(qū)用阿拉伯?dāng)?shù)字7 代表、極高敏感區(qū)用阿拉伯?dāng)?shù)字9 代表（表1）［20，21］。

表1 研究區(qū)生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)體系

3 單因子生態(tài)敏感性分析與評價(jià)

3.1 水域緩沖敏感性分析

研究區(qū)處于中國干旱區(qū)，水域面積小，分布零散，但對改善區(qū)域環(huán)境至關(guān)重要。研究區(qū)中極低敏感區(qū)面積最大，為84.44 km2，占總面積的77.12%；低度敏感區(qū)面積為11.33 km2，占總面積的10.35%；中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極高敏感區(qū)的占比分別為4.82%、4.06%和3.65%，可見水域緩沖區(qū)對整個(gè)區(qū)域生態(tài)敏感性的影響較低，需在后期工程中增加水域緩沖區(qū)的影響范圍及程度（表2、圖1）。

圖1 各評價(jià)因子生態(tài)敏感性分區(qū)

表2 研究區(qū)各評價(jià)因子敏感性評價(jià)分級

3.2 生態(tài)景觀聚集度敏感性分析

研究區(qū)西部的生態(tài)用地面積分布大于東部地區(qū)，其中西南部景觀聚集度指數(shù)最高，東北部最低。整體來看，研究區(qū)極低敏感區(qū)面積為84.17 km2，占總面積的76.87%；低度敏感區(qū)面積最小，為0.06 km2；極高敏感區(qū)面積為19.18 km2，占總面積的17.51%，在敏感性等級分布中排名第2，表明研究區(qū)生態(tài)用地建設(shè)較好，但區(qū)域分布不均衡，后續(xù)建設(shè)中仍需改善（表2、圖1）。

3.3 土地利用敏感性分析

將工業(yè)用地、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)用地、生態(tài)用地、水域5種地類分別對應(yīng)生態(tài)敏感性分析中的極低敏感區(qū)、低度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極高敏感區(qū)。結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積最大，為47.05 km2，占總面積的42.97%；工業(yè)用地面積次之，為24.01 km2，占總面積的21.93%；水域面積最小，僅為0.61 km2，占總面積的0.55%（表2、圖1）。

3.4 坡度敏感性分析

研究區(qū)地勢較為平緩，90%以上地區(qū)坡度小于6°，處于極低、低敏感區(qū)范圍內(nèi)，其中極低敏感區(qū)面積為69.41 km2，占總面積的63.39%；低度敏感區(qū)面積為34.27 km2，占總面積的31.30%；極高敏感區(qū)面積為0.23 km2，占總面積的0.21%，主要分布于研究區(qū)西南部。大范圍的農(nóng)業(yè)、工業(yè)用地是研究區(qū)坡度平緩的主要原因，但也側(cè)面說明該區(qū)域人為活動(dòng)較頻繁，不利于開展防風(fēng)固沙、保護(hù)生物多樣性等生態(tài)建設(shè)工作（表2、圖1）。

3.5 工業(yè)用地緩沖敏感性分析

研究區(qū)工業(yè)用地面積較大且分布廣泛，因而其500 m 以內(nèi)緩沖區(qū)（極低、低度、中度、高度敏感區(qū)）幾乎涵蓋研究區(qū)全域，面積占比為96.55%，極高敏感區(qū)面積為3.78 km2，占總面積的3.45%，主要分布于研究區(qū)西南部（表2、圖1）。

4 綜合生態(tài)敏感性分析與評價(jià)

結(jié)合研究區(qū)的自然環(huán)境條件及人類活動(dòng)的影響，在GIS 平臺(tái)上將生態(tài)景觀聚集度、坡度、工業(yè)用地緩沖、土地利用和水域緩沖5 個(gè)評價(jià)因子，根據(jù)其權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加分析，得出研究區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性分布，如圖2 所示，其綜合生態(tài)評價(jià)指數(shù)介于1.00～7.96（表3）。極高敏感區(qū)（敏感指數(shù)為5.07～7.96）占比最少，為4.52%，主要分布于研究區(qū)南部，可能與該區(qū)域人工開發(fā)程度較低有關(guān)；高度敏感區(qū)（敏感指數(shù)為3.95～5.07）、中度敏感區(qū)（敏感指數(shù)為2.91～3.95）和低度敏感區(qū)（敏感指數(shù)為1.87～2.91）分別占總面積的16.17%、22.73%和25.05%，高度、中度敏感區(qū)在西部分布偏多，低度敏感區(qū)在東部分布較多；研究區(qū)極低敏感區(qū)（敏感指數(shù)為1.00～1.87）占總面積的31.53%，其分布范圍主要受工業(yè)用地影響，主要分布在研究區(qū)東北部。

圖2 綜合生態(tài)敏感性分區(qū)

表3 研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性評價(jià)分級

5 小結(jié)

本研究使用GIS 平臺(tái)，選取了土地利用、坡度、工業(yè)用地緩沖、水域緩沖、生態(tài)景觀聚集度共5 個(gè)評價(jià)因子對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行敏感性評價(jià)與分析。結(jié)果表明，5 個(gè)評價(jià)因子中，工業(yè)用地緩沖評價(jià)因子對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性的影響程度最高，水域緩沖影響程度最低，權(quán)重分別為0.36、0.04。工業(yè)用地緩沖敏感性分布趨勢與研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性分布趨勢大致相同。

根據(jù)綜合生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果，研究區(qū)南部、西南部生態(tài)敏感性最高，因此，建議重點(diǎn)在研究區(qū)南部與西南部進(jìn)行生態(tài)保護(hù)工作；研究區(qū)中部及西北部零星分布少數(shù)極高敏感區(qū)；建議在該區(qū)域適當(dāng)減少人為活動(dòng)，避免對環(huán)境造成不可逆損害；研究區(qū)東部生態(tài)敏感性最低，該區(qū)域也是城鎮(zhèn)、工業(yè)用地的主要分布區(qū)，建議在該區(qū)域適當(dāng)增加生態(tài)用地，改善人居環(huán)境。