基于FAHP法的鄭州市生態敏感性分析

摘要：利用GIS軟件對鄭州市進行生態敏感性分析，并進行生態敏感性區劃劃分，選取植被覆蓋度、高程、坡度、水域緩沖區、人口密度、土地利用類型6個因子，采用模糊層次分析法（FAHP法）構建評價模型，利用GIS軟件的空間分析功能，分析單因子生態敏感性以及加權疊加的綜合生態敏感性。結果表明，鄭州市整體以中度敏感區為主，其次為高度敏感區；中度敏感區占研究區總面積的37.05%，主要分布于鄭州市北部黃河流域、東部平原以及西部嵩山周邊區域；高度敏感區占研究區總面積的29.19%，主要分布于嵩山、箕山坡度較大的低山丘陵區；低敏感區占研究區總面積的21.03%，主要分布于鄭州市北部黃河水域及東部的城市中心規劃區周邊區域；不敏感區占研究區總面積的12.73%，主要分布于鄭州市東部的市中心區及下轄的中牟縣、新鄭市城市建成區域，西部局部地區也有零散分布。

關鍵詞：生態敏感性；GIS；模糊層次分析法（FAHP法）；河南省鄭州市

中圖分類號：TU984" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）08-0054-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.08.008 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Ecological sensitivity analysis of Zhengzhou City based on FAHP method

WANG Ya-nan，TANG Pu-xia，WANG Dong-meng，LEI Ya-kai，KONG De-zheng

（College of Landscape Architecture and Art， Henan Agricultural University， Zhengzhou" 450002，China）

Abstract： Using GIS software， ecological sensitivity analysis was conducted in Zhengzhou City， and ecological sensitivity zoning was carried out. Six factors were selected， including vegetation coverage， elevation， slope， water buffer zone， population density， and land use type，the fuzzy analytic hierarchy process （FAHP） was used to build the evaluation model， and the spatial analysis function of GIS software was used to analyze the ecological sensitivity of a single factor and the comprehensive ecological sensitivity of weighted superposition. The results indicated that Zhengzhou City was mainly composed of moderately sensitive areas， followed by highly sensitive areas； moderately sensitive areas accounted for 37.05% of the research area total area， mainly distributed in Yellow River Basin in the north of Zhengzhou， the plain in the east of city， and the surrounding areas of Songshan Mountains in the west of Zhengzhou City；highly sensitive areas accounted for 29.19% of the research area total area， mainly distributed in low mountain and hilly areas with higher elevations and larger slopes in Songshan and Jishan Mountains；low sensitivity areas accounted for 21.03% of the research area total area， mainly distributed in the Yellow River water area in the north of Zhengzhou City and the surrounding areas of the urban central planning area in the eastern part of Zhengzhou City；the insensitive areas accounted for 12.73% of the research area total area， mainly distributed in the central area in the east of Zhengzhou， the urban built-up areas of Zhongmu County and Xinzheng City under its jurisdiction， and scattered in some parts of the west.

Key words： ecological sensitivity； GIS； fuzzy analytic hierarchy process（FAHP）； Zhengzhou City， Henan Province

生態敏感性是指生態系統對人類活動反應的敏感程度，用來反映產生生態平衡與生態環境問題的可能性大小，是評價生態系統健康活力、恢復力和生態功能區劃的重要指標［1，2］。通過生態敏感性分析，可以掌握區域的生態環境狀況，對區域生態環境區劃進行分析，找出有針對性的保護對策［3］。目前生態敏感性研究已被廣泛應用，諸如國土空間規劃［4-8］、土地生態敏感性評價、自然保護區的生態敏感性評價、濕地保護開發利用規劃、城市生態敏感性分析、景區生態規劃等生態環境研究領域［9］。在研究因子上，學者從最初單因子的敏感性分析過渡到多因子綜合分析［10］。分析評價方法有層次分析法（AHP法）［11］、模糊綜合評價法［12］、熵權法［13］、主成分分析法［14］、人工神經網絡法等［15］。在研究尺度上，其研究尺度從國家［16］、流域、省市［11］，逐漸向村鎮［17］、小尺度地域研究發展，這類研究中生態敏感性因子選取及評價模型的構建多是人為主觀決定，尚無統一標準［18］。

層次分析法在生態敏感性分析中應用廣泛。AHP法通過構建因素之間的層次結構，定性與定量相結合實現對復雜問題的決策，但在評價指標較多時（大于4個），思維一致性難以保證，在此基礎上，本研究采用模糊層次分析法（FAHP法）構造模糊一致判斷矩陣，在一定程度上彌補了AHP法的不足［19］。

鄭州市是中原經濟區（CPER）的核心城市，又是歷史文化名城，在2000—2015年城市發展過程中，城市擴張速度快、擴展強度高，城市擴展對生態環境具有明顯負面影響［20］，鄭州市面臨城市內澇、空氣污染等環境問題。本研究以鄭州市為研究對象，選取區域代表性的生態因子，采用改進的模糊層次分析法構建生態敏感性指標評價體系，借助GIS空間分析功能，對鄭州市土地生態系統進行深入分析，為鄭州市城市生態建設提供依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

鄭州市是河南省的省會城市，行政區地處東經112°42′—114°14′、北緯34°16′—34°58′，總面積約 7 584 km2，下轄6區5市1縣，是中國中部地區的特大城市之一。鄭州市位于黃河中下游和伏牛山脈東北翼向黃淮平原過渡的交接地帶，橫跨中國第二級和第三級地貌臺階，總體地勢為西南高、東北低，呈中高山區-低山區-丘陵區-平原區的階梯狀分布，主要山體有嵩山、大熊山、西北部氓嶺等，嵩山植被資源豐富，但在汛期和雨季易發生地質災害，早期不合理的旅游開發方式也對生態環境造成破壞，氓嶺多受黃河及其他河谷侵蝕，地形多樣，溝壑險峻，生態環境較脆弱。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫約14 ℃，年平均降雨量約600 mm。鄭州市境內有黃河和淮河兩大水系，流經鄭州市的黃河段處于黃河的中下游地區，河床普遍高于水平面，因而形成“地上懸河”的景觀。鄭州市人口數量眾多，其中主城區已是高度城市化地區，城市發展與自然環境之間矛盾突出，出現熱島效應、城市內澇、空氣污染等環境問題。

1.2 數據來源及預處理

研究數據包括2021年9月Landsat-8 OLI_TIRS衛星影像、分辨率30 m的GDEMV3 DEM數據、分辨率30 m的“珞珈一號”專業夜光遙感衛星燈光柵格數據和1∶4 000 000河流矢量圖。采用ENVI 5.3對Landsat-8 OLI_TIRS衛星影像進行大氣校正、輻射定標等預處理，通過波段計算和監督分類分別得到植被覆蓋度和鄭州市土地利用類型數據，通過GIS軟件對GDEMV3 DEM數據進行處理，提取高程、坡度數據，利用ArcToolbox中多環緩沖區工具對河流矢量數據進行水域緩沖區分析。人口密度通過夜光遙感衛星燈光數據進行模擬，通過對照Bigmap街景地圖，對夜間道路照明等干擾因素進行校正處理。

2 研究方法

2.1 生態敏感性指標選取與分級

研究尺度的大小、研究區生態環境狀況及社會經濟發展程度等均影響評價指標的選取。尹海偉等［21］選取水域、海拔與堤防、植被、耕地地力4個生態因子對江南水鄉平原地區生態敏感性進行研究；喬育等［11］選取高程、坡度、坡向、水系、植被覆蓋度、土地利用6個因子對天水市生態敏感性進行研究。結合鄭州市地形地貌及河流特征，根據綜合性、可操作性以及定性與定量相結合的原則，從生物多樣性、人為影響、自然地理3類生態因子中選取植被覆蓋度、土地利用類型、人口密度、坡度、高程、水域緩沖區6個因子作為生態敏感性評價單因子。

植被是生態系統中重要、敏感的要素。植被覆蓋度反映地表植被的覆蓋狀況［11］。植被覆蓋度越高，區域生態系統越趨于穩定，對人為干擾反應越明顯。高程和坡度均屬于地形地貌因子，在植被、氣候等因素相同的條件下，坡度越大，越容易發生地質災害。高程主要影響垂直面上的植被分布，海拔越高，生物多樣性越低，生態系統抗外界干擾能力越弱，生態敏感性越高［22］。河流水域是區域小氣候的重要影響要素［8］，易受到外界干擾。人口密度、土地利用類型屬于人為影響因子。土地利用類型反映人為影響下城市現有的用地類型及功能。人為的干擾活動是影響生態變化的主要因素，人為干擾性越大，生態敏感性越低。

根據已有的研究成果［23-26］，參考評價因子分級標準，對選取的3個一級指標和6個二級指標評價因子進行賦值分級，每個因子分為不敏感區、低敏感區、中度敏感區、高度敏感區4個等級，分別賦值1、3、5、7，每個因子具體劃分見表1。生態敏感性等級越高，該區域對外界擾動反應越強，生態價值高；生態敏感性等級越低，說明區域生態環境承受力較高，面臨的生態壓力較小，生態恢復快。

2.2 模糊層次分析法

2.2.1 構造判斷矩陣 根據優先關系，采用0.1～0.9標度，構造模糊互補判斷矩陣，具體標度見表2。

通過兩因素之間重要關系的比較，可得到模糊互補判斷矩陣，計算公式如下：

式中，A為模糊互補判斷矩陣；aij是表示ai對aj的相對重要性數值（i=1，2，…，n；j=1，2，…，n）。

2.2.2 一致性轉化與各指標權重計算 對模糊互補判斷矩陣A進行按行求和，根據式（2）進行一致性轉化得到模糊一致判斷矩陣，計算公式如下：

式中，rij為模糊一致判斷矩陣的元素；ri和rj分別是第i和第j個指標所在行的和；[i]=1，2，…，[n]；R為模糊一致判斷矩陣。

利用式（5），對模糊一致判斷矩陣R進行歸一化，得到特征向量ωi，計算公式如下：

式中，n為模糊一致判斷矩陣的階數；[a]與權重的差異度成反比，本研究取[a]=（[n]-1）/2。

對一級指標、二級指標分別建立模糊互補判斷矩陣，利用模糊互補判斷矩陣的差作檢驗［27］，經驗證后根據式（3）將模糊互補判斷矩陣轉化為模糊一致判斷矩陣，根據式（5）進行計算，得到一級指標中自然地理、人為影響、生物多樣性的權重（表3），分別為0.38、0.31、0.31，經過線型加權得到植被覆蓋度、人口密度、土地利用類型、高程、坡度、水域緩沖區的權重，分別為0.31、0.12、0.19、0.16、0.13、0.09，權重和為1.00。

2.3 空間疊加分析

通過模糊層次分析法得到各單因子的權重，利用GIS軟件的空間疊加功能對單因子進行疊加計算，公式如下：

式中，[Si]為第i個柵格單元的綜合評價值；[Ai]為第i個因子的生態敏感性評價值；[ωi]為第i個評價因子的權重；n為評價因子個數；i為評價因子。

3 結果與分析

3.1 單因子敏感性分析

3.1.1 植被覆蓋度生態敏感性分析 由表4、圖1可知，鄭州市植被覆蓋整體較好，高度敏感區、中度敏感區面積分別為3 725.75、2 484.04 km2，占研究區總面積的49.12%、32.75%；高度敏感區主要分布在鄭州市西部嵩山、南部箕山、潁河、雙洎河沿岸及東部海拔較低的平原耕地區；中度敏感區在除鄭州市東部的中心區外整體分布均勻。低敏感區、不敏感區面積分別為1 215.15、159.93 km2，占研究區總面積的16.02%、2.11%；低敏感區主要分布在鄭州市中心城區以及下轄鞏義市、登封市、新鄭市等城鄉接合處的居民聚居區；不敏感區主要分布于鄭州市北部黃河水體區域。嵩山山地和黃河濕地是鄭州市植物資源分布的典型區域，應重點加以保護，在植被覆蓋度較低區域采取措施恢復植被，調節局部地區小氣候。

3.1.2 高程生態敏感性分析 研究區地勢總體由西南向東北階梯狀下降。由表4、圖2可知，高度敏感區面積為365.67 km2，占研究區面積的4.82%，主要分布于鄭州市西部嵩山地區；中度敏感區面積815.04 km2，占研究區總面積的10.75%，主要分布于鄭州市西部低山丘陵區；不敏感區主要分布于鄭州市北部黃河流域及東部平原區域，地勢較平坦，因此生態敏感性低；低敏感區分布于高海拔中、高敏感區周圍，處于鄭州市西部山地、丘陵和東部平原的中間區域，是城市中心發展區與嵩山山地的過渡地帶。

3.1.3 坡度生態敏感性分析 由表4、圖3可知，研究區整體以坡度小于5°的不敏感區為主，面積為" " 3 704.37 km2，占研究區總面積的48.84%，主要分布于鄭州市東部，區域地勢平坦、坡度較緩、海拔較低，為鄭州市中心區及下轄鞏義市、新鄭市城市建成區域，是城市發展的首選區域；坡度5°～10°的低敏感區面積為2 296.09 km2，占研究區總面積的30.27%，主要分布于鄭州市西部的低山周圍，是平原-低山地形變化的過渡區域；高度敏感區面積為791.32 km2，占研究區總面積的10.43%，主要分布于嵩山山地區域，該區域海拔較高，坡度較大，在汛期雨季易發生地質災害；中度敏感區面積為793.09 km2，占研究區總面積的10.46%，嵩山、箕山及黃河流域部分區域均有分布。

3.1.4 水域緩沖區生態敏感性分析 由表4、圖4可知，研究區內主要以不敏感區為主，面積為6 654.60 km2，占研究區總面積的87.74%，主要分布于距水域大于1 000 m的緩沖區內，距離河流較遠；低敏感區面積為433.75 km2，占研究區總面積的5.72%；研究區高度敏感區、中度敏感區面積分別為104.41、392.11 km2，占研究區總面積的1.37%、5.17%，集中分布于黃河干流、賈魯河、雙洎河、潁河流域周圍500 m內，整體呈離水體越遠、敏感性越低的趨勢。

3.1.5 人口密度生態敏感性分析 由表4、圖5可知，鄭州市人口密度不敏感區和低敏感區面積較少，分別為5.34、82.08 km2，占研究區總面積的0.07%和1.08%，集中分布在鄭州市中心城區；中度敏感區面積為716.39 km2，占研究區總面積的9.45%，主要包括鄭州市中心建成區及下轄市縣的居民聚集地；高度敏感區面積6 781.06 km2，占研究區總面積的89.40%，主要分布在人口密度相對較低的區域。

3.1.6 土地利用類型生態敏感性分析 由表4、圖6可知，研究區土地利用類型高度敏感區面積為" " " " 2 185.74 km2，占研究區總面積的28.82%，主要分布于鄭州市北部黃河水域、西部嵩山低山區以及南部邊界箕山丘陵區等地，該區域抗人為擾動能力弱，生態價值較高；中度敏感區面積為2 195.25 km2，占研究區總面積的28.94%，主要分布于嵩山以南、箕山以北中間條帶狀區域以及黃河流域周邊區域；低敏感區面積為1 238.91 km2，占研究區總面積的16.33%，整體分布較零散，鄭州市西北部丘陵區及東部平原區均有分布；不敏感區面積為1 964.97 km2，占研究區總面積的25.91%，主要包括鄭州市中心區及其周邊區域，此區域人口密度大，城市化水平高，主要存在城市發展與生態環境之間的協調問題。

3.2 多因子生態敏感性綜合分析

利用GIS對各因子進行加權疊加，結果如表5、圖7所示。研究區高度敏感區面積為2 213.983 km2，占研究區總面積的29.19%，主要分布在嵩山和箕山坡度較大的低山丘陵區，嵩山自然資源、文化資源豐富，自然風光秀麗，人文底蘊豐厚，除少林景區外，國家級風景名勝區嵩山世界地質公園也位于此，此區域生態價值高，生態承載力較低，易受人為活動的干擾，面臨泥石流、火災等自然災害以及工業污染、過度開發等人為因素的影響，應在現有旅游開發基礎上進行重點保護，盡量減少人為因素對自然環境的影響。

中度敏感區主要分布于鄭州市北部黃河流域、東部平原以及西部高度敏感區周邊區域，面積為" " " "2 809.957 km2，占研究區總面積的37.05%，該區域是重要的緩沖區，在城市發展、土地利用、生態保護等方面起重要作用。隨著黃河高質量發展戰略的提出，鄭州市對于黃河濕地沿岸生態建設也愈加重視，2021年12月正式發布《鄭州建設黃河流域生態保護和高質量發展核心示范區總體發展規劃（2020—2035年）》和《鄭州建設黃河流域生態保護和高質量發展核心示范區起步區建設方案（2020—2035年）》，應在此基礎上加以落實，加強黃河生態功能區的建設。

低敏感區面積為1 595.459 km2，占研究區總面積的21.03%，主要分布于黃河水域及鄭州市東部的城市中心規劃區周邊區域，該區域的建設應堅持適度開發的原則，避免高強度開發對生態環境的過度干擾。

不敏感區主要分布于鄭州市東部的市中心發展區及下轄的中牟縣、新鄭市城市建成區域，西部局部地區也有零散分布，面積為965.472 km2，占研究區總面積12.73%，該區域經濟發展好，是鄭州市中心發展區域，人口密度大，土地利用類型主要是人為建設用地，原有的自然土地植被已被人為改造成居住用地及產業用地等，生態環境承載力較高，該區域是鄭州市發展的優化發展區，可以通過合理規劃土地利用等措施改善生態環境現狀，努力建設基于生態自然本底的城市經濟發展區。

4 小結與討論

本研究以鄭州市為研究對象，從生物多樣性、人為影響、自然地理3方面出發，對鄭州市生態敏感性進行綜合評價分析。研究區整體以中度敏感區為主，占研究區總面積的37.05%，主要分布于鄭州市北部黃河流域、東部平原以及西部嵩山周邊區域；其次為高度敏感區，占研究區總面積的29.19%，主要分布在嵩山和箕山坡度較大的低山丘陵區；低敏感區占研究區總面積的21.03%，主要分布于鄭州市北部黃河水域及東部的城市中心規劃區周邊區域；不敏感區面積占研究區總面積的12.73%，主要分布于鄭州市域東部的市中心區及下轄的中牟縣、新鄭市城市建成區域，西部局部地區也有零散分布。本研究根據生態敏感性等級對鄭州市域進行區劃劃分，為區域生態文明建設以及土地資源的合理配置提供科學依據［11］。

植被類型、郁閉度等指標也會對生物多樣性下的生態敏感性產生影響，由于資料等原因限制，本研究僅采用植被覆蓋度來反映區域生物多樣性特征，相應指標體系還需進一步完善。鄭州市位于中原腹地，城市人口是影響區域城市生態系統的重要因素，本研究以夜光遙感衛星燈光數據模擬大致的區域人口密度分布狀況，該模型仍需結合詳細的人口數據進一步改進和完善。城市水系分布復雜，城市洪澇災害多有發生，水系環境的分析還需進一步深入研究。

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收稿日期：2022-06-20

基金項目：國家自然科學基金項目（31600579）

作者簡介：王亞楠（1998-），女，河南滑縣人，碩士，主要從事風景園林規劃設計研究，（電話）18437902010（電子信箱）xmxw2268@163.com；通信作者，孔德政（1964-），男，江蘇高淳人，教授，博士，主要從事風景園林植物、規劃設計研究，（電話）13937116636（電子信箱）kzxy303@163.com。