石玉瓊， 李團勝， 史小惠， 康歡歡， 閆穎

(1.山西農(nóng)業(yè)大學林學院，太谷 030801; 2.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054)

榆林地區(qū)景觀生態(tài)敏感性時空特征

石玉瓊1， 李團勝2， 史小惠2， 康歡歡2， 閆穎2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學林學院，太谷 030801; 2.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054)

景觀生態(tài)敏感性分析是生態(tài)環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一。為了分析榆林地區(qū)景觀生態(tài)敏感性時空特征，用10 km×10 km敏感性分析網(wǎng)格，把榆林地區(qū)劃分為527個單元樣地，采用加權和法，計算每個單元的2000年、2005年和2010年3個時期的景觀生態(tài)敏感性指數(shù)，并在ArcGIS中進行Kriging空間插值，得到3個時期的景觀生態(tài)敏感性圖。結果表明： 2000—2005年，輕度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)的面積增大，中度和高度敏感區(qū)的面積減小，景觀生態(tài)敏感性呈減弱趨勢; 2005—2010年，輕度敏感區(qū)的面積大大減小，中度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)的面積均有增加，而高度敏感區(qū)的面積顯著增加，整體上景觀生態(tài)敏感性呈增大趨勢。

景觀生態(tài)敏感性； GIS； Kriging插值； 榆林

0 引言

生態(tài)敏感性是反映在現(xiàn)有自然環(huán)境背景下，人類活動干擾和自然環(huán)境變化導致發(fā)生區(qū)域生態(tài)或環(huán)境問題的難易程度及其可能性大小[1]，體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)對由于內(nèi)在和外在因素綜合作用引起的環(huán)境變化響應的強弱程度[2-3]。敏感性高的區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)容易受損，應該是生態(tài)環(huán)境保護和恢復建設的重點，也是人為活動受限或禁止的地區(qū)。Suffling[4]提出從生態(tài)敏感到生態(tài)擾動的指標。之后，生態(tài)敏感性的研究相當廣泛，如雨林對選擇性伐木的生態(tài)敏感性[5]、大陸架生態(tài)敏感性[6]、農(nóng)業(yè)景觀生境對氣候變化的敏感性[7]、景觀對環(huán)境快速變化的敏感性[8]，未利用地開發(fā)的生態(tài)敏感性[9]，沙漠化敏感性[10]、水土流失或土壤侵蝕敏感性[11-18]、土地生態(tài)敏感性[19-20]、區(qū)域生態(tài)敏感性[1, 21-26]等，另外還有利用生態(tài)敏感性來評價生態(tài)旅游對森林植被景觀的影響[27]以及分析區(qū)域生態(tài)或環(huán)境脆弱性[2, 28-29]等。目前對生態(tài)敏感性的研究主要集中在對單一環(huán)境要素的研究，如酸沉降、鹽漬化、沙漠化及土壤侵蝕等，并呈現(xiàn)出從單一生態(tài)敏感性因子研究向綜合敏感性研究發(fā)展的趨勢[24]。但對景觀生態(tài)敏感性研究比較少，從研究尺度上看，包含了國家、流域、省域和市/縣域尺度，目前研究方法尚不統(tǒng)一，處于探索與發(fā)展階段，指標體系的選擇也存在較大的隨意性，沒有統(tǒng)一標準[26]； 從研究方法上來看，主要有極大值法[9, 21, 25]、加權和法[26, 30-31]以及幾何平均法[17, 24]等。景觀作為生物的生存環(huán)境，具有綜合特征和明晰的地域特征，對景觀生態(tài)敏感性研究具有十分重要的意義。因此，本文基于GIS對榆林地區(qū)景觀生態(tài)敏感性進行時空分析。

1 研究區(qū)概況

榆林地區(qū)位于陜西省最北部，地理坐標范圍為E107°15′～111°15′，N36°57′～39°35′，總面積43 578 km2，轄1區(qū)11縣(圖1)。研究區(qū)地貌上可分為2大單元，即位于毛烏素沙漠南緣的風沙灘地區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)，二者大體以長城為界。毛烏素沙漠南緣的風沙灘地區(qū)屬鄂爾多斯高原的一部分，黃土丘陵溝壑區(qū)屬黃土高原的一部分。研究區(qū)氣候屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫10℃，年平均降水量400 mm左右，年內(nèi)降水多集中于6—9月份。研究區(qū)是陜西省唯一包括外流河和內(nèi)陸河流域的地市級區(qū)域。外流河全部屬于黃河水系； 內(nèi)陸河分布在神木、定邊縣北部的沙地閉流區(qū)。主要土類有風沙土、黃綿土、新積土、灰鈣土、栗鈣土、黑壚土和鹽土等。地帶型植被為干草原和森林草原，主要類型有森林、干草原、灌叢、草甸、沙生植被及鹽生植被等。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，有煤、天然氣、石油及鹽等，目前為陜北能源化工基地的核心區(qū)域。

圖1 榆林地區(qū)行政區(qū)劃示意圖

2 研究方法

在對2000年、2005年和2010年3期ETM遙感影像(時相均為7—9月)進行解譯，得到3期景觀圖(圖2)的基礎上，根據(jù)主導因素、代表性、可操作性和綜合性原則，結合研究區(qū)實際情況，選取自然因素(水土流失因子和沙漠化因子)和人為因子作為評價研究區(qū)景觀生態(tài)環(huán)境敏感性的指標，并將整個研究區(qū)域以10 km×10 km的格網(wǎng)進行劃分，共得到527塊樣地，分別計算每塊樣地的敏感性，然后利用ArcGIS中的Kriging空間插值方法，得到敏感性圖。在評價敏感性時先進行單因子評價，然后進行綜合評價。把敏感性分為極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感5個等級。

(a) 2000年 (b) 2005年 (c) 2010年

圖2 榆林地區(qū)景觀圖

2.1 水土流失敏感性

僅考慮在自然狀況下對水土流失影響較大的土壤質地、地形起伏度和植被或土地利用等因子，制定水土流失敏感性分級標準(表1)，利用表1所列的分級標準進行等級劃分，先評價各因子的敏感性，然后評價水土流失敏感性。

表1 水土流失敏感性分級標準

計算各因子敏感性指數(shù)公式為

(1)

式中:Si為水土流失某一因子i的敏感性指數(shù)；cik為因子i第k級所占面積比；wk為第k級的權重。依據(jù)相關文獻的方法及專家打分結果，以水土流失敏感性為目標層，以不同敏感等級為指標層，對指標層于目標層的相對重要性進行比較，利用IDRISI 軟件中權重確定工具模塊構造判斷矩陣，并計算出研究區(qū)各個等級的權重(本文凡是涉及有關因子的權重確定方法都與此相同)。不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感的權重分別確定為0.05，0.1，0.2，0.25和0.4。

按照公式(1)計算出土壤質地、植被、地形起伏度等3個單因子敏感性指數(shù)。其中土壤質地和植被敏感性是按照土壤質地圖和景觀圖獲取每個樣地(方格)單元內(nèi)不同敏感級別的面積比，依據(jù)公式(1)來計算527塊樣地的敏感性指數(shù)； 地形起伏敏感性指數(shù)的計算是根據(jù)研究區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，以5 km×5 km移動窗口為標準，獲取地形起伏度，劃分為5個等級。然后再計算每個樣地內(nèi)不同敏感等級的面積比，最后按照公式(1)計算得出527塊樣地的地形起伏度敏感性指數(shù)。

計算水土流失敏感性指數(shù)公式為

(2)

式中:Esoil為水土流失敏感性指數(shù)；Si為因子i的敏感性指數(shù)；Wi為因子i的權重，其中地形起伏度、土壤質地因子和植被因子的權重分別為0.4，0.2和 0.4。

2.2 沙漠化敏感性

依據(jù)研究區(qū)土地覆蓋情況，在風沙區(qū)范圍內(nèi)將沙漠化敏感性同樣劃分為5個等級，按照表2中賦予各個等級的權重值計算加權和，公式為

(3)

式中：Esand為沙漠化敏感性指數(shù)；Ck為第k級所占面積比；Wk為第k級的權重。

表2 沙漠化敏感性等級及其權重

2.3 人為因素敏感性

由于耕地、工礦用地、城鎮(zhèn)居民點景觀是受人為影響較大的景觀類型，也主要是人類活動的產(chǎn)物，因此以這3類景觀面積之和占總面積的比例作為人為因子敏感性指數(shù)。計算公式為

(4)

式中:Ehuman為人為敏感性指數(shù)；A1，A2和A3分別為耕地、工礦用地及城鎮(zhèn)居民點景觀類型面積，hm2；A為總面積，hm2。

2.4 景觀生態(tài)敏感性

利用加權和法計算景觀生態(tài)敏感性指數(shù)，計算公式為

E=EsoilW1+EsandW2+EhumanW3,

(5)

式中:E為景觀生態(tài)敏感性指數(shù)；W1,W2和W3分別為水土流失、沙漠化以及人為因素的權重，其值分別為0.28,0.28和0.44。

針對527塊樣地分別計算景觀生態(tài)敏感性指數(shù)之后，在ArcGIS中進行Kriging插值，直觀地分析研究區(qū)景觀生態(tài)敏感性的空間差異。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，3個時期的景觀敏感性指數(shù)最大值為0.512，指數(shù)值主要在0.06～0.24之間，為了能比較3個時相的景觀敏感性相對大小及空間分布，按照等間距法把敏感性指數(shù)分為5級，來表示敏感性程度的相對分級：E<0.06 為不敏感，0.06≤E<0.12為輕度敏感，0.12≤E<0.18為中度敏感，0.18≤E<0.24為高度敏感，E≥0.24為極度敏感。

3 結果與分析

從敏感性分級來看，在3個時期內(nèi)，研究區(qū)均無不敏感區(qū)，2000年(圖3(a))，輕度敏感區(qū)占全地區(qū)面積的21.767%，中度敏感區(qū)面積占62.461%，高度敏感區(qū)面積占10.447%，極度敏感區(qū)面積占5.325%，以中度敏感區(qū)為主。輕度敏感區(qū)主要分布在東部； 中度敏感區(qū)范圍較大，主要分布在府谷、神木、榆陽、子洲、綏德和橫山這6個縣(區(qū))的大部分地區(qū)以及米脂、靖邊的東南部； 高度敏感區(qū)主要分布在靖邊的西部、定邊的中部和南部； 極度敏感區(qū)主要分布在定邊的中西部。

2005年(圖3(b))，輕度敏感區(qū)占全區(qū)面積的40.337%，中度敏感區(qū)面積占全地區(qū)面積的40.362%，高度敏感區(qū)面積占9.247%，極度敏感區(qū)面積占10.054%，主要以輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)為主。輕度敏感區(qū)主要分布在東南部，具體為府谷的東南部、神木的東南部、吳堡、米脂、綏德、清澗、子洲、橫山的東部和靖邊的西南部； 中度敏感區(qū)主要分布在研究區(qū)西北部，具體為府谷的北部與西北部、神木的中部、榆陽的大部、橫山的北部與西北部、靖邊的大部、定邊的南部； 高度敏感區(qū)主要分布在神木的西北部； 極度敏感區(qū)主要在定邊縣中西部。

2010年(圖3(c))，輕度敏感區(qū)面積占全地區(qū)面積的1.067%，中度敏感區(qū)面積占全地區(qū)面積的43.582%，高度敏感區(qū)面積占41.312%，極度敏感區(qū)面積占14.039%。輕度敏感區(qū)范圍很小，主要分布在神木東南部； 中度敏感區(qū)主要分布在東部、中部以及東南部； 高度敏感區(qū)主要分布在神木西北部、榆陽的西北部、佳縣的東南部、吳堡的幾乎全部、子洲的東北部及中部，靖邊的中東部、定邊的南部和西北部； 極度敏感區(qū)主要分布在定邊的中部、靖邊的西北部以及綏德的東北部與佳縣和吳堡的交界處。

(a) 2000年 (b) 2005年 (c) 2010年

圖3 榆林地區(qū)2000年、2005年和2010年景觀生態(tài)敏感性等級

2000年全區(qū)以中度敏感區(qū)為主，2005年以輕度和中度敏感區(qū)為主，輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)面積相當，二者共占到全地區(qū)面積的80%以上； 2000—2005年，輕度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)的范圍增大了，中度和高度敏感區(qū)的范圍縮小了?？梢姡?000—2005年景觀生態(tài)敏感性總體在減弱。東部黃土丘陵溝壑區(qū)，輕度敏感區(qū)范圍擴大，中度敏感區(qū)范圍減小，主要得益于退耕還林政策的實施。定邊中部和北部地形相對比較平坦，土壤質地為沙壤土和沙土，中部耕地面積大且集中連片，居民點數(shù)量多，人為活動強烈，加之這里屬一年一熟農(nóng)作區(qū)，一年當中有多半時間地表裸露，因而，極度敏感區(qū)集中在這里，由于耕地面積2000—2005年有所增加，范圍向北向南擴張，因而極度敏感區(qū)面積也有所擴大，且空間范圍的變化和耕地相同。

2005—2010年，輕度敏感區(qū)的面積縮小，中度敏感區(qū)的面積略有增加，而高度敏感區(qū)的面積大幅度增加，極度敏感區(qū)面積也有所增加，整體敏感性增強，這主要是礦產(chǎn)資源開發(fā)所導致。原國家計委于2003年3月正式批準陜北能源化工基地在榆林啟動建設后，榆林開始大規(guī)模招商引資，榆林工業(yè)園區(qū)多達26個，能源重化工企業(yè)的重大項目及基礎設施建設290多個，幾乎遍布整個區(qū)域。資源開發(fā)及園區(qū)建設的盲目進行，使本來就非常脆弱的生態(tài)環(huán)境猶如雪上加霜。研究表明，全區(qū)僅煤田開發(fā)一項就造成1.73×104hm2的植被被毀，新增沙漠化土地近2.0×104hm2。神木縣有0.35×104hm2林地因地表塌陷，水位下降而干枯死亡。府谷縣因地表塌陷等原因造成林木枯死面積達到1.07×104hm2。榆林北部風沙區(qū)地下水位由原來的1～2 m下降到30～50 m以下，全市4大河流(無定河、窟野河、禿尾河和佳蘆河)夏季基本斷流，全地區(qū)有8個縣城嚴重缺水?；亻_發(fā)和大量能源化工項目的實施，使得原本缺水的榆林地區(qū)的地下水系統(tǒng)遭致破壞，地下水位下降，地表水斷流，濕地萎縮，僅神木縣境內(nèi)就有10條河斷流，20多眼泉井干枯?？咭昂觾砂洞笮∶旱V的連片開發(fā)，造成該河全年有三分之二時間斷流，變成季節(jié)性河流。全市湖泊由開發(fā)前的869個減少為79個。植被遭到嚴重破壞，僅4條輸氣干線就破壞植被10 000 hm2。植被的破壞導致水土流失加劇，土地沙化蔓延，目前榆林沙化土地面積累計已達2.44×106hm2。據(jù)近10 a來的數(shù)據(jù)測定，流動沙丘年擺動前移速度為1.25～5.50 m，年風蝕深度為12.25 cm，最大達63.3 cm，年輸沙5 757.9×104t，坡耕地平均流失120 t/hm2[32]。可見2005—2010年景觀生態(tài)敏感性增大，主要與能源基地的建設和礦產(chǎn)資源開發(fā)有關。盡管陜北能源化工基地建設是本著把資源開發(fā)好，把生態(tài)保護好的原則，但礦產(chǎn)資源開發(fā)尤其是地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)不可避免地會破壞地下水系統(tǒng)，進而殃及地表水系統(tǒng)。同時大量的開發(fā)建設者蜂擁而至，無疑增加了該區(qū)的負擔，使原本承載力比較小的自然環(huán)境更加不堪重負，勢必增加生態(tài)脆弱的風險，增強景觀生態(tài)的敏感性。因此，如何協(xié)調脆弱的生態(tài)與開發(fā)建設之間的矛盾，如何走社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的道路，是各級部門應該深思的問題。

4 結論

1)2000年，研究區(qū)內(nèi)以中度敏感區(qū)為主； 2005年，以輕度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)為主； 2010年，以中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)為主。

2)2000—2005年，輕度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)的范圍增大，中度和高度敏感區(qū)的范圍縮小，整體景觀生態(tài)敏感性在減弱； 2005—2010年，輕度敏感區(qū)的面積大大縮小，中度敏感區(qū)的面積略有增加，而高度敏感區(qū)的面積大大增加了，極度敏感區(qū)面積也存在一定的增加，整體景觀生態(tài)敏感性增大。

3)2000—2005年生態(tài)敏感性降低，主要是退耕還林政策的實施，而2003年后大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)以及各種工業(yè)園區(qū)的建設，能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人類活動的增強，是導致2010年生態(tài)敏感性增大的主要因素。因此，如何協(xié)調資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的關系，在資源開發(fā)的同時，改善生態(tài)環(huán)境已成為榆林地區(qū)當前應該深思的問題。

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(責任編輯： 邢宇)

Spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity in Yulin area

SHI Yuqiong1, LI Tuansheng2, SHI Xiaohui2, KANG Huanhuan2, YAN Ying2

(1.CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2.CollegeofEarthScienceandResources,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

The analysis of landscape ecological sensitivity is one of the important research objects of ecological environment. In order to analyze the spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity, the authors divided Yulin area into 527 units by 10 km×10 km grids. The index of landscape ecological sensitivity for each unit was calculated by weighted sum method, and then interpolated by Kriging in ArcGIS to get the landscape ecological sensitivity map. According to sensitivity index, landscape ecological sensitivity was classified into 5 levels: Insensitive, mild, moderate, high and extreme. From 2000 to 2005, the area of mild level and extreme level increased, and that of moderate level and high level decreased, with the weakening of landscape ecological sensitivity. From 2005 to 2010, the area of mild level decreased greatly, the area of moderate level and high level increased slightly, the area of high level increased greatly, and the area of extreme level also increased, with the increase of the landscape ecological sensitivity.

landscape ecological sensitivity； GIS； Kriging interpolation； Yulin

10.6046/gtzyyg.2017.02.24

石玉瓊,李團勝,史小惠,等.榆林地區(qū)景觀生態(tài)敏感性時空特征[J].國土資源遙感,2017,29(2)：167-172.(Shi Y Q,Li T S,Shi X H,et al.Spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity in Yulin area[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2)：167-172.)

2015-11-20；

2015-12-21

國家自然科學基金項目“榆林地區(qū)景觀生態(tài)風險時空特征研究”(編號： 31140042)、陜西省軟科學計劃項目“陜北能源化工基地生態(tài)風險分析與評價”(編號： 2007RK21)和長安大學中央高?；痦椖俊巴恋鼗哪u價與動態(tài)監(jiān)測方法研究——以陜北靖邊縣黃土高原區(qū)為例”(編號： 2013G1271102)共同資助。

石玉瓊(1985-)，女，碩士，講師，主要從事土地規(guī)劃方向的研究。Email: yuqiongsh@chd.edu.cn。

李團勝(1963-),男,教授,主要從事遙感與土地方向研究。Email： tuanshen@chd.edu.cn。

TP 79; X 826

A

1001-070X(2017)02-0167-06