宋沛林，陳 默，呂金鑫，張 聰，王小宇

(山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590)

為了加強流域生態(tài)環(huán)境的保護，自然資源的合理開發(fā)，對其展開生態(tài)敏感性評價非常重要。生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)受到人類和自然環(huán)境的干擾，表征出生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程所表現(xiàn)出的難易程度和可能性大小，是分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性的主要方法之一[1- 2]。對流域范圍內(nèi)生態(tài)敏感性的合理評價和深入分析，能為政府相關(guān)部門制定土地規(guī)劃以及資源開發(fā)策略等提供科學(xué)依據(jù)。

目前，對于生態(tài)敏感性的研究國內(nèi)學(xué)者已從單一生態(tài)敏感性問題發(fā)展到綜合多個生態(tài)敏感因子的評價[3- 5]。由于研究區(qū)域的不同，區(qū)域類別以及研究尺度大小差異，目前還未形成具體的生態(tài)敏感性規(guī)范指標(biāo)體系，因此對于不同主題的研究區(qū)域，生態(tài)敏感性評價指標(biāo)的選取及其權(quán)重的計算具有特殊性[6- 7]。本文結(jié)合南渡江流域的自然條件、生態(tài)問題以及數(shù)據(jù)可獲取性，從遙感影像數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中確定了8個指標(biāo)，包括高程、坡度、地形起伏度、土壤侵蝕、土地覆蓋、水體緩沖、降雨侵蝕力和植被覆蓋度，并根據(jù)專家打分結(jié)合層次分析法確定上述生態(tài)敏感指標(biāo)的權(quán)重，基于GIS的多因子加權(quán)求和模型以及自然斷點法將其流域生態(tài)敏感性劃分為5個等級，再通過空間聚集性分析對其生態(tài)敏感性等級的空間分布進行研究，為南渡江流域的生態(tài)保護和資源開發(fā)等提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

南渡江流域是中國海南島最大的河流，流域面積約占海南島面積的21%，海拔范圍為-22～1795m，平均海拔高度177m，如圖1所示。地勢呈西南高東北低，降雨量南部多于北部。流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，發(fā)源于南峰山，干流斜貫海南島中北部，流經(jīng)白沙、瓊中、儋州、澄邁、屯昌、定安、瓊山等市縣至?？谏成细蹍R入瓊州海峽。主要支流有龍州河、大塘河、腰子河等。流域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，其中5—10月為雨季，占年雨量的85%。

圖1 南渡江流域高程分布圖

1.2 研究數(shù)據(jù)及處理

本研究的數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，其中遙感影像數(shù)據(jù)為分辨率30m的Landsat 8影像，通過GEE平臺對研究區(qū)域內(nèi)影像進行去云處理(2020年5月1日—9月30日)；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為數(shù)字高程模型(DEM)，通過對DEM表面分析和水文分析得到坡度、地形起伏度和南渡江流域范圍，世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)土壤數(shù)據(jù)集(v1.2)，通過土壤空間位置和屬性(沙子、淤泥、粘土和有機碳的百分比體積)的數(shù)據(jù)，計算得到土壤侵蝕性，降水?dāng)?shù)據(jù)通過對2020年海南省氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)克里金插值得到，中科院2020年30m分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

由于區(qū)域差異性的存在，針對不同的研究區(qū)，通常需要因地制宜地選取評價因子，如當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境狀況與地形地貌等特點[8]。本文根據(jù)南渡江流域的數(shù)據(jù)可獲取性、自然生態(tài)環(huán)境條件以及代表性原則從水體分布、地表覆蓋、地形地貌及生態(tài)環(huán)境等方面選取了高程、坡度、地形起伏度、土壤侵蝕、土地覆蓋、水體緩沖、降雨侵蝕力和植被覆蓋度8個生態(tài)敏感性因子構(gòu)建評價指標(biāo)體系。參考目前的研究，結(jié)合南渡江地理情況，將流域內(nèi)生態(tài)敏感性程度劃分為非敏感(1分)、低敏感(3分)、中敏感(5分)、高敏感(7分)和極高敏感(9分)5個等級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

本文選取層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)確定各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重，AHP是一種多目標(biāo)決策分析方法，它將定性與定量相結(jié)合使其定性因素定量化，其核心思想是將專家經(jīng)驗定量化，同時，相比較其他根據(jù)數(shù)據(jù)分布客觀賦權(quán)更加方便實用[9]。其步驟主要包括：

(1)層次結(jié)構(gòu)模型的建立。

(2)通過專家對各生態(tài)敏感因子打分對各指標(biāo)兩兩相互比較構(gòu)建判斷矩陣：

(1)

式中，aij—因子i與因子j相對重要性的比較結(jié)果。

(3)計算各生態(tài)敏感因子權(quán)重以及一致性檢驗：

(2)

(3)

表1 生態(tài)敏感性評價體系

式中，CI—偏離性一致性指標(biāo)；λmax—矩陣最大特征根；n—矩陣階數(shù)；RI—隨機性一致性指標(biāo)；CR—一致性檢驗值。

通過AHP對各生態(tài)敏感性指標(biāo)計算得到一致性檢驗值CR=0.006，由于CR<0.1，符合一致性檢驗，各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重見表2。

表2 評價指標(biāo)權(quán)重

2.3 生態(tài)敏感性綜合評價

通過多因子加權(quán)求和模型，將各生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重進行加權(quán)疊加計算，最終得到研究區(qū)域生態(tài)敏感性綜合評價結(jié)果[10]，計算公式如下：

(4)

式中，Pi—第i個評價指標(biāo)生態(tài)敏感性權(quán)重；Xi—第i個生態(tài)敏感性評價指標(biāo)；n—評價指標(biāo)個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子敏感性評價分析

3.1.1地形地貌敏感性評價

南渡江流域地形地貌敏感性評價包含高程、坡度和地形起伏度，敏感性等級均從東北方向由西南方向過渡且增大，其中高程和地形起伏度敏感性分布相似，高敏感區(qū)和極高敏感區(qū)占比較少，占總流域面積分別為6.93%、7.19%；坡度是造成水土流失的重要因素，南渡江流域范圍內(nèi)坡度非敏感和低敏感等級分布較為集中，其中坡度高敏感和極高敏感區(qū)域離水體范圍較遠，累計占比為12.73%，結(jié)果見表3，如圖2a、2b、2c所示。

3.1.2土壤侵蝕敏感性評價

南渡江流域土壤類型豐富，大部分屬于非敏感類別，其中非敏感和低敏感區(qū)面積和為5923.17km2部分，占比總流域面積的82.99%，在各類敏感等級中，土壤侵蝕對流域生態(tài)產(chǎn)生重要影響的是高敏感區(qū)和極高敏感區(qū)，占比和為14.82%，主要分布在流域北部，該地區(qū)為流域下游部分，土壤侵蝕容易導(dǎo)致土地被破壞以及河床抬升導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，結(jié)果見表3，如圖2d所示。

圖2 南渡江流域單因子生態(tài)敏感性分布圖

表3 南渡江流域各敏感性評價指標(biāo)分級統(tǒng)計

3.1.3土地覆蓋敏感性評價

隨著社會發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的改造，土地覆蓋類型主要受人類改造的影響。南渡江流域土地覆蓋類型以耕地、草地、林地、水域和建設(shè)用地及未利用土地為主，不同的土地類別使得生態(tài)服務(wù)功能和對人為活動擾動的反應(yīng)程度存在差異[11]。流域內(nèi)林地覆蓋較多，使得生態(tài)敏感性整體偏高，高敏感和極高敏感區(qū)占比和為66.62%，其流域西南地區(qū)幾乎為中敏感以上且極高敏感分布最多，主要是該地區(qū)為水體最大且林地覆蓋較多，結(jié)果見表3，如圖2e所示。

3.1.4水體緩沖敏感性評價

水體是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，南渡江水體主要由西南流向東北以及位于南渡江上游的松濤水庫，水體的生態(tài)敏感性無論是在流域還是其他生態(tài)系統(tǒng)中基本處于較高的程度且隨著水體距離緩沖越遠敏感性程度逐層遞減。南渡江流域內(nèi)高敏感和極高敏感區(qū)面積為508.44km2，占比總流域面積的7.13%，非敏感區(qū)面積4633.78km2，占比64.92%，主要是距離水體1000m以外的耕地、草地、林地和建設(shè)用地及未利用土地等的非水體區(qū)域，結(jié)果見表3，如圖2f所示。

3.1.5降雨侵蝕力敏感性評價

降雨侵蝕力的不穩(wěn)定性是導(dǎo)致流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定的重要因素之一，本文選用王萬中[12]等根據(jù)南方實測的數(shù)據(jù)提出的年降雨侵蝕力計算方法，首先根據(jù)海南島氣象站點日降水?dāng)?shù)據(jù)逐步得到月降雨、年降雨侵蝕力，其次，對各氣象站點計算的降雨侵蝕力進行克里金插值法處理得到南渡江流域的降雨侵蝕力，最后再通過自然斷點法將降雨侵蝕敏感性劃分為5個敏感等級，結(jié)果見表3，如圖2g所示。

3.1.6植被覆蓋度敏感性評價

植被覆蓋度是反映植物進行光合作用面積的大小以及植被生長的茂盛程度，能夠在一定程度上代表植被的生長狀態(tài)和生長趨勢[13]。南渡江流域植被覆蓋較多，生態(tài)敏感性整體偏高，高敏感和極高敏感區(qū)面積6083.71km2，占流域總面積的85.24%，植被覆蓋度最高的區(qū)域為流域西南地區(qū)，結(jié)果見表3，如圖2h所示。

3.2 生態(tài)敏感性綜合評價分析

通過多因子加權(quán)求和模型，根據(jù)各生態(tài)敏感指標(biāo)權(quán)重計算并通過自然斷點法將其南渡江流域生態(tài)敏感性分為5個等級，生態(tài)敏感性綜合評價分布如圖3所示，綜合評價指數(shù)范圍為1～8.18，平均值為4.86，整體生態(tài)敏感性適中，分布統(tǒng)計結(jié)果見表4。南渡江流域非敏感區(qū)(敏感指數(shù)1～3.51)占比最少，為6.66%，其土地覆蓋主要是建設(shè)用地和未利用土地，該地區(qū)是人類主要活動的區(qū)域；低敏感區(qū)(敏感指數(shù)3.51～4.35)，占比19.49%，主要分布在流域內(nèi)河流水域；中敏感區(qū)(敏感指數(shù)4.35～5.03)、高敏感區(qū)(5.03～5.67)分別占總面積的26.11%和32.83%，其中高敏感區(qū)主要集中分布在流域上游西南地區(qū)，中敏感區(qū)主要分布在河流、水庫和人類活動區(qū)域周圍，這部分區(qū)域起到對極高敏感區(qū)域緩沖和一定的保護的作用，該地區(qū)應(yīng)重點增加植被覆蓋和控制水土流失，逐步修復(fù)受到損害的生態(tài)環(huán)境；極高敏感區(qū)主要分布在河流和水體周圍、降雨量較高和植被覆蓋度極高的地區(qū)，該地區(qū)具有很高的生態(tài)價值，應(yīng)該作為生態(tài)保護的重點地區(qū)并加強對該地區(qū)開發(fā)建設(shè)和人類活動的控制。

圖3 南渡江流域綜合生態(tài)敏感性評價分布圖

表4 南渡江流域綜合生態(tài)敏感性評價分級統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文基于GIS技術(shù)，對南渡江流域進行生態(tài)敏感性綜合評價，研究表明，南渡江流域整體生態(tài)敏感性適中，生態(tài)敏感等級分布差異明顯，非敏感區(qū)和低敏感區(qū)主要是人類活動較多的地方和水體區(qū)域部分，中敏感和高敏感地區(qū)對極高敏感區(qū)域起到緩沖和一定的保護的作用，該地區(qū)應(yīng)重點增加植被覆蓋和控制水土流失，逐步修復(fù)受到損害的生態(tài)環(huán)境，極高敏感區(qū)域為中上游的河流水域以及植被覆蓋極高的地方，該地區(qū)需要加強生態(tài)監(jiān)管，減少人類活動以及修復(fù)潛在的生態(tài)問題。其研究結(jié)果可為相關(guān)政府部門根據(jù)不同敏感層級的空間分布對潛在生態(tài)環(huán)境問題進行合理的生態(tài)管理和規(guī)劃保護。由于指標(biāo)未考慮到經(jīng)濟、自然災(zāi)害等對生態(tài)敏感性的影響，其評價體系在今后的研究中將繼續(xù)完善。