基于GIS的徐州生態(tài)敏感性分析

單勇兵,李志江,馬曉冬

(徐州師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,江蘇徐州221116)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響范圍和強(qiáng)度在不斷加大,這對(duì)自然生態(tài)環(huán)境已有的結(jié)構(gòu)和功能必定產(chǎn)生巨大影響。進(jìn)行區(qū)域生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)分析,是合理評(píng)價(jià)人與自然生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的綜合性指標(biāo),也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、保護(hù)和管理的基礎(chǔ)。所謂生態(tài)敏感性(ecological sensitivity)是指生態(tài)系統(tǒng)在遇到人類活動(dòng)干擾時(shí),生態(tài)環(huán)境對(duì)外界壓力的靈敏程度,是生態(tài)系統(tǒng)的一種重要屬性,說(shuō)明產(chǎn)生生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性大小[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)敏感性的研究日益重視,已從單一生態(tài)敏感性問(wèn)題發(fā)展到生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià),取得了不少成果,但大部分集中在大尺度范圍的研究[2-5],對(duì)小尺度范圍的綜合研究相對(duì)較少;生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)方法往往采用多因子加權(quán)疊加算法[6-10],而對(duì)于其他的計(jì)算方法較少涉及。本文采用取最大值的方法進(jìn)行生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià),對(duì)徐州地區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性分析,以期為研究區(qū)的開發(fā)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

徐州隸屬江蘇省 ,位于 116°22′-118°40′E 、33°43′-34°58′N 之間 ,總面積 11 040.9 km2。地處黃淮海平原的南部,長(zhǎng)江流域與黃河流域過(guò)渡地帶。屬暖溫帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候,四季分明。境內(nèi)河流縱橫交錯(cuò),湖沼、水庫(kù)星羅棋布,故黃河斜穿東西,京杭大運(yùn)河由西北向東南斜穿而過(guò),東有沂、沭諸水及駱馬湖,西有夏興、大沙河及微山湖。地貌以平原為主,中部和東部存在少數(shù)低山丘陵,既有洪積、沖積平原,亦有剝蝕平原。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)因子的選取

影響生態(tài)敏感性的因子很多,如地形、植被、土壤、地質(zhì)、水系等,但在不同區(qū)域影響因子的選擇亦有差異。

根據(jù)徐州地區(qū)的環(huán)境本底特征,選取了自然生態(tài)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)服務(wù)作為生態(tài)敏感性分析的一級(jí)影響因素,每一級(jí)影響因素又包含若干具體的敏感性因子。自然生態(tài)因素包括水體、坡度、土壤與植被3個(gè)因子,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)包括塌陷風(fēng)險(xiǎn)、地震風(fēng)險(xiǎn)、滯洪風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)因子,生態(tài)服務(wù)主要是自然保護(hù)區(qū)類別。

2.2 因子敏感性等級(jí)的劃分

根據(jù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在遇到外界活動(dòng)干擾時(shí)發(fā)生生態(tài)失衡和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性大小,將每個(gè)敏感性因子按影響程度劃分為極高敏感、高敏感、中敏感、低敏感和非敏感5個(gè)等級(jí);為了運(yùn)算的方便,分別賦值9,7,5,3,1(表1)。

表1 生態(tài)因子及其類別與等級(jí)體系

(1)自然生態(tài)各因子敏感性等級(jí)的劃分。水體對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活有著極其重要的影響,且徐州又屬于資源型地域城市,所以,使得境內(nèi)水體因子的生態(tài)敏感性等級(jí)較高;徐州境內(nèi)丘陵崗地大部分由石灰?guī)r組成,在這些巖石上發(fā)育的土壤,其厚度多在10 cm以下,易于發(fā)生水土流失和土壤侵蝕,利用徐州地區(qū)數(shù)字高程模型生成坡度圖,以坡度 5°、15°、25°為界限,相應(yīng)劃分為非敏感區(qū)、低生態(tài)敏感區(qū)、中敏感區(qū)及高生態(tài)敏感區(qū);土壤與植被敏感性等級(jí)的劃分主要是根據(jù)土壤的理化性質(zhì)、地貌條件等分析其植被生長(zhǎng)的限制性因素,將無(wú)限制宜農(nóng)耕地化為非敏感區(qū),有限制宜農(nóng)耕地劃分為低敏感區(qū),將宜林用地劃為中敏感區(qū),宜林宜牧用地劃為高敏感區(qū)。

(2)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)各因子敏感性等級(jí)的劃分。徐州地區(qū)塌陷風(fēng)險(xiǎn)主要是煤礦采空塌陷。由于采煤塌陷地會(huì)引發(fā)不可預(yù)知的環(huán)境問(wèn)題,總體上生態(tài)敏感性較高。根據(jù)采煤塌陷危害程度,將未穩(wěn)沉采空區(qū)劃為高敏感區(qū),穩(wěn)沉采空區(qū)劃為極高敏感區(qū);徐州處于多條斷裂帶穿越的地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū),但由于地震災(zāi)害的重現(xiàn)期較長(zhǎng),不確定性較多,故將地震風(fēng)險(xiǎn)的敏感性總體等級(jí)劃得較低。將有活動(dòng)斷裂帶穿越的高風(fēng)險(xiǎn)地震劃為低敏感區(qū),將有隱藏?cái)嗔褞Т┰降牡惋L(fēng)險(xiǎn)地震區(qū)劃為非敏感區(qū)。區(qū)域內(nèi)的防洪主要是防御沂沭泗流域可能發(fā)生的特大洪水,依徐州市的防洪規(guī)劃滯洪區(qū)分為極重災(zāi)區(qū)、腹部重災(zāi)區(qū)和邊緣重災(zāi)區(qū),將極重災(zāi)區(qū)劃為高敏感區(qū),腹部重災(zāi)區(qū)劃為中敏感區(qū),邊緣重災(zāi)區(qū)劃為低敏感區(qū)。

(3)自然保護(hù)區(qū)為人類生存提供一定生態(tài)服務(wù)功能、具有直接或間接生態(tài)系統(tǒng)效益的區(qū)域,依行政管理級(jí)別可分為國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)和縣級(jí)等,根據(jù)保護(hù)區(qū)的管理級(jí)別將省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、市級(jí)自然保護(hù)區(qū)、縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)分別劃分為高敏感區(qū)、中敏感區(qū)和低敏感區(qū)。

2.3 評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)地形、水系、土壤與植被、塌陷風(fēng)險(xiǎn)、地震風(fēng)險(xiǎn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)和自然保護(hù)區(qū)各個(gè)敏感性因子的矢量圖形經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)形成統(tǒng)一坐標(biāo)系,同時(shí)建立相關(guān)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)用GIS的空間分析功能分別對(duì)這些限制性的因素作單因子的評(píng)價(jià),由于研究區(qū)各因子的生態(tài)敏感性存在一定程度上的差異,多個(gè)因子進(jìn)行加權(quán)求和的評(píng)價(jià)方法在一定程度上將導(dǎo)致單因子評(píng)價(jià)結(jié)果之間抵消或放大,同時(shí)權(quán)重的確定具有主觀性,從而影響區(qū)域綜合生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果;所以采用因子加權(quán)疊置的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)不太適合;因此,本文選用影響某地因子的最大值方法,來(lái)確定該地區(qū)的生態(tài)敏感性綜合指數(shù)[11],計(jì)算公式為：DES=max(Di),i=1,2,3,4,5,式中 ：DES——生態(tài)綜合敏感性指數(shù);Di——第i個(gè)因子的敏感性指數(shù)。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

在ArcGIS 9.2軟件的支持下,首先對(duì)各個(gè)生態(tài)敏感性單因子矢量圖形進(jìn)行配準(zhǔn),然后運(yùn)用其空間分析模塊逐個(gè)將各單因子生態(tài)敏感性分級(jí)的空間單元相互疊置,將單因子生態(tài)敏感性指數(shù)的最大值賦予疊置后的空間單元,作為其生態(tài)敏感性等級(jí)屬性,得到基于自然生態(tài)因子、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子和生態(tài)服務(wù)3個(gè)一級(jí)影響因素的生態(tài)敏感性空間分布特征及其差異。

3.1 自然生態(tài)因子生態(tài)敏感性

自然生態(tài)因子生態(tài)敏感性是研究區(qū)內(nèi)水系、坡度和土壤與植被3個(gè)單因子共同作用的結(jié)果。對(duì)疊置后的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得出具有極高敏感區(qū)面積為228.3 km2,占區(qū)域總面積的2.07%;高敏感區(qū)面積為1 407.3 km2,占12.75%;中敏感區(qū)面積為837.8 km2,占7.59%;低敏感區(qū)面積為3 997.8 km2,占 36.20%;非敏感區(qū)面積為4 571.0 km2,占41.40%(圖1,表2)。中敏感區(qū)主要分布于沿故黃河和大沙河沿線及徐州市區(qū)附近丘陵和賈汪部分丘陵崗地;極高和高敏感區(qū)分布在微山湖、駱馬湖及京杭大運(yùn)河沿線。

圖1 基于自然生態(tài)因子的生態(tài)敏感性等級(jí)分布

表2 生態(tài)敏感性分析結(jié)果及相關(guān)指數(shù)

3.2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子生態(tài)敏感性

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子生態(tài)敏感性是研究區(qū)內(nèi)塌陷、地震和滯洪3個(gè)單因子共同作用的結(jié)果。對(duì)疊置后的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得出具有極高敏感區(qū)面積為74.0 km2,占區(qū)域總面積的0.67%;高敏感區(qū)面積為170.4 km2,占1.54%;中敏感區(qū)面積為99.9 km2,占0.91%;低敏感區(qū)面積為 1 137.0 km2,占10.30%;非敏感區(qū)面積為9 558.3 km2,占86.58%。中敏感區(qū)主要分布于新沂市大部分地區(qū)、邳蒼泄洪道一部分及銅山縣、賈汪煤礦穩(wěn)沉塌陷區(qū);極高和高敏感區(qū)分布在賈汪和銅山縣煤礦未穩(wěn)沉塌陷區(qū)(圖2)。

3.3 生態(tài)服務(wù)因子生態(tài)敏感性

經(jīng)過(guò)對(duì)生態(tài)服務(wù)因子進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析,基于生態(tài)服務(wù)因子的高敏感區(qū)面積為162.6 km2,占區(qū)域總面積的1.47%;中敏感區(qū)面積為517.5 km,占4.69%;低敏感區(qū)面積為7.6 km2,占0.07%。中敏感區(qū)主要分布銅山縣圣人窩自然保護(hù)區(qū),高敏感區(qū)分布在微山湖濕地自然保護(hù)區(qū)和新沂馬陵山自然保護(hù)區(qū)(圖3)。

圖2 基于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子的生態(tài)敏感性等級(jí)分布

圖3 基于生態(tài)服務(wù)因子的生態(tài)敏感性分析結(jié)果

3.4 綜合生態(tài)敏感性

將基于自然生態(tài)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)服務(wù)3個(gè)一級(jí)影響因素的生態(tài)敏感性空間分布經(jīng)過(guò)疊置再取最大值,可獲得徐州地區(qū)綜合生態(tài)敏感性的空間分異圖(圖4)。經(jīng)過(guò)對(duì)疊置后的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,非敏感區(qū)3 748.3 km2,占區(qū)域總面積的33.94%,主要分布于睢寧、邳州、銅山縣東部和北部;低敏感區(qū)面積為4 296.9 km2,占38.91%,主要分布在新沂市、邳州西北部、豐縣、沛縣;中敏感區(qū)面積為1 088.1 km2,占9.85%,分布于新沂河沿線滯洪區(qū)、微山湖濕地緩沖帶;高敏感區(qū)面積為 1 608.4 km2,占 14.56%,主要分布于故黃河、大沙河和京杭大運(yùn)河沿線、馬陵山自然保護(hù)區(qū)、微山湖濕地自然保護(hù)區(qū)及區(qū)域中部和賈汪丘陵地帶;極高敏感區(qū)面積為 301.8 km,占2.73%,主要分布在微山湖、駱馬湖沿線及銅山縣和賈汪煤礦塌陷區(qū)。非敏感區(qū)與低敏感區(qū)兩者之和占研究區(qū)面積的72.85%,表明徐州地區(qū)的生態(tài)敏感性總體上較低。

4 結(jié)論

極高與高生態(tài)敏感區(qū)屬于脆弱生態(tài)環(huán)境區(qū),系統(tǒng)穩(wěn)定性極差,極易受到人為破壞,而且一旦破壞很難恢復(fù),此類區(qū)域應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù);中生態(tài)敏感區(qū)屬于較為脆弱的生態(tài)環(huán)境區(qū),對(duì)外界的干擾活動(dòng)具有一定的抵抗能力,較易遭受人為干擾,造成生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)和不穩(wěn)定,此類區(qū)域可以作為控制發(fā)展區(qū)或過(guò)渡區(qū),宜于在科學(xué)指導(dǎo)下進(jìn)行適度的開發(fā)利用;低生態(tài)敏感區(qū)與非生態(tài)敏感區(qū),生態(tài)敏感性較低,系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,外部的干擾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不大,可作為適宜開發(fā)區(qū),進(jìn)行強(qiáng)度較大的開發(fā)利用[11]。因此,可作強(qiáng)度較大的開發(fā)利用的面積為8 045.2 km2,占研究區(qū)面積的72.85%;可在指導(dǎo)下進(jìn)行適度的開發(fā)利用的面積為1 088.1 km2,占9.85%;而作為重點(diǎn)保護(hù)的面積為1 910.2 km2,占17.29%。

本研究中采用GIS技術(shù)將多生態(tài)敏感性因子通過(guò)空間矢量疊置方法取最大值確定區(qū)域敏感性,操作方法簡(jiǎn)單、運(yùn)算高效;避免了柵格疊加操作復(fù)雜、運(yùn)算效率低的缺點(diǎn)。影響生態(tài)敏感性的因子很多,在分析生態(tài)敏感性時(shí),應(yīng)根據(jù)研究區(qū)環(huán)境特征選擇主要的影響因子。本文根據(jù)徐州的環(huán)境本底特征選擇了3個(gè)一級(jí)因子共7個(gè)單因子對(duì)該地區(qū)生態(tài)敏感性進(jìn)行分析,結(jié)果可作為該地區(qū)的開發(fā)建設(shè)和環(huán)境規(guī)劃與保護(hù)的依據(jù)。

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