基于AHP-TOPSIS最優(yōu)組合賦權(quán)的閩侯縣生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)*

丁鴻浩 賴寧?kù)o 鄧林昊 吳天杰 吳小剛

福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)學(xué)院園林學(xué)院(合署) 福州 350000

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展,各種環(huán)境問題諸如熱島效應(yīng)、洪澇災(zāi)害、土地荒漠化等也隨之而來,且影響范圍越來越廣。為了更好地落實(shí)國(guó)家“生態(tài)文明建設(shè)”政策,在規(guī)劃開發(fā)前對(duì)區(qū)域開展生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)尤為重要。生態(tài)敏感性全稱為生態(tài)環(huán)境敏感性,歐陽(yáng)志云等[1]認(rèn)為生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然破壞和人為干擾等多種因素的反應(yīng)程度,表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題發(fā)生的難易程度和可能性大小。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于生態(tài)敏感性的研究主要集中在3個(gè)方面:1)針對(duì)單一生態(tài)問題的研究,如土壤侵蝕[2]、水土流失[3]、礦區(qū)開發(fā)[4]等；2)針對(duì)小尺度專題類的研究,如自然保護(hù)區(qū)[5]、風(fēng)景區(qū)[6]、公園[7-8]等；3) 針對(duì)縣域[9]、流域[10-11]、城市[12]等大尺度研究對(duì)象開展生態(tài)敏感性評(píng)價(jià),為進(jìn)行生態(tài)功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃、保障自然基底的完整性和生態(tài)功效、防止城市無限蔓延提供科學(xué)依據(jù)與指導(dǎo)[13]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者所使用的評(píng)價(jià)因子賦權(quán)方法主要有主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法以及主客觀賦權(quán)法3種,其中以層次分析法[4,9,14]為主的主觀賦權(quán)法和以熵值法[15]、變異系數(shù)法[16]、序關(guān)系法[17]等為主的客觀賦權(quán)法應(yīng)用較多。

本研究以閩侯縣作為研究區(qū)域,借助GIS空間分析功能和AHP-TOPSIS組合賦權(quán)法對(duì)閩侯縣的單因子生態(tài)敏感性與綜合生態(tài)敏感性進(jìn)行分析,基于分析結(jié)果對(duì)閩侯縣進(jìn)行初步生態(tài)功能區(qū)劃分,并提出針對(duì)性保護(hù)開發(fā)建議,為閩侯縣開展生態(tài)檢察、生態(tài)監(jiān)督、生態(tài)治理以及相關(guān)保護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù),以期改善閩侯縣生態(tài)資源空間分布不均勻的現(xiàn)狀、協(xié)助解決縣域內(nèi)旅游開發(fā)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾、保障其生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

閩侯縣(118°52′10″—119°25′31″E,25°47′35″—26°36′28″N)地處閩江下游,全境南北長(zhǎng)89.7 km、東西寬55.75 km,總面積約為2136 km2。全縣地勢(shì)西北高、東南低,整體地勢(shì)較為平坦,海拔多在3～10 m,地貌主要分為中山、低山、高丘、低丘和臺(tái)地平原[18]5種類型。周邊與福州市區(qū)、閩清縣、永泰縣、福清市、古田、羅源縣毗鄰。閩侯縣整體生態(tài)環(huán)境良好,林地占總面積的68.22%[18],擁有眾多森林公園和名山；濕地資源較為豐富,主要分布在閩江周邊[19]；擁有“國(guó)家生態(tài)縣”“森林縣城”“全國(guó)休閑農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村旅游示范縣”等眾多榮譽(yù)稱號(hào)。

2 研究方法

2.1 閩侯縣生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

本研究選取地形地貌、植被、水系、人類活動(dòng)4個(gè)維度構(gòu)建評(píng)價(jià)體系框架,根據(jù)專家意見和相關(guān)文獻(xiàn)[2,9],篩選出12個(gè)敏感因子。參照中國(guó)科學(xué)院編制、原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》[20]與《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[21]以及黃發(fā)明等[9]、簡(jiǎn)卿等[2]、張曉瑞等[22]關(guān)于生態(tài)敏感性因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定本研究的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。在生態(tài)敏感性等級(jí)劃分上,將區(qū)域劃分為低敏感區(qū)、較低敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較高敏感區(qū)和高敏感區(qū),從低到高分別對(duì)各區(qū)域進(jìn)行1～5分賦值。

表1 閩侯縣生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系及其指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

研究采用AHP-TOPSIS[22]最優(yōu)組合賦權(quán)法,基于最小熵原理對(duì)AHP與TOPSIS兩種賦權(quán)方法進(jìn)行計(jì)算,理論上最終得出的組合權(quán)重應(yīng)盡可能接近主觀權(quán)重和客觀權(quán)重[23]。最優(yōu)組合賦權(quán)法的應(yīng)用,一方面避免了主觀賦權(quán)法的隨意性,另一方面也規(guī)避了客觀賦權(quán)法缺少對(duì)因子間概念性質(zhì)相互關(guān)系判斷的弊端,增強(qiáng)了閩侯縣生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果的現(xiàn)實(shí)意義和理論上的合理性與科學(xué)性。權(quán)重計(jì)算公式如式(1),計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 閩侯縣生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子綜合權(quán)重

式(1)中,ˉwj為第j個(gè)因子的組合權(quán)重,Wj和wj分別為第j個(gè)因子的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重。

基于上述最優(yōu)組合賦權(quán)結(jié)果(表2),在ArcGIS 10.5軟件中對(duì)12個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)疊加得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,計(jì)算公式如式(2):

式(2)中,ˉWi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合賦權(quán)權(quán)重,Mi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)賦值,n表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),p表示綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)包括來自美國(guó)地調(diào)局(USGS)的分辨率為30 m的遙感數(shù)據(jù)影像、地理空間數(shù)據(jù)云下載的閩侯縣30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),以及從中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲得的中國(guó)100萬植被類型空間分布數(shù)據(jù)。將DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和植被類型空間分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.5進(jìn)行掩膜提取得到用于空間分析的數(shù)據(jù),對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、輻射定標(biāo)等預(yù)處理生成用于分析NDVI、MNDWI、NDBI、VFC、土地利用類型的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子敏感性分析

3.1.1 地形地貌因子分析

閩侯縣高程與坡度生態(tài)敏感性整體不高(圖1A、圖1B、表3),等級(jí)分布呈現(xiàn)自南向北逐漸增高趨勢(shì)且兩者間存在相似性。高程生態(tài)敏感性較強(qiáng)的區(qū)域(900～1 392 m)主要分布在大湖鄉(xiāng)中部以及牛姆山和天湖頂；坡度生態(tài)敏感性較強(qiáng)地區(qū)(25°～45°)主要分布在西南和北部山區(qū)。高程中度敏感區(qū)(600～900 m)主要分布在中部流域平原兩側(cè)的南北山區(qū)；坡度中度敏感區(qū)(15°～25°)占比最大,為31.2%,分散地分布在西南和北部山區(qū)。高程敏感性較弱區(qū)域(2～600 m)與坡度敏感性較弱區(qū)域(0°～15°)均分布在閩江上游的兩側(cè)和下游烏龍江西側(cè)的建成區(qū)以及北部山區(qū)山腳下的平原及山間盆地。閩侯縣坡向生態(tài)敏感性整體適中(圖1C、表3),其中生態(tài)敏感性高(正北)和較高(東北、西北)的區(qū)域分別占比13.6%、24.9%,集中分布在閩侯縣西南部呈東北西南走向和中部呈東西走向的山嶺；中度敏感區(qū)占比21.8%；較低和低敏感區(qū)分別占比25.2%、14.5%,空間分布較為平均。

圖1 閩侯縣地形地貌生態(tài)敏感性分級(jí)

3.1.2 水系因子分析

水體類型和MNDWI兩個(gè)指標(biāo)可以有效反映閩侯縣境內(nèi)的水體空間分布(圖2A、圖2B、表3)。MNDWI高敏感區(qū)域占比0.71%,集中分布在祥謙鎮(zhèn)、南通鎮(zhèn)北部的烏龍江、竹岐鄉(xiāng)的金水湖以及鴻尾鄉(xiāng)的榜上水庫(kù)附近；較高敏感區(qū)域占比0.81%,集中分布在閩江和大樟溪；中敏感區(qū)域占比0.46%,集中分布在閩江和南港周邊；較低敏感區(qū)域占比0.39%,主要零星分布在縣域林地中的濕地或水塘；低敏感區(qū)域占比97.63%。水體類型高生態(tài)敏感性區(qū)(面狀水域)占比2.5%；中敏感區(qū)域(點(diǎn)狀或線狀水域)占比1.47%；低敏感區(qū)域占比96.03%(陸地)。水體緩沖區(qū)是用于研究水體與周邊外部環(huán)境相互作用的一種常用方法。閩侯縣水體緩沖區(qū)占閩侯縣整體面積的42.59%,生態(tài)敏感性整體適中,其中敏感性高和較高的區(qū)域占比分別為9.05%、8.84%,中敏感性區(qū)域占比8.58%,較低與低敏感區(qū)域占比分別為8.25%、7.86%(表3)。

圖2 閩侯縣水系生態(tài)敏感性分級(jí)

3.1.3 植被因子分析

閩侯縣NDVI生態(tài)敏感性程度整體較高(圖3A、表3),呈現(xiàn)由山區(qū)向河流和建成區(qū)方向逐漸降低的趨勢(shì)。高敏感區(qū)占比3.3%,集中分布于西南部和東北部等海拔較高的山區(qū)；較高和中度敏感區(qū)分別占比32.96%、38.6%,集中分布在閩侯縣除河流和建成區(qū)以外的林地；較低和低敏感區(qū)分別占比18.64%、6.5%,集中分布在閩江、烏龍江周邊的建成區(qū)。將植被覆蓋度提取置信度空間后按自然間斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí),得到閩侯縣植被覆蓋度生態(tài)敏感性分級(jí)圖(圖3B、表3),其各級(jí)敏感性區(qū)域空間分布與NDVI相似,區(qū)域敏感性由高到低分別占比為67.13%、11.96%、6.73%、5.03%、9.15%。閩侯縣植被類型生態(tài)敏感性程度整體較高(圖3C、表3)。高敏感區(qū)域(自然森林56.09%)主要分布在東北、西南林地及森林公園等地；中敏感區(qū)域(竹林、果木林20.61%)集中分布在南部建成區(qū)周邊和北部的山麓地區(qū)；低敏感區(qū)域(灌木、草地23.30%)集中分布在閩江和閩江南港周邊。

圖3 閩侯縣植被生態(tài)敏感性分級(jí)

3.1.4 人類活動(dòng)因子分析

閩侯縣NDBI整體生態(tài)敏感性程度不高(圖4A、表3),各區(qū)域敏感性從高到低分別占比16%、29.59%、23.15%、18.88%、12.38%。敏感性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在山區(qū)林地；敏感性較弱的區(qū)域主要分布在沿江流域的平原和盆地。

圖4 閩侯縣人類活動(dòng)生態(tài)敏感性分級(jí)

土地利用類型的生態(tài)敏感性整體較高(圖4B、表3)。高敏感區(qū)(水域4.36%)集中分布在閩江、閩江南港和大樟溪；較高敏感區(qū)(林地64.04%)集中分布在西南和東北山區(qū)；中敏感區(qū)(草地12.01%)集中分布在建成區(qū)和西北、西南、東北部的山麓地區(qū)及平原、盆地地區(qū)；較低敏感區(qū)(耕地、裸地15.29%)集中分布在西北部山區(qū)、閩江上游和烏龍江西側(cè)的建成區(qū)；低敏感區(qū)(人造地表4.3%)集中分布在閩江分叉口的南北兩側(cè)和烏龍江的西側(cè)。道路緩沖區(qū)整體生態(tài)敏感性不高(圖4C、表3),緩沖區(qū)占縣域總面積的32.79%,區(qū)域生態(tài)敏感性從高到低面積占比分別為6.02%、6.63%、7.37%、8.19%、4.59%。

表3 閩侯縣各生態(tài)敏感性因子分級(jí)面積比例

3.2 綜合敏感性分析

將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果按照自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks,NB)進(jìn)行重分類,劃分為5個(gè)等級(jí)區(qū)域,即高敏感區(qū)、較高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較低敏感區(qū)、低敏感區(qū)(圖5)。各級(jí)區(qū)域所占全縣面積的比例如表4所示。閩侯縣整體生態(tài)敏感性較高,生態(tài)敏感性等級(jí)呈自流域、建成區(qū)向南北兩側(cè)以及西側(cè)的山區(qū)逐漸發(fā)散性升高的趨勢(shì)。高敏感性地區(qū)主要分布在東北、西南山區(qū)以及森林公園、濕地公園等自然環(huán)境較好的區(qū)域,具體分布在北部的大湖鄉(xiāng)山區(qū)、延坪鄉(xiāng)西部山區(qū)以及洋里鄉(xiāng)南北部山區(qū),中部的鴻尾鄉(xiāng)、竹岐鄉(xiāng)、上街鎮(zhèn)的西南部和旗山國(guó)家森林公園以及三疊井森林公園；中度敏感區(qū)主要分布在山麓地區(qū)和流域周邊,整體空間分布較為平均；敏感性較弱地區(qū)主要分布在人類活動(dòng)痕跡相對(duì)較多的區(qū)域,如流域兩旁的建成區(qū)以及山間盆地等。

圖5 閩侯縣生態(tài)敏感性綜合分級(jí)

表4 閩侯縣綜合生態(tài)敏感性分析結(jié)果

3.3 生態(tài)分區(qū)與開發(fā)建議

根據(jù)研究結(jié)果,將閩侯縣初步劃分為生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)緩沖管制區(qū)和開發(fā)建設(shè)區(qū)3類生態(tài)功能區(qū)(圖6)。

圖6 閩侯縣生態(tài)功能區(qū)劃

生態(tài)保育區(qū)集中分布在海拔較高,地形較陡的山區(qū)。該區(qū)生態(tài)敏感性較高,生態(tài)系統(tǒng)易受到外界影響而誘發(fā)環(huán)境問題且修復(fù)難度大。開發(fā)時(shí)應(yīng)依據(jù)保育區(qū)內(nèi)具體情況設(shè)定生態(tài)紅線,對(duì)內(nèi)部開發(fā)活動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格把控；保護(hù)方面應(yīng)對(duì)森林資源做好建檔和更新工作,健全“三防”體系加大監(jiān)管力度。

生態(tài)緩沖管制區(qū)集中于閩侯縣的山麓地帶及流域周邊等人類干擾較為頻繁的地帶。該區(qū)生態(tài)敏感性適中,生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)較為穩(wěn)定但受人為干擾而出現(xiàn)環(huán)境問題的可能性較大。對(duì)此區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃開發(fā)時(shí),應(yīng)盡可能保證其原有生態(tài)環(huán)境和景觀資源的完整性和連續(xù)性,同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)于人類干擾活動(dòng)諸如污染物排放、旅游開發(fā)等活動(dòng)的管控,盡可能減少人為破壞。

開發(fā)建設(shè)區(qū)集中于閩江流域、烏龍江流域以及大樟溪流域附近。該區(qū)生態(tài)敏感性低、城市化水平高,由于地形地勢(shì)平坦且靠近主要水源因此人類活動(dòng)較多。此類區(qū)域往往環(huán)境問題頻發(fā),在開發(fā)時(shí)應(yīng)重視生態(tài)系統(tǒng)承載力閾值的考慮,統(tǒng)籌考慮短期收益與長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展兩方面,在基于對(duì)場(chǎng)地環(huán)境、生態(tài)承載力、土地適宜性等定量評(píng)估和內(nèi)在作用機(jī)制充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,選擇合適的開發(fā)項(xiàng)目。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

根據(jù)研究結(jié)果,在生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)模型上,高敏感區(qū)面積占比較大的因子主要集中在地形地貌和植被兩個(gè)方面,其原因在于閩侯縣內(nèi)部山地眾多且占地較廣,約占總面積的69.9%,山地間連接性較好,為當(dāng)?shù)刂脖惶峁┝肆己玫纳L(zhǎng)環(huán)境；水系方面,閩侯縣現(xiàn)存徑流長(zhǎng)度較短且水域面積相對(duì)較小,因而水系生態(tài)敏感性較弱；人類活動(dòng)方面,閩侯縣臺(tái)地平原較少,僅占土地總面積的18.3%,客觀上限制了當(dāng)?shù)爻鞘谢穆影l(fā)展和人類的活動(dòng)范圍,同時(shí)后期城市發(fā)展格局的合理規(guī)劃也對(duì)維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的完整性起到了很大作用,因此敏感性程度較小。

閩侯縣整體生態(tài)敏感性較高,敏感性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中于海拔較高且生態(tài)資源豐富的區(qū)域,敏感性較低的區(qū)域集中于地形平坦且靠近水源的地區(qū),土地類型多為建設(shè)用地和農(nóng)田。在等級(jí)分布趨勢(shì)上,綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與地形地貌、植被、人類活動(dòng)因子評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同,與水系因子結(jié)果存在一定差異,其原因在于植被、地形地貌、人類活動(dòng)評(píng)價(jià)因子在空間區(qū)域等級(jí)分布上的一致性,使水系因子在綜合評(píng)價(jià)中權(quán)重相對(duì)減小。

對(duì)比相關(guān)市域、縣域生態(tài)敏感性研究結(jié)果,市域、縣域尺度的綜合高敏感區(qū)往往集中分布在區(qū)域內(nèi)的山區(qū)和植被覆蓋度較高的地區(qū)[2,9],這與本研究結(jié)果一致,地形地貌和植被在評(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重較高。相較于流域尺度,生態(tài)高敏感區(qū)則多集中于水域及其外圍,土地類型與水域等環(huán)境因子的評(píng)價(jià)所占權(quán)重往往較高[10-11],這種差異可歸因于不同空間尺度上內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)景觀類型不同,同時(shí)不同目標(biāo)導(dǎo)向的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系制定對(duì)最終的研究結(jié)果也有著較大影響。

4.2 結(jié)論

研究基于最優(yōu)組合賦權(quán)法對(duì)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)體系進(jìn)行優(yōu)化,選取縣域尺度開展生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)與生態(tài)區(qū)劃,得出如下結(jié)論:閩侯縣地形地貌和植被相較于水體和人類活動(dòng)因子所占高敏感面積區(qū)域更大,在空間分布趨勢(shì)上除水系外皆與綜合敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果一致。閩侯縣綜合生態(tài)敏感性整體較高,敏感性等級(jí)趨勢(shì)上呈自中部流域向東北、西南逐漸增高。生態(tài)區(qū)劃結(jié)果中各區(qū)分離度較高,生態(tài)保育區(qū)分布最廣且連續(xù)性較強(qiáng),主要位于域內(nèi)的山地地區(qū)；生態(tài)緩沖管制區(qū)空間分布較為零散,集中于山麓和河流地區(qū)；開發(fā)建設(shè)區(qū)則主要以城市建成區(qū)為主。