基于GIS的徐州生态敏感性分析

单勇兵,李志江,马晓冬

(徐州师范大学城市与环境学院,江苏徐州221116)

随着社会经济的快速发展,人类活动对自然环境的影响范围和强度在不断加大,这对自然生态环境已有的结构和功能必定产生巨大影响。进行区域生态敏感性评价分析,是合理评价人与自然生态环境和谐发展的综合性指标,也是区域生态环境规划、保护和管理的基础。所谓生态敏感性(ecological sensitivity)是指生态系统在遇到人类活动干扰时,生态环境对外界压力的灵敏程度,是生态系统的一种重要属性,说明产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小[1-2]。

目前国内对生态系统敏感性的研究日益重视,已从单一生态敏感性问题发展到生态敏感性综合评价,取得了不少成果,但大部分集中在大尺度范围的研究[2-5],对小尺度范围的综合研究相对较少;生态敏感性评价方法往往采用多因子加权叠加算法[6-10],而对于其他的计算方法较少涉及。本文采用取最大值的方法进行生态敏感性综合评价,对徐州地区进行生态敏感性分析,以期为研究区的开发建设和生态环境规划与保护提供参考。

1 研究区概况

徐州隶属江苏省 ,位于 116°22′-118°40′E 、33°43′-34°58′N 之间 ,总面积 11 040.9 km2。地处黄淮海平原的南部,长江流域与黄河流域过渡地带。属暖温带湿润性季风气候,四季分明。境内河流纵横交错,湖沼、水库星罗棋布,故黄河斜穿东西,京杭大运河由西北向东南斜穿而过,东有沂、沭诸水及骆马湖,西有夏兴、大沙河及微山湖。地貌以平原为主,中部和东部存在少数低山丘陵,既有洪积、冲积平原,亦有剥蚀平原。

2 研究方法

2.1 评价因子的选取

影响生态敏感性的因子很多,如地形、植被、土壤、地质、水系等,但在不同区域影响因子的选择亦有差异。

根据徐州地区的环境本底特征,选取了自然生态、灾害风险、生态服务作为生态敏感性分析的一级影响因素,每一级影响因素又包含若干具体的敏感性因子。自然生态因素包括水体、坡度、土壤与植被3个因子,灾害风险包括塌陷风险、地震风险、滞洪风险3个因子,生态服务主要是自然保护区类别。

2.2 因子敏感性等级的划分

根据研究区生态系统在遇到外界活动干扰时发生生态失衡和生态环境问题的可能性大小,将每个敏感性因子按影响程度划分为极高敏感、高敏感、中敏感、低敏感和非敏感5个等级;为了运算的方便,分别赋值9,7,5,3,1(表1)。

表1 生态因子及其类别与等级体系

(1)自然生态各因子敏感性等级的划分。水体对工农业生产和人类生活有着极其重要的影响,且徐州又属于资源型地域城市,所以,使得境内水体因子的生态敏感性等级较高;徐州境内丘陵岗地大部分由石灰岩组成,在这些岩石上发育的土壤,其厚度多在10 cm以下,易于发生水土流失和土壤侵蚀,利用徐州地区数字高程模型生成坡度图,以坡度 5°、15°、25°为界限,相应划分为非敏感区、低生态敏感区、中敏感区及高生态敏感区;土壤与植被敏感性等级的划分主要是根据土壤的理化性质、地貌条件等分析其植被生长的限制性因素,将无限制宜农耕地化为非敏感区,有限制宜农耕地划分为低敏感区,将宜林用地划为中敏感区,宜林宜牧用地划为高敏感区。

(2)灾害风险各因子敏感性等级的划分。徐州地区塌陷风险主要是煤矿采空塌陷。由于采煤塌陷地会引发不可预知的环境问题,总体上生态敏感性较高。根据采煤塌陷危害程度,将未稳沉采空区划为高敏感区,稳沉采空区划为极高敏感区;徐州处于多条断裂带穿越的地震风险区,但由于地震灾害的重现期较长,不确定性较多,故将地震风险的敏感性总体等级划得较低。将有活动断裂带穿越的高风险地震划为低敏感区,将有隐藏断裂带穿越的低风险地震区划为非敏感区。区域内的防洪主要是防御沂沭泗流域可能发生的特大洪水,依徐州市的防洪规划滞洪区分为极重灾区、腹部重灾区和边缘重灾区,将极重灾区划为高敏感区,腹部重灾区划为中敏感区,边缘重灾区划为低敏感区。

(3)自然保护区为人类生存提供一定生态服务功能、具有直接或间接生态系统效益的区域,依行政管理级别可分为国家级、省级、市级和县级等,根据保护区的管理级别将省级自然保护区、市级自然保护区、县级自然保护区分别划分为高敏感区、中敏感区和低敏感区。

2.3 评价方法

运用GIS技术对地形、水系、土壤与植被、塌陷风险、地震风险、洪水风险和自然保护区各个敏感性因子的矢量图形经过配准形成统一坐标系,同时建立相关属性数据库。运用GIS的空间分析功能分别对这些限制性的因素作单因子的评价,由于研究区各因子的生态敏感性存在一定程度上的差异,多个因子进行加权求和的评价方法在一定程度上将导致单因子评价结果之间抵消或放大,同时权重的确定具有主观性,从而影响区域综合生态敏感性的评价结果;所以采用因子加权叠置的方法进行评价不太适合;因此,本文选用影响某地因子的最大值方法,来确定该地区的生态敏感性综合指数[11],计算公式为：DES=max(Di),i=1,2,3,4,5,式中 ：DES——生态综合敏感性指数;Di——第i个因子的敏感性指数。

3 评价结果与分析

在ArcGIS 9.2软件的支持下,首先对各个生态敏感性单因子矢量图形进行配准,然后运用其空间分析模块逐个将各单因子生态敏感性分级的空间单元相互叠置,将单因子生态敏感性指数的最大值赋予叠置后的空间单元,作为其生态敏感性等级属性,得到基于自然生态因子、灾害风险因子和生态服务3个一级影响因素的生态敏感性空间分布特征及其差异。

3.1 自然生态因子生态敏感性

自然生态因子生态敏感性是研究区内水系、坡度和土壤与植被3个单因子共同作用的结果。对叠置后的属性数据进行统计分析,可以得出具有极高敏感区面积为228.3 km2,占区域总面积的2.07%;高敏感区面积为1 407.3 km2,占12.75%;中敏感区面积为837.8 km2,占7.59%;低敏感区面积为3 997.8 km2,占 36.20%;非敏感区面积为4 571.0 km2,占41.40%(图1,表2)。中敏感区主要分布于沿故黄河和大沙河沿线及徐州市区附近丘陵和贾汪部分丘陵岗地;极高和高敏感区分布在微山湖、骆马湖及京杭大运河沿线。

图1 基于自然生态因子的生态敏感性等级分布

表2 生态敏感性分析结果及相关指数

3.2 灾害风险因子生态敏感性

灾害风险因子生态敏感性是研究区内塌陷、地震和滞洪3个单因子共同作用的结果。对叠置后的属性数据进行统计分析,可以得出具有极高敏感区面积为74.0 km2,占区域总面积的0.67%;高敏感区面积为170.4 km2,占1.54%;中敏感区面积为99.9 km2,占0.91%;低敏感区面积为 1 137.0 km2,占10.30%;非敏感区面积为9 558.3 km2,占86.58%。中敏感区主要分布于新沂市大部分地区、邳苍泄洪道一部分及铜山县、贾汪煤矿稳沉塌陷区;极高和高敏感区分布在贾汪和铜山县煤矿未稳沉塌陷区(图2)。

3.3 生态服务因子生态敏感性

经过对生态服务因子进行空间统计分析,基于生态服务因子的高敏感区面积为162.6 km2,占区域总面积的1.47%;中敏感区面积为517.5 km,占4.69%;低敏感区面积为7.6 km2,占0.07%。中敏感区主要分布铜山县圣人窝自然保护区,高敏感区分布在微山湖湿地自然保护区和新沂马陵山自然保护区(图3)。

图2 基于灾害风险因子的生态敏感性等级分布

图3 基于生态服务因子的生态敏感性分析结果

3.4 综合生态敏感性

将基于自然生态、灾害风险和生态服务3个一级影响因素的生态敏感性空间分布经过叠置再取最大值,可获得徐州地区综合生态敏感性的空间分异图(图4)。经过对叠置后的属性数据进行统计分析,非敏感区3 748.3 km2,占区域总面积的33.94%,主要分布于睢宁、邳州、铜山县东部和北部;低敏感区面积为4 296.9 km2,占38.91%,主要分布在新沂市、邳州西北部、丰县、沛县;中敏感区面积为1 088.1 km2,占9.85%,分布于新沂河沿线滞洪区、微山湖湿地缓冲带;高敏感区面积为 1 608.4 km2,占 14.56%,主要分布于故黄河、大沙河和京杭大运河沿线、马陵山自然保护区、微山湖湿地自然保护区及区域中部和贾汪丘陵地带;极高敏感区面积为 301.8 km,占2.73%,主要分布在微山湖、骆马湖沿线及铜山县和贾汪煤矿塌陷区。非敏感区与低敏感区两者之和占研究区面积的72.85%,表明徐州地区的生态敏感性总体上较低。

4 结论

极高与高生态敏感区属于脆弱生态环境区,系统稳定性极差,极易受到人为破坏,而且一旦破坏很难恢复,此类区域应该重点保护;中生态敏感区属于较为脆弱的生态环境区,对外界的干扰活动具有一定的抵抗能力,较易遭受人为干扰,造成生态系统的扰动和不稳定,此类区域可以作为控制发展区或过渡区,宜于在科学指导下进行适度的开发利用;低生态敏感区与非生态敏感区,生态敏感性较低,系统稳定性较好,外部的干扰对生态环境的影响不大,可作为适宜开发区,进行强度较大的开发利用[11]。因此,可作强度较大的开发利用的面积为8 045.2 km2,占研究区面积的72.85%;可在指导下进行适度的开发利用的面积为1 088.1 km2,占9.85%;而作为重点保护的面积为1 910.2 km2,占17.29%。

本研究中采用GIS技术将多生态敏感性因子通过空间矢量叠置方法取最大值确定区域敏感性,操作方法简单、运算高效;避免了栅格叠加操作复杂、运算效率低的缺点。影响生态敏感性的因子很多,在分析生态敏感性时,应根据研究区环境特征选择主要的影响因子。本文根据徐州的环境本底特征选择了3个一级因子共7个单因子对该地区生态敏感性进行分析,结果可作为该地区的开发建设和环境规划与保护的依据。

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