太原市域生态敏感性综合评价

侯志华, 马义娟*, 贾宇平



太原市域生态敏感性综合评价

侯志华, 马义娟*, 贾宇平

太原师范学院地理科学学院, 山西, 晋中 030619

基于遥感和GIS技术, 从“地”、“水”、“林”、“人”四方面, 筛选坡度、水体、植被覆盖指数、生态保护区、土地利用类型五项生态敏感因子, 对太原市域生态敏感的类型、程度及其分布进行综合评价与分析。结果显示: 敏感度高的区域面积782.92 km2, 占总面积的12.11%, 主要分布在市域北部阳曲县和西北部娄烦县的山地地区, 这些地区山高坡陡, 植被覆盖较好, 有些被划为生态保护区, 受多种敏感类型的影响; 中度敏感区面积2955.07 km2, 占45.69%, 主要是沿汾河干支流方向和高度敏感区周边的丘陵低山地区, 水体是最为主要的敏感类型, 此外, 地形、植被及人类的土地利用都对其具有一定的影响。从研究结果来看, 太原市域生态敏感类型多样, 且在空间上交错分布, 具有明显的空间地域差异, 能为政府在区域开发中制定科学的生态安全防范策略提供有力的依据和参考。

生态敏感性; 评价体系; GIS; 太原市

1 前言

生态环境是人类赖以生存、生活和生产的基本条件。随着社会经济的发展和科学技术的提高, 人类对生态环境的影响在广度和深度上都在不断加强加大, 由此也引发了一系列生态环境问题, 这些问题已经严重威胁到人类的生存和社会经济的可持续发展, 因此, 长期以来, 生态环境问题就一直受到各层政府的高度关注, 也成为国内外众多专家学者的研究热点[1-5]。所谓生态敏感性, 即是指当区域内有人类和自然活动干扰时, 生态环境对此的敏感程度, 它反映了区域生态系统遭遇到外界各种干扰时, 产生生态环境问题的概率大小, 和之后生态进行修复时的难易程度。生态敏感性分析和评价是生态系统研究的一项重要内容, 对一个区域生态敏感性的深入分析和合理评价, 能为政府制定城市建设与发展空间规划以及环境保护策略等提供科学依据。

目前, 对于生态敏感性的研究国内学者已从单一生态敏感性问题发展到基于多个生态因子的综合评价[6-9], 但由于区域环境的地域差异大, 尚未形成一个规范的指标体系, 从研究区域上看, 多以平原区、卡斯特山区和干旱半干旱区为例。太原市地处生态环境较为脆弱的黄土高原地区[4,10], 区内地形破碎, 土壤侵蚀严重, 水资源普遍不足, 土地利用形式多样, 生态敏感类型众多, 如何在国家“中部崛起”和“经济转型发展”战略实施下, 建立环境友好型经济社会发展模式, 目前仍是一个尚未完全解答的难题。本文根据太原市自身的地域特征, 建立集“地”、“水”、“林”、“人”于一体的生态敏感性评价体系, 在遥感和GIS技术支持下, 将单因子分级和多因子空间叠加模型相结合, 对整个区域进行生态敏感区综合评价及分区, 能为国家、省市各级政府因地制宜地制定科学的空间开发管制政策和构建有效的生态安全制度, 也为我国其他地区开展同类生态敏感区评价及保护工作提供一定的参考和借鉴。

2 研究区概况及研究数据

2.1 研究区概况

太原市——山西省省会城市, 位于省境中央, 面临渤海湾, 背靠大西部, 是东西部的结合地, 是内陆与环渤海联动发展的主要增长极, 在国家战略布局中发挥承东启西、沟通南北的交通枢纽作用。全市总面积6999 km2, 下辖清徐县、阳曲县、娄烦县3县, 古交市1市和迎泽区、万柏林区、杏花岭区、尖草坪区、晋源区、小店区6区, 2015年总人口431.87万人, 地区生产总值2735亿元。太原市地处黄土高原东端, 地势西高东低, 北高南低, 区域外形似蝙蝠形, 东西距离约144 km, 南北距离约107 km; 属温带大陆性季风区, 气候干燥, 降雨较少, 四季分明, 日夜温差较大, 表现为较强的大陆性气候特点; 黄河第二大支流汾河自北向南贯穿全境, 是一座拥有四千七百余年的历史古都, 拥有众多历史名胜古迹和人文景观, 自古就有“锦绣太原城”的美誉。

改革开放以来, 太原市依靠自身的资源优势, 迅速进入了工业开发和城市建设快速发展期, 经济发展迅猛, 人们生活水平极大提高, 而同时也付出了沉重的代价, 生态明显恶化, 环境污染严重。生态环境成为制约区域经济发展的瓶颈因素, 如何更好的协调生态、生活、生产空间, 是区域经济可持续发展面临的一个重要挑战。

2.2 研究数据及处理

2.2.1 数据源

本研究的数据主要包括遥感数据、基础地理数据、专题数据和其他相关的统计和文字资料。参考已有关于空间尺度和信息类型的研究成果[11-13], 遥感数据选择了分辨率为15 m的Landsat 8遥感影像数据(2015年10月7日和2015年8月13日); 基础地理数据为太原市30 m数字高程模型(DEM); 专题地图为太原市行政区划图、太原市自然保护区分布图、太原市地表水系图和太原市旅游景点分布图; 其它统计资料或文字资料主要为山西省和太原市统计年鉴, 山西省对国家级或省级重点生态保护区的统计资料等。

2.2.2 数据处理

图像预处理: (1)几何校正, 将遥感影像、DEM数据和各类专题地图校正到统一的投影坐标系下, 本次采用的投影坐标为WGS 1984 UTM Zone 49; (2)遥感影像融合, 将Landsat8的543光谱波段和全色8波段进行融合, 生成15 m标准假彩色图像; (3)图像拼接和裁切, 全区域涉及两幅遥感影像, 需要进行拼接, 然后再利用行政边界将研究区裁出。

数据提取: (1)基于遥感影像, 采用NDVI植被指数算法, 生成“植被覆盖指数”生态敏感因子分布图; (2)结合遥感影像和地表水系专题图, 提取水体信息, 生成“水体功能”生态敏感因子分布图; (3)基于DEM图像, 提取坡度数据, 生成“地形坡度”生态敏感因子分布图; (4)基于遥感影像, 采用人机交互解译, 并通过90%的精度检验, 生成“土地利用类型”生态敏感因子分布图; (5)利用太原市自然保护区分布图、旅游景点分布图并通过实地考察, 提取生态保护区地信息, 生成“生态保护区”敏感因子分布图。

3 生态敏感性分析体系构建

3.1 评价因子选择

生态敏感性分析的核心工作是评价指标体系的构建, 指标体系的建立没有统一的规范标准, 需要充分考虑区域的实际情况, 如欧阳志云等在对中国生态环境敏感性划分研究中选用了气候、地形、土壤、地表覆盖度等因子[10], 后来研究甘肃生态敏感性时确定了水土流失、土地沙漠化、土壤盐渍化三类指标, 并细分土壤质地、降水冲蚀力、植被、≥6 m/s起沙风天数、地貌等11类评价因子[14]; 齐姗姗等基于SRP模型对甘肃白龙江流域生态环境进行脆弱性评价时, 生态敏感性要素选取了地形因子(坡度、坡向和地形起伏度)、地表因子(土壤侵蚀强度、景观结构指数和潜在蒸散发)、气象因子(年均降水、相对湿度和气温)三方面9个评价因子[15]; 秦贤宏等对广西钦州市生态敏感区综合评价时构建了“地”、“水”、“绿”指标体系, 并细化为断裂构造、地形起伏、地质灾害、饮用水源保护、水体功能和水质保护、洪涝灾害、植被覆盖、农业生产和生物多样性保护9个评价因子[16]。本研究借鉴已有的研究成果, 结合太原市区域特点, 并遵循代表性、综合性、区域完整性、资料完备性、可操作性等原则, 集“地”、“水”、“林”、“人”四方面, 选取地形坡度、植被覆盖指数、水体功能、生态保护区、土地利用类型5个因素作为生态敏感性的评价因子, 以此进行定量评价。

3.2 各因子敏感性等级划分

3.2.1 “地”敏感因子

太原市地处黄土高原, 地形复杂, 土层薄且土质松软, 西部吕梁山脉和东部太行山区的黄土丘陵沟壑区、土石山区、黄土残塬沟壑区一直面临着严重的水土流失。水土流失受到降水、地形坡度、地表植被等多方因素影响, 一般来说坡度的大小与发生水土流失的几率成正比, 因此本研究选择坡度作为一个评价因子, 并依据第二次全国土地调查中对耕地坡度级别的划分标准, 以2°、6°、15°、25°为界划分敏感等级, 详见表1和图1(a)。

3.2.2 “水”敏感因子

水体是生态系统的重要组成部分, 在动植物的生存生长、人类社会的生存和发展、生态环境的调节和净化等方面具有不可替代的作用。太原市水资源缺乏, 且污染严重, 成为环境治理和生态保护的主要“瓶颈”, 因此本研究选择市内的主要干流及支流水系、湖泊、水库库区作为水体功能生态敏感性评价因子, 并设立500 m、1000 m、1500 m、2000 m的缓冲距离用以表征水环境对生态环境的影响强度以及随距离衰减的特点, 见表1和图1(b)。

3.2.3 “林”敏感因子

植被在保护区域的生物多样性、改善区域景观质量以及调节生态环境质量等方面具有十分重要的作用。太原市地貌类型复杂多样, 山多川少, 山地丘陵面积接近三分之二, 天然林草地资源原本比较丰富, 但由于脆弱的自然生境和多年来的不合理开发和利用, 使林草地退化严重。森林严重破坏后, 恢复相当困难, 致使生物多样性也遭受严重破坏, 部分物种灭绝, 部分物种处于濒危状态, 因此本研究将植被覆盖度作为一个生态敏感性评价因子, 具体用NDVI植被指数表示, 并通过聚类分析, 以0.01、0.12、0.27、0.36为界进行敏感性等级划分, 见表1和图1(c)。

3.2.4 “人”敏感因子

人类本来就是自然的一个组成部分, 但近几百年来人类社会非理性超速发展, 已经使人类活动成为影响地球上各圈层自然环境稳定的主导负面因子。土地利用是人类对生态环境最直接的干扰途径, 不同的土地利用方式对生态环境也有不同程度的影响。因此, 本研究选择土地利用类型作为其中一个人为生态敏感性评价因子。根据研究目的和实际情况, 将土地利用类型划定为有林地、灌木林地、水域、农用地、建设用地、未利用土地六个类型, 参考前人研究[9,17、18]并咨询多位专家后, 将有林地和水域确定为极度敏感区, 灌木林地和未利用土地定为高度敏感区, 农用地定为中度敏感区, 建设用地定为低度敏感区, 见表1和图1(d)。

为了保障国家和地方生态安全, 人类在一些具有涵养水源、保持水土、调蓄洪水、防风固沙、维系生物多样性等方面有重要作用的生态功能区内, 有选择地划定一定面积予以重点保护和限制开发建设, 这些区域统称为生态保护区。本次研究选择太原市各种自然保护区、风景名胜区、水源涵养区、森林公园、地质公园、文物古迹等作为生态保护区敏感性评价因子, 并对生态保护区做缓冲区分析, 以200 m、500 m、1000 m、2000 m为界进行敏感性等级划分, 见表1和图1(e)。

表1 生态环境敏感性因子及其分级

3.3 多因子综合评价

3.3.1 评价因子权重确定

为了更加客观、准确的量化各个敏感性因子对于区域生态敏感性影响的重要程度, 确定各因子权值时, 以问卷的方式, 调查了12位地理学、生态学方面的专家学者, 采用层次分析法(AHP)计算每个因子的权重值, 经多次讨论和商榷, 最终确定各因子的权重分别为地形坡度0.20、植被覆盖指数0.20、水体功能0.20、生态保护区0.25、土地利用类型0.15。

3.3.2 多因子综合计算

生态环境敏感性综合指数计算公式为:

式中指生态环境敏感性综合评价指数,C指单因子生态环境敏感性等级值,W是各个生态敏感性因子的权值。

为了更好的分析数据, 根据实际情况, 取8、6、4、2为界限, 将计算出的综合生态环境敏感性评价指数划分为五个等级区, 即: 极度敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区及不敏感区。

4 结果分析

4.1 单因子生态敏感性评价分析

4.1.1 “地”敏感性因子评价分析

由图1(a)可见: 市域地形坡度极度敏感区, 面积505 km2, 高度敏感区, 面积1408 km2, 两者共占总面积的29.55%, 主要分布在阳曲县西部、市区西部、娄烦县西南部及古交市周边的山区地带; 中度敏感区面积2513 km2, 占38.81%, 广泛分布在阳曲县东部、市区东部、娄烦县中部和古交市中部的丘陵地带; 低度敏感和不敏感区面积分别为1362 km2、689 km2, 分别占21.03%和10.61%, 主要分布在阳曲县中部、市区中南部、清徐县中东部的盆地区及娄烦县、古交市的河流谷地。

4.1.2 “水”敏感性因子评价分析

由图1(b)可见: 市域水体极度敏感区和高度敏感区面积分别为993 km2和815 km2, 各占15.30%和12.54%, 主要为太原市内汾河干流、支流和湖泊、水库本身及其周边1000 m范围内的防洪堤坝区; 中度、低度敏感区面积分别为731 km2和663 km2, 分别占11.27%和10.21%, 主要为距离河流、湖泊、水库1000—2000 m范围之间; 不敏感区面积3279 km2, 占50.68%, 主要是距水体2000 m以外的居住用地、农用地、植被覆盖等的非水体区域。

4.1.3 “林”敏感性评价分析

由图1(c)可见: 市域植被极度敏感区面积2648 km2, 占总面积的40.85%, 集中在市域西部的吕梁山区, 中部的云中山区和东部边缘的太行山区; 高度敏感区面积2080 km2, 占32.11%, 分布在各县(市)中心周边的低山丘陵区; 中度敏感区面积1792 km2, 占22.97%, 主要包括娄烦县的东北部和其他各县的中部; 低度敏感区面积231 km2, 占3.54%, 集中在各县(市)辖区的中心部分; 不敏感区面积37 km2, 占0.53%, 主要为汾河水库和晋阳湖等水体。总体上看, 太原市植被覆盖指数敏感性具有一定的空间分布规律性, 从各县(区)所在的平川、河谷地带向周围环绕的低山丘陵地区再到外围的中高山区, 敏感性依次增加。

图1 太原市5个生态敏感因子分布图(a-e)

4.1.4 “人”敏感性评价分析

(1)生态保护区敏感性评价分析

由图1(d)可见: 市域生态保护极度和高度敏感区面积分别为925 km2和161 km2, 各占总面积的13.94%、2.47%, 主要为自然保护区、风景名胜区、文物古迹地等受保护区及其周边500 m的地区, 集中分布在娄烦县、阳曲县西部和市辖区; 中度敏感区面积335 km2, 占5.14%, 主要为距生态保护区500—1000 m的范围; 低度敏感区和不敏感区面积分别为758 km2和4317 km2, 分别占11.73%和66.72%, 主要为距生态保护区1000 m以外的区域。

(2)土地利用类型敏感性评价分析

由图1(e)可见, 市域土地利用极度敏感区面积1555.01 km2, 占总面积的24.03%, 土地利用类型为有林地和水体, 主要分布在阳曲县的东北角和西部, 市辖区的西部, 古交市的西北角和西南边缘, 娄烦县境内等植被覆盖好的山区以及汾河水库、晋阳湖等地; 高度敏感区面积3234.21 km2, 占49.98%, 为灌木林和未利用地, 主要分布在西部的娄烦县、古交市, 北部的阳曲县, 清徐县西北部, 市辖区西南和东端等这些植被覆盖一般的低山丘陵地区; 中度敏感区面积974.78 km2, 占15.07%, 为农用地, 主要分布在阳曲县中东部、市辖区北部及与其相邻的阳曲县南部、市辖区东南部及清徐县的中东部, 这些地势平缓的盆地、河谷地区; 低度敏感区面积706.38 km2, 占10.92%, 为建设用地, 主要是太原市内各市区、县城所在地。

4.2 综合生态敏感性评价

利用ArcGIS软件空间加权叠加技术, 根据各因子及权重计算得到太原市生态敏感性综合分析数据, 见表2和图2。太原市极度敏感区面积7.06 km2, 占总面积的0.11%; 高敏感区面积775.86 km2, 占12.00%; 中度敏感区面积最大, 为2955.07 km2, 占45.69%; 低度敏感区面积2661.05 km2, 占41.15%; 不敏感区面积68.44 km2, 占1.05%。

从空间分布上看, 太原市生态环境敏感性在不同地域上表现出较大的差异性。由图2可见:

(1) 敏感性高的地区(极度敏感区和高度敏感区)主要分布在娄烦县、阳曲县西部及市区西北边缘和西南边缘, 这些地区山高坡陡, 植被覆盖较好, 有些被划为生态保护区, 受多种敏感类型的影响。它们对全市生态环境具有决定性作用, 具有很高的生态价值, 这些地区应以生态保护为主要目的, 加强对各类开发建设活动的管控, 尽量减少人类会对其产生危害的行为。

(2) 中度敏感区, 主要是沿汾河干支流方向和高度敏感区周边的丘陵低山地区, 水体是其最为主要的敏感类型, 此外, 地形、植被及人类的土地利用都对其具有一定的影响。这些区域对核心生态系统有一定的缓冲和保护意义, 起隔离外界污染的作用, 同时能够防止城市无序发展, 该地区应重点加强植被的保护与退耕还林还草的建设, 防控水土流失的发生, 逐步恢复受损的生态环境。

表2 太原市生态环境敏感性综合评价结果

图2 太原市综合生态敏感性评价分布图

(3) 敏感性低的地区(低度敏感区和不敏感区)广泛分布于研究区的盆地、平川、缓丘一带, 即古交市、清徐县、市辖区和阳曲县的东部、娄烦县部分地区。这些区域是农田生产、城市建设等人类活动的集中地区, 重点要控制污染物的排放, 加强区域内部的绿化建设。

5 结论与讨论

利用RS和GIS技术, 从“地”、“水”、“林”、“人”四个角度对太原市域生态敏感性进行综合分析和评价。从研究结果来看, 市域生态敏感类型多样, 且在空间上交错分布, 敏感类型、敏感程度具有明显的区域差异性, 总的来说, 西部、北部的山地丘陵区, 河流、湖泊、水库及一些重点生态保护区, 生态脆弱, 敏感性程度更高。

通过选取具有一定代表性的五个具体评价因子, 基本反映了研究区域的生态脆弱状况, 但由于资料缺乏, 未考虑气候气象、地质灾害、采煤塌陷、生物多样性等方面的影响, 而且评价因子的敏感程度分级也具有一定的主观性, 这些还需要在今后的研究中继续加以补充和完善。

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Integrated assessment on ecological sensitivity for Taiyuan City

HOU Zhihua, MA Yijuan, JIA Yuping

School of Geographical Sciences, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619,Shanxi, China

Based on RS and GIS techniques, the ecological sensitivity types, degrees and their spatial distributions are studied in Taiyuan City. In this study, 4 factors such as land, water, forest and human, are considered; in order to integrate the 4 factors, 5 indices such as slope, water, vegetation coverage index, ecological protection area and land use type are selected for ecological sensitivity assessment. The results are as follows. 1) The high sensitive region covers an area of 78292 km2, accounting for 12.11% of the total area. And the regions are located in mountainous regions of Yangqu County, north of Taiyuan City and Loufan County, northwest of Taiyuan City with steep slope and good vegetation cover. 2) The moderate sensitive region covers an area of 2955.07 km2, with 45.69% of the total area. And the regions have two types: one is distributed along Fenhe River and its branches, the other one is located in hills and low mountains around the high sensitive regions peripherally. The results also show that the most important sensitivity factor is water-ecology. The outcome of this work may be utilized to protect the ecological securities and to develop more scientific ecological policy for Taiyuan city.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.025

X826

A

1008-8873(2018)04-204-07

2017-08-31;

2017-10-08

汾河流域生态脆弱性及其补偿机制研究(2015332); 汾河流域生态补偿机制及其政策研究(2014041018-4)

侯志华(1981—) , 女, 山西阳泉人, 硕士, 讲师, 主要从事遥感与GIS的资源和环境应用研究, E-mail:houzhihua1008@126.com

马义娟, 女, 硕士, 教授, 主要从事自然环境变化与土地利用研究, E-mail:mayijuan@163.com

侯志华, 马义娟, 贾宇平. 太原市域生态敏感性综合评价[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 204-210.

HOU Zhihua, MA Yijuan, JIA Yuping. Integrated assessment on ecological sensitivity for Taiyuan City[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 204-210.