基于GIS的霍尔果斯市生态敏感性分析

2024-01-15潘美言潘悦徐永涛

安徽农业科学 2024年1期

潘美言潘悦徐永涛

摘要选取霍尔果斯市作为研究对象，根据霍尔果斯市的特征，选取坡度、坡向、植被覆盖指数（NDVI）、河流缓冲区、土地利用类型和土壤类型6个因子，利用层次分析（AHP）法确定因子权重，在GIS中按各因子的权重进行叠加，得出霍尔果斯市生态敏感性综合分析图对生态敏感度定量分析。结果表明，该市生态敏感性划分为高敏感区、中敏感区、低敏感区和不敏感区，分别占研究区域面积的25.35%、21.42%、26.78%、26.45%，各敏感区面积占比均衡，表明霍尔果斯市生态敏感性总体适中。

关键词 GIS；生态敏感性；空间分析；霍尔果斯市

中图分类号 X826 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）01-0056-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Ecological Sensitivity Analysis of Khorgos City Based on GIS

PAN Mei-yan1，2，PAN Yue3，XU Yong-tao4

（1.College of Geographical Science，Harbin Normal University，Harbin，Heilongjiang 150000;2.Xingxin Vocational and Technical College， Xinjiang Production and Construction Corps， Tiemenguan，Xinjiang 841007;3.Xinjiang University of Science and Technology， Korla，Xinjiang 841000;4.China Railway Urumqi Bureau Group Co.， Ltd.， Korla，Xinjiang 841000）

Abstract Taking Horgos City as the research object，according to the characteristics of Horgos City， six factors including slope， slope direction， vegetation cover index （NDVI）， river buffer zone， land use type and soil type were selected. AHP method was used to determine the factor weight， and the weight value of each factor was superimposed in GIS. The ecological sensitivity of Horgos City was quantitatively analyzed by comprehensive analysis diagram. The results showed that the ecological sensitivity of the city was divided into high sensitive area， medium sensitive area， low sensitive area and insensitive area， accounting for 25.35%， 21.42%， 26.78% and 26.45% of the area of the study area respectively. The proportion of each sensitive area was balanced， indicating that the ecological sensitivity of Horgos City was moderate on the whole.

Key words GIS;Ecological sensitivity;Spatial analysis;Khorgos City

基金项目霍尔果斯市市政招标项目（HEGSCG-2018-62）。

作者简介潘美言（1995—），女，广东梅州人，硕士研究生，研究方向：生物地理与景观生态。

收稿日期 2023-01-14；修回日期 2023-08-30

生态敏感性是指生态系统对自然环境变化、人类活动干扰的敏感程度［1］，用于反映潛在的生态问题及问题发生的概率［2］。生态敏感性的综合分析是一个综合性评价指标，包括自然与人文等多种因素影响的结果，它可以直观反映出人与自然开发区的生态规划、管理和保护基础［3］。生态敏感性在实际应用中通常表现为生态因子对外界压力或变化的适应能力［4］。为调整自然资源开发与保护的关系，实现自然资源的可持续利用和可持续发展，在选择城市建设用地的发展方向和用地之前，首先要做好当地的生态规划，对当地的生态环境敏感性进行研究，使绿色廊道和生态源地不被破坏，从而营造环境优美的区域生态环境［5］。

生态敏感性分析起初多是针对某一环境问题的单因素分析进行的，随着研究的深入，诸多学者开始利用多个因素进行综合分析［6］。同时，生态敏感性分析在旅游资源规划［7］、生物多样性保护［8］、景观格局规划［9］、城市建设［10］等领域得到应用，其研究尺度从国家、流域、省市（县）级［11］到自然保护区［12］、公园［13］，研究日趋精细。目前此类研究的主流研究方法是采用数学方法对生态敏感性进行定量分析，如模糊综合评判法、层次分析法（AHP）、主成分分析法、生态脆弱度指数法等［14］。该研究借助GIS技术运用AHP法探究霍尔果斯市域生态敏感程度分布差异，以期为当地自然资源的开发利用提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

霍尔果斯市位于新疆维吾尔自治区西部，隶属伊犁哈萨克自治州管辖，地跨80°11′00″～80°45′11″E、44°00′52″～44°50′00″N，西部以霍尔果斯河为界与哈萨克斯坦国相邻，市域南北长92.2 km，东西宽45.5 km，总面积1 908.55 km2。霍尔果斯市地形独特，可用“北山、南平、中丘陵”来概括其地理环境。北部为科古琴山，山脉走向呈近东西向，总体地势北高南低，南部山前较平坦，处于山前冲积、洪积平原之上，海拔在559～4 010 m。市域范围内还有发达的水系，属于伊犁河流域的伊犁河北山水系区，按海拔1 600 m以下汇流河口统计，境内产流河（沟）15条。其中，霍尔果斯河为中哈界河。受北天山和南天山的阻拦，气候具有温暖湿润的特点，年平均氣温8.9～11.0 ℃，年无霜期179 d，历年最大积雪深度30～40 cm，最大冻土深度为92 cm。该地区年降水量203.8 mm，蒸发量1 877.5 mm，极端最高气温39.7 ℃，极端最低气温-37.4 ℃，年日照日数在2 250～3 000 h。该地区春季盛行东北风，夏季盛行东风，秋冬两季以北风为主，属于典型的温带气候。

1.2 数据来源

研究数据包括2018年6月的Landsat-8遥感影像、来源于ASTER GDEMV2的分辨率30 m×30 m的DEM高程数据、霍尔果斯市行政区CAD图、霍尔果斯市城市总体规划（2015—2030）、霍尔果斯市1∶100 000水系分布图（表1）。多源数据在加载过程中会出现投影信息出错、无法匹配等问题，因此对影像进行重新配准、投影转换、矢量化、拼接、裁切等数据处理，提取坡度信息，根据植被覆盖指数（NDVI）计算公式NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）对不同波段的遥感影像进行处理，对研究区域内的河流数据进行缓冲区分析，得到6个生态因子的数据图层预处理结果。

1.3 研究方法

1.3.1 评价因子的选择及评分。

参考前人研究成果［15-18］，结合研究区域生态环境规划情况，选择坡度、坡向、NDVI、河流缓冲区、土地利用类型和土壤类型6个因子作为生态敏感性分析的主要因子。将各生态因子敏感性分为高敏感、中敏感、低敏感、不敏感4个等级（表2），并用值1、3、5、7进行数量化，2、4、6表示介于二者之间的描述。

1.3.2 各评价因子权重设定。

根据层次权重决策分析的方法（AHP）确定各因子权重，生态因子的权重与它对敏感性的影响成正比。参考相关文献［19-23］，结合研究区域实际情况，构建判断矩阵（表3）。

判断矩阵计算过程如下：

（1）先求出判断矩阵每一列的总和，再对判断矩阵进行归一化处理（判断矩阵的每一元素除以其相应列之和），得到

（2）计算标准化后判断矩阵每一行的平均值，得出矩阵的特征向量即标准层中各因素对应的权重W：

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

（3）计算判断矩阵的最大特征值λmax。对于判断矩阵A有A·W=λmax·W。

11/21/211/24

2111/21/21/2

211212

121/211/21/2

221211/4

1/421/2241

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

=·

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

λmax≈=1nni=1λi

式中，n表示指标的个数。

计算得出最大特征值λmax=6.179 3、λmax（A）=6.179 3、CI=λmax-nn-1=0.035 9。

（4）一致性检验CR=CIRI，当CR<0.1时，判断矩阵被视为可以接受，即符合要求。

当n=6时，RI取值1.24，

CR=0.028 9<0.1，因此该判断矩阵的一致性检验符合要求。

2 结果与分析

2.1 各影响因子权重分析

对数据进行整理，选取坡度、坡向、NDVI、河流缓冲区、土地利用类型、土壤类型6种影响因子，得到霍尔果斯市生态敏感分析中各影响因子的权重分别为0.16、0.13、0.20、0.12、0.18、0.21。

2.2 生态敏感性单因子分析

2.2.1 坡度生态敏感性。

从图1可以看出，坡度>30°的高敏感区面积为385.48 km2，占总面积的20.20%，主要分布在北部的科古琴山；坡度在>20°～30°的中敏感区面积为342.42 km2，占总面积的17.94%，分布于中部丘陵地带，北部有零散分布；坡度在>10°～20°的低敏感区面积为404.38 km2，占总面积的21.19%，主要分布于中部的丘陵地带；坡度<10°的不敏感区面积为776.27 km2，占总面积的40.67%，主要分布在南部的平原地带。从图1还可以看出，霍尔果斯市坡度敏感性由北部的山地（高敏感）向南部的平原（不敏感）逐级递减。因此，在城市建设中，应考虑向南部的不敏感区进行扩张，北部的高敏感区采取适当措施进行保护。

2.2.2 坡向生态敏感性。坡向生态敏感性的权重为0.13，坡向为东北、西北、北的高敏感区面积为282.74 km2，占总面积的14.81%；坡向为东、西的中敏感区面积为405.54 km2，占总面积的21.25%；坡向为东南、西南的低敏感区面积为554.95 km2，占总面积的29.08%；坡向为平坡、南的不敏感区面积为665.32 km2，占总面积的34.86%。从图2可以看出，霍尔果斯市山地坡向多集中于北部，且以北坡、南坡为主，中部以纵向分布的东坡、西坡为主，而南部地势平缓，多以平坡为主。在城市建设中可以考虑在霍尔果斯市南部地势平坦的区域种植棉花、小麦等经济作物，而北部山区以保护为主。

2.2.3 NDVI生态敏感性。

从图3可以看出，NDVI>0.34的高敏感区面积为440.98 km2，占總面积的23.11%，主要分布于南部的平原以及中部丘陵地带；NDVI在>0.22～0.34的中敏感区面积为482.28 km2，占总面积的25.27%，主要分布于南部平原及中部丘陵地带，穿插于高敏感区之间；NDVI在>0.10～0.22的低敏感区面积为424.54 km2，占总面积的22.24%，主要分布于南部平原的城市建成区以及中部丘陵地带的水系周围；NDVI≤0.10的不敏感区面积为560.75 km2，占总面积的29.38%，主要分布于北部的山地区域。造成这种现象的原因是南部平原适合城市发展，人类活动较多，植物多为人工种植（农田、林地、城市绿化），因此植被覆盖度高，而北部山地海拔较高，常年积雪，不适宜植物生长，因此植被覆盖度低。

2.2.4 河流缓冲区生态敏感性。

从图4可以看出，河流缓冲区≤1 000 m的高敏感区面积为514.77 km2，占总面积的26.97%，在霍尔果斯市域范围内皆有分布，走势为南北向，北部山区较少分布；河流缓冲区在>1 000～2 000 m的中敏感区面积为412.25 km2，占总面积的21.60%，略低于高敏感区面积，分布特点与高敏感区类似；河流缓冲区在>2 000～4 000 m的低敏感区面积为529.99 km2，占总面积的27.77%，低敏感区所占面积最大；河流缓冲区>4 000 m的不敏感区面积为451.54 km2，占总面积的23.66%，主要分布在北部山区。

2.2.5 土地利用类型生态敏感性。

从图5可以看出，土地利用类型为未利用土地、林地、水体的高敏感区面积为663.67 km2，占总面积的34.77%，主要分布在北部山区；土地利用类型为草地、园地的中敏感区面积为847.76 km2，占总面积的44.42%，主要分布在中部丘陵地带；土地利用类型为耕地的低敏感区面积为362.25 km2，占总面积的18.98%，主要分布在南部平原地区；土地利用类型为建设用地的不敏感区面积为34.87 km2，占总面积的1.83%，在南部平原地区呈零散分布。

2.2.6 土壤类型生态敏感性。

从图6可以看出，土壤类型为高山土、冰川雪被的高敏感区面积为909.72 km2，占总面积的47.67%，主要分布在北部科古琴山；土壤类型为半水成土、水成土的中敏感区面积为187.70 km2，占总面积的9.83%，主要分布在南部平原地区；土壤类型为干旱土、初育土的低敏感区面积为488.27 km2，占总面积的25.58%，主要分布在南部的部分平原；土壤类型为半淋溶土、钙层土的不敏感区面积为322.86 km2，占总面积的16.92%，主要分布在中部丘陵，在北部山区靠近西侧边界处也有分布。

2.3 生态敏感性综合分析

采用GIS中空间分析法对以上6个生态敏感性影响因子的权重进行叠加处理，得出霍尔果斯市生态敏感性综合分析图（图7）。根据分析结果，高敏感区主要分布在北部的科古琴山，面积为483.83 km2，占总面积的25.35%，该区域的特点是高海拔、温度低，不适宜人类居住，植物以野生种为主，如天云杉、天山雪莲等；中敏感区主要在北部山区呈条带状分布，中部丘陵地区围绕河流有少量分布，面积为408.90 km2，占总面积的21.42%，该区域的特点是水量充沛，植物种类繁多，野生种与栽培种并存；低敏感区与不敏感区主要分布在中部丘陵与南部平原地区，面积分别为511.03、504.79 km2，分别占总面积的26.78%、26.45%，该区域主要为建设用地、耕地集中区，植物以栽培种为主。从各级敏感区的分布来看，霍尔果斯市呈现出“北高南低中过渡”的特点，且各级敏感区皆有过渡规律，北部山区的高敏感区外围分布中敏感区，中部平原的中敏感区外围一定范围分布有低感区，低敏感区外围分布不敏感区，呈现出“年轮”的特点，这一规律可为将来的城市建设、扩张提供一定的依据。

3 结论

高敏感区是开发建设活动受到严格控制的区域，一旦受到破坏，就会影响开发建设活动，破坏当地生态系统，这些区域是自然生态的重点保护区，易受生态环境和外界影响。中敏感区虽然对干扰有一定的抵抗力，但它们很容易受到人为干扰，也会扰乱生态系统，这些区域应作为受控开发或过渡区域，并适用于在科学指导下开发利用。低敏感与不敏感区生态敏感度低，系统稳定性好，外来干扰对生态环境影响小，可作为适宜开发区进行集约开发利用。因此，霍尔果斯市可作为较大强度开发利用的面积为 504.79 km2，占研究区面积的 26.45%；可进行适度开发利用的面积为511.03 km2，占研究区面积的26.78%；而作为重点保护区的面积为892.73 km2，占研究区面积的46.77%。

该研究采用 GIS 空间分析技术将单生态敏感性因子通过叠加取最大值确定霍尔果斯市综合生态敏感性，操作方法简单、运算高效。影响生态敏感性的因子很多，在进行生态敏感性分析时，应根据研究区环境特征选择主要的影响因子。该研究根据霍尔果斯市的环境本底特征选择了6个因子对其生态敏感性进行分析，划分了霍尔果斯市高敏感、中敏感、低敏感和不敏感地区，以期为霍尔果斯的城市开发建设和环境保护规划提供依据。

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