2000—2020年洱源县生态敏感性时空变化分析

2024-02-26王钰董亚坤曾维军

湖北农业科学 2024年1期

王钰董亚坤曾维军

摘要：以云南省大理白族自治州洱源縣为研究对象，采用ENVI与ArcGIS进行数据处理，构建多因子生态敏感性评价指标体系，开展单因子、综合敏感性评价。结果表明，2000—2020年洱源县植被覆盖指数、土地利用类型、综合生态敏感性的不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区面积占比呈减少趋势；植被覆盖指数、土地利用类型、综合生态敏感性的高度敏感区面积占比呈增加趋势，分别增加了31.47、21.85、20.76个百分点；植被覆盖指数的高度敏感区从零星分布到“川”字型分布；土地利用类型的高度敏感区分布在除三营镇、邓川镇山间盆地外的大部地区；综合生态敏感性的不敏感区和轻度敏感区分布范围逐步缩小，主要分布于山间盆地，高度敏感区主要分布在洱源县东部及中部的罗坪山脉。洱源县高度敏感区面积快速增加，洱海流域生态保护政策的实施是其根本原因。

关键词：生态敏感性；时空变化；云南省大理白族自治州洱源县

中图分类号：X826 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0011-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.003 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of spatiotemporal changes in ecological sensitivity in Eryuan County

from 2000 to 2020

WANG Yu， DONG Ya-kun， ZENG Wei-jun

（College of Hydraulic Engineering/Yunnan Intermountain Basin Land Use Field Scientific Observation and Research Station， Ministry of Natural Resources/Yunnan Provincial Engineering Laboratory of Land Resources Utilization and Protection， Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

Abstract： Taking Eryuan County， Dali Bai Autonomous Prefecture， Yunnan Province as the research object， ENVI and ArcGIS were used for data processing to construct a multi factor ecological sensitivity evaluation index system， and single factor and comprehensive sensitivity evaluations were carried out. The results showed that from 2000 to 2020， the proportion of non sensitive areas， mild sensitive areas， and moderate sensitive areas of vegetation coverage index， land use type， and comprehensive ecological sensitivity in Eryuan County showed a decreasing trend；the proportion of highly sensitive areas in vegetation coverage index， land use type， and comprehensive ecological sensitivity showed an increasing trend， increasing by 31.47， 21.85， and 20.76 percentage points， respectively；the highly sensitive areas of vegetation coverage index range from sporadic distribution to a “Chuan” shaped distribution；the highly sensitive areas of land use types were distributed in most areas except for the mountainous basins in Sanying Town and Dengchuan Town；the distribution range of non sensitive and lightly sensitive areas of comprehensive ecological sensitivity was gradually shrinking， mainly distributed in mountain basins， while highly sensitive areas were mainly distributed in Luoping Mountains in the eastern and central Eryuan County. The rapid increase in the area of highly sensitive areas in Eryuan County was fundamentally due to the implementation of ecological protection policies in the Erhai River Basin.

Key words：ecological sensitivity； spatiotemporal changes； Eryuan County， Dali Bai Autonomous Prefecture， Yunnan Province

收稿日期：2022-04-21

基金项目：国家自然科学基金地区项目（41961040）

作者简介：王钰（1998-），女，山东日照人，在读硕士研究生，研究方向为资源环境遥感、土地评价，（电话）18563322229（电子信箱）wangyu_1998@126.com；通信作者，曾维军（1979-），男，湖南邵阳人，副教授，博士，主要从事3S技术、土地评价、资源环境规划研究，（电话）13688712698（电子信箱）zengweijunde@163.com。

生态敏感性是指某地区出现生态问题的可能性或可能程度，用来表征外界干扰可能造成的生态后果［1］。生态敏感性越高的地区在受到人类不合理活动影响的时候更容易遭受破坏，产生生态环境问题，因此生态敏感性评价是区域生态环境保护和建设的重要方法之一［2］。

云南省大理白族自治州洱源县位于洱海上游，北三江（波罗江、弥苴河、罗时江）是其境内的主要河流，约占洱海年补充水量的70%［3］。洱源县属高原山间盆地交错区，是耕地最集中的区域，虽然植被丰富，但多为灌木、草地，土壤流失较剧烈，面源污染较严重，多处湖泊、河流出现有机污染、蓝藻暴发等问题，严重威胁下游洱海的生态环境。洱源县的河流污染导致洱海水质下降，所以水环境保护与洱海治理息息相关。因此以洱源县为对象进行生态敏感性评价，对洱海水质治理和洱源县当地生态保护具有重要意义。

针对生态敏感性评价分析，国内外学者做了大量研究。从研究对象方面看，选取的研究尺度有省域、市域、流域尺度等。牛晓楠等［4］通过分析综合敏感性构建了福建省生态保护重要性评价指标体系；何建华［5］等、刘乐怡等［6］、乔育等［7］分别以武汉市、香格里拉市、天水市为例，对研究区域进行生态功能重要性评价以及生态敏感性评价；刘海龙等［8］、张广创等［9］、李元征等［10］选取河流流域为研究对象，研究流域内生态敏感性评价的空间分布特征。从敏感性因子方面看，大多数研究都选取高程、坡度为主要因子，刘炳攸等［11］除主要因子外还选取重金属空间分布因子对湖南省重金属矿区进行生态敏感性评价；吴庭天等［12］选取土地利用、生态保护区、湿地因子来构建敏感性评价体系，探索琼北火山熔岩湿地的生态安全分布格局。从研究方法方面看，Yu等［13］利用层次分析法和GIS对11个指标进行加权叠加，建立解释结构模型（Interpretative structural modeling method，ISM）对生态敏感性进行评价；严军等［14］选取变异系数法并结合层次分析法来确定各指标因子的权重，从而对江心洲生态敏感性进行定量研究；苏溥雅等［15］通过自组织映射神经网络模型（SOM）完成对西北5省的综合生态敏感性评价。对生态敏感性研究对象的尺度呈现多样化，而对县域的研究较少，在敏感性因子方面各研究多选取高程、坡度因子，其他因子的选取需要结合研究区具体情况而定。

考虑到洱源县是洱海源头的特殊地理位置，选取水环境作为本研究的评价因子，设置多环缓冲区，缓冲区距离分别为200、500、1 000、3 000 m。敏感性因子选取高程、坡度、植被覆盖指数、水环境、土地利用类型。研究方法应用ENVI与ArcGIS进行数据处理，构建评价指标体系，开展单因子、综合敏感性评价。其中，高程、坡度、水环境因子采用单年数据进行分析，植被覆盖指数、土地利用类型因子采用2000年、2005年、2010年、2015年、2020年5年数据进行对比，分析其时空变化特征。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况与数据来源

1.1.1 研究区概况洱源县是云南省大理白族自治州下辖的县，位于大理白族自治州北部，是高原明珠洱海的发源地，总面积2 513.48 km2，海拔最高 3 958.4 m，最低1 645.0 m。东部马鞍山、中部罗坪山、西部西罗坪山3支主山脉由北向南纵贯全境，县域地势由西北向东南倾斜。洱源县设有6镇3乡，镇有邓川镇、右所镇、三营镇、茈碧湖镇、凤羽镇、乔后镇，乡有牛街乡、西山乡、炼铁乡。

1.1.2 数据来源及处理遥感影像和DEM数据均来自地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn）。遥感影像采用Landsat系列卫星数据，DEM数据空间分辨率为30 m；坡度数据是由ArcGIS的Spatial analyst工具中的坡度提取所得；植被覆盖指数是在ENVI中导入大气校正后的遥感影像，利用Spectral工具箱中的NDVI工具，影像數据类型为Landsat OLI，数据范围为-1～1；土地利用类型数据是遥感影像在ENVI中经过辐射定标、大气校正等预处理后，选择林地、耕地、水域、草地、建筑用地、其他用地6种土地类型；分类方法是监督分类中的支持向量机分类法，5年的总体分类精度和Kappa系数分别是96.288 0%、94.566 9%、93.374 6%、93.937 0%、88.324 0%和0.952 3、0.930 1、0.914 7、0.922 1、0.849 9；水环境数据是在提取的河网数据上设置多环缓冲区，其中河网数据来源于第三次全国国土调查结果。数据统一采用WGS_1984_UTM_zone_47N坐标系。

1.2 方法

1.2.1 评价因子的选取洱源县地势较高，坡度较大，大多数有关生态敏感性的研究都选择高程和坡度作为评价的重要因子［16-18］；植被覆盖指数反映被评价区域内植被覆盖的高低，李益敏等［19］的研究发现植被覆盖指数越高，生态敏感性越高；选取水环境因子是因洱源县河网密度较高又是洱海源头，根据离河网远近设置不同大小缓冲区，划定不同敏感性等级区域，可以更加直观地划定重点保护区域；土地利用类型也常作为生态敏感性评价的重要因子［1，20，21］，不同土地类型不可避免地会对生态环境产生影响，如林地和水域易受人类活动的影响，遭受破坏后会直接影响生态环境状况，建筑用地生态环境更稳定，所以林地和水域等的生态敏感性更高，需重点保护。

1.2.2 自然断点法自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，任何统计数列都存在一些自然转折点、特征点，用这些点可以把研究对象分成性质相似的群组，因此，断点本身就是分级的良好界限。本研究中高程、坡度因子的分级标准通过自然断点法实现，并将其敏感性划分为4个等级。

1.2.3 指标体系的构建洱源县土壤类型多，土地利用类型以林地、耕地、草地为主，河流湖泊随山势分为2大水系，分别是黑潓江水系和弥苴河水系。参考部分学者［2，22］已有研究成果及《生态功能区划技术暂行规程》《全国生态功能区划（修编版）》《生态保护红线划定技术指南》中的技术规范，根据高程、坡度、植被覆盖指数、水环境、土地利用类型5项指标构建评价体系，并根据对土地生态敏感性的影响划分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感4个等级，分别赋值1、3、5、7（表1）。

1.2.4 权重的确定单因子权重确定过程参考刘培亮等［23］的研究成果，并结合研究区实际进行修改，最终确定单因子权重（表2）。

1.2.5 综合因子的计算综合因子分析采用加权叠加分析法，将2个或2个以上的图层按照一定的算法叠加计算产生新数据，加权叠加分析的计算公式如下。

式中，F为加权叠加分析的结果；wi为第i个数据的权重；pi为第i个栅格图层［24］。利用ArcGIS 的栅格计算器进行计算，各单因子的权重见表2，然后利用式（1）对 5项生态敏感性因子进行加权叠加，得出综合生态敏感性评价结果。

2 结果与分析

2.1 高程和坡度生态敏感性

高程和坡度的生态敏感性分布如图1所示。高程因子敏感性等级由海拔决定，海拔越高，受人类活动影响范围越小，敏感性等级越高，研究区东部、中部、西部的高程敏感区为马鞍山、罗坪山、西罗坪山。坡度因子敏感性等级由坡度大小决定，坡度越大的区域水土流失越严重，植被遭到破坏后越不容易恢复，敏感性等级越高。

2.2 水环境生态敏感性

水环境生态敏感性分布如图2所示，各乡镇水环境因子的敏感区面积占比如表3所示，敏感区分布面积如表4所示，敏感性等级由缓冲区距离确定，设置的缓冲区距离越小即越接近水域，敏感性等级越高。

不敏感区面积占总面积的55.72%，主要分布在缓冲区距离3 000 m的旱地区域；轻度敏感区面积占总面积的19.25%；中度敏感区面积占总面积的13.66%；高度敏感区面积占总面积的11.37%，主要分布在缓冲区距离200 m的区域，该区域土壤肥沃，水源充足，易于灌溉，农业生产活动频繁，生态环境需要重点保护。

2.3 植被覆盖指数生态敏感性

植被覆盖指数与植被茂盛程度呈正相关，而植被越茂盛的区域如林地，越容易受到人类生产生活的影响，稳定性越差，敏感性等级越高。图3为2000—2020年的植被覆盖指数生态敏感性分布，不敏感区集中在洱源县东部，该区域位于东部马鞍山和中部罗坪山中间，地势较低，坡度变化较小，高度敏感区从零星分布到“川”字型分布，说明洱源县植被覆盖面积增加，生态环境变好。

由表5、图4可知，2000—2020年植被覆盖指数因子的不敏感区面积呈持续减少的趋势，占比从12.01%减少至3.66%，减少了8.35个百分点；轻度敏感区面积占比从38.56%减少至26.22%，减少了12.34个百分点；中度敏感区面积占比从39.48%减少至28.42%，减少了11.06個百分点；高度敏感区面积占比从9.95%增加至41.69%，上升了31.74个百分点，其中，2010—2015年涨幅较大，可能与2010年当地政府大力推进“七大行动”等环境治理政策有关，导致林地面积增加，说明土地利用是造成区域植被覆盖指数变化的主要因素，在人类活动的影响下产生了包括林地、草地、耕地等土地利用类型，各土地利用类型对植被覆盖指数的影响各异［25，26］。

2.4 土地利用类型生态敏感性

土地利用类型敏感性等级由不同土地类型对生态环境产生的影响决定，如林地和水域遭受破坏后会直接影响生态环境状况，建筑用地生态环境更稳定，所以前者的生态敏感性更高。图5为2000—2020年土地利用类型生态敏感性分布，不敏感区和轻度敏感区集中在洱源县中部、东部，主要是由于该区域住宅聚集分布，建筑面积较广，高度敏感区分布在除三营镇、邓川镇山间盆地外的大部地区。

由表6、图6可知，2000—2020年土地利用类型的不敏感区面积整体呈减少趋势，占比从4.80%减少至1.67%，减少了3.13个百分点；轻度敏感区面积占比从13.44%减少至9.97%，减少了3.47个百分点；中度敏感区面积占比从52.70%减少至37.46%，减少了15.24个百分点；高度敏感区面积占比从29.06%增加至50.91%，增加了21.85个百分点。

2.5 综合生态敏感性分析

通过ArcGIS空间分析功能，利用各单因子的权重将单因子生态敏感性分布加权叠加形成综合生态敏感性分布。洱源县5年的综合生态敏感性分布如图7所示，不敏感区和轻度敏感区分布范围逐步缩小，主要分布于山间盆地，高度敏感区主要分布在洱源县东部及中部的罗坪山脉。

由表7、图8可知，2000—2020年综合生态敏感性的不敏感区面积占比从17.99%减少至11.05%，减少了6.94个百分点；轻度敏感区面积占比从37.52%减少至26.48%，减少了11.04个百分点；中度敏感区面积占比从31.20%减少至28.40%，减少了2.80个百分点，变化较小；高度敏感区面积占比从13.30%增加至34.06%，增加了20.76个百分点。洱源县中部、北部敏感性提高幅度较大，可能与该区域退耕还林、植被覆盖指数增加有关。

3 讨论

3.1 缓冲区选取

水环境因子的评价过程需要设置缓冲区，如何选择合适的缓冲区要根据具体研究区而定。洱源县总面积2 513.48 km2，河网比较密集，经过试验发现，若针对洱源县设置50、100、200、500 m的距离会导致缓冲区不能将研究区完全覆盖，留有研究空白，而设置1、2、3、5 km的距离会导致不同缓冲区相互重叠，距离大的缓冲区会覆盖距离小的缓冲区。因此缓冲区的距离与研究区面积和河网密度有关。

参考其他研究，袁领兄等［2］以总面积为6 988 km2的太原市为研究区，设置的缓冲区距离为1、2、3 km和3 km以上；陈闪等［27］以总面积为442.29 km2的富阳区为研究区，设置的缓冲区距离为10、25、50、100 m；丁徽等［22］以鄱阳湖为研究区，对核心水体设置2、4、6 km的缓冲区距离，而对一般水体设置300、600、1 000 m的缓冲区距离。最终对洱源县设置200、500、1 000、3 000 m的缓冲区距离，符合研究区实际情况。

3.2 生态敏感性提高的原因

在1996年和2003年洱海曾2次暴发大规模蓝藻，水质急剧下降，2015年习近平总书记到大理视察并作出“一定要把洱海保护好”的重要指示，大理白族自治州委员会、大理白族自治州人民政府迅速行动，推动洱海保护治理从一湖之治到生态之治转变，保护主体从部门为主向全民共治转变。洱源县是洱海之源，地处洱海北部，其大部分区域属洱海流域，洱源县每年注入洱海的水量约占其补水总量的70%，因此，洱源县在洱海生态保护中占据重要地位，为响应洱海流域生态保护政策，洱源县政府全面启动入湖河流水环境综合整治、农业农村面源污染控制，实施退耕还林、退房屋还湿地等措施，自2015年洱源县生态环境越来越好，整体生态敏感性大幅提高，并在2019年获评全国生态文明建设示范县。

4 小结

2000—2020年植被覆盖指数因子的不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区面积占比分别减少了8.35、12.34、11.06个百分点，高度敏感区面积占比增加了31.74个百分点；土地利用类型因子的不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区面积占比分别减少了3.13、3.47、15.24个百分点，高度敏感区面积占比增加了21.85个百分点；综合生态敏感性的不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区面积占比分别减少了6.94、11.04、2.80个百分点，高度敏感区面积占比增加了20.76个百分点。植被覆盖指数的不敏感区集中在洱源县东部，高度敏感区从零星分布到“川”字型分布；土地利用类型的高度敏感区分布在除三营镇、邓川镇山间盆地外的大部地区；综合生态敏感性的不敏感区和轻度敏感区分布范围逐步缩小，主要分布于山间盆地，高度敏感区主要分布在洱源县东部及中部的罗坪山脉。

参考文献：

［1］李怡，赵小敏，郭熙，等.江西省南昌市生态敏感性空间分异研究［J］.中国农业大学学报，2020，25（10）：65-76.

［2］袁领兄，李坤，范舒欣，等.基于GIS的太原市土地生态敏感性评价［J］.中国城市林业，2021，19（3）：19-24.

［3］董亚坤，郭羽鑫，吴碧兰，等.洱海流域上游2005—2019年土地利用时空动态特征分析［J］.科学技术与工程，2021，21（36）：15340-15347.

［4］牛晓楠，倪欢，陈国光，等.福建省生态保护重要性评价［J］.生态学报，2022，42（3）：1130-1141.

［5］何建华，詹皖欣，黄俊龙.基于GIS的武汉市生态红线划定的技术方法研究［J］.生态科学，2018，37（5）：131-139.

［6］刘乐怡，杨双娜，张龙，等.基于土地利用演变的生态敏感性评价——以香格里拉市为例［J］.西部林业科学，2021，50（6）：124-131.

［7］乔育，种培芳.天水市生态敏感性分析研究［J］.甘肃农业大学学报，2021，56（5）：137-143，152.

［8］刘海龙，王炜桥，王跃飞，等.汾河流域生态敏感性综合评价及时空演变特征［J］.生态学报，2021，41（10）：3952-3964.

［9］张广创，王杰，刘东伟，等.基于GIS的锡尔河中游生态敏感性分析与评价［J］.干旱区研究，2020，37（2）：506-513.

［10］李元征，冯智志，李立，等.基于GIS的黄河流域陆地生态系统生态敏感性评价［J］.环境科学与技术，2021，44（4）：219-225.

［11］刘炳攸，汪结明，彭文罡.GIS平台下的重金属矿区生态敏感性可视化评价［J］.环境科学与技术，2020，43（5）：164-170.

［12］吴庭天，陈宗铸，雷金睿，等.琼北火山熔岩湿地生态安全格局研究［J］.生态学报，2020，40（23）：8816- 8825.

［13］ YU J， LI F，WANG Y， et al. Spatiotemporal evolution of tropical forest degradation and its impact on ecological sensitivity： A case study in Jinghong， Xishuangbanna， China［J］. Science of the total environment， 2020， 727（4）：138678.

［14］严军，王婷，秦珏.基于变异系数法的马鞍山江心洲生态敏感性定量研究［J］.生态科学，2020，39（2）：124-132.

［15］苏溥雅，齐实，梁斌，等.西北五省生态敏感性分析［J］.甘肃农业大学学报，2019，54（2）：171-179.

［16］张亚丽，胡希军，陈存友.基于GIS平台的东山岛生态保护红线划定研究［J］.生态科学，2020，39（6）：137-145.

［17］舒波，何洲历，王玲，等.生态服务因子影响下的乐山地区生态敏感性研究［J］.生态科学，2020，39（4）：184-192.

［18］王佳利，胡希军，陈存友.基于GIS的上杭县袍岭山地公园生态敏感性评价研究［J］.林业资源管理，2019（1）：85-92.

［19］李益敏，管成文，朱军.基于GIS的星云湖流域生态敏感性评价［J］.水土保持研究，2017，24（5）：266-271，278.

［20］王紫薇，黄文哲，周阳阳，等.泥河沟流域生态敏感性分析评价［J］.西北林学院学报，2018，33（6）：210-215.

［21］李益敏，管成文，郭丽琴，等.基于生态敏感性分析的江川区土地利用空间格局优化配置［J］.农业工程学报，2018，34（20）：267-276，316.

［22］丁徽，赵小敏，郭熙，等.江西省鄱阳湖区生态敏感性评价［J］.水土保持研究，2020，27（1）：257-264.

［23］刘培亮，曹雪莹，毛慧娟，等.国家级重点生态功能区的生态敏感性变化分析——以湖南省麻阳县为例［J］.环境污染与防治，2021，43（9）：1151-1158.

［24］张会霞，刘丽荣.基于GIS的吕梁山区贫困县生态环境敏感性评价［J］.生态科学，2020，39（6）：30-37.

［25］陈赛赛，杨艳丽，孙艳玲，等.1984—2013年于桥水库流域土地利用变化对植被覆盖度的影响［J］.天津师范大学学报（自然科学版），2016，36（2）：39-46.