许世界,付士磊
(沈阳建筑大学 建筑与规划学院,辽宁 沈阳 110168)
生态敏感性是指生态环境在受到自然或人类活动干扰时发生环境问题的可能性,及生态因子抵抗外界干扰能力的强弱[1]。不同自然环境之间的生态敏感性差别很大,主要与气候、气温、降水、土壤质量、地形等因素的影响有关。生态敏感性越高的地区生态系统越脆弱,越容易受到外界自然或人为因素的干扰,需要加强保护。
国外对于生态敏感性相关方面的研究较早,在开展敏感性评价研究时,国外学者多数采用构建模型的方法来揭示研究对象的敏感性。生态敏感性研究在国外最早可追溯到McHarg的著作《Design With Nature》。该书首次提出了地图叠加法在生态适宜性分析中的应用,对生态适宜性分析方法的发展和创新起到了巨大的推动作用[2]。在 McHarg 的指导下, Steiver 提出了更实用的生态环境敏感性模型[3]。此后,国外开展了广泛的生态敏感性评价研究,包括土地生态敏感性评价、湿地保护开发利用规划、城市生态敏感性分析、景区生态规划等生态环境研究等[4]。
国内学者对于生态敏感性的研究起步较晚,2000 年,欧阳志云等首次提出了生态敏感性概念和中国生态环境敏感性分区,并对各分区特点进行了详细阐述与探索[5];林涓涓等基于流域特点,针对可能出现的生态环境问题,构建了流域生态敏感性评价指标体系[6]。杨淋等运用层次分析法(AHP),选择地质灾害、土地利用和水土流失因子,通过在 MAPGIS 平台上进行评价与区划,对湖北省房县的生态敏感性进行了研究[7]。这些国内学者的研究为我们深入理解生态敏感性的概念、应用及其在不同领域中的价值提供了重要的参考。
1.1 研究区概况
临江市位于吉林省东南部,白山市南部,长白山腹地,鸭绿江中上游北岸,东与长白朝鲜族自治县毗邻,西与白山市浑江区接壤,北与江源区和抚松县交界,南临鸭绿江。地理坐标为E 126°30′40″～127°49′41″,N 41°31′26″～42°03′58″,东西相距106.4 km ,南北相距60.5 km,幅员面积 3 025.5 km2。距鸭绿江入海口 600 km,属渤海湾经济带。临江市地处长白山腹地的鸭绿江畔,境内山峰林立、沟谷交错、河流纵横,地势东高西低。地貌按成因形态可分为剥蚀构造中低山和侵蚀玄武岩台地2种。
临江市处于长白山的腹地,紧邻鸭绿江,作为紧邻朝鲜的城市,临江市是吉林省南侧生态屏障的重要组成部分,并对保障长白山地区经济建设与生态环境保护具有重要作用。通过对临江市生态敏感性进行研究评价、分级,并以此作为临江市生态功能区划分依据,有利于保护临江市生态环境,促进生态坏境与社会经济的协调发展。
1.2 研究方法
1.2.1 数据来源 临江市土地利用类型和生态保护红线数据来自临江市政府部门提供,坡度、高程数据由地理空间数据云(http:/ / www.gscloud.cn /)下载的 DEM(30 m分辨率)下载后通过 ArcGIS10.2 处理后得到,植被覆盖度(NDVI)数据由地理空间数据云下载 Landsat8系列数据并通过 ENVI 软件提取得到,水环境因子通过 DEM 数据中利用ArcGIS10.2提取得到,降雨量数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心。市、镇、村级行政边界从政府部门提供的三调数据获得。
1.2.2 评价方法 生态敏感性评价没有一个特定的标准,因为生态系统和环境条件在不同的地方都是独特的,所以评价方法需要根据具体情况进行调整和定制。但是,通常会考虑以下因素:这地形、气候、土地利用和覆盖、水研究和地质条件等因素。本研究在了解临江市地貌现状的基础上,参考了大量文献资料,构建了单因子评价和多因子叠加分析的三级评价体系。在对临江市实际情况充分了解的基础上,参考了中国环境保护部 2016 年发布的《生态敏感区划准则》以及其他关于生态敏感性评价的文献,最终选取了土地利用类型、土壤条件、地形起伏度、植被覆盖度、生态保护区和降雨量6个评价因子,利用这6个评价因子首先进行水土流失敏感性、生态保护区敏感性和生境敏感性评价,将各评价结果分为4级,分别为低敏感区、中敏感区、高敏感区和极高敏感区,并赋值为 1、3、5、7,将以上3个评价结果利用 ArcGIS 进行加权叠加分析得到生态敏感性综合评价。
1.2.3 各评价因子权重确定 由于各评价因子对生态敏感性的影响程度不同,因此采用层次分析法(AHP)来确定它们的权重[8]。这种方法可以帮助我们理解各因子之间的重要性关系,并进行合理的决策和分析。我们在尊重客观事实的基础上,通过资料查阅和专家打分对水土流失敏感性、生境敏感性和生态保护区敏感性3个评价指标进行重要性排序并建立两两比较矩阵,比较结果采取打分制,同等重要赋值为1,相对重要赋值为2,相反为1/2;较为重要赋值为3,相反为1/3,以此类推。针对打分结果,需检验并通过一致性判断(CR<0.1),生态敏感性各评价指标及其权重见表1。
表1 生态敏感性评价指标及权重
2.1 水土流失敏感性评价
水土流失敏感性评价是指通过对区域内土壤、气候、地形、植被、土地利用等多种自然和人文因素的综合分析,评价区域内土地对水土流失的易发程度和强度。水土流失敏感性评价是生态敏感性评价的重要参考,对于制定合理的生态保护措施、防治水土流失和保障生态安全具有重要意义。
生态敏感性评价是对区域生态系统的脆弱性、易损性和可持续性进行评价,其目的是识别区域内生态环境问题,为生态保护、修复和规划提供科学依据。水土流失敏感性评价作为生态敏感性评价的重要参考,可以帮助我们了解区域内的水土流失风险,从而采取有效措施防止和减轻水土流失,保护生态环境,实现可持续发展。
在进行水土流失敏感性评价时,通常采用定性和定量相结合的方法,如层次分析法、模糊综合评价法、地理信息系统技术等。本研究参考国家环保总局发布的《生态功能区划暂行规章》,根据水土流失方程的基本原理,选取了降雨侵蚀力R、土壤可侵蚀性K、地形起伏度LS、和植被覆盖度C4个三级评价指标进行水土流失敏感性评价,各评价因子及其分级标准如表2所示[9]。其计算公式为:
表2 生境敏感性评价因子及分级标准
表2 水土流失敏感性评价因子及分级标准
(1)
(1)降雨侵蚀力。降水侵蚀力R因子(Rainfall erosivity factor)是评估水土流失的环境因素之一,用于衡量降水对土壤侵蚀的潜在能力。主要反映降水量、降水强度、降水频率等方面的信息,对于预测和防治水土流失具有重要意义。本研究对于R因子计算方法采用《生产建设项目土壤流失量测算导则SL773-2018》中的方法计算[10]。计算公式为:
R=0.067Pd1.627
(2)
式中:R为多年平均降水侵蚀力因子,单位为(MJ·mm)/(hm2·h·a);Pd为多年平均降雨量,单位为mm。计算得临江市多年平均降雨量和降雨侵蚀力R因子敏感性等级分布如图1和图2所示。
图1 多年平均降雨量
图2 降雨侵蚀力R敏感性
根据计算结果可知,临江市多年平均降雨量为774.34～946.44 mm,临江市西北部和最东部降雨量较大,敏感性较高;临江市中部为中敏感区和高敏感区,东部为低敏感区。
(2)土壤可蚀性。土壤可蚀性 K 因子(Soil erodibility factor)是评估水土流失的环境因素之一,用于衡量土壤对水流侵蚀的抵抗能力。主要反映土壤质地、有机质含量、土壤结构、土壤渗透性等方面的信息,对于预测和防治水土流失具有重要意义。
土壤可侵蚀性K因子通常是通过实地观测和实验测量获取的,也可以根据土壤类型和土壤属性进行推算。土壤侵蚀力K因子计算方法采用《国家生态保护红线-生态功能基线划定技术指南(试行)》中修正后的水土流失方程[11]。计算公式为:
K=(-0.013 83+0.515 75Kepic)*0.131 7
(3)
Kepic={0.2+0.3 exp[-0.025 6SAN
(4)
式中:SAN为砂粒含量(%);SIL为粉砂含量(%);CLA为粘粒含量(%);C为有机碳含量(%),基于修正后水土流失方程计算的K因子值分布情况和敏感性分级如图3和图4所示。
图3 土壤侵蚀力K值
图4 土壤侵蚀力K敏感性
根据计算结果可知临江市土壤可蚀性K因子值的分布区间为0.141～0.203 之间,K值越高,土壤可侵蚀性越高,土壤可侵蚀性越敏感,由图4可知,临江市土壤侵蚀性敏感性较高的地区主要分布在临江市东部,西部大多为低敏感区和中敏感区。
(3)地形起伏度。地形起伏度LS(Topographic factor)是评估水土流失的环境因素之一,用于衡量地形对水流侵蚀的影响。其中L代表坡长因子,S表示坡度因子,地形起伏度LS的值越大,表示地形起伏度越大,水流侵蚀力越强,水土流失风险越高。利用临江市高程数据通过ArcGIS中的焦点统计工具可以得到地形起伏度因子LS的分布情况,并将其重分类可以得到其敏感性分级,计算结果如图5和图6所示。
图5 地形起伏度LS值
图6 地形起伏度LS敏感性
根据计算结果可知,临江市地形起伏度较大的地区主要位于临江市西部和南部山地和丘陵,其敏感性较高,而东部相对平整,地形起伏度较小,敏感性较低。
(4)植被覆盖度(NDVI)。植被覆盖度C因子是指植物在地表覆盖的比例,是衡量生态系统健康状况和生态环境质量的重要指标。植被覆盖度高的区域,土壤更容易受到保护,有助于减缓水土流失和侵蚀,其生态敏感性也相对较低。植被覆盖度低的区域,土壤容易受到侵蚀,导致生态敏感性增加。植被覆盖度通过地理空间数据云下载的Landsat 8遥感影像数据通过ENVI处理后得到,其计算公式为:
(5)
其中:NIR表示近红外光谱反射率;RED表示红光谱反射率。经过归一化处理后的NDVI其分布情况和敏感性分级如图7和图8所示。
图7 植被覆盖度c值
图8 植被覆盖度敏感性
根据 NDVI 计算结果可知,临江市整体植被条件较好,植被覆盖度较高,其中西南部鸭绿江和东部植被条件覆盖度较低,生态敏感性极高。
利用 ArcGIS 中的栅格计算器工具,对以上4个评价因子代入公式1进行叠加计算,并利用重分类工具将计算结果分为4级,最终得出临江市水土流失敏感性分布如图9所示。根据计算结果可知,临江市水土流失敏感性较高的地区分布在临江市的西部和最东部角落,东部整体上位低敏感区和中敏感区。
图9 水土流失敏感性
2.2 生境敏感性
生境敏感性通常与土地利用类型密切相关,不同的土地利用类型对生境的影响不同。例如,森林和湿地等自然生态系统通常具有较高的生境质量,而城市和工业区等人工土地利用类型则通常具有较低的生境质量。在参考了李艳元、张钰珠等人关于生态敏感性评价的相关文献后,将土地利用类型分为4类[12]。各类土地类型以及其对应的敏感性等级见表2。
在ArcGIS中首先用面转栅格工具将土地利用类型数据转换为栅格数据,然后利用重分类工具,将土地利用类型分为以上4类,并赋值,得出的临江市生境敏感性分布如图10所示。
图10 生境敏感性
根据计算结果可以看出,临江市大部分地区为生境敏感性极高地区,这是因为临江市土地利用类型中林地占比较大;临江市生境敏感性较低的地区极少主要为建设用地,主要分布在新市街道、建国街道和兴隆街道。
2.3 生态保护区敏感性
临江市生态保护区因子敏感性分级如图11所示。
图11 生态保护区敏感性
生态保护区敏感性,根据生态保护红线来确定,根据临江市最新划定的生态保护红线,可知临江市生态保护红线包括自然保护区、水源涵养区、生物多样性维护区和生态保护重要区,结合临江市生态环境实际情况和土地利用类型。本研究生态保护区敏感性评价,将自然保护区划为极高敏感区,其余3个划为高敏感区,其他非自然保护区划为低敏感区。
由图11可知,临江市自然保护区主要分布在临江市的西部和中南部,同时也是生态敏感性极高地区;水源涵养区、生物多样性维护区和生态保护重要区广泛分布于临江市的中部和北部,为高敏感区;其他非生态保护红线内的区域分布在临江市的西部和南部,为低敏感区。
2.4 生态敏感性综合评价
根据临江市水土流失敏感性评价、生境质量敏感性评价和生态保护区敏感性评价结果,利用ArcGIS中的栅格计算器工具,根据表1中的各评价指标权重进行加权叠加分析,最终得出临江市的生态敏感性评价结果(12),并利用重分类工具将评价结果分为4级,分别为低敏感区、中敏感区、高敏感区和极高敏感区,各敏感区分级面积及占比如表3所示。
表3 生态敏感性评价结果
根据图12和表3可知,临江市整体生态敏感性较高,其中极高敏感区面积为 520.14 km2,占临江市域总面积的17.19%,主要分布于临江市西北部和南部;高敏感区面积为 674.93 km2,占临江市域总面积的22.31%,零散分布于临江市全域;中敏感区是临江市生态敏感性占比最大的区域,面积为1 271.13 km2,占临江市域总面积的42.01%,零散分布于临江市全域;临江市低敏感区分布较少,面积为559.31 km2,占临江市域总面积的18.49%,主要分布于临江市东部。
图12 生态敏感性评价
3.1 生态功能分区的定义
生态功能分区是指根据生态环境特征、生物多样性和生态系统功能等因素,将一个地区划分为不同的生态功能区,对不同功能分区的生态系统进行分类、评估和管理,以实现生态系统的保护、修复和可持续利用。通常生态功能分区的划分依据包括生物多样性、生态系统服务、生态敏感度、生态系统的稳定性等多种要素。根据生态功能分区结果,政府、企业和社会可以合理规划、管理和利用自然资源,以实现生态保护和可持续发展的目标。
3.2 基于生态敏感性评价的临江市生态功能分区
生态敏感性评价是城市生态功能分区的重要依据,主要是因为生态敏感性评价可以反映出城市生态系统对人类活动的响应程度和抵御能力,同时,生态功能分区在划分时需要考虑到村级行政边界的完整性。因为村级行政区划是一个非常基础的行政区划单位,它在实际生态保护与管理中具有很强的基础性和先导性,同时也具有一定的管理能力。如果生态功能分区的划分不考虑村级行政边界的完整性,可能会造成生态系统的破碎化,导致区域内的问题无法有效协调和治理,甚至产生生态问题的扩散。为了确定各行政村的主导生态功能并制定相应的分区保护策略,我们首先需要对临江市各行政村的水土流失敏感度、生境敏感度和生态保护区敏感度这3个重要评价因素在极高敏感地区的比例进行统计。接着,使用 SPSS 软件,对这3类评价因素的面积比例进行相似性和差异性的分析。采取地理相邻、自然环境特征和生态问题相似但差异明显的区间划分原则,确定出各行政村的主导生态功能分区。在此基础上,将评价栅格数据从像元尺度上推至行政村级别,以便得出以村级行政边界为基本评价单位的主导生态功能区划。分区结果如图13所示,各生态功能分区包含的行政村名称、面积和百分比如表4所示。
表4 临江市生态功能分区结果
根据临江市生态功能分区结果可知,临江市生态功能分区共分为5类,分别为生态重点保护区、生态水源涵养区、生物多样性保护区、水土保持与植被保护区、生态开发引导区[13]。生态保护重点区主要位于临江市的西部和南部的自然保护地周边,该区也是临江市生态敏感性最高的地区,其中西部是吉林白山原麝国家级自然保护区,南部有吉林临江国家森林自然公园以及生态保护红线内生态保护重要性较高的地区,该区域内禁止一切开发建设活动,需严格限制人类活动的范畴和规模,针对不同的保护区,应适当建立保护区网络,形成一个完整的生态系统以增加其稳定性和可持续性。除此之外,政府应加强管理,建立健全保护区管理体制和规章制度,确保保护区的管理和运作有效可持续。
生态水源涵养区,主要分布在临江市的东部,该区域是生态敏感性评价较高的区域,也是临江市生态功能分区中面积最大的区域,其中东南部为鸭绿江各一级支流的水源涵养区,东北部为松花江流域水源涵养区。各水源涵养区内要限制开发和开采的规模和范围,以减少对水源的影响,加强监测和管理,了解水源的变化和健康状况,及时发现和解决问题。同时可在水源涵养区内加强森林保护和林业管理,通过在周围进行密植树木、林带等绿化措施,既能防治水土流失,又能提高水源涵养的保护能力。
生物多样性保护区,主要分布在临江市北部,是临江市生态敏感性评价极高区和高敏感区,该区域海拔较低、耕地和植被条件好、降雨量丰富,是生物的繁衍和栖息地,需要重点进行生物多样保护。该区域内应限制开发活动,需要严格限制或完全禁止一些破坏性的开发活动,例如矿业、伐木、围垦、填海等。可适当推广可持续农业和林业建设,建立生态旅游、生态养殖等生态环保型产业,探索保护区的可持续经营方式以减少对生物多样性的破坏,保护和促进生物多样性的恢复。
水土保持与植被保护区主要分布在临江市西部和南部,是临江市生态敏感性评价中的中、高敏感区,该区地形起伏度大、水土流失敏感性较高、植被覆盖较好,需重点加强水土保持和现有植被的保护工作,应限制该区域土地的开发和利用,加强水土保持工程建设和植树造林工程建设。
生态开发引导区,主要分布在临江市的中部和北部,是临江市生态敏感性评价中的低、中敏感区,该区地势平坦,土壤条件好,可适当进行生态产业的开发,在生态保护的前提下,通过合理的开发利用,促进经济发展和生态保护的双赢。
本研究通过选取适当的评价因子和评价体系,基于 ArcGIS 空间分析技术,首先对临江市的生态敏感性进行了评价和分级,然后基于生态敏感性评价结果,对临江市进行了生态功能分区,研究结果显示:
(1)临江市生态敏感性较高,整体西部高于东部,中、高敏感区占比最大,分别占临江市域总面积的 42.01% 和 22.31%;占比最小的是极高敏感区,占临江市域总面积的 17.19%,主要分布在临江市西部的国家级自然保护区周边。
(2)以生态敏感性评价为基础,按村级行政边界将临江市生态功能分区共分为5类,其中生态保护重点区面积为 471.03 km2,占临江市域总面积的15.57%,共包含13个行政村;生态水源涵养区面积为1 267.94 km2,占临江市域总面积的41.91%,共包含16个行政村,是临江生态功能分区中最大的区域;生物多样性保护区面积为413.89 km2,占临江市域总面积的13.68%,共包含11个行政村;水土保持与植被保护区面积为 474.14 km2,占临江市域总面积的15.67%,共包含16个行政村;生态引导开发区面积为398.49 km2,占临江市域总面积的13.17%,共包含15个行政村。各生态功能分区,应根据其功能类型,实行不同的管控措施。
基于本研究结果,我们发现 GIS 在获取和处理生态因子数据、评估生态敏感性并确定敏感区域等方面具有决定性的影响。这不仅为环境规划的制定提供了关键参数和技术支持,也为推动生态文明建设奠定了坚实的基础。预计未来,生态敏感性分析将成为环保规划中不可或缺的组成部分,持续发挥其重要作用。
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