咸豐縣域生態敏感性空間格局分析

張馳 孫佩 康全國 王雯雯 尹偉 易潔偉

摘要? 選取地形地貌因子（主要包括高程、坡度、坡向）、水體緩沖區、NDVI、土地利用類型四大類指標，綜合單因子分析及多因子加權疊加的方法，利用ArcGIS分析技術和層次分析法對咸豐縣生態敏感性的空間格局進行分析，得出各單因子及多因子綜合性評價圖。結果表明：咸豐縣綜合生態敏感性強度整體上由西北和東南向中部降低，研究區的極低敏感區、輕度敏感區、中度敏感區、高度敏感區和極高敏感區面積占研究區總土地面積的比重依次為0.87%、14.96%、27.89%、35.51%、20.77%。

關鍵詞? 生態敏感性；空間格局；綜合性評價；加權疊加；咸豐縣

中圖分類號? X321?? 文獻標識碼? A?? 文章編號? 0517-6611（2024）07-0078-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.019

Analysis of Ecological Sensitivity Spatial Pattern in Xianfeng County

ZHANG Chi， SUN Pei， KANG Quan-guo et al

（Hubei Institute of Geoscience ，Wuhan， Hubei 430000）

Abstract? Selecting four major categories of indicators： terrain and geomorphic factors （mainly including elevation， slope， aspect）， water buffer zone， NDVI and land use type， using single factor analysis and multi factor weighted superposition methods， ArcGIS analysis technology and Analytic Hierarchy Process were used to analyze the spatial pattern of ecological sensitivity in Xianfeng County， and comprehensive evaluation map of each single factor and multi factor was obtained.The results showed that the overall ecological sensitivity intensity of Xianfeng County had decreased from northwest and southeast to central. The proportion of the areas of extremely low sensitivity， mild sensitivity， moderate sensitivity， high sensitivity and extremely high sensitivity in the total land area of the study area was 0.87%， 14.96%， 27.89%， 35.51% and 20.77%， respectively.

Key words? Ecological sensitivity;Spatial pattern;Comprehensive evaluation;Weighted stacking;Xianfeng County

生態環境變化對人類生產生活會造成一定程度影響，隨著社會經濟的快速發展，生態環境變化幅度將會更大，因而維持和改進生態環境成了當今世界各國政府日益關注的重要問題。生態敏感性分析能夠客觀說明不同生態環境問題的程度及可能性大小，能為預防和防治各種生態問題提供科學的理論依據。

當前，學術界從不同尺度和地形地貌區對生態敏感性進行了分析，如甘梓瑩［1］通過構建廣東省生態敏感性等級指標體系對廣東省敏感區的空間布局進行了深入分析，為城市建設開發以及生態方面的防治與治理提供了決策依據。劉樂怡等［2］基于香格里拉市1990—2020年土地利用演變特征，對香格里拉市生態敏感性進行了評價。從生態敏感性與生態系統服務重要性結合的角度，方臣等［3］以武漢市為研究區，提取生態廊道，構建了武漢市生態安全格局，為武漢市可持續發展提供了科學依據；王李睿等［4］選取了生物多樣性、土壤保持等指標，以福建省永春縣為例，構建了縣域自然生態空間劃設方法，為生態保護勘界等方面提供了現實依據。張朝瓊等［5-8］利用GIS技術，分別從市、區、鎮尺度運用單因子和綜合敏感因子評價2種方法對研究區生態敏感性空間分布進行了研究。此外，一些學者對特殊地形地貌區也進行了生態敏感性方面的研究，例如一些河谷［9］和喀斯特地區［10］。吳林英等［11］、萬松等［12］以山地型縣域尺度的生態敏感性為研究對象，為類似縣城的可持續發展提供了理論參考，除了縣級尺度的山地型區域，還有我國天山北坡［13］、秦 巴山區［14］等也有不少學者深入研究其生態敏感性。黃背英等［15］為了探討生態敏感區農村居民點布局優化方案，基于農村居民點的適宜性和生態敏感性，以西藏改則縣為研究對象，為鄉村振興及村莊的合理規劃布局提供了理論依據和技術支撐。趙正嫄等［16-17］利用空間距離指數法，通過構建土地荒漠化、滑坡災害敏感性等指標對青藏高原生態敏感性進行了綜合評價，從而為保護管理措施的制定起到了有效的推動作用。生態敏感性評價在城市用地擴張模擬［18］等方面應用也較廣。

鑒于以上學者的研究成果，該研究選取了具有區域代表性的生態因子，借助ArcGIS分析功能，對湖北省咸豐縣的生態敏感性進行了研究，以期為環境管理、城市建設、區域的可持續發展及相關政策的制定提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

湖北省咸豐縣地處鄂西南山區，地跨108°37′38″～109°20′08″E、29°19′28″～30°02′54″N，東北臨宣恩縣、恩施市，西北接利川市，東南臨來鳳縣，西南與重慶市黔江區相接。咸豐縣地形復雜，總地勢特征為中間低，由北東向南西傾斜［19］，區內垂直差異顯著，相對高差達1 476.5 m，山大人稀，植被茂盛。屬亞熱帶濕潤性季風氣候，雨熱同期，夏季降水豐富，多年平均降水量約1 514.3 mm，境內水能資源豐富，日照較少。全縣土地面積約2 550 km2，包括7鎮、3鄉、1區工委，據咸豐縣人民政府網可知2021年全縣戶籍人口約38.46萬人。

1.2 數據來源及處理

1.2.1??? 數據來源。

該研究所選取的數據來源于地理空間數據云平臺（https：//www.gscloud.cn/）下載的咸豐縣云霧干擾在5%以下、成像時間在2019年6月3日的Landsat8/OLI遙感影像（Path126/Row037和Path126/Row040），空間分辨率為 30 m×30 m的數字高程數據（DEM），遙感影像主要用來計算研究區的植被覆蓋度，DEM數據主要用來計算研究區的高程、坡度、坡向及水體緩沖區因子。土地利用數據來源于第三次全國國土調查成果，其中包含土地利用數據及行政區劃矢量界線。

1.2.2??? 數據預處理。

對從地理空間數據云所下載的數據首先進行投影，投影坐標為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_36，然后利用ArcGIS平臺對影像及DEM數據按研究區行政范圍進行提取、拼接，接著對DEM數據通過ArcGIS中的3D分析工具提取坡度和坡向因子，再利用空間分析工具中的水文分析功能提取水體緩沖區因子。而對于植被覆蓋度的提取，需要通過遙感影像進行歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）的計算［20］，其計算公式如下：

NDVI=（NIR-Red）/（NIR+Red） （1）

式中，Red和NIR分別是紅光和近紅外波段的反射率，它們各自對應于Landsat8/OLI影像中第4和第5波段的反射率。

對于第三次全國國土調查成果按照國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）［21］進行重新分類整理，主要分為耕地、林地、園地、草地、水域、建設用地、設施農用地、未利用地、其他土地9類。

1.3 研究方法

1.3.1??? 評價因子的選擇與分級。

區域生態敏感性程度受多種因素共同影響，結合研究區生態環境綜合特征，該研究選取了地形地貌（主要包括高程、坡度、坡向）、NDVI、水體緩沖區、土地利用類型4類因子分析研究區生態敏感性狀況。參考相關文獻［1，5-10］，將各因子生態敏感性進行不同等級的劃分，主要分為極低敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感5個等級，其分級與賦值情況如表 1 所示。

1.3.2??? 評價因子權重的確定。

該研究在進行生態敏感性分析時，引入了多個因子，而每種因子對區域生態敏感性的影響程度各異，因此需對每種因子賦予不同的權重。該研究采用AHP層次分析法來計算每個因子的權重，該方法能夠解決多因子復雜的問題，并在多個領域得到廣泛應用。

AHP層次分析法需首先構建兩兩因子之間的比較矩陣，根據影響因子的相對重要性賦值1～9的標度［22］，計算各因子的權重后經過一致性檢驗，公式如下：

CI= λmax-n n-1?? （2）

CR= CI RI? （3）

式中：λmax為矩陣的最大特征根；CI為一致性指標；RI為平均隨機的一致性指標；CR為一致性比率；n為項目數。若CR<0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗［23-24］，否則就不具有滿意一致性。計算得出高程、坡度、坡向、NDVI、水體緩沖區、土地利用類型的權重分別為0.097、0.048、0.030、0.493、0.093、0.239。

2 結果與分析

2.1 生態敏感性單因子分析

2.1.1??? 高程生態敏感性。

氣溫與降水隨海拔的變化而變化，一般而言，海拔越高，生物多樣性越單一，環境抗干擾性能力亦隨之降低，因而生態敏感性也越高。咸豐縣高程生態敏感性整體由西北和西南偏東的區域向中部不斷降低，西北與西南較強，其高程生態敏感性等級空間分布如圖1a所示。

由圖1a和表2可知，在高程生態敏感性中以中度敏感區分布面積最大，約1 056.87 km2，占研究區總面積的4191%，主要分布在輕度敏感區四周；其次是高度敏感區，面積約685.60 km2，占研究區總面積的27.19%；極低敏感區所占面積最小，僅占研究區總面積的0.37%；輕度敏感區面積占研究區總面積的23.80%，呈條帶狀主要分布于中部地勢低的平原區域；全區極高敏感區所占比重不大，面積約169.84 km2，占研究區總面積的6.73%，主要分布于西南部及西北部高山區。

2.1.2??? 坡度生態敏感性。

坡度反映了區域的傾斜程度，在不同坡度上地表物質與能量轉換強度各異，從而使得坡度在一定程度上不僅對部分自然因素造成一定影響，且制約著人類活動。一般在其他外界條件相同的情況下，坡度與生態敏感性存在正相關的關系，即坡度越大，生態敏感性越強。由坡度生態敏感性的空間分布（圖1b）可知，咸豐縣坡中度、高度和極高敏感區主要分布于研究區西北與西南區域，中部以輕度與極低敏感區為主，中度、高度和極高敏感區環繞在輕度和極低敏感區周圍。由表2可知，研究區坡度生態敏感性以輕度敏感區為主，面積約1 288.05 km2，占研究區總面積的51.08%；其次是極低敏感區，所占面積為620.72 km2，占研究區總面積的24.61%；中度敏感區所占面積與極低敏感區相差不大，占比為22.78%；高度敏感區與極高敏感區在整個研究區中所占面積較少，兩者共約38.62 km2，僅占研究區總面積的1.53%。

2.1.3??? 坡向生態敏感性。

坡向影響一個地區的局部小氣候，我國地處北半球，整體而言南坡和東坡的光照條件較北坡和西坡更優越，因此植被類型與覆蓋度在南坡和東坡比北坡和西坡更豐富，加之北坡、西坡光照不均，結果使得北坡、西北坡、西坡和東北坡的生態穩定性更差，坡向的生態敏感性空間分布如圖1c所示。由表2可知，在咸豐縣坡向生態敏感性中輕度、中度和高度敏感區面積相差不大，分別為661.21、660.91、636.76? km2，分別占研究區總面積的2622%、26.21%、25.25%；極低與極高敏感區面積亦相差不大，分別為286.18和276.77? km2，分別占研究區總面積的11.35%、10.97%。

2.1.4??? NDVI生態敏感性。

植被覆蓋度影響區域的水土流失強度，對局部地區的小氣候也會造成一定影響，是區域地表植被分布狀況優良與否的重要指標之一，植被覆蓋度的大小對區域生態敏感性的程度影響較大，該研究采用NDVI來估算研究區的植被覆蓋情況。由圖1d可知，咸豐縣NDVI生態敏感性強度由西南偏東區域與西北向中部降低，整體而言，中度和高度敏感區在研究區所占空間最大，極低和輕度敏感區零散分布于中度和高度敏感區周圍。由表2可知，咸豐縣NDVI生態敏感性以中度敏感區和高度敏感區為主，其中中度敏感區面積約1 208.31 km2，占研究區總面積的4791%，高度敏感區面積僅比中度敏感區少37.67 km2，占研究區總面積的46.42%；在咸豐縣幾乎不存在極高敏感區，面積僅為0.15 km2；極低敏感區和輕度敏感區面積亦較小，總面積約142.73 km2，占研究區總面積的5.66%。

2.1.5??? 水體緩沖區生態敏感性。

地球上絕大部分生物的生存離不開水，離水域越近的區域越適合物種的生存，因此生態敏感性也越強。該研究采用ArcGIS軟件的空間分析工具進行水文分析，提取研究區內的水體，然后結合區域特征，分別以20、60、120、300 m為水體緩沖區分界界點。由于距水體越近的區域生態條件越好，生物多樣性隨之越豐富，因此水體緩沖區生態敏感性越高，反之，生態敏感性越低。由圖1e和表2可知，咸豐縣水體緩沖區生態敏感性以極低敏感區為主，其他敏感區呈條帶狀穿插于極低敏感區之中，由極低敏感區到輕度、中度、高度與極高敏感區所占面積越來越小，其中極低敏感區所占面積最大，達2 071.95 km2，占研究區總面積的82.16%，其次是輕度敏感區，面積約262.52 km2，占研究區總面積的10.41%，中度及以上的敏感區總面積僅約187.36 km2，共占研究區總面積的7.43%。

2.1.6??? 土地利用類型生態敏感性。

土地利用是否合理能夠影響區域生態系統的穩定性，從而對生態敏感性的程度造成較大影響，若土地利用不合理甚至會導致人地矛盾激化。咸豐縣土地利用類型主要包括耕地、林地、園地、草地、水域、建設用地、設施農用地、未利用地、其他土地，參考相關文獻［5，8］及區域特征，將這9類土地利用類型根據對生態敏感性影響程度的相似性劃分為建設用地與未利用地、耕地與草地、設施農用地與其他土地、水域、林地與園地5大類，并對其生態敏感性進行分級賦值。

由圖1f可知，土地利用類型極高敏感區分布范圍最廣，極低和輕度敏感區的范圍較小。由表2可定量分析土地利用 類型生態敏感性的面積及比重分布情況，其中極高敏感區面積最大，約1 289.93 km2，占研究區總面積的51.15%，主要在林地和園地分布區；其次是中度敏感區，面積約1 147.69 km2， 占比45.51%；其他敏感區面積均較小，共約84.21 km2，共占研究區總面積的3.34%。

2.2 區域生態敏感性綜合評價

綜合上述各單因子生態敏感性的分析結果，采用ArcGIS軟件中的加權疊加功能，得出咸豐縣生態敏感性綜合分布圖（圖1g），并通過統計功能計算獲得綜合生態敏感性的面積分布情況， 見表2。由圖1g和表2可知，研究區內高度敏感區分布面積最廣，約895.44 km2， 占研究區總面積的35.51%，主要分布于海拔較高的林地和園地地區；其次是中度敏感區，面積約703.27 km2，占研究區總面積的27.89%；極高敏感區面積比中度敏感區少179.36 km2，占研究區總面積的20.77%；輕度敏感區面積約377.33 km2，占研究區總面積的14.96%；極低敏感區分布范圍最小且分散，主要分布在建設用地與未利用地區域，面積僅為21.88 km2，占研究區總面積的0.87%。

3 結論與討論

極低和輕度敏感區內生態系統穩定性較好，所受外界干擾較小，可進行強度較大的開發利用，劃分為適宜開發區；相反，極高和高度敏感區生態環境脆弱，抵抗外界干擾能力弱，生態系統很不穩定性，一旦遭到破壞就很難恢復，因此該類區域不適宜開發利用，并需要加強保護；中度敏感區較極高和高度敏感區而言，具有一定抗干擾能力，但人類活動會造成一定的擾動，因此對此類區域的利用需控制在一定的度，應在科學指導下進行合理的開發與利用。咸豐縣作為適宜開發的面積約399.21 km2，占研究區總面積的15.83%，在科學指導下可開發利用的面積約703.27 km2，占比為27.89%；研究區內有大約1 419.35 km2的地區需作為重點保護對象，占比為56.28%。

該研究主要運用了ArcGIS技術平臺分析、統計了各單項因子的生態敏感性，并通過加權疊加分析獲得了全區生態敏感性的綜合狀況，整個過程不僅操作簡單且運算統計效率高，避免了柵格數據計算過程的繁雜與低效的缺陷。影響區域生態敏感性的因子眾多，該研究主要選取了各項主要的自然因子，如果需要進行更加深入全面的研究可根據研究區特征加入人文因子或是生態旅游的保護規劃等，對區域的可持續發展具有重要的指導意義。

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基金項目?? 湖北省耕地保護規劃研究項目（HBECC-ZB-ZC22097）。

作者簡介?? 張馳（1990—），女，湖北紅安人，工程師，碩士，從事土地生態與資源及農情監測研究。*通信作者，助理工程師，碩士，從事土地生態與資源及土地遙感和農情監測研究。