引用本文
石玉琼, 李团胜, 史小惠, 康欢欢, 闫颖. 榆林地区景观生态敏感性时空特征[J]. 国土资源遥感, 2017,29(2): 167-172
SHI Yuqiong, LI Tuansheng, SHI Xiaohui, KANG Huanhuan, YAN Ying.
Spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity in Yulin area [J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2017,29(2): 167-172  
doi: 10.6046/gtzyyg.2017.02.24
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榆林地区景观生态敏感性时空特征
石玉琼1, 李团胜2, 史小惠2, 康欢欢2, 闫颖2
1.山西农业大学林学院,太谷 030801
2.长安大学地球科学与资源学院,西安 710054
通讯作者: 李团胜(1963-),男,教授,主要从事遥感与土地方向研究。Email:tuanshen@chd.edu.cn。

第一作者: 石玉琼(1985-),女,硕士,讲师,主要从事土地规划方向的研究。Email:yuqiongsh@chd.edu.cn。

收稿日期: 2015-11-20
基金项目: 国家自然科学基金项目“榆林地区景观生态风险时空特征研究”(编号: 31140042)、陕西省软科学计划项目“陕北能源化工基地生态风险分析与评价”(编号: 2007RK21)和长安大学中央高校基金项目“土地荒漠化评价与动态监测方法研究——以陕北靖边县黄土高原区为例”(编号: 2013G1271102)共同资助
摘要

景观生态敏感性分析是生态环境研究的重要内容之一。为了分析榆林地区景观生态敏感性时空特征,用10 km×10 km敏感性分析网格,把榆林地区划分为527个单元样地,采用加权和法,计算每个单元的2000年、2005年和2010年3个时期的景观生态敏感性指数,并在ArcGIS中进行Kriging空间插值,得到3个时期的景观生态敏感性图。结果表明: 2000—2005年,轻度敏感区和极度敏感区的面积增大,中度和高度敏感区的面积减小,景观生态敏感性呈减弱趋势; 2005—2010年,轻度敏感区的面积大大减小,中度敏感区和极度敏感区的面积均有增加,而高度敏感区的面积显著增加,整体上景观生态敏感性呈增大趋势。

关键词: 景观生态敏感性; GIS; Kriging插值; 榆林
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2017)02-0167-06

Spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity in Yulin area
SHI Yuqiong1, LI Tuansheng2, SHI Xiaohui2, KANG Huanhuan2, YAN Ying2
1. College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China
2. College of Earth Science and Resources,Chang’an University, Xi’an 710054, China;
Abstract

The analysis of landscape ecological sensitivity is one of the important research objects of ecological environment. In order to analyze the spatial-temporal characteristics of landscape ecological sensitivity, the authors divided Yulin area into 527 units by 10 km×10 km grids. The index of landscape ecological sensitivity for each unit was calculated by weighted sum method, and then interpolated by Kriging in ArcGIS to get the landscape ecological sensitivity map. According to sensitivity index, landscape ecological sensitivity was classified into 5 levels: Insensitive, mild, moderate, high and extreme. From 2000 to 2005, the area of mild level and extreme level increased, and that of moderate level and high level decreased, with the weakening of landscape ecological sensitivity. From 2005 to 2010, the area of mild level decreased greatly, the area of moderate level and high level increased slightly, the area of high level increased greatly, and the area of extreme level also increased, with the increase of the landscape ecological sensitivity.

Keyword: landscape ecological sensitivity; GIS; Kriging interpolation; Yulin
0 引言

生态敏感性是反映在现有自然环境背景下, 人类活动干扰和自然环境变化导致发生区域生态或环境问题的难易程度及其可能性大小[1], 体现了生态系统对由于内在和外在因素综合作用引起的环境变化响应的强弱程度[2, 3]。敏感性高的区域, 生态系统容易受损, 应该是生态环境保护和恢复建设的重点, 也是人为活动受限或禁止的地区。Suffling[4]提出从生态敏感到生态扰动的指标。之后, 生态敏感性的研究相当广泛, 如雨林对选择性伐木的生态敏感性[5]、大陆架生态敏感性[6]、农业景观生境对气候变化的敏感性[7]、景观对环境快速变化的敏感性[8], 未利用地开发的生态敏感性[9], 沙漠化敏感性[10]、水土流失或土壤侵蚀敏感性[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]、土地生态敏感性[19, 20]、区域生态敏感性[1, 21, 22, 23, 24, 25, 26]等, 另外还有利用生态敏感性来评价生态旅游对森林植被景观的影响[27]以及分析区域生态或环境脆弱性[2, 28, 29]等。目前对生态敏感性的研究主要集中在对单一环境要素的研究, 如酸沉降、盐渍化、沙漠化及土壤侵蚀等, 并呈现出从单一生态敏感性因子研究向综合敏感性研究发展的趋势[24]。但对景观生态敏感性研究比较少, 从研究尺度上看, 包含了国家、流域、省域和市/县域尺度, 目前研究方法尚不统一, 处于探索与发展阶段, 指标体系的选择也存在较大的随意性, 没有统一标准[26]; 从研究方法上来看, 主要有极大值法[9, 21, 25]、加权和法[26, 30, 31]以及几何平均法[17, 24]等。景观作为生物的生存环境, 具有综合特征和明晰的地域特征, 对景观生态敏感性研究具有十分重要的意义。因此, 本文基于GIS对榆林地区景观生态敏感性进行时空分析。

1 研究区概况

榆林地区位于陕西省最北部, 地理坐标范围为E107° 15'~111° 15', N36° 57'~39° 35', 总面积43 578 km2, 辖1区11县(图1)。研究区地貌上可分为2大单元, 即位于毛乌素沙漠南缘的风沙滩地区和黄土丘陵沟壑区, 二者大体以长城为界。毛乌素沙漠南缘的风沙滩地区属鄂尔多斯高原的一部分, 黄土丘陵沟壑区属黄土高原的一部分。研究区气候属温带半干旱大陆性季风气候, 四季分明, 年平均气温10℃, 年平均降水量400 mm左右, 年内降水多集中于6— 9月份。研究区是陕西省唯一包括外流河和内陆河流域的地市级区域。外流河全部属于黄河水系; 内陆河分布在神木、定边县北部的沙地闭流区。主要土类有风沙土、黄绵土、新积土、灰钙土、栗钙土、黑垆土和盐土等。地带型植被为干草原和森林草原, 主要类型有森林、干草原、灌丛、草甸、沙生植被及盐生植被等。区内矿产资源丰富, 有煤、天然气、石油及盐等, 目前为陕北能源化工基地的核心区域。

图1 榆林地区行政区划示意图Fig.1 Administrative division of Yulin

2 研究方法

在对2000年、2005年和2010年3期ETM遥感影像(时相均为7— 9月)进行解译, 得到3期景观图(图2)的基础上, 根据主导因素、代表性、可操作性和综合性原则, 结合研究区实际情况, 选取自然因素(水土流失因子和沙漠化因子)和人为因子作为评价研究区景观生态环境敏感性的指标, 并将整个研究区域以10 km× 10 km的格网进行划分, 共得到527块样地, 分别计算每块样地的敏感性, 然后利用ArcGIS中的Kriging空间插值方法, 得到敏感性图。在评价敏感性时先进行单因子评价, 然后进行综合评价。把敏感性分为极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感5个等级。

图2 榆林地区景观图Fig.2 Landscpae mape of Yulin

2.1 水土流失敏感性

仅考虑在自然状况下对水土流失影响较大的土壤质地、地形起伏度和植被或土地利用等因子, 制定水土流失敏感性分级标准(表1), 利用表1所列的分级标准进行等级划分, 先评价各因子的敏感性, 然后评价水土流失敏感性。

表1 水土流失敏感性分级标准 Tab.1 Sensitivity levels for soil and water loss

计算各因子敏感性指数公式为

Si= ∑k=15(cikwk) , (1)

式中: Si为水土流失某一因子i的敏感性指数; cik为因子i第k级所占面积比; wk为第k级的权重。依据相关文献的方法及专家打分结果, 以水土流失敏感性为目标层, 以不同敏感等级为指标层, 对指标层于目标层的相对重要性进行比较, 利用IDRISI 软件中权重确定工具模块构造判断矩阵, 并计算出研究区各个等级的权重(本文凡是涉及有关因子的权重确定方法都与此相同)。不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感的权重分别确定为0.05, 0.1, 0.2, 0.25和0.4。

按照公式(1)计算出土壤质地、植被、地形起伏度等3个单因子敏感性指数。其中土壤质地和植被敏感性是按照土壤质地图和景观图获取每个样地(方格)单元内不同敏感级别的面积比, 依据公式(1)来计算527块样地的敏感性指数; 地形起伏敏感性指数的计算是根据研究区30 m分辨率DEM数据, 以5 km× 5 km移动窗口为标准, 获取地形起伏度, 划分为5个等级。然后再计算每个样地内不同敏感等级的面积比, 最后按照公式(1)计算得出527块样地的地形起伏度敏感性指数。

计算水土流失敏感性指数公式为

Esoil= ∑i=13(SiWi) , (2)

式中: Esoil为水土流失敏感性指数; Si为因子i的敏感性指数; Wi为因子i的权重, 其中地形起伏度、土壤质地因子和植被因子的权重分别为0.4, 0.2和 0.4。

2.2 沙漠化敏感性

依据研究区土地覆盖情况, 在风沙区范围内将沙漠化敏感性同样划分为5个等级, 按照表2中赋予各个等级的权重值计算加权和, 公式为

Esand= ∑k=15(CkWk) , (3)

式中: Esand为沙漠化敏感性指数; Ck为第k级所占面积比; Wk为第k级的权重。

表2 沙漠化敏感性等级及其权重 Tab.2 Desertification sensitivity levels and their weights
2.3 人为因素敏感性

由于耕地、工矿用地、城镇居民点景观是受人为影响较大的景观类型, 也主要是人类活动的产物, 因此以这3类景观面积之和占总面积的比例作为人为因子敏感性指数。计算公式为

Ehuman= (A1+A2+A3)A, (4)

式中: Ehuman为人为敏感性指数; A1, A2和A3分别为耕地、工矿用地及城镇居民点景观类型面积, hm2; A为总面积, hm2。

2.4 景观生态敏感性

利用加权和法计算景观生态敏感性指数, 计算公式为

E=EsoilW1+EsandW2+EhumanW3 , (5)

式中: E为景观生态敏感性指数; W1, W2和W3分别为水土流失、沙漠化以及人为因素的权重, 其值分别为0.28, 0.28和0.44。

针对527块样地分别计算景观生态敏感性指数之后, 在ArcGIS中进行Kriging插值, 直观地分析研究区景观生态敏感性的空间差异。经统计发现, 3个时期的景观敏感性指数最大值为0.512, 指数值主要在0.06~0.24之间, 为了能比较3个时相的景观敏感性相对大小及空间分布, 按照等间距法把敏感性指数分为5级, 来表示敏感性程度的相对分级: E< 0.06 为不敏感, 0.06≤ E< 0.12为轻度敏感, 0.12≤ E< 0.18为中度敏感, 0.18≤ E< 0.24为高度敏感, E≥ 0.24为极度敏感。

3 结果与分析

从敏感性分级来看, 在3个时期内, 研究区均无不敏感区, 2000年(图3(a)), 轻度敏感区占全地区面积的21.767%, 中度敏感区面积占62.461%, 高度敏感区面积占10.447%, 极度敏感区面积占5.325%, 以中度敏感区为主。轻度敏感区主要分布在东部; 中度敏感区范围较大, 主要分布在府谷、神木、榆阳、子洲、绥德和横山这6个县(区)的大部分地区以及米脂、靖边的东南部; 高度敏感区主要分布在靖边的西部、定边的中部和南部; 极度敏感区主要分布在定边的中西部。

2005年(图3(b)), 轻度敏感区占全区面积的40.337%, 中度敏感区面积占全地区面积的40.362%, 高度敏感区面积占9.247%, 极度敏感区面积占10.054%, 主要以轻度敏感区和中度敏感区为主。轻度敏感区主要分布在东南部, 具体为府谷的东南部、神木的东南部、吴堡、米脂、绥德、清涧、子洲、横山的东部和靖边的西南部; 中度敏感区主要分布在研究区西北部, 具体为府谷的北部与西北部、神木的中部、榆阳的大部、横山的北部与西北部、靖边的大部、定边的南部; 高度敏感区主要分布在神木的西北部; 极度敏感区主要在定边县中西部。

2010年(图3(c)), 轻度敏感区面积占全地区面积的1.067%, 中度敏感区面积占全地区面积的43.582%, 高度敏感区面积占41.312%, 极度敏感区面积占14.039%。轻度敏感区范围很小, 主要分布在神木东南部; 中度敏感区主要分布在东部、中部以及东南部; 高度敏感区主要分布在神木西北部、榆阳的西北部、佳县的东南部、吴堡的几乎全部、子洲的东北部及中部, 靖边的中东部、定边的南部和西北部; 极度敏感区主要分布在定边的中部、靖边的西北部以及绥德的东北部与佳县和吴堡的交界处。

图3 榆林地区2000年、2005年和2010年景观生态敏感性等级Fig.3 Landscape ecological sensitivity levels in Yulin in 2000, 2005 and 2010

2000年全区以中度敏感区为主, 2005年以轻度和中度敏感区为主, 轻度敏感区和中度敏感区面积相当, 二者共占到全地区面积的80%以上; 2000— 2005年, 轻度敏感区和极度敏感区的范围增大了, 中度和高度敏感区的范围缩小了。可见, 2000— 2005年景观生态敏感性总体在减弱。东部黄土丘陵沟壑区, 轻度敏感区范围扩大, 中度敏感区范围减小, 主要得益于退耕还林政策的实施。定边中部和北部地形相对比较平坦, 土壤质地为沙壤土和沙土, 中部耕地面积大且集中连片, 居民点数量多, 人为活动强烈, 加之这里属一年一熟农作区, 一年当中有多半时间地表裸露, 因而, 极度敏感区集中在这里, 由于耕地面积2000— 2005年有所增加, 范围向北向南扩张, 因而极度敏感区面积也有所扩大, 且空间范围的变化和耕地相同。

2005— 2010年, 轻度敏感区的面积缩小, 中度敏感区的面积略有增加, 而高度敏感区的面积大幅度增加, 极度敏感区面积也有所增加, 整体敏感性增强, 这主要是矿产资源开发所导致。原国家计委于2003年3月正式批准陕北能源化工基地在榆林启动建设后, 榆林开始大规模招商引资, 榆林工业园区多达26个, 能源重化工企业的重大项目及基础设施建设290多个, 几乎遍布整个区域。资源开发及园区建设的盲目进行, 使本来就非常脆弱的生态环境犹如雪上加霜。研究表明, 全区仅煤田开发一项就造成1.73× 104 hm2的植被被毁, 新增沙漠化土地近2.0× 104 hm2。神木县有0.35× 104 hm2林地因地表塌陷, 水位下降而干枯死亡。府谷县因地表塌陷等原因造成林木枯死面积达到1.07× 104 hm2。榆林北部风沙区地下水位由原来的1~2 m下降到30~50 m以下, 全市4大河流(无定河、窟野河、秃尾河和佳芦河)夏季基本断流, 全地区有8个县城严重缺水。基地开发和大量能源化工项目的实施, 使得原本缺水的榆林地区的地下水系统遭致破坏, 地下水位下降, 地表水断流, 湿地萎缩, 仅神木县境内就有10条河断流, 20多眼泉井干枯。窟野河两岸大小煤矿的连片开发, 造成该河全年有三分之二时间断流, 变成季节性河流。全市湖泊由开发前的869个减少为79个。植被遭到严重破坏, 仅4条输气干线就破坏植被10 000 hm2。植被的破坏导致水土流失加剧, 土地沙化蔓延, 目前榆林沙化土地面积累计已达2.44× 106 hm2。据近10 a来的数据测定, 流动沙丘年摆动前移速度为1.25~5.50 m, 年风蚀深度为12.25 cm, 最大达63.3 cm, 年输沙5 757.9× 104 t, 坡耕地平均流失120 t/hm2[32]。可见2005— 2010年景观生态敏感性增大, 主要与能源基地的建设和矿产资源开发有关。尽管陕北能源化工基地建设是本着把资源开发好, 把生态保护好的原则, 但矿产资源开发尤其是地下矿产资源的开发不可避免地会破坏地下水系统, 进而殃及地表水系统。同时大量的开发建设者蜂拥而至, 无疑增加了该区的负担, 使原本承载力比较小的自然环境更加不堪重负, 势必增加生态脆弱的风险, 增强景观生态的敏感性。因此, 如何协调脆弱的生态与开发建设之间的矛盾, 如何走社会经济可持续发展的道路, 是各级部门应该深思的问题。

4 结论

1)2000年, 研究区内以中度敏感区为主; 2005年, 以轻度敏感区和中度敏感区为主; 2010年, 以中度敏感区和高度敏感区为主。

2)2000— 2005年, 轻度敏感区和极度敏感区的范围增大, 中度和高度敏感区的范围缩小, 整体景观生态敏感性在减弱; 2005— 2010年, 轻度敏感区的面积大大缩小, 中度敏感区的面积略有增加, 而高度敏感区的面积大大增加了, 极度敏感区面积也存在一定的增加, 整体景观生态敏感性增大。

3)2000— 2005年生态敏感性降低, 主要是退耕还林政策的实施, 而2003年后大规模的矿产资源开发以及各种工业园区的建设, 能源化工产业的发展, 人类活动的增强, 是导致2010年生态敏感性增大的主要因素。因此, 如何协调资源开发与生态环境保护的关系, 在资源开发的同时, 改善生态环境已成为榆林地区当前应该深思的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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