彭琳玉，胡希軍

(中南林業(yè)科技大學 風景園林學院，湖南 長沙 410004)

1 引言

隨著社會的發(fā)展和人類活動的加劇，自然資源不斷遭到高強度的開采和利用，城鎮(zhèn)空間不斷擴張，對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重威脅[1]。近年來，生態(tài)環(huán)境問題備受關注，生態(tài)保護也被提到了前所未有的高度，貫徹和落實生態(tài)文明建設是當前的重要任務[2]。生態(tài)敏感性評價能夠科學地從環(huán)境問題的發(fā)生機制評估區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況，是實現(xiàn)生態(tài)資源管控保護與合理生態(tài)規(guī)劃的重要途徑[3，4]。

生態(tài)敏感性即生態(tài)系統(tǒng)在人類活動干擾和自然環(huán)境變化影響下的敏感程度，反映了該區(qū)域發(fā)生生態(tài)問題的可能性、難易程度以及自我恢復的能力[5，6]。隨著ArcGIS技術發(fā)展的逐步成熟，區(qū)域生態(tài)敏感性分析可通過ArcGIS平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定量化與可視化，使得結果更為科學直觀，這也為協(xié)調區(qū)域規(guī)劃開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的保護提供了科學依據(jù)，能夠在未來發(fā)展中有效緩解人類，社會，生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。

目前國內外生態(tài)敏感性相關的研究成果較多。國外學者Mcharg最早開創(chuàng)了生態(tài)敏感性研究，通過適宜性評價和疊加圖層的方法確定用地選址[7]。國內學者歐陽志云[8]、林涓涓[9]等分別首次提出了生態(tài)敏感性和流域生態(tài)敏感性的概念，為國內生態(tài)敏感性研究奠定了基礎。在研究尺度上，生態(tài)敏感性研究多集中于省[10]、市[11]、流域[12]、自然風景區(qū)[13]等研究尺度，而針對小尺度區(qū)域的生態(tài)敏感性研究相對較少。本文以湖南省植物園為研究對象，構建合理的評價體系，運用ArcGIS技術對研究區(qū)進行生態(tài)敏感性分析，并探討土地利用變化對生態(tài)敏感性的影響，提出相關建議。

2 研究區(qū)概況

湖南省植物園位于湖南省長沙市雨花區(qū)洞井鎮(zhèn)，地處雨花區(qū)交通樞紐核心地帶，隸屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫17.2 ℃，降水集中在3～5月，年均降水量為1361.6 mm。湖南省植物園地表發(fā)育的土壤多為沙土，山脊多不相連，山勢較陡峭，東側和東南側為紅巖丘崗，東北側為花崗巖低山丘陵地帶。地理坐標為113°0′52″～113°2′13″E、28°5′59″～28°6′49″N，占地總面積約為140 hm2。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

文中所用到的數(shù)據(jù)包括湖南省植物園矢量邊界；1∶10000湖南省植物園CAD地形圖；2009、2013和2017年湖南省植物園三期遙感影像圖；12.5 m的DEM數(shù)據(jù)，以及實地調研的數(shù)據(jù)資料等。結合衛(wèi)星遙感影像圖和實地調研材料在CAD中分別提取出2009、2013和2017年湖南省植物園道路，建筑，水體、綠地等用地類型，分別導入ArcGIS制作三期的土地利用分類圖，同時通過ArcGIS中的空間處理模塊生成研究區(qū)的高程，坡度，坡向分布圖(如圖1、圖2、圖3所示)，構建生態(tài)敏感性分析數(shù)據(jù)庫。

圖1 湖南省植物園高程分布

圖2 湖南省植物園坡度分布

圖3 湖南省植物園坡向分布

3.2 評價因子的選擇與分級

確定評價因子是進行生態(tài)敏感性分析關鍵的一步，選擇不同的評價因子會直接影響到最終的分析結果。張廣創(chuàng)[14]選取了高程、坡度、坡向、積溫、降水、植被覆蓋度、水域緩沖區(qū)、土地覆被類型、土壤類型9個指標對錫爾河中游生態(tài)敏感性進行了分析。王浩程[15]等選取了高程、坡度、水域、土地利用類型和道路交通等5個因子，結合層次分析法和加權疊加法對研究區(qū)域進行了綜合生態(tài)敏感性評價。劉瀾[16]等基于地形地貌、坡度、坡向、土地利用類型、交通通達度、地質災害和水域距離等7個評價因子，對太湖東村自然景觀生態(tài)敏感性進行了評估。

基于評價因子的代表性、數(shù)據(jù)的可獲取性與可操作性等原則，通過咨詢相關專家，選取了高程、坡度、坡向、水體緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)5個因子評估湖南省植物園生態(tài)敏感性。運用ArcGIS量化原始數(shù)據(jù)，按照各評價因子敏感程度的高低分為低敏感區(qū)、較低敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)5個等級，并且依次賦予評價值1、2、3、4、5(表1)。

表1 生態(tài)敏感性單因子等級劃分標準

評價因子選取說明如下：

3.2.1 高程

高程對植物生境的影響主要在于不同的高程的植物接受的陽光、土層土壤、雨水徑流等都不一樣。海拔較高的地方氣溫變化大，溫度較低，不利于有積溫要求的植物生長。根據(jù)調查研究，隨著海拔的逐漸升高，環(huán)境溫度也隨之降低，海拔每上升10 m，環(huán)境溫度就會下降0.6 ℃，因此植物的分布會隨著高程的變化呈現(xiàn)出明顯的垂直分布特點，生態(tài)系統(tǒng)也會呈現(xiàn)出垂直特征，并隨著海拔的升高變得更加脆弱。

3.2.2 坡度

坡度越大的地方，雨水徑流一般較大，越容易造成土壤的侵蝕和滑坡，生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力越差，因此這些區(qū)域的生態(tài)敏感性更強。

3.2.3 坡向

坡向在很大程度上影響了植被接受太陽光照的時長，也導致了不同坡向的溫度差異。從北半球的光照規(guī)律來看，南坡所接受的日照顯然要比北坡充分，土壤水分蒸發(fā)也較快易造成植物缺水，不利于植被的生長，因此北坡生物多樣性較高，生態(tài)敏感性也較高。

3.2.4 水體緩沖區(qū)

水源不僅為其周邊的動植物提供了必要的生存條件，還能潛移默化地調節(jié)片區(qū)的環(huán)境小氣候，有益于維護生態(tài)系統(tǒng)。同時水域生態(tài)環(huán)境也較為脆弱，容易受到人為活動的干擾。湖南省植物園內存在櫻花湖等多個水體區(qū)域，可根據(jù)到水體的遠近距離依次劃分敏感度級別。

3.2.5 道路緩沖區(qū)

緩沖區(qū)分析是探究人類活動干擾下生態(tài)環(huán)境變化問題的重要途徑之一，緩沖帶是沒有加入道路本身寬度的單側寬度范圍。在GIS的支撐下，構建道路緩沖帶，并統(tǒng)計各敏感性等級緩沖帶的面積。

3.3 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是以點、線、面等作為空間對象，在其周圍自動建立一定寬度范圍的緩沖區(qū)多邊形圖層，是用來解決鄰近度問題的空間分析工具之一。本文中通過緩沖區(qū)分析得到水體緩沖區(qū)與道路緩沖區(qū)單因子生態(tài)敏感性分析圖。

3.4 權重的確定

根據(jù)分析因子在敏感性中的重要性不同，通過專家打分建立生態(tài)敏感性判斷矩陣，以兩兩比較的方式計算得出敏感性因子的權重如表2所示。

表2 權重分布

3.5 ArcGIS加權疊加分析

加權疊加是ArcGIS中常用的空間分析工具，目前已廣泛運用于選址適宜性分析、生態(tài)敏感性分析等多種研究領域。根據(jù)前文計算出的評價因子權重，將各單因子生態(tài)敏感性分布數(shù)據(jù)在ArcGIS中進行疊加整合，根據(jù)評價等級的劃分對得疊加的結果進行重分類并賦予評價值，最終得到綜合性圖層。

4 結果與分析

4.1 單因子生態(tài)敏感性分析

4.1.1 高程因子生態(tài)敏感性分析

由圖1所知，研究區(qū)域最低海拔為48.23 m，最高海拔為105.20 m，根據(jù)最低海拔與最高海拔的高差，將高程分為5等級，形成高程因子敏感性分析圖(如圖4a所示)。由分析結果可知，48～65 m(低敏感區(qū))，面積為5.74 hm2，占比4.1%；65～76 m(較低敏感區(qū))，面積為24.36 hm2，占比17.4%；76～85 m(中敏感區(qū))，面積35.84 hm2，占比25.6%；85～93 m(較高敏感區(qū))，面積為40.18 hm2，占比28.7%；93～106 m(高敏感區(qū))，面積為33.88 hm2，占比24.2%。由高中低三個層次敏感區(qū)面積占比可知，植物園內地形起伏不平，高程因子在一定程度上影響著研究區(qū)的生態(tài)敏感性。全園以高敏感區(qū)和較高敏感區(qū)為主，大片分布于研究區(qū)的中西部和中東部，北部片區(qū)也有零散分布。

4.1.2 坡度因子生態(tài)敏感性分析

坡度劃分為了0°～5°(低敏感區(qū))，5°～15°(較低敏感區(qū))，15°～25°(中敏感區(qū))，25°～35°(較高敏感區(qū)A)以及35°～45°(高敏感區(qū))五個級別，得到坡度因子生態(tài)敏感性如圖4b所示。由分析結果可知，低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)所占面積分別為26.74 hm2和35.98 hm2，占比分別為19.1%和25.7%，主要集中分布于研究區(qū)中北部，部分零散分布于東、西部。中敏感區(qū)為37.38 hm2，占26.7%，主要零散分布在研究區(qū)邊緣地帶。較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)所分布的面積較少，分別為27.58 hm2、12.32 hm2，共占比28.5%，集中分布在植物園南部邊緣地帶。植物園中坡度因子主要以低敏感和較低敏感區(qū)為主，對于外界的干擾具有一定的抵抗力，因此可進行適當?shù)拈_發(fā)建設，增設園內服務設施。

4.1.3 坡向因子生態(tài)敏感性分析

按照北半球每個坡面受到光照的長短以及被陰影覆蓋的時間長短，劃分5個級別后得到坡向生態(tài)敏感性分析圖如圖4c所示。其中，高敏感區(qū)分布面積最多為36.54 hm2，占比26.1%。較高敏感區(qū)和中敏感區(qū)面積分別為26.18 hm2和24.08 hm2，分別占18.7%、17.2%。較低敏感區(qū)和低敏感區(qū)分別為31.22 hm2、21.98 hm2，分別占22.3%和15.7%，除高敏感區(qū)分布面積較大以外，其他級別的區(qū)域分布相對較為均勻，不同坡向對于生態(tài)敏感程度存在一定影響。

4.1.4 水體緩沖區(qū)生態(tài)敏感性分析

水體的生態(tài)脆弱性較高，容易受周圍環(huán)境的影響，根據(jù)湖南省植物園水體的質量以及其面積的大小，將水體緩沖區(qū)分為距離水體350 m以上(低敏感區(qū))、200～350 m(較低敏感區(qū))、100～200 m(中敏感區(qū))、50～100 m(較高敏感區(qū))、距離水體50 m以內(高敏感區(qū))，共5個緩沖區(qū)(圖4d)。其中中敏感區(qū)分布面積最多為45.08 hm2，占比32.2%，較高敏感區(qū)和高敏感區(qū)同樣也占有較大比重，面積分別是31.08 hm2和23.94 hm2，分別占22.2%、17.1%。低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)面積為18.9 hm2、21 hm2，分別占13.5%、15%，主要分布于植物園的東、西邊緣區(qū)域及北部邊緣區(qū)域，與周邊交通要道及居民區(qū)臨近，受到的人為干擾較頻繁，因此生態(tài)敏感程度反而較低。

4.1.5 道路緩沖區(qū)生態(tài)敏感性分析

湖南省植物園主要以小型游路為主，將道路緩沖區(qū)劃分為20 m以內(低敏感區(qū))，20～60 m(較低敏感區(qū))，60～140 m(中敏感區(qū))，140～300 m(較高敏感區(qū))及300 m以上(高敏感區(qū))五個等級(如圖4e所示)。道路緩沖帶中低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)面積超過了總土地面積的一半，分別為45.22 hm2和47.04 hm2，共占比65.9%。中敏感區(qū)為30.66 hm2，占21.9%。較高敏感區(qū)為15.4 hm2，占11%。面積最小的為高敏感區(qū)，1.68 hm2，僅占1.2%。由分析結果可知，高敏感區(qū)及較高敏感區(qū)面積遠小于低敏感區(qū)域和較低敏感區(qū)之和，說明道路的開發(fā)建設破壞了周邊原有的生態(tài)環(huán)境，導致周邊生態(tài)敏感性的降低。

圖4 單因子生態(tài)敏感性分析

4.2 湖南省植物園綜合生態(tài)敏感性評價分析

通過ArcGIS將所有評價因子進行加權疊加，并將疊加結果劃分為5個等級，經(jīng)重分類后得到綜合生態(tài)敏感性圖層(如圖5所示)。通過統(tǒng)計分析可知，研究區(qū)域內低敏感區(qū)面積占7.2%、較低敏感區(qū)面積占23.6%、中敏感區(qū)面積占43.8%、較高敏感區(qū)面積占20.3%、高敏感區(qū)面積占5.1%。根據(jù)研究結果可知，中敏感區(qū)面積分布范圍最廣，中敏感區(qū)及以下的面積綜合遠遠大于較高敏感和高敏感區(qū)，由此可見，植物園中發(fā)揮著重要生態(tài)作用的區(qū)域面積處于較低水平，而具備一定生態(tài)功能的中敏感區(qū)也不斷受到外界活動的干擾，存在生態(tài)敏感度下降的趨勢，不利于植物園生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展。

由圖5可知，湖南省植物園內的低敏感區(qū)及較低敏感區(qū)主要分布在植物園中北部，東南部紅線邊緣及西部邊緣也少有分布，均為地勢較低且坡度平緩的區(qū)域，這些區(qū)域建筑與道路的密度相對較高，受人類活動的影響也最大，區(qū)域內植被抗干擾能力也較強，是園內較為適合建設服務設施，或開展戶外活動的區(qū)域。

圖5 湖南省植物園生態(tài)敏感性綜合評價分析

中敏感區(qū)主要分布于植物園東部和南部，大多都為坡度較緩和的區(qū)域，區(qū)域中的植被比較豐富，生態(tài)環(huán)境與自然景觀資源較好，同時也具備一定的抗干擾能力，但過多的人為活動依然會影響到其生態(tài)平衡，在對此區(qū)域的建設開發(fā)中應考慮可行性和生態(tài)維護管理。

較高敏感區(qū)以及高敏感區(qū)大多為生態(tài)價值高，植被豐富度高，自然資源較為豐厚的區(qū)域，多分布于海拔較高，坡度陡峭的區(qū)域。人為的干擾會直接破壞其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至導致區(qū)域內環(huán)境的循環(huán)惡化，造成不可恢復的損害，因此對該區(qū)域應當加大保護力度，建立完整的管控體制，同時提高植被覆蓋度和生物多樣性。

4.3 土地利用變化對生態(tài)敏感性的影響

土地利用類型是反映土地性質、用途以及分布規(guī)律的基本地域單位。不同的土地利用類型也反映了不同的人類活動方式，以及其對生態(tài)環(huán)境造成的影響。本文通對2009，2013，2017三年的湖南省植物園土地利用數(shù)據(jù)的提取和處理，得到植物園三年土地利用類型分布圖和用地面積變化表格(如圖6、表3所示)。

圖6 湖南省植物園三期土地利用類型分布

(1)由表3可知，2009～2017年間，道路面積從4.48 hm2逐步增加到到5.60 hm2，表明了植物園為便于游客休憩游玩建設了更多的園路，人為活動的增多，使得園內高生態(tài)敏感區(qū)域和低敏感區(qū)域不斷發(fā)生置換，將導致園內道路緩沖區(qū)低敏感或較低敏感區(qū)域的增多，中敏感以及中敏感以上的區(qū)域減少，由此可知園路的修建在一定程度上影響著植物園的生態(tài)敏感性區(qū)域的分布。

表3 湖南省植物園三期土地利用面積變化 hm2

(2)園內建筑面積也呈逐步增多的趨勢，面積由1.96 hm2增加到4.06 hm2。由于植物園內的生態(tài)環(huán)境良好，選擇來植物園游玩的人數(shù)也日益增多，使得植物園內不斷建設和完善相應的服務設施，占用了園內部分的自然資源，同時也帶動了周邊居住用地價值的上漲，建筑數(shù)量增多，人為活動更為頻繁，也勢必生對園區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響。

(3)水體面積在2013至2017年內減少了0.84 hm2，期間植物園內的部分水域被開發(fā)為游樂園，導致了水體及其周圍原有植被遭到破壞，進而造成了由高敏感區(qū)域轉變?yōu)榈兔舾袇^(qū)域的局面。

(4)園內的綠地面積數(shù)量呈逐年下降趨勢，2009～2017年間，綠地面積共減少了2.38 hm2，作為園內生態(tài)系統(tǒng)的基本載體，綠地的持續(xù)減少將會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡造成威脅。

5 結論

本文通過選取高程、坡度、坡向、水體緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)為評價因子對研究區(qū)生態(tài)敏感性進行了具體分析，并運用ArcGIS技術，分析了研究區(qū)三期土地利用變化對生態(tài)敏感性的影響。植物園中低敏感區(qū)和較低敏感區(qū)多分布在園區(qū)的北部、西南部等邊緣地帶和道路緩沖帶。高敏感區(qū)域面積較少，多分布于東、南部片區(qū)及北門片區(qū)。中敏感區(qū)域面積分布最廣。根據(jù)不同敏感性級別的數(shù)量分布情況，可進行分區(qū)管控。在今后的發(fā)展中應當加強對植物園高敏感區(qū)域保護和管制，嚴禁隨意開發(fā)建設；對于中敏感區(qū)可適當開放，同時提升中、高敏感區(qū)的生境質量，加強管控園區(qū)內及其周邊建筑的密度和高度。在保護好生態(tài)環(huán)境的前提下，可適當?shù)貙θ罕婇_放，以增強群眾的環(huán)境保護意識，協(xié)調園內生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。