GIS 支持下的紅壤丘陵區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)——以長(zhǎng)沙市為例

1、GIS支持下的紅壤丘陵區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)以長(zhǎng)沙市為例李忠武，曾光明，張 華，楊 斌，焦 勝湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410082摘要：遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化提供了有效的手段。針對(duì)紅壤丘陵區(qū)這一特定區(qū)域，在地理信息系統(tǒng)的支持下，建立了紅壤丘陵區(qū)環(huán)境信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)結(jié)合特爾斐法、層次分析法及環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法，對(duì)紅壤丘陵區(qū)的典型區(qū)域長(zhǎng)沙市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，由于人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，長(zhǎng)沙市環(huán)境質(zhì)量狀況良好以上級(jí)別的區(qū)域面積僅有827.64 km2，占總面積的7.0%；而生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域其面積達(dá)到6187.14 km2，占總面積的

2、52.4%，這說(shuō)明長(zhǎng)沙市總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；層次分析法；長(zhǎng)沙市；紅壤丘陵區(qū)中圖分類號(hào)：X820.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2004）03-0358-04紅壤丘陵區(qū)是生態(tài)穩(wěn)定性差、生物組織和生產(chǎn)力波動(dòng)性大，對(duì)人類活動(dòng)及突發(fā)性災(zāi)害的反應(yīng)敏感，自然環(huán)境易于向不利于人類利用方向演替的一類自然環(huán)境類型1。我國(guó)東南部紅壤丘陵的分布十分廣泛，跨越南方11個(gè)省（區(qū)），619個(gè)縣（市），共約113萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的11%2。該地區(qū)具有中亞熱帶優(yōu)越的生物氣候條件，年均氣溫1619 ，年降水量14001700 mm，生產(chǎn)潛力很大。但由于長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)自然

3、資源的過(guò)度開發(fā)利用，目前該地區(qū)水土流失嚴(yán)重，已導(dǎo)致土地生產(chǎn)力和水土效益下降。水旱災(zāi)害加劇，生態(tài)穩(wěn)定性降低，自然環(huán)境惡化，已成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一。生態(tài)環(huán)境的脆弱已經(jīng)嚴(yán)重的影響了本區(qū)生產(chǎn)發(fā)展和人民生活水平的提高，因而綜合分析紅壤丘陵脆弱生態(tài)環(huán)境的狀況，對(duì)促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重大的理論和實(shí)踐意義。1 研究區(qū)域概況長(zhǎng)沙市位于湖南省東部，是湖南省省會(huì)，其地理位置為東經(jīng)111°53114°15，北緯27°5128°40。全市現(xiàn)轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花5個(gè)區(qū)和長(zhǎng)沙、望城、寧鄉(xiāng)3個(gè)縣及瀏陽(yáng)市，總面積為11819.5 km2。長(zhǎng)沙市地質(zhì)構(gòu)造形

4、跡復(fù)雜，地層褶皺，斷裂發(fā)育。屬低山丘陵區(qū)，東北、西北兩端山地環(huán)繞，地勢(shì)高峻，向中部?jī)A斜而趨于平緩。南部丘崗起伏，北部平坦開闊，地勢(shì)由南向北傾斜。海拔高程在23.51607.9 m之間。山地面積約占全市總面積的29.5%，丘陵占17.2%，崗地占23.3%，平原占25.3%。長(zhǎng)沙市屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，多年平均降雨量為1483.6 mm，降水主要集中在47月份。從地型地貌特征來(lái)看，長(zhǎng)沙市屬于紅壤丘陵區(qū)。因此本研究以長(zhǎng)沙市為例來(lái)研究紅壤丘陵區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間分異具有一定的代表性。2 研究方法 本研究對(duì)不同來(lái)源、不同比例尺的圖件，通過(guò)掃描和屏幕數(shù)字化方式輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，然后在地理信息系統(tǒng)軟件ARC.GI

5、S的支持下，進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，并將其轉(zhuǎn)化為和國(guó)家1:25萬(wàn)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫(kù)一致的投影坐標(biāo)系統(tǒng)，最后將不同的空間數(shù)據(jù)離散為100 m×100 m的柵格，進(jìn)行空間分析；利用EDRAS 遙感影像處理軟件處理TM遙感影像，通過(guò)人機(jī)交互解譯方式得到研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀信息。3 評(píng)價(jià)方法3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)大目標(biāo)、多層次的復(fù)合系統(tǒng)，本研究主要將其分為生物和水資源子系統(tǒng)、土地資源子系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)3個(gè)方面，分別用B1、B2、B3來(lái)表示。建立生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的關(guān)鍵是評(píng)價(jià)因子（Ci）的選擇，被選擇的因子應(yīng)能全面地反映整個(gè)生態(tài)的特點(diǎn)、能突出該研究區(qū)域的主

6、要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)還應(yīng)該考慮對(duì)實(shí)際資料的掌握程度。本研究在評(píng)價(jià)因子的選取上主要考慮到了以下三方面：（1）結(jié)合長(zhǎng)沙市具體的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)狀況來(lái)選??；（2）結(jié)合長(zhǎng)沙市存在的主要環(huán)境問(wèn)題來(lái)選??；（3）結(jié)合長(zhǎng)沙市屬于典型的紅壤丘陵區(qū)的特征，指標(biāo)的選取要有代表性和高靈敏度。根據(jù)以上因素，本研究選取了包括水分、地形坡度以及人口、經(jīng)濟(jì)等在內(nèi)的9個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)長(zhǎng)沙市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（圖1）。3.1.1 生物和水資源子系統(tǒng)（B1）對(duì)于生物和水資源子系統(tǒng)，本研究選取水資源狀況、植被覆蓋率和土壤滲透性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中植被是把自然引入城市的重要因素，它的存在使城市居民對(duì)自然的感受增強(qiáng)，并能提高生活質(zhì)量，是

7、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和改善環(huán)境質(zhì)量的重要媒介。水資源是生態(tài)系統(tǒng)維持其平衡必不可少的關(guān)鍵組成部分之一。土壤滲透性是地下水污染敏感性的間接指標(biāo)。滲透性越大，地下水越易被污染，因此其在提高城市景觀質(zhì)量，改善城市空間環(huán)境，調(diào)節(jié)城市溫、濕度，維持正常的水循環(huán)等方面起著重要作用。3.1.2 土地資源子系統(tǒng)（B2）土地資源子系統(tǒng)選取土壤養(yǎng)分、地形坡度和地質(zhì)狀況作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中坡度是影響建設(shè)投資、開發(fā)強(qiáng)度的重要控制指標(biāo)，其大小對(duì)土壤侵蝕，水土流失都產(chǎn)生很大的影響。土壤養(yǎng)分和區(qū)域地質(zhì)狀況則分別與土地的利用狀況和可建設(shè)利用程度具有非常密切的關(guān)系。3.1.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境子系統(tǒng)（B3）對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)選取居民

8、點(diǎn)用地程度、人均GDP和人口密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)的大小是反映人類對(duì)土地資源利用程度的強(qiáng)弱，在一定程度上也可以說(shuō)是人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞和影響程度。如2000年長(zhǎng)沙市區(qū)人口密度在每平方公里2000人以上，而郊縣只有260520人/km2左右，城區(qū)人口密度高，直接帶來(lái)交通堵塞，環(huán)境污染等問(wèn)題。3.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)(A)土地資源子系統(tǒng)(B2)生物和水資源子系統(tǒng)(B1)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)(B3)地形坡度C5地質(zhì)狀況C6土壤滲透性C3植被覆蓋率C2水資源狀況C1人均GDPC8人口密度C9用地程度C7土壤養(yǎng)分C4圖1 長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用層次分析法來(lái)確定評(píng)價(jià)因子的

9、權(quán)重。層次分析法（AHP）是系統(tǒng)工程中對(duì)非定量事物作定量分析的一種簡(jiǎn)便方法，它一方面能充分考慮人的主觀判斷，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行定性與定量的分析，另一方面把研究對(duì)象看成一個(gè)系統(tǒng),從系統(tǒng)內(nèi)部與外部的相互聯(lián)系出發(fā)，將各種復(fù)雜因素用遞階層次結(jié)構(gòu)形式表達(dá)出來(lái)，以此逐層進(jìn)行分析，使決策者對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的決策思維系統(tǒng)化、數(shù)字化、模型化。由于該方法重點(diǎn)在于對(duì)復(fù)雜事物中各因子賦予相應(yīng)的恰當(dāng)?shù)臋?quán)重,故又稱多層次權(quán)重分析法3。環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)多層次、多因子的復(fù)雜的大系統(tǒng)，適合運(yùn)用此種權(quán)重確定方法，其具體的步驟如下：3.2.1 層次結(jié)構(gòu)的建立研究中將整個(gè)系統(tǒng)分成A、B、C三層。其中，A為目標(biāo)層，B為中間層，C為目標(biāo)層，并分

10、別對(duì)每一層中的各個(gè)子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)中的因子進(jìn)行分析。3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣 將目標(biāo)層A分解為B、C層，以建立上下層之間的兩兩判斷矩陣，并根據(jù)特爾斐法（專家評(píng)斷法），對(duì)B1、B2、B3的相對(duì)重要性進(jìn)行討論。（1）人類給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響最大的，而本研究的研究區(qū)域是由密集的城鎮(zhèn)所組成的，人類對(duì)環(huán)境的影響比較顯著，故社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的權(quán)重最大。（2）土壤侵蝕對(duì)生態(tài)問(wèn)題有著直接的影響，而地形坡度大小則是衡量土壤侵蝕程度強(qiáng)弱的指標(biāo)。就長(zhǎng)沙市而言，東西兩側(cè)的山區(qū)地形坡度大，對(duì)環(huán)境的影響比較敏感，因此土地資源子系統(tǒng)占較多的權(quán)重。（3）生物和水資源子系統(tǒng)相對(duì)于以上兩方面對(duì)生態(tài)的影響程度較小，但卻不容忽視，植被

11、的覆蓋率直接關(guān)系到該地區(qū)的氣候、水土保持等生態(tài)問(wèn)題。水資源狀況直接關(guān)系到該區(qū)的經(jīng)濟(jì)等方面的發(fā)展。綜合以上因素，得出目標(biāo)層與中間層的判斷矩陣（表1）。表1 目標(biāo)層（A）與中間層（B）的判斷矩陣AB1B2B3Wi (權(quán)重)B111/51/30.1045B25130.6372B331/310.25833.2.3 層次單排序（1）層次單排序。根據(jù)構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算出本層次因子對(duì)于上一層次某因子相互之間的權(quán)重，層次單排序最后歸結(jié)為計(jì)算判斷矩陣（B）的特征根和特征向量，即計(jì)算滿足(BW=maxW)的特征向量，式中max為矩陣B的最大特征根，（max=（BW）i /nWi），W為對(duì)應(yīng)于max的正規(guī)化特征向量

12、，W的分量Wi（i=1, 2, 3, , n）是相應(yīng)因子單排序的權(quán)值5。（2）判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣一致性是指判斷矩陣元素是否滿足如下關(guān)系：bij=bik/bik （i, j, k = 1, 2, , n） (1)當(dāng)上式完全成立時(shí)，稱判斷矩陣具有完全一致性4，此時(shí)最大特征根max=n，其余特征根為0。由以上得出的判斷矩陣，求得max=3.0385；定義一致性指標(biāo)CI = (max n)/(n-1)，求得CI =0.0193，平均一致性指標(biāo)RI =0.58；隨機(jī)一致性比例CR定義為：CR=CI/RI，當(dāng)CR0.10時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性，本研究計(jì)算得到CR= 0.0332< 0

13、.105，符合需求。3.2.4 層次總排序利用層次單排序的結(jié)果，可以計(jì)算針對(duì)上一層次而言本層次所有元素重要性的權(quán)值，即為層次總排序，且層次總排序需要從上到下逐層按照順序進(jìn)行。表2 長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值環(huán)境子系統(tǒng)生物資源系統(tǒng)土地資源系統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)子系統(tǒng)因子B1B2B3因子權(quán)重0.10450.63720.2583子因子C1C2C3C4C5C6C7C8C9子因子權(quán)重0.01090.06660.02700.06660.40600.16460.02700.16460.0667經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，得到長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)因子和子因子權(quán)重結(jié)果（表2）。3.2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化及無(wú)量綱化（1）指標(biāo)

14、的量化由于不同的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)值之間差異很大，因此為了消除量綱的影響，非常有必要對(duì)不同柵格的各個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化。無(wú)量綱化的具體方法是：先對(duì)各因素資料進(jìn)行整理，按因素與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)性的特點(diǎn)，計(jì)算出各個(gè)柵格的因素指標(biāo)值，然后利用公式（2）來(lái)消除量綱。Fij = 100 ( Xij - Xminj )/(Xmaxj- Xminj ) (2) 式中：Fij 為第i個(gè)柵格第j個(gè)因子的無(wú)量綱值，在01之間；Xij 為第i個(gè)柵格第j個(gè)因子的實(shí)際值、Xminj、Xmaxj分別為所有柵格中第j個(gè)指標(biāo)最小值和最大值。按照上述方法即可對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行無(wú)量綱化6。3.2.6 長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)

15、屬于多元素大系統(tǒng)，各種環(huán)境子系統(tǒng)之間有物質(zhì)、能量和信息的交換，為了使研究成果具有更大的置信度和更好的精確性7，就必須將各子元素的分析成果綜合疊加，即以各元素成果的交集來(lái)確定生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，即環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法。 利用GIS對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行離散化，將長(zhǎng)沙市離散為m個(gè)柵格，每個(gè)柵格包含n個(gè)因子指標(biāo)，則每個(gè)柵格的生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)值等于各因子評(píng)價(jià)指標(biāo)分值加權(quán)之和，即： Pi= (3)式中，Pi為第i個(gè)柵格的生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)值；Fij為第i個(gè)柵格j因子的作用值；Wj為j因子的權(quán)重值。4 結(jié)果與討論在ARC.GIS的空間分析模塊支持下，按照公式（3）的計(jì)算方法首先計(jì)算出各個(gè)柵格的綜合評(píng)價(jià)值，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果

16、進(jìn)行處理、聚類和再分類即可以得到區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)狀況（圖2和表3）。表3 長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)各等級(jí)環(huán)境質(zhì)量最好良好較好一般較差差面積/km294.6733.042828.51960.795042.351144.64占總面積比例/%16.6 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最佳和良好區(qū)該兩類區(qū)域主要分布于瀏陽(yáng)市中部和東北部的部分地區(qū)，寧鄉(xiāng)縣西部以及望城中西部的少部分區(qū)域。在這些區(qū)域主要集中了大部分的山脈，如：瀏陽(yáng)的連云山、寧鄉(xiāng)的溈山。這些地方由于受人類的影響較小，并且土壤養(yǎng)分豐富，植被覆蓋率高，土壤滲透性比較好，因而，環(huán)境質(zhì)量較佳。但是在圖中，可以明顯看到該類區(qū)域的中

17、間已經(jīng)部分的出現(xiàn)了塊狀的環(huán)境質(zhì)量一般和較差的區(qū)域，其原因，一方面是由于對(duì)該些地區(qū)森林資源的保護(hù)不夠全面；另一方面，由于該地區(qū)的地形坡度比較大，導(dǎo)致水土流失的情況較其他地區(qū)嚴(yán)重。4.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好區(qū)圖2 長(zhǎng)沙市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果該類區(qū)主要分布在瀏陽(yáng)市的大部分地區(qū)，寧鄉(xiāng)中西部大部分地區(qū)，長(zhǎng)沙縣的北部部分地區(qū)，這些地區(qū)土地利用狀況主要以耕地和林地為主，有部分的草地和水田，因而受到人類的破壞性影響較少，環(huán)境狀況較好。4.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般區(qū)域該類區(qū)域主要分布在望城縣大部分地區(qū)，以及長(zhǎng)沙市開福區(qū)，長(zhǎng)沙縣北部，及寧鄉(xiāng)和瀏陽(yáng)的局部地區(qū)，這些地區(qū)大部分都屬于小城鎮(zhèn)或者城市的郊區(qū)。在長(zhǎng)沙縣的北部地

18、區(qū)和望城地區(qū)土地利用主要以水田和林地為主，在一定程度上受人類的影響較大，因而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般。對(duì)這類地區(qū)，應(yīng)該在土壤的改良上多做工作，加強(qiáng)造林和多造次生林，并應(yīng)加強(qiáng)這些城鎮(zhèn)的綠化和各種污染的治理。4.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差和差的區(qū)域該類區(qū)域主要分布在長(zhǎng)沙市的芙蓉、天心、雨花區(qū)，以及長(zhǎng)沙縣南部，寧鄉(xiāng)中部和北部，瀏陽(yáng)市西北部，總面積達(dá)到6186.99 km2，占長(zhǎng)沙市總面積的50%以上，這也表明長(zhǎng)沙市總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。在這些地區(qū)都以城鎮(zhèn)、市區(qū)為主，土地利用狀況多為城市建設(shè)用地和水田。這些城鎮(zhèn)由于建筑密集，道路硬化率高、綠地少，水面小地面吸收熱量多8，加之空氣中的溫室氣體含量大，致使氣溫

19、高于鄉(xiāng)村，形成“熱島效應(yīng)”。由2000年5月的衛(wèi)星遙感解譯可知，長(zhǎng)沙市城區(qū)溫度最高與郊區(qū)最低相差達(dá)7.4 。同時(shí)由于人類的影響，這些區(qū)域存在著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，例如工業(yè)污染和水體污染等。這在一定程度上也說(shuō)明，環(huán)境質(zhì)量的好壞受人類的影響最大。參考文獻(xiàn)：1 曹學(xué)章, 張更生. 紅壤丘陵脆弱生態(tài)環(huán)境形成與整治對(duì)策J. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境, 1995, 11(4): 45-48.2 魯如坤, 時(shí)正元. 退化紅壤肥力障礙特征及重建措施J. 土壤, 2000(4): 198-209.3 林子喻, 徐金山. 江西省縣(市)域生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)J. 華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 24(3): 198-204.4 張超

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22、IAO ShengDepartment of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, ChinaAbstract: The development of remote sense (RS) and geographic information system (GIS) provides an effective means for studies of regional changes in ecology and environment. Aiming at the hilly reg

23、ion of red soil with vulnerable ecosystems, supported by the GIS, this study establishes the environmental information system database of hilly region of red soil, and evaluates the ecological and environmental quality of a typical area in this region, i.e., Changsha city. Based on the database, this study integrates Delphi, AHP and assessment index method of ecology and environment into the environmental quality assessment for the area. The results showed that only 7 per cent of the total land areas (approximately 82