鲁西北农业小镇生态敏感性评价研究❋

闫德洋， 王 琳， 卫宝立， 孙艺珂

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

生态环境敏感性指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度，表征发生区域生态环境问题的可能性和程度，也就是生态环境问题出现的概率大小。生态敏感性越强，对外界的干扰越敏感，生态系统越容易受损，遭受生态环境破坏后修复的难度就越大。生态敏感性区域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区域。随着社会经济的快速发展和城镇化的迅速推进，人类对自然环境影响范围和强度不断加大，由此加剧了区域生态环境问题[1-2]。生态环境是人类社会赖以生存和发展的基础，也是实现区域可持续发展的重要条件。不同地区生态环境和生活方式存在差异，面临的生态环境问题与发展胁迫敏感程度不同。通过生态敏感性评价，明确不同敏感区的分布规律与特征，确定需要优先发展或重点开展生态环境建设和保护的区域，制定生态环境保护规划，指导区域社会经济建设是目前世界各国和地区面对日益严重的生态环境问题普遍采用的战略[3]。

对各类生态系统的敏感性评价及生态系统中某种要素的敏感性评价的研究已经非常广泛，研究尺度从国家[1,4-5]、流域[6-8]、省域[9-11]、城市[12-15]至自然保护区[16-18]或区域的某一具体生态环境问题[19-21]的尺度均有，应用领域由生态或功能区划[22-23]扩展到土地开发与利用[24-25]、城市规划[26]、景观规划[27]等方面。综合而言，国内外都比较重视“3S”技术和数学方法在生态环境敏感性研究中的运用，但国外相关研究更偏重于具体的人为活动或自然因素所引发的生态环境问题，尤其是气候变化问题[28]，而国内研究多集中于大尺度的宏观生态环境问题分析，对中小尺度的综合研究不足[29]。目前关于镇域小尺度的敏感性研究很少涉及，且研究主要集中在国内大城市[3,28,30]，针对农业小镇的生态敏感性研究更少，研究方法尚处于探索和发展阶段。同时，快速的城镇化建设及乡镇产业结构的调整，使小城镇地区处于传统农业景观向现代景观过度的阶段，在促进小城镇快速发展的同时也给生态环境带来了沉重的压力。基于理论研究和现实环境的双重需求，本文在镇域尺度上，以处于黄河中下游冲积平原上的仁里集农业小镇为例，选取仁里集镇代表性的生态因子，采用层次分析法设置权重，应用基于GIS技术的加权叠加法对仁里集镇进行生态敏感性评价研究，为仁里集镇实施生态环境保护，优化社会经济区域布局，建设特色小镇，实现区域可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

仁里集镇位于德州市南端与聊城市的交界处、齐河县城西南部，地理坐标为116°25′E～116°28′E、36°35′N～36°38′N之间。镇政府驻地东临黄河15 km，东北距县城37 km，距省会济南市45 km。全镇辖10个大管区，99个行政村，54 075人，总面积126 km2。全镇耕地74.47 km2，是以农业为主的乡镇。境内地势西南高而东北低，近黄河方向又东高而西低。巴公河、中心河、赵牛河分别由东南、南、西南入境而流向西北、北和东北，引黄干渠从境内东侧穿过。仁里集镇属于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温 13.6℃，降水量 521.2～620 mm。春季干旱少雨多风沙，夏季炎热多雨时有涝，秋季凉爽常有晚秋旱，冬季严寒干燥雨雪稀少。

仁里集镇境内水资源丰富，但时空分布不均。由于黄河和地势的原因，并受气候变化的影响，洪涝灾害频发。因缺乏科学有效的规划，乡镇居民点布局散乱无序，环境污染、水土资源破坏严重，而且在有限的自然资源和经济资源的条件下，各类基础设施建设，不断改变区域的景观格局，自然资源破坏与环境问题日益突出。自然灾害和城镇化建设给生态环境带来的影响，严重制约了仁里集镇的可持续发展。

2 研究方法

2.1 基础数据来源与处理

生态敏感性评价所用数据主要来源于遥感、规划和统计3大类。主要包括2014年7月11日TM影像，分辨率30 m；研究区数字高程模型 GDEM 30 m 数据；仁里集镇2014年总体规划中的土地利用现状图以及其他相关地理信息；2014年齐河县统计年鉴等社会经济数据。由于这些数据来源和类型不同，首先利用ArcGIS软件对相关数据和图件进行重新配准、投影变化、矢量化等处理，统一为Albers投影下的shapefile数据格式，并统一比例尺。

2.2 评价指标体系

由于生态系统具有综合性和复杂性，不同区域的生态敏感性因子具有明显的差异性[31]，依据《生态功能区划暂行规程》[32]，综合考虑研究区土地利用现状、开发目标、生态环境现状、社会发展中出现的问题等因素，参照区域分异性、因子主导性和可操作性等原则，采用层次分析法构建指标体系，为减小指标之间的相关性，并考虑数据的可获得性，AHP只包括目标层和指标层。目标层为综合生态敏感性；指标层为生态环境的6个敏感因子：高程、坡度、水域、道路交通、村镇建设和土地利用。高程影响着地质体稳定性、土壤的发育程度以及温湿度、降水量等微气候；坡度是影响农业生产和生态保护的重要因素，对区域内的生态环境有着重大的影响；水域是生态系统中的重要组成部分，在提升区域环境景观品质、调节区域气候、维护区域水系统循环等方面发挥着重要的作用；人类活动对自然系统的影响基本都沿道路进行，道路会对生态系统造成影响，因此，按照从道路中心向外，其生态敏感性从低到高的过程，划分出不同敏感性等级的缓冲区；研究区分布着星罗棋布的村庄以及其他建设用地，对周围区域生态环境的影响巨大，选择村镇建设作为生态敏感性评价的一个因子，通过缓冲区分析，从村镇边缘向外，按生态敏感性从低到高的过程划分出不同敏感性等级的区域；土地利用与生态环境关系十分密切，不同的土地利用类型表达了人类对于土地和生态环境的利用程度和利用方式，对于生态敏感性影响也不相同。因此，选取以上6个生态因子作为AHP指标层要素。

参考国内有关区域生态敏感性评价的相关研究，以及生态因子对生态环境的影响方式和程度对其进行分级，将单生态因子的敏感程度分为4个等级，依次为高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感[14,33-34]。参考相关规范和研究成果[1,3,5,13-14,35-37]确定了本研究的单因子敏感性分级标准，并赋值。结果见表1。

2.3 评价指标权重设置

参考相关文献[14,35-36]，采用层次分析法(AHP)计算各因子的权重，建立层次结构图，两两比较单因子对生态环境的重要性，对各敏感性因子按照5分制进行打分。绝对重要：赋值5，相反赋值1/5；十分重要：赋值4，相反赋值1/4；比较重要：赋值3，相反赋值1/3；稍微重要：赋值2，相反赋值1/2；同等重要：赋值1。构建判断矩阵，对各个指标进行逐项比较，确定各个评价因子的权重值，并经检验确定其可以作为评价的权重使用。结果见表2。

通过运算得出矩阵最大特征根λmax=6.278 5，因为λmax>4，需要对矩阵进行一致性检验，一致性指标CI=(λmax-n) / (n-1)，经计算CI=0.055 7。通过查表可以得到矩阵的平均随机一致性指标(RI)，当n=6，RI=1.26。再计算一致性比率CR=CI/RI，经计算CR=0.044 2。当CR<0.1 时，矩阵一致性是可以接受的。再求出最大特征根对应的特征向量，归一化处理后得到单因子的重要性权重值 W = [ 0.049 4, 0.148 0, 0.351 6, 0.064 6, 0.117 4, 0.268 9 ]。

表1 生态敏感性评价指标体系

Note：①Road transportation；②Village and town construction

表2 生态敏感性评价层次判断矩阵及权重计算结果Table 2 The estimation matrix of ecological sensitivity evaluation level and weight calculation results

Note：①Village and town construction

2.4 生态敏感性评价

通过对镇域生态环境特征分析，选取有仁里集镇代表性的生态因子，确定单因子的敏感性分级标准和敏感赋值，在ArcGIS平台建立各因子的图形库和属性库，完成单因子生态敏感性评价；然后应用层次分析法(AHP)确定评价因子权重；最后采用加权叠加法，运用ArcGIS空间分析工具中的加权叠加空间分析模型，由各单因子生态敏感性图和权重值，计算出生态敏感性综合得分，并获得综合生态敏感性图。其计算生态敏感性数学模型，见公式如下：

式中：i为评价因子编号，对应高程、坡度、水域、道路交通、村镇建设和土地利用6个评价因子；n为评价因子总数；S为综合敏感性评价值；Wi为第i个评价因子的权重值；Ai为第i个评价因子的生态敏感值(从1～7赋值)。

城镇生态敏感性评价涉及大量信息，需要具有对地图和图表进行管理、分析的信息技术。GIS强大的数据处理和空间分析功能可以有效地支持生态敏感性等多因素评价。基于GIS的加权叠加空间分析模型将数值计算和图形处理有机地结合起来，极大地提高了评价的准确性和科学性，因此，目前广泛应用于生态敏感性评价中。

3 结果与分析

3.1 单生态因子敏感性评价分析

3.1.1 高程生态敏感性分析 仁里集镇境内总体地势西南高东北低，高程敏感性总体偏低。图1为高程生态敏感性分析图。区内中、高敏感区域面积为2 565.89 hm2，占总面积的20.4%，主要分布在仁里集镇的西部区域；低敏感区占总面积的45.3%，广泛分布在仁里集镇西部和南部区域；非敏感区占总面积的34.3%，主要分布在仁里集镇中东部区域。镇域高程敏感性，总体表现为西部高，东部低，且以低敏感和非敏感区域为主，适宜开发建设和农耕，但是开发建设的同时容易对自然环境造成破坏，需要有严格、有效的保护措施同步进行。由于仁里集镇属于黄河中下游冲积平原，所以总体地势平坦，但受黄河的影响，也形成了地势较高、地形起伏、沿黄河向外逐渐倾斜、微地貌复杂的现状。

图1 高程生态敏感性分析图Fig.1 Ecological sensitivity analysis of elevation

图2 坡度生态敏感性分析图Fig.2 Ecological sensitivity analysis of slope

3.1.2 坡度生态敏感性分析 仁里集镇地貌较为平缓，坡度敏感性总体较低。图2为坡度生态敏感性分析图。区内坡度在0°～2°的面积为4 675.50 hm2，占总面积的37.1%，在仁里集镇全境都有分布；坡度为2°～6°的区域面积为3 732.91 hm2，占总面积的29.6%，广泛分布在仁里集镇中部和南部区域；6°～15°的区域面积为3 378.74 hm2，占总面积的26.8%，集中分布在仁里集镇西部区域；大于15°的区域面积为812.85 hm2，占总面积的6.5%，零散的分布在仁里集镇的西北部区域。镇域以低敏感和非敏感区域为主，有利于进行农业生产和生态保护。但镇域中敏感区域面积也较大，需注意水土流失和土壤侵蚀问题，防止地质灾害和土地生产力变差。

3.1.3 水域生态敏感性分析 河流是生态环境和水乡特色不可或缺的自然基底和元素[3]，也是最容易受到人为干扰和影响的因子之一，故水域能够很好地反映区域生态敏感性。图3为水域生态敏感性分析图。区内中、高敏感区面积分别为778.04和637.63 hm2，共占总面积的11.2%，主要分布在河岸带、沟渠和坑塘区域；低敏感区面积675.59 hm2，占总面积的5.4%。越接近水体的区域，生态作用越大，敏感性就越高。水域对维持生态系统的稳定性有重要作用，镇域水域高敏感区域主要分布在河流、沟渠和坑塘周围，生态异常脆弱，需要在周围建立生态缓冲区，加强对水环境的保护和治理。

图3 水域生态敏感性分析图Fig.3 Ecological sensitivity analysis of water area

3.1.4 道路交通生态敏感性分析 仁里集镇道路遍布镇域，开发建设基本沿交通线开展。图4为道路交通生态敏感性分析图。区内不敏感区和低敏感区主要分布在道路两侧，面积和所占比例分别为1 688.39、2 519.38 hm2和13.4%、20.0%；中敏感区面积为2 884.95 hm2，占总面积的22.9%；高敏感区所占面积较大，为43.7%，因其离道路较远，开发对其破坏性较小，故敏感性较高。开发建设多沿交通线开展，越靠近道路越适宜用作建设用地，其敏感性越低。镇域道路交通敏感性总体较高，中、高敏感区主要分布着农田和水体，需严格保护。道路沿线的开发建设力度较大，开发建设要在不破坏生态环境的前提下，充分的利用可以利用的土地。

图4 道路交通生态敏感性分析图Fig.4 Ecological sensitivity analysisof road transportation

图5 村镇建设生态敏感性分析图 Fig.5 Ecological sensitivity analysis ofvillage and town construction

3.1.5 村镇建设生态敏感性分析 仁里集镇还处在城镇化建设的初期阶段，村镇建设范围较小，生态敏感性总体偏高。图5为村镇建设生态敏感性分析图。高敏感区从分布上看，主要分布在离村镇较远、人类的影响较小的区域，占总面积的比例达到56.3%；非敏感区面积约为2 089.50 hm2，占总面积的16.6%，主要分布在村镇附近。村镇附近区域已经进行了生产建设，在科学合理的规划下，适宜未来的开发建设，而离村镇较远的区域基本是自然景观，开发建设较少，敏感性较高。镇域村镇分布较分散，村镇建设会对生态环境产生很大影响，因此要合理规划村镇建设，防止对周围高生态价值景观的破坏。

3.1.6 土地利用生态敏感性分析 仁里集镇的土地利用类型主要有耕地、水体、林地、草地、道路和其他建设用地等。图6为土地利用生态敏感性分析图。区内高敏感区和中敏感区占总面积的比例达到84.6%，主要是由于仁里集镇存在着大量的农田和水体，对于镇域的生态环境的改善起到重要作用；低敏感区只占总面积的3.3%，主要为其他草地、其他园地和设施农用地等。非敏感区占总面积的12.1%，主要集中在镇区，还包括居民点和工商建设用地。镇域土地利用生态敏感性总体较高，主要是因为仁里集镇为农业小镇，自然景观较多，生态价值较大。优越的自然生态本底是仁里集镇可持续发展的基础，因此要科学合理的做好土地利用规划，防止开发建设带来的破坏，严格保护镇域生态环境。

图6 土地利用生态敏感性分析图Fig.6 Ecological sensitivity analysisof land use

各评价因子的生态敏感性评价是利用GIS技术在其栅格数据属性表中增加面积属性字段，计算各敏感性等级的面积，得各因子生态敏感性数据表。结果见表3。

3.2 综合生态敏感性评价分析

利用ARCGIS空间分析模块进行生态敏感性评价。其生态敏感性评价指数在1.0～7.0之间，依据敏感性评价指数空间状态分布情况，将其划分为4个分级标准，仁里集镇划分成4类生态敏感区，其中1.0 < S ≤ 2.0为不敏感生态区；2.0< S ≤ 3.2为低敏感生态区3.2 < S ≤ 5.2为中敏感生态区；5.2< S ≤ 7.0为高敏感区。详细分布情况见仁里集镇综合生态敏感性评价图。结果见表3和图7。

表3 仁里集镇6个生态敏感性因子及综合生态敏感性Table 3 Six ecological sensitivity factors and comprehensive ecological sensitivity in renliji town

Note：①Road transportation；②Village andtown construction；③Land use；④Comprehensive ecologicalsensitivity；⑤Area；⑥Proportion

仁里集镇生态敏感性总体较高，总的分布规律为镇区周围较低，镇域西部区域较高，东北部区域相对较低。高度和中度敏感区占研究区总面积的46.7%，在镇域的东部、中部、西部都有分布，为面积较大的河流、沟渠及农田；低度敏感区占研究区总面积43.0%，广泛分布在镇域内，主要为居住地和道路周围的绿地，以及河流外围的缓冲区域。该区域地势平缓，人类活动相对集中，不敏感区仅占研究区总面积的10.3%，主要为镇区的居民、商业、工业和道路等建设用地。镇域整体开发力度中东部较西部强，西部生态敏感性相对较高，仁里集镇的空间开发规划是往镇域东北部发展，这也和生态敏感性评价结果相符。仁里集镇是农业镇，耕地面积较大，自然景观较丰富。优越的生态景观本底是仁里集镇的发展优势之处，可以借助自然景观发展生态产业、生态旅游等，这样既能保持镇域的生态本底，同时能带动经济发展，实现经济与环境的协调发展和城镇的可持续发展。

根据仁里集镇的生态敏感性评价结果，对比分析仁里集镇的土地利用现状和生态环境现状，可以发现生态敏感性评价结果与仁里集镇实际生态环境状况基本吻合，从而验证了小城镇生态敏感性评价采用基于GIS的加权叠加空间分析模型的准确性、合理性和可操作性。

图7 仁里集镇综合生态敏感性评价图Fig.7 Comprehensive ecological sensitivity assessment for Renliji town

4 结论与建议

本次研究主要结合仁里集镇土地利用现状、高程、坡度、水域、道路交通和村镇建设进行生态敏感性评价，采用层次分析法确定评价因子权重，将定性分析和定量研究相结合，研究了仁里集镇的生态敏感性时空分布规律。仁里集镇生态敏感性在空间分布上呈显著差异性，仁里集镇生态敏感性总体较高，总的分布规律为镇区周围较低，镇域西部区域较高，东北区域相对较低。高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和不敏感区分别占总面积的7.0%、39.7%、43.0%和10.3%。

生态高度敏感区属于极脆弱生态环境区，现状用地多为水域、林地，极易受到人为干扰，而且一旦破坏很难短期恢复，此类区域可作为保护区，应当禁止开发建设，以水源涵养和生态保护为主。如过境的河流，其生态作用巨大，应该设置河流缓冲区，防止水体污染，同时优化周围的环境，以主要水系河网为骨架构建区域性生态廊道。生态中度敏感区属于较脆弱的生态环境区，较易遭受人为干扰，从而造成生态系统的扰动与不稳定，此类区域作为限制发展区，开发和保护同时进行并将土地开发控制在一定范围内。如基本农田区域，要绝对保护，禁止开发。对于中度敏感区的其他区域，应当提高区域植被覆盖率，如积极种植风景林、经果林，结合人居、产业环境建设，适当发展生态旅游、生态园等生物多样性友好型的生态产业，既可以为居民提供休憩游玩的场地，也增加了镇域的大型景观斑块，提高了生态环境的承载力和抗灾能力，有利于生物的交流。生态低度敏感区和不敏感区，生态系统较为简单，生物多样性较低，对生态环境的影响不大，可作为适宜发展区，但必须加强城镇容量研究，切忌过度开发。对于低度敏感区，充分利用地形、水体、原有植被和历史文物等条件，搞好城镇绿化建设，加强镇域植物引种、育种研究，提高镇域绿地质量和生态效益。对于不敏感区，应当加强城镇、村镇建设规划，严格控制建设用地的过度扩张，依托现有城镇发展城郊农业；同时努力改善镇域生态状况，创造和谐的人居环境，完善城镇可持续发展的重要基础设施。

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