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

1、GIS支持下的紅壤丘陵區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境綜合評價以長沙市為例李忠武，曾光明，張 華，楊 斌，焦 勝湖南大學環(huán)境科學與工程系，湖南 長沙 410082摘要：遙感和地理信息系統(tǒng)技術的發(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)數據庫；同時結合特爾斐法、層次分析法及環(huán)境質量綜合指數法，對紅壤丘陵區(qū)的典型區(qū)域長沙市的生態(tài)環(huán)境質量進行綜合評價。研究結果表明，由于人類活動的強烈影響，長沙市環(huán)境質量狀況良好以上級別的區(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)域其面積達到6187.14 km2，占總面積的

2、52.4%，這說明長沙市總體生態(tài)環(huán)境質量有待進一步提高。關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；層次分析法；長沙市；紅壤丘陵區(qū)中圖分類號：X820.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2004）03-0358-04紅壤丘陵區(qū)是生態(tài)穩(wěn)定性差、生物組織和生產力波動性大，對人類活動及突發(fā)性災害的反應敏感，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。我國東南部紅壤丘陵的分布十分廣泛，跨越南方11個?。▍^(qū)），619個縣（市），共約113萬km2，占國土面積的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，生產潛力很大。但由于長期以來人們對自然

3、資源的過度開發(fā)利用，目前該地區(qū)水土流失嚴重，已導致土地生產力和水土效益下降。水旱災害加劇，生態(tài)穩(wěn)定性降低，自然環(huán)境惡化，已成為我國生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一。生態(tài)環(huán)境的脆弱已經嚴重的影響了本區(qū)生產發(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，對促進該地區(qū)經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，具有重大的理論和實踐意義。1 研究區(qū)域概況長沙市位于湖南省東部，是湖南省省會，其地理位置為東經111°53114°15，北緯27°5128°40。全市現轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花5個區(qū)和長沙、望城、寧鄉(xiāng)3個縣及瀏陽市，總面積為11819.5 km2。長沙市地質構造形

4、跡復雜，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，地勢高峻，向中部傾斜而趨于平緩。南部丘崗起伏，北部平坦開闊，地勢由南向北傾斜。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%。長沙市屬亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均降雨量為1483.6 mm，降水主要集中在47月份。從地型地貌特征來看，長沙市屬于紅壤丘陵區(qū)。因此本研究以長沙市為例來研究紅壤丘陵區(qū)土壤有機質的空間分異具有一定的代表性。2 研究方法 本研究對不同來源、不同比例尺的圖件，通過掃描和屏幕數字化方式輸進計算機，然后在地理信息系統(tǒng)軟件ARC.GI

5、S的支持下，進行數據編輯，并將其轉化為和國家1:25萬基礎地形數據庫一致的投影坐標系統(tǒng)，最后將不同的空間數據離散為100 m×100 m的柵格，進行空間分析；利用EDRAS 遙感影像處理軟件處理TM遙感影像，通過人機交互解譯方式得到研究區(qū)域的土地利用現狀信息。3 評價方法3.1 生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系的建立生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是一個大目標、多層次的復合系統(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)和社會經濟子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)3個方面，分別用B1、B2、B3來表示。建立生態(tài)環(huán)境評價指標體系的關鍵是評價因子（Ci）的選擇，被選擇的因子應能全面地反映整個生態(tài)的特點、能突出該研究區(qū)域的主

6、要生態(tài)環(huán)境問題，同時還應該考慮對實際資料的掌握程度。本研究在評價因子的選取上主要考慮到了以下三方面：（1）結合長沙市具體的自然、社會和經濟狀況來選??；（2）結合長沙市存在的主要環(huán)境問題來選取；（3）結合長沙市屬于典型的紅壤丘陵區(qū)的特征，指標的選取要有代表性和高靈敏度。根據以上因素，本研究選取了包括水分、地形坡度以及人口、經濟等在內的9個指標來對長沙市的生態(tài)環(huán)境質量進行綜合評價（圖1）。3.1.1 生物和水資源子系統(tǒng)（B1）對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價指標。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自然的感受增強，并能提高生活質量，是

7、保護生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和改善環(huán)境質量的重要媒介。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。滲透性越大，地下水越易被污染，因此其在提高城市景觀質量，改善城市空間環(huán)境，調節(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、地形坡度和地質狀況作為評價指標。其中坡度是影響建設投資、開發(fā)強度的重要控制指標，其大小對土壤侵蝕，水土流失都產生很大的影響。土壤養(yǎng)分和區(qū)域地質狀況則分別與土地的利用狀況和可建設利用程度具有非常密切的關系。3.1.3 社會經濟環(huán)境子系統(tǒng)（B3）對于社會經濟子系統(tǒng)選取居民

8、點用地程度、人均GDP和人口密度作為評價指標，這些指標的大小是反映人類對土地資源利用程度的強弱，在一定程度上也可以說是人類對生態(tài)環(huán)境的破壞和影響程度。如2000年長沙市區(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，直接帶來交通堵塞，環(huán)境污染等問題。3.2 評價因子權重的確定長沙市生態(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)社會經濟子系統(tǒng)(B3)地形坡度C5地質狀況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 長沙市生態(tài)環(huán)境質量綜合評價指標體系采用層次分析法來確定評價因子的

9、權重。層次分析法（AHP）是系統(tǒng)工程中對非定量事物作定量分析的一種簡便方法，它一方面能充分考慮人的主觀判斷，對研究對象進行定性與定量的分析，另一方面把研究對象看成一個系統(tǒng),從系統(tǒng)內部與外部的相互聯(lián)系出發(fā)，將各種復雜因素用遞階層次結構形式表達出來，以此逐層進行分析，使決策者對復雜問題的決策思維系統(tǒng)化、數字化、模型化。由于該方法重點在于對復雜事物中各因子賦予相應的恰當的權重,故又稱多層次權重分析法3。環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)是一個多層次、多因子的復雜的大系統(tǒng)，適合運用此種權重確定方法，其具體的步驟如下：3.2.1 層次結構的建立研究中將整個系統(tǒng)分成A、B、C三層。其中，A為目標層，B為中間層，C為目標層，并分

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

11、的覆蓋率直接關系到該地區(qū)的氣候、水土保持等生態(tài)問題。水資源狀況直接關系到該區(qū)的經濟等方面的發(fā)展。綜合以上因素，得出目標層與中間層的判斷矩陣（表1）。表1 目標層（A）與中間層（B）的判斷矩陣AB1B2B3Wi (權重)B111/51/30.1045B25130.6372B331/310.25833.2.3 層次單排序（1）層次單排序。根據構造判斷矩陣，計算出本層次因子對于上一層次某因子相互之間的權重，層次單排序最后歸結為計算判斷矩陣（B）的特征根和特征向量，即計算滿足(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為對應于max的正規(guī)化特征向量

12、，W的分量Wi（i=1, 2, 3, , n）是相應因子單排序的權值5。（2）判斷矩陣一致性檢驗。判斷矩陣一致性是指判斷矩陣元素是否滿足如下關系：bij=bik/bik （i, j, k = 1, 2, , n） (1)當上式完全成立時，稱判斷矩陣具有完全一致性4，此時最大特征根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CI = (max n)/(n-1)，求得CI =0.0193，平均一致性指標RI =0.58；隨機一致性比例CR定義為：CR=CI/RI，當CR0.10時，判斷矩陣具有滿意的一致性，本研究計算得到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果，可以計算針對上一層次而言本層次所有元素重要性的權值，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行。表2 長沙市生態(tài)環(huán)境綜合評價指標權重值環(huán)境子系統(tǒng)生物資源系統(tǒng)土地資源系統(tǒng)社會經濟系統(tǒng)子系統(tǒng)因子B1B2B3因子權重0.10450.63720.2583子因子C1C2C3C4C5C6C7C8C9子因子權重0.01090.06660.02700.06660.40600.16460.02700.16460.0667經過以上計算，得到長沙市生態(tài)環(huán)境質量評價因子和子因子權重結果（表2）。3.2.5 評價指標的量化及無量綱化（1）指標

14、的量化由于不同的環(huán)境質量評價指標值之間差異很大，因此為了消除量綱的影響，非常有必要對不同柵格的各個指標值進行無量綱化。無量綱化的具體方法是：先對各因素資料進行整理，按因素與生態(tài)環(huán)境質量相關性的特點，計算出各個柵格的因素指標值，然后利用公式（2）來消除量綱。Fij = 100 ( Xij - Xminj )/(Xmaxj- Xminj ) (2) 式中：Fij 為第i個柵格第j個因子的無量綱值，在01之間；Xij 為第i個柵格第j個因子的實際值、Xminj、Xmaxj分別為所有柵格中第j個指標最小值和最大值。按照上述方法即可對各個因子進行無量綱化6。3.2.6 長沙市生態(tài)環(huán)境綜合評價生態(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、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確定生態(tài)環(huán)境綜合評價，即環(huán)境質量綜合指數法。 利用GIS對研究區(qū)域進行離散化，將長沙市離散為m個柵格，每個柵格包含n個因子指標，則每個柵格的生態(tài)環(huán)境綜合評價值等于各因子評價指標分值加權之和，即： Pi= (3)式中，Pi為第i個柵格的生態(tài)環(huán)境綜合評價值；Fij為第i個柵格j因子的作用值；Wj為j因子的權重值。4 結果與討論在ARC.GIS的空間分析模塊支持下，按照公式（3）的計算方法首先計算出各個柵格的綜合評價值，然后對計算結果

16、進行處理、聚類和再分類即可以得到區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量分級狀況（圖2和表3）。表3 長沙市生態(tài)環(huán)境質量分級各等級環(huán)境質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)境質量最佳和良好區(qū)該兩類區(qū)域主要分布于瀏陽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、間已經部分的出現了塊狀的環(huán)境質量一般和較差的區(qū)域，其原因，一方面是由于對該些地區(qū)森林資源的保護不夠全面；另一方面，由于該地區(qū)的地形坡度比較大，導致水土流失的情況較其他地區(qū)嚴重。4.2 生態(tài)環(huán)境質量較好區(qū)圖2 長沙市生態(tài)環(huán)境質量綜合評價結果該類區(qū)主要分布在瀏陽市的大部分地區(qū)，寧鄉(xiāng)中西部大部分地區(qū)，長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)，以及長沙市開福區(qū)，長沙縣北部，及寧鄉(xiāng)和瀏陽的局部地區(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)境質量一般。對這類地區(qū)，應該在土壤的改良上多做工作，加強造林和多造次生林，并應加強這些城鎮(zhèn)的綠化和各種污染的治理。4.4 生態(tài)環(huán)境質量較差和差的區(qū)域該類區(qū)域主要分布在長沙市的芙蓉、天心、雨花區(qū)，以及長沙縣南部，寧鄉(xiāng)中部和北部，瀏陽市西北部，總面積達到6186.99 km2，占長沙市總面積的50%以上，這也表明長沙市總體生態(tài)環(huán)境質量有待進一步提高。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”。由2000年5月的衛(wèi)星遙感解譯可知，長沙市城區(qū)溫度最高與郊區(qū)最低相差達7.4 。同時由于人類的影響，這些區(qū)域存在著嚴重的環(huán)境問題，例如工業(yè)污染和水體污染等。這在一定程度上也說明，環(huán)境質量的好壞受人類的影響最大。參考文獻：1 曹學章, 張更生. 紅壤丘陵脆弱生態(tài)環(huán)境形成與整治對策J. 農村生態(tài)環(huán)境, 1995, 11(4): 45-48.2 魯如坤, 時正元. 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)境綜合評價J. 華東地質學院學報, 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