基于GIS的西安市土地生态环境敏感性评价研究

李 军，曹明明，邱海军，胡 胜，郝俊卿，刘 闻

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127;2.西安财经学院 商学院，陕西西安 710061)

生态环境敏感性是指生态环境对区域内自然和人类活动反应的敏感程度，用来反映产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小[1]。受人类不合理土地利用行为和方式的影响，往往会产生各种各样的生态环境问题，规划时必须重点关注土地生态环境敏感区[2]。区域土地生态环境综合评价是协调区域经济发展与环境保护之间关系，实现区域可持续发展的重要手段[3]。土地生态环境与土地利用方式相辅相成，一方面土地生态环境在一定程度上决定了土地利用方式，另一方面不合理的利用方式会造成生态环境质量下降甚至恶化[4]。

通过分析土地生态环境面临的主要问题，选取具有代表性的生态影响因子，并对分别这些单因子进行评价，最后对土地生态环境敏感性进行综合评价。基于此，本文利用单因子评价和多因子综合评价相结合，充分运用GIS，RS技术手段，对西安市土地生态环境单因子敏感性和综合敏感性进行评价，得到西安市土地生态敏感性分布图，为西安市土地资源整治、土地生态环境保护和规划提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

西安市位于陕西省中部，北与咸阳市相连，南以秦岭为界，与商洛、安康、汉中市接壤，西与宝鸡市毗邻，东与渭南市相接，地理位置在东经107°40'～ 109°49'，北纬 33°49'～ 34°35'之间，现辖 9区(新城、碑林、莲湖、灞桥、未央、雁塔、阎良、临潼、长安)4县(蓝田、周至、户县、高陵)，国土面积1.01×104km2。西安市地势南高北低，犹如簸箕形状，南部秦岭山地为褶皱断块山脉，东西延伸，横亘于西安市南部，主脊海拔2 000～2 800 m。北部渭河平原主要由渭河及其支流冲积而成的洪积冲积平原、山前洪积扇群组成。西安市属东亚暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温6.4℃ ～13.4℃，年均降水量 537.5 ～1 028.4 mm，植被区系主要为温带阔叶落叶林区域，生态环境区域差异明显，生态系统类型多样。境内有河流54条，主要有泾河、渭河、浐河、灞河、沣河、滈河、潏河、涝河等，素有“八水绕长安”之誉，其中灞河、渭河及沣河等流域面积超过90 000 hm2。

西安2012年末常住人口855.29万人，实现GDP 4 369.37亿元，比上年增长11.8%。第一产业增加值占生产总值的比重为4.5%，第二产业增加值比重为43.3%，第三产业增加值比重为52.2%。2012年城镇居民人均可支配收入29 982元，农民人均纯收入11 442元。

1.2 研究方法

1.2.1 构建指标体系 土壤侵蚀敏感性、盐渍化敏感性、酸雨敏感性、沙漠化敏感性、生境敏感性、石漠化敏感性是生态环境敏感性评价的主要内容[1]。考虑到西安市土地沙漠化、盐渍化、酸雨不显著，但水土流失较为严重，生物多样性日益减少，地质灾害发育程度高。本文选取了生境因子、水环境因子、土壤侵蚀因子和地质灾害因子4个一级评价指标;选取了降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀因子(K)、坡度因子(S)、植被因子(C)4个二级评价指标。通过一二级评价指标的确定，构建了西安市土地生态环境敏感性评价指标体系。

1.2.2 确定评价分级标准 结合西安市的实际情况，本文分别从单因子评价与多因子综合评价两方面来考虑，具体的分级标准主要依照国家环保总局生态功能区划暂行规程附件C和相关研究确定，如表1所示。

表1 敏感性分级标准Tab.1 Standard of sensitivity classification

生境敏感性表征生物栖息地响应人类活动的敏感性程度。本文生境敏感性等级由自然保护区、森林公园的重要性等级确定。自然保护区和森林公园级别高、物种丰富度高的区域，敏感性级别就高，反之则低;水环境敏感性评价以地表水为评价对象，选取主要河流向两侧呈梯度扩展，离河越近敏感性越强;土壤侵蚀敏感性评价主要考虑降水侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡度(S)及植被盖度等因素;采用地质灾害综合发育程度指数法，对西安市进行地质灾害发育程度分析，划分出地质灾害高、中、低发育区[5]。

1.2.3 评价方法 生态环境问题的出现往往是多个因子共同作用的结果，单个因子的影响强度、空间分布以及多因子相互影响至关重要。因此，大多数学者在评价土地生态环境敏感性时，多采用单因子评价和多因子综合评价的方法[6－9]。

单因子评价时，首先利用ArcGIS对单因子图层按照不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感5个分类等级进行重分类。然后对分类后的降雨侵蚀力(R)、土壤可蚀性(K)、坡度(S)、植被覆盖度图层进行敏感性分级赋值(Ci)。最后，利用公式(1)计算各个栅格单元的敏感性综合指标。根据敏感性综合指数分级标准(SS)，将相同等级的单元格进行归并，生成西安市土壤侵蚀综合评价敏感性分级图。

式中:Ci为i指标的敏感性等级值;SSj为j空间单元土壤侵蚀敏感性综合性指数。

依据单因子敏感性评价结果，综合考虑生境、水环境、土壤侵蚀和地质灾害4项因子对土地生态敏感性的贡献值并赋予一定的权重，利用公式(2)计算土地生态敏感性综合指数，生成西安市土地生态环境敏感性综合评价图。

其中，SI为土地生态环境敏感性指数;Si为生境、水环境、土壤侵蚀和地质灾害的等级赋值;Wi为每个因子的权重系数。

本研究利用ArcGIS10.0生成二级评价指标的空间分布图层，然后通过空间分析工具中的栅格计算器计算，生成一级单因子综合敏感性的空间分布图层，最终通过空间叠加分析，生成西安市土地生态环境敏感性空间分布图，如图1所示。

2 结果与分析

2.1 单因子敏感性评价

2.1.1 生境敏感性评价 本文采用西安市自然保护区、森林公园的级别表示生境敏感程度，在ArcGIS平台进行重分类生成生境敏感性空间分布图(见图1a)。

从图1a可以得出，极敏感区主要分布在西安市最南部的秦岭北坡中高山地，总面积为837.48 km2，占到西安市土地总面积的8.39%，这里有太白山、周至牛背梁国家级自然保护区和周至老县城省级自然保护区。中度敏感区分布在极敏感区以北的秦岭北麓林区和骊山丘陵等地，总面积为224.68 km2，占到西安市土地总面积的2.25%，这里有终南山国家森林公园、太平森林公园等，动植物资源丰富。轻度敏感区主要分布在平原，总面积为8 920.83 km2，占到西安市土地总面积的89.36%，主要是以农田为主。不敏感等级分布在西安市建成区，主要以建设用地为主，生物物种数量最少。

2.1.2 水环境敏感性评价 本文选取主要河流缓冲区距离来评价水环境敏感性，根据距河流距离远近，将水体敏感性分为5级，0～500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，＞2 000 m，利用ArcGIS缓冲区分析做出西安市地表水系缓冲区图(见图1b)，距离河流越近敏感性越强。

从图1b可以得出，0～500 m缓冲区内总面积为2 761km2，占到西安市总面积的27.66%;500～1 000 m缓冲区内总面积为2 551 km2，占到西安市总面积的25.56%;1 000～1 500 m缓冲区内总面积为2 080 km2，占到西安市总面积的20.84%;1 500～2 000 m缓冲区内总面积为1 562 km2，占到西安市总面积的15.65%;＞2 000 m缓冲区内总面积为1 027 km2，占到西安市总面积的10.92%。

2.1.3 土壤侵蚀敏感性评价 土壤侵蚀强度一方面受降雨、水文、地形、土壤质地等自然因子的影响[2]，另一方面也受水土保持工程因子和植被覆盖管理因子措施等人为因素的制约。综合考虑主要土壤侵蚀因子，结合西安市实际，本文确定了西安市土壤侵蚀敏感性评价指标和敏感性等级(见表1)

1)降雨侵蚀力(R)

降雨是诱发土壤侵蚀最直接的外在动力，降雨侵蚀力表示降雨对土壤颗粒分离和运移能力，也能够反映出降水对土壤侵蚀的强度。本文降雨侵蚀力的计算采用章文波、付金生提出的利用逐月雨量估算降雨侵蚀力的简易算法模型[10]，采用克里金内插法插值出西安市R值分布图，根据表1中的分级标准，绘制西安市降雨侵蚀力敏感性分布图(见图1c)。

从图1c可以看出，西安市的降雨侵蚀力R值范围分布呈现从南向北依次减少的趋势，地区差异较明显。一般敏感区占西安市总面积的13.81%，低度敏感区占西安市总面积的9.22%，中度敏感区占西安市总面积的18.80%，高度敏感区占西安市总面积的27.15%，极度敏感区占西安市总面积的31.02%。其空间分布特征为:北部渭河盆地降雨量相对较少，R值较小，属于一般敏感区域。秦岭山地、汉中平原气候湿润，雨量充沛，降水量多，该区域R值普遍较大，属于中度和高度敏感性。

2)土壤可蚀性因子(K)

土壤可蚀性因子K主要表示土壤的抗侵蚀能力，反映土壤被降雨侵蚀力分离、冲蚀和搬运难易程度，它可以表示标准区域内单位降雨侵蚀指标的土壤流失率。本文中的K值主要根据中国科学院水土保持研究所关于黄土高原土壤特性的研究成果获取，K值范围在0～0.508之间。根据K值的分级标准，基于ArcGIS软件进行重分类，绘制土壤可蚀性因子敏感性分布图(见图1d)。

从图1d中可以看出，K值一般敏感区占西安市总面积的1.75%，低度敏感区占西安市总面积的12.7%，中度敏感区占西安市总面积的14.38%，高度敏感区占西安市总面积的39.45%，极度敏感区占西安市总面积的31.72%。

3)坡度(S)

影响土壤侵蚀的地形因素主要有坡度、坡长、坡向和坡型等，本文中采用坡度作为西安市土壤侵蚀评价的地形因子指标。在ArcGIS软件下，基于西安市30 m分辨率的数字高程模型(DEM)提取坡度，对坡度进行重分类，绘制西安市地形坡度敏感性分布图(见图1e)。

从图1e可以看出，坡度一般敏感区占西安市总面积的44.68%，低度敏感区占西安市总面积的14.52%，中度敏感区占西安市总面积的16.6%，高度敏感区占西安市总面积的15.54%，极度敏感区占西安市总面积的8.86%。根据地形坡度特征，不敏感区域主要分布在渭河谷地的大部分地区，这些地区地势平坦，主要为平原和盆地，坡度值最小。秦巴山地大部分地区，地形坡度较陡，属于高度敏感和极敏感区域。

4)植被覆盖度

地表植被具有涵养水源和保持水土的重要作用，植被覆盖度的大小在一定程度上可以反映植被对土壤侵蚀能力的大小，植被覆盖度越大，说明土壤侵蚀越不明显，反之，土壤侵蚀越严重。像元二分模型在植被覆盖度遥感估算中得到广泛应用，并且取得较好的结果[11－14]，像元二分法模型估算植被覆盖度的公式如下:

其中:fc为植被覆盖度，NDVI为该像元的归一化植被指数，NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIveg则代表完全由植被所覆盖的像元(纯植被像元)的NDVI值。

本文中采用陕西省2010年Landsat TM图像，根据公式(3)计算陕西省2010年植被覆盖度(见图1f)。植被覆盖度一般敏感区占西安市总面积的30.2%，低度敏感区占西安市总面积的20.8%，中度敏感区占西安市总面积的18.5%，高度敏感区占西安市总面积的15.5%，极度敏感区占西安市总面积的15%。

通过ArcGIS对上述单因子进行空间分析，得到西安市土壤侵蚀综合评价敏感性分级图(见图1g)。从图1g中可以发现:西安市土壤侵蚀高度敏感区主要分布于长安区、户县、周至县沿山一带的山前洪积扇和周至县的翠峰、竹峪周围原坡，本区坡度在15°以上的面积占51.02%，遇暴雨极易形成面蚀和沟蚀，水土流失严重，流失面积达100%，侵蚀模数为3 547 t/akm2;中度敏感区分布在黄土台塬和秦岭北坡浅山，该区川塬相间，塬坡切割破碎，加之土层较薄，岩石风化，坡积物覆盖其上，采矿、修建公路等工程，故水蚀和重力侵蚀成为该区的主要侵蚀形式。泥石流、泻溜、滑坡、坍塌等也时有发生，土壤侵蚀模数为1 288～1 592 t/akm2;轻度敏感区主要分布于秦岭北坡深山区，该区地貌特征和侵蚀类型与浅山区相同，但25°以上土地面积占总面积的90%。由于人口稀少，距山口较远，林草破坏程度较轻，植被保护较好，侵蚀模数为590 t/akm2;不敏感区为渭河川道平原，地势平坦，多为河流、河漫滩及一、二、三级阶地，坡度为0°～2°的土地面积占 80.7%，25°以上坡度土地面积占1.20%，土壤侵蚀模数小于200 t/akm2，属不明显流失区。

2.1.4 地质灾害敏感性评价 本文根据西安市主要地质灾害(滑坡、泥石流、崩塌、地面坍塌、地面沉降)发生特征、分布规律和成因分析，选择地质灾害发育程度作为评价指标，生成西安市地质灾害敏感性等级分布图(见图1h)。

从图1h可以看出，西安市地质灾害高敏感区主要分布在秦岭、骊山、黄土丘陵和黄土台塬的高边坡区，占到西安市总面积的34.7%，中敏感区主要分布于西安市东北部，占到西安市总面积的37.4%，低敏感区主要分布于西安市西部，占到西安市总面积的27.9%。

2.2 综合评价

依据单因子敏感性评价结果，采用专家打分法得到一级影响因子的权重，其中生境因子为0.3，水环境为0.2，土壤侵蚀为0.3，地质灾害为0.2。利用ArcGIS平台对其进行空间叠合分析，利用公式(2)计算土地环境生态敏感性综合指数，生成西安市土地生态环境敏感性综合评价图(见图1i)。

采用上述模型，在单因子敏感性分析的基础上，应用ArcGIS叠加分析，生成西安市土地生态环境敏感性分区图(见图1i)，从图1i中可以得出:

极敏感区位于西安市秦岭北坡的中高山地，这里既是动植物栖息地，同时也承担着水源涵养的生态服务功能，总面积为2 132 km2，占西安市土地总面积的21.36%。

高度敏感区主要是骊山丘陵和浐河、灞河上游地区，骊山黄土台塬区水土流失严重，属于强度侵蚀区，总面积为1 936 km2，占西安市土地总面积的19.40%。

中度敏感区位于秦岭北麓与渭河平原过渡的缓斜地带，本区为中度侵蚀区，同时也是西安市的水源涵养区，总面积为2 683 km2，占西安市土地总面积的26.88%。

轻度敏感区位于西安市建成区周边的平原，本区是农业主产区，地形平坦，水土流失轻，总面积为2 344 km2，占西安市土地总面积的23.49%。

不敏感区主要包括西安市建成区，这里人类活动强烈，经济发达，总面积为885 km2，占西安市土地总面积的8.87%。

3 结语

单因子评价和多因子综合评价是比较成熟的研究方法，利用该方法在ArcGIS平台实现了可视化表达，生成了单因子敏感性分布图和土地生态环境综合敏感性分布图。研究结果将西安市土地生态环境敏感性划分成5个等级，得出了不同区域土地生态环境敏感性空间分布特征，这不仅为不同区域开展土地生态建设与保护提供理论基础，还能为西安市土地资源的优化利用提供有力借鉴。

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