基于水力侵蚀影响因子评价山东大学南部山区生态敏感性.pdf

第37 卷第5期2023年9月文章编号：16 7 1-3559(2 0 2 3)0 5-0 553-0 6济南大学学报（自然科学版）Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.5Sept.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230322.005基于水力侵蚀影响因子评价济南市南部山区生态敏感性张玉，马良”，庞海威，郑彩之，郭佳诚，徐晶，边振1（1.济南大学水利与环境学院，山东济南2 50 0 2 2；2 山东省水利科学研究院，山东济南2 50 0 14）摘要：基于水力侵蚀影响因子，以济南市南部山区为研究区，选取高程、坡度、土壤可蚀性因子、植被覆盖度和土地利用类型5个因子，构建研究区生态敏感性评价指标体系，采用层次分析法进行研究区生态敏感性评价，并提出相应措施以改善研究区的生态问题。结果表明：研究区综合敏感性等级中不敏感、轻度敏感、中度敏感、重度敏感和极度敏感区面积占总面积的比例分别为3.14%、2 0.0 5%、4 2.97%、30.7 1%和3.13%，中度敏感、重度敏感区集中在研究区的中部，东、西部生态敏感性降低，原因是中部山高坡陡，海拔及坡度较大，主要以灌木林地和有林地为主，而东部、西部坡度较缓，主要以耕地为主。关键词：生态评价；生态敏感性；水力侵蚀影响因子；层次分析法；济南市南部山区中图分类号：X826文献标志码：AEcological Sensitivity in Southern Mountain Region of Jinan CityEvaluated on the Basis of Influencing Factors of Hydraulic Erosion开放科学识别码（OSID码）：尚ZHANG Yu,MA Liang,PANG Haiwei,ZHENG Saizhi,GUO Jiacheng,XU Jing,BIAN Zhen(1.School of Water Conservancy and Environment,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;2.Water Resources Research Institute of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China)Abstract:Taking the southern mountain region of Jinan city as the study region,on the basis of influencing factors ofhydraulic erosion,five factors of elevation,slope,soil erodibility factor,vegetation coverage,and land use type wereselected to construct an ecological sensitivity evaluation index system of the study region.Analytic hierarchy process wasused to evaluate the ecological sensitivity of the study region,and corresponding measures were put forward to improveecological problems in the study region.The results show that the proportion of insensitive,mildly sensitive,moderatelysensitive,severely sensitive,and extremely sensitive region areas to the total area of the study region is 3.14%,20.05%,42.97%,30.71%and 3.13%,respectively.The moderately sensitive and severely sensitive regions were concentrated inthe middle of the study region,and the ecological sensitivity decreases in the east and west of the study region.Thereason is that the central mountain has high and steep slope,large elevation and slope,and mainly dominated by shrubland and forest land,while the eastern and western mountains have gentle slope and mainly dominated by arable land.Keywords:ecological evaluation;ecological sensitivity;influencing factor of hydraulic erosion;analytic hierarchyprocess;southern mountain region of Jinan city近年来我国经济实力不断增强，生态文明也进人一个新阶段，生态敏感性评价对于改善区域生态收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 7基金项目：国家自然科学基金项目（4 2 0 0 7 153,314 0 0 6 19）第一作者简介：张玉（1997 一），女，山东潍坊人。硕士研究生，研究方向为水土保持监测。E-mail：1358 16 1136 q q.c o m。通信作者简介：边振（198 3一），男，山东济南人。副教授，博士，硕士生导师，研究方向为水土保持监测。E-mail：s t u _b i a n z u j n.e d u.c n。网络首发地址：https:/ 0 2 3-0 3-2 3T14:44:37554根据问题落实到具体的空间区域内进行分析1，为预防和修复生态环境问题提供实用信息2 。生态敏感性越高，受到外界不利影响时，越容易受到破坏从而产生生态问题，在很大程度上约束并影响着区域经济社会的健康可持续发展，土壤侵蚀是影响生态环境发展的因素之一。土壤侵蚀会导致颗粒态碳、氮、磷迁移，从而引起区域或流域的土地退化、土壤肥力下降等问题3。据统计，全国的水力侵蚀面积占国土面积的17%，在我国分布较广，是具有严重危害的水土流失类型之一4 。本文中以山东省济南市南部山区为例，将水力侵蚀相关因子作为生态敏感性的评价因子，从水土保持的角度提出研究区生态系统发展限制性因素，为水力侵蚀治理和水土保持工作提供科学参考。1材料与方法1.1石研究区概况济南市南部山区地理位置为东经116 13 11759、北纬3559 36 4 3，如图1所示。研究区总面积为4 7 39.0 2 km，占济南市总面积的4 6.2 6%。气候属于温带大陆性季风气候，气温日较差和年较差较大,春季干燥少雨,夏季炎热多雨5。植被类型主要为温带针叶林，林地主要由松林和侧柏组成，松林主要分布在砂石山区，以纯林为主6 。土壤类型主要以褐土、棕壤、潮土和粗骨土为主，土壤特征0102040图1山东省济南市南部山区地理位置（资料来源：国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号为GS(2020)4619,经ArcGIS10.8软件数字化处理。）济南大学学报（自然科学版）为结构松散,砾石较多7 。研究区土层薄，植被稀疏，一旦遭到破坏，恢复极为缓慢，因此一直是济南市乃至山东省生态建设的难点地区。1.2数据来源本文中所用数据选取年为2 0 2 0 年，主要包括：分辨率为30 m的数字高程模型（DEM)数据、用于计算归一化植被指数（NDVI)的Landsat系列影像、土壤类型数据和土地利用数据等,其中DEM数据和NDVI来源于地理空间数据云网站（http：/w w W d b 3.s o i l.c s d b.c n/）；土地利用数据通过处理过后的高分一号（GF-1）和高分六号（GF-6)卫星影像（分辨率为2 m)人工解译获取。1.3评价因子的选取与赋值根据研究区的实际情况（生态环境、地形地貌等特点)以及数据可获取原则等相关性原则，选取与水力侵蚀相关的5个指标（高程、坡度、土壤可蚀性因子、植被覆盖度、土地利用类型）作为评价因子，建立研究区生态敏感性评价指标体系，并在国内学者研究的基础上8-10 对其单因子的敏感性进行等级划分并赋值，结果见表1。1.4评价因子权重的确定通过确定各因子的权重可得到不同评价因子对研究区生态敏感性的影响程度，权重值与影响力的关系为：权重值越大，对生态敏感性的影响越大；反之，影响越小。计算权重的方法有很北多种，本文中采用层次分析（AHP)法来计算各因子西东南6080km口济南市四济南市南部山区第37 卷对生态敏感性的权重值。首先，根据研究区的实际情况对各评价因子进行打分8-10 1；然后，将评价因子得分导人AHP法软件YAAHP10.3，建立判断矩阵的权重值（见表2）；最后进行一致性检验，检验结果0.0 58 4 0.1，表明该矩阵的权重结果符合要求。由表2 可得权重值从小到大的评价因子依次为植被覆盖度、土地利用类型、坡度、高程、土壤可蚀性。2丝结果与分析2.1单因子敏感性评价与分析运用ArcGIS10.8和ENVI5.2等软件将获取的图例数据进行计算处理，分为5个敏感性等级，得到各因子分级结果,然后通过ArcGIS软件中的影像分析工具判断不同敏感程度所在的具体区域。不同因子的分级结果见图2,不同因子敏感度的面积统计结果见表3。第5期张玉，等：基于水力侵蚀影响因子评价济南市南部山区生态敏感性表1不同评价因子的敏感性等级及赋值生态敏感性高程/m不敏感0100轻度敏感100250中度敏感250400重度敏感400600极度敏感6001 200评价因子高程坡度土壤可蚀性因子植被覆盖度高程1坡度4土壤可蚀性因子1/2植被覆盖度4土地利用类型3图例不敏感轻度敏感中度敏感惠度敏感极度敏感555坡度/(）土壤可蚀性因子植被覆盖度050.0075150.0070.01515200.015 0.02020250.0200.025250.025表2 不同评价因子的权重1/42141/412323北土地利用类型0.1建设用地0.1 0.3水域0.30.5耕地、草地0.50.7灌木林地0.71.0有林地土地利用类型权重值1/41/31/21/21/31/3121/21图例不敏感轻度敏感中度敏感重度敏感极度敏感0.088 00.222.40.071 70.359 00.258 9北051020 30 40 km(a)高程图例不敏感轻度敏感中度敏感重度敏感极度敏感0.510 20 30 40 km(b)坡度北图例不敏感轻度敏感中度敏感惠度敏感极度敏感北0510203040km(c)土壤可蚀性因子图例不敏感轻度敏感中度敏感重度敏感极度敏感051020 30 40km(d)植被覆盖度北051020 30 40km(e)土地利用图2 济南市南部山区单因子生态敏感性分布（资料来源：国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号为CS（2 0 2 0)4 6 19，经ArcCIS10.8软件数字化处理）556生态敏感性面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%不敏感601.86轻度敏感1 523.71中度敏感1 592.66重度敏感882.82极度敏感137.972.1.1高程因子的生态敏感性评价结果海拔高度影响当地温度以及湿度等自然因素，影响人类的生活方式并能够反映人类活动的频率，在一定程度上也会影响土壤的性质和空气流动等因素,间接影响生态环境状况以及植被分布12 ,因此海拔越高，生态敏感性就越高。研究区的生态敏感性主要以中度、轻度敏感为主,其次是重度敏感。由表3可以看出：不敏感区面积为6 0 1.8 6 km，约占研究区总面积的12.7%，高程为0 10 0 m，主要分布在研究区西部的边缘，该区域地势平坦，多为耕地和建设用地；轻度敏感区面积为152 3.7 1km，约占研究区总面积的32.25%，高程为10 0 2 50 m，主要分布在研究区的西部和北部；中度敏感区面积分别为1592.6 6 km，约占研究区总面积的33.6 1%，高程为2 50 4 0 0 m，主要分布在研究区的东部和中部；重度敏感区面积为8 8 2.8 2 km，约占研究区总面积的18.6 3%，高程为4 0 0 6 0 0 m，土地利用类型主要以灌木林地为主，位于研究区的东部和中部；极度敏感区面积为137.97km，高程大于6 0 0 m，约占研究区总面积的2.91%，主要分布在南部山区的中南部以及东北部。2.1.2坡度的生态敏感性评价结果坡度反映了该地区地面与横向的倾角，并对其运动的速率和能量转化的强度有直接的影响13,，2.1.4植被覆盖度因子的生态敏感性评价开发和保护的难度随着坡度的增加而增大，修复的植被覆盖度是指植被整体从上往下的垂直投可能性随着坡度的增加而降低，因此坡度越大，生影面积占整个研究区面积之比，可直接用作衡量陆态敏感的程度就越大。在坡度因子方面，南部山区地植物生长情况的主要指标15。植被覆盖度高的的生态敏感性主要以轻度敏感为主，其次是不敏地方植物种类越丰富，可恢复程度就越低，生态敏感。不敏感区面积为17 2 6.51km，约占研究区总感性的等级就越高。在植被覆盖度因子方面，研究面积的36.4 3%，坡度为0 5，主要分布在研究区区的生态敏感性主要以轻度敏感、中度敏感为主，的西部耕地、建设用地以及部分交通用地；轻度敏其次是重度敏感，不敏感、极度敏感极少。不敏感感区面积为190 0.6 5km，约占研究区总面积的区面积为19.7 6 km，约占研究区总面积的0.4 2%，40.11%，坡度为5 15，主要分布在山脚下，通植被覆盖度小于0.1，土地利用类型为水域；轻度过分析遥感影像可以发现不敏感、轻度敏感区也分敏感区面积为2 0 4 1.6 2 km，约占研究区总面积的济南大学学报（自然科学版）表3济南市南部山区单因子生态敏感性分布面积及所占比例高程坡度12.701 726.5132.151 900.6533.61558.7118.63334.372.91218.78第37 卷土壤可蚀性因子植被覆盖度36.4346.5340.112.099.3211.797.054.62土地利用类型0.9819.6744.302 041.622.407.06232.652.593.1754.72布在山的顶峰位置；中度敏感区面积为558.7 1km，约占研究区总面积的11.7 9%，坡度为15 2 0，主要分布在研究区的中部;重度敏感区面积为334.37 km，2约占研究区总面积的7.0 5%，坡度为2 0 2 5，主要分布在研究区的中部，大多与中度敏感区相邻；极度敏感区面积为2 18.7 8 km，约占研究区总面积的4.6 2%，坡度在2 5以上，分布极少，集中在研究区的中部。2.1.3土壤可蚀性因子的生态敏感性评价土壤可蚀性是评估土壤被降雨侵蚀力分离、冲蚀及其搬运难易程度的主要指标，是直接影响土壤流失的内在因素14 ，从而间接影响生态环境。研究区主要有褐土、棕壤、潮土和粗骨土四大类，生态敏感性主要以轻度敏感和极度敏感为主，少量不敏感。由于研究区土壤类型较少，因此无中度敏感和重度敏感区；不敏感区面积为4 6.53km，约占研究区总面积的0.98%，土壤可蚀性因子小于0.007，主要分布在莱芜区的雪野水库，土壤可蚀性因子为0；轻度敏感区面积为2 0 99.32 km，约占研究区总面积的4 4.3%，土壤可蚀性因子为0.0070.015，分布在研究区的中部和中部；极度敏感区面积2 593.17 km，约占研究区总面积的54.72%，土壤可蚀性因子在0.0 2 5以上，主要分布在南部山区的西部和东部。0.4243.0850.794.9138.020.80857.62140.411 181.581 288.561 270.8518.102.9624.9327.1926.82第5期43.08%，植被覆盖度为0.1 0.3，主要分布在研究区的东部；中度敏感区面积为2 4 0 7.0 6 km，约占研究区总面积的50.7 9%，植被覆盖度为0.3 0.5，主要分布在研究区的中南部，其他地方呈零散分布；重度敏感区面积为2 32.6 5km，约占研究区总面积的4.91%，植被覆盖度为0.5 0.7，主要分布在南部山区的中南部，呈点状分布；极度敏感区面积为38.0 2 km，约占研究区总面积的0.8%，植被覆盖度在0.7 以上，主要分布在历下区的南部和市中区的东北部。2.1.5土地利用类型因子生态敏感性评价土地利用方式是人类活动直接作用于生态环境,影响生态环境的主要途径之一13。土地利用类型对生态敏感性强度从小到大的排序为建设用地、水域、耕地、灌木林地和有林地。研究区的土地利用类型主要以耕地、灌木林地和有林地为主，即生态敏感性主要以中度敏感、重度敏感和极度敏感为主，其次是不敏感，轻度敏感最少。不敏感区面积为8 57.6 2 km，约占研究区总面积的18.1%，分布在研究区的东北和北部；轻度敏感区面积为140.41km,约占研究区总面积的2.96%,分布在研究区东部和西部；中度敏感区面积为118 1.58 km，约占研究区总面积的2 4.93%，主要分布在南部山区的西部和东部;重度敏感区面积为12 8 8.56 km,约占研究区总面积的2 7.19%，主要分布在研究区中部和东南部；极度敏感区面积为12 7 0.8 5km，占研究区总面积的2 6.8 2%，除研究区的中部以外均有分布。2.2综合生态敏感性评价通过表2 中所计算的各单因子权重,利用Arc-GIS10.8平台对各因子进行加权叠加得到研究区综合生态敏感性评价结果，敏感等级分布见图3，面积分布见表4。图例不敏感轻度敏感中度敏感重度敏感极度敏感05102030.40km图3济南市南部山区综合生态敏感性分布（资料来源：国家测绘地理信息局标准地图服务网站，审图号为GS(2020)4619,经ArcGIS10.8软件数字化处理。）张玉，等：基于水力侵蚀影响因子评价济南市南部山区生态敏感性结论与讨论3.1结论1)研究区内不敏感区面积占比约为3.14%,其他均为敏感区，说明研究区总体的生态敏感程度较高，且生态敏感性较高的区域集中在南部山区中部海拔较高、坡度较陡的地区。西部和东部的海拔相对较低、坡度较缓，生态敏感性较低。2)通过单因子生态敏感性分析以及综合生态敏感性分析可以得出济南南部山区不同程度生态敏感性的空间分布，根据不同程度的敏感区提出相应的改善策略，按照因地制宜、合理规划等原则减小生态敏感性严重的地区分布，在一定程度上提高生态环境稳定性，发展旅游业的同时，提高生态抵北抗能力。3.2讨论研究区生态敏感性指标体系中没有选择降雨，原因是降雨属于自然因素，且不可避免。最终选择5个有关水力侵蚀影响因子构造简易的指标体系对南部山区进行生态敏感性评价，在综合评价方面会有一定的影响。4建议济南市南部山区重敏感区和极敏感区应以生态557表4 济南市南部山区不同生态敏感性面积分布敏感程度面积/km不敏感149.04轻度敏感950.25中度敏感2.036.19重度敏感1455.30极度敏感148.24从图3可以看出，研究区综合生态敏感性主要以中度敏感为主，其次是重度敏感、轻度敏感。不敏感区面积为14 9.0 4 km，约占研究区总面积的3.14%，主要分布在地形平坦的地区，生态环境稳定且抗干扰能力强，是城市发展的主要拓展区域。轻度敏感区面积为950.2 5km，约占研究区总面积的2 0.0 5%，分布在研究区西部和东部，可以适当开发；中度敏感区面积为2 0 36.19km，约占研究区总面积的4 2.9 7%，主要分布在研究区中部山地密集的地区；重度敏感区面积为14 55.3km，约占研究区总面积的30.7 1%，主要分布在研究区西北部，其他地方也均有分布；极度敏感区面积为148.24km，约占研究区总面积的3.13%。3乡比例/%3.1420.0542.9730.713.13558保护和修复为主，适当恢复和保护原生植被，加强生态林建设，提高生物多样性，并将此类区域设为保护区，严格限制人为活动干扰该敏感区，严格控制土地的使用与管理。对于中度敏感区，生态环境易受到干扰和破坏，属于脆弱的生态环境区，在坡度适宜、土层厚度允许的情况下可以修建梯田以保持水土并获得更多的土地资源，坡度较大的山地应禁止开发；对于轻度敏感、不敏感区，应在严格遵循水土保持规律基础上进行适度的开发，提高生态环境承载能力，在加强生态环境保护的基础上，耕地可因地制宜生产各类农副产品，在发展农业的同时，也可以为各地游客提供食品保障，发展农业观光旅游和乡村度假游，此外，该区域的建设用地应严格控制建筑的密度。对于生态敏感性为中度及中度以上的区域，应加强山体、水体以及周围环境的保护，避免自然灾害的发生。参考文献：1 区欧阳志云，王效科，苗鸿。中国生态环境敏感性及其区域差异规律研究J生态学报，2 0 0 0（1）：9.【2 管青春，郝晋珉，王宏亮，等。经济转型视角下矿产资源城市生态敏感性评价J农业工程学报，2 0 18，34（2 1）：2 53.3 李思琪，李勇，张伟，等应用CNMMHDNDC模拟小流域土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷迁移J/OL中国生态农业学报(中英文)：1-12 2 0 2 2-0 5-2 4 .http:/ 李智广，曹炜，刘秉正，等我国水土流失状况与发展趋势研究J.中国水土保持科学，2 0 0 8（1)：57.5朱仕霞济南市南部山区生态廊道的建设研究D济南：山东师范大学，2 0 11：11-15.6郑昭佩，张敏，阮振宇，等济南市南部山区退化生态系统恢复对策J.山东师范大学学报（自然科学版），2 0 0 7（4）：9 0.7杨员.济南市南部山区典型小流域水土流失特征研究D.济南：济南大学，2 0 16：11-13.8徐元崇江苏省水土保持分区生态敏感性评价D南京：南京农业大学，2 0 15：34-35.9岳佳颖，卢娇阳，范琳子，等基于GIS的泰山风景名胜区生态敏感性评价及保护研究J.江西科学，2 0 2 2，4 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