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1、李忠武等：GIS支持下的红壤丘陵区脆弱生态环境综合评价 - 361 -GIS支持下的红壤丘陵区脆弱生态环境综合评价以长沙市为例李忠武，曾光明，张 华，杨 斌，焦 胜湖南大学环境科学与工程系，湖南 长沙 410082摘要：遥感和地理信息系统技术的发展为研究区域生态环境变化提供了有效的手段。针对红壤丘陵区这一特定区域，在地理信息系统的支持下，建立了红壤丘陵区环境信息系统数据库；同时结合特尔斐法、层次分析法及环境质量综合指数法，对红壤丘陵区的典型区域长沙市的生态环境质量进行综合评价。研究结果表明，由于人类活动的强烈影响，长沙市环境质量状况良好以上级别的区域面积仅有827.64 km2，占总面积的7.
2、0%；而生态环境较差的区域其面积达到6187.14 km2，占总面积的52.4%，这说明长沙市总体生态环境质量有待进一步提高。关键词：地理信息系统；层次分析法；长沙市；红壤丘陵区中图分类号：X820.2 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）03-0358-04红壤丘陵区是生态稳定性差、生物组织和生产力波动性大，对人类活动及突发性灾害的反应敏感，自然环境易于向不利于人类利用方向演替的一类自然环境类型1。我国东南部红壤丘陵的分布十分广泛，跨越南方11个省（区），619个县（市），共约113万km2，占国土面积的11%2。该地区具有中亚热带优越的生物气候条件，年均气温1619 ，
3、年降水量14001700 mm，生产潜力很大。但由于长期以来人们对自然资源的过度开发利用，目前该地区水土流失严重，已导致土地生产力和水土效益下降。水旱灾害加剧，生态稳定性降低，自然环境恶化，已成为我国生态环境脆弱的地区之一。生态环境的脆弱已经严重的影响了本区生产发展和人民生活水平的提高，因而综合分析红壤丘陵脆弱生态环境的状况，对促进该地区经济与环境协调发展，具有重大的理论和实践意义。1 研究区域概况长沙市位于湖南省东部，是湖南省省会，其地理位置为东经1115311415，北纬27512840。全市现辖芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花5个区和长沙、望城、宁乡3个县及浏阳市，总面积为11819.5 k
4、m2。长沙市地质构造形迹复杂，地层褶皱，断裂发育。属低山丘陵区，东北、西北两端山地环绕，地势高峻，向中部倾斜而趋于平缓。南部丘岗起伏，北部平坦开阔，地势由南向北倾斜。海拔高程在23.51607.9 m之间。山地面积约占全市总面积的29.5%，丘陵占17.2%，岗地占23.3%，平原占25.3%。长沙市属亚热带季风湿润气候，多年平均降雨量为1483.6 mm，降水主要集中在47月份。从地型地貌特征来看，长沙市属于红壤丘陵区。因此本研究以长沙市为例来研究红壤丘陵区土壤有机质的空间分异具有一定的代表性。2 研究方法 本研究对不同来源、不同比例尺的图件，通过扫描和屏幕数字化方式输进计算机，然后在地理信
5、息系统软件ARC.GIS的支持下，进行数据编辑，并将其转化为和国家1:25万基础地形数据库一致的投影坐标系统，最后将不同的空间数据离散为100 m100 m的栅格，进行空间分析；利用EDRAS 遥感影像处理软件处理TM遥感影像，通过人机交互解译方式得到研究区域的土地利用现状信息。3 评价方法3.1 生态环境质量评价指标体系的建立生态环境系统是一个大目标、多层次的复合系统，本研究主要将其分为生物和水资源子系统、土地资源子系统和社会经济子系统环境子系统3个方面，分别用B1、B2、B3来表示。建立生态环境评价指标体系的关键是评价因子（Ci）的选择，被选择的因子应能全面地反映整个生态的特点、能突出该研
6、究区域的主要生态环境问题，同时还应该考虑对实际资料的掌握程度。本研究在评价因子的选取上主要考虑到了以下三方面：（1）结合长沙市具体的自然、社会和经济状况来选取；（2）结合长沙市存在的主要环境问题来选取；（3）结合长沙市属于典型的红壤丘陵区的特征，指标的选取要有代表性和高灵敏度。根据以上因素，本研究选取了包括水分、地形坡度以及人口、经济等在内的9个指标来对长沙市的生态环境质量进行综合评价（图1）。3.1.1 生物和水资源子系统（B1）对于生物和水资源子系统，本研究选取水资源状况、植被覆盖率和土壤渗透性作为评价指标。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对自然的感受增强，并能提高生
7、活质量，是保护生态系统生物多样性和改善环境质量的重要媒介。水资源是生态系统维持其平衡必不可少的关键组成部分之一。土壤渗透性是地下水污染敏感性的间接指标。渗透性越大，地下水越易被污染，因此其在提高城市景观质量，改善城市空间环境，调节城市温、湿度，维持正常的水循环等方面起着重要作用。3.1.2 土地资源子系统（B2）土地资源子系统选取土壤养分、地形坡度和地质状况作为评价指标。其中坡度是影响建设投资、开发强度的重要控制指标，其大小对土壤侵蚀，水土流失都产生很大的影响。土壤养分和区域地质状况则分别与土地的利用状况和可建设利用程度具有非常密切的关系。3.1.3 社会经济环境子系统（B3）对于社会经济子系
8、统选取居民点用地程度、人均GDP和人口密度作为评价指标，这些指标的大小是反映人类对土地资源利用程度的强弱，在一定程度上也可以说是人类对生态环境的破坏和影响程度。如2000年长沙市区人口密度在每平方公里2000人以上，而郊县只有260520人/km2左右，城区人口密度高，直接带来交通堵塞，环境污染等问题。3.2 评价因子权重的确定长沙市生态环境系统(A)土地资源子系统(B2)生物和水资源子系统(B1)社会经济子系统(B3)地形坡度C5地质状况C6土壤渗透性C3植被覆盖率C2水资源状况C1人均GDPC8人口密度C9用地程度C7土壤养分C4图1 长沙市生态环境质量综合评价指标体系采用层次分析法来确定
9、评价因子的权重。层次分析法（AHP）是系统工程中对非定量事物作定量分析的一种简便方法，它一方面能充分考虑人的主观判断，对研究对象进行定性与定量的分析，另一方面把研究对象看成一个系统,从系统内部与外部的相互联系出发，将各种复杂因素用递阶层次结构形式表达出来，以此逐层进行分析，使决策者对复杂问题的决策思维系统化、数字化、模型化。由于该方法重点在于对复杂事物中各因子赋予相应的恰当的权重,故又称多层次权重分析法3。环境生态系统是一个多层次、多因子的复杂的大系统，适合运用此种权重确定方法，其具体的步骤如下：3.2.1 层次结构的建立研究中将整个系统分成A、B、C三层。其中，A为目标层，B为中间层，C为目
10、标层，并分别对每一层中的各个子系统以及子系统中的因子进行分析。3.2.2 构造判断矩阵 将目标层A分解为B、C层，以建立上下层之间的两两判断矩阵，并根据特尔斐法（专家评断法），对B1、B2、B3的相对重要性进行讨论。（1）人类给生态环境带来的影响最大的，而本研究的研究区域是由密集的城镇所组成的，人类对环境的影响比较显著，故社会经济子系统的权重最大。（2）土壤侵蚀对生态问题有着直接的影响，而地形坡度大小则是衡量土壤侵蚀程度强弱的指标。就长沙市而言，东西两侧的山区地形坡度大，对环境的影响比较敏感，因此土地资源子系统占较多的权重。（3）生物和水资源子系统相对于以上两方面对生态的影响程度较小，但却不容
11、忽视，植被的覆盖率直接关系到该地区的气候、水土保持等生态问题。水资源状况直接关系到该区的经济等方面的发展。综合以上因素，得出目标层与中间层的判断矩阵（表1）。表1 目标层（A）与中间层（B）的判断矩阵AB1B2B3Wi (权重)B111/51/30.1045B25130.6372B331/310.25833.2.3 层次单排序（1）层次单排序。根据构造判断矩阵，计算出本层次因子对于上一层次某因子相互之间的权重，层次单排序最后归结为计算判断矩阵（B）的特征根和特征向量，即计算满足(BW=maxW)的特征向量，式中max为矩阵B的最大特征根，（max=（BW）i /nWi），W为对应于max的正规
12、化特征向量，W的分量Wi（i=1, 2, 3, , n）是相应因子单排序的权值5。（2）判断矩阵一致性检验。判断矩阵一致性是指判断矩阵元素是否满足如下关系：bij=bik/bik （i, j, k = 1, 2, , n） (1)当上式完全成立时，称判断矩阵具有完全一致性4，此时最大特征根max=n，其余特征根为0。由以上得出的判断矩阵，求得max=3.0385；定义一致性指标CI = (max n)/(n-1)，求得CI =0.0193，平均一致性指标RI =0.58；随机一致性比例CR定义为：CR=CI/RI，当CR0.10时，判断矩阵具有满意的一致性，本研究计算得到CR= 0.0332
13、0.105，符合需求。3.2.4 层次总排序利用层次单排序的结果，可以计算针对上一层次而言本层次所有元素重要性的权值，即为层次总排序，且层次总排序需要从上到下逐层按照顺序进行。表2 长沙市生态环境综合评价指标权重值环境子系统生物资源系统土地资源系统社会经济系统子系统因子B1B2B3因子权重0.10450.63720.2583子因子C1C2C3C4C5C6C7C8C9子因子权重0.01090.06660.02700.06660.40600.16460.02700.16460.0667经过以上计算，得到长沙市生态环境质量评价因子和子因子权重结果（表2）。3.2.5 评价指标的量化及无量纲化（1）指
14、标的量化由于不同的环境质量评价指标值之间差异很大，因此为了消除量纲的影响，非常有必要对不同栅格的各个指标值进行无量纲化。无量纲化的具体方法是：先对各因素资料进行整理，按因素与生态环境质量相关性的特点，计算出各个栅格的因素指标值，然后利用公式（2）来消除量纲。Fij = 100 ( Xij - Xminj )/(Xmaxj- Xminj ) (2) 式中：Fij 为第i个栅格第j个因子的无量纲值，在01之间；Xij 为第i个栅格第j个因子的实际值、Xminj、Xmaxj分别为所有栅格中第j个指标最小值和最大值。按照上述方法即可对各个因子进行无量纲化6。3.2.6 长沙市生态环境综合评价生态环境系
15、统属于多元素大系统，各种环境子系统之间有物质、能量和信息的交换，为了使研究成果具有更大的置信度和更好的精确性7，就必须将各子元素的分析成果综合叠加，即以各元素成果的交集来确定生态环境综合评价，即环境质量综合指数法。 利用GIS对研究区域进行离散化，将长沙市离散为m个栅格，每个栅格包含n个因子指标，则每个栅格的生态环境综合评价值等于各因子评价指标分值加权之和，即： Pi= (3)式中，Pi为第i个栅格的生态环境综合评价值；Fij为第i个栅格j因子的作用值；Wj为j因子的权重值。4 结果与讨论在ARC.GIS的空间分析模块支持下，按照公式（3）的计算方法首先计算出各个栅格的综合评价值，然后对计算结
16、果进行处理、聚类和再分类即可以得到区域生态环境质量分级状况（图2和表3）。表3 长沙市生态环境质量分级各等级环境质量最好良好较好一般较差差面积/km294.6733.042828.51960.795042.351144.64占总面积比例/%0.86.224.016.642.79.74.1 生态环境质量最佳和良好区该两类区域主要分布于浏阳市中部和东北部的部分地区，宁乡县西部以及望城中西部的少部分区域。在这些区域主要集中了大部分的山脉，如：浏阳的连云山、宁乡的沩山。这些地方由于受人类的影响较小，并且土壤养分丰富，植被覆盖率高，土壤渗透性比较好，因而，环境质量较佳。但是在图中，可以明显看到该类区域的
17、中间已经部分的出现了块状的环境质量一般和较差的区域，其原因，一方面是由于对该些地区森林资源的保护不够全面；另一方面，由于该地区的地形坡度比较大，导致水土流失的情况较其他地区严重。4.2 生态环境质量较好区图2 长沙市生态环境质量综合评价结果该类区主要分布在浏阳市的大部分地区，宁乡中西部大部分地区，长沙县的北部部分地区，这些地区土地利用状况主要以耕地和林地为主，有部分的草地和水田，因而受到人类的破坏性影响较少，环境状况较好。4.3 生态环境质量一般区域该类区域主要分布在望城县大部分地区，以及长沙市开福区，长沙县北部，及宁乡和浏阳的局部地区，这些地区大部分都属于小城镇或者城市的郊区。在长沙县的北部
18、地区和望城地区土地利用主要以水田和林地为主，在一定程度上受人类的影响较大，因而生态环境质量一般。对这类地区，应该在土壤的改良上多做工作，加强造林和多造次生林，并应加强这些城镇的绿化和各种污染的治理。4.4 生态环境质量较差和差的区域该类区域主要分布在长沙市的芙蓉、天心、雨花区，以及长沙县南部，宁乡中部和北部，浏阳市西北部，总面积达到6186.99 km2，占长沙市总面积的50%以上，这也表明长沙市总体生态环境质量有待进一步提高。在这些地区都以城镇、市区为主，土地利用状况多为城市建设用地和水田。这些城镇由于建筑密集，道路硬化率高、绿地少，水面小地面吸收热量多8，加之空气中的温室气体含量大，致使气
19、温高于乡村，形成“热岛效应”。由2000年5月的卫星遥感解译可知，长沙市城区温度最高与郊区最低相差达7.4 。同时由于人类的影响，这些区域存在着严重的环境问题，例如工业污染和水体污染等。这在一定程度上也说明，环境质量的好坏受人类的影响最大。参考文献：1 曹学章, 张更生. 红壤丘陵脆弱生态环境形成与整治对策J. 农村生态环境, 1995, 11(4): 45-48.2 鲁如坤, 时正元. 退化红壤肥力障碍特征及重建措施J. 土壤, 2000(4): 198-209.3 林子喻, 徐金山. 江西省县(市)域生态环境综合评价J. 华东地质学院学报, 2001, 24(3): 198-204.4 张
20、超, 张秉赓. 计量地理学基础M. 北京: 高等教育出版社, 1991.5 侯克复. 环境系统工程M. 北京: 北京理工大学出版社, 1992.6 郑新奇, 王爱萍. 基于RS与GIS的区域生态环境质量综合评价研究: 以山东省为例J. 环境科学学报, 2000, 20(4): 399-493.7 刘明柱, 陈鸿汉, 叶念军, 等. GIS在区域地下水资源评价中的应用J. 水利学报, 2002(1): 52-61.8 SCHOTTEN K, GOETGELUK R, HILERINK M, et al. Residential construction, land use and the env
21、ironment. Simulations for the Netherlands using a GIS-based land use model J. Environmental Modeling and Assessments, 2001, 6: 133-143.Integrated assessment of ecology and environment of hilly regionof red soil based on GIS: a case study in ChangshaLI Zhong-wu, ZENG Guang-ming, ZHANG Hua, YANG Bin,
22、JIAO 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 re
23、gion 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, th
24、is 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 827.64 km2 ) are maintaining at higher or the highest grades of the ecological
25、 and environmental quality in Changsha city. However, there are 52.4 per cent of the lands (approximately 6187.14 km2) are getting worse or the worst grades of the ecological and environmental quality. This study concluded that the entire ecological and environmental quality of Changsha city is degr
26、ading rapidly due to the highly intensive human activities in the recent years.Key words: GIS; AHP method; Changsha city; hilly region of red soil利用浮游生物研究气候变化最近的媒体报道将北海描述为一个濒临崩溃的生态系统。幼年鳕鱼的存量达到20年来的最低点，很多海鸟遭遇到有记录以来的最坏的繁殖季节。关于浮游生物种群及其生命周期事件所发生的时间的研究，可用作气候变化的一种指标。这种方法在19582002年间被用于一项关于北海中浮游生物的研究，其结果显示，海洋食物链的根部发生了很大变化，这可能是由全球变暖引起的。浮游植物和其他海洋生命形式的生产力增长在时间上的不一致，可能是导致鱼类、海洋哺乳动物和海鸟种群数量下降的一种因素。（肖辉林摘自Nature, 2004, 430: 881）