黃土丘陵礦區(qū)生態(tài)脆弱性評價
——以晉城市長河流域為例

劉 麗，張吳平，畢如田，王國芳，劉永杰

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，山西太原030012）

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，環(huán)境多樣，生態(tài)脆弱性呈現(xiàn)出分布廣、類別多、表現(xiàn)突出等特點[1]。提高生態(tài)脆弱區(qū)保護(hù)意識，加強生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)和治理，有利于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，發(fā)揮生態(tài)功能，實現(xiàn)綠色發(fā)展[2]。近年來，對生態(tài)脆弱性包括理論、類型、目標(biāo)、內(nèi)容和方式等方面的研究一直是國內(nèi)外的主題[3]。李鶴等[4]研究認(rèn)為，生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性與干擾、暴露、適應(yīng)性、敏感性、復(fù)原力和穩(wěn)定性密切相關(guān)。申元村等[5]根據(jù)區(qū)域以及成因，將我國分為一二級生態(tài)脆弱區(qū)共37個。對于生態(tài)系統(tǒng)的研究對象，國外學(xué)者傾向于自然系統(tǒng)的研究，而我國則呈現(xiàn)由大到小、系統(tǒng)性、多元化特點[6]。研究內(nèi)容涉及理論發(fā)展、格局分布、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)以及對策4大方面。評價的方法則由定性和定量2種方法組成[7-17]。將3S手段與計算機(jī)相結(jié)合探討研究區(qū)時空分布與演化趨勢是生態(tài)脆弱性研究的重要方向之一[18]。目前，黃土丘陵區(qū)特別是礦區(qū)相應(yīng)的研究相對較少。長河流域礦區(qū)作為黃土高原的一部分，生態(tài)環(huán)境越來越差。煤炭資源長時間、高強度的開采，水土資源被嚴(yán)重破壞，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境愈發(fā)惡劣，生態(tài)脆弱性出現(xiàn)危機(jī)。這不僅對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅，而且會制約該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

本研究通過建立黃土丘陵礦區(qū)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系，利用AHP法和集對分析法評估研究區(qū)5 a的生態(tài)脆弱度并對其變化進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)氐恼咧贫ê涂沙掷m(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

區(qū)系，天然草地嚴(yán)重退化、沙化。綜合該地區(qū)原有生態(tài)以及長時間、大規(guī)模的煤炭開采等社會活動，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境獨特。其地域突出特點對研究黃土丘陵礦區(qū)生態(tài)脆弱性策略選擇具有典型性和代表性。

2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于山西省晉城市澤州縣長河流域，地屬黃土高原東南邊緣，位于 35°30′～35°31′N，112°36′～112°39′E，面積 108 km2，西與陽城縣靠近，北與高平市和沁水縣相鄰，涉及到大東溝鎮(zhèn)、川底鄉(xiāng)、下村鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共48個行政村莊，煤炭資源豐富，有成莊煤礦等12個煤礦基地，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和煤炭等工業(yè)為主。該區(qū)缺水嚴(yán)重且時空分布不均，境內(nèi)水力侵蝕嚴(yán)重，面蝕是水土流失的主要形態(tài)[19]，主要植被多屬華北植物

原始數(shù)據(jù)來源主要包括調(diào)查收集和ArcGIS軟件處理2個渠道。調(diào)查收集主要是通過收集山西省晉城市的統(tǒng)計年鑒[20]、澤州縣國土局提供資料、研究區(qū)相關(guān)煤礦資料及前人的一些研究成果；ArcGIS軟件處理主要是通過獲取的 2007，2009，2011，2013，2015年5 a的Landsat8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用ENVI和ArcGIS等軟件通過圖像融合、幾何校正、解譯處理等，提取研究區(qū)植被覆蓋率等等[21]。研究區(qū)植被覆蓋空間分布如圖1所示。

3 研究方法

3.1 脆弱性評價體系的建立

結(jié)合研究區(qū)實際情況，以生態(tài)環(huán)境、自然資源、社會經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性4個系統(tǒng)為主，以目的性、科學(xué)性、整體性、動態(tài)性和主導(dǎo)性5個原則為指導(dǎo)，合理選取以下16項指標(biāo)構(gòu)建脆弱性評價指標(biāo)體系（表 1）。

表1 研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

本研究選用層次分析法將評價系統(tǒng)分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、指標(biāo)層C，根據(jù)AHP標(biāo)度法對因子定量測算，形成對比判別矩陣，根據(jù)矩陣最大特征根λmax和特征向量，確定各元素的權(quán)數(shù)，并對計算結(jié)果進(jìn)行一致性Ci檢驗，然后把上層權(quán)重按照比例分到下層元素，從而得到每項因子的權(quán)重。

式中，Wi表示權(quán)重，N代表評價指標(biāo)個數(shù)，計算結(jié)果當(dāng) CR＜0.1 時，表示一致性通過；CR≥0.1 時，應(yīng)對判斷矩陣進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

3.3 脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)

評估成果呈現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱程度，脆弱程度與分值的大小成正比。本研究根據(jù)分值的大小將該地區(qū)脆弱度劃分為5級（表2）。結(jié)合全國和陜北地區(qū)各類指標(biāo)的取值范圍，參照晉城市區(qū)域規(guī)劃和征詢專家見解后形成以下評價準(zhǔn)則（表3）。

表2 生態(tài)脆弱性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)以及特征

表3 研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.4 脆弱性評價方法

本研究采用集對分析法將研究區(qū)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)視為一個集對，假定有N個評價指標(biāo)，其中有 S，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，P 個指標(biāo)分別符合生態(tài)脆弱性評價等級中的微脆弱、稍脆弱、脆弱、強脆弱、極脆弱各等級，則其聯(lián)系度（U）表達(dá)式如下。

式中是差異度的系數(shù)；j是對立度的系數(shù)。

可簡化為公式（5）。

式中，a表示同一度，c表示對立度，bm表示差異度。顯然，a值越大，bm和c值越小，脆弱性程度越輕，由此可初步分析并確定生態(tài)脆弱性等級。

由于各指標(biāo)大小對脆弱度的影響程度不同，某一指標(biāo)的超標(biāo)程度直接影響到脆弱度的整體程度，應(yīng)對它們賦予權(quán)重?？筛鶕?jù)指標(biāo)超標(biāo)情況確定權(quán)重。

權(quán)重處理后的單項指標(biāo)k的聯(lián)系度uk1和N項指標(biāo)綜合的聯(lián)系度u綜計算公式如下。

式中，uk表示權(quán)重處理前某一逆向指標(biāo)（或正向指標(biāo)）k的聯(lián)系度，Bi（i＝0，1，2…，M-1）為每個單項指標(biāo)的聯(lián)系度的對應(yīng)項數(shù)據(jù)按列相加之和。則脆弱度的評價矩陣 B＝（B0，B1，B2…BM－2，BM－1），根據(jù)最大隸屬原則，最大者所對應(yīng)的脆弱性級別，即為該對象的最終脆弱性評價級別。

3.5 脆弱性驗證

充分考慮了因子簡明性和可用性，本研究采用趙躍龍[21]的方法對評價結(jié)果進(jìn)行驗證。

式中，Pi是因子初始化之值，Wi是各因子權(quán)數(shù)，G值表示礦區(qū)脆弱度。

4 結(jié)果與分析

4.1 判別矩陣一致性分析

表4結(jié)果顯示，所有層次判別矩陣一致性均小于0.1，一致性檢驗通過，判別矩陣結(jié)果可靠。

表4 判別矩陣一致性驗證結(jié)果

4.2 權(quán)重結(jié)果分析

通過層次分析法得到研究區(qū)最終各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 研究區(qū)生態(tài)脆弱性指標(biāo)體系權(quán)重

從表5可以看出，權(quán)重系數(shù)＞0.05的指標(biāo)一共有7個，分別為植被指數(shù)、年均降雨量、年均氣溫、人均耕地面積、原煤年均生產(chǎn)量、農(nóng)民人均收入、生產(chǎn)總值指數(shù)。植被對生態(tài)具有舉足輕重的影響，其生長狀況是地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的晴雨表，不僅能改善空氣質(zhì)量、保護(hù)水源地、而且能有效阻止土壤侵蝕，其權(quán)重較大。而年均降雨量和年均氣溫是反映研究區(qū)自然氣候條件的2個重要因子，這2個因子嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)以及社會的發(fā)展，所以，這2個因子的權(quán)重較大。人均耕地面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，反映地區(qū)承載能力，因此，權(quán)重較大。原煤年均生產(chǎn)量代表研究區(qū)以煤炭開采為主的人為活動，具有代表性意義，此因子的權(quán)重較大。農(nóng)民人均收入是指農(nóng)民年總收入減去收入成本，它反映了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和地區(qū)的發(fā)展，是衡量農(nóng)民生活水平的重要指標(biāo)。它影響農(nóng)民與當(dāng)?shù)丨h(huán)境之間的依賴關(guān)系，其權(quán)重較大。生產(chǎn)總值指數(shù)表示某期間地區(qū)生產(chǎn)總值的變化，是權(quán)衡當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況的重要指標(biāo)，所以，權(quán)重較大。

4.3 評價等級

利用集對分析法得到2007—2015年5 a生態(tài)脆弱性等級結(jié)果如表6所示。

表6 分析法研究區(qū)生態(tài)脆弱性等級

對照表7，利用公式計算研究區(qū)5 a生態(tài)脆弱度G值，結(jié)果如表8所示。

表8 研究區(qū)2007—2015年5 a的G值

將集對分析法和計算法的2種結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果列于表9。通過對比結(jié)果可知，研究區(qū)的生態(tài)脆弱性評價結(jié)果與生態(tài)脆弱度計算結(jié)果的演化趨勢基本一致，評價結(jié)果可靠（表9）。

研究區(qū)2007—2015年整體呈現(xiàn)脆弱狀態(tài)，脆弱性等級最高為強脆弱，出現(xiàn)在2007，2009年，最低級別為稍脆弱，出現(xiàn)在2015年，研究區(qū)生態(tài)脆弱度呈現(xiàn)逐年下降趨勢（表6），說明生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)，具體分析其原因如下。

（1）山西晉煤集團(tuán)長期在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行煤炭開采，對水土等資源環(huán)境的破壞很明顯，從2007年開始，人們逐漸意識到了煤炭開采帶來的破壞，開始逐漸加大投資力度，進(jìn)行環(huán)境整治和土壤復(fù)墾，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時重點注意了生態(tài)環(huán)境，大力植樹造林，區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率得到了提高，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)良好的好轉(zhuǎn)局面。

（2）長時間、高強度的煤炭開采之下，從2007年開始相關(guān)部門逐漸意識到可持續(xù)發(fā)展的重要性，引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備，提高資源開發(fā)利用率。同時，環(huán)保部門加強了相關(guān)整治，繼續(xù)嚴(yán)格執(zhí)行排污收費制度，加強對高污企業(yè)的檢查。此外，小煤窯整治和重組工作，使污染物亂排亂放現(xiàn)象得到明顯改善。

表9 2種評價結(jié)果對比

總的來說，研究區(qū)的生態(tài)脆弱性還是不能掉以輕心的，雖然現(xiàn)在呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的態(tài)勢，但形式依然不容樂觀。研究區(qū)應(yīng)進(jìn)一步加大投資力度，樹立可持續(xù)發(fā)展理念，努力實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

本研究通過建立晉城市長河流域礦區(qū)108 km2生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系，對16項評價因子進(jìn)行權(quán)重計算，并得到2007—2015年5 a的地區(qū)生態(tài)脆弱性結(jié)果。研究結(jié)果表明，構(gòu)建的判別矩陣可靠，植被指數(shù)、年均降雨量等7項指標(biāo)權(quán)重影響較大，通過分析法和計算法得到的脆弱性結(jié)果一致，研究區(qū)2007—2015年整體呈現(xiàn)脆弱狀態(tài)，脆弱性等級最高為IV級強脆弱，出現(xiàn)在2007，2009年，最低級別為II級稍脆弱，出現(xiàn)在2015年，研究區(qū)生態(tài)脆弱度呈現(xiàn)逐年下降趨勢，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)。建議研究區(qū)繼續(xù)貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，保持區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］魏曉旭，趙軍，魏偉，等.中國縣域單元生態(tài)脆弱性時空變化研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，36（2）：726-739.

［2］劉燕華，李繡彬.脆弱生態(tài)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展[M].北京：商務(wù)印書館，2001：1-60.

［3］徐軍，李貴芳，王育紅.生態(tài)脆弱性國內(nèi)外研究綜述與展望[J].華東經(jīng)濟(jì)管理，2016，30（4）：149-162.

［4］李鶴，張平宇.全球變化背景下脆弱性研究進(jìn)展與應(yīng)用展望[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30（7）：920-929.

［5］申元村，張永濤.我國脆弱生態(tài)環(huán)境形成演變原因及其區(qū)域分異探討[M]//趙桂久，劉燕華，趙名茶，等.生態(tài)環(huán)境綜合整治和恢復(fù)技術(shù)研究.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1993：1-9.

［6］BRYANB，HARVEY N，BELPERIOT.Distributed processmodeling for regional assessment of coastal vulnerability tosea-level rise[J].Environmental Modeling and Assessment，2001，6（1）：57-65.

［7］冉圣宏，金健君，薛紀(jì)渝.脆弱生態(tài)區(qū)評價的理論與方法[J].自然資源學(xué)報，2002，1（1）：117-122.

［8］馮利華.生態(tài)環(huán)境脆弱度的模糊綜合評判[J].國土開發(fā)與整治，1999（2）：59-63.

［9］柳凱茜，賈蕾.大同市生態(tài)脆弱性的定量評價 [J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，21（3）：20-23.

［10］劉欣，趙艷霞，秦彥杰.淺山丘陵區(qū)土地資源生態(tài)安全評價及關(guān)鍵因子識別[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43（4）：63-68.

［11］吳學(xué)宏，曹艷芳，陳素華.內(nèi)蒙古草原生態(tài)環(huán)境的變化及其對氣候因子的動態(tài)響應(yīng)[J].華北農(nóng)學(xué)報，2005，20（Z）：65-68.

［12］劉木生，張其海，林聯(lián)盛，等.基于GIS的江西省脆弱生態(tài)環(huán)境時空評價[J].江西科學(xué)，2008，10（5）：803-811.

［13］蒙吉軍，張彥平.中國北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱性評價：以鄂爾多斯為例[J].中國沙漠，2010，30（4）：850-860.

［14］靳毅，蒙吉軍.生態(tài)脆弱性評價與預(yù)測研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2011，30（11）：2646-2652.

［15］李占利.運籌學(xué)簡明教程 [M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004：266-269.

［16］汪應(yīng)洛.系統(tǒng)工程理論、方法與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1998：70-174.

［17］何云玲.GIS支持下生態(tài)環(huán)境脆弱性評價研究概況 [J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2008，6（3）：65-68.

［18］孫晶華，張吳平，吳亞楠，等.山西省農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配及短缺分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（3）：443-447，464.

［19］山西省統(tǒng)計局.晉城統(tǒng)計年鑒（2008—2016）[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2008-2016.

［20］陳紹軍，王磊.基于RS與GIS的資源型地區(qū)土地利用變化及驅(qū)動力分析：以安徽省銅陵市為例[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（11）：1547-1552，1566.

［21］趙躍龍，劉燕華.中國脆弱生態(tài)環(huán)境分布及其與貧困的關(guān)系[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1996，11（3）：245-249.