大連市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)及其不確定性分析

馬子惠, 馬書明, 張樹深

(大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

人類活動(dòng)及全球變化的加劇，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響，生態(tài)脆弱性問題日益嚴(yán)峻。生態(tài)脆弱性是指在特定時(shí)間和空間的尺度下，生態(tài)系統(tǒng)在外界因素?cái)_動(dòng)下所產(chǎn)生的敏感性和恢復(fù)力，由其自身屬性和外界人為因素共同決定[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生態(tài)脆弱性開展了大量的研究[2-3]。生態(tài)脆弱性最早源于20世紀(jì)初美國(guó)生態(tài)學(xué)家Clements提出的“生態(tài)過渡帶”概念[4]。國(guó)外早期大多以氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)，涵蓋農(nóng)、林、牧、漁等多個(gè)部門[4]；21世紀(jì)后，針對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合研究趨于全面，并廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域；近年來，出現(xiàn)了融合多種特征的人地耦合系統(tǒng)脆弱性概念[5]。國(guó)內(nèi)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)經(jīng)歷了從早期的脆弱帶分區(qū)及理論探討定性評(píng)價(jià)，定量評(píng)價(jià)到耦合系統(tǒng)脆弱性探討的階段[5]。

在生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方面，已有很多評(píng)價(jià)體系，但并未形成一套公認(rèn)的模型，評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法也各不相同[5]。前人研究提出了壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型[6]，暴露—敏感—適應(yīng)(VSD)模型[7]，生態(tài)敏感性—生態(tài)恢復(fù)力—生態(tài)壓力度(SRP)模型[8]，成因及結(jié)果表現(xiàn)評(píng)價(jià)體系[9]，壓力—敏感—彈性(PSE)模型[10]等評(píng)估指標(biāo)模型，層次分析法[11]，模糊數(shù)學(xué)法[12]，主成分分析法[1]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[13]，熵權(quán)法[8]，景觀生態(tài)學(xué)法[14]等評(píng)價(jià)計(jì)算方法。

SRP模型涵蓋脆弱性評(píng)價(jià)中的各個(gè)要素，可較全面的對(duì)地區(qū)生態(tài)脆弱性進(jìn)行評(píng)估。在評(píng)價(jià)方法方面，層次分析法可將專家建議定量化，簡(jiǎn)單易算[11]。使用專家打分法和層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時(shí)，由于不同專家對(duì)同一問題的認(rèn)知各不相同，將給指標(biāo)體系帶來一定的不確定性，每個(gè)指標(biāo)和變量的不確定性會(huì)傳播累積，可能對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生一定影響[15]。但現(xiàn)有研究對(duì)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)中的權(quán)重敏感性關(guān)注較弱，因此對(duì)權(quán)重進(jìn)行敏感性分析非常重要。

本研究擬以大連市為例，基于SRP模型構(gòu)建城市生態(tài)脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系模型，并基于此分析研究區(qū)域生態(tài)脆弱性總體結(jié)果和空間分布特征；采用OAT(one-at-a-time)方法來評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重不確定性下的結(jié)果變異程度，識(shí)別敏感指標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

大連市地處歐亞大陸東岸，遼寧半島最南端，位于東經(jīng)120°58′—123°31′、北緯38°43′—40°10′之間?？偯娣e約12 574 km2，總?cè)丝诩s5.90×106人。大連多山地丘陵，少平原低地且坡度較大；季風(fēng)盛行，沿海地區(qū)每年6級(jí)及6級(jí)大風(fēng)天數(shù)達(dá)到90～140 d；降雨分布極不均勻，地表植被保水能力差，淡水資源相對(duì)稀缺；自然資源多樣豐富，但濕地、森林、綠地等資源分布不均；土地資源相對(duì)缺乏；隨著城市化格局漸成體系，產(chǎn)業(yè)和人口迅速聚集，區(qū)域內(nèi)污染物排放強(qiáng)度加大，環(huán)境問題突出；同時(shí)，大連市處于全國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)重要節(jié)點(diǎn)。因此對(duì)大連市進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)十分重要。

2 指標(biāo)體系與研究方法

2.1 生態(tài)脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)壓力度3方面共選取19個(gè)指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系(表1)。生態(tài)敏感性是指在外界影響下生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境問題的可能性[16]，本研究從氣候、地形、地表、災(zāi)害4方面討論。氣候是生態(tài)脆弱性形成的重要原因[9]，選擇年均溫度、年均降雨、年均濕度、年均風(fēng)速代表氣候狀況；選取高程、坡度、起伏度反映地形地貌脆弱情況；土地利用類型、增強(qiáng)型植被系數(shù)反映人類對(duì)自然干擾程度[9]，降雨侵蝕力反映水土流失特征；在災(zāi)害指標(biāo)方面，選取暴雨、大風(fēng)、雷電3種氣象災(zāi)害，選取崩塌、滑坡、泥石流、地表塌陷代表地質(zhì)災(zāi)害。生態(tài)恢復(fù)力是指生態(tài)系統(tǒng)在外界干擾下適應(yīng)環(huán)境的能力[16]，從功能、活力和結(jié)構(gòu)3個(gè)方面討論。土壤有機(jī)碳含量可反映土壤健康狀態(tài)[17]；植被總初級(jí)生產(chǎn)力反映植被生長(zhǎng)情況；景觀多樣性指數(shù)體現(xiàn)景觀的復(fù)雜程度[18]。生態(tài)壓力度是指對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生擾動(dòng)的外部因素[16]，采用人口密度、GDP密度分別表示人口壓力和經(jīng)濟(jì)壓力，是人類活動(dòng)的直接體現(xiàn)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化

由于各指標(biāo)物理意義及量綱不同，需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[9, 15, 17]并進(jìn)行空間展示。各指標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法如表1所示，其中“+/-”分別表示正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，“*”表示采用分等級(jí)賦值法。

(1) 極差法。將各指標(biāo)按照與生態(tài)脆弱性的關(guān)系分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。對(duì)于正向指標(biāo)，隨著值的增加，脆弱性增強(qiáng)，對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，隨著值的增加，脆弱性減小，分別采用公式(1)—(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將其映射到0-1之間，0表示脆弱性最低，1表示脆弱性最高。

正向指標(biāo)：Pi=(P-Pmin)/(Pmax-Pmin)

(1)

負(fù)向指標(biāo)：Pi=1-(P-Pmin)/(Pmax-Pmin)

(2)

式中：Pi——某指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Pmin，Pmax——對(duì)應(yīng)指標(biāo)最小值和最大值。

表1 大連市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2) 分等級(jí)賦值法。對(duì)C4，C8，B4采用分等級(jí)賦值處理。本研究依據(jù)《GB/T 28591-2012》提出的風(fēng)力等級(jí)劃分表，將C4小于5.5 m/s和大于5.5 m/s的區(qū)域分別賦值0.4和0.6；根據(jù)馬駿等[17]研究結(jié)果對(duì)C8賦值，按脆弱性排序依次為林地和水域、草地、耕地、城鄉(xiāng)用地、裸地，分別賦值0.2，0.4，0.6，0.8，1；對(duì)C11，C12，C13這3個(gè)指標(biāo)按照災(zāi)害頻率采用自然間斷法分為3類，分別賦值為0.33，0.66和1；對(duì)C14按照各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害密度采用自然間斷法分為3類，分別賦值0.33，0.66和1。

2.3 指標(biāo)權(quán)重及生態(tài)脆弱性指數(shù)計(jì)算

采用專家打分法與層次分析法相結(jié)合計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)見表1。在確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(3)計(jì)算脆弱性評(píng)估結(jié)果：

(3)

式中：EVI——生態(tài)脆弱性指數(shù)；Wi——各指標(biāo)權(quán)重；Pi——指標(biāo)值。

為反映大連市脆弱性評(píng)估結(jié)果空間分布特征，參考研究[15,25]對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果按照自然間斷法分為5類，以保證組間差異最大，組內(nèi)差異最小，體現(xiàn)不同脆弱程度區(qū)域差別，計(jì)算及空間分類利用軟件ArcGIS 10.4實(shí)現(xiàn)。

2.4 權(quán)重敏感性分析

本文采用OAT法[26-28]分析指標(biāo)權(quán)重敏感性，OAT法簡(jiǎn)單可操作，每次選定一個(gè)主變化因子改變其權(quán)重，其余因子權(quán)重發(fā)生相應(yīng)改變，該方法通過計(jì)算像元變化率(Ck)和區(qū)域絕對(duì)平均變化率(mean of the absolute change rate，MACR)兩個(gè)指標(biāo)來分析權(quán)重敏感性。具體計(jì)算過程如下：

首先需設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：權(quán)重變化范圍(range of percent change，RPC)與權(quán)重變化步長(zhǎng)(increment of percent change，IPC)。

主變化因子Cm的權(quán)重采用公式(4)計(jì)算：

W(Cm,Pc)=W(Cm,0)+W(Cm,0)×pc

RPCmin

(4)

式中：W(Cm,Pc)——計(jì)算的Cm模擬權(quán)重值；W(Cm,0)——Cm初始權(quán)重值；Pc——權(quán)重變化率。

其余指標(biāo)模擬權(quán)重值按照公式(5)計(jì)算：

W(Ci,Pc)=〔1-W(Cm,Pc)〕×

(5)

式中：W(Ci,Pc)——計(jì)算的Ci模擬權(quán)重值；W(Ci,0)——Ci初始權(quán)重值。

依次選擇每個(gè)因子為主變化因子且當(dāng)Pc在RPC范圍內(nèi)變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一系列模擬結(jié)果。綜合評(píng)價(jià)計(jì)算公式(6)為：

EVI(Cm,Pc)=W(Cm,Pc)×Am+

(6)

式中：EVI(Cm,Pc)——計(jì)算的模擬生態(tài)脆弱性值，Am，Ai——指標(biāo)值。

針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果中第k個(gè)像元，Ck采用公式(7)計(jì)算：

(7)

式中：Ck——模擬結(jié)果與初始結(jié)果相比較計(jì)算所得值， EVI0——初始EVI值。

整個(gè)區(qū)域的MACR采用公式(8)計(jì)算：

(8)

式中：MACR——區(qū)域內(nèi)Ck絕對(duì)值的平均值；N——柵格總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 大連市生態(tài)脆弱性分析

根據(jù)前述評(píng)價(jià)模型對(duì)大連市生態(tài)脆弱性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如附圖14所示。其中極度脆弱、重度脆弱、中度脆弱、輕度脆弱、微度脆弱5個(gè)區(qū)域面積占比分別是4.17%，22.97%，41.00%，23.69%和8.16%。

從空間分布上看，極度脆弱區(qū)主要分布在市中心及甘井子區(qū)東部；微度脆弱區(qū)主要分布在甘井子區(qū)與旅順區(qū)交界處及大連市北部，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；其他脆弱等級(jí)區(qū)域分布較分散。對(duì)大連市各區(qū)縣的生態(tài)脆弱性分布進(jìn)行計(jì)算，西崗區(qū)生態(tài)脆弱性最強(qiáng)，莊河市生態(tài)脆弱性最弱，在非建成區(qū)域中，長(zhǎng)?？h及長(zhǎng)興島極度脆弱區(qū)域與重度脆弱區(qū)域面積之和比例達(dá)92.25%和89.16%。

3.2 指標(biāo)權(quán)重敏感性分析

設(shè)置RPC變化范圍為-100%至100%，IPC=5%，將本文選取的19個(gè)指標(biāo)依次作為主變化因子共產(chǎn)生779組權(quán)重值，每組權(quán)重值可產(chǎn)生一個(gè)新的脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果。

大連市MACR模擬結(jié)果如圖1所示，隨著權(quán)重變化率Pc的增加，各指標(biāo)有不同的MACR值，當(dāng)權(quán)重改變相同的程度時(shí)，對(duì)結(jié)果的敏感性相同，且生態(tài)脆弱變化率空間分布基本一致。指標(biāo)斜率越大，對(duì)結(jié)果的影響程度就越大，土壤有機(jī)碳含量C15對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大，當(dāng)C15權(quán)重改變100%時(shí)，所對(duì)應(yīng)MACR值為11.49%，遠(yuǎn)小于權(quán)重改變的程度。

圖1 生態(tài)脆弱性MACR模擬結(jié)果

將所有指標(biāo)按對(duì)結(jié)果影響程度進(jìn)行排序，選取排序分別位于第1,第10,第19位的土壤有機(jī)碳含量C15,坡度C6,年均風(fēng)速C4進(jìn)行分析。將3個(gè)指標(biāo)依次作為主變化因子且Pc分別為5%,10%,20%,50%,100%時(shí)生成的評(píng)價(jià)結(jié)果與初始評(píng)價(jià)結(jié)果相比較，計(jì)算生態(tài)脆弱變化率及生態(tài)脆弱區(qū)域分布，結(jié)果如圖2和附圖15所示。對(duì)于同一指標(biāo)，Pc越大不確定區(qū)域面積占比越大，Pc相同時(shí)，指標(biāo)斜率越大不確定區(qū)域面積占比越大，具體信息如表2所示，不確定區(qū)域面積占比最大為22.84%。隨著指標(biāo)Pc成倍增加，該指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的Ck值及MACR值也成倍變化，以C6為例，當(dāng)其Pc=10%,Pc=20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ck值分別為-0.29%～0.29%，-0.58%～0.58%，所對(duì)應(yīng)的MACR值分別為0.22%，0.44%， 遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的Pc。另外，生態(tài)脆弱變化率分布與所對(duì)應(yīng)的主變化因子空間分布相關(guān)，以C4為例，大連市東北部區(qū)域風(fēng)速較小，Ck也較小。

表2 各指標(biāo)不同Pc下不確定區(qū)域面積比例

注：Pc為權(quán)重變化率；C4為年均風(fēng)速；C6為坡度；C15為土壤有機(jī)碳含量。

注：Ck為模擬結(jié)果與初始結(jié)果相比較計(jì)算所得的值。圖2 大連市不同權(quán)重變化率Pc下各生態(tài)脆弱性指標(biāo)變化率

4 討論與結(jié)論

總體來看，大連市生態(tài)脆弱性處于中等脆弱水平，分布規(guī)律為：植被覆蓋良好、人口經(jīng)濟(jì)壓力較小的區(qū)域生態(tài)脆弱性較低，人類活動(dòng)擾動(dòng)大的區(qū)域生態(tài)脆弱性較高。市中心及甘井子區(qū)東部生態(tài)脆弱性高，主要是因?yàn)樯鷳B(tài)壓力大，人口經(jīng)濟(jì)密度高，在土地利用類型上以城鄉(xiāng)用地為主，植被覆蓋少，土壤有機(jī)碳含量及植被總初級(jí)生產(chǎn)力低；大連市北部及甘井子區(qū)與旅順區(qū)交界處植被覆蓋良好，林地草地多，生態(tài)脆弱性低。另外，坡度、起伏度較大的區(qū)域生態(tài)脆弱性較低，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域開發(fā)利用難度大，人類活動(dòng)少。該脆弱性評(píng)估結(jié)果與前人研究[1,29]有一定的一致性，整體分布規(guī)律相似，微度脆弱區(qū)域與極度脆弱區(qū)域具有較好的重合度。

權(quán)重變化對(duì)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的影響，不同權(quán)重值計(jì)算結(jié)果具有一定空間差異性，說明在評(píng)價(jià)過程中對(duì)權(quán)重進(jìn)行不確定分析十分重要。通過OAT法計(jì)算各指標(biāo)MACR排序可識(shí)別評(píng)價(jià)體系中的敏感指標(biāo)，本文所構(gòu)建的指標(biāo)體系中最敏感指標(biāo)為C15(土壤有機(jī)碳含量)，所對(duì)應(yīng)的最大MACR值為11.49%，Ck最大值為17.27%，此時(shí)不確定區(qū)域面積占比22.84%，對(duì)于該指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)慎重考慮，以降低評(píng)估結(jié)果不確定性。各指標(biāo)的MACR排序與權(quán)重具有一定的相關(guān)性但不完全一致(r=0.841,p<0.01)，例如C15(土壤有機(jī)碳含量)權(quán)重排序第2，其MACR值最大，C4(年均風(fēng)速)權(quán)重最小，其對(duì)應(yīng)的斜率值最小，該結(jié)論與前人研究一致[27-28]。另外，通過比較各指標(biāo)生態(tài)脆弱分布圖可知高脆弱區(qū)域評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)健，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域EVI值較大，受單一指標(biāo)影響的程度較小。

綜上所述，通過不確定分析可識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的敏感指標(biāo)，通過對(duì)敏感指標(biāo)權(quán)重的慎重考慮可以加強(qiáng)評(píng)估結(jié)果的穩(wěn)健性。本研究以大連市為例，構(gòu)建生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型，并采用OAT方法對(duì)指標(biāo)體系敏感指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分析，得到如下結(jié)論：

(1) 大連市整體脆弱性處于中等脆弱水平，中度脆弱面積占比最高，市中心及甘井子區(qū)東部脆弱性最高，大連市北部地區(qū)、甘井子區(qū)與旅順區(qū)交界處脆弱性最低。

(2) 所構(gòu)建的指標(biāo)體系中最敏感指標(biāo)為C15(土壤有機(jī)碳含量)，對(duì)該指標(biāo)權(quán)重的確定應(yīng)重點(diǎn)考慮，增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性。

總體來看，本文將OAT不確定分析法與生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)相結(jié)合，具有一定的理論和實(shí)踐意義。但也存在一些不足，在敏感指標(biāo)識(shí)別上，僅采用MACR一個(gè)指標(biāo)，具有一定的局限性，后續(xù)可以選取更多指標(biāo)進(jìn)一步分析。