湖南省湘西州重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)貧困縣生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)

張家其， 鐘 倩， 朱烜伯， 李 強(qiáng)， 歐江南， 王 翼

(1.衡陽師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院, 湖南 衡陽 421002； 2.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410081； 3.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430070)

“十三五”規(guī)劃明確指出，2020年要實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下農(nóng)村貧困人口的全面脫貧[1]。隨著扶貧工作進(jìn)入收官階段，深度貧困區(qū)成為扶貧工作最難啃的一塊骨頭。中國(guó)生態(tài)敏感地區(qū)有約76%的貧困縣，深度貧困地區(qū)往往是生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地區(qū)，其面臨著生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重壓力，但迫于脫貧壓力，生態(tài)環(huán)境問題往往被作為邊緣議題擱置。2018年4月26日，習(xí)近平在深入推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)“要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，繼續(xù)推進(jìn)綠色發(fā)展，建設(shè)生態(tài)文明”[2]。湘西州地區(qū)作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)中的貧困地區(qū)，肩負(fù)了維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全的重大使命，還是國(guó)家西部經(jīng)濟(jì)開發(fā)、武陵山區(qū)區(qū)域發(fā)展與精準(zhǔn)扶貧攻堅(jiān)先行先試地區(qū)和中心地帶。在國(guó)家 “精準(zhǔn)扶貧”戰(zhàn)略實(shí)施下，湘西州已進(jìn)入脫貧攻堅(jiān)沖刺年，在重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)限制開發(fā)的情勢(shì)下，其脫貧難度更大，極易陷入發(fā)展與保護(hù)無法協(xié)調(diào)的兩難境地。因此，通過研究該區(qū)域的生態(tài)脆弱性，繼而劃分生態(tài)紅線，可以此作為協(xié)調(diào)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)。

作為一個(gè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)，自然地理環(huán)境本身的劣勢(shì)和長(zhǎng)期不合理的生產(chǎn)、生活方式給該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)帶來了雙重壓力和影響，特別是湘西州地區(qū)山地、丘陵廣布，降雨充沛，暴雨頻繁，加之坡耕地眾多，極易發(fā)生水土流失，不僅會(huì)對(duì)該區(qū)生態(tài)安全造成不利影響，還會(huì)增大長(zhǎng)江中下游環(huán)境治理的難度，因此無論從微觀還是宏觀角度來看，為了協(xié)調(diào)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)關(guān)系，研究湘西州生態(tài)脆弱性意義重大。本研究利用空間分析軟件提取坡度、土地利用類型等數(shù)據(jù)因子，綜合考慮湘西自治州經(jīng)濟(jì)貧困、人地矛盾突出的現(xiàn)狀，以壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建湘西州生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，繼而開展綜合性評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上規(guī)劃適宜開發(fā)區(qū)域、限制開發(fā)區(qū)，以期為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)綠色可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湘西自治州地處湖南省西北部，地形以山地、丘陵為主，地勢(shì)東南低，西北高，起伏較大；氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)性氣候，熱量豐富，降水充沛，時(shí)空分配不均，空間上北多南少，時(shí)間上集中在夏秋兩季；土壤以抗侵蝕能力較弱的紅黃壤為主。湘西州經(jīng)濟(jì)貧困，其所轄的8個(gè)市縣有7個(gè)縣均為國(guó)家級(jí)貧困縣，長(zhǎng)期粗放的生產(chǎn)模式和不利的氣候、土壤條件，導(dǎo)致水土流失和石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，環(huán)境承載能力低。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括：①湘西州2015—2018年分辨率為30 m的Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)；②湘西州分辨率為30 m的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)；③湘西州2015—2018年統(tǒng)計(jì)年鑒；④湘西州國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。由于研究中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)既有SHP格式的矢量數(shù)據(jù)和TIF格式的柵格數(shù)據(jù)，又有以縣域?yàn)閱挝坏慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為了方便后續(xù)的制圖，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的矢量化，影像數(shù)據(jù)的校正和裁剪，以及統(tǒng)一為WGS1984-UTM49N的坐標(biāo)系等。

2 研究方法

2.1 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

已有研究在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)大多考慮自然地理環(huán)境所表現(xiàn)出的顯性因子[3-10]，如坡度、高程、降雨侵蝕力等，對(duì)于人類活動(dòng)這種隱性因子考慮較少。事實(shí)證明，隨著人地矛盾越來越突出，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響更加劇烈[11]。雖然生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力能在一定程度上修正人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的消極影響以維持生態(tài)平衡，但一旦超出這個(gè)生態(tài)平衡閥值，這種消極影響就會(huì)表現(xiàn)出爆發(fā)性和不可逆性。此外，人們?cè)絹碓街匾暽鷳B(tài)環(huán)境和人居環(huán)境建設(shè)，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的積極影響也愈加顯著[11]。葉文虎等[12]認(rèn)為人與自然環(huán)境所組成的人地系統(tǒng)，是由人的生產(chǎn)子系統(tǒng)、物資生產(chǎn)子系統(tǒng)與環(huán)境生產(chǎn)子系統(tǒng)所組成。借鑒該分類方法，根據(jù)“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型思路[13-17]，本文從自然生態(tài)與人類活動(dòng)兩個(gè)角度構(gòu)建了生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

其中，壓力系統(tǒng)下分為生產(chǎn)壓力、資源利用壓力和人居環(huán)境壓力。生產(chǎn)壓力來自湘西的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和旅游商貿(mào)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，選取人均糧食產(chǎn)量和人均GDP為代表性指標(biāo)；資源利用壓力主要是土地資源和不可再生資源的利用帶來的壓力，故選取人均耕地面積和工業(yè)能源消耗量為代表性指標(biāo)；人居環(huán)境壓力則來自改善居住環(huán)境的訴求，故選取道路網(wǎng)密度和房屋工程建設(shè)面積為代表性指標(biāo)。

表1 湘西州生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系組合權(quán)重

狀態(tài)指標(biāo)反映生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)影響下所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)，據(jù)最新的湖南省水土流失遙感調(diào)查結(jié)果顯示，湘西州仍是中度和強(qiáng)烈水土流失集中分布的區(qū)域[18]，因此該地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況更多的表現(xiàn)在自然環(huán)境(地形、地表狀況、生物)方面?；诖耍匦我云露群透叱虨榇硇灾笜?biāo)；地表以降雨侵蝕力和土壤可蝕性為代表性指標(biāo)來指示土壤的水土流失情況[19]；生物指標(biāo)以生物豐度指數(shù)和森林覆蓋率作為代表性指標(biāo)。

響應(yīng)指標(biāo)是人類對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的破壞而采取的對(duì)策與措施，按照響應(yīng)途徑可分為生態(tài)響應(yīng)和政策響應(yīng)，考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和計(jì)算的簡(jiǎn)便性，采用人工造林面積占比指標(biāo)、污水處理率、生態(tài)功能保護(hù)區(qū)面積占比和環(huán)境保護(hù)支出占總財(cái)政支出的比重來反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的積極影響。

2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于原始數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級(jí)各異，無法直接進(jìn)行計(jì)算處理，并且數(shù)值過大在計(jì)算時(shí)會(huì)造成精度的損失，所以需對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以保證結(jié)果的可靠性?；诒狙芯康臄?shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇更適用于離散型數(shù)據(jù)的Max-Min標(biāo)準(zhǔn)化方法〔公式(1)—(2)〕進(jìn)行歸一化處理，使其值域統(tǒng)一為[0,1]。在16個(gè)指標(biāo)中，負(fù)向指標(biāo)包括生物豐度，植被覆蓋度，污水處理率，人工造林面積，環(huán)保支出占財(cái)政比重，生態(tài)功能保護(hù)區(qū)面積占比。

(1)

(2)

式中：Zij為i指標(biāo)下第j個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij為i指標(biāo)下第j個(gè)值；Ximax為第i個(gè)指標(biāo)中最大值；Ximin為第i個(gè)指標(biāo)中最小值。

2.3 AHP-熵權(quán)法定權(quán)重

本研究采用AHP-熵權(quán)組合法確定生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，既能考慮到專家經(jīng)驗(yàn)和區(qū)域特點(diǎn)，又能去除主觀隨意性。具體計(jì)算步驟如下：

(1) 層次分析法。按照“目標(biāo)層一系統(tǒng)層一指標(biāo)層”形式構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，采用傳統(tǒng)9標(biāo)度法，對(duì)系統(tǒng)層各元素和指標(biāo)層各元素重要程度進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣、進(jìn)行歸一化處理、求出最大特征值λmax，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)求得各指標(biāo)權(quán)重Awi=(aw1,aw2,…,awm)[20]。

(2) 熵權(quán)法。依據(jù)信息熵原理，對(duì)矩陣中各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值Zij進(jìn)行歸一化處理得到pij[21]。

(3)

式中：pij為i指標(biāo)下第j個(gè)值的歸一化值；Zij為熵權(quán)矩陣中i指標(biāo)下第j個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)化值,n為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)混亂程度計(jì)算i指標(biāo)信息熵Ei，求得各指標(biāo)熵權(quán)SWi=(sw1,sw2,…,swm)

(4)

(5)

式中：Ei為第i個(gè)指標(biāo)為信息熵；SWi為第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

(3) AHP-熵權(quán)組合法。利用拉格朗日乘法計(jì)數(shù)法確定各指標(biāo)AHP-熵權(quán)組合權(quán)重，最后進(jìn)行歸一化處理得到各指標(biāo)最終組合權(quán)重Wi=(u1,u2,…,ui)(表1)。

(6)

(7)

式中：ui為未歸一化前的組合權(quán)重；Wi為指歸一化后的組合權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

采用ArcGIS計(jì)算可得到各縣域的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)(如表2所示)，并用標(biāo)準(zhǔn)差表示各個(gè)縣域4 a的生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)的變化劇烈程度。

表2 2015-2018年湘西州生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)

3.1 生態(tài)脆弱性空間差異分析

近年來，國(guó)家越來越重視生態(tài)建設(shè)，在“綠色增長(zhǎng)”、“生態(tài)扶貧”等政策背景下，湘西州作為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)當(dāng)中的貧困縣，其生態(tài)環(huán)境是否脆弱的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與其他地域有所不同。對(duì)該地區(qū)展開生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)是為了深入了解當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境狀態(tài)，探究其生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互關(guān)系，并為政府部門制定相應(yīng)決策提供參考建議?？紤]到政府決策實(shí)施過程中具有嚴(yán)格的行政區(qū)劃特性，即決策的執(zhí)行力和影響力在各自行政區(qū)內(nèi)具有均質(zhì)性，為了使評(píng)價(jià)結(jié)果與政策實(shí)施保持空間一致性，在參考現(xiàn)有的生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)分類標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上[22-25]，依據(jù)湘西州生態(tài)環(huán)境具體特點(diǎn)，將生態(tài)脆弱綜合指數(shù)劃分成微度、輕度、中度、重度和極度脆弱5個(gè)等級(jí)(見表3)，進(jìn)而分析生態(tài)脆弱性的空間分布特征(見封2附圖10)。

生態(tài)脆弱性的空間分布格局歷年沒有太大變化，整體呈現(xiàn)出西高東低的特征(見封2附圖10)。2018年重度和極度脆弱區(qū)成片分布在龍山縣、保靖縣和吉首市。微度和輕度脆弱區(qū)主要分布在湘西東部的永順縣和古丈縣。

表3 2015-2018年湘西州生態(tài)脆弱性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及面積比例

永順縣和古丈縣在坡度和高程指標(biāo)上處于劣勢(shì)，但由于人為干擾程度低、物種豐富度高，在一定程度上緩解了地形因子所造成的負(fù)面影響。吉首市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集，人均GDP是其他縣市的5倍，其中工業(yè)生產(chǎn)總值對(duì)GDP貢獻(xiàn)率達(dá)35.8%，支柱產(chǎn)業(yè)是非金屬礦物制品業(yè)此“三高”產(chǎn)業(yè)，且吉首市是工業(yè)產(chǎn)出和能源消耗量最高的地區(qū)，卻是環(huán)境保護(hù)和治理投入最少的地區(qū)，環(huán)保支出占總財(cái)政支出0.79%，是其他市縣的1/10，此外吉首市的城鎮(zhèn)化水平高，交通建設(shè)和房屋工程建設(shè)面積是其它市縣的6倍，植被覆蓋率相比其他市縣低，最終導(dǎo)致吉首表現(xiàn)出極度脆弱。與此相反，鳳凰縣工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比例很低，文化旅游業(yè)占主導(dǎo)地位，憑借自身獨(dú)特的自然風(fēng)光和濃厚的古城風(fēng)貌發(fā)展旅游業(yè)，因而生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出輕度脆弱。相比人類活動(dòng)占主導(dǎo)影響因素的吉首市，龍山縣和保靖縣生態(tài)脆弱更多地受到自身自然地理環(huán)境的限制，兩縣分布在湘西西北邊陲，地勢(shì)高，山地多，平地少，地形起伏大，降水集中季節(jié)降雨侵蝕力高，且土壤主要為土層薄、有機(jī)質(zhì)含量低、抗侵蝕能力弱的紅色石灰土，土壤孔隙度較大，水土流失和石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，加之龍山縣和保靖縣農(nóng)業(yè)比重較大，受地形因素限制，為了滿足溫飽需要，不得不開墾產(chǎn)量較低的坡耕地，進(jìn)一步加劇了水土流失問題，此外保靖縣工業(yè)產(chǎn)品以電解鋅、硫酸、電解錳和陶瓷為主，“三廢排放量”大。

3.2 生態(tài)脆弱性時(shí)間變化特征分析

隨著時(shí)間的推移，微度脆弱區(qū)面積急速減少而重度脆弱區(qū)面積急速上升，生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)出向高脆弱等級(jí)方向發(fā)展(見圖1)。

其中微度脆弱的面積比例從2015年的37.46%下降到2018年19.86%，降幅達(dá)46.99%，重度和極度脆弱總面積較2015年增幅達(dá)到106.51%，分別增加了26.77%，11.78%。8市縣中變化幅度最大的是花垣縣和保靖縣，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)分別達(dá)到0.346和0.345。

圖1 2015-2018年湘西州生態(tài)脆弱性綜合指數(shù)變化

保靖縣生態(tài)脆弱性升高的原因已在上文列出，在此不作贅述。值得注意的是，花垣縣的生態(tài)脆弱性有所好轉(zhuǎn)，從2015年的重度脆弱下降到中度脆弱，主要緣于花垣縣礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)密集，礦業(yè)產(chǎn)值一度占據(jù)該縣生產(chǎn)總值的60%以上，但不規(guī)范開采和管理不當(dāng)造成的尾礦污染曾使得該區(qū)土壤污染和水污染嚴(yán)重，并引發(fā)了地面塌陷、山崩等地質(zhì)災(zāi)害，粗放型的工業(yè)經(jīng)營(yíng)模式使得該區(qū)生產(chǎn)效益低下，生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境問題日益嚴(yán)重，2010年花垣縣開始深入開展礦區(qū)污染整治工作，規(guī)范礦山開采秩序，關(guān)閉或者永久性封閉不合格尾礦庫，投入大量資金整治尾礦污染，建設(shè)礦區(qū)電子視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)施采空區(qū)移民搬遷，2016年該縣森林覆蓋率和污染源達(dá)標(biāo)排放率分別達(dá)到58.19%，97.37%。從花垣縣礦區(qū)治理和生態(tài)建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)來看，生態(tài)脆弱大多緣于不合理的人類活動(dòng)，而生態(tài)環(huán)境的改善又依賴于人類合理的規(guī)劃自己的行為活動(dòng)。

4 結(jié)論與建議

為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展，避免出現(xiàn)不考慮生產(chǎn)力發(fā)展和人居環(huán)境改善導(dǎo)致“返貧”，進(jìn)而增重生態(tài)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，陷入生態(tài)環(huán)境建設(shè)的惡性循環(huán)。在生態(tài)環(huán)境的治理工作中需遵循“三生共贏”理念，將環(huán)境效益外部化為生產(chǎn)效益，以良好的生態(tài)環(huán)境驅(qū)動(dòng)高效生產(chǎn)，形成良性互動(dòng)?；诖?，本研究綜合湘西州實(shí)際情況和研究結(jié)果，將湘西州劃分為西北生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，城市發(fā)展核心區(qū)，東部適宜開發(fā)區(qū)三大功能區(qū)，并對(duì)其生態(tài)和生產(chǎn)發(fā)展提出規(guī)劃建議(見圖2)。

圖2 湘西州分區(qū)狀況及其生態(tài)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃

無論是從生態(tài)脆弱性的正向發(fā)展還是負(fù)向發(fā)展來看，人類活動(dòng)都是生態(tài)脆弱性變化的主導(dǎo)因素。2015—2018年湘西州生態(tài)脆弱性變化顯著，總體上生態(tài)脆弱性向高等級(jí)方向發(fā)展，空間格局呈西高東低的分布特征，這與湘西州生態(tài)脆弱性的實(shí)際情況基本一致。在時(shí)間上，生態(tài)脆弱性總體呈逐年惡化趨勢(shì)，各縣域變化幅度存在差異，其中湘西州西部的龍山縣和保靖縣的生態(tài)脆弱性顯著增加。按照這種發(fā)展趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化將會(huì)限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增大后續(xù)扶貧工作的難度和任務(wù)量，甚至出現(xiàn)“返貧”現(xiàn)象。所以本區(qū)域要注重人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的積極影響，在加大扶貧力度的同時(shí)還需因地制宜地開展生態(tài)保護(hù)工作。由于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有區(qū)域性和綜合性，本研究生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要依據(jù)湘西州的生態(tài)環(huán)境狀況確定，缺乏橫向?qū)Ρ刃?。?quán)重賦值環(huán)節(jié)易受主觀因素影響，很難界定社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)生態(tài)脆弱性的貢獻(xiàn)度，該類型指標(biāo)與生態(tài)脆弱性的相關(guān)模型分析有待深入研究。