基于恢復(fù)力的半干旱礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險空間評估

吳秦豫，張紹良，楊永均，侯湖平,陳東興

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116; 3.山東省采煤塌陷地與采空區(qū)治理工程研究中心，山東 濟(jì)寧 272100)

2020年，中共中央政治局召開會議審議《黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，指出黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計，其中黃河流域中段的晉陜蒙煤炭基地眾多，面積達(dá)數(shù)千平方千米。煤炭開采導(dǎo)致大面積地表沉陷和地裂縫、地下水位下降、泉水干涸、河川基流量衰減和表生生態(tài)環(huán)境惡化等一系列環(huán)境問題[1]，生態(tài)保護(hù)和退化問題受到廣泛重視，現(xiàn)有的技術(shù)和方法還不能支撐黃河流域煤礦開采與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]，亟待實施空間精準(zhǔn)的生態(tài)退化控制與保護(hù)。

針對生態(tài)脆弱區(qū)大型煤炭基地的生態(tài)退化控制與保護(hù)問題，已經(jīng)有較多學(xué)者取得了研究成果。在煤炭開采的生態(tài)影響方面:有學(xué)者分析了不同地域礦區(qū)煤炭開采引起的生態(tài)效應(yīng)及地域分異現(xiàn)象[1];LIU等[3]研究了自然條件和采礦活動對干旱半干旱礦區(qū)植被變化的影響，發(fā)現(xiàn)地下水埋深是礦區(qū)植被生長的關(guān)鍵控制因素;侯湖平等[4]對煤礦區(qū)的植被碳儲量進(jìn)行測算，研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)碳儲量的平均值變化量與采礦生產(chǎn)能力呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān);在生態(tài)風(fēng)險控制方面:主要針對水這一關(guān)鍵生態(tài)要素，提出了控制方法。如，范立民[5]研究了榆神礦區(qū)工程地質(zhì)條件分區(qū)，為保水采煤方法選擇提供了地質(zhì)基礎(chǔ)依據(jù);李濤等[6]提出了基于采動分水嶺的地表水保水煤柱留設(shè)方法和采煤對地表徑流的影響方式，認(rèn)為在重點水體處應(yīng)合理留設(shè)煤柱保護(hù)地表水。在生態(tài)恢復(fù)方面:胡振琪[7]在分析采前地面地形特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦開采計劃，對地表動態(tài)沉陷過程進(jìn)行了模擬，分析煤炭開采影響下地面土地利用變化的動態(tài)過程，以確定復(fù)墾邊界，實現(xiàn)復(fù)墾空間精準(zhǔn)化;畢銀麗等[8]提出了通過接種叢枝根菌真菌提高煤矸石山復(fù)墾土地上的植被成活率;郭洋楠等[9]提出基于黃土溝壑區(qū)地形地貌建立溝道防護(hù)林，在溝道自上而下分為侵蝕區(qū)、流過區(qū)、沉積區(qū)3個不同地段，配合溝道內(nèi)的工程防護(hù)措施，分別布置不同林木保證礦區(qū)治理工程措施的正常運行。

然而，已有研究成果主要是針對水、土壤等單一生態(tài)要素展開的。地表生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)實際上是由環(huán)境因素和非環(huán)境因素共同決定的。這些關(guān)鍵因素作用結(jié)果體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力，即生態(tài)系統(tǒng)面臨擾動時保存其狀態(tài)的能力[10]。目前，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)力研究已有一些探索。在恢復(fù)力理論方面，有學(xué)者指出研究復(fù)墾區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)問題，需要考慮生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性(包括阻力、恢復(fù)力和持續(xù)力)，恢復(fù)力可用系統(tǒng)受擾動后恢復(fù)到平衡態(tài)所需時間表示[11]。也有學(xué)者提出恢復(fù)力在恢復(fù)半干旱礦山生態(tài)系統(tǒng)和創(chuàng)建可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用[12]。實現(xiàn)礦業(yè)社會-生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，需要從恢復(fù)力視角管理擾動和脆弱性[13]。在恢復(fù)力評估方面，有一些學(xué)者針對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力開展了實證研究，如以植被覆蓋度作為彈性分值，并結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性進(jìn)行評估[14]，也有學(xué)者在區(qū)域尺度上利用多因素加權(quán)方法解釋了礦區(qū)對自然與人為擾動的恢復(fù)力的空間差異[15]。綜合來看，構(gòu)建一個自維持、具有恢復(fù)力的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為礦山生態(tài)修復(fù)實踐的普遍需求。然而，現(xiàn)有的礦區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)規(guī)劃還較少考慮恢復(fù)力。筆者通過定量評估恢復(fù)力，進(jìn)而識別礦山生態(tài)退化風(fēng)險，有助于在礦區(qū)尺度上制定精準(zhǔn)的生態(tài)保護(hù)與退化控制措施。

為此，筆者基于改進(jìn)的突變級數(shù)法，考慮生態(tài)系統(tǒng)多個關(guān)鍵參數(shù)及其作用關(guān)系，開展恢復(fù)力空間評估，并基于不同生態(tài)系統(tǒng)類型的恢復(fù)力指數(shù)劃分退化風(fēng)險等級，為黃河流域煤炭基地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省神木市位于黃河流域中段，晉陜蒙3省交界處，東臨黃河，地理位置為東經(jīng)109.62°～101.93°，北緯38.20°～39.45°?？偯娣e7 470 km2。

神木市地理區(qū)位表現(xiàn)出明顯的過渡性。以明長城為界，明長城以南主要為丘陵溝壑區(qū)，明長城以北主要為風(fēng)沙草灘區(qū)。市內(nèi)擁有豐富的地形地貌類型，包括沙地、丘陵、高原、草灘、湖泊等(圖1)。市內(nèi)年均氣溫8.6 ℃，年均降水量425.5 mm，年際差異很大。70%的降水集中在7—9月，屬于半干旱氣候。

圖1 神木市的地理區(qū)位Fig.1 Geographical location of Shenmu City

神木市境的河流有黃河、窟野河和由流入紅堿淖河流組成的內(nèi)陸水系?？咭昂优c禿尾河以黃河峽谷為其侵蝕基準(zhǔn)，在新構(gòu)造上升的配合下，河流下切劇烈，有些河段已切入基巖。黃河在地質(zhì)因素控制下，河床切入三疊系。在黃河及水土流失等因素影響下，河流多泥沙。

神木市土壤類型以風(fēng)沙土和黃綿土為主，風(fēng)沙土主要分布在縣域北部及西北部的風(fēng)沙草灘區(qū)，土壤結(jié)構(gòu)松散，受風(fēng)蝕影響成土過程不穩(wěn)定，容易形成沙化。該地區(qū)的植被以沙生植物和隱喻性植被為主，主要有沙蒿、沙柳、楊柴等。黃綿土主要分布在縣域東南部黃土丘陵地區(qū)，土質(zhì)綿軟松散，有機(jī)質(zhì)含量低，容易受水蝕和風(fēng)蝕影響，土壤侵蝕情況嚴(yán)重。該區(qū)域多分布草本植物，優(yōu)勢種主要有沙蔥、早熟禾、爾泰狗娃花等，生態(tài)脆弱。

神木市煤炭主要分布在縣境西北部，儲煤面積達(dá)4 500 km2，占全縣總面積的59%。其中富煤區(qū)的煤炭儲量超過1 000萬t/km2，探明儲量450億t。2019年底，全市共有各類煤礦115處，設(shè)計生產(chǎn)能力2.95億t/a，形成產(chǎn)能2.55億t/a。

1.2 研究方法

1.2.1生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力理論

恢復(fù)力(Resilience)的起源是拉丁文resilio，表示再次跳回的動作。自20世紀(jì)70年代以來，恢復(fù)力的概念被延伸為系統(tǒng)在壓力下恢復(fù)到最初原始狀態(tài)的能力。HOLLING[16]最先將恢復(fù)力引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，他對恢復(fù)力做出的定義為:系統(tǒng)吸納狀態(tài)變量、驅(qū)動變量和參數(shù)變化，并持續(xù)存在的能力。

恢復(fù)力是礦山生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性，使之在有限強(qiáng)度的擾動后，系統(tǒng)具有的恢復(fù)到平衡點、保持原狀態(tài)和定性結(jié)構(gòu)的能力。恢復(fù)力的產(chǎn)生原因是系統(tǒng)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且是自組織的，在面臨擾動時表現(xiàn)出自維持能力。參數(shù)變量決定了恢復(fù)力大小，其閾值空間是測度恢復(fù)力的直接指標(biāo)[10]。

當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)遭受的擾動超過了一定閾值，任何生態(tài)系統(tǒng)都可能受到破壞而進(jìn)入另一種不理想或者不可逆的狀態(tài)。這種生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生的與原有平衡狀態(tài)或進(jìn)化方向相反的躍遷，就是生態(tài)系統(tǒng)的退化。因此，恢復(fù)力為評估生態(tài)系統(tǒng)的退化風(fēng)險奠定了基礎(chǔ)。

1.2.2生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價指標(biāo)

生態(tài)系統(tǒng)包括地形、土壤、植被和水文等環(huán)境要素，這些要素決定了生態(tài)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)與恢復(fù)力，因此本文從中選擇有效指標(biāo)來刻畫恢復(fù)力。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力理論，結(jié)合神木市的實際情況，綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)多變量之間的相互控制關(guān)系，筆者選取的指標(biāo)見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價指標(biāo)含義、表達(dá)因素與數(shù)據(jù)來源Table 1 Meaning,expression factors and data sources of evaluation indicators for ecosystem resilience

坡向、坡度是地形條件的表達(dá)指標(biāo)。研究區(qū)溝壑縱橫，植被蓋度低，氣候干燥地表蒸發(fā)量大，煤礦開采引起的地表沉陷會導(dǎo)致地表垂直變形和水平變形，從而改變地表的坡向和坡度。坡向通過影響光照、溫度及土壤養(yǎng)分進(jìn)而影響群落植物種的組成和分布。坡度則決定了水土流失的程度，從而影響土壤的質(zhì)量。進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)在擾動后恢復(fù)的能力。

土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對植被的生長起著最直接的作用，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為土壤質(zhì)量直接有效的表達(dá)指標(biāo)。神木市南部受到地形限制，人口耕作集中于河谷川道，長期培肥使土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升，而被不穩(wěn)定風(fēng)沙土所覆蓋的丘陵區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則較低。北部大規(guī)模煤炭資源開發(fā)、運輸?shù)然顒右矊?dǎo)致周圍土壤受到不同程度的重金屬累積性污染，可改變土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率，影響土壤有機(jī)質(zhì)的積累與分配。進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力。

水文條件是半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最大的制約因素。神木市風(fēng)沙區(qū)地形平坦不易形成地表徑流，河谷川地的匯水能力則較強(qiáng)，土壤水分含量較高。煤礦開采導(dǎo)致的地裂縫和挖損引起地下水位下降，土壤濕度減小。土壤水分條件對植被養(yǎng)分吸收具有顯著影響，因此選擇土壤濕度指數(shù)作為水文條件的表達(dá)指標(biāo)。

植被蓋度和多樣性可以作為植被條件的表達(dá)指標(biāo)。采煤塌陷直接導(dǎo)致植被景觀被破壞，導(dǎo)致地表變形而產(chǎn)生地下水位改變、土壤侵蝕、水土流失，間接阻礙植被對水分和養(yǎng)分的吸收，破壞植被生長。生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境變化的恢復(fù)力是由其生物和自然資源決定的，隨著植被蓋度的下降，區(qū)域維持水分存儲和養(yǎng)分循環(huán)的能力降低，恢復(fù)力水平就越低。而植被多樣性則意味著可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)包含著多種功能群，為生態(tài)系統(tǒng)提供一定程度的功能冗余。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)面臨物種喪失或環(huán)境變化時，功能冗余通過維持生產(chǎn)力的方式提供恢復(fù)力。多樣性可用Simpson指數(shù)表示。

1.2.3數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除量綱與量綱單位的影響，在決策與排序之前，應(yīng)首先將評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理[17]，即數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。植被種類越多、覆蓋度越大、土壤有機(jī)質(zhì)和水分含量越高的生態(tài)系統(tǒng)抵御外界脅迫的能力越大，地形起伏度越小的生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力也越大，因此，可將恢復(fù)力替代指標(biāo)分為“效益型”與“成本型”，其標(biāo)準(zhǔn)化方法分別為

式中,Cjmax,Cjmin分別為第j個指標(biāo)的最大值和最小值;Ci-j為第j個指標(biāo)的第i個屬性值。

1.2.4均方差決策法

突變級數(shù)法避免了其他評價方法需要主觀確定權(quán)重的問題，但仍需對指標(biāo)給予重要性排序，筆者采用均方差決策法確定恢復(fù)力指標(biāo)的權(quán)重對突變級數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)。均方差決策法是一種客觀賦權(quán)方法，不依賴人的主觀判斷，具有概念清晰、計算簡便的特點。設(shè)多指標(biāo)綜合評價問題中方案集合為A={A1,A2,…,An}，指標(biāo)集為G={G1,G2,…,Gn}。若指標(biāo)Gn對所有決策方案而言均無差別，則其對方案決策和排序不起作用，可令其權(quán)系數(shù)為0，若指標(biāo)Gj使所有決策方案的屬性值存在較大差異，則其對方案決策與排序?qū)⑵鹬匾饔茫瑧?yīng)給予較大的權(quán)數(shù)。即在多指標(biāo)決策與排序的情況下，各指標(biāo)相對權(quán)重系數(shù)的大小取決于在該指標(biāo)下各方案屬性值的相對離散程度，離散程度越大，權(quán)系數(shù)越大。均方差決策法確定評價指標(biāo)離散程度最常用的指標(biāo)是均方差。首先求出各方案在各指標(biāo)下無量綱化屬性值的均方差，公式為

(3)

(4)

其中，Pi-j為網(wǎng)格i中指標(biāo)j的比例；k=1/lnn滿足ej≥0，x′i-j為網(wǎng)格i中指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化值；ej為指標(biāo)j的熵值。得到所有網(wǎng)格對第j個指標(biāo)的總貢獻(xiàn)值，將其歸一化，結(jié)果即為各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

1.2.5突變級數(shù)法

采用突變級數(shù)法評價生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力。突變理論研究系統(tǒng)在不同穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象與規(guī)律，是將系統(tǒng)的質(zhì)變用數(shù)學(xué)模型描述出來，幫助人們認(rèn)識并理解系統(tǒng)發(fā)生變化或者突然中斷的現(xiàn)象[18]。突變級數(shù)法是在突變理論的基礎(chǔ)上，與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生模糊隸屬函數(shù)，從而進(jìn)行多目標(biāo)評價的一種研究方法。

由于生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)制，任何外部干擾都可能導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)的突變，進(jìn)入到管理者所不希望的狀態(tài)[19]，生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)是由多種因素相互控制關(guān)系決定的，恢復(fù)力描述了系統(tǒng)在面臨擾動時保存這種綜合狀態(tài)的能力。突變級數(shù)法可以定量刻畫多因素對系統(tǒng)綜合狀態(tài)的作用，因而，突變級數(shù)法適用于評價生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力。根據(jù)恢復(fù)力替代指標(biāo)的變化特點，選擇3種突變模型，分別為尖點突變系統(tǒng)，燕尾突變系統(tǒng)與蝴蝶突變系統(tǒng)，模型結(jié)構(gòu)見表2，每個指標(biāo)的突變模型見表3。

表3 生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價的突變模型Table 3 Catastrophe model of ecological resilience evaluation

表2中，f(x)是系統(tǒng)中的一個狀態(tài)變量勢函數(shù);a,b,c,d為勢函數(shù)的系數(shù)，表示該狀態(tài)變量的控制變量。2者是相互矛盾的，但是2者相互作用相互牽制。

表2 突變模型結(jié)構(gòu)Table 2 Structure and icon of mutation model

由于x,a,b,c和d取值不統(tǒng)一，也為了計算方便，需要將狀態(tài)變量與控制變量的取值限制在0～1，通過對分叉集進(jìn)行變化和推導(dǎo)得到歸一公式。歸一公式最終歸統(tǒng)一參數(shù)同一狀態(tài)。

尖點突變歸一化公式為

xa=a1/2,xb=b1/3

燕尾突變歸一化公式為

xa=a1/2,xb=b1/3,xc=c1/4

蝴蝶突變歸一化公式為

xa=a1/2,xb=b1/3,xc=c1/4,xd=d1/5

恢復(fù)力指數(shù)計算規(guī)則:若變量之間存在相關(guān)性，則遵循計算指標(biāo)平均值的“互補(bǔ)原則”，否則遵循取最小指標(biāo)值的“非互補(bǔ)原則”。隨后還需要自下而上進(jìn)行遞歸運算，以隸屬函數(shù)的綜合值進(jìn)行全面的評估與分析，取其平均值作為恢復(fù)力指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1評價指標(biāo)的空間格局

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間分辨率不一，為了相互匹配，借助ArcGIS的空間重采樣方法獲得1km分辨率的指標(biāo)集，雖然最小單元尺寸的增加伴隨著平均作用，但是從總體空間格局來看，這種平均作用所帶來的誤差是可以接受的。

神木市的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高值分布在北部沙漠草灘區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍高于0.8%，其次是北部土山石區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%左右，低值分布在中部的黃土丘陵區(qū)。地統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，神木市土壤有機(jī)質(zhì)分布屬正偏態(tài)分布，偏度為1.45，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的區(qū)域分布廣。

神木市植被蓋度高的區(qū)域位于中部的丘陵溝壑區(qū)及南部的沙漠草灘區(qū)，北部的土山石區(qū)較低。地統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地表植被蓋度的均值為60.07%，分布為正偏態(tài)，偏度為0.44，低覆蓋區(qū)域面積大。覆蓋度大于50%的區(qū)域僅為14.8%，大部分位于最南部的草灘區(qū)。該區(qū)地勢起伏不大，灘地地下水與地表水補(bǔ)給充足，是神木市農(nóng)牧業(yè)的集中區(qū)域。

神木市植物多樣性高值區(qū)分布在中部黃土丘陵溝壑區(qū)和南部河谷川道區(qū)，低值處位于北部沙漠草灘區(qū)。地統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)每平方米Simpson指數(shù)的均值為0.44，屬于負(fù)偏態(tài)，偏度為-0.32，說明多樣性較高的區(qū)域所占面積較大。

神木市的水文條件通過土壤濕度指數(shù)表達(dá)，高值區(qū)主要分布在河流、濕地以及匯水能力較強(qiáng)的溝谷地帶。通過地統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤濕度指數(shù)分布屬正偏態(tài)分布，偏度為1.36，土壤濕度指數(shù)低的區(qū)域分布較廣。

神木市東南部土山石區(qū)山大溝深，地面傾斜度大，沿河谷兩岸地形狹窄、山體陡峭，山體朝向多為北、西北、西。中部丘陵溝壑區(qū)梁多峁少。梁面呈魚脊形，以10°～20°向兩側(cè)溝谷傾斜。溝邊緣線以下谷坡陡峭。北部沙漠草灘區(qū)地勢較為平坦。

各評價指標(biāo)的空間格局如圖2所示。

圖2 研究區(qū)生態(tài)指標(biāo)的分布格局Fig.2 Distribution pattern of ecological indicators in the study area

2.2生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力空間分布

利用均方差決策法分別計算表4中指標(biāo)的權(quán)重，準(zhǔn)則層中，植被、水文、地形、土壤均方差分別為0.47，0.33，0.18，0.02。地形指標(biāo)中，坡向和坡度的權(quán)重分別為0.72，0.28，植被指標(biāo)中，多樣性和植被蓋度分別為0.63，0.37。據(jù)此，利用突變級數(shù)法的歸一化公式和“平均值原則”計算得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)，結(jié)果如圖3(a)所示。

從圖3(a)可以看出，神木市恢復(fù)力指數(shù)的高值區(qū)主要分布在匯水條件好、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的河谷川地。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)上來看，爾林兔鎮(zhèn)、大堡當(dāng)鎮(zhèn)、中雞鎮(zhèn)和孫家岔鎮(zhèn)的恢復(fù)力水平較高，馬鎮(zhèn)、麻家塔鎮(zhèn)的水平較低。地統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)恢復(fù)力指數(shù)的平均值為0.18，數(shù)據(jù)分布屬于正偏態(tài)，偏度為0.59，恢復(fù)力指數(shù)較低的區(qū)域面積大?；謴?fù)力指數(shù)大于0.5的區(qū)域不到10%，說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力總體不強(qiáng)，生態(tài)脆弱。

圖3 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)與生態(tài)退化風(fēng)險等級Fig.3 Ecosystem resilience index and ecological degradation risk grade in the study area

2.3生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險分區(qū)

一般情況下，在生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)多樣性越好、生態(tài)冗余越多，對外界干擾和脅迫的抵抗能力越強(qiáng)[20]，恢復(fù)力指數(shù)就越大，生態(tài)退化風(fēng)險就越低。從整體上來看，恢復(fù)力指數(shù)越大意味著恢復(fù)力越強(qiáng)，但是對于不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，在面臨同種強(qiáng)度的干擾時，其退化風(fēng)險不同?；诖?，根據(jù)恢復(fù)力指數(shù)對不同的生態(tài)系統(tǒng)類型劃分了生態(tài)系統(tǒng)的退化風(fēng)險等級。

根據(jù)中國科學(xué)院環(huán)境保護(hù)部2015年發(fā)布的《全國生態(tài)功能區(qū)劃》，神木市的主要生態(tài)類型包括草原、荒漠、森林、濕地。

根據(jù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化實際情況[21-23]，確定了神木市不同類型生態(tài)系統(tǒng)各評價因子的分級標(biāo)準(zhǔn)，見表4。根據(jù)以上確定的神木市生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，利用突變級數(shù)方法得到的不同退化風(fēng)險等級的最小恢復(fù)力指數(shù)，可得到神木市生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險評價等級標(biāo)準(zhǔn)，見表5，計算出的評價值范圍在0～1，1表示最佳狀態(tài)，0表示最差狀態(tài)。由圖3(b)可以看出生態(tài)退化風(fēng)險在空間上相間分布，自西向東，由南向北呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢。其中3級中等退化風(fēng)險區(qū)范圍最大，占32.05%，5級和4級嚴(yán)重退化風(fēng)險區(qū)次之，分別占19.94%和16.71%，1，2級輕微風(fēng)險區(qū)最少，分別占6.95%和11.93%。從區(qū)域上看，退化風(fēng)險等級由高到低排序為風(fēng)沙草灘區(qū)>黃土丘陵區(qū)>黃河沿岸土山石區(qū)。研究區(qū)不同類型的生態(tài)系統(tǒng)的退化風(fēng)險差異很大，荒漠生態(tài)系統(tǒng)的退化風(fēng)險等級整體較高，說明植被蓋度與土壤水分是引起生態(tài)退化的關(guān)鍵因素。濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化風(fēng)險整體較低。占研究區(qū)總面積75%的草原生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)受地形與土壤的影響，退化風(fēng)險在空間上的分布特征為溝谷低，山脊及梁峁高。

表4 神木市典型生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險評價指標(biāo)分值Table 4 Degradation risk assessment index scores of typical ecosystems in Shenmu City

表5 基于恢復(fù)力指數(shù)的生態(tài)退化風(fēng)險等級Table 5 Ecological degradation risk grade resilience value

3 討 論

3.1礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的評估

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的評估已經(jīng)有了一些研究和實踐，例如，選擇植被蓋度作為神東礦區(qū)遙感監(jiān)測和土地沙化評估分析的定量因子[24]，用MODIS影像監(jiān)測神東礦區(qū)土地濕度變化，以此判別采礦擾動地表程度[25]。也有學(xué)者通過原位測試和遙感研究了煤礦開采導(dǎo)致的潛水水位變化及其生態(tài)影響[26]?？梢钥闯觯延械难芯砍晒饕轻槍χ脖?、土壤、地下水等單一生態(tài)要素展開的。在評估方法方面，目前運用較多的包括層次分析法[27]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[28]、模糊評價法[29]等。地表生態(tài)系統(tǒng)實際上是由環(huán)境因素和非環(huán)境因素共同決定的，對于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價這類多指標(biāo)集成問題，無論采用何種技術(shù)，只有減少權(quán)重賦值的主觀性才能體現(xiàn)評價結(jié)論的科學(xué)性。

筆者在基于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力，識別生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的決定因素，統(tǒng)籌考慮生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，多變量之間的相關(guān)性以及生態(tài)系統(tǒng)突變型，確定了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評價指標(biāo)。并選擇突變級數(shù)法進(jìn)行綜合評估，它只需要按照指標(biāo)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系對其重要程度進(jìn)行排序，避免了直接使用難以確定且主觀性較大的權(quán)重系數(shù)。此外，該方法有效的考慮了生態(tài)系統(tǒng)這類內(nèi)部機(jī)理未知的復(fù)雜大系統(tǒng)多變量之間的控制關(guān)系和綜合狀態(tài)。對比國內(nèi)外研究，有學(xué)者采用RRM模型評價神木縣土地整治規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險[30]，也有學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素進(jìn)行評估，比如通過植被變異系數(shù)檢測毛烏素沙地東南緣的2000—2018年的植被覆蓋變化特征[31]，采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型構(gòu)建了西部干旱礦區(qū)的土壤侵蝕因子等[32]，均反映了東南高、西北低的分布趨勢，和本文的總體趨勢一致。而筆者采用多因素綜合評價，并按照不同的生態(tài)系統(tǒng)類型劃分退化風(fēng)險等級，更加精細(xì)地反映了不同地形、生態(tài)系統(tǒng)類型的退化風(fēng)險空間格局。

在受到干擾時，生態(tài)系統(tǒng)具有自組織能力，通過自組織恢復(fù)到原有的狀態(tài)或進(jìn)入新的狀態(tài)。但是如果外來干擾超過一定的限度，任何生態(tài)系統(tǒng)都可能受到破壞而進(jìn)入另一種不同的狀態(tài)。另外，生態(tài)系統(tǒng)原有狀態(tài)下恢復(fù)力的喪失而導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，常轉(zhuǎn)入不理想或不可逆的狀態(tài)。這種生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生的與原有平衡狀態(tài)或進(jìn)化方向相反的躍遷，就是生態(tài)系統(tǒng)的退化。筆者計算的恢復(fù)力指數(shù)本質(zhì)上是多個指標(biāo)的綜合值。從宏觀角度來看，恢復(fù)力指數(shù)越高就代表生境條件越好，受到擾動與脅迫時就越不容易發(fā)生退化。但是，不同類型的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化的恢復(fù)力閾值不同，一般而言，在生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)級的生物種類越多，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對外界干擾和脅迫的抵抗能力就越強(qiáng);比如在水蝕、風(fēng)沙等不利自然因素的影響下，林地比草地有更強(qiáng)的抵抗能力?；诖?，筆者提出了生態(tài)系統(tǒng)退化風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的生態(tài)系統(tǒng)類型來確定生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化時的恢復(fù)力指數(shù)閾值，例如相同的恢復(fù)力指數(shù)，荒漠比林地的退化風(fēng)險更大。

未來的研究應(yīng)集中在礦區(qū)退化風(fēng)險的控制與保護(hù)方面，基于生態(tài)退化風(fēng)險的評價結(jié)果，針對各個區(qū)域影響恢復(fù)力的關(guān)鍵因素，開發(fā)保護(hù)修復(fù)的具體措施與方法，在空間上組合使用，達(dá)到礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的最終目的。

3.2 生態(tài)退化風(fēng)險評估的應(yīng)用

研究區(qū)內(nèi)的神府新民礦區(qū)和榆神礦區(qū)自下而上共有10余層可采及局部可采煤層，位于含煤巖層上部的2-2煤層為該區(qū)域主要開采煤層，該煤層厚度為0.26～12.50 m，平均厚6.50 m(圖4(a))，煤層埋深特征的為東淺西深，大部分煤層埋藏深度小于150 m，煤層上層覆蓋的基巖厚度小于100 m，屬于典型的淺埋藏煤層(圖4(b))。

圖4 神木市礦區(qū)2-2煤層厚度及埋藏深度分布與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)措施Fig.4 Spatial pattern of coal seam thickness and burial septh in the mining area and Ecosystem protection measures in mining areas of Shenmu City

根據(jù)研究區(qū)的最主要開采煤層賦存規(guī)律，結(jié)合生態(tài)退化風(fēng)險評價結(jié)果，對礦區(qū)生態(tài)進(jìn)行保護(hù)與控制。溝谷地帶因水源充足生境條件好，退化風(fēng)險較低，應(yīng)當(dāng)持續(xù)保護(hù)。煤層埋深<100 m或者在100～200 m，生態(tài)退化風(fēng)險達(dá)到4,5級的高風(fēng)險區(qū)劃分為人工引導(dǎo)修復(fù)區(qū)。這種區(qū)域煤層與地表之間的距離過近，且地下含水層不連續(xù)，采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到含水層底部直達(dá)地表，引起地表生態(tài)惡化。煤炭資源開發(fā)、運輸?shù)然顒右矊?dǎo)致周圍土壤受到重金屬不同程度的累積性污染。生態(tài)系統(tǒng)受到的擾動已經(jīng)或?qū)⒁^其所能承受的閾值，生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力部分或完全喪失，生態(tài)系統(tǒng)的退化程度比較嚴(yán)重?？梢约訌?qiáng)物理手段進(jìn)行干預(yù)，注重土壤和植被這些關(guān)鍵要素的保護(hù)，開展土壤改良、植被重建等，通過土地復(fù)墾工程技術(shù)的手段幫助極度退化的工礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建。生態(tài)退化風(fēng)險等級為1～3級的低風(fēng)險區(qū)主要分布在新民礦區(qū)、榆神礦區(qū)東源，這種區(qū)域薩拉烏蘇組厚度小，分布不連續(xù)，地下水貧乏，采后通過簡單充填、平整后即可恢復(fù)。生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力較強(qiáng)，可以通過生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)，本研究劃分的礦區(qū)控制與保護(hù)分區(qū)如圖4(c)所示。

4 結(jié) 論

(1)以黃河岸邊的陜西省神木市為研究區(qū)，構(gòu)建了基于GIS和突變級數(shù)的煤炭基地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評估方法，提出了不同生態(tài)系統(tǒng)類型的退化風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)進(jìn)行了退化風(fēng)險分區(qū)，制定了生態(tài)退化風(fēng)險控制保護(hù)的分區(qū)與策略。

(2)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)空間分布表明，這里大部分區(qū)域生態(tài)脆弱，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)很低，僅溝谷地帶及零星的植被高覆蓋度區(qū)指數(shù)較高。

(3)研究區(qū)生態(tài)退化的風(fēng)險等級自西向東、由南向北逐漸增大，中高風(fēng)險區(qū)面積大?？梢?，黃河流域中段的晉陜蒙煤炭基地受到氣候與采礦雙重擾動，生態(tài)環(huán)境脆弱，應(yīng)成為黃河流域重點生態(tài)保護(hù)區(qū)，需要制定空間精細(xì)化的生態(tài)保護(hù)與退化控制策略。

(4)根據(jù)研究區(qū)內(nèi)主要開采煤層的賦存規(guī)律，對生態(tài)退化風(fēng)險的評估結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用，將礦區(qū)劃分為人工引導(dǎo)修復(fù)區(qū)、溝谷保護(hù)區(qū)與自然恢復(fù)區(qū)。