礦產資源開發(fā)視角下基于SRP模型的秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價

郭 梨,李冰潔,楊 震

(西安建筑科技大學資源工程學院,陜西 西安 710055)

黨的十九大報告提出了“人與自然是生命共同體”的科學論斷[1]。十九屆五中全會指出“強化國土空間規(guī)劃和山水林田湖草系統治理將成為十四五時期的重大舉措”[2]。自此,“人與自然是生命共同體”的理念得到進一步闡述與延伸。我國學者主要從自然科學的角度對山水林田湖生命共同體的科學內涵、修復治理的實踐路徑與效益以及健康評價等方面展開了研究[3-6],但針對生命共同體生態(tài)脆弱性的相關研究不足,尤其對于秦嶺這種特殊區(qū)域的生命共同體生態(tài)脆弱性的研究更為鮮見。1905年,生態(tài)學家Clements[7]首次將生態(tài)過渡帶這一概念引入生態(tài)學。20世紀60年代起,國際生物學計劃(IBP)、人與生物圈計劃(MAB)和生物圈計劃(IGBP)開始對生態(tài)脆弱性進行重點研究[8]。我國對生態(tài)環(huán)境脆弱性的研究起步相對較晚,1989年牛文元[9]對生態(tài)環(huán)境脆弱帶這一概念進行定義。目前生態(tài)脆弱性方面的研究主要圍繞系統敏感性與外部影響之間的關系、人地系統的適應性、生態(tài)修復等展開[10-13],而研究區(qū)域主要集中在干旱半干旱區(qū)[14]、水庫區(qū)[15]、河流[16]、山區(qū)[17]等環(huán)境惡劣或者受人類活動干擾的地區(qū)。

秦嶺是中國南北的地理分界線,擁有多樣的生物資源和水資源,是陜西乃至全國重要的生態(tài)功能區(qū)。采掘業(yè)作為對生物圈各要素破壞程度最大的行業(yè),嚴重破壞了秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,如重金屬污染、水土流失、森林資源減少和地下水枯竭等生態(tài)問題正嚴重影響著人與自然的安全和諧。如何在資源開采的同時保護好秦嶺生態(tài)環(huán)境,促進人與自然“生命共同體”的健康發(fā)展,是需要長期關注的問題。

本文從山水林田湖出發(fā),根據山水林田湖系統在秦嶺地區(qū)的典型性,對礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”內涵與外延進行定義,并基于生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復力-生態(tài)壓力度(SRP)模型構建秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價指標體系,采用主成分分析法對秦嶺“生命共同體”2013年、2017年、2020年3期生態(tài)脆弱性進行定量評價,揭示秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性的時空分布特征,并分析主要驅動因子,為解決秦嶺礦產資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾、促進秦嶺地區(qū)的健康持續(xù)發(fā)展提供理論支持。本文的研究范圍為秦嶺陜西段,包括西安市、寶雞市、渭南市、漢中市、安康市和商洛市6個地級市,總面積達11.13萬km2,海拔多在1 000 m以上,南北氣候呈現顯著差異,北坡為暖溫帶氣候,南坡為亞熱帶氣候,多樣的氣候造成了多樣的物種,植被、景觀分界明顯。

1 秦嶺“生命共同體”概念模型

山水林田湖生命共同體是由山、水、林、田、湖等多種要素構成的有機統一整體,揭示了人與自然的內在關系。人類生活在有山、有水、有林、有田、還有湖的生態(tài)系統中,人的命脈在田,田的命脈在水,水的命脈在山,山的命脈在土,土的命脈在樹,這一觀點體現了生命共同體的自然規(guī)律以及協調關系。秦嶺地區(qū)多以山地、林地為主,不加保護的開發(fā)和礦山地質環(huán)境歷史遺留問題造成土地侵蝕嚴重、植被退化和山體滑坡。而山體受損一定程度上會影響森林資源,森林具有涵養(yǎng)水源、保持水土、防護農田的重要作用,森林受損會加劇水土流失。山是江河之源,秦嶺地區(qū)水資源豐富,河流密布,其生態(tài)意義在于涵養(yǎng)水源、供給水,但水資源與經濟社會和生態(tài)環(huán)境的空間布局還不平衡,發(fā)展與自然相互割裂的狀況依然存在。河湖水庫是水資源利用的主要表現形式,主要作用于生活供水、農田灌溉以及改善生態(tài)等方面,同時水資源及河湖水庫又是耕地、水田發(fā)展的基礎,耕地面積是保證農業(yè)發(fā)展的前提,反之,農田用水影響水資源的質量,導致水污染這一問題。山水林田湖服務于人類,同時又受人類活動的影響。將“人”納入生命共同體中體現了人與自然和諧的根本,為實現人與自然和諧共生提供支撐。

秦嶺地區(qū)擁有豐富的礦產資源,礦產資源不合理的開發(fā)利用已經嚴重破壞了秦嶺生態(tài)安全。礦山開采活動在促進經濟發(fā)展的同時會對秦嶺生態(tài)環(huán)境產生脅迫作用,生態(tài)環(huán)境的惡化會制約秦嶺地區(qū)的礦產資源開發(fā)和經濟發(fā)展,而良好的生態(tài)環(huán)境會提高礦山經濟效益,減少安全事故。經濟發(fā)展一方面會增加礦山開采和環(huán)境治理的資金投入,另一方面會加大對資源與環(huán)境的需求,造成生態(tài)壓力。

本文基于礦產資源開發(fā)這一視角,對受人類從事礦產資源開發(fā)活動影響的秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性進行分析。秦嶺“生命共同體”的內涵,一方面是在礦山開采活動的影響下,山水林田湖自然系統在秦嶺地區(qū)表現出的特性,在這一基礎上與社會經濟系統進行融合,共同構成“社會—經濟—生態(tài)”這一復雜系統;另一方面,從國土空間的角度出發(fā),礦產資源的不合理開采直接影響著生態(tài)空間、農業(yè)空間和城鎮(zhèn)空間的和諧健康發(fā)展,礦產資源系統是秦嶺“生命共同體”中不可或缺的部分,以上構成了秦嶺“生命共同體”,如圖1所示。

圖1 秦嶺“生命共同體”概念模型Fig.1 Conceptual model of “l(fā)ife community” in Qinling Mountains

從秦嶺“生命共同體”的內涵與外延出發(fā),參考不同研究者構建的生態(tài)脆弱性評價指標體系[18-19],考慮生命共同體系統的資源總量、帶來的社會經濟效益等,并結合礦產資源開發(fā)這一特殊背景,對秦嶺“生命共同體”的組成要素進行分析,其結果如圖2所示。

圖2 秦嶺“生命共同體”組成要素Fig.2 Elements of “l(fā)ife community” in Qinling Mountains

2 秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價

2.1 評價指標體系構建

生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復力-生態(tài)壓力度(ecological sensitivity-ecological recovery-ecological pressure model,SRP)模型是用于評價特定區(qū)域生態(tài)脆弱狀態(tài)的模型[20],針對某一時段下的特定區(qū)域,該系統會對內外干擾表現出敏感性,同時會對內外壓力進行自我調節(jié),從而使系統呈現出恢復力。

SRP模型考慮了自然生態(tài)與社會經濟系統之間的相互作用,本文參考相關學者的研究成果[21-23],并根據前文對秦嶺“生命共同體”概念模型的分析結果,從生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復力和生態(tài)壓力度這三個層面對秦嶺“生命共同體”的組成要素進行分類,構建了礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性的評價指標體系,如圖3所示。

圖3 礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of ecological vulnerability of “l(fā)ife community” in Qinling Mountains from the perspective of mineral resource development

秦嶺生態(tài)系統的生態(tài)敏感性是指在外界干擾下生態(tài)系統的敏感程度,本文通過文獻閱讀和對秦嶺生態(tài)問題的深入探究,選擇降水量、地下水資源量、地表水資源量、空氣日報優(yōu)良率等評價指標來表征生態(tài)敏感性。

生態(tài)恢復力是指秦嶺生態(tài)系統受到干擾后生態(tài)環(huán)境恢復到原狀的能力,本文通過相關文獻,根據研究區(qū)內擁有的自然資源和采取的生態(tài)補償對策,選擇森林覆蓋率、水庫庫容、礦山修復面積、環(huán)保投資等評價指標來表征恢復力。

生態(tài)壓力度是指秦嶺地區(qū)內的社會經濟活動對生態(tài)環(huán)境帶來的壓力強度,本文通過文獻閱讀和深入探究,選擇人口密度、人均GDP、第二產業(yè)比重、采礦業(yè)能源消耗量、工業(yè)廢氣排放量、礦山破壞面積等評價指標來體現人類活動的影響。

2.2 數據來源

降水量、用水總量、地下水資源量和地表水資源量數據來源于《陜西省水資源公報》;礦山破壞面積、礦山修復面積數據來源于《中國國土資源統計年鑒》及陜西省自然資源廳統計數據;其他數據來源于《陜西省統計年鑒》、各市統計年鑒以及中國經濟與社會統計數據庫;缺失的部分數據,本文采取線性插值法補齊。

2.3 生態(tài)脆弱性評價方法

2.3.1 生態(tài)脆弱性指數計算方法

本文利用數學模型計算生態(tài)脆弱性指數(ecological vulnerability index,EVI)以評估研究區(qū)的生態(tài)脆弱性程度[24]。為了降低評價指標之間的相關性和重疊性,采用主成分分析(principal component analysis,PCA)法[25]對相關數據進行降維重組,將多個評價指標轉變?yōu)閹讉€相關性較低的主成分,以此來保留原始指標中的大部分信息。將原始數據導入SPSS 22.0軟件進行主成分分析,生態(tài)脆弱性指數計算的具體步驟如下:

1) 采用極差法進行標準化處理,以消除數據間的差異,正向指標和負向指標采用如下不同的公式計算:

正向指標的計算公式為

Xi=[(xi-xmin)/(xmax-xmin)]

(1)

負向指標的計算公式為

Xi=[(xmax-xi)/(xmax-xmin)]

(2)

式中:Xi表示評價指標i的標準化值,xi表示評價指標i的觀測值,xmin表示評價指標觀測值中的最小值,xmax表示評價指標觀測值中的最大值。

2) 根據主成分累計貢獻率達85%以上且特征值λ>1的標準確定主成分,并計算各個主成分的得分,其計算公式如下:

(3)

式中:Yj為第j個主成分的得分;zij為第j個主成分中評價指標i(i=1,2,…,n)所對應的特征向量。

3) 計算生態(tài)脆弱性指數EVI,其計算公式如下:

(4)

式中:Yj為第j個主成分的得分;ωj為第j個主成分對應的貢獻率。

2.3.2 生態(tài)脆弱性分級

在進行生態(tài)脆弱性閾值劃分時,由于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現狀不同,研究者采用的方法不同,導致難以對研究區(qū)的生態(tài)脆弱性程度進行界定。本文根據研究區(qū)自然、社會、經濟和環(huán)境的特性,采用以生態(tài)脆弱性指數(EVI)均值為中等參照值,以與方差成比例的等值范圍創(chuàng)建分級間隔,間隔為1倍、2倍,將礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性程度劃分為5個等級,即微度脆弱(EVI≤0.401)、輕度脆弱(0.4010.523)。

3 結果與分析

3.1 秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性時空分布特征

本文利用SPSS 22.0軟件對礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”2013年、2017年和2020年3期數據進行主成分分析,根據主成分累計貢獻率達85%以上且特征值大于1的標準,從32個評價指標中提取主成分,得到主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率如表1所示,生態(tài)脆弱性指數EVI如圖4所示。

表1 礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”3期數據主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率

圖4 礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”各市3期 生態(tài)脆弱性指數EVIFig.4 Three-phase ecological vulnerability index(EVI) of the “l(fā)ife community” of each city in Qinling Mountains from the perspective of mineral resource development

根據生態(tài)脆弱性的分級標準,利用ArcGIS 10.7軟件得到礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性的等級分布圖,如圖5所示。

圖5 秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性等級分布圖Fig.5 Distribution of ecological vulnerability level of “l(fā)ife community” in Qinling Mountains

由圖5可以看出:

1) 2013年秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性指數在0.39～0.65之間,以極度脆弱為主。其中,西安、渭南和商洛市處于極度脆弱區(qū),受水土植被、人口密度、人均GDP的影響,承受的生態(tài)壓力極大,對外界干擾極度敏感;寶雞和安康市分別處于重度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū),承受的生態(tài)壓力接近閾值,生態(tài)系統自我恢復能力較差;微度脆弱區(qū)主要分布于安康市,其生態(tài)系統抗干擾和自我恢復的能力強[圖5(a)]?？傮w來看,礦產資源開發(fā)視角下2013年秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性程度呈現北高南低、東高西低的狀態(tài)。

2) 2017年秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性指數在0.24～0.57之間,生態(tài)脆弱性程度較2013年好轉,以中度脆弱為主。其中,西安市因采礦業(yè)持續(xù)發(fā)展,工業(yè)廢棄物排放量增多,仍然處于極度脆弱狀態(tài);渭南和商洛市積極調整產業(yè)結構,改善生態(tài)環(huán)境,由極度脆弱轉變?yōu)橹卸却嗳?寶雞市由重度脆弱變?yōu)橹卸却嗳?森林覆蓋率和水土流失治理面積均有所提高,生態(tài)系統功能逐步完善,對抗外界壓力的能力增強;漢中和安康市的生態(tài)脆弱性等級并未改變,但其EVI值均呈下降趨勢[圖5(b)],說明經濟的快速發(fā)展對生態(tài)和資源產生了脅迫作用?？傮w來看,礦產資源開發(fā)視角下2017年秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性程度呈中部高、四周低的空間分布。

3) 2020年秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性指數在0.26～0.95之間,整體以微度脆弱為主,生態(tài)脆弱性程度呈現由東北高的空間分布特征。其中,寶雞、漢中和商洛市由中度脆弱變?yōu)槲⒍却嗳?這是由于三市加強了生態(tài)保護建設,森林面積大且存在較多生態(tài)保護區(qū),生態(tài)脆弱性程度好轉;西安市由極度脆弱變?yōu)槲⒍却嗳?這是由于該市加強環(huán)境治理工作,污染物排放量大幅減少,生態(tài)保護效果顯著;渭南市由中度脆弱變?yōu)闃O度脆弱,生態(tài)環(huán)境破壞嚴重,生態(tài)脆弱性極高,這是由于渭南市的支柱產業(yè)為農業(yè)和礦業(yè),在“工業(yè)強市”等政策影響下,采礦業(yè)投資增長了15.7%,煤礦開采程度不斷加大,工業(yè)污染物排放量持續(xù)增長,造成嚴重污染,導致生態(tài)脆弱性程度較高;安康市仍然屬于微度脆弱區(qū)[圖5(c)]。除渭南市和安康市外,其他各市的EVI值均有所降低,整體上生態(tài)脆弱性呈現好轉趨勢。

3.2 生態(tài)脆弱性主要驅動因子分析

主成分載荷矩陣體現了原始指標信息在主成分上的集中程度以及影響評價結果的主要指標。本文利用SPSS軟件得到初始因子載荷矩陣,載荷系數的絕對值越接近1,表示該因子對生態(tài)脆弱性的影響越大。以2020年為例,其主成分載荷矩陣如表2所示。

表2 礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價主成分載荷矩陣

由表2可知:

1) 第一主成分主要體現了礦產開發(fā)、工業(yè)廢棄物和農業(yè)發(fā)展的影響,主要驅動因子為工業(yè)廢水排放量、工業(yè)廢氣排放量、采礦業(yè)能源消耗量、耕地面積。礦產資源開發(fā)是影響生態(tài)脆弱性的主要原因,研究期內礦山破壞面積持續(xù)增長,工業(yè)廢氣排放量增加了24%,礦產業(yè)的發(fā)展雖然促進了社會經濟的發(fā)展,但對資源與環(huán)境的安全產生了脅迫作用。因此,秦嶺地區(qū)應加快綠色礦山建設,推進礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護與修復;同時,應重點關注工業(yè)廢棄物的處理,提高無害化處理率。農業(yè)是生存之本,秦嶺地區(qū)受礦產資源開發(fā)和城鎮(zhèn)擴張的影響,農田生態(tài)環(huán)境質量亟待改善。

2) 第二主成分主要體現了經濟水平和林業(yè)發(fā)展的影響,主要驅動因子為人口密度和地區(qū)生產總值。研究期內,地區(qū)生產總值和人均GDP分別增長了84%和66%,水土流失治理面積與新封山育林面積均有所增加,表明經濟增長會促進社會其他方面的發(fā)展。因此,秦嶺地區(qū)應大力發(fā)展特色經濟,為社會發(fā)展提供活力的同時為生態(tài)建設提供保障;同時,應開展水土流失綜合治理,建設好生態(tài)防護林,科學推進退耕還林還草。

3) 第三主成分體現了水資源安全對生態(tài)脆弱性的影響。秦嶺地區(qū)水資源南北分布不均,且秦嶺南部存在礦產開發(fā)帶來的污染問題,因此應開展治污節(jié)水保護工作,推進管山治水數字化、一體化建設。

4) 第四主成分體現了經濟結構的影響,主要驅動因子為水庫庫容和第二產業(yè)比重。第二產業(yè)的發(fā)展會消耗大量資源,因此秦嶺地區(qū)應提高生產力、調整產業(yè)結構、推動落實綠色轉型發(fā)展。

5) 第五主成分再次反映了礦產資源開發(fā)的影響,主要驅動因子為有色金屬產量,因此秦嶺地區(qū)應對礦產資源進行整合,實現礦產品的結構優(yōu)化。

綜上所述,影響秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性的主要驅動力可概括為礦產開發(fā)、工業(yè)污染物排放、農業(yè)發(fā)展、經濟水平、林業(yè)發(fā)展、水資源安全6個方面。

4 結論與建議

本文基于生命共同體理論,對礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”的內涵和外延進行了研究,建立了礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”概念模型,并基于SRP模型和主成分分析法,綜合研究區(qū)的現狀,對秦嶺“生命共同體”2013年、2017年和2020年3期的生態(tài)脆弱性狀況進行了綜合評價,分析其生態(tài)脆弱性的時空分布特征及其主要驅動因子,得到如下結論:

1) 本文研究的礦產開發(fā)視角下的秦嶺“生命共同體”,其內涵是包含山水林田湖要素在內的自然資源系統在研究區(qū)內的發(fā)展狀態(tài),通過“人”延伸到社會經濟發(fā)展;其外延包括礦產資源的開發(fā)水平,并延伸到礦山開采活動對生態(tài)、經濟以及生態(tài)空間、農業(yè)空間與城鎮(zhèn)空間發(fā)展產生的影響。

2) 2013—2020年,礦產資源開發(fā)視角下的秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性有所改善?？臻g上,秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性整體上呈東北高、西南低的特征;時間上,秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性實現了從極度脆弱到整體微度脆弱的改變,生態(tài)脆弱性指數整體上呈下降趨勢,但渭南市的生態(tài)脆弱性程度仍在加劇。

3) 影響秦嶺“生命共同體”生態(tài)脆弱性的原因涉及到資源、環(huán)境、社會和經濟等多個方面,其中工業(yè)廢水排放量、工業(yè)廢氣排放量、采礦業(yè)能源消耗量、耕地面積、地區(qū)生產總值、人口密度、環(huán)保投資、水庫庫容等是礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”脆弱性的主要驅動因子。

盡管秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性整體上呈現好轉趨勢,但礦產資源的過度開發(fā)導致的礦山地質環(huán)境問題嚴峻,環(huán)境和資源受損嚴重;農業(yè)擴張占用了土地資源,阻礙了秦嶺地區(qū)生態(tài)保護工作的推進;過度追求林業(yè)資源帶來的經濟效益導致生態(tài)環(huán)境恢復難度較大;其他產業(yè)的發(fā)展離不開水資源的開發(fā)利用,而水資源安全也是影響秦嶺地區(qū)生態(tài)脆弱性的重要因素。因此,動態(tài)監(jiān)測礦產資源開發(fā)視角下秦嶺“生命共同體”的生態(tài)脆弱性程度,掌握其動態(tài)變化過程,將有利于秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、資源安全和經濟水平的協調健康發(fā)展,對于解決秦嶺地區(qū)礦產資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護之間的沖突、推動人與自然“生命共同體”的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究主要著眼于生命共同體背景,目前還沒有形成較為統一的生態(tài)脆弱性評價指標體系,今后研究的重點是建立完善科學的“生命共同體”生態(tài)脆弱性評價指標體系。