黃土丘陵礦區生態脆弱性評價
——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.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西省林業調查規劃院，山西太原030012）

我國幅員遼闊，地形復雜，環境多樣，生態脆弱性呈現出分布廣、類別多、表現突出等特點[1]。提高生態脆弱區保護意識，加強生態脆弱區的生態修復和治理，有利于維持生態系統的穩定，發揮生態功能，實現綠色發展[2]。近年來，對生態脆弱性包括理論、類型、目標、內容和方式等方面的研究一直是國內外的主題[3]。李鶴等[4]研究認為，生態系統的脆弱性與干擾、暴露、適應性、敏感性、復原力和穩定性密切相關。申元村等[5]根據區域以及成因，將我國分為一二級生態脆弱區共37個。對于生態系統的研究對象，國外學者傾向于自然系統的研究，而我國則呈現由大到小、系統性、多元化特點[6]。研究內容涉及理論發展、格局分布、經濟可持續以及對策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手段與計算機相結合探討研究區時空分布與演化趨勢是生態脆弱性研究的重要方向之一[18]。目前，黃土丘陵區特別是礦區相應的研究相對較少。長河流域礦區作為黃土高原的一部分，生態環境越來越差。煤炭資源長時間、高強度的開采，水土資源被嚴重破壞，區域內生態環境愈發惡劣，生態脆弱性出現危機。這不僅對生態環境構成威脅，而且會制約該區域的可持續發展。

本研究通過建立黃土丘陵礦區生態脆弱性評價指標體系，利用AHP法和集對分析法評估研究區5 a的生態脆弱度并對其變化進行分析，以期為當地的政策制定和可持續發展提供參考依據。

1 研究區概況

區系，天然草地嚴重退化、沙化。綜合該地區原有生態以及長時間、大規模的煤炭開采等社會活動，該地區生態環境獨特。其地域突出特點對研究黃土丘陵礦區生態脆弱性策略選擇具有典型性和代表性。

2 數據來源

研究區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、川底鄉、下村鎮3個鄉鎮，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，經濟發展主要以傳統農業和煤炭等工業為主。該區缺水嚴重且時空分布不均，境內水力侵蝕嚴重，面蝕是水土流失的主要形態[19]，主要植被多屬華北植物

原始數據來源主要包括調查收集和ArcGIS軟件處理2個渠道。調查收集主要是通過收集山西省晉城市的統計年鑒[20]、澤州縣國土局提供資料、研究區相關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遙感影像數據的基礎上，利用ENVI和ArcGIS等軟件通過圖像融合、幾何校正、解譯處理等，提取研究區植被覆蓋率等等[21]。研究區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

結合研究區實際情況，以生態環境、自然資源、社會經濟和可持續性4個系統為主，以目的性、科學性、整體性、動態性和主導性5個原則為指導，合理選取以下16項指標構建脆弱性評價指標體系（表 1）。

表1 研究區生態脆弱性評價指標體系

3.2 指標權重的確定

本研究選用層次分析法將評價系統分為目標層A、準則層B、指標層C，根據AHP標度法對因子定量測算，形成對比判別矩陣，根據矩陣最大特征根λmax和特征向量，確定各元素的權數，并對計算結果進行一致性Ci檢驗，然后把上層權重按照比例分到下層元素，從而得到每項因子的權重。

式中，Wi表示權重，N代表評價指標個數，計算結果當 CR＜0.1 時，表示一致性通過；CR≥0.1 時，應對判斷矩陣進行進一步的調整。

3.3 脆弱性評價標準

評估成果呈現生態環境脆弱程度，脆弱程度與分值的大小成正比。本研究根據分值的大小將該地區脆弱度劃分為5級（表2）。結合全國和陜北地區各類指標的取值范圍，參照晉城市區域規劃和征詢專家見解后形成以下評價準則（表3）。

表2 生態脆弱性等級劃分標準以及特征

表3 研究區生態脆弱性等級劃分標準

3.4 脆弱性評價方法

本研究采用集對分析法將研究區生態脆弱性評價指標與評價標準視為一個集對，假定有N個評價指標，其中有 S，F1，F2，F3，P 個指標分別符合生態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，則其聯系度（U）表達式如下。

式中是差異度的系數；j是對立度的系數。

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脆弱性等級。

由于各指標大小對脆弱度的影響程度不同，某一指標的超標程度直接影響到脆弱度的整體程度，應對它們賦予權重。可根據指標超標情況確定權重。

權重處理后的單項指標k的聯系度uk1和N項指標綜合的聯系度u綜計算公式如下。

式中，uk表示權重處理前某一逆向指標（或正向指標）k的聯系度，Bi（i＝0，1，2…，M-1）為每個單項指標的聯系度的對應項數據按列相加之和。則脆弱度的評價矩陣 B＝（B0，B1，B2…BM－2，BM－1），根據最大隸屬原則，最大者所對應的脆弱性級別，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]的方法對評價結果進行驗證。

式中，Pi是因子初始化之值，Wi是各因子權數，G值表示礦區脆弱度。

4 結果與分析

4.1 判別矩陣一致性分析

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

表4 判別矩陣一致性驗證結果

4.2 權重結果分析

通過層次分析法得到研究區最終各指標的權重系數，結果如表5所示。

表5 研究區生態脆弱性指標體系權重

從表5可以看出，權重系數＞0.05的指標一共有7個，分別為植被指數、年均降雨量、年均氣溫、人均耕地面積、原煤年均生產量、農民人均收入、生產總值指數。植被對生態具有舉足輕重的影響，其生長狀況是地區環境質量的晴雨表，不僅能改善空氣質量、保護水源地、而且能有效阻止土壤侵蝕，其權重較大。而年均降雨量和年均氣溫是反映研究區自然氣候條件的2個重要因子，這2個因子嚴重制約著當地農業以及社會的發展，所以，這2個因子的權重較大。人均耕地面積是農業生產的基礎，反映地區承載能力，因此，權重較大。原煤年均生產量代表研究區以煤炭開采為主的人為活動，具有代表性意義，此因子的權重較大。農民人均收入是指農民年總收入減去收入成本，它反映了農村經濟和地區的發展，是衡量農民生活水平的重要指標。它影響農民與當地環境之間的依賴關系，其權重較大。生產總值指數表示某期間地區生產總值的變化，是權衡當地經濟情況的重要指標，所以，權重較大。

4.3 評價等級

利用集對分析法得到2007—2015年5 a生態脆弱性等級結果如表6所示。

表6 分析法研究區生態脆弱性等級

對照表7，利用公式計算研究區5 a生態脆弱度G值，結果如表8所示。

表8 研究區2007—2015年5 a的G值

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

研究區2007—2015年整體呈現脆弱狀態，脆弱性等級最高為強脆弱，出現在2007，2009年，最低級別為稍脆弱，出現在2015年，研究區生態脆弱度呈現逐年下降趨勢（表6），說明生態環境呈現好轉，具體分析其原因如下。

（1）山西晉煤集團長期在研究區內進行煤炭開采，對水土等資源環境的破壞很明顯，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，進行環境整治和土壤復墾，在發展經濟的同時重點注意了生態環境，大力植樹造林，區域內森林覆蓋率得到了提高，研究區生態環境呈現良好的好轉局面。

（2）長時間、高強度的煤炭開采之下，從2007年開始相關部門逐漸意識到可持續發展的重要性，引進先進的設備，提高資源開發利用率。同時，環保部門加強了相關整治，繼續嚴格執行排污收費制度，加強對高污企業的檢查。此外，小煤窯整治和重組工作，使污染物亂排亂放現象得到明顯改善。

表9 2種評價結果對比

總的來說，研究區的生態脆弱性還是不能掉以輕心的，雖然現在呈現好轉的態勢，但形式依然不容樂觀。研究區應進一步加大投資力度，樹立可持續發展理念，努力實現區域協調可持續發展。

5 結論

本研究通過建立晉城市長河流域礦區108 km2生態脆弱性評價指標體系，對16項評價因子進行權重計算，并得到2007—2015年5 a的地區生態脆弱性結果。研究結果表明，構建的判別矩陣可靠，植被指數、年均降雨量等7項指標權重影響較大，通過分析法和計算法得到的脆弱性結果一致，研究區2007—2015年整體呈現脆弱狀態，脆弱性等級最高為IV級強脆弱，出現在2007，2009年，最低級別為II級稍脆弱，出現在2015年，研究區生態脆弱度呈現逐年下降趨勢，生態環境呈現逐年好轉。建議研究區繼續貫徹可持續發展理念，保持區域協調發展。

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