湖南省湘西州重點生態功能區貧困縣生態脆弱性評價

張家其， 鐘 倩， 朱烜伯， 李 強， 歐江南， 王 翼

(1.衡陽師范學院 城市與旅游學院, 湖南 衡陽 421002； 2.湖南師范大學 資源與環境科學學院,湖南 長沙410081； 3.華中師范大學 城市與環境科學學院, 湖北 武漢 430070)

“十三五”規劃明確指出，2020年要實現在現行標準下農村貧困人口的全面脫貧[1]。隨著扶貧工作進入收官階段，深度貧困區成為扶貧工作最難啃的一塊骨頭。中國生態敏感地區有約76%的貧困縣，深度貧困地區往往是生態環境較為脆弱的地區，其面臨著生態保護與經濟發展的雙重壓力，但迫于脫貧壓力，生態環境問題往往被作為邊緣議題擱置。2018年4月26日，習近平在深入推動長江經濟帶發展座談會上強調“要堅持生態優先，把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，繼續推進綠色發展，建設生態文明”[2]。湘西州地區作為長江經濟帶重點生態功能保護區中的貧困地區，肩負了維護國家生態安全的重大使命，還是國家西部經濟開發、武陵山區區域發展與精準扶貧攻堅先行先試地區和中心地帶。在國家 “精準扶貧”戰略實施下，湘西州已進入脫貧攻堅沖刺年，在重點生態功能保護區限制開發的情勢下，其脫貧難度更大，極易陷入發展與保護無法協調的兩難境地。因此，通過研究該區域的生態脆弱性，繼而劃分生態紅線，可以此作為協調區內經濟發展與環境保護的重要依據。

作為一個生態經濟復合系統，自然地理環境本身的劣勢和長期不合理的生產、生活方式給該區域的生態系統帶來了雙重壓力和影響，特別是湘西州地區山地、丘陵廣布，降雨充沛，暴雨頻繁，加之坡耕地眾多，極易發生水土流失，不僅會對該區生態安全造成不利影響，還會增大長江中下游環境治理的難度，因此無論從微觀還是宏觀角度來看，為了協調研究區經濟發展與環境保護關系，研究湘西州生態脆弱性意義重大。本研究利用空間分析軟件提取坡度、土地利用類型等數據因子，綜合考慮湘西自治州經濟貧困、人地矛盾突出的現狀，以壓力—狀態—響應模型為基礎，構建湘西州生態脆弱性評價指標體系，繼而開展綜合性評價，在此基礎上規劃適宜開發區域、限制開發區，以期為實現該地區綠色可持續發展提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

湘西自治州地處湖南省西北部，地形以山地、丘陵為主，地勢東南低，西北高，起伏較大；氣候屬中亞熱帶季風濕潤性氣候，熱量豐富，降水充沛，時空分配不均，空間上北多南少，時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。湘西州經濟貧困，其所轄的8個市縣有7個縣均為國家級貧困縣，長期粗放的生產模式和不利的氣候、土壤條件，導致水土流失和石漠化現象嚴重，環境承載能力低。

1.2 數據來源

本研究采用的數據包括：①湘西州2015—2018年分辨率為30 m的Landsat 8遙感影像數據；②湘西州分辨率為30 m的數字高程模型(DEM)數據；③湘西州2015—2018年統計年鑒；④湘西州國民經濟與社會發展統計公報。由于研究中的基礎數據既有SHP格式的矢量數據和TIF格式的柵格數據，又有以縣域為單位的統計數據，為了方便后續的制圖，需對數據進行預處理，包括社會統計數據的矢量化，影像數據的校正和裁剪，以及統一為WGS1984-UTM49N的坐標系等。

2 研究方法

2.1 生態脆弱性評價指標體系構建

已有研究在構建評價指標體系時大多考慮自然地理環境所表現出的顯性因子[3-10]，如坡度、高程、降雨侵蝕力等，對于人類活動這種隱性因子考慮較少。事實證明，隨著人地矛盾越來越突出，人類活動對生態環境的影響更加劇烈[11]。雖然生態系統的自我調節能力能在一定程度上修正人類活動對環境所產生的消極影響以維持生態平衡，但一旦超出這個生態平衡閥值，這種消極影響就會表現出爆發性和不可逆性。此外，人們越來越重視生態環境和人居環境建設，人類活動對自然環境的積極影響也愈加顯著[11]。葉文虎等[12]認為人與自然環境所組成的人地系統，是由人的生產子系統、物資生產子系統與環境生產子系統所組成。借鑒該分類方法，根據“壓力—狀態—響應”模型思路[13-17]，本文從自然生態與人類活動兩個角度構建了生態脆弱性評價指標體系(見表1)。

其中，壓力系統下分為生產壓力、資源利用壓力和人居環境壓力。生產壓力來自湘西的農業生產和旅游商貿等經濟活動，選取人均糧食產量和人均GDP為代表性指標；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能源消耗量為代表性指標；人居環境壓力則來自改善居住環境的訴求，故選取道路網密度和房屋工程建設面積為代表性指標。

表1 湘西州生態脆弱性評價指標體系組合權重

狀態指標反映生態系統在人類活動影響下所呈現出來的狀態，據最新的湖南省水土流失遙感調查結果顯示，湘西州仍是中度和強烈水土流失集中分布的區域[18]，因此該地區生態環境狀況更多的表現在自然環境(地形、地表狀況、生物)方面。基于此，地形以坡度和高程為代表性指標；地表以降雨侵蝕力和土壤可蝕性為代表性指標來指示土壤的水土流失情況[19]；生物指標以生物豐度指數和森林覆蓋率作為代表性指標。

響應指標是人類對于生態系統的破壞而采取的對策與措施，按照響應途徑可分為生態響應和政策響應，考慮到數據的可獲得性和計算的簡便性，采用人工造林面積占比指標、污水處理率、生態功能保護區面積占比和環境保護支出占總財政支出的比重來反映人類活動對生態系統的積極影響。

2.2 指標數據標準化

由于原始數據量綱和數量級各異，無法直接進行計算處理，并且數值過大在計算時會造成精度的損失，所以需對評價指標進行標準化處理以保證結果的可靠性。基于本研究的數據特點，選擇更適用于離散型數據的Max-Min標準化方法〔公式(1)—(2)〕進行歸一化處理，使其值域統一為[0,1]。在16個指標中，負向指標包括生物豐度，植被覆蓋度，污水處理率，人工造林面積，環保支出占財政比重，生態功能保護區面積占比。

(1)

(2)

式中：Zij為i指標下第j個值的標準化值；Xij為i指標下第j個值；Ximax為第i個指標中最大值；Ximin為第i個指標中最小值。

2.3 AHP-熵權法定權重

本研究采用AHP-熵權組合法確定生態脆弱性評價指標權重，既能考慮到專家經驗和區域特點，又能去除主觀隨意性。具體計算步驟如下：

(1) 層次分析法。按照“目標層一系統層一指標層”形式構建層次結構模型，采用傳統9標度法，對系統層各元素和指標層各元素重要程度進行兩兩比較，構造判斷矩陣、進行歸一化處理、求出最大特征值λmax，經過一致性檢驗求得各指標權重Awi=(aw1,aw2,…,awm)[20]。

(2) 熵權法。依據信息熵原理，對矩陣中各項指標標準化后數值Zij進行歸一化處理得到pij[21]。

(3)

式中：pij為i指標下第j個值的歸一化值；Zij為熵權矩陣中i指標下第j個值的標準化值,n為評價對象的個數。

根據數據混亂程度計算i指標信息熵Ei，求得各指標熵權SWi=(sw1,sw2,…,swm)

(4)

(5)

式中：Ei為第i個指標為信息熵；SWi為第i個指標的熵權；m為指標個數。

(3) AHP-熵權組合法。利用拉格朗日乘法計數法確定各指標AHP-熵權組合權重，最后進行歸一化處理得到各指標最終組合權重Wi=(u1,u2,…,ui)(表1)。

(6)

(7)

式中：ui為未歸一化前的組合權重；Wi為指歸一化后的組合權重。

3 結果與分析

采用ArcGIS計算可得到各縣域的生態脆弱性綜合指數(如表2所示)，并用標準差表示各個縣域4 a的生態脆弱性綜合指數的變化劇烈程度。

表2 2015-2018年湘西州生態脆弱性綜合指數

3.1 生態脆弱性空間差異分析

近年來，國家越來越重視生態建設，在“綠色增長”、“生態扶貧”等政策背景下，湘西州作為重點生態功能區當中的貧困縣，其生態環境是否脆弱的評價標準應與其他地域有所不同。對該地區展開生態脆弱性評價是為了深入了解當地的生態環境狀態，探究其生態環境保護與經濟發展的相互關系，并為政府部門制定相應決策提供參考建議。考慮到政府決策實施過程中具有嚴格的行政區劃特性，即決策的執行力和影響力在各自行政區內具有均質性，為了使評價結果與政策實施保持空間一致性，在參考現有的生態脆弱性評價分類標準基礎上[22-25]，依據湘西州生態環境具體特點，將生態脆弱綜合指數劃分成微度、輕度、中度、重度和極度脆弱5個等級(見表3)，進而分析生態脆弱性的空間分布特征(見封2附圖10)。

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

表3 2015-2018年湘西州生態脆弱性等級標準及面積比例

永順縣和古丈縣在坡度和高程指標上處于劣勢，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面影響。吉首市經濟活動密集，人均GDP是其他縣市的5倍，其中工業生產總值對GDP貢獻率達35.8%，支柱產業是非金屬礦物制品業此“三高”產業，且吉首市是工業產出和能源消耗量最高的地區，卻是環境保護和治理投入最少的地區，環保支出占總財政支出0.79%，是其他市縣的1/10，此外吉首市的城鎮化水平高，交通建設和房屋工程建設面積是其它市縣的6倍，植被覆蓋率相比其他市縣低，最終導致吉首表現出極度脆弱。與此相反，鳳凰縣工農業產業比例很低，文化旅游業占主導地位，憑借自身獨特的自然風光和濃厚的古城風貌發展旅游業，因而生態系統表現出輕度脆弱。相比人類活動占主導影響因素的吉首市，龍山縣和保靖縣生態脆弱更多地受到自身自然地理環境的限制，兩縣分布在湘西西北邊陲，地勢高，山地多，平地少，地形起伏大，降水集中季節降雨侵蝕力高，且土壤主要為土層薄、有機質含量低、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象嚴重，加之龍山縣和保靖縣農業比重較大，受地形因素限制，為了滿足溫飽需要，不得不開墾產量較低的坡耕地，進一步加劇了水土流失問題，此外保靖縣工業產品以電解鋅、硫酸、電解錳和陶瓷為主，“三廢排放量”大。

3.2 生態脆弱性時間變化特征分析

隨著時間的推移，微度脆弱區面積急速減少而重度脆弱區面積急速上升，生態系統總體表現出向高脆弱等級方向發展(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46.99%，重度和極度脆弱總面積較2015年增幅達到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，標準差系數分別達到0.346和0.345。

圖1 2015-2018年湘西州生態脆弱性綜合指數變化

保靖縣生態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，花垣縣的生態脆弱性有所好轉，從2015年的重度脆弱下降到中度脆弱，主要緣于花垣縣礦產資源豐富，工業密集，礦業產值一度占據該縣生產總值的60%以上，但不規范開采和管理不當造成的尾礦污染曾使得該區土壤污染和水污染嚴重，并引發了地面塌陷、山崩等地質災害，粗放型的工業經營模式使得該區生產效益低下，生態環境和人居環境問題日益嚴重，2010年花垣縣開始深入開展礦區污染整治工作，規范礦山開采秩序，關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，建設礦區電子視頻監控系統，實施采空區移民搬遷，2016年該縣森林覆蓋率和污染源達標排放率分別達到58.19%，97.37%。從花垣縣礦區治理和生態建設發展趨勢來看，生態脆弱大多緣于不合理的人類活動，而生態環境的改善又依賴于人類合理的規劃自己的行為活動。

4 結論與建議

為實現生態環境持續發展，避免出現不考慮生產力發展和人居環境改善導致“返貧”，進而增重生態系統負擔，陷入生態環境建設的惡性循環。在生態環境的治理工作中需遵循“三生共贏”理念，將環境效益外部化為生產效益，以良好的生態環境驅動高效生產，形成良性互動。基于此，本研究綜合湘西州實際情況和研究結果，將湘西州劃分為西北生態涵養區，城市發展核心區，東部適宜開發區三大功能區，并對其生態和生產發展提出規劃建議(見圖2)。

圖2 湘西州分區狀況及其生態生產發展規劃

無論是從生態脆弱性的正向發展還是負向發展來看，人類活動都是生態脆弱性變化的主導因素。2015—2018年湘西州生態脆弱性變化顯著，總體上生態脆弱性向高等級方向發展，空間格局呈西高東低的分布特征，這與湘西州生態脆弱性的實際情況基本一致。在時間上，生態脆弱性總體呈逐年惡化趨勢，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脆弱性顯著增加。按照這種發展趨勢，生態環境持續惡化將會限制經濟發展，增大后續扶貧工作的難度和任務量，甚至出現“返貧”現象。所以本區域要注重人類活動對生態系統的積極影響，在加大扶貧力度的同時還需因地制宜地開展生態保護工作。由于評價指標體系具有區域性和綜合性，本研究生態脆弱性評價指標體系主要依據湘西州的生態環境狀況確定，缺乏橫向對比性。權重賦值環節易受主觀因素影響，很難界定社會經濟指標對生態脆弱性的貢獻度，該類型指標與生態脆弱性的相關模型分析有待深入研究。