貴陽市巖溶山區快速城市化地區生態脆弱性評價

任紅玉, 趙宇鸞

貴陽市巖溶山區快速城市化地區生態脆弱性評價

任紅玉, 趙宇鸞*

貴州師范大學, 地理與環境科學學院, 貴陽 550001

為了揭示巖溶山地快速城市化地區生態系統的脆弱性, 以貴陽市為案例區, 利用VSD 模型(Vulnerability Scoping Diagram)對貴陽市的生態脆弱性進行生態脆弱性評價, 對極度脆弱區進行歸因分析并針對不同生態脆弱性分區提出相應的優化調控對策。研究結果表明: (1)貴陽市云巖區、南明區、花溪區、白云區和觀山湖區生態暴露度、敏感度和適應力普遍較高, 烏當區、清鎮市、修文縣、息烽縣和開陽縣相對較低, 整體上呈現“南高北低”的格局。(2)從生態脆弱性分區來看, 白云區、觀山湖區、云巖區、南明區和花溪區為極度脆弱區, 烏當區和息烽縣為高度脆弱區, 修文縣為中度脆弱區, 清鎮市為輕度脆弱區, 開陽縣為微度脆弱區。(3)雖然經濟發展水平越高的區域在居民保護意識和環保投資等評價指標上占有一定的優勢, 但暴露度、敏感性高是導致生態系統極度脆弱的重要原因。貴陽市應依托其豐富的自然資源和生態優勢, 促進巖溶山地城市安全發展、城市空間結構優化和生態宜居城市建設。

生態脆弱性; 巖溶山區; VSD模型; 貴陽市

0 前言

中國城鎮化、工業化進程的加快, 直接或間接地影響了生態系統為社會提供服務的能力, 一定程度上加劇了生態系統的脆弱性[1]。近年來, 生態脆弱性成為了全球環境變化和可持續發展研究的熱點問題[2-3], 越來越多的學者開始關注生態脆弱性的研究。隨著研究的不斷深入, 生態脆弱性的評價方法越來越多樣化, 模糊綜合評價法[4]、模糊層次分析法[5]和主成分分析法[6]等方法被廣泛應用于生態脆弱性的評價。此外, VSD(Vulnerability Scoping Diagram)模型亦為常用的生態脆弱性評價方法, 如李平星[7]等采用VSD模型將生態脆弱性分解為暴露度、敏感性和適應力, 并用這3個維度構建包含自然和社會因素的指標評價體系; 陳佳[8]等利用VSD模型, 構建了符合當地生態環境特征的指標體系, 定量測度了榆林市2000—2011年生態脆弱性空間分異特征。VSD評價模型最初由Polsky[9]等提出, 該方法基于美國公共空間工程框架, 將生態脆弱性分解為暴露度、敏感性和適應能力3個維度, 用“目標層-要素層-參數層”逐級遞進的方式對數據進行組織和評價, 以揭示自然與社會因素對生態系統的雙重影響。

貴州省是典型的喀斯特地區, 巖溶山區面積廣, 生態環境脆弱[10]。其脆弱性特征表現為環境容量低、生態系統變異敏感度高、災變承受能力低、穩定性差等[11]。貴陽市作為貴州喀斯特山區城市化以及經濟快速發展的典型區, 一方面, 山地城市擴張占用林草地等生態用地[12], 進而侵占山體并可能引發崩塌等城市地質災害; 另一方面, 城市用地結構失衡, 商品房大盤云集, 工業、居住用地擠占綠化休閑、交通基礎設施等用地, 可能導致居住過于密集、城市交通擁擠、環境惡化等問題[13]。快速城市化過程加劇了貴陽市巖溶生態環境的脆弱性, 不但影響土地利用的效率, 而且造成資源環境承載力超載, 導致生態壓力持續增大。因此, 科學認識和協調好巖溶山區快速城市化地區經濟發展與生態環境保護之間的關系, 準確認識巖溶環境的脆弱性, 對優化巖溶山區國土空間、統籌空間資源、促進山區城市持續發展具有重要的現實意義。目前, 已有研究[14-15]大多關注城鎮化背景下城市外延式擴張造成的生態系統脆弱性, 但城市化發展較為迅速的喀斯特山區城市的生態脆弱性評價的研究相對較少。基于此, 本文采用VSD模型對貴陽市進行生態脆弱性評價, 旨在揭示地形復雜的巖溶山地城市快速發展過程中生態系統的脆弱程度, 為促進山地城市安全發展、城市空間結構優化和生態宜居城市建設等提供參考。

1 研究區概況

貴陽市(106°07′—107°17′E, 26°11′—26°55′N)隸屬于貴州省, 地處長江水系與珠江水系的分水嶺地帶, 土地總面積為8034 km2, 轄花溪區、南明區、云巖區、觀山湖區、烏當區、白云區、清鎮市、修文縣、息烽縣和開陽縣等10個縣(市、區)(圖1), 氣候類型為亞熱帶濕潤溫和型氣候, 年平均降雨量為1129.5 mm, 年平均氣溫為15.3℃。貴陽市是喀斯特地貌發育典型地區, 位于中國西南地區“全世界最大的喀斯特連續帶”上, 全市85%的國土面積屬于喀斯特地貌, 以山地和丘陵為主[16]。近年來, 貴陽市城市化進程加快, 人口急劇增長, 2016年年末戶籍總人口469.68萬人, 其中非農業人口348.31萬人, 占74.16%。貴陽市經濟的高速發展, 伴隨著資源環境承載力超載程度加劇, 人類活動劇烈, 加之喀斯特地貌廣泛分布、地形條件復雜, 土地承載力低, 導致生態環境質量下降。對貴陽市生態脆弱性進行測度、分析, 有利于貴州山區走兼顧經濟發展與生態保護的路徑。

圖1 研究區地理位置示意圖

Figure 1 Geographical location of the study area

2 研究方法與數據來源

2.1 VSD模型

生態系統受自然與社會因素的雙重影響, VSD模型將生態脆弱性分解為3個維度, 分別是暴露度、敏感性和適應能力[9]。其中, 暴露源主要體現在人類活動方面, 敏感性主要體現在自然因素方面, 適應能力主要體現在適應性管理方面。基于VSD模型構建貴陽市生態脆弱性指標體系(表1), 各項指標導向主要是依據已有研究成果進行確定。其中, 指標導向為“+”表示該項指標越高, 脆弱性越高; 指標導向為“-”表示該項指標越低, 脆弱性越高。

暴露度指生態系統受到外界干擾或脅迫的程度, 暴露度越高, 生態環境越敏感, 生態系統的自我調節能力越低, 脆弱性越高; 貴陽市的暴露源主要體現在人口社會壓力、人為活動干擾和土地利用格局方面[7, 17], 可以通過人口密度、人均GDP、城鎮化率、人均耕地面積、林地比重和建設用地比重等方面進行表征。人口密度和人均GDP高, 表示巖溶山區經濟發展水平高, 對土地資源的需求多, 勢必影響生態系統的自我恢復能力, 導致區域暴露度越高。城鎮化率和建設用地比重反映了人口向城市匯集的過程和程度, 一個地區的城鎮化率和建設用地很高, 說明生態系統受到外界干擾程度越高, 暴露度也就越高。人均耕地面積反映了巖溶山區耕地人均的面積, 面積越大, 人類活動影響越強烈, 暴露度越高。林地比重反映了巖溶山區的植被狀況, 林地比重越高, 生態環境自我協調能力越強, 暴露度越低。

敏感性是指自然-社會復合系統受到外部干擾的程度, 受生態系統自身的類型和特征影響, 敏感性越高, 生態系統受到破壞的可能性越大, 脆弱性越高。研究區敏感性主要表現在生態環境質量、地形和氣候等方面, 可以通過NDVI、土壤侵蝕類型、坡度、地形起伏度、海拔、年均降水量和≥10℃積溫等因素進行體現[18, 19]。NDVI反映了巖溶山區土地利用的開發程度, 植被覆蓋度越高, 生態系統敏感性越低。土壤侵蝕類型反映了巖溶山區土層淺薄且不連續、土壤流失量大的特點, 土壤侵蝕越嚴重, 導致生態系統敏感性越高。坡度、地形起伏度和海拔反映了巖溶山區的地形起伏高低情況。已有研究發現[20-22], 隨著巖溶山區城鎮化進程加速, 大量涌入的人口刺激了城市住房、工業園區、交通用地等建設, 導致山區城市用地需求增加, 用地擴張迅速, 城市建設不僅占用耕地、林草地等生態用地, 且逐漸向坡度較大、海拔較高的自然山體方向推進, 極易引發崩塌、滑坡等城市自然災害, 可能導致生態系統受到破壞, 脆弱性增大。年均降水量和≥10℃積溫反映了巖溶山區的氣候空間分布的整體趨勢。

適應能力是指生態系統能夠處理、適應脅迫以及從脅迫造成的后果中恢復的能力, 主要通過人為的干預或適應性管理進行提升, 適應能力越大, 系統恢復到平衡狀態的可能性越大, 脆弱性越低。適應能力可通過經濟發展水平和生態健康的建設能力進行表征[15, 23], 如第三產業比重、固定資產投資、地方財政收入等表征經濟水平的指標值越高, 進行生態建設的能力越大, 生態系統的適應能力越大。

2.2 數據來源與處理

2.2.1 數據來源

指標數據來源和評級單元如下: C1(人口密度)、C2(人均GDP)、C3(城鎮化率)、C4(人均耕地面積)、C14(第三產業比重)、C15(固定資產投資)、C16(地方財政收入)、C18(生態保護區個數)的數據來自《2017年貴陽統計年鑒》, 以縣(市、區)為評級單元; C5(林地比重)、C6(建設用地比重)和C8(土壤侵蝕類型)由國家重點基礎研究“973”項目“山區國土空間功能優化與調控對策”課題組提供, 以縣(市、區)為評級單元; C7(NDVI)、C12(年均降水量)、C13(≥10℃積溫)、C17(植被類型)來自中國科學院資源環境科學數據中心, 以公里網格為評級單元; C9(坡度)利用ArcGIS 10.2 空間分析模塊中slope命令計算獲得; C10(地形起伏度)采用GIS移動窗口分析法對DEM數據進行提取獲得, C11(DEM)數據來自地理空間數據云, 以公里網格為評級單元。為了便于計算, 所有以縣(區、市)、矢量數據為計算單元的數據均通過ArcGIS 10.2軟件轉換為柵格數據。

2.2.2 生態脆弱性的計算

以單項指標評價為基礎, 采用層次分析法(AHP)計算指標的權重、暴露度、敏感性、適應能力和生態脆弱性。計算公式如下[7]:

式中:分別表示脆弱性或其子目標暴露度、敏感性和適應能力;表示所涉及的指標數量,C表示指標評價結果;W表示指標權重。

指標權重通過Yaahp軟件計算, 采用1~9 標度法對各要素的重要性進行兩兩比較, 構建要素層的判斷矩陣, 并對判斷矩陣結果進行一致性檢驗。判斷矩陣一致性為0.0516, 所得要素權重結果可信度較高, 然后采用類似步驟確定參數層的指標權重, 最后通過要素權重和指標權重相乘, 得到18個單項指標的最終權重(表1)。

3 結果分析

3.1 暴露度、敏感性和適應力評價

貴陽市生態暴露度、敏感性和適應力評價結果示于圖2。暴露度較高的區域集中于云巖區和南明區, 其次是花溪區、白云區和觀山湖區(圖2a)。這5個縣(區、市)是貴陽市人類活動強度最大的區域, 經濟發展較快, 近年來建設項目增多, 大量占用生態用地, 因此暴露度較高。烏當區、清鎮市、修文縣、息烽縣和開陽縣暴露度則相對較低。敏感性較高的區域集中于白云區、云巖區、南明區和觀山湖區(圖2b)。這4個區域自然生態系統破壞嚴重, 植被覆蓋度較低, 因此敏感性較高。其余區域敏感度則較低。適應力較高的區域集中南明區、云巖區、觀山湖區、白云區和花溪區(圖2c)。適應力較高的區域雖然其暴露度和敏感性均較高, 但因該區域經濟社會發展水平較高, 政府對生態建設投入較多, 環境保護意識較強, 因此適應力較強。綜上所述, 貴陽市云巖區、南明區、花溪區、白云區和觀山湖區生態暴露度、敏感度和適應力普遍較高, 烏當區、清鎮市、修文縣、息烽縣和開陽縣則相對較低, 整體上呈現“南高北低”的格局。

3.2 生態脆弱性分區

以不同單元脆弱性結果為基礎, 為了保證組內差異最小、組間差異最大, 利用自然斷點法將貴陽市生態系統劃分微度脆弱區、輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區和極度脆弱區。劃分結果(圖3a)表明, 白云區、觀山湖區、云巖區、南明區和花溪區為極度脆弱區, 烏當區和息烽縣為高度脆弱區, 修文縣為中度脆弱區, 清鎮市為輕度脆弱區, 開陽縣為微度脆弱區。從各生態脆弱性等級的區域面積來看, 微度脆弱區、輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區和極度脆弱區的面積分別為: 2008.5 km2、1526.5 km2、1044.5 km2、1767.5 km2、1687 km2。總體上, 貴陽市各生態脆弱性等級的區域面積相當, 微度脆弱區占的比例較大, 占總面積的25%, 輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區和極度脆弱區分別占19%、13%、22%和21%。

表1 貴陽市生態脆弱性指標體系

圖2 貴陽市暴露度、敏感性和適應能力評價

Figure 2 Evaluation of exposure, sensitivity and adaptability of Guiyang City

圖3 貴陽市生態脆弱性分區及其面積占比

Figure 3 Ecological vulnerability zone and its area ratio of Guiyang City

4 生態脆弱性歸因分析及優化調控對策

4.1 極度脆弱區歸因分析

前述生態脆弱性分區結果已表明, 貴陽市南明區、云巖區、白云區、觀山湖區和花溪區為極度脆弱區。經初步分析, 造成該區域生態極度脆弱的原因如下。首先, 極度脆弱區人口密度、人均GDP、城鎮化率、和建設用地比重均高于其他區域, 造成了較高的暴露度。特別地, 貴陽市各縣(市區)建設用地比重與生態極度脆弱區有一定的對應關系, 南明區、云巖區、白云區、觀山湖區和花溪區建設用地比重均大于10%(圖4), 與之相對應的是上述區域均為生態極度脆弱區。由此表明, 建設用地比重、人口密度、城鎮化率等暴露源是導致貴陽市生態脆弱的主要因素。其次, 極度脆弱區與其他地區相比, 植被指數較低、生態空間侵占嚴重, 導致敏感性較高。最后, 極度脆弱區的第三產業比重、固定資產投資、地方財政收入、生態保護區個數均多于其他區域, 生態建設能力較強。總體來說, 南明區、云巖區、白云區、觀山湖區和花溪區的經濟社會發展水平較高, 適應力較強。

圖4 貴陽市各縣(區、市)建設用地比重

Figure 4 Proportion of construction land in counties (districts and municipalities) of Guiyang City

4.2 各區域優化調控對策

根據不同生態脆弱區的區位優勢和人文環境特征, 對貴陽市各縣(區, 市)提出生態環境保護和生態系統優化調控對策。

(1)針對貴陽市生態脆弱區(云巖區、南明區、白云區、花溪區和觀山湖區), 具體優化調控對策如下。南明區是貴陽市的中心城區, 經濟發展水平高, 資本密集程度高, 未來南明區應該提高資源利用效率, 大力發展低碳產業, 引導人口和產業向生態脆弱性較低的區域轉移。云巖區是原貴陽老城的主體部分, 產業經濟因人口集聚而自發形成, 土地利用格局缺乏系統規劃。因此云巖區要減弱生態脆弱性, 應該嚴格控制城鎮規模繼續擴張, 并協調好經濟發展和生態保護之間的關系。白云區地處貴陽市中部, 工業企業集聚, 城市人口密集, 排放過多, 生態負荷較重, 使得生態環境的維持和恢復變得十分困難。白巖區應該做好生態資源的制度設計, 完善資源價值補償和生態環境影響評估等制度, 以減弱生態脆弱性。觀山湖區近年來建設項目增多, 城鎮面積迅速擴張, 生態環境質量下降。在以后的發展中, 觀山湖區應該限制城鎮和產業空間的無序擴張, 堅持以生態建設和環境保護為主, 走生態山地城鎮建設之路, 以減弱其生態脆弱性。花溪區隨著經濟的快速發展和城市化的快速推進, 土地利用類型的規模和利用強度對花溪區生態系統平衡產生巨大的擾動和破壞。未來花溪區應確定區域生態承載力, 重點發展第三產業, 加強旅游資源的開發利用和保護, 整合資源打造貴州省生態旅游基地。

(2)高度脆弱區(烏當區、息烽縣)。烏當區是一個有著深厚歷史文化和多彩民族風情的新型城區, 蘊藏著豐富的旅游資源。該區應著力推動康養旅游業轉型, 發展大健康特色生態經濟, 帶動區域生態建設。息烽縣經濟迅速發展, 道路和居民點等建設用地比例增加對生態系統穩定性造成干擾和破壞, 生態環境和社會經濟發展之間的矛盾日益突出。息烽縣應加強生態修復和環境保護, 加強資源型城市產業結構轉型, 降低城鎮建設強度和規模, 因地制宜地發展資源環境可承載的生態產業, 避免其生態脆弱性增強。

(3)針對中度脆弱區(修文縣)、輕度脆弱區(清鎮市)和微度脆弱區(開陽縣)。上述三個區域由于人口密度、人均GDP、城鎮化率和建設用地比重等生態暴露源較生態極度脆弱區和高度脆弱區低, 導致的生態暴露度較低。如修文縣是一個典型的農業縣, 獼猴桃和金秋梨等果林面積廣。此外, 中度、輕度和微度脆弱區的生態環境質量相對較好, 生態敏感性較低, 如清鎮市是連接貴陽市和貴安新區的重要飲用水源地和生態屏障, 生態環境破壞程度較低、開陽縣地處黔中腹地, 磷礦資源豐富, 是中國著名的三大磷礦產區之一, 素有“喀斯特生態世界公園”、“中國綠色磷都”的美譽, 除礦產資源的開采之外其他工業活動相對較少。因此修文縣、清鎮市和開陽縣總體上生態脆弱性較低。一方面, 上述三個區域應該因在保持較低的生態脆弱性的基礎上地制宜地發展當地經濟。具體地, 修文縣要加強植樹造林和水土保持功能, 打造“陽明文化、修文獼猴桃、桃源八寨”的旅游特色資源, 讓鄉村旅游促進經濟增長從而帶動地區生態建設; 開陽縣未來可依托其豐富的自然環境資源和農業優勢, 推動“旅游、扶貧、生態”深度融合, 盤活開陽縣的綠水青山。另一方面, 在發展的同時, 應該注重生態環境問題的保護。例如, 清鎮市近年來石漠化程度較高、水土流失較嚴重, 應加強石漠化和水土流失整治, 實施退耕還林還草工程、加強生態撫育管護; 開陽縣在礦產資源的開采過程中可能會導致土壤環境、水體環境的污染以及植被的破壞, 因此在礦產資源開采的同時應該對土壤和水體環境的污染進行修復, 加強礦山周圍生態環境的保護。

5 結論

本文從暴露度、敏感性和適應力三個維度構建了18個參數指標, 利用VSD 模型對貴陽市的生態脆弱性進行評價, 對極度脆弱區進行歸因分析并針對不同生態脆弱性分區提出相應的優化調控對策。主要得出以下結論:

(1)暴露度、敏感性和適應力評價結果表明, 暴露度較高的區域集中于云巖區和南明區, 其次是花溪區、白云區和觀山湖區, 烏當區、清鎮市、修文縣、息烽縣和開陽縣則相對較低。敏感性較高的區域集中于白云區、云巖區、南明區和觀山湖區, 其余區域敏感度則較低。適應力較高的區域集中南明區、云巖區、觀山湖區、白云區和花溪區, 整體上呈現“南高北低”的格局。

(2)生態脆弱性分區結果表明, 白云區、觀山湖區、云巖區、南明區和花溪區為極度脆弱區, 烏當區和息烽縣為高度脆弱區, 修文縣為中度脆弱區, 清鎮市為輕度脆弱區, 開陽縣為微度脆弱區。各生態脆弱性等級的區域面積相當, 微度脆弱區占的比例較大, 占總面積的25%, 輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區和極度脆弱區分別占19%、13%、22%和21%。

(3)從區域整體的空間差異來看, 生態脆弱性空間分布特征是呈中南部向北部、東部、西部降低的趨勢, 以云巖區為中心向外擴散展開。由此說明, 雖然經濟發展水平越高的區域在居民保護意識和環保投資等評價指標上占有一定的優勢, 但暴露度、敏感性高是導致生態系統極度脆弱的重要原因。其中, 導致貴陽市生態極度脆弱的主要原因是建設用地比重、人口密度、城鎮化率等暴露源。其次是植被指數較低和土壤侵蝕較嚴重, 導致敏感性較高。盡管巖溶地區生態環境十分脆弱, 但自然資源十分豐富, 未來貴陽市應依托其豐富的自然環境資源和區位優勢, 促進巖溶山地城市安全發展、城市空間結構優化和生態宜居城市建設。

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Ecological vulnerability assessment in rapid urbanization areas of karst mountainous areas: take Guiyang as a case

REN Hongyu, ZHAO Yuluan*

School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China

In order to reveal the fragility of urban ecosystems in karst mountainous areas, this paper takes Guiyang City as an example to evaluate the ecological vulnerability of Guiyang City by Vulnerability Scoping Diagram, and analyzes the attribution of extremely vulnerable areas. According to the ecological vulnerability zoning, corresponding optimization and control strategies are proposed. The results show that: (1)The ecological exposure, sensitivity and adaptability of Yunyan District, Nanming District, Huaxi District, Baiyun District and Guanshan Lake District in Guiyang City are generally higher, Wudang District, Qingzhen City, Xiuwen County, Xifeng County and Kaiyang County are relatively low, and the overall pattern of “south high and low north” is presented. (2) From the perspective of ecological vulnerability, Baiyun District, Guanshan Lake District, Yunyan District, Nanming District and Huaxi District are extremely vulnerable areas, Wudang District and Xifeng County are highly vulnerable areas, and Xiuwen County is moderately vulnerable, Qingzhen City is a slightly vulnerable area, and Kaiyang County is a slightly vulnerable area. (3) Although the higher the level of economic development, it has certain advantages in the evaluation indicators of residents' protection awareness and environmental protection investment; the high degree of exposure and sensitivity is an important reason for the extreme fragility of the ecosystem. Guiyang City should rely on its rich natural resources and ecological advantages to promote the safe development of karst mountainous city, the optimization of urban spatial structure and the construction of ecologically livable city.

ecological vulnerability; karst mountain area; VSD model; Guiyang City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.031

任紅玉, 趙宇鸞. 貴陽市巖溶山區快速城市化地區生態脆弱性評價[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 252–258.

REN Hongyu, ZHAO Yuluan. Ecological vulnerability assessment in rapid urbanization areas of karst mountainous areas: take Guiyang as a case[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 252–258.

X826

A

1008-8873(2020)04-252-07

2019-01-03;

2019-02-28

國家自然科學基金項目(41771115); 國土資源部土地利用重點實驗室開放基金(KLLU201805); 國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(2015CB452706); 貴州省科技計劃項目(黔科合平臺人才[2017]5726號); 2015年貴州省“千”層次創新型人才資助項目(111-0317003)

任紅玉(1996—), 女, 貴州遵義人, 碩士研究生, 主要從事土地資源利用與管理研究。E-mail:1304253465@qq.com

趙宇鸞, 男, 博士, 教授, 主要從事土地資源與生態保護研究。E-mail: zhaoyl.09b@igsnrr.ac.cn.