三峽庫區生態空間脆弱性時空演變特征

王兆林, 張露洋, 鐘溦懿, 陳 萌, 楊承繡, 黃丹妮

(重慶工商大學 公共管理學院, 重慶 400067)

發展中國家城鎮規模無序擴張，城鎮化和工業化進程不斷加快等人類擾動的加劇，直接或間接地影響著區域生態空間穩定性和自我修復能力，各國生態空間脆弱性問題日益突出[1-2]。自1972年“聯合國人類環境會議”首次探討生態環境問題至今，生態脆弱性問題始終是全球密切關注的熱點，各國先后提出可持續發展戰略、生態文明建設、全球氣候變化框架條約等策略以保護生態空間安全與穩定。21世紀以來，生態系統脆弱性問題逐漸受到國內外專家學者的關注。隨著研究進程的不斷推進，有關生態脆弱性的研究方法和方向逐漸多元化。模糊綜合評價法[3]、主成分分析法[4]、層次分析法[5]、景觀生態學法等[6]逐漸應用到生態系統脆弱性評價中。此外，隨著干擾生態系統的因素逐漸增多，評價框架愈發趨于系統化與規范化，VSD(暴露度—敏感性—適應力)模型[7]、SEP(敏感性—彈性—壓力)概念模型[8]、SRP(敏感性—恢復力—壓力)模型[9]、PSR(壓力—狀態—響應)模型等[10]已成為生態評價中常用的評價指標構建模型。此外，生態系統脆弱性的研究范圍更加廣泛，現已涉及喀斯特地貌區[7]、濕地景觀[11]、海洋生態[12]、農牧交錯帶[8]、礦業城市[5]、干旱地區等[13]典型脆弱區。

生態空間是具有自然屬性、以提供生態服務或生態產品為主體功能的國土空間，進一步是區域除建設用地以外的一切自然或人工的植物群落、山水林田湖草等及具有綠色潛能的空間等系列生態用地，是各類生態系統存在的載體[14]。當前理論界對于生態空間的研究也僅限于空間識別[15]、三生空間的協同效應等[16]方面，對生態空間脆弱性的研究還不多見。同時有關生態空間脆弱性的研究對于“庫區”這一重要自然與人類綜合單元，尚未系統涉及。三峽庫區是我國長江上游重要的生態屏障區，也是典型的生態脆弱區。三峽庫區因其特殊的地形特征，加之移民工程的推進、社會經濟的發展，使得人類活動對自然資源的破壞逐漸凸顯，生態脆弱性問題越發嚴重。因此，研究三峽庫區生態空間脆弱性問題具有理論與實踐意義。在目前有關三峽庫區生態環境的研究中，多數研究區域僅限于重慶段或湖北段的一個地帶，對三峽庫區整體的研究較少，不利于在宏觀上對比庫區各區(縣)的生態空間脆弱性[17]。在研究內容上，學者關注生態系統脆弱性的研究[17-18]，對生態空間脆弱性的關注不夠，同時相關研究多集中于有關庫區消落帶等生態問題的研究[18]，對三峽庫區整體生態空間時空分異規律缺乏全面認識；選取的指標大多以自然指標為主，忽略了人類活動因素，并且在時間維度上缺乏連續性[19]。在研究方法上，主要利用傳統的PSR研究生態脆弱性[10,20]，而對于更為精確的VSD模型，應用不夠。

基于此，本文嘗試基于VSD模型分別從暴露度、敏感性和適應力3個方面，構建生態空間脆弱性評價指標體系，利用TOPSIS模型對三峽庫區2005年、2010年、2015年和2018年的生態空間脆弱性進行定量評價。旨在探討三峽庫區生態空間脆弱性的時間演變規律和空間分異特征，揭示庫區人類社會活動對生態空間的影響，為長江上游“共抓大保護，不搞大開發”的國土空間規劃的編制提供參考。

1 研究區、方法與數據

1.1 研究區概況

三峽庫區地處長江上游下段(北緯28°56′—31°44′N、東經106°16′—111°28′E)，橫穿鄂中山區峽谷、川東嶺谷地帶、大巴山及川鄂高原交界處。涉及重慶市22個區(縣)以及湖北省4個區(縣)。庫區地形崎嶇，地貌復雜，山地和丘陵占庫區總面積的95%，多為典型的喀斯特地貌區。因峽谷和盆地特殊地形的影響，庫區呈現夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤的亞熱帶季風性濕潤氣候類型，但水熱條件時空分布不均。庫區年均氣溫為17～19℃，年降水量為1 000～1 800 mm。由于特殊的地形地貌作為生長基礎，庫區的植被種類豐富，以亞熱帶常綠闊葉林作為主要植被，亞熱帶常綠針葉林、灌叢、亞熱帶竹林等也在庫區內廣泛分布。2018年三峽庫區常住人口2 103.02萬人，人口密度為52 436.41人/km2，人均耕地面積1.92 hm2/人，森林覆蓋率38%。區域土地利用以林地、耕地和草地為主，庫區仍存在水土流失、地質災害頻發、水污染等系列問題。

1.2 研究方法

1.2.1 VSD模型及指標 Polsky等[21]提出的VSD(暴露度—敏感性—適應力)模型清晰地表達了人類活動與生態系統之間的關系，經常被用于生態系統評價等相關研究中[7,22]。基于該模型，本研究將生態空間分解為3個維度，分別為生態空間的暴露度、敏感性和適應力。

暴露度是反映生態系統受外界干擾或影響程度以及人類對生態系統產生負荷的指標[23]。當人類活動的劇烈擾動能夠對區域生態系統產生直接或間接的負向影響時，在一定程度上就改變了生態系統的自然穩定性與生態空間的連續性，不利于區域可持續發展。即在同一生態空間下，各地區因不同強度的人類活動使生態系統受到不同強度的破壞。暴露度越高，對生態空間的干擾作用及影響程度越強，則生態空間脆弱性越高；反之，暴露度越低，生態空間脆弱性越低。基于暴露度的內涵，結合數據可得性，本研究選擇工業廢水排放量、城鎮生活污水排放量、城鎮生活垃圾排放量、化肥施用強度、農藥施用強度、人口密度、人均GDP、人均耕地面積、建設用地面積占比和土地墾殖率等10個指標，衡量庫區生態空間暴露度。

敏感性是指生態系統受到自然和外部環境正向或負向的影響，對自然環境和人為擾動等的敏感程度[24]。當人類活動干擾導致自然環境遭受破壞時，生態系統問題隨之產生。也表示承載生態系統空間的感知力，即在相同程度的外界脅迫和干擾下，生態系統受到外界干擾影響的難易程度。敏感性越低，說明區域遭受破壞的可能性和程度就越小，則生態空間脆弱性越低；反之，敏感性越高，生態空間脆弱性越高。基于敏感性內涵，結合數據可得性，本研究選擇NDVI、土壤侵蝕強度、森林覆蓋率、坡度、地形起伏度、最高季節溫度和年降水量7個指標，衡量庫區生態空間敏感性。

適應力是指生態系統在受到外界干擾后，能夠處理、適應脅迫，以及恢復至系統平衡狀態的自我協調能力[25]。主要表現為人類面對一系列生態問題采取的應對措施和策略，以及生態空間對于外界脅迫的反饋、協調和韌性。即在生態系統偏離穩定狀態后，各個地區適應外界干擾和自我恢復的能力。適應力越強，說明系統在被破壞后恢復的可能性越大，則生態空間脆弱性越低；反之，適應力越弱，生態空間脆弱性越高。基于適應力內涵，結合數據可得性，本研究選擇城鎮化率、第三產業比重和生態修復用地面積比重3個指標，衡量庫區生態空間適應力。

依據VSD模型，本研究結合自然資源部出臺的《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南(試行)》(以下簡稱《技術指南》)中“雙評價”的要求，結合庫區實際，構建庫區生態空間脆弱性評價指標體系(表1)。

1.2.2 TOPSIS模型 TOPSIS模型(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一種常用的在有限的方案中進行多目標決策分析的技術，是一種逼近理想解的排序方法[26]。其原理為將評價指標進行歸一化處理以消除量綱的影響，并計算指標的最優解和最劣解，最后根據指標與最優、最劣解的近似程度判斷指標的優劣。

(1) 對n個評價對象的m個指標構建原始矩陣，進行綜合評價，并對原始矩陣進行歸一化處理，獲得矩陣X和Z：

(1)

(2) 由各項指標的最優解和最劣解確定最優解向量和最劣解向量：

最優解向量：

(2)

最劣解向量：

(3)

表1 三峽庫區生態空間脆弱性指標體系及權重

(3) 定義各評價對象與最優解和最劣解的距離：

與最優解的距離：

(4)

與最劣解的距離：

(5)

(4) 計算各評價對象與最優值的相近度。

(6)

最后按相近度進行大小排序，Ci越大表示第i個評價對象越優。當Ci=1時，說明該評價對象各項指標均處于最優狀態；反之，當Ci=0時，說明評價對象各項指標均處于最劣狀態。

在TOPSIS評價基礎上，參照國內外已有的對生態脆弱性研究評價標準[4-7,9-10,17,20,27]和自然資源部出臺的《技術指南》中有關生態空間評價的要求，依據三峽庫區現狀，將三峽庫區生態空間脆弱性劃分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個等級(表2)。

表2 三峽庫區生態空間脆弱性分級標準

1.3 數據來源及處理

表1指標體系中，C1-C10，C18-C20以區縣級為單位，指標來源于2006—2019年《中國城市統計年鑒》《中國林業統計年鑒》《中國環境公報》《長江三峽工程生態與環境監測公報》《重慶統計年鑒》《宜昌市統計年鑒》《恩施州統計年鑒》和各地區環境公報統計年鑒。C11(NDVI)來自中國科學院資源環境科學與數據中心的2005年、2010年、2015年和2018年中國年度植被指數(NDVI)空間分布數據集。C12(土壤侵蝕強度)來源于地球系統科學數據共享網西南山地分中心，運用ArcGIS 10.2中的裁剪工具，得到三峽庫區各區(縣)1∶10萬土地侵蝕等級數據。C13(森林覆蓋率)來自于重慶市規劃和自然資源局中的重慶市土地利用現狀分類面積統計表和重慶市土地利用總體規劃(2006—2020年)。C14(坡度)和C15(地形起伏度)的DEM數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率為30 m，C14(坡度)運用ArcGIS 10.2中的slope工具處理得到各區(縣)坡度數據集。C15(地形起伏度)依據《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南(征求意見稿)4月版本》中“30 m×30 m柵格采用15×15鄰域”的建議，運用ArcGIS 10.2的焦點統計工具處理得到各區(縣)地形起伏度。C16(最高溫季節溫度)-C17(年降水量)由重慶市和湖北省及周邊地區各氣象站點監測的數據運用反距離加權插值法(IDW)進行空間插值。

2 結果與分析

2.1 三峽庫區生態空間各維度時空演變特征

2.1.1 暴露度 從空間維度看，三峽庫區生態空間暴露度，各時段總體上以重慶的主城區和渝東北的萬州區為雙核心向四周逐漸減弱，空間分布呈現“局部突出，四周分散”的特征(圖1)。這是由于庫區西部的巴南區、江北區、九龍坡區等區縣的經濟發展水平高、人口密度大、城市用地需求多，使得建設用地擴張加劇，耕地面積較少。為了確保農業平穩生產，這些地區糧食產量多依賴于化肥和農藥[28]，農藥和化肥的施用強度以及建設用地面積占比均高于其他地區。此外，重慶主城區人口密度和人均GDP高于全庫區平均水平，區域人類開發活動的強度較大，對生態空間造成不利影響。同時，由于城鎮人口密度大，城鎮生活垃圾和生活污水排放量也較高，環境破壞現象較為嚴重。因此，重慶主城區及其周邊生態空間暴露度較強，平均達到0.355。位于渝東北的萬州區、開州區、忠縣等地區多為喀斯特地貌，地形高差大，耕地種植不便，需依靠化肥和農藥的施用。且萬州區屬于渝東北核心城市，人口密度較大，建設用地較廣，城鎮生活垃圾和生活污水排放量較高，致使生態空間暴露度均較強，達到0.416。位于重慶東部的巫溪縣、巫山縣以及湖北的巴東縣、興山縣等區縣耕作方式較為傳統，化肥和農藥施用量較低；工業較不發達，工業廢水排放量低于三峽庫區平均水平；且建設用地面積占比較小，人口密度較低，城鎮生活垃圾和生活污水排放量較低，致使生態空間暴露度均較弱，僅為0.173。

圖1 三峽庫區生態空間暴露度分布

從時間維度來看，2005—2018年三峽庫區生態空間暴露度總體上呈逐年增強的演變特征(圖2)。近年來，雖然重慶和湖北積極加快轉變農業發展方式，大力發展生態農業、加強環境保護與治理，倡導化肥農藥施用量零增長。但由于三峽庫區地形起伏大，土壤易受侵蝕，耕地細碎化嚴重，農業生產條件差，糧食產量的增長依舊需要依靠農藥和化肥的使用。此外，自重慶直轄和長江經濟帶被確定為國家重大區域開發戰略以來，重慶段內各區(縣)受到直轄后國家政策和資源的傾斜，三峽庫區各區(縣)的經濟發展水平呈上升的趨勢，吸引大量外地人口遷入，人口密度和人均GDP增加，工業化進程加快，社會經濟的快速發展致使生態環境問題愈加嚴峻。且由于人口的增加，導致建設用地面積占比增加，林地和耕地等生態用地隨之減少，以此加劇生態空間的脆弱性。

2.1.2 敏感性 從空間維度看，三峽庫區生態空間敏感性總體上呈現“東北高西南低”的趨勢(圖3)，渝東北地區的巫溪縣、石柱土家族自治縣、云陽縣、巫山縣、奉節縣等位于庫區北部的區縣敏感性強度最為顯著，分別為0.691，0.515，0.506，0.502，0.477。這是由于渝東北地區的巫溪縣、巫山縣、開州區等區縣和湖北省的巴東縣、秭歸縣、興山縣是典型的喀斯特地貌，區域坡度高、地形起伏度大。已有研究表明，隨著山地城市經濟的不斷發展，人口不斷從鄉村向城鎮遷入，造成多山地區出現住房緊張、用地不足等問題，城市建設用地不僅占用耕地、林地等生態用地和地勢平坦的地區，還會逐步占用坡度較大的自然山體，對未來生態空間脆弱性有一定影響[25]。雖然區域植被指數和森林覆蓋率相對較高，但由于這些地區均為三峽庫區移民工程最為集中的區域，大量的工程活動和陡坡地區農業耕作促使其土壤侵蝕強度更為劇烈[29]，致使庫區北部生態敏感性較強。而位于渝西南部沙坪壩區、江津區、北碚區等區縣地勢平坦，土壤條件較好，加上重工業絕大部分已遷出區內，工業廢氣排放量較少，致使區域生態敏感性較低，分別為0.306，0.301，0.296。此外，三峽庫區內年降水量相對充沛且空間差異較小，對生態空間內植物和糧食作物等的生長具有促進作用。因此，雖然重慶主城及周邊地區植被指數和森林覆蓋率較低，但在多個指標的綜合影響下，使其生態空間敏感性較低。

圖2 2005-2018年三峽庫區生態空間VSD總體變化趨勢

從時間維度來看，2005—2018年三峽庫區生態空間敏感性總體上呈波動上升的演變特征。在國家建設三峽庫區生態屏障區戰略背景下，各級政府逐漸重視長江流域的生態發展，全面控制城市污染，加強對水土流失及土壤侵蝕較嚴重區域的治理。同時，庫區堅持“綠水青山就是金山銀山”的理念，全面開展“退耕還林”工程，穩步推進植樹造林工作，森林覆蓋率由2005年的39.73%增加至2018年的48.63%。此外，按照“共抓大保護、不搞大開發”方針，庫區注重發展綠色產業，堅決執行“長江禁漁”政策，積極改善長江流域物種的生存環境，加大企業的轉型和污染治理力度等舉措，均對區域生態空間敏感性的降低產生積極的影響。

圖3 三峽庫區生態空間敏感性分布

2.1.3 適應力 從空間維度看，三峽庫區生態空間適應力總體以重慶主城區、湖北4個區縣為雙核心向四周減弱，呈現出“兩端高，中間低”的空間分布格局(圖4)。這與重慶市直轄以來快速的城市化發展密切相關，城鎮化率的提升迫使重慶主城區大量開發土地，生態修復用地的規劃面積不足，意味著生態空間受到外界人為干擾的程度增加，恢復至平衡程度的能力減弱，致使重慶主城區生態空間適應能力較弱，僅為0.634。湖北省的夷陵區、興山縣、巴東縣、秭歸縣由于三峽庫區移民等原因，人類活動劇烈，加上人工造林等生態修復用地較少，致使其生態空間的適應力較弱，分別為0.613，0.556，0.540，0.511。另一方面，位于庫區中東部的重慶云陽縣、忠縣、奉節縣等區縣地勢起伏較大等因素導致區域產業和城鎮化進程緩慢，整個生態空間較為連續，生態空間的人為干預較少，因而其生態空間的自我恢復能力較強，分別為0.291，0.326，0.356。

圖4 三峽庫區生態空間適應力分布

從時間維度上看，2005—2018年三峽庫區生態空間適應力主要呈現先減后增的趨勢，生態空間在人類活動干預和社會經濟發展下的自我協調恢復能力加強；而庫區西南部的重慶主城區適應能力較弱，沒有明顯地增加。庫區進入城鄉統籌發展新階段后，產業結構轉型升級加快，一產比重穩步下降，三產穩步上升，2010年庫區第三產業比重均值已達41.09%，進入環境庫茲尼茨曲線的拐點，環境治理投入力度逐年增大。同時居民保護環境、注重生態建設的意識逐漸加強，“退耕還林”、“退耕還草”等政策大力推進，尤其近年來一些跨區域的庫區岸線重大生態修復工程的推進，有力的提升了庫區生態空間的適應力。

2.2 三峽庫區生態空間脆弱性時空演變特征

從空間維度看，三峽庫區生態空間脆弱性總體上以重慶主城區和渝東北的萬州區為雙核心向四周減弱，呈現出“西高東低”的空間分布特征(圖5)。生態空間極度脆弱區大多數主要分布在庫區西南地區的重慶市主城區域及重慶萬州。這些區域是城鎮化重點區域，人類活動對生態擾動強烈，人多地少，人口容量超過土地負荷，建設用地無序擴張，導致區內森林覆蓋率偏低。此外，工業化進程遠超其他區域，工業廢水和生活垃圾排放量的80%來源于重慶主城區、萬州區、長壽區等。因此，這些地區生態脆弱程度較為嚴重。另一方面，位于渝東北、渝東南以及湖北巴東縣、秭歸縣等區縣雖然地形崎嶇、坡度較大、土壤侵蝕較強，但受自然條件的限制，使得這些地區城鎮化和工業化進程緩慢，人類活動對生態空間的擾動有限，因而這些山區森林覆蓋率較高，自然環境狀況優良，一定程度上增加了生態空間韌性與自我修復能力，降低了生態空間脆弱性。

圖5 三峽庫區生態空間脆弱性分布

從時間維度來看，2005—2018年三峽庫區生態空間脆弱性總體呈現倒“倒U”變化趨勢(圖6—7)。2005年三峽庫區生態空間脆弱程度整體較低，此階段為庫區經濟發展初期，經濟還未全面高速增長，人類活動干擾強度較低，植被覆蓋率較高，自然環境較好，同期大部分區(縣)生態空間較為優良。2010年后，隨著庫區城鎮化和工業化進程加快，庫區人口快速增長，忽視生態環境保護，使得生態環境遭受人類活動的干擾較大，加劇庫區生態空間脆弱程度。也有研究表明三峽庫區水位存在周期性變化，在庫岸形成垂直落差為30 m的水庫消落帶，在一定程度上破壞庫區岸邊植被和土壤結構，加劇了土壤侵蝕強度，水庫蓄水增長，淹沒了庫區岸邊部分用地，加上三峽庫區移民的人口，致使建設用地需求增大，進一步加劇庫區生態空間脆弱性[30]。2015年后，隨著國家建設庫區生態屏障戰略的實施，“退耕還林”等重大生態修復工程的推進，長江上游流域生態治理力度加大，使環境污染在一定程度上得到緩解，庫區生態空間脆弱性逐漸降低。

圖6 三峽庫區生態空間脆弱性時間分布變化

3 結 論

(1) 三峽庫區生態空間脆弱性涵蓋生態空間的暴露度、敏感性及適應力三方面。暴露度越高，對生態空間的干擾作用及影響程度就越強，則生態空間脆弱性越高；敏感性越高，所受到破壞的可能性和程度就越大，則生態空間脆弱性越高；適應力越強，系統在被破壞后恢復的可能性就越大，則生態空間脆弱程度性越低。

圖7 三峽庫區生態空間脆弱性時間變化

(2) 三峽庫區生態空間脆弱性具有顯著的空間分布特征和時間演變規律。生態空間暴露度總體呈現以重慶的主城區(平均0.355)和渝東北的萬州區(0.416)為雙核心向四周逐漸減弱的分布特征；時間上由2005年的0.235 6，增強到2018年的0.269 1，呈逐年增強的演變規律。三峽庫區生態空間敏感性總體上呈現“東北高西南低”的趨勢，巫溪縣、石柱土家族自治縣、云陽縣、巫山縣、奉節縣等位于庫區北部的區縣敏感性強度最為顯著，分別為0.691，0.515，0.506，0.502，0.477。渝西南部沙坪壩區、江津區、北碚區等區縣生態空間敏感度較低分別為0.306，0.301，0.296。時間上，庫區空間敏感性總體由2005年的0.360 7，增強到2018年的0.437 4，呈現逐年增強的演變規律。生態空間適應力總體以重慶主城區(0.634)、湖北夷陵區(0.613)、興山縣(0.556)、巴東縣(0.540)、秭歸縣(0.511)為雙核心向四周減弱，呈現出“兩端高，中間低”的空間分布格局；時間上總體呈現先減后增的趨勢，由2005年的0.518 4，減少至2010年0.457 4，然后增加到2018年的0.571。

(3) 三峽庫區生態空間脆弱性呈現以重慶主城區和渝東北的萬州區為雙核心向四周減弱的分布特征。生態空間極度脆弱區主要分布在庫區西南地區的重慶市主城區域(平均0.735)及重慶萬州區(平均0.814)。時間上，庫區生態空間脆弱性總體呈現“倒U”的演變規律；2005年為0.336 2年、2015年達到頂點為0.378 9年、2018年下降到0.344 2。

(4) 三峽庫區生態空間脆弱性時空變化是一個動態的過程；與人類活動強烈程度和自然條件聯系緊密；與土壤侵蝕強度、坡度、廢水排放量、產業結構等自然環境和社會經濟因素息息相關，同時庫區生態空間具有較強的自我修復能力。