基于多維視角的呼包鄂榆城市群跨區域生態風險評價

劉宇 崔秀萍*，2 楊豐瑋 甄婷 牛天賜

（1.內蒙古財經大學資源與環境經濟學院，內蒙古呼和浩特 010070；2.祖國北疆資源利用與環境保護協調發展院士專家工作站，內蒙古呼和浩特 010070）

1 引言

城市生態學是用生態學的方法研究以人為核心的城市系統的一門新興交叉學科［1］，其為研究城市生態安全提供了一個嶄新視角。依托地理信息系統和計算機模擬技術的發展，城市生態學在城市生態環境與污染［2］、城市生態系統功能［3］、城市資源環境承載力［4-5］與城市生態規劃［6］等領域的應用研究已逐漸成熟，并在此基礎上形成了全面多元的生態風險評價體系。城市生態風險評價［7-8］是對城市生態系統及其組分受城鎮化發展、人為活動、環境污染和自然災害等方面的脅迫后，對城市生態可能出現的損害進行全面判別，研究多因素對城市生態環境造成的負面影響，從而采取相應措施以維護城市生態平衡，提高城市生態效率，改善城市環境質量。目前主流的生態風險評價主要圍繞重金屬污染［9-10］、農田系統［11］、水環境［12］、土地利用［13-14］等單一風險源開展，較少從景觀格局、碳排放、經濟社會3 個維度對生態風險進行空間定量評價；而生態風險評價的對象以濕地［15］、礦區［16］、城市［17］等小尺度生態脆弱區居多，以呼包鄂榆城市群為代表的跨區域尺度多維度生態風險評價研究較少見。

城市群［18］作為城市發展到成熟階段的最高空間組織形式，是區域板塊之間融合發展的重要引擎，而呼包鄂榆城市群作為我國重要的能源和資源富集區及生態屏障區，在構建西部大開發新格局、推進新型城鎮化高質量發展和守住國土生態安全邊界中處于重要戰略地位。“十四五”規劃綱要重點強調以城市群、都市圈為依托，促進大中小城市和小城鎮協調聯動、特色化發展，因此，培育發展呼包鄂榆城市群，增強其綜合承載、資源優化配置的能力，是實現快速城鎮化向新型高質量、可持續城鎮化梯度爬升的有力保障［19］。參考已有的研究成果，目前對于綜合實力已處于優化提升期的城市群，相關學者大多關注其腹地內大中小城市宜居［20］、韌性［21］、一體化［22］等高質量發展的聯動引領效應，而對于尚處于成長發育階段的呼包鄂榆城市群，其研究熱點以城市群發展現狀［23］和阻礙其城鎮化進階的資源制約因子［24］等基礎研究為主，而從景觀格局、碳排放、經濟社會多個維度對跨區域城市群生態風險進行空間定量評價的研究比較少見。

內蒙古自治區與陜西省聯合印發的《推動呼包鄂榆城市群發展規劃實施“十四五”重點合作事項》，指出加強生態環境共保共治是呼包鄂榆城市群“十四五”時期的一項重大任務。而呼包鄂榆城市群的發展關乎國家大局，其承擔著推進形成西部大開發新格局、推動國土空間均衡開發、筑牢民族地區生態屏障的重大責任。但由于呼包鄂榆城市群地處生態脆弱區，在城鎮化快速推進中，往往可能造成資源短缺、土地利用不合理以及環境污染等生態問題。為協調城市生態關系，提高城市生態效率，踐行新型城鎮化背景下的生態安全理念宗旨，本文以城市生態學為理論基礎，于中觀視角下構建多維度生態風險評價模型的預警調控機制，通過對呼包鄂榆城市群進行全面客觀的生態風險評價，明確其西北地區生態文明合作共建區定位，旨在為跨省、自治區的生態文明建設、自然資源管理、環境修復等諸多工作和相關決策提供重要的科學依據和理論支持。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

地處國家“兩橫三縱”城市化戰略格局包昆通道縱軸北端，呼包鄂榆城市群由內蒙古自治區呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市及陜西省榆林市組成，研究區面積約17.5 萬km2，4 市分別占比9.8%，15.9%，49.7%，24.6%。平均海拔約為1 300 m，整體地勢向東南傾斜，地處我國北方干燥區，屬溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫約8 ℃，平均降水約320 mm，風、光資源充足，草原、沙漠、濕地等自然資源豐富。2020年，研究區地區生產總值為13 212 億元，常住人口達1 195 萬人，整體城鎮化率達75%，比全國平均水平高約11%。以能源、化工、冶金、新材料、裝備制造、農畜產品加工等為主的工業體系基本形成，旅游、商貿、金融、大數據等服務業發展較快，城市間能源、旅游等產業合作密切，產業分工協作體系逐步建立。同時該區域還是我國重要的能源化工、農牧產品加工業和稀土新材料產業基地，是我國西部地區重要的生態屏障和民族地區城鄉融合發展先行區。在我國的新型城鎮化推進中，呼包鄂榆城市群以打造西北地區生態空間共建共享、生態環境共治共管、人與自然和諧共生的生態城市群為目標，承擔著完善國土空間穩疆固邊開發、促進民族地區城鄉共榮發展與保障黃河中上游生態安全的重大責任。

2.2 數據來源及處理

本研究所需數據包括兩類：一是2020 年呼包鄂榆城市群的Landsat TM/ETM 土地利用類型遙感監測影像，來源于中國科學院資源與環境數據云平臺，分辨率為30 m×30 m，通過人工目視解譯生成；借助ArcGIS10.8 軟件，參照最新版《中國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類系統》中的一級分類標準，將研究區土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6 類，由此統計各用地類型面積，從而進行景觀生態風險評價。二是各城市的環境、經濟、社會指標和使用間接碳排放系數法所需的各項化石能源消費量數據，主要源自2020 年呼和浩特、包頭、鄂爾多斯和榆林4 市統計局公布的統計年鑒，并以此為基礎進行多維度生態風險評價。

2.3 研究方法

2.3.1 景觀生態風險評價

景觀生態風險評價用于表達土地利用結構與生態風險之間的關系，從而描述研究區內不同土地利用類型所帶來的生態風險大小，其表達式為：

式中，ERI 為景觀生態風險指數，其值越大，代表區域內的生態風險越大；N 為土地利用類型數量；A 為土地利用類型總面積；Ai為第i 類土地利用類型面積；Ri為第i 類土地利用類型的景觀損失度指數，由不同土地利用類型的景觀干擾度指數（Ei）和景觀脆弱度指數（Vi）乘積得到。

景觀干擾度指數由景觀破碎度指數（Ci）、景觀分離度指數（Si）和景觀分維度指數（Fi）計算所得，具體表達式為：

式中，Ei表示景觀干擾度指數，體現出不同景觀類型所受外界的干擾程度；Ci為景觀破碎度指數，指景觀由于人為或自然等因素破碎成雜亂的斑塊；Si為景觀分離度指數，描述景觀類型中斑塊分布的離散程度，數值越大說明該景觀類型斑塊分布越分散，不同景觀類型之間演替就越頻繁；Fi為景觀分維度指數，反映不同景觀斑塊形狀的復雜程度。

2.3.2 碳排放生態風險評價

碳排放生態風險評價用于表達區域碳排放量與生態風險之間的關系，碳排放生態風險評價大小由區域土地利用類型面積和各地類碳排放系數共同決定，其計算公式如下：

式中，CRI 為碳排放生態風險指數，其值越大，代表區域內生態風險越大；N 為土地利用類型數量；A 為土地利用類型總面積；Ai為第i 類土地利用類型面積；Pi為第i 類土地利用類型碳排放系數。

對于各土地利用類型的碳排放系數，參考相關學者研究成果并結合研究區各項化石能源消耗產生的碳排放總量確定，其中化石能源產生的碳排放總量的計算公式為：

式中，E 表示建設用地碳排放總量；eci表示各種能源消耗產生的碳排放量；Eni為各種能源消耗量；θi為各種能源轉換為標準煤的系數；σi為各種能源的碳排放系數。

2.3.3 因素測度模型

經濟、社會生態風險測度體現出各個生態風險因子的變化對生態環境的影響程度。假設有i 個測度城市，j 為生態風險的影響因子，xij為第i 個城市第j 個生態風險因子的標準化值，xi0為第i 個城市的生態環境指標變量（i＝1，2…，n；j＝1，2…，m）。經濟、社會生態風險因子（xij）的增加會引起生態環境指標變量（xi0）的減少，從而產生損失性風險，則有如下風險測度模型：

式中，FRi為各個測度城市的經濟、社會生態風險強度值；θ∈（0，1）為可調參數；aj為各個風險因子的影響程度。

3 結果與分析

3.1 景觀生態風險評價

3.1.1 景觀格局指數分析

本文借助ArcGIS10.8 和Fragstats4.2 對呼包鄂榆城市群的耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6 類土地利用類型進行景觀格局分析，分別計算出不同土地利用類型2020 年的景觀破碎度指數、景觀分離度指數、景觀分維度指數，并以此計算出每種土地利用類型的景觀干擾度指數和景觀損失度指數。呼包鄂榆城市群景觀格局指數見表1。

由表1 可知，2020 年呼包鄂渝城市群土地利用類型主要以草地為主，占區域面積的55.55%，達97 027.68 km2；其次各土地利用類型面積依次是耕地31 094.44 km2、未利用地29 213.73 km2、林地7 990.61 km2、建 設 用 地6 007.87 km2和 水 域3 332.70 km2。呼包鄂榆城市群6 種土地景觀類型的干擾度指數依次為：建設用地＞水域＞林地＞耕地＞草地＞未利用地。其中建設用地面積占比較低，但其斑塊數目多達12 021 個，說明呼包鄂榆城市群在城鎮化建設上空間分布較分散，破碎化程度高，因此建設用地的景觀破碎化指數與景觀分離度指數都最高，從而其景觀干擾度指數也處于較高水平；而未利用地主要包括荒草地、鹽堿地、沙地等，景觀干擾度指數僅為0.289 2，說明研究區內土地開發利用難度較大，其地形地貌因子是造成景觀干擾度較低的關鍵因素。

6 種土地利用類型中，景觀損失度指數依次為：水域＞未利用地＞耕地＞草地＞林地＞建設用地。其中，水域的損失度指數最大，但因為其面積占比較小，不易引發大范圍的區域生態風險；而未利用地的損失度指數較大，且其面積占比較多，分布較為廣泛，是引發區域生態風險的主要因素；相反，建設用地的景觀干擾度指數較高，但其景觀脆弱度指數僅為0.047 6，抵御外部干擾的能力較強，因此，其損失度指數較低，不易引發高等級生態風險；其次，耕地、林地、草地均會引起不同程度區域生態風險。

3.1.2 景觀生態風險評價結果

根據呼包鄂榆城市群土地利用類型的景觀格局指數計算各風險區的景觀生態風險值，并將各評價單元的景觀生態風險劃分為5 種等級［25］：低風險區（ERI＜0.45）、較低風險區（0.45≤ERI＜0.55）、中風險區（0.55≤ERI＜0.65）、較高風險區（0.65≤ERI＜0.75）、高風險區（ERI≥0.75）。

呼包鄂榆城市群景觀生態風險等級面積及比例見表2。由表2 可知，呼包鄂榆城市群景觀生態風險總體偏低，主要以低生態風險區和較低生態風險區為主，分別占研究區總面積的16.94%和47.12%，該區域主要集中在研究區的東北部與中部區域，土地利用類型以林地、草地為主，景觀自身穩定性較強，生態風險較低；中等生態風險區面積占研究區總面積的26.83%，該區域主要分布在研究區的南部以及中部部分區域，土地利用類型主要包括耕地、建筑用地和未利用地，景觀穩定性更易被破壞，人為干擾后受損程度較大；而較高生態風險區和高生態風險區面積較少，僅占研究區總面積的7.51%和1.6%，該區域主要呈團塊狀分布在鄂爾多斯市的西北部與東南部，此區域未利用地面積占比上升，景觀脆弱性較大且自身穩定性較低，從而生態風險等級較高。

表2 呼包鄂榆城市群景觀生態風險等級面積及比例

3.2 碳排放生態風險評價

3.2.1 碳排放系數確定

對于耕地、林地、草地、水域及未利用地的碳排放系數，參考不同學者研究成果［26-29］并結合研究區經緯度及實際地理狀況，分別取值為0.422，-0.613，-0.021，-0.303 和0.005。建設用地碳排放系數通過研究區人為利用過程中的各項化石能源產生的碳排放總量與建設用地面積的比值確定。通過查找2020年呼包鄂榆城市群各項化石能源消費量數據，并參考IPCC 國家溫室氣體清單指南，依據表3 和呼包鄂榆城市群建設用地狀況，計算得到建設用地的碳排放系數為17.014 t/（hm2·a）。

表3 呼包鄂榆城市群能源碳排放量

3.2.2 碳排放生態風險評價結果

為了更加直觀、清楚地顯示呼包鄂榆城市群碳排放生態風險的空間分布，本研究參考已有研究成果并采用自然斷點法將碳排放生態風險劃分為5種等級［30］：低風險區（CRI＜0.5）、較低風險區（0.5≤CRI＜2.0）、中風險區（2.0≤CRI＜3.5）、較高風險區（3.5≤CRI＜7.0）、高風險區（CRI≥7.0）。

呼包鄂榆城市群碳排放生態風險等級面積及比例見表4。由表4 可知，呼包鄂榆城市群碳排放生態風險整體較低，東部碳排放生態風險整體高于西部地區。其中低生態風險區與較低生態風險區面積分別占研究區總面積的71.21%和21.08%，該區域的土地利用類型主要為林地、草地和水域，其碳排放量小于碳吸收量，因此碳排放生態風險較低；中等生態風險區面積占研究區總面積的4.17%，該區域緊密圍繞在較高生態風險與高生態風險區周圍，并呈現出向周邊擴散的趨勢；而較高生態風險區和高生態風險區面積僅占研究區總面積的2.77%和0.76%，該區域主要呈團塊狀分布，并與研究區建設用地的空間分布高度吻合，主要原因是地區城鎮化發展與人類活動消耗化石能源產生大量碳排放，從而引發較高碳排放生態風險。

表4 呼包鄂榆城市群碳排放生態風險等級面積及比例

3.3 經濟、社會生態風險評價

在呼包鄂榆城市群發展歷程中，經濟城市化和社會城市化是城市生態環境質量下降，誘發城市生態風險的主要原因。本文選取呼和浩特、包頭、鄂爾多斯和榆林作為4 個評價單元，選取12 個生態環境指標計算出城市生態環境綜合指數，進而通過測度城市的經濟和社會風險因子對城市生態環境產生的偏離程度，得到城市的經濟、社會生態風險強度值。呼包鄂榆城市群經濟、社會生態風險強度值見表5。

表5 呼包鄂榆城市群經濟、社會生態風險強度值

由于城市之間生態本底、資源分布以及經濟結構存在差異，因此不同城市在城鎮化發展中產生的生態風險也存在著相應的差異性。呼包鄂榆城市群經濟生態風險強度值為0.489 3，小于其社會生態風險強度值，說明經濟增長引起城鎮化進程加快導致的生態風險小于社會發展引起城鎮化進程加快導致的生態風險。其次，各城市經濟生態風險強度值依次為：呼和浩特＞鄂爾多斯＞包頭＞榆林；各城市社會生態風險強度值依次為：鄂爾多斯＞呼和浩特＞包頭＞榆林。呼和浩特和包頭的經濟生態風險強度值分別為0.631 4 和0.514 4，均大于其對應的社會生態風險強度值，說明呼和浩特和包頭經濟因素誘發的城市生態風險均高于其社會因素誘發的城市生態風險，經濟發展對生態環境的影響大于社會進步；而鄂爾多斯和榆林的經濟生態風險強度值分別為0.582 3 和0.229 0，均小于其社會生態風險強度值，說明鄂爾多斯和榆林經濟因素誘發的城市生態風險低于其社會因素誘發的城市生態風險，經濟發展對生態環境的影響小于社會進步。

4 討論與結論

城市群生態風險多維度綜合評價過程復雜，需要綜合考慮多視角下的影響因素，基于景觀格局、碳排放以及經濟社會的角度，綜合量化呼包鄂榆城市群的生態風險問題，對于認識呼包鄂榆城市群生態環境問題、進行區域生態文明建設有重要意義。本文利用遙感影像并綜合區域內經濟、社會指標，從多維度綜合探索呼包鄂榆城市群生態風險等級特征，研究結果揭示的呼包鄂榆城市群生態風險時空分布與區域實際基本相符。具體結論如下：

（1）2020 年呼包鄂榆城市群景觀生態風險空間差異顯著，且集聚趨勢明顯，其西部區域的景觀生態風險明顯高于東部地區。其中，低生態風險區和較低生態風險區面積分別占研究區總面積的16.94%和47.12%，主要集中在東北部和中部地區，土地利用類型以林地、草地為主；中等生態風險區面積占研究區總面積的26.83%，主要分布在南部以及中部地區，土地利用類型主要包括耕地、建設用地和未利用地；而較高生態風險和高生態風險區面積僅占研究區總面積的7.51%和1.60%，主要分布在鄂爾多斯市西北部和東南部地區，該區域未利用地面積占比較多。

（2）研究期內，呼包鄂榆城市群碳排放生態風險整體呈現東部高、西部低的特點。其中，低生態風險區和較低生態風險區面積分別占研究區總面積的71.21%和21.08%，土地利用類型主要包括林地、草地和水域；而中等生態風險區面積占研究區總面積的4.17%，其緊密圍繞在較高生態風險和高生態風險區周圍；較高生態風險區和高生態風險區面積分別占研究區總面積的2.77%和0.76%，其空間分布與建設用地高度吻合，這主要與生產建設活動的能源消耗產生大量碳排放有關。

（3）在城鎮化快速推進過程中，經濟發展與社會進步往往是以犧牲城市生態環境為代價的，而經濟、社會生態風險強度值能夠合理反映出各城市的生態風險大小，呼包鄂榆城市群經濟、社會生態風險強度值分別為0.489 3 和0.519 1。具體來看，各城市經濟生態風險強度值依次為：呼和浩特＞鄂爾多斯＞包頭＞榆林；社會生態風險強度值依次為：鄂爾多斯＞呼和浩特＞包頭＞榆林。

本研究著重從景觀格局、碳排放、經濟社會3 個維度對呼包鄂榆城市群生態風險進行空間定量評價，基于生態風險評價方法和因素測度模型著重對研究區內生態風險的空間分布特征進行探討，從3個維度選取生態風險脅迫因子進行呼包鄂榆城市群生態風險評價，可以改善單一風險源的主觀性和不完整性。但本研究的側重點在于呼包鄂榆城市群生態風險大小及其空間分布特征，并未考慮研究區生態風險的動態變化規律以及預測優化等內容，在后續的研究中需要進一步深化，從而構建全過程、多層級生態風險防范體系，為區域生態文明建設與生態屏障構筑提供更具體的發展對策和更強有力的支持。