任红玉, 赵宇鸾

贵阳市岩溶山区快速城市化地区生态脆弱性评价

任红玉, 赵宇鸾*

贵州师范大学, 地理与环境科学学院, 贵阳 550001

为了揭示岩溶山地快速城市化地区生态系统的脆弱性, 以贵阳市为案例区, 利用VSD 模型(Vulnerability Scoping Diagram)对贵阳市的生态脆弱性进行生态脆弱性评价, 对极度脆弱区进行归因分析并针对不同生态脆弱性分区提出相应的优化调控对策。研究结果表明: (1)贵阳市云岩区、南明区、花溪区、白云区和观山湖区生态暴露度、敏感度和适应力普遍较高, 乌当区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县相对较低, 整体上呈现“南高北低”的格局。(2)从生态脆弱性分区来看, 白云区、观山湖区、云岩区、南明区和花溪区为极度脆弱区, 乌当区和息烽县为高度脆弱区, 修文县为中度脆弱区, 清镇市为轻度脆弱区, 开阳县为微度脆弱区。(3)虽然经济发展水平越高的区域在居民保护意识和环保投资等评价指标上占有一定的优势, 但暴露度、敏感性高是导致生态系统极度脆弱的重要原因。贵阳市应依托其丰富的自然资源和生态优势, 促进岩溶山地城市安全发展、城市空间结构优化和生态宜居城市建设。

生态脆弱性; 岩溶山区; VSD模型; 贵阳市

0 前言

中国城镇化、工业化进程的加快, 直接或间接地影响了生态系统为社会提供服务的能力, 一定程度上加剧了生态系统的脆弱性[1]。近年来, 生态脆弱性成为了全球环境变化和可持续发展研究的热点问题[2-3], 越来越多的学者开始关注生态脆弱性的研究。随着研究的不断深入, 生态脆弱性的评价方法越来越多样化, 模糊综合评价法[4]、模糊层次分析法[5]和主成分分析法[6]等方法被广泛应用于生态脆弱性的评价。此外, VSD(Vulnerability Scoping Diagram)模型亦为常用的生态脆弱性评价方法, 如李平星[7]等采用VSD模型将生态脆弱性分解为暴露度、敏感性和适应力, 并用这3个维度构建包含自然和社会因素的指标评价体系; 陈佳[8]等利用VSD模型, 构建了符合当地生态环境特征的指标体系, 定量测度了榆林市2000—2011年生态脆弱性空间分异特征。VSD评价模型最初由Polsky[9]等提出, 该方法基于美国公共空间工程框架, 将生态脆弱性分解为暴露度、敏感性和适应能力3个维度, 用“目标层-要素层-参数层”逐级递进的方式对数据进行组织和评价, 以揭示自然与社会因素对生态系统的双重影响。

贵州省是典型的喀斯特地区, 岩溶山区面积广, 生态环境脆弱[10]。其脆弱性特征表现为环境容量低、生态系统变异敏感度高、灾变承受能力低、稳定性差等[11]。贵阳市作为贵州喀斯特山区城市化以及经济快速发展的典型区, 一方面, 山地城市扩张占用林草地等生态用地[12], 进而侵占山体并可能引发崩塌等城市地质灾害; 另一方面, 城市用地结构失衡, 商品房大盘云集, 工业、居住用地挤占绿化休闲、交通基础设施等用地, 可能导致居住过于密集、城市交通拥挤、环境恶化等问题[13]。快速城市化过程加剧了贵阳市岩溶生态环境的脆弱性, 不但影响土地利用的效率, 而且造成资源环境承载力超载, 导致生态压力持续增大。因此, 科学认识和协调好岩溶山区快速城市化地区经济发展与生态环境保护之间的关系, 准确认识岩溶环境的脆弱性, 对优化岩溶山区国土空间、统筹空间资源、促进山区城市持续发展具有重要的现实意义。目前, 已有研究[14-15]大多关注城镇化背景下城市外延式扩张造成的生态系统脆弱性, 但城市化发展较为迅速的喀斯特山区城市的生态脆弱性评价的研究相对较少。基于此, 本文采用VSD模型对贵阳市进行生态脆弱性评价, 旨在揭示地形复杂的岩溶山地城市快速发展过程中生态系统的脆弱程度, 为促进山地城市安全发展、城市空间结构优化和生态宜居城市建设等提供参考。

1 研究区概况

贵阳市(106°07′—107°17′E, 26°11′—26°55′N)隶属于贵州省, 地处长江水系与珠江水系的分水岭地带, 土地总面积为8034 km2, 辖花溪区、南明区、云岩区、观山湖区、乌当区、白云区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县等10个县(市、区)(图1), 气候类型为亚热带湿润温和型气候, 年平均降雨量为1129.5 mm, 年平均气温为15.3℃。贵阳市是喀斯特地貌发育典型地区, 位于中国西南地区“全世界最大的喀斯特连续带”上, 全市85%的国土面积属于喀斯特地貌, 以山地和丘陵为主[16]。近年来, 贵阳市城市化进程加快, 人口急剧增长, 2016年年末户籍总人口469.68万人, 其中非农业人口348.31万人, 占74.16%。贵阳市经济的高速发展, 伴随着资源环境承载力超载程度加剧, 人类活动剧烈, 加之喀斯特地貌广泛分布、地形条件复杂, 土地承载力低, 导致生态环境质量下降。对贵阳市生态脆弱性进行测度、分析, 有利于贵州山区走兼顾经济发展与生态保护的路径。

图1 研究区地理位置示意图

Figure 1 Geographical location of the study area

2 研究方法与数据来源

2.1 VSD模型

生态系统受自然与社会因素的双重影响, VSD模型将生态脆弱性分解为3个维度, 分别是暴露度、敏感性和适应能力[9]。其中, 暴露源主要体现在人类活动方面, 敏感性主要体现在自然因素方面, 适应能力主要体现在适应性管理方面。基于VSD模型构建贵阳市生态脆弱性指标体系(表1), 各项指标导向主要是依据已有研究成果进行确定。其中, 指标导向为“+”表示该项指标越高, 脆弱性越高; 指标导向为“-”表示该项指标越低, 脆弱性越高。

暴露度指生态系统受到外界干扰或胁迫的程度, 暴露度越高, 生态环境越敏感, 生态系统的自我调节能力越低, 脆弱性越高; 贵阳市的暴露源主要体现在人口社会压力、人为活动干扰和土地利用格局方面[7, 17], 可以通过人口密度、人均GDP、城镇化率、人均耕地面积、林地比重和建设用地比重等方面进行表征。人口密度和人均GDP高, 表示岩溶山区经济发展水平高, 对土地资源的需求多, 势必影响生态系统的自我恢复能力, 导致区域暴露度越高。城镇化率和建设用地比重反映了人口向城市汇集的过程和程度, 一个地区的城镇化率和建设用地很高, 说明生态系统受到外界干扰程度越高, 暴露度也就越高。人均耕地面积反映了岩溶山区耕地人均的面积, 面积越大, 人类活动影响越强烈, 暴露度越高。林地比重反映了岩溶山区的植被状况, 林地比重越高, 生态环境自我协调能力越强, 暴露度越低。

敏感性是指自然-社会复合系统受到外部干扰的程度, 受生态系统自身的类型和特征影响, 敏感性越高, 生态系统受到破坏的可能性越大, 脆弱性越高。研究区敏感性主要表现在生态环境质量、地形和气候等方面, 可以通过NDVI、土壤侵蚀类型、坡度、地形起伏度、海拔、年均降水量和≥10℃积温等因素进行体现[18, 19]。NDVI反映了岩溶山区土地利用的开发程度, 植被覆盖度越高, 生态系统敏感性越低。土壤侵蚀类型反映了岩溶山区土层浅薄且不连续、土壤流失量大的特点, 土壤侵蚀越严重, 导致生态系统敏感性越高。坡度、地形起伏度和海拔反映了岩溶山区的地形起伏高低情况。已有研究发现[20-22], 随着岩溶山区城镇化进程加速, 大量涌入的人口刺激了城市住房、工业园区、交通用地等建设, 导致山区城市用地需求增加, 用地扩张迅速, 城市建设不仅占用耕地、林草地等生态用地, 且逐渐向坡度较大、海拔较高的自然山体方向推进, 极易引发崩塌、滑坡等城市自然灾害, 可能导致生态系统受到破坏, 脆弱性增大。年均降水量和≥10℃积温反映了岩溶山区的气候空间分布的整体趋势。

适应能力是指生态系统能够处理、适应胁迫以及从胁迫造成的后果中恢复的能力, 主要通过人为的干预或适应性管理进行提升, 适应能力越大, 系统恢复到平衡状态的可能性越大, 脆弱性越低。适应能力可通过经济发展水平和生态健康的建设能力进行表征[15, 23], 如第三产业比重、固定资产投资、地方财政收入等表征经济水平的指标值越高, 进行生态建设的能力越大, 生态系统的适应能力越大。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 数据来源

指标数据来源和评级单元如下: C1(人口密度)、C2(人均GDP)、C3(城镇化率)、C4(人均耕地面积)、C14(第三产业比重)、C15(固定资产投资)、C16(地方财政收入)、C18(生态保护区个数)的数据来自《2017年贵阳统计年鉴》, 以县(市、区)为评级单元; C5(林地比重)、C6(建设用地比重)和C8(土壤侵蚀类型)由国家重点基础研究“973”项目“山区国土空间功能优化与调控对策”课题组提供, 以县(市、区)为评级单元; C7(NDVI)、C12(年均降水量)、C13(≥10℃积温)、C17(植被类型)来自中国科学院资源环境科学数据中心, 以公里网格为评级单元; C9(坡度)利用ArcGIS 10.2 空间分析模块中slope命令计算获得; C10(地形起伏度)采用GIS移动窗口分析法对DEM数据进行提取获得, C11(DEM)数据来自地理空间数据云, 以公里网格为评级单元。为了便于计算, 所有以县(区、市)、矢量数据为计算单元的数据均通过ArcGIS 10.2软件转换为栅格数据。

2.2.2 生态脆弱性的计算

以单项指标评价为基础, 采用层次分析法(AHP)计算指标的权重、暴露度、敏感性、适应能力和生态脆弱性。计算公式如下[7]:

式中:分别表示脆弱性或其子目标暴露度、敏感性和适应能力;表示所涉及的指标数量,C表示指标评价结果;W表示指标权重。

指标权重通过Yaahp软件计算, 采用1~9 标度法对各要素的重要性进行两两比较, 构建要素层的判断矩阵, 并对判断矩阵结果进行一致性检验。判断矩阵一致性为0.0516, 所得要素权重结果可信度较高, 然后采用类似步骤确定参数层的指标权重, 最后通过要素权重和指标权重相乘, 得到18个单项指标的最终权重(表1)。

3 结果分析

3.1 暴露度、敏感性和适应力评价

贵阳市生态暴露度、敏感性和适应力评价结果示于图2。暴露度较高的区域集中于云岩区和南明区, 其次是花溪区、白云区和观山湖区(图2a)。这5个县(区、市)是贵阳市人类活动强度最大的区域, 经济发展较快, 近年来建设项目增多, 大量占用生态用地, 因此暴露度较高。乌当区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县暴露度则相对较低。敏感性较高的区域集中于白云区、云岩区、南明区和观山湖区(图2b)。这4个区域自然生态系统破坏严重, 植被覆盖度较低, 因此敏感性较高。其余区域敏感度则较低。适应力较高的区域集中南明区、云岩区、观山湖区、白云区和花溪区(图2c)。适应力较高的区域虽然其暴露度和敏感性均较高, 但因该区域经济社会发展水平较高, 政府对生态建设投入较多, 环境保护意识较强, 因此适应力较强。综上所述, 贵阳市云岩区、南明区、花溪区、白云区和观山湖区生态暴露度、敏感度和适应力普遍较高, 乌当区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县则相对较低, 整体上呈现“南高北低”的格局。

3.2 生态脆弱性分区

以不同单元脆弱性结果为基础, 为了保证组内差异最小、组间差异最大, 利用自然断点法将贵阳市生态系统划分微度脆弱区、轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区和极度脆弱区。划分结果(图3a)表明, 白云区、观山湖区、云岩区、南明区和花溪区为极度脆弱区, 乌当区和息烽县为高度脆弱区, 修文县为中度脆弱区, 清镇市为轻度脆弱区, 开阳县为微度脆弱区。从各生态脆弱性等级的区域面积来看, 微度脆弱区、轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区和极度脆弱区的面积分别为: 2008.5 km2、1526.5 km2、1044.5 km2、1767.5 km2、1687 km2。总体上, 贵阳市各生态脆弱性等级的区域面积相当, 微度脆弱区占的比例较大, 占总面积的25%, 轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区和极度脆弱区分别占19%、13%、22%和21%。

表1 贵阳市生态脆弱性指标体系

图2 贵阳市暴露度、敏感性和适应能力评价

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

图3 贵阳市生态脆弱性分区及其面积占比

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

4 生态脆弱性归因分析及优化调控对策

4.1 极度脆弱区归因分析

前述生态脆弱性分区结果已表明, 贵阳市南明区、云岩区、白云区、观山湖区和花溪区为极度脆弱区。经初步分析, 造成该区域生态极度脆弱的原因如下。首先, 极度脆弱区人口密度、人均GDP、城镇化率、和建设用地比重均高于其他区域, 造成了较高的暴露度。特别地, 贵阳市各县(市区)建设用地比重与生态极度脆弱区有一定的对应关系, 南明区、云岩区、白云区、观山湖区和花溪区建设用地比重均大于10%(图4), 与之相对应的是上述区域均为生态极度脆弱区。由此表明, 建设用地比重、人口密度、城镇化率等暴露源是导致贵阳市生态脆弱的主要因素。其次, 极度脆弱区与其他地区相比, 植被指数较低、生态空间侵占严重, 导致敏感性较高。最后, 极度脆弱区的第三产业比重、固定资产投资、地方财政收入、生态保护区个数均多于其他区域, 生态建设能力较强。总体来说, 南明区、云岩区、白云区、观山湖区和花溪区的经济社会发展水平较高, 适应力较强。

图4 贵阳市各县(区、市)建设用地比重

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

4.2 各区域优化调控对策

根据不同生态脆弱区的区位优势和人文环境特征, 对贵阳市各县(区, 市)提出生态环境保护和生态系统优化调控对策。

(1)针对贵阳市生态脆弱区(云岩区、南明区、白云区、花溪区和观山湖区), 具体优化调控对策如下。南明区是贵阳市的中心城区, 经济发展水平高, 资本密集程度高, 未来南明区应该提高资源利用效率, 大力发展低碳产业, 引导人口和产业向生态脆弱性较低的区域转移。云岩区是原贵阳老城的主体部分, 产业经济因人口集聚而自发形成, 土地利用格局缺乏系统规划。因此云岩区要减弱生态脆弱性, 应该严格控制城镇规模继续扩张, 并协调好经济发展和生态保护之间的关系。白云区地处贵阳市中部, 工业企业集聚, 城市人口密集, 排放过多, 生态负荷较重, 使得生态环境的维持和恢复变得十分困难。白岩区应该做好生态资源的制度设计, 完善资源价值补偿和生态环境影响评估等制度, 以减弱生态脆弱性。观山湖区近年来建设项目增多, 城镇面积迅速扩张, 生态环境质量下降。在以后的发展中, 观山湖区应该限制城镇和产业空间的无序扩张, 坚持以生态建设和环境保护为主, 走生态山地城镇建设之路, 以减弱其生态脆弱性。花溪区随着经济的快速发展和城市化的快速推进, 土地利用类型的规模和利用强度对花溪区生态系统平衡产生巨大的扰动和破坏。未来花溪区应确定区域生态承载力, 重点发展第三产业, 加强旅游资源的开发利用和保护, 整合资源打造贵州省生态旅游基地。

(2)高度脆弱区(乌当区、息烽县)。乌当区是一个有着深厚历史文化和多彩民族风情的新型城区, 蕴藏着丰富的旅游资源。该区应着力推动康养旅游业转型, 发展大健康特色生态经济, 带动区域生态建设。息烽县经济迅速发展, 道路和居民点等建设用地比例增加对生态系统稳定性造成干扰和破坏, 生态环境和社会经济发展之间的矛盾日益突出。息烽县应加强生态修复和环境保护, 加强资源型城市产业结构转型, 降低城镇建设强度和规模, 因地制宜地发展资源环境可承载的生态产业, 避免其生态脆弱性增强。

(3)针对中度脆弱区(修文县)、轻度脆弱区(清镇市)和微度脆弱区(开阳县)。上述三个区域由于人口密度、人均GDP、城镇化率和建设用地比重等生态暴露源较生态极度脆弱区和高度脆弱区低, 导致的生态暴露度较低。如修文县是一个典型的农业县, 猕猴桃和金秋梨等果林面积广。此外, 中度、轻度和微度脆弱区的生态环境质量相对较好, 生态敏感性较低, 如清镇市是连接贵阳市和贵安新区的重要饮用水源地和生态屏障, 生态环境破坏程度较低、开阳县地处黔中腹地, 磷矿资源丰富, 是中国著名的三大磷矿产区之一, 素有“喀斯特生态世界公园”、“中国绿色磷都”的美誉, 除矿产资源的开采之外其他工业活动相对较少。因此修文县、清镇市和开阳县总体上生态脆弱性较低。一方面, 上述三个区域应该因在保持较低的生态脆弱性的基础上地制宜地发展当地经济。具体地, 修文县要加强植树造林和水土保持功能, 打造“阳明文化、修文猕猴桃、桃源八寨”的旅游特色资源, 让乡村旅游促进经济增长从而带动地区生态建设; 开阳县未来可依托其丰富的自然环境资源和农业优势, 推动“旅游、扶贫、生态”深度融合, 盘活开阳县的绿水青山。另一方面, 在发展的同时, 应该注重生态环境问题的保护。例如, 清镇市近年来石漠化程度较高、水土流失较严重, 应加强石漠化和水土流失整治, 实施退耕还林还草工程、加强生态抚育管护; 开阳县在矿产资源的开采过程中可能会导致土壤环境、水体环境的污染以及植被的破坏, 因此在矿产资源开采的同时应该对土壤和水体环境的污染进行修复, 加强矿山周围生态环境的保护。

5 结论

本文从暴露度、敏感性和适应力三个维度构建了18个参数指标, 利用VSD 模型对贵阳市的生态脆弱性进行评价, 对极度脆弱区进行归因分析并针对不同生态脆弱性分区提出相应的优化调控对策。主要得出以下结论:

(1)暴露度、敏感性和适应力评价结果表明, 暴露度较高的区域集中于云岩区和南明区, 其次是花溪区、白云区和观山湖区, 乌当区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县则相对较低。敏感性较高的区域集中于白云区、云岩区、南明区和观山湖区, 其余区域敏感度则较低。适应力较高的区域集中南明区、云岩区、观山湖区、白云区和花溪区, 整体上呈现“南高北低”的格局。

(2)生态脆弱性分区结果表明, 白云区、观山湖区、云岩区、南明区和花溪区为极度脆弱区, 乌当区和息烽县为高度脆弱区, 修文县为中度脆弱区, 清镇市为轻度脆弱区, 开阳县为微度脆弱区。各生态脆弱性等级的区域面积相当, 微度脆弱区占的比例较大, 占总面积的25%, 轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区和极度脆弱区分别占19%、13%、22%和21%。

(3)从区域整体的空间差异来看, 生态脆弱性空间分布特征是呈中南部向北部、东部、西部降低的趋势, 以云岩区为中心向外扩散展开。由此说明, 虽然经济发展水平越高的区域在居民保护意识和环保投资等评价指标上占有一定的优势, 但暴露度、敏感性高是导致生态系统极度脆弱的重要原因。其中, 导致贵阳市生态极度脆弱的主要原因是建设用地比重、人口密度、城镇化率等暴露源。其次是植被指数较低和土壤侵蚀较严重, 导致敏感性较高。尽管岩溶地区生态环境十分脆弱, 但自然资源十分丰富, 未来贵阳市应依托其丰富的自然环境资源和区位优势, 促进岩溶山地城市安全发展、城市空间结构优化和生态宜居城市建设。

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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

任红玉, 赵宇鸾. 贵阳市岩溶山区快速城市化地区生态脆弱性评价[J]. 生态科学, 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

国家自然科学基金项目(41771115); 国土资源部土地利用重点实验室开放基金(KLLU201805); 国家重点基础研究发展计划“973”项目(2015CB452706); 贵州省科技计划项目(黔科合平台人才[2017]5726号); 2015年贵州省“千”层次创新型人才资助项目(111-0317003)

任红玉(1996—), 女, 贵州遵义人, 硕士研究生, 主要从事土地资源利用与管理研究。E-mail:1304253465@qq.com

赵宇鸾, 男, 博士, 教授, 主要从事土地资源与生态保护研究。E-mail: zhaoyl.09b@igsnrr.ac.cn.