杨 俊,关莹莹,李雪铭,席建超

1 辽宁师范大学,自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室,大连 116029 2 中国科学院地理科学与资源研究所, 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101

生态脆弱性是全球环境变化和可持续发展研究的核心问题之一[1-2]。随着全球环境变化影响研究的加强,特别是对于人地关系研究的深入,有关生态脆弱性及其脆弱性评估、脆弱生态环境的可持续性管理、已受损害的生态环境的恢复重建等研究逐渐成为全球性研究热点,其研究内容不断扩展、应用领域日趋广泛并呈现学科综合化的趋势[3- 5]。

伴随着社会经济的飞速发展,城市生态问题愈加严重,城市生态脆弱性研究也成为热点问题[1]。目前国内外学者对于生态脆弱性已经开展了多项研究[6- 8],研究对象多选择特殊地理地貌环境[9- 13]、工矿业城市[14- 16]、农业城市等[17],研究短时段内区域生态脆弱性变化。通过建立评价指标体系[10-11, 18-19]结合多种分析方法[10, 17, 20],分析城市生态脆弱性的形成机制以及变化特征[8, 21- 24]。随着城市生态研究的深入,城市化快速发展的背景下城市人口、城市用地逐渐向边缘区扩展,城市边缘地区生态环境也面临着挑战[3, 16]。城市边缘地区生态问题的研究逐渐成为热门,对城市边缘地区生态环境保护研究做出综述[25- 27],梳理研究方法和理论,为城市边缘地区环境保护和生态建设提供理论支持。

综上所述,目前对于城市边缘区生态脆弱性的研究,缺少以城市边缘区内部空间为基础,以地理信息系统技术为手段动态分析城市边缘区生态脆弱性差异性；以定量研究为基础,利用多年时序对快速城市化背景下的城市边缘区时空分异研究。以快速城市化的海滨城市的城市边缘区为研究对象,揭示不同时段城市生态脆弱性的特点。

城市边缘区是城市和乡村的交错结合带,是城市发展与资源环境保护之间矛盾冲突的区域。城市边缘区作为城市发展的腹地,因自身特点和城市所处的发展阶段,面临不同的生态问题。科学合理的规划城市边缘区的生态环境建设,对城市发展具有十分重要的现实意义大连作为发展较快的海滨城市,城市化发展以及城市用地的扩张,均受到半岛环境多丘陵少平原地理条件的限制,城市用地逐渐向城市边缘区扩展,出现的生态问题极具代表性。因此,本文以社区尺度为生态评价单元,选择大连市城市化发展迅速的1998—2013年,利用线性加权综合评价方法[28]与ESC(Exposure Susceptibility Coping Capacity)模型框架建立评价指标体系[29],并结合变化斜率法模拟生态脆弱性的年际变化,对逐个EVI(Ecological Vulnerability Index)与时间回归拟合计算变化斜率；F值测算显著性[19],分析大连市甘井子区1998—2013年间,生态脆弱性变化显著性的空间分布特征,以及社区间生态脆弱性变化的差异。以期为快速城市化下的大连建设发展提供新的视角。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

甘井子区(38°47′—39°07′N,121°16′—121°45′E)位于大连市中心城区,呈马蹄形,东北与金州区接壤,南与沙河口区为邻,西南与旅顺口区毗连,面积502km2,辖14个街道,165个社区是大连市城乡结合区和城市扩展区(图1)。特殊的地理区位使甘井子区的城市化生态环境脆弱性问题成为大连市全域城市化进程中生态脆弱性问题的代表,研究具有现实意义。

图1 研究区域位置图Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与处理方法

本文以1998年土地利用以及2003年、2007年、2013年的SPOT5遥感影像数据为基础,结合《大连统计年鉴》、《甘井子统计年鉴》等社会生态环境、社会经济统计等数据(表1)。

表1 数据来源与说明

1.3 生态脆弱性评估方法

在借鉴前人研究成果及征询专家意见的基础上,通过ArcGIS数据进行处理。通过建立评价指标体系,引入线性加权综合评价方法结合ESC评估框架计算EVI,利用二乘算法分析生态脆弱性指数的变化斜率,利用F值测算显著性指数,分析甘井子区1998—2013年间各个社区生态脆弱性演变。技术流程图如下(图2)。

图2 技术路线图Fig.2 Technology road map

1.3.1 ESC框架建立评价体系

ESC模型将生态脆弱性分解为3个维度,分别是暴露度、敏感性和应对能力,其内涵和表征各有针对性[8, 30]。随着城市化的迅速发展城市生态系统中的各个要素随之变化。由于评价指标间有一定的相关性,指标信息在一定程度上有重叠,指标过多会增加分析问题的复杂性,不同的评价指标对生态脆弱性的响应强度不同,因此引入权重值的概念,利用各个评价指标的权重值进行生态脆弱性指数计算,从而使得出的结果更接近真实水平。采用软件Yaahp Version对表2的数据进行权重计算得出各个指标的权重值(表2)。

1.3.2 数据标准化处理

各项指标数据的计量方式不统一,因此应对原始数据进行标准化处理。考虑脆弱性评价指标正负向对生态脆弱性影响不同,采取了不同的标准化处理方法。其中,运用极差标准化方法处理正负向指标,运用模糊隶属度函数的方法处理适度指标[21]。标准化公式如下：

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

适度指标：

(3)

式中：Xij为脆弱性指标原始数据,λjmin为指标原始数据最小值,λjmax为指标原始数据最大值,X0为指标适度值,X′ij为标准化后的指标值。

1.3.3 计算生态脆弱性指数及分级

生态系统脆弱性的评估需要集成评价ESC框架模型中评价指标,获得综合评价指数。因此,我们采用线性加权方法计算生态脆弱性指数：

表2 基于ESC评估框架的生态脆弱性评价指标体系

“+”表示指标与对应的要素层适应性呈正相关；“-”表示指标与对应的要素层适应性呈负相关；“*”表示适度指标,指标数值处于某一适度的数值时与对应要素层适应性为最好,由各年份指标标准均值计算得出适度值

(4)

式中,EVI为生态脆弱性指数；Wi为评价指标的权重；Ii为评价指标的具体值。

在得到EVI值的基础上,参照国内外已有的生态脆弱性评价研究的评价标准[8, 31],并根据研究区的具体特征,将大连市甘井子区生态脆弱性划分为5个等级(表3)。

表3 城市生态脆弱性状态评价标准

1.3.4 生态脆弱性变化

变化斜率法是对一组随时间变化的变量进行回归分析,预测其变化的趋势。本研究利用变化斜率法模拟生态脆弱性的年际变化,即利用最小二乘法对逐个EVI值与时间进行回归拟合,其斜率计算公式如下:

(5)

式中,X为变化斜率；n为时间年数；EVIi为第i年的生态系统脆弱性指数值。

根据计算出的甘井子区社区EVI值变化斜率,参照相关研究成果并结合实际情况[19],将变化斜率分为4个等级,能更加直观的对社区的生态脆弱变化情况进行比较(表4)。

表4 变化斜率分级评价标准

变化趋势显著性检验采用F值检验,统计量计算如下:

(6)

式中,Q为误差平方和；U为回归平方和；根据EVI的变化趋势和显著性水平,参照相关研究结果并根据实际情况将变化趋势分为4类 (如表5)。

表5 变化显著性分级评价标准

2 研究结果与分析

2.1 甘井子区生态脆弱性分布演变特征

通过计算社区EVI值和所划分的生态脆弱性等级(图2)：甘井子区社区EVI值空间分布呈现出东西部明显差异,相同等级小范围聚集、相近等级穿插的特征。其中,生态良好区主要分布在甘井子区西部的森林公园、主题公园和北部的高尔夫俱乐部、湿地公园。轻度脆弱区社区分布比较分散相对集中于甘井子区中部社区。极度脆弱区分布集中分布于甘井子区中部靠近沙河口区的社区。

图3 1998—2013年城市生态脆弱性等级分布图Fig.3 Urban ecological vulnerability grade distribution map between 1998 and 2013

2.2 生态脆弱性时空演变分析

2.2.1 社区间差异分析

根据前期数据积累,综合表2的生态脆弱性评价指标体系和城市化生态脆弱性研究方法,进行数据统计处理,得到基于城市化视角下的生态脆弱性评价标准(表2)。并根据指标体系和评价标准将各原始标准化后输入脆弱性评价模型中进行计算,确定甘井子区各社区生态脆弱性指数及其对应的不同生态状态(图3)。

图4 1998—2013年社区城市生态生态脆弱性等级分布图Fig.4 Urban ecological vulnerability discrepancy distribution map of communities between 1998 and 2013

从社区角度观察可发现,甘井子内部各社区生态状态差异显著。营城子、小平岛村等村落在15年间平均生态脆弱指数为0.264,生态脆弱程度一直保持在良好的状态,在2003—2007年间在城市建筑用地迅速扩张,人为活动对城市生态系统严重干扰下,许多社区生态迅速恶化。前牧、对门沟等社区EVI值下降,EVI值由0.293升至0.425,生态脆弱程度由良好逐渐变成轻度生态脆弱。在1998—2013年间,生态良好的社区由27个缩减到5个,轻度生态脆弱的社区由30缩减到15个,中度生态脆弱的社区由91个缩减到65个,强度生态脆弱的社区由10个增加到38个,极度脆弱的社区由5个增加到40个。变化在1998—2007年间较快,2007—2013年保持相对平稳状态。

图5 1998—2013年甘井子区生态脆弱指数变化分布图Fig.5 Urban ecological vulnerability index map between 1998 and 2013

15年间甘井子区的平均生态脆弱性指数呈先快后慢的上升趋势,从1998年的0.2645到2013年的0.6136,生态环境由最初的生态良好状态为主转为中度脆弱状态为主。表明甘井子区的生态脆弱性状态由城市化初期的低暴露度、低敏感性、适应能力较强,向高暴露、高敏感、适应能力较弱的状态发展,但在2013年时这种状况已逐渐得到缓解和控制(图4)。

随着城市化进程的不断推进,社区间的生态脆弱情况变化也呈现出不同的特征1998—2003年间,中部的社区生态脆弱变化差值均维持在几乎无变化的水平,最高差值为0.1201,部分社区生态脆弱差值保持负增长,生态环境逐渐恢复。2003—2007年间以及2007—2013年间各社区生态环境变化与1998—2003年间相比差值的最高值上升至0.150887,生态脆弱成都恶化较快,负增长的生态恢复的社区个数逐渐减少,范围也在逐渐缩小。

2.2.2 变化趋势分析

综合各社区各年份综合生态脆弱指数,通过变化斜率测算模型,得出了甘井子区各社区的生态脆弱变化斜率以及变化显著性标准(表5)。

甘井子区整体EVI值的变化斜率如图5,平均变化斜率为0.0443,呈现出西部EVI值变化斜率主要为负值,最低值为0.0122,生态环境逐渐恢复；东部EVI值的变化斜率最高值为0.0976,生态环境迅速恶化。甘井子区生态脆弱性变化显著性特征如图6,西北部和中心部分社区变化显著性无明显变化,西南部生态良好地区在1998—2013年间生态环境呈现显著变化。

图6 城市生态脆弱性变化斜率图Fig.6 Urban ecological vulnerability change slope map

图7 城市生态脆弱性变化显著性图Fig.7 Urban ecological vulnerability change significantly map

3 结论与结语

3.1 结论

研究以城市生态脆弱性原理为理论基础,以大连市甘井子区为例,引入ESC指标体系框架结合甘井子区生态华宁变化的具体特征,结合线性加权方法计算评价社区生态脆弱性,并利用变化斜率法模拟生态脆弱性的年际变化,对逐个EVI值与时间进行回归拟合,计算变化斜率评价分析大连市甘井子区1998—2013年间的城市生态脆弱性变化,研究表明：

(1)从城市边缘区生态脆弱性等级分布特征来看,城市边缘区生态环境呈现出相同等级聚集,以靠近沙河口区的社区为中心相邻等级呈现出明显的辐射状特征。东西差异明显,西部生态维持在良好状态,东部地区与西部差异明显,主要为强度脆弱区。

(2)从社区间生态脆弱性差异的角度来看,甘井子区内部各社区生态脆弱程度差异明显。靠近市区的社区生态脆弱性变化显著,生态环境迅速恶化,远离市区的部分社区生态环境变化不大,生态环境保持良好状态。部分社区EVI变化值呈现负增长,生态环境逐渐恢复。

(3)从城市边缘区生态脆弱性整体变化趋势来看,1998—2013年间甘井子区的生态脆弱性变化与城市化发展速度密切相关,呈现出先快后慢的下降趋势。城市边缘区EVI变化斜率值与变化显著性,体现出城市边缘区生态状况在1998—2013年间的变化空间特征,西南部少数社区生态环境逐渐变好,大部分社区生态恶化程度显著。

3.2 结语

本文以社区尺度,以城市化过程中城市边缘区生态脆弱性为视角,探讨城市化过程中城市边缘区生态脆弱性变化特征,以期为更好的大连建设和改善生态环境服务,但由于环保投资、教育投资等指标的数据难以获取只能采用替代数据,可能会在一定程度上对研究结果的准确性造成影响,对生态状态进行未来预测及保护和开发建议的提出是今后深入研究的课题。

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