基于结构与功能脆弱性的黄石市生态脆弱度评价

瞿博伟， 吴乐知

(湖北师范大学城市与环境学院， 湖北 黄石 435002)

自然资源是人类所有生产和生活活动的基础，随着工业化和城市化的快速发展，人类对自然资源的开采和消耗加剧，很多曾经因矿而生、因矿而兴的城市由于资源枯竭、生态破坏，给区域的生态、经济和社会可持续发展带来严重影响.素有“矿冶之乡”“青铜古都”之称的黄石市于2009年被列入全国第二批资源枯竭型城市，经历长期的资源开采后面临经济发展滞后、环境破坏严重等系列问题，急需开展生态评价和城市转型[1-2].本文以黄石市为研究区域，基于GIS技术研究黄石市2009—2019年近10年生态脆弱性的时空变化特征，以期为区域的生态恢复和环境可持续发展提供参考.

近年来，随着对全球环境变化研究的不断加强，尤其是对人地关系的深入研究，有关生态平衡、生态脆弱带、生态脆弱性及其脆弱性评价逐渐成为全球性研究的重点.生态脆弱性概念最早可追溯到1905年美国生态学家Clements[3]提出的“生态过渡带”概念.21世纪以来国外学者更多的将生态脆弱性评价广泛应用于气候变化、地质学、经济学和社会学等诸多领域，在全球范围内展开了广泛的研究和探讨，如亚洲草原在气候变化背景下的生态脆弱性研究[4]，欧洲生态系统脆弱性评价等[5].国内学者的研究相对起步较晚，早期关注和研究的主要对象为丘陵地区、农牧交错带、喀斯特地区、江河水域和高寒地带等典型的生态脆弱带，以定性研究和理论探索为主[6-11]；21世纪以来针对省、市、县等较小区域范围的研究逐渐增多[12-14]，生态脆弱性研究发展较快，出现了针对特殊条件下的区域环境生态脆弱性研究[6]，但对资源枯竭型城市生态脆弱性研究略显不足，且评价指标的选取尚处于探索阶段，现有生态脆弱性评价体系较多，但还没有公认统一的评价模型，各学者评价指标选取和评价方法各不相同[15].参考国内外学者研究成果，目前已有的评价模型包括由薛联青等提出的“压力-状态-响应(PSR)模型”[16]、魏晓旭等构建的“暴露-敏感-适应(VSD)”模型[17]、孙平军等基于PSE模型(压力-敏感-弹性)对矿业城市辽宁阜新生态脆弱性进行评价[18]，张莹等进一步发展了“生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)”模型等[19].已经形成的生态脆弱性评价方法主要有：主成分分析法、基于景观格局的脆弱性评价法、层次分析法、模糊评价法等[20-23].目前，随着生态脆弱性研究的深入，生态脆弱度评价方法和评价模型逐渐多样化、复杂化，但对于生态脆弱评价结果转化为现实指导的信息传达度不够，需要进一步平衡数据处理和对结果的解释，以此加强生态脆弱性研究的应用.此外，生态脆弱性评价对象通常都是一个开源的、网络化、动态的多层次的强连接系统，系统内各要素相互影响且极易受到人类活动的干扰[24-25]，脆弱性评价需要针对复杂系统对外界影响的反应和自身变化的关键过程与机制，推动综合集成的评价方法的应用.

过去的生态脆弱性评价分析中，在指标体系的建立方面，鲜有从生态结构方面和功能方面考虑生态环境的脆弱性，而两者的结合则更少.生态结构是组成生态系统的各要素及其时空分布和系统内部能量循环的途径，受人类活动干扰影响，生态系统趋于复杂性、异质性的不间断性变化，生态结构的稳定和平衡对整个生态环境有重要意义[26].生态功能是服务于生态系统，在生态环境中发挥稳定调节作用的功能.生态功能支持人类赖以生存的地球生态系统正常运行，形成人们生存生产必需的环境条件[27].因此基于研究区脆弱性表征，从生态结构和功能的整体出发，能够建立起更加全面、科学的生态脆弱度评价指标体系，可以为区域生态脆弱性研究提供新的思路和方法[28-30]，为矿产资源枯竭型城市的经济转型和可持续发展提供参考.

1 研究区域

黄石市(114°31′E～115°30′E，29°30′N～30°15′N)位于长江中游南岸，国土总面积4 583 km2，市区现辖铁山区、西塞山区、下陆区、黄石港区及一个省级开发区，地处中纬度，为典型的亚热带大陆性季风气候，冬冷夏热、四季分明，光照充足，降水集中于夏季，热能丰富.植被类型属于亚热带常绿阔叶林区.黄石地形总的趋势是西南高，东北低，由西南向东北倾斜，地形以低山丘陵与湖滨、滨江平原交错分布.黄石市矿产资源丰富，经过新中国成立以来70年的大规模开采，黄石市主要矿产资源进入了开采晚期，大批矿山相继闭坑，采掘业产值和从业人员占工业的比重逐年减小，矿山地质、生态环境破坏严重，经济发展水平相对滞后.

黄石市生态环境脆弱问题主要体现在以下三个方面： 1) 自然环境脆弱，洪涝和地质灾害频发.黄石市是典型的亚热带季风气候，降雨集中在夏季，由于其三面环山、一面临长江的地理位置，每到7、8月包括主城区在内的长江沿岸地区就会面临洪涝、内涝的威胁.黄石市历史上一共经历过1998年、2016年等数次特大洪水灾害，给社会发展和人民财产造成了巨大的损失.其次，黄石市地质构造复杂，山体分布广泛，地表起伏较大，由于经济发展对矿产资源的过分依赖，长期开采地下矿产资源，地质结构脆弱，夏季暴雨时期极易发生山体滑坡、地面塌陷、泥石流等地质灾害.2) 水域生态环境脆弱.黄石市境内有富水水系、大冶湖水系、保安湖水系及若干干流、支流和258个大小湖泊，但水质富营养化问题较突出，大部分湖泊都存在不同程度的总磷、氯化物超标情况[31]，鱼类种类也从90多种下降到不足40种，水域生态问题不容忽视.3)地表植被破坏严重.目前，黄石市区现有矿山开采遗留的开山塘口140多处，需要治理的矿山植被破坏面积约70 000 km2，同时以采矿业为主的重工业发展导致的大气环境污染问题严重，对居民生活和身体健康有极大的危害.

图1 研究区地理位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源和处理

2.1.1 数据来源 本研究采用的30 m分辨率Landsat TM数据和黄石市数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn/)；黄石市各县区多年平均降雨数据来自中国气象科学数据共享服务网；湖北省黄石市道路网密度数据来源于全国基础地理数据库.

2.1.2 数据处理 为保证数据精确性，利用ENVI 5.3对遥感影像数据进行去条带、辐射定标、大气校正，对DEM数据进行坐标校正，消除杂点等预处理操作，从黄石市DEM数据中提取等高线，获得高程、坡度和地形起伏度等信息.根据2017年国土资源部组织修订的国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)[32]，结合黄石市土地利用现状，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、居民用地、水域及水利设施用地、建设用地、裸地及工矿废弃地共七类，在实地调查的数据基础上，参考2019年黄石市土地利用规划图，采用ENVI 5.3监督分类法提取研究区土地类型；利用ENVI 5.3对黄石市遥感影像进行NDVI提取分析，如公式(1)所示：

(1)

式中,Rnir为近红外波段反射率，Rred为红外波段反射率.

利用ArcGIS 10.4的地统计分析工具处理黄石市区县平均降水量数据，通过IDW(反距离加权值法)来实现点源数据的空间化.道路网密度数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http：//www.webmap.cn/)中的1∶25万全国基础地理数据库，通过申请下载道路网原始数据，然后在ArcGIS 10.4上运用核密度分析工具处理.所有数据经过预处理后均为30 m×30 m的栅格数据，为了保证空间分析精度和标准统一，所有空间数据均使用UTM50n坐标系.

2.2 评价指标体系构建

生态结构是组成生态系统的各要素及其时空分布和系统内部能量循环的途径，受人类活动干扰影响，生态结构的稳定和平衡对整个生态环境有重要意义[26].生态功能是服务于生态系统，在生态环境中发挥稳定调节作用的功能.生态系统作为一个整体，其结构和功能相辅相成，在外界和自身条件不断演化下呈现动态变化的特点.生态功能的发挥基于生态结构，而生态功能也是生态结构的反映，因此生态结构和生态功能两者共同影响着生态脆弱性的大小.

2.2.1 生态结构性脆弱度 生态结构性脆弱度由景观脆弱度和景观干扰度组成.景观脆弱度是反映景观类型在外界环境干扰下的敏感性指数，其值的大小反映景观类型对干扰的敏感程度[33].本文针对黄石市主要生态环境脆弱问题，参考郭泺和孙贤斌[34-35]等人的研究成果，以研究区景观类型实际情况为基础，对黄石市各景观类型的脆弱度进行赋值，如表1所示，Fi为景观脆弱度.区域生态结构中各景观类型越容易受到外界的干扰且不利干扰程度越大，其面临的生态环境威胁越大，区域生态脆弱度就越低，本文选择破碎度、分离度、优势度作为景观干扰度的基础指标[36-37]，可以准确量化反映人类活动对景观的干扰和积累作用，对于评价区域生态环境脆弱性非常有代表性和参考性.公式为：

表1 不同景观类型的脆弱度指数

EMi=aSi+bCi+cDi，

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

式中，EMi是指景观干扰度，Si为景观破碎度，Ci为景观分离度，Di为景观优势度，a、b、c分别为景观破碎度、分离度、优势度所占的权重.PAi为在i类景观类型中的斑块数量；S为第i类景观的总面积.Ni为第i类景观类型面积占景观总面积的大小比例.Di表示第i类景观类型在景观总范围内出现的频率、盖度、密度.OUi为在i类景观类型中在样本中出现的数量与样本斑块总数量的比例；PUi为第i类景观的总面积与景观总面积的比例；QUi为第i类景观类型中的斑块数量与斑块总数量的比例.参考郭泺等人的研究成果，根据景观指数的重要程度，对景观破碎度、分离度、优势度所占的权重进行赋值：a=0.5，b=0.3，c=0.2.

2.2.2 生态功能性脆弱度 生态功能性脆弱度反映在生态系统结构的关联影响下，内部调节与稳定作用的变化.针对黄石市的自然地理环境和人为干扰因素，本文选取地表起伏度、NDVI、年降水量、道路网密度4等个指标作为生态功能性脆弱度指标.

本文基于自然与人类相互作用的角度分析了研究区景观类型，从生态结构和生态功能两个层面出发，遵循科学性、系统性、综合性和可操作性原则，参考和借鉴了前人的研究成果[38]，选取生态功能性脆弱和生态结构性脆弱两大方面共6个指标.其中景观干扰度和景观脆弱度作为生态结构性脆弱指标，而NDVI(植被覆盖度)、地表起伏度、道路网密度、年降雨量为生态功能型脆弱指标，通过熵值法确立权重，参考余坤勇等[39-40]采用的生态脆弱度评价法，计算黄石市生态环境脆弱度综合指数(EVI)，其公式为：

(6)

式中，z为评价指标个数，Si为第i个指标的权重值，Oi为第i个指标的标准化值.

2.3 评价指标标准化和权重确定

本文采用极差法对数据进行标准化，使其数值标准化为0～1之间[41-42].极差法中评价指标有正负向性区别，对于正向指标(主要有道路网密度、年降水量、地形起伏度等)标准化的公式为：

(7)

对于负向指标(主要为NDVI)标准化公式为：

(8)

式中，Ui第i个指标的标准化值；Oi为第i个指标的实际值，Omin为第i个指标的实际最小值，Omax为第i个指标的实际最大值.

根据熵值法[43]计算出各指标的权重，为多指标综合评价提供依据.在指标数据线性标准化基础上，使用ArcGIS 10.4软件的fishnet工具均匀采集样点，将采集到的指标点集数据整理好后录入Matlab熵值法运算程序中，可得各项指标的权重.

3 结果与分析

3.1 景观指数变化

利用Fragstats4.0提取景观斑块数和面积，根据式(2)～(5)计算黄石市景观格局相关指数，如表2所示.2009—2019年黄石市各景观类型指数发生了较大变化：其中建设用地和林地面积增加，分离度减小，优势度增加；耕地破碎度增加幅度大，优势度减小；居民用地破碎度大幅减小，优势度减小；废弃矿用地面积减小，破碎度和优势度减小；其他用地均的破碎度均有小幅增加.可见， 十年间黄石市耕地分散现象加剧，废弃矿用地整治效果较好，其他景观类型地域趋于分散且优势度逐渐上升，研究区生态总体趋势向好，但耕地和水体被其他用地占用面积较大，破碎化程度高，仍存在较大生态风险.从景观指数变化结果上看，黄石市近十年的生态质量向好，这与当地持续推进工矿废弃地修复复垦和水环境治理等生态文明建设措施是分不开的.

表2 黄石市景观格局相关指数

3.2 黄石市生态环境脆弱度划分及空间分布

根据式(6)，考虑研究区黄石市面积的大小，采用200×200 m的网格作为评价单位，实现黄石市2009年、2019年综合生态脆弱度指数空间化，在此基础上采用自然打断法划分脆弱等级，其空间分布如图2所示.结果表明，黄石市2009—2019年生态脆弱指数标准化平均值为0.258±0.063，整体处于轻度脆弱程度.黄石市生态环境脆弱程度共划分为5个等级，依次为Ⅰ微度脆弱区(0.147

图2 黄石市综合生态脆弱等级空间分布图

3.3 生态环境脆弱度变化特征

2009—2019年十年间，微度脆弱区(Ⅰ)和轻度脆弱区(Ⅱ)的面积分别增加了6 736.86 hm2和10 909.3 hm2，中度脆弱区(Ⅲ)面积减少了12 768.3 hm2，强度脆弱区(Ⅳ)和重度脆弱区(Ⅴ)面积分别减少了4 742.64 hm2和135.22 hm2，如表3所示.在以大冶市主城区为中心的微度、轻度脆弱地区不断扩大，由51.92%增加为55.8%；以磁湖、大冶湖等水体和西南部山区为主的强度脆弱地区在减少，由15.60%下降为14.56%；重度脆弱地区面积变化相对较小.可见，最近十年来，黄石市生态脆弱度的变化以中度、强度脆弱向微度、轻度脆弱变化为主，处于中度脆弱等级的地区由114 575.4 hm2减少为101 807.1 hm2，所占比例下降了2.81%；在空间分布上体现为大冶市北部和西部地区中度脆弱区域向微度脆弱等级转化，在大冶市主城区和大冶湖附近，较多的轻度脆弱等级区域侵占了中度脆弱等级区域.

表3 黄石市不同生态脆弱度等级的区域面积统计

十年间，生态强度脆弱区(Ⅳ)和重度脆弱区(Ⅴ)总面积占比由22.87%下降为21.8%，说明黄石市整体生态情况在持续变好.黄石地区区域内部差异明显，如图3所示，大冶市和阳新县域内的Ⅳ和Ⅴ区的总面积占比在2009分别为27.24%和17.44%，在2019年分别为23.48%和18.65%，相对较为稳定.然而，黄石市内的生态强度脆弱区(Ⅳ)和重度脆弱区(Ⅴ)总面积占比仍然居于高位，黄石港区、西塞山区和铁山区的Ⅳ和Ⅴ区面积比例分别由2009年80.08%、80.02%和80.59%降低为2019年的64.76%、71.32%和66.49%，可见近十年黄石市实施的关闭落后产能矿冶企业、开展矿山修复和磁湖等湖泊水体污染治理、发展高新技术产业、优化城市空间布局等一系列改善措施发挥了良好作用，但区域生态脆弱现状依然严峻，黄石市内三个区共有超过60%的地区仍然处于强度脆弱等级以上.

图3 黄石市综合生态脆弱等级在各区县分布比例

3.4 生态脆弱等级转移特征

2009—2019年黄石市各生态脆弱等级区域相互转化的总面积为72 822.06 hm2，如表4所示，由高等级生态脆弱向低等级生态脆弱转移的总面积为51 109 hm2，占总面积的70.08%，其中面积变化最大的是由中度脆弱向轻度脆弱转移共计24 720.48 hm2，这种变化发生的区域主要集中在大冶市矿产资源开采区和水文旅游资源开发区的交界处；强度和重度脆弱区域由高等级脆弱转移为低等级脆弱的面积为12 169 hm2，仅占总变化量的16.7%，因此以磁湖、大冶湖为中心的城区以及西部地势起伏大的山区仍然处于生态高度脆弱的风险中.

表4 黄石市脆弱等级面积转移矩阵

3.5 结论

本文利用地理空间信息技术，对黄石市2009—2019年生态脆弱性进行研究发现，黄石市近十年生态脆弱度整体呈下降趋势，其均值由2009年的0.258下降为2019年的0.231，微度和轻度脆弱区面积由237 676.14 hm2增加为253 665.63 hm2，增幅达6.72%，中度以上生态脆弱区面积由216 775.62 hm2减少为200 786.13 hm2，总体上生态脆弱等级由高向低方向变化，近十年来生态环境整体向好发展.

黄石市生态脆弱性等级空间分布呈南低北高格局，高脆弱等级主要分布在人口集中的城区以及磁湖、大冶湖等水系，生态微度和轻度脆弱区主要位于研究区的中南部和西部地区，即大面积的平原和森林植被覆盖区域.黄石市近十年生态脆弱性等级空间分布变化显著，大冶市生态微度和轻度脆弱区分别增加了5 320.8 hm2、10 668.69 hm2，中度脆弱以上地区占该区面积的比例由63.88%下降为51.68%；阳新县变化幅度较小，基本处于稳定状态；铁山区强度脆弱以上地区面积由2 504.61 hm2下降为2 079.9 hm2；下陆区强度脆弱以上地区面积由3 587.49 hm2下降为2 711.88 hm2；黄石港区强度脆弱以上地区面积由1 899.99 hm2下降为1 545.84 hm2；西塞山区强度脆弱以上地区面积由3 606.3 hm2下降为3 222.09 hm2.黄石市生态脆弱区域较为集中，主要呈面状分布，极少区域呈线状分布特征，

引发生态脆弱性的原因主要为历史上相当长一段时间内研究区内高强度的人类活动如矿山开采和金属冶炼等粗放型工业活动造成资源环境的破坏，再叠加上深刻的自然要素变化.黄石市生态高脆弱等级主要分布在以黄石港区与大冶市为代表的市中心地区，原因是该地带为人口密集区，人类各种生产活动以及多年矿产开发等，给区域生态环境带来了较大破坏，同时该区地势起伏大，多暴雨，滑坡、洪涝地质灾害频发，磁湖、大冶湖等湖泊临近城区，极易受到人类活动的负面影响，区域生态环境极其脆弱.

资源枯竭城市转型和生态文明建设成效初显，黄石市高脆弱等级区域面积明显下降.自2009年以来，黄石主动关停“五小”企业367家，整治重点污染源企业460家，完成排污口污水截流145处，黄石境内煤炭企业16处全部关闭.同时加大垦荒植绿、生态修复的力度，针对全市400多处共14 000 hm2的工矿废弃地，推动矿区生态修复和复垦利用，曾经的“亚洲第一天坑”工矿废弃地一跃成为亚洲最大的硬岩绿化复垦基地[44].随着黄石市生态文明建设和生态保护工作的深入，对传统铁矿开采业生态化的改造促进了区域生态脆弱度的下降，同时加强长江生态保护力度和民众的生活生产方式的改进提高了生态环境质量，因此2019年黄石市高脆弱等级区域面积大幅减小，采矿区集中的大冶市和铁山区生态脆弱度变化较大，生态环境质量有明显提高.

3.6 讨论

黄石市近十年生态脆弱度整体呈下降趋势，说明生态环境质量得到改善，变化趋势向好发展，但从十年间的景观类型变化趋势来看，耕地、水体的破碎度和干扰度在增加，建设用地优势度在增加，说明黄石还是处于工业化发展的关键期，在转型发展过程中仍然会出现人与自然、发展与生态环境的矛盾，一定要坚守生态红线，决不能走过去的老路，要在发展过程中实现生态持续变好，真正实现发展与生态同步.

资源枯竭型城市的转型发展一定要逐步还清历史生态欠账，摈弃粗放的发展模式，同时又要激发城市经济和社会发展新的活力.黄石市基于资源枯竭转型的经济基础和生态现状，针对不同区域采取不同的规划和发展思路，在大冶市、铁山区等重工业区和采矿区采用彻底关停煤矿和铁矿以及废弃地复垦等措施，政府投资引导和支持黑色金属、有色金属等传统产业改造升级，发展现代物流、文化旅游等服务业，与本文的研究结果“生态强度脆弱区(Ⅳ)和重度脆弱区(Ⅴ)面积大幅下降”相吻合；在下陆区、大冶湖区、阳新县设置经济开发区集群发展高新技术产业，推动该地区的产业结构调整和产业布局优化，同时对生态极其脆弱的大冶湖和磁湖等湖泊进行生态修复和环境整治，促进经济转型发展的同时改善了区域生态环境质量，这与本文提到的结果“整体生态环境持续向好”一致.黄石市在建设全国资源枯竭型城市转型发展示范区过程中，通过工业转型和生态治理，实现从资源依赖型发展模式向可持续发展模式转变，对资源枯竭型城市转型和治理有一定借鉴意义.

资源枯竭城市转型发展的研究很多，尤其是从产业结构变化和环境质量演变角度有很多论述，本文从生态结构性脆弱和功能性脆弱的视角去评价和思考城市转型发展的生态变化是对科学合理构建城市转型发展评价模型的补充，本文的研究结果较为科学合理，与汤思遥[45]、陈丹羽[46]等对黄石市生态现状和变化趋势的研究结果具有较好的一致性.从评价结果来看，本文所建立的评价指标体系较为准确的反映了研究区生态脆弱性，但在生态结构和功能之间的协同性和差异性的深度挖掘不够，缺乏对生态结构和生态功能影响生态系统的关键过程和驱动机理的研究，尤其是通过生态结构和生态功能构建的生态脆弱指数模型对区域生态变化的预测能力有待进一步探讨和提升，以期进一步提高生态脆弱性研究的科学性、实用性.