黄河流域生态敏感性定量评价及其空间分布研究——以渭南地区为例

李 艳

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

生态敏感性是指受到人类和自然环境的干扰，生态系统恢复过程所表现出的难易程度［1］.作为生态环境保护的重要组成部分，关系到区域生态环境的演变，间接影响着区域经济系统的发展［2］.渭南作为黄河流域中段的典型城市，地理位置特殊，自然条件复杂，农业及能源矿产业发展迅猛，使生态环境质量有所恶化，地区生态系统稳定状况已经成为制约社会经济可持续发展的重要因素［3］.

近年来，人类的生产和生活方式直接影响到生态系统的稳定，黄河流域农业发展与能源开发并存的发展模式对区域生态敏感区演化产生了深远的影响［4］.国家发展改革委、自然资源部联合印发了《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》，要求优化黄河流域重点生态区的生态安全格局，明确生态敏感区域的保护.因此，如何衡量当地生态环境的敏感性是一个迫切需要解决的问题.

国内学者对生态敏感性研究不断地探索，取得了一些研究成果.生态敏感性研究往往集中于评价体系研究［5-7］.基于生态敏感评价体系，熊春梅和胡和兵对我国生态敏感区的划定和承载力进行分析，提出了生态敏感区划定及其管控措施［1，8］.随着经济社会的发展，人们将生态敏感性的变化与经济发展进行综合分析［9-10］.目前，关于生态敏感性研究又转向旅游区［11-13］、经济热点区域及环境恶劣地区［14-18］.总体来讲，研究者已围绕生态敏感性和地区规划展开了广泛的研究，在研究对象上，从生态学领域的单一生态因素的变化效应的研究，向经济学、旅游地理学等多学科、多因子的综合评价研究发展，但是对于黄河流域特征重点区域缺少长时间序列的生态敏感性评价研究.

目前，随着空间技术手段的快速发展，地理信息系统（GIS）的空间分析方法正逐步用在于生态敏感性的空间识别中［19-20，14］，在研究尺度上从省级再到地市均有涉及［5，10，21］.同时，当在一个给定的层次上有四个或更多的指标时，就很难保持思维的一致性.在这种情况下，可以采用模糊层次分析法（FAHP）.将主要问题分解为不同的系统层次，将定性信息与定量信息相结合，是一种合理可行的评价方法.本研究拟采用GIS技术，对黄河流域生态敏感性进行分区划分和空间格局的研究，研究结果可以我国黄河流域重点生态区的保护提供了很好的理论支持.

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

渭南位于108°50′～110°38′E，34°13′～35°52′N之间，下辖2个市辖区7个县2个县级市，面积为13 134 km2.渭南地势以渭河为轴线，形成南北两山、两塬和中部平川五大地貌类型区，中部渭河冲积平原是八百里秦川最宽阔的地带.南北高，中间低，东西开阔，海拔在319～2636 m之间，该区地形高程如图1所示.

渭南属暖温带半湿润半干旱季风气候，四季分明，光照充足，雨量适宜.无霜期199～255 d，年均气温12～14℃，年均降雨量600 mm左右，年日照2200～2500 h，是关中地区主要的农业产区.该区域矿产资源丰富，矿种类别多，煤、钼、金、石是其优势矿种.因此，该区域农业发展和矿产开采业是其经济发展的主要支撑，生态环境敏感区的时空变化较大，难以有效地进行管控.

1.2 数据来源

生态敏感性评价体系涉及多种因素的影响，因此生态安全的数据来源广泛，数据采集成为研究的关键.本研究的数据主要来源于遥感数据、统计年鉴和气象局，其中遥感数据和DEM来自地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）.

遥感数据主要用于解释土地利用程度.DEM数据可用于提取坡度和高程数据.工农业产值、人口密度和人均GDP均取自1998年、2005年、2011年和2015年陕西省和渭南市的统计年鉴.降水量、年平均气温、日照时数、年蒸发量来源于陕西省气象局和相应年份的统计年鉴.

2 构建评价指标体系

由于选取指标因子的不同以及地区生态系统的特征差异，会影响到评价结果的精确性.不同指标的侧重点不同，需要研究者根据评价区域的实际情况做出合适的选择，使生态敏感性研究结果更符合评价区域的生态现状及发展趋势［6］.本研究结合“驱动力-响应”机制进行指标选取，将评价区域生态现状的原因及评价结果综合分析.根据区域生态敏感性指数定量研究，将自然指标纳入“驱动”体系，经济指标则纳入“结果”体系.

2.1 指标选取

本研究综合考虑渭南地区自然环境特征因子，选取年均降水量、年均气温、年均蒸发量、日照时数、海拔和坡度共6个指标构建自然成因指标体系；结合渭南市人类社会活动的发展选取垦殖率、人口密度、自然增长率和公路网密度共4个指标构建社会成因指标体系［14］；分析渭南市经济发展现状及产业形态，选取人均GDP和农业、工业产值比作为经济成因指标.经济社会的发展与自然环境的演变息息相关，通过综合考虑并分析各体系指标因子的影响程度，有利于科学地呈现经济社会与环境间的可持续发展关系［10］.因此，本研究建立了基于自然成因-社会成因-经济发展的指标体系，如表1所示.

表1 渭南地区生态敏感性评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of ecological sensitivity in Weinan area

2.2 权重确立

在模糊层次分析法中，确定评价因子的权重是关键.该方法将复杂问题分解为若干层次和因素，可以对复杂的多指标体系进行定量分析和处理.由于FAHP法可以为各种因素赋予适当的权重，因此生态评价体系适合于使用FAHP法［22］.本研究以德尔菲专家咨询系统为基础，采用层次分析法确定各因素的权重［23］.本研究模糊运用层次分析法确立各指标权重，依次构建各指标体系判断矩阵并检验其一致性，其中一致性指数（I）均小于0.01，因此所构建的判断矩阵一致性良好.最后计算各指标权重值，如表2所示.

表2 渭南地区生态敏感性评价指标体系权重分配表Tab.2 Weight distribution table of ecological sensitivity evaluation index system in Weinan area

2.3 生态敏感性评价指数计算

由于所选取指标的数值范围、单位、属性等都不尽相同，需要将各指标进行标准化处理，利用统一的量纲计算生态敏感性指数.

1998—2018年渭南地区各区县生态敏感性评价指数可由下列公式计算得出：

式中：ESI为生态敏感性指数，C1，C2，…，C12代表各指标因子进行标准化处理后的数据.最终计算得出渭南地区1998、2005、2011、2018年各区县的生态敏感性指数.

3 渭南市生态敏感性研究

3.1 渭南市生态敏感性等级划分

生态敏感性等级的划分有利于区域生态演变特征的研究.本研究结合ArcGIS软件并采用自然断点分级法（NBC，natural breaks classification）［22］对渭南地区生态敏感性进行合理分类，共分为5个等级，从Ⅰ～Ⅴ级代表生态敏感性从低程度向高程度发展，具体指示为Ⅰ（微度敏感）、Ⅱ（轻度敏感）、Ⅲ（中度敏感）、Ⅳ（强度敏感）、Ⅴ（极强度敏感），依据该分级标准，划分渭南地区的生态敏感性分区，如表3所示.

表3 渭南地区生态敏感性分级表Tab.3 Classification table of ecological sensitivity in Weinan area

3.2 渭南市生态敏感性定量评价及空间格局研究

3.2.1 渭南市各区县生态敏感性变化分析

从1998—2018年，渭南地区各区县生态敏感性指数呈现出不同程度的变化，如图2所示.从图中可以看出：①生态敏感度指数一直处于较高的地区有临渭区和韩城，这两个地区生态环境较为敏感，这是因为临渭区有着主要的工业园区，注重经济的发展；而韩城因为气候原因，春夏季易发生干旱，夏季阵雨多、强度大，水土流失严重，同时煤矿的过度开采导致生态敏感性增强；②生态敏感度指数一直处于较低的地区有合阳和华州区，表面这两个地区生态环境良好，这是因为合阳自然条件较好，农林覆盖率较大；③从总体上看，生态敏感度指数较高的地区敏感度指数处于下降趋势，这是因为近年来渭南市调整产业结构，注重生态平衡的发展.

图2 1998—2018年渭南地区各区县生态敏感性指数变化Fig.2 Changes of ecological sensitivity indexes of various districts and counties in Weinan area from 1998 to 2018

综上所述，生态敏感性指数高的地区主要集中在工业园所在的区域；生态敏感性指数降低的地区不仅得益于城市规划的调整，还因退耕还林的实施极大促进了生态环境质量的改善.而生态敏感性指数升高的地区表明其中经济建设和土地开发对生态环境造成的干扰较大，致使生态敏感性程度有所升高且不稳定.

3.2.2 生态敏感区变化情况分析

渭南地区1998—2018年生态脆弱区面积变化情况如图3所示，1998—2005年，生态敏感Ⅲ区、Ⅴ区面积有所增长，分别增加了31.68%和2.49%，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区面积有所减小，其中Ⅱ区减少了33.6%.渭南地区生态稳定性有所提升，这是因为这一段时间内渭南地区生态敏感性总体向低程度发展，生态敏感性指数有所减小，主要是由于退耕还林工程的实施，一定程度改善了当地的生态环境质量.从2005—2011年，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区的面积小幅度减少，减少幅度偏小，都在1.06%以下，Ⅳ区面积增加了2.74%.主要是由于城市化发展进程的加快，能源开采加速，当地建成了很多经济技术开发区，改变了一部分土地利用的结构，致使这些地区及周边区域的生态敏感性程度升高.从2011—2018年Ⅰ区面积处于平缓稳定期，没有变动，Ⅱ区、Ⅴ区面积分别减少了9.65%、0.55%，Ⅲ区、Ⅳ区面积分别增加了2.64%、7.65%，总体来说在这一阶段渭南市生态敏感性程度较为稳定.

图3 渭南地区1998—2018年生态脆弱区面积变化图Fig.3 Area changes of ecological sensitivity areas in Weinan region from 1998 to 2018

从1998—2018年，Ⅰ区、Ⅱ区面积持续减少，减少幅度分别为1%和43%，而Ⅲ区、Ⅴ区面积的先增后减以及Ⅳ区面积的先减后增，增加的幅度分别为33.63%、10.22%和0.88%.这些都表明渭南地区在总体上处于中度敏感的面积占比较大，而生态脆弱敏感指数高的地区占比面积总体增加，这表明地区发展需要平衡经济社会建设和生态环境之间的关系，经济的发展都是以牺牲环境为代价，要降低生态敏感性程度，须加强地区生态安全.

3.3 生态敏感性空间格局变化研究

渭南市11个县区生态敏感性指数分布如图4所示，可以看出：①1998年韩城、临渭、澄城的生态较为敏感，主要是由于渭南市主要的工业园区集中在临渭和澄城，而潼关的生态较好，这是因为潼关自有古城之称，除地理位置优越外，渭南市政府也致力于潼关的环境建设；②2005年可以明显看到韩城的生态敏感的面积扩大，这是因为除了韩城本身气候条件导致水土流失严重的问题外，韩城矿区较多，尤其是煤炭开采，引发了一系列矿山地质环境问题，导致生态较为敏感；③2011年澄城的生态环境较为缓解，这是因为产业结构的调整使生态变好；④2018年蒲城的生态脆弱面积也区域性的扩大，这是因为近年来蒲城矿产资源的开发尤其是煤矿占比较大，导致生态较为脆弱.

图4 渭南地区生态敏感性指数分布图Fig.4 Distribution map of ecological sensitivity index in Weinan area

综上所述，渭南市总体上生态脆弱敏感性指数降低的区域分布在增加，生态发展较好；2005年渭南市的生态脆弱敏感性指数较大的区域分布最多，即生态较差，由于韩城的生态敏感性指数升高，导致生态较为敏感；2011年渭南市整体的生态较好，主要得益于渭南市城市规划和产业结构的调整.

综合渭南地区不同程度生态脆弱区面积及各区县生态敏感性指数变化情况，可以得知渭南地区整体生态敏感性程度有所降低，生态安全逐渐向良好趋势发展，各地政府将生态经济建设纳入考量，极力改善地区生态环境，推动经济转型及绿色新型业态的发展，达到经济建设和生态建设之间的可持续，更有利于地区长远发展.

4 讨论

关于渭南地区整体生态敏感性的演变相对较少，例如刘晓清等人用秩相关系数法分析了1985—2003年渭南市的生态安全变化趋势，结果表明渭南市生态安全处于不稳定状态［3］，宏观的分析不能合理地因地施策.在对同一地区相同时间段进行生态敏感性分析，可以发现结果是虽然大体相同，但也存在差异化，主要是由于评价研究时选取的指标因子不同导致评价结果的差异化.经济发展以及人类活动都与自然资源、生态环境息息相关，经济发展和生态环境相辅相成，互相依赖.因此，在推动经济转型，清洁生产的同时要做好地区生态敏感性的研究工作，本研究深入到渭南地区11个区县进行生态敏感性的演变评价研究，可以为当地生态敏感性具体分区提供可行的研究思路，也可以为当地相关部门提供生态管控的科学化建议.

5 结语

本研究对1998—2018年渭南地区生态敏感性进行等级划分及各级生态敏感性面积变化进行分析，得出如下结论：

1）在此期间，Ⅰ、Ⅱ级面积持续减少，而Ⅲ、Ⅴ级面积的先增后减以及Ⅳ级面积的先减后增都表明渭南地区在总体上处于中度敏感的面积占比较大.

2）生态敏感性指数高的地区主要集中在工业园所在的区域，临渭区、蒲城县和澄城县由于有工业园区的存在，污染较为严重，生态较为敏感.

3）渭南地区生态敏感性总体向低程度发展，但不可忽略某些地区仍处于生态安全不稳定状态，需要当地相关部门积极落实退耕还林政策，有力改善生态环境，并促进经济转型和推动绿色产业发展.

各区县特别是生态敏感性指数逐年上升的地区可以借鉴临渭区的发展经验，将生态发展指标纳入经济体系，充分体现经济社会发展和人类活动对生态环境的依赖性以及以生态环境平衡经济体系发展，达到生态环境、社会活动、经济发展的可持续发展.