基于多维视角的呼包鄂榆城市群跨区域生态风险评价

刘宇 崔秀萍*，2 杨丰玮 甄婷 牛天赐

（1.内蒙古财经大学资源与环境经济学院，内蒙古呼和浩特 010070；2.祖国北疆资源利用与环境保护协调发展院士专家工作站，内蒙古呼和浩特 010070）

1 引言

城市生态学是用生态学的方法研究以人为核心的城市系统的一门新兴交叉学科［1］，其为研究城市生态安全提供了一个崭新视角。依托地理信息系统和计算机模拟技术的发展，城市生态学在城市生态环境与污染［2］、城市生态系统功能［3］、城市资源环境承载力［4-5］与城市生态规划［6］等领域的应用研究已逐渐成熟，并在此基础上形成了全面多元的生态风险评价体系。城市生态风险评价［7-8］是对城市生态系统及其组分受城镇化发展、人为活动、环境污染和自然灾害等方面的胁迫后，对城市生态可能出现的损害进行全面判别，研究多因素对城市生态环境造成的负面影响，从而采取相应措施以维护城市生态平衡，提高城市生态效率，改善城市环境质量。目前主流的生态风险评价主要围绕重金属污染［9-10］、农田系统［11］、水环境［12］、土地利用［13-14］等单一风险源开展，较少从景观格局、碳排放、经济社会3 个维度对生态风险进行空间定量评价；而生态风险评价的对象以湿地［15］、矿区［16］、城市［17］等小尺度生态脆弱区居多，以呼包鄂榆城市群为代表的跨区域尺度多维度生态风险评价研究较少见。

城市群［18］作为城市发展到成熟阶段的最高空间组织形式，是区域板块之间融合发展的重要引擎，而呼包鄂榆城市群作为我国重要的能源和资源富集区及生态屏障区，在构建西部大开发新格局、推进新型城镇化高质量发展和守住国土生态安全边界中处于重要战略地位。“十四五”规划纲要重点强调以城市群、都市圈为依托，促进大中小城市和小城镇协调联动、特色化发展，因此，培育发展呼包鄂榆城市群，增强其综合承载、资源优化配置的能力，是实现快速城镇化向新型高质量、可持续城镇化梯度爬升的有力保障［19］。参考已有的研究成果，目前对于综合实力已处于优化提升期的城市群，相关学者大多关注其腹地内大中小城市宜居［20］、韧性［21］、一体化［22］等高质量发展的联动引领效应，而对于尚处于成长发育阶段的呼包鄂榆城市群，其研究热点以城市群发展现状［23］和阻碍其城镇化进阶的资源制约因子［24］等基础研究为主，而从景观格局、碳排放、经济社会多个维度对跨区域城市群生态风险进行空间定量评价的研究比较少见。

内蒙古自治区与陕西省联合印发的《推动呼包鄂榆城市群发展规划实施“十四五”重点合作事项》，指出加强生态环境共保共治是呼包鄂榆城市群“十四五”时期的一项重大任务。而呼包鄂榆城市群的发展关乎国家大局，其承担着推进形成西部大开发新格局、推动国土空间均衡开发、筑牢民族地区生态屏障的重大责任。但由于呼包鄂榆城市群地处生态脆弱区，在城镇化快速推进中，往往可能造成资源短缺、土地利用不合理以及环境污染等生态问题。为协调城市生态关系，提高城市生态效率，践行新型城镇化背景下的生态安全理念宗旨，本文以城市生态学为理论基础，于中观视角下构建多维度生态风险评价模型的预警调控机制，通过对呼包鄂榆城市群进行全面客观的生态风险评价，明确其西北地区生态文明合作共建区定位，旨在为跨省、自治区的生态文明建设、自然资源管理、环境修复等诸多工作和相关决策提供重要的科学依据和理论支持。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

地处国家“两横三纵”城市化战略格局包昆通道纵轴北端，呼包鄂榆城市群由内蒙古自治区呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市及陕西省榆林市组成，研究区面积约17.5 万km2，4 市分别占比9.8%，15.9%，49.7%，24.6%。平均海拔约为1 300 m，整体地势向东南倾斜，地处我国北方干燥区，属温带大陆性季风气候，平均气温约8 ℃，平均降水约320 mm，风、光资源充足，草原、沙漠、湿地等自然资源丰富。2020年，研究区地区生产总值为13 212 亿元，常住人口达1 195 万人，整体城镇化率达75%，比全国平均水平高约11%。以能源、化工、冶金、新材料、装备制造、农畜产品加工等为主的工业体系基本形成，旅游、商贸、金融、大数据等服务业发展较快，城市间能源、旅游等产业合作密切，产业分工协作体系逐步建立。同时该区域还是我国重要的能源化工、农牧产品加工业和稀土新材料产业基地，是我国西部地区重要的生态屏障和民族地区城乡融合发展先行区。在我国的新型城镇化推进中，呼包鄂榆城市群以打造西北地区生态空间共建共享、生态环境共治共管、人与自然和谐共生的生态城市群为目标，承担着完善国土空间稳疆固边开发、促进民族地区城乡共荣发展与保障黄河中上游生态安全的重大责任。

2.2 数据来源及处理

本研究所需数据包括两类：一是2020 年呼包鄂榆城市群的Landsat TM/ETM 土地利用类型遥感监测影像，来源于中国科学院资源与环境数据云平台，分辨率为30 m×30 m，通过人工目视解译生成；借助ArcGIS10.8 软件，参照最新版《中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统》中的一级分类标准，将研究区土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6 类，由此统计各用地类型面积，从而进行景观生态风险评价。二是各城市的环境、经济、社会指标和使用间接碳排放系数法所需的各项化石能源消费量数据，主要源自2020 年呼和浩特、包头、鄂尔多斯和榆林4 市统计局公布的统计年鉴，并以此为基础进行多维度生态风险评价。

2.3 研究方法

2.3.1 景观生态风险评价

景观生态风险评价用于表达土地利用结构与生态风险之间的关系，从而描述研究区内不同土地利用类型所带来的生态风险大小，其表达式为：

式中，ERI 为景观生态风险指数，其值越大，代表区域内的生态风险越大；N 为土地利用类型数量；A 为土地利用类型总面积；Ai为第i 类土地利用类型面积；Ri为第i 类土地利用类型的景观损失度指数，由不同土地利用类型的景观干扰度指数（Ei）和景观脆弱度指数（Vi）乘积得到。

景观干扰度指数由景观破碎度指数（Ci）、景观分离度指数（Si）和景观分维度指数（Fi）计算所得，具体表达式为：

式中，Ei表示景观干扰度指数，体现出不同景观类型所受外界的干扰程度；Ci为景观破碎度指数，指景观由于人为或自然等因素破碎成杂乱的斑块；Si为景观分离度指数，描述景观类型中斑块分布的离散程度，数值越大说明该景观类型斑块分布越分散，不同景观类型之间演替就越频繁；Fi为景观分维度指数，反映不同景观斑块形状的复杂程度。

2.3.2 碳排放生态风险评价

碳排放生态风险评价用于表达区域碳排放量与生态风险之间的关系，碳排放生态风险评价大小由区域土地利用类型面积和各地类碳排放系数共同决定，其计算公式如下：

式中，CRI 为碳排放生态风险指数，其值越大，代表区域内生态风险越大；N 为土地利用类型数量；A 为土地利用类型总面积；Ai为第i 类土地利用类型面积；Pi为第i 类土地利用类型碳排放系数。

对于各土地利用类型的碳排放系数，参考相关学者研究成果并结合研究区各项化石能源消耗产生的碳排放总量确定，其中化石能源产生的碳排放总量的计算公式为：

式中，E 表示建设用地碳排放总量；eci表示各种能源消耗产生的碳排放量；Eni为各种能源消耗量；θi为各种能源转换为标准煤的系数；σi为各种能源的碳排放系数。

2.3.3 因素测度模型

经济、社会生态风险测度体现出各个生态风险因子的变化对生态环境的影响程度。假设有i 个测度城市，j 为生态风险的影响因子，xij为第i 个城市第j 个生态风险因子的标准化值，xi0为第i 个城市的生态环境指标变量（i＝1，2…，n；j＝1，2…，m）。经济、社会生态风险因子（xij）的增加会引起生态环境指标变量（xi0）的减少，从而产生损失性风险，则有如下风险测度模型：

式中，FRi为各个测度城市的经济、社会生态风险强度值；θ∈（0，1）为可调参数；aj为各个风险因子的影响程度。

3 结果与分析

3.1 景观生态风险评价

3.1.1 景观格局指数分析

本文借助ArcGIS10.8 和Fragstats4.2 对呼包鄂榆城市群的耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6 类土地利用类型进行景观格局分析，分别计算出不同土地利用类型2020 年的景观破碎度指数、景观分离度指数、景观分维度指数，并以此计算出每种土地利用类型的景观干扰度指数和景观损失度指数。呼包鄂榆城市群景观格局指数见表1。

由表1 可知，2020 年呼包鄂渝城市群土地利用类型主要以草地为主，占区域面积的55.55%，达97 027.68 km2；其次各土地利用类型面积依次是耕地31 094.44 km2、未利用地29 213.73 km2、林地7 990.61 km2、建 设 用 地6 007.87 km2和 水 域3 332.70 km2。呼包鄂榆城市群6 种土地景观类型的干扰度指数依次为：建设用地＞水域＞林地＞耕地＞草地＞未利用地。其中建设用地面积占比较低，但其斑块数目多达12 021 个，说明呼包鄂榆城市群在城镇化建设上空间分布较分散，破碎化程度高，因此建设用地的景观破碎化指数与景观分离度指数都最高，从而其景观干扰度指数也处于较高水平；而未利用地主要包括荒草地、盐碱地、沙地等，景观干扰度指数仅为0.289 2，说明研究区内土地开发利用难度较大，其地形地貌因子是造成景观干扰度较低的关键因素。

6 种土地利用类型中，景观损失度指数依次为：水域＞未利用地＞耕地＞草地＞林地＞建设用地。其中，水域的损失度指数最大，但因为其面积占比较小，不易引发大范围的区域生态风险；而未利用地的损失度指数较大，且其面积占比较多，分布较为广泛，是引发区域生态风险的主要因素；相反，建设用地的景观干扰度指数较高，但其景观脆弱度指数仅为0.047 6，抵御外部干扰的能力较强，因此，其损失度指数较低，不易引发高等级生态风险；其次，耕地、林地、草地均会引起不同程度区域生态风险。

3.1.2 景观生态风险评价结果

根据呼包鄂榆城市群土地利用类型的景观格局指数计算各风险区的景观生态风险值，并将各评价单元的景观生态风险划分为5 种等级［25］：低风险区（ERI＜0.45）、较低风险区（0.45≤ERI＜0.55）、中风险区（0.55≤ERI＜0.65）、较高风险区（0.65≤ERI＜0.75）、高风险区（ERI≥0.75）。

呼包鄂榆城市群景观生态风险等级面积及比例见表2。由表2 可知，呼包鄂榆城市群景观生态风险总体偏低，主要以低生态风险区和较低生态风险区为主，分别占研究区总面积的16.94%和47.12%，该区域主要集中在研究区的东北部与中部区域，土地利用类型以林地、草地为主，景观自身稳定性较强，生态风险较低；中等生态风险区面积占研究区总面积的26.83%，该区域主要分布在研究区的南部以及中部部分区域，土地利用类型主要包括耕地、建筑用地和未利用地，景观稳定性更易被破坏，人为干扰后受损程度较大；而较高生态风险区和高生态风险区面积较少，仅占研究区总面积的7.51%和1.6%，该区域主要呈团块状分布在鄂尔多斯市的西北部与东南部，此区域未利用地面积占比上升，景观脆弱性较大且自身稳定性较低，从而生态风险等级较高。

表2 呼包鄂榆城市群景观生态风险等级面积及比例

3.2 碳排放生态风险评价

3.2.1 碳排放系数确定

对于耕地、林地、草地、水域及未利用地的碳排放系数，参考不同学者研究成果［26-29］并结合研究区经纬度及实际地理状况，分别取值为0.422，-0.613，-0.021，-0.303 和0.005。建设用地碳排放系数通过研究区人为利用过程中的各项化石能源产生的碳排放总量与建设用地面积的比值确定。通过查找2020年呼包鄂榆城市群各项化石能源消费量数据，并参考IPCC 国家温室气体清单指南，依据表3 和呼包鄂榆城市群建设用地状况，计算得到建设用地的碳排放系数为17.014 t/（hm2·a）。

表3 呼包鄂榆城市群能源碳排放量

3.2.2 碳排放生态风险评价结果

为了更加直观、清楚地显示呼包鄂榆城市群碳排放生态风险的空间分布，本研究参考已有研究成果并采用自然断点法将碳排放生态风险划分为5种等级［30］：低风险区（CRI＜0.5）、较低风险区（0.5≤CRI＜2.0）、中风险区（2.0≤CRI＜3.5）、较高风险区（3.5≤CRI＜7.0）、高风险区（CRI≥7.0）。

呼包鄂榆城市群碳排放生态风险等级面积及比例见表4。由表4 可知，呼包鄂榆城市群碳排放生态风险整体较低，东部碳排放生态风险整体高于西部地区。其中低生态风险区与较低生态风险区面积分别占研究区总面积的71.21%和21.08%，该区域的土地利用类型主要为林地、草地和水域，其碳排放量小于碳吸收量，因此碳排放生态风险较低；中等生态风险区面积占研究区总面积的4.17%，该区域紧密围绕在较高生态风险与高生态风险区周围，并呈现出向周边扩散的趋势；而较高生态风险区和高生态风险区面积仅占研究区总面积的2.77%和0.76%，该区域主要呈团块状分布，并与研究区建设用地的空间分布高度吻合，主要原因是地区城镇化发展与人类活动消耗化石能源产生大量碳排放，从而引发较高碳排放生态风险。

表4 呼包鄂榆城市群碳排放生态风险等级面积及比例

3.3 经济、社会生态风险评价

在呼包鄂榆城市群发展历程中，经济城市化和社会城市化是城市生态环境质量下降，诱发城市生态风险的主要原因。本文选取呼和浩特、包头、鄂尔多斯和榆林作为4 个评价单元，选取12 个生态环境指标计算出城市生态环境综合指数，进而通过测度城市的经济和社会风险因子对城市生态环境产生的偏离程度，得到城市的经济、社会生态风险强度值。呼包鄂榆城市群经济、社会生态风险强度值见表5。

表5 呼包鄂榆城市群经济、社会生态风险强度值

由于城市之间生态本底、资源分布以及经济结构存在差异，因此不同城市在城镇化发展中产生的生态风险也存在着相应的差异性。呼包鄂榆城市群经济生态风险强度值为0.489 3，小于其社会生态风险强度值，说明经济增长引起城镇化进程加快导致的生态风险小于社会发展引起城镇化进程加快导致的生态风险。其次，各城市经济生态风险强度值依次为：呼和浩特＞鄂尔多斯＞包头＞榆林；各城市社会生态风险强度值依次为：鄂尔多斯＞呼和浩特＞包头＞榆林。呼和浩特和包头的经济生态风险强度值分别为0.631 4 和0.514 4，均大于其对应的社会生态风险强度值，说明呼和浩特和包头经济因素诱发的城市生态风险均高于其社会因素诱发的城市生态风险，经济发展对生态环境的影响大于社会进步；而鄂尔多斯和榆林的经济生态风险强度值分别为0.582 3 和0.229 0，均小于其社会生态风险强度值，说明鄂尔多斯和榆林经济因素诱发的城市生态风险低于其社会因素诱发的城市生态风险，经济发展对生态环境的影响小于社会进步。

4 讨论与结论

城市群生态风险多维度综合评价过程复杂，需要综合考虑多视角下的影响因素，基于景观格局、碳排放以及经济社会的角度，综合量化呼包鄂榆城市群的生态风险问题，对于认识呼包鄂榆城市群生态环境问题、进行区域生态文明建设有重要意义。本文利用遥感影像并综合区域内经济、社会指标，从多维度综合探索呼包鄂榆城市群生态风险等级特征，研究结果揭示的呼包鄂榆城市群生态风险时空分布与区域实际基本相符。具体结论如下：

（1）2020 年呼包鄂榆城市群景观生态风险空间差异显著，且集聚趋势明显，其西部区域的景观生态风险明显高于东部地区。其中，低生态风险区和较低生态风险区面积分别占研究区总面积的16.94%和47.12%，主要集中在东北部和中部地区，土地利用类型以林地、草地为主；中等生态风险区面积占研究区总面积的26.83%，主要分布在南部以及中部地区，土地利用类型主要包括耕地、建设用地和未利用地；而较高生态风险和高生态风险区面积仅占研究区总面积的7.51%和1.60%，主要分布在鄂尔多斯市西北部和东南部地区，该区域未利用地面积占比较多。

（2）研究期内，呼包鄂榆城市群碳排放生态风险整体呈现东部高、西部低的特点。其中，低生态风险区和较低生态风险区面积分别占研究区总面积的71.21%和21.08%，土地利用类型主要包括林地、草地和水域；而中等生态风险区面积占研究区总面积的4.17%，其紧密围绕在较高生态风险和高生态风险区周围；较高生态风险区和高生态风险区面积分别占研究区总面积的2.77%和0.76%，其空间分布与建设用地高度吻合，这主要与生产建设活动的能源消耗产生大量碳排放有关。

（3）在城镇化快速推进过程中，经济发展与社会进步往往是以牺牲城市生态环境为代价的，而经济、社会生态风险强度值能够合理反映出各城市的生态风险大小，呼包鄂榆城市群经济、社会生态风险强度值分别为0.489 3 和0.519 1。具体来看，各城市经济生态风险强度值依次为：呼和浩特＞鄂尔多斯＞包头＞榆林；社会生态风险强度值依次为：鄂尔多斯＞呼和浩特＞包头＞榆林。

本研究着重从景观格局、碳排放、经济社会3 个维度对呼包鄂榆城市群生态风险进行空间定量评价，基于生态风险评价方法和因素测度模型着重对研究区内生态风险的空间分布特征进行探讨，从3个维度选取生态风险胁迫因子进行呼包鄂榆城市群生态风险评价，可以改善单一风险源的主观性和不完整性。但本研究的侧重点在于呼包鄂榆城市群生态风险大小及其空间分布特征，并未考虑研究区生态风险的动态变化规律以及预测优化等内容，在后续的研究中需要进一步深化，从而构建全过程、多层级生态风险防范体系，为区域生态文明建设与生态屏障构筑提供更具体的发展对策和更强有力的支持。