基于主控要素的生態地質脆弱性評價
——以四川省西昌市為例

張景華， 歐陽淵， 劉 洪，， 黃瀚霄， 張騰蛟， 李 富， 李 樋

(1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081； 2.成都理工大學地球科學學院，成都 610059)

0 引言

生態學(ecology)是研究有機體與其周圍環境相互關系的科學，環境包括非生物和生物環境，前者包括地質環境在內的各種自然環境，后者則包括同種或異種其他有機體[1]。地質學(geology)的研究對象為地球的固體硬殼——地殼或巖石圈，主要研究地球的物質組成、內部構造、外部特征、各層圈之間的相互作用和演變歷史，是研究地球及其演變的一門自然科學。生態學與地質學結合，誕生了生態地質學(eco-geology)。生態地質學是地質學的一個分支，同時也是生態學和地質學之間的新興邊緣科學[2-6]。生態地質的研究對象涉及巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈及生物圈[7-9]，是用地質學、生態學理論和方法研究生物與其生存地質環境之間關系的學科[10]。

國外生態地質調查工作最早始于20世紀 80 年代末的前蘇聯[11]，我國則始于1994 年[12-13]。進入21世紀后，國內外一些學者對生態地質開展了不同程度的研究[8，14-19]，這些研究工作多是從地球化學角度對生態地質進行研究。2019年，自然資源部中國地質調查局啟動 “生態地質調查工程”，以服務長江上游重要生態功能區生態保護修復為宗旨，著眼于大涼山區生態文明建設對地質工作的重大需求，設立了“大涼山區生態地質調查”項目，以全新的調查思路，將“山水林田湖草”視作一個生態共同體，把地質作用過程和生態空間分布、變化規律作為整體進行系統性調查研究； 在此基礎上，開展生態地質脆弱性評價與分區，為生態系統管理、保護與修復提供地球系統科學解決方案。本文即為“大涼山區生態地質調查”項目所取得的部分成果。

“脆弱性”一詞最早源自拉丁文vulnerare，其原意是“可能受傷”。在早期，脆弱性問題(vulnerability)主要用于流行病學領域，用來指出哪些地區容易發生流行病。從20世紀70年代開始，專家逐漸將脆弱性引入生態研究領域，并逐漸延伸到其他領域[20-21],脆弱性評價已成為生態(地質)環境評價的重要內容之一[22-29]。綜合前人對脆弱性概念的理解和筆者在西昌市開展的生態地質調查實踐，本文認為生態地質脆弱性是指地球表層系統對內外擾動的敏感性以及因缺乏應對能力而使系統的結構和功能發生改變的一種屬性； 即在一定條件下，生態地質環境對內外擾動的敏感性以及因缺乏應對能力而使生態地質環境的結構和功能發生改變的一種屬性。本文以西昌市為研究區，在生態地質調查和綜合研究的基礎上，基于構造運動及其演化是控制西昌市生態環境演變的重要驅動力的觀點來篩選評價指標； 在地理信息系統支持下，采用改進后的層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)確定評價指標的權重，開展生態地質脆弱性評價與分區，提出生態保護修復建議，為西昌市生態保護修復提供依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理

西昌市位于四川省西南部，是涼山彝族自治州的州府所在地，也是攀西地區的政治、經濟、文化及交通中心和打造攀西城市群中的核心力量，其地理位置在E101°46′～102°25′，N27°32′～28°10′之間，南北長約70 km，東西寬約43 km，幅員面積2 655 km2； 地勢北高南低，以山地為主，山脈走向和構造線一致，多呈SN向，山地分布在安寧河東西兩側，西部的牦牛山是市境內山地的主體，占全市總面積的一半，自北向南縱貫全境。西昌屬于亞熱帶高原季風氣候區，素有小“春城”之稱，四周群山環繞，立體氣候特點突出。

1.2 地層巖性與地質構造

西昌市前寒武系至第四系均有出露，以中生界和新生界為主，地層呈近SN向展布，與主構造線一致。侵入巖出露在磨盤山區，主要巖石類型有石英斑巖、黑云母花崗巖、閃長巖和正長巖等； 噴出巖主要分布在牦牛山及磨盤山區，以晚二疊世峨眉山玄武巖出露最廣(圖1)。

1.第四系： 沖洪積物； 2.新近系-第四系昔格達組： 粉砂巖； 3.白堊-古近系雷打樹組： 粉砂巖、泥巖為主； 4.中下白堊統小壩組： 粉砂質泥巖、泥巖為主； 5.下白堊統飛天山組： 粉砂巖、泥巖為主； 6.侏羅系官溝組、牛滾凼組、新村組、益門組： 泥巖、粉砂巖為主； 7.上三疊統寶頂組： 長石石英砂巖為主； 8.上三疊統白果灣組： 長石石英砂巖為主； 9.上三疊統大蕎地組： 長石石英砂巖為主； 10.上三疊統丙南組： 板巖為主； 11.上二疊統峨眉山玄武巖組： 玄武巖為主； 12.中二疊統陽新組： 灰巖為主； 13.上石炭統黃龍組： 灰巖、泥質灰巖、白云巖為主； 14.泥盆系干溝組、爛泥箐組、曲靖組： 灰巖、白云巖為主； 15.志留系稗子田組： 灰巖、白云巖、鈣質頁巖為主； 16.寒武系： 筇竹寺組、滄浪鋪組，粉砂巖、泥巖為主； 17.震旦-寒武系燈影組： 白云巖為主； 18.震旦系觀音崖組： 灰巖、泥巖為主； 19.上元古界列古六組： 酸性火山碎屑巖； 20.上元古界開建橋組： 酸性火山碎屑巖； 21.晚三疊世黑云母花崗巖； 22.晚三疊世鈉閃石英正長巖； 23.晚三疊世鈉閃花崗巖； 24.晚三疊世鈉閃正長巖； 25.晚二疊世輝長巖； 26.新元古代花崗巖； 27.新元古代英云閃長巖； 28.新元古代花崗閃長巖； 29.新元古代石英閃長巖； 30.新元古代二長花崗巖； 31.新元古代閃長巖； 32.新元古代輝長巖； 33.中元古代花崗巖； 34.斷裂帶； 35.韌性剪切帶圖1 西昌市地質簡圖Fig.1 Geological map of Xichang City

西昌市位于上揚子陸塊西緣和羌塘陸塊東緣，為一個構造復雜的造山帶系統，形成多條大型左旋走滑構造帶，形成了“縱向成條，條中有塊”的斷塊構造特征。區內褶皺和斷裂十分發育，褶皺主要有螺髻山背斜、磨盤山向斜等； 主要斷裂帶有金河—菁河斷裂帶(F1)、磨盤山—昔格達斷裂帶(F2)、安寧河斷裂帶(F3)和則木河斷裂帶(F4)等。金河—菁河斷裂帶位于磨盤山—馬鞍山以西，呈南北向縱貫市域西部，沿線分布有較多晚二疊世小型超基性、基性侵入體，表明其在晚二疊世是一個深達上地幔的巖石圈斷裂。磨盤山—昔格達斷裂帶北起牦牛山，向南經磨盤山縱貫全境，形成于新元古代，經多期構造變形，對兩側中生代地層有明顯的控制作用，是一條第四紀活動斷裂。安寧河斷裂帶沿安寧河谷發育，呈近南北展布，斷面以西傾為主，總體表現出擠壓、走滑特征，造成兩側斷塊差異升降，形成安寧河斷陷盆地和斷塊山脈，具有強烈的地震活動性。則木河斷裂帶西北由西昌開始，向東南延伸出西昌，由多條次級剪切斷層呈左階斜列組合而成，也是一條活動斷裂，發生過多次強震和大地震。

1.3 森林植被

西昌市屬于川西南河谷山原植被地區的金沙江下游安寧河植被小區，森林覆蓋率為 46.0%，森林針葉化現象較普遍，作為地帶性植被的闊葉林較少。由于地形地貌及垂直氣候的差異，植被群落分布具有垂直性差異[30]，在干熱河谷發育稀疏草叢，河谷盆地和階地上栽培著各種熱帶、亞熱帶經濟植物，中山山地分布著大面積的云南松和松櫟混交林，局部溝谷地區保存有亞熱帶偏干性常綠闊葉林，亞高山殘存有冷杉林及冷杉、云杉混交林分布，高山分布蒿草、雜草類高山草甸。

1.4 生態環境

西昌市四周群山環繞，形成相對獨立的氣候、土壤和植被，使得生態環境表現出較強的相對獨立性。近年來，西昌市社會經濟高速發展，隨著人口壓力和生產活動的不斷增強，也對生態環境產生了較大的壓力和脅迫。除安寧河谷外，西昌市大部分土地承載力較低，抗干擾能力弱，受干擾后生態系統自然恢復的速度慢、難度大，雖然生態環境整體較好，但還存在一些諸如水土流失較嚴重、地質災害較頻發、森林生態系統功能降低等生態地質環境問題。

2 評價方法

2.1 技術思路

目前對生態地質脆弱性進行評價，主要有2種技術思路，一種是針對生態地質問題進行評價，另一種是基于生態地質條件(要素)進行評價[31-35]。作為地質學的一個分支，生態地質及其脆弱性的概念目前尚無統一的定義，但本文認為二者的內涵比較清楚，生態地質的內涵是研究各種生態問題或生態過程的地質學機理、地質作用過程及背景條件，而生態地質脆弱性的內涵則為在一定的生態地質條件下，生態地質環境對內外擾動的敏感性以及因缺乏應對能力從而使自身的結構和功能容易發生改變的一種屬性。無論生態地質還是生態地質脆弱性，其內涵都強調生態地質條件。因此，對西昌市生態地質脆弱性采用基于生態地質條件(要素)進行評價更能反映其內涵，從服務生態保護修復目的出發，將生態地質脆弱性分為不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、高度脆弱與極脆弱5個等級。

2.2 指標篩選

通常把自然界分為生物與非生物兩大類，雖然這兩大類幾乎總是可區別、可分開的，但又不能彼此孤立地存在。生物依賴于環境，它們必須與環境連續地交換物質和能量，需適應于環境才能生存； 另一方面，生物又影響環境，不斷改造環境條件，生物與環境在相互作用中形成統一的整體[1]，亦即生物與環境密不可分，一起構成了生態環境。如果從地球系統科學的角度出發，將巖石圈、生物圈、大氣圈、水圈等圈層作為一個系統看待，影響或控制這些圈層之間能量與物質交換的動力為地球的內、外營力，地球生態地質環境演變結果都是地球內外營力綜合作用的結果。因此，從地球系統科學和多圈層交互作用來看，生態地質脆弱性是由氣象、水文、地形地貌、地質環境、土壤、地質災害和生態環境本身等各個條件所控制，而上述影響生態地質脆弱性各項條件，又可進一步劃分為各種單要素。

西昌市屬亞熱帶西南季風氣候，多年平均氣溫16.9 ℃，多年平均日照2 445.4 h，無霜期273 d，多年平均降雨1 013.5 mm，水資源豐富。從氣象、水文條件來說，在整個西昌市范圍內，與植物生長關系最為密切的水、熱、光等條件都非常有優越，完全可以滿足植被生長所需； 除了垂直分帶性外，在橫向上，氣象、水文條件并不會造成植被生長的巨大差異，亦即氣象、水文條件并不是控制西昌市生態地質的主控因素，其對生態地質脆弱性及分區的影響不大。

既然氣象、水文條件不是西昌市生態地質的主控因素，那么地形地貌、土壤類型、土壤侵蝕、地質災害等都是受地質條件控制，與地質環境相關。根據筆者在西昌市開展的生態地質調查工作取得的認識[36]，本文認為地質構造及其演化是控制西昌市生態地質環境演變的重要驅動力，而地質建造及其環境則是形成現今生態地質格局的物質基礎。構造運動及其演化控制著西昌市地層巖性的出露和宏觀地貌，并與風化、剝蝕、搬運作用等外營力一起塑造了西昌市現今地貌形態，進而影響著地面坡度[37]、地表的巖石類型、成土母質類型、土壤類型和植被類型等生態地質要素，間接控制著基巖→成土母質→土壤→植被這一生態地質譜系。換言之，由地球內營力形成的構造運動及其演化與地形地貌、氣候和人類活動等一起塑造了西昌市現今生態地質格局，西昌市現今生態地質環境主要受各種地質環境條件控制。

通過上述分析，篩選了地形地貌、地質環境、土壤、生態4項生態地質條件，然后進一步細化為坡度、溝壑密度、地層巖性、地質建造、地質災害易發性、土壤類型、成土母質、土壤侵蝕強度、生態系統類型、人口密度共10項生態地質要素，參考相關國家標準、其他學者的研究成果[38-39]并結合西昌市的實際情況，制定了分級標準，構建評價指標(表1)。

表1 西昌市生態地質脆弱性評價指標Tab.1 Evaluation indicators of eco-geological vulnerability in Xichang City

2.3 數據來源與單因子脆弱性評價

本研究所使用的基礎數據主要來自于收集和利用遙感手段獲取，包括西昌市行政區劃圖、數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據、地質圖、地質災害易發分區圖、土壤類型圖、土壤侵蝕強度數據、土地利用類型數據和人口密度數據等，具體如表2所示。并對這些數據進行加工處理，提取表1種所列的10項生態地質要素數據并分級賦值，統一轉換為Gauss Kruger投影、30 m空間分辨率的柵格圖像，得到西昌市生態地質脆弱性單因子評價圖(圖2)。

表2 數據來源與描述Tab.2 Source and description of the data

(續表)

(a) 坡度 (b) 溝壑密度 (c) 巖性 (d) 地質建造 (e) 地質災害易發性

(f) 土壤類型 (g) 成土母質 (h) 土壤侵蝕強度 (i) 生態系統類型 (j) 人口密度

圖2 西昌市生態地質脆弱性單因子評價圖Fig.2 Eco-geological vulnerability evaluation map of single factor in Xichang City

2.4 權重計算與綜合評價

從單因子分析得出的生態地質脆弱性，只反映了某一因子的作用程度； 要將生態地質脆弱性的區域差異綜合地反映出來，還需要進行生態地質脆弱性綜合評價。由于各個因子對于生態地質脆弱性的重要性不同，在進行綜合評價時，應當對單因子賦予不同的權重，運用加權方法進行評價。本次研究，在地理信息系統的支持下，采用改進的AHP法評價西昌市生態地質脆弱性。

AHP法是一種定性與定量相結合的決策分析方法，常被運用于多目標、多準則、多要素、多層次的非結構化的復雜決策問題，在生態環境和資源環境評價領域應用十分廣泛[29，40-44]。由于AHP法存在著較大的隨意性，為了克服這一問題，往往需要多部門、多領域的專家共同會商、集體決定，通常采用發放和回收專家調查表的形式來比較各因素的重要程度[45]。然而在實際操作中，發放和回收專家調查表這種方式依然存在著較大的局限性。首先，為了保證專家意見具有一定的代表性和普遍性，需要向各行業專家發放大量的調查表，有時甚至達到數百份，導致實際操作極為困難； 其次，發放的調查表與回收的調查表不成比例，在實際操作中，由于各種因素，發放了大量的調查表，實際回收的調查表卻往往寥寥無幾，導致樣本數量不夠，失去了統計意義； 再次，由于調查表是向各行業專家發放的，而專家感興趣的是其從事行業內的問題，造成了專家對其從事行業問題的重要性的偏好，從而加大了主觀性。

2.4.1 AHP法改進

針對上述問題，本次研究在構建西昌市生態地質脆弱性評價判斷矩陣時，對于各個因素之間的重要程度的判斷，提出了在生態地質調查的基礎上，通過綜合研究各相關因素的控制作用及繼承關系來比較各相關因素的重要性的方法，用以取代專家打分，從而最大限度降低主觀性。

如前文所述，在西昌市域，構造控制地貌形態和巖性分布，進而影響著地面坡度、地表的巖石類型、地質災害發育程度，而巖石作為成土母質的來源控制著成土母質的類型，還影響著地質災害的發育分布，母質轉化為土壤，存在著地質建造(構造)控制地貌形態和巖性、巖性控制母質、母質控制土壤、土壤影響生態的控制關系，即基巖→成土母質→土壤→植被這一生態地質譜系。由此，通過研究西昌市生態地質脆弱性各相關因素的控制作用及繼承關系來進行兩兩比較，即凡是控制其他要素的相對被控制的要素顯得更為重要，據此先預判各相關因素的重要性比較結果，構建了西昌市生態地質脆弱性層次分析判斷矩陣； 然后計算判斷矩陣的隨機一致性比例，通過分析隨機一致性比例、各因素的權重及排序來確定判斷矩陣是否構建合理，驗證預判是否正確。

2.4.2 權重計算

基于上述分析與預判，構建了西昌市生態地質脆弱性評價的判斷矩陣，然后求解判斷矩陣的隨機一致性比例、最大特征根及其所對應的特征向量，從而得到各因素的權重及排序(表3)。

表3 西昌市生態地質脆弱性評價判斷矩陣與層次排序①Tab.3 Judgement matrix and arrangement of eco-geological vulnerability evaluation in Xichang City

由表3可知，λ=11.295 8，CI=0.144 0，RI=1.49，CR=0.096 6<0.10，即判斷矩陣的隨機一致性比例小于0.10，表明構建的判斷矩陣具有符合要求的隨機一致性，判斷矩陣構建合理。在10個單因素中，地質建造權重最大、排序第一，往下依次是地層巖性、成土母質、土壤類型、生態系統類型、坡度、溝壑密度、土壤侵蝕強度、地質災害易發性、人口密度。計算出來的10個因子的權重分配較合理，排序與預判一致，表明根據預判構建的判斷矩陣合理，權重分配合適。

2.4.3 綜合評價

在地理信息系統中，把10個生態地質脆弱性單因子評價圖分別賦以表3中的權重(W)，按照式(1)進行加權疊加，得出西昌市生態地質脆弱性加權總和； 然后按照表1中的生態地質脆弱性分級標準(SS)進行分級，得到西昌市生態地質脆弱性綜合評價圖。

(1)

式中：SSj為j空間單元生態地質脆弱性；Ci,j為j空間單元i因子生態地質脆弱性等級分值；Wi為i因子生態地質脆弱性權重。

3 評價結果

西昌市生態地質脆弱性綜合評價圖及各等級面積統計如圖3和表4所示?？傮w而言，西昌市生態地質環境較為脆弱，不脆弱—輕度脆弱和中度脆弱—高度脆弱各占一半左右，但沒有極脆弱區域。不脆弱區域面積僅有208.31 km2、僅占研究區面積的7.85%，主要分布于安寧河谷； 輕度脆弱區域面積1 115.41 km2、占研究區面積的42.01%，主要分布于安寧河谷、安寧河谷右岸的月華至黃水一帶、邛海周圍一帶及白馬—蕎地一帶； 中度脆弱—高度脆弱區域面積合計1 331.28 km2、占研究區面積的50.14%，略微超過一半，中度脆弱—高度脆弱區域分布集中，主要分布于市域西部的牦牛山一帶和東南部的螺髻山一帶(圖3)。為了檢驗評價結果的準確性，采用生態地質路線調查的方式對評價結果進行了野外驗證，調查路線橫穿了整個西昌市，東起西昌市與昭覺縣交界處，向西經大箐、洛古坡、佑君、馬鞍山等地止于雅礱江邊。從路線調查情況來看，安寧河谷以東生態地質條件較好、不脆弱，以西則生態地質條件較差、生態地質脆弱，路線調查與評價結果基本一致，說明評價結果較準確。

圖3 西昌市生態地質脆弱性評價圖Fig.3 Map of eco-geological vulnerability evaluation for Xichang City

表4 西昌市生態地質脆弱性面積統計Tab.4 Area statistics of eco-geological vulnerability in Xichang City

4 生態地質脆弱性分區

在生態地質脆弱性評價的基礎上，根據生態地質脆弱性等級與空間分布的相似性與差異性，并盡可能保持鄉鎮地域的完整性，進行生態地質脆弱性分區。將西昌市劃分為5個生態地質脆弱性分區(圖4和表5)，分別是安寧河谷生態地質輕度脆弱區(Ⅰ)、大箐生態地質輕度脆弱區(Ⅱ)、巴汝—馬鞍山生態地質中度脆弱區(Ⅲ)、螺髻山西坡生態地質高度脆弱區(Ⅳ)和牦牛山生態地質高度脆弱區(Ⅴ)。然后，在分析、總結各分區的主要生態地質問題的基礎上，提出了生態保護與建設的重點與發展方向。

圖4 西昌市生態地質脆弱性分區圖Fig.4 Map eco-geological vulnerability zone of Xichang City

表5 西昌市生態地質脆弱性分區與保護建議Tab.5 Protection suggestions of each eco-geological vulnerability zones in Xichang City

5 結論與討論

1)地球內營力形成的構造運動及其演化是形成西昌市現今生態地質格局的最主要的驅動力，與地形地貌、氣候和人類活動等一起塑造了西昌市現今生態地質格局。

2)在生態地質調查的基礎上，通過研究西昌市生態地質脆弱性各相關因素的控制作用及繼承關系來比較各相關因素重要性的方法，構建的判斷矩陣隨機一致性好，計算出來的權重符合調查結果，相較專家打分法，可操作性更好。

3)西昌市生態地質環境較為脆弱，雖然沒有極脆弱區域，但中度脆弱—高度脆弱達西昌市面積的50.14%。不脆弱與輕度脆弱區主要集中分布于安寧河谷和邛海盆地，中度脆弱—高度脆弱區域主要集中分布于西昌市西部的牦牛山一帶和東南部的螺髻山一帶。

4)全市可劃分為5個生態地質脆弱性分區， 包括2個生態地質輕度脆弱區——安寧河谷生態地質輕度脆弱區(Ⅰ)和大箐生態地質輕度脆弱區(Ⅱ)，1個生態地質中度脆弱區——巴汝—馬鞍山生態地質中度脆弱區(Ⅲ)，2個生態地質高度脆弱區——螺髻山西坡生態地質高度脆弱區(Ⅳ)和牦牛山生態地質高度脆弱區(Ⅴ)。對于不同的生態地質脆弱性分區，建議實行不同的生態保護修復方案與因地制宜的開發建設措施。

5)基于在西昌市開展的生態地質調查與評價的實踐，筆者認為生態地質和生態地質脆弱性的內涵與概念比較清楚，對于生態地質脆弱性評價的指標體系、內容與評價方法也較為明確。然而，生態地質調查與評價對生態功能區劃的意義與作用是什么？從地球系統科學角度來看，生態地質調查所查明的生態地質條件和生態地質問題，無疑為生態環境的綜合評價提供了大量的參考依據與素材。而如何將這些素材引入到生態功能區劃中則值得進一步深入研究。