鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全評價

劉曉民, 阿木古楞, 楊耀天,3, 劉勇

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018; 2.內蒙古黃河生態研究院,呼和浩特 010020; 3.黃河流域內蒙段水資源與水環境綜合治理協同創新中心,呼和浩特 010018; 4.鄂爾多斯市水利事業發展中心,鄂爾多斯 017000)

0 引言

黃河流域是中華文明的根基,也是經濟發展與生態保護的關鍵地帶。隨著社會經濟快速發展,高強度的資源利用與承載,使黃河流域生態安全問題日益突出[1]。2019年召開的黃河流域生態保護和高質量發展座談會上,習近平總書記明確指出: “黃河流域生態保護和高質量發展,同京津冀協同發展、長江經濟帶發展、粵港澳大灣區建設、長三角一體化發展一樣,是重大國家戰略?！盵2]。因此評價黃河流域地區生態安全現狀并進行預警研究對促進黃河流域生態文明建設,實現區域可持續高質量發展具有重大意義。

生態安全研究具有顯著的空間差異性與聚合性特征[3],應根據生態系統的不同構建不同的生態安全模型框架,包括土地生態安全[4]、耕地生態安全[5]、濕地生態安全[6]、流域生態安全[7]等?，F有的生態安全研究尺度主要包括城市群[8]、省級[9]、市級[10]、鄉鎮級[11]等范圍,對于旗縣的小區域研究還處于起步階段。因此,在旗縣尺度上以流域為單元利用地理信息系統和遙感技術進行生態安全評價并分析流域生態安全驅動因素亟需深入研究。

生態安全評價研究中構建指標框架和選定評價方法是關鍵內容。首先,生態安全評價模型有“壓力—狀態—響應”(press-state-response,PSR)模型[12]及擴展版“驅動力—壓力—狀態—影響—響應”(driving force-press-state-impact-response,DPSIR)模型[13]、“驅動力—壓力—狀態—響應”(driving force-press-state-response,DPSR)模型[14]、也有不同維度構成的自然—經濟—社會(nature-economic-society,NES)模型[15]和經濟—環境—社會(economic-environment-society,EES)模型[16]等。其中國際經濟合作與發展組織提出的PSR模型是生態安全評價研究中應用最為普遍的框架模型。我國關于評價生態安全的方法包括景觀模型法、生態模型法、數學模型法及數字地面模型法[17]。生態安全主要驅動因素分析研究是解決生態安全問題的重要步驟。生態安全驅動因素研究中發現生態安全在不同時空范圍內的變化規律主要受2方面因素的影響,一方面是以自然因素為主的結構性因素[18]; 另一方面是以人類社會經濟因素為主的非結構性因素,表征人類活動對生態環境的干擾性[19]。咼亞玲等[20]利用灰色關聯度方法對洞庭湖區生態安全的主要影響因素進行了初步分析發現面臨的主要問題為水資源短缺、人口密度和產業結構不合理。

內蒙古自治區鄂爾多斯市位于黃河流域中上游段,屬于典型的農牧交錯區、國家重要的能源儲備基地和輸出基地。近年來,經濟飛速發展,同時由于資源過度利用、工業結構重型化且單一化嚴重等因素導致水土流失和荒漠化加劇,脆弱的自然環境與快速發展的社會經濟之間的矛盾越來越突出[21]。本文綜合分析鄂爾多斯市黃河流域旗縣自然環境條件、社會經濟發展現狀選取19項生態安全指標,采用PSR模型生態安全模型對鄂爾多斯市黃河流域各旗縣生態安全進行評價,測算出主要驅動因素并開發了生態安全預警系統,為黃河區域生態安全狀態評價、檢測和預警提供技術支撐,進而對黃河流域內蒙古段生態安全治理提供管理參考和技術應用示范。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

鄂爾多斯市位于內蒙古自治區西南部,地理位置為: E106°42′～111°27′, N37°35′～40°51′。研究區范圍如圖1所示。

圖1 研究區概況圖

鄂爾多斯市屬于典型的荒漠草原,庫布齊沙漠和毛烏素沙地分布于中部地段。礦產資源豐富,與黃河對岸的包頭市、呼和浩特市構成了內蒙古經濟最為發達的“金三角”[22]。黃河境內全長728 km,多年平均過境流量為306.2億m3,流經鄂爾多斯市4個旗縣,分別為達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗和杭錦旗,占鄂爾多斯市可利用水資源量的34.7%[23]。

1.2 數據源

本研究中使用的遙感數據是研究區2010—2020年空間分辨率為30 m×30 m的Landsat TM/OLI影像,進行幾何糾正、彩色合成和鑲嵌裁剪處理。結合遙感目視解譯的結果與實地調查的數據,對影像分類結果進行精度評價,分類精度均高于70%。根據研究的目的,將研究區的土地利用劃分為6類: 耕地、林地、草地、水體、裸地和建筑用地。社會經濟統計數據來自鄂爾多斯市統計年鑒(2010—2020年),包括研究區范圍內的綜合數據、人口、國民經濟、農牧業和工業等部分的統計數據[24]。

2 研究方法

2.1 鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全評價

PSR模型從壓力、狀態、響應3個方面描述在自然環境壓力狀態下,人類與環境的相互作用關系,可以應用到生態安全評價指標體系建設、生態安全評價技術方法研究及其在生態評估中[25]。3個基準層指標之間相互影響,體現著自然環境、人類活動以及經濟發展之間的關系。由于壓力指標變化會對社會經濟產生各種影響,促使人們采取植樹造林等一系列響應類活動,改善生態環境,同時響應類活動可以減少人類活動對生態安全造成的壓力與影響,幫助被破壞的生態環境得到恢復[26]。PSR模型將社會經濟、生態環境、人類活動(破壞性活動與恢復性活動)聯系起來,反映其間的相互作用。

結合鄂爾多斯市黃河流域旗縣社會經濟發展、產業結構、土地利用和生態保護政策等實際情況,在咨詢相關專家的基礎上,遵循科學性、可重復性、全面性、數據獲得便利性等原則,最終確定了19個評價指標構建黃河流域旗縣生態安全評價的指標體系[27-29](表1)。壓力指標表征研究區生態環境所承受的人為或自然的干擾程度,從社會發展、土地利用、資源消耗、環境承載程度等方面選出人口密度、城市面積、人均耕地面積、化肥施用強度、載畜量和沙地面積等6種指標; 狀態指標表征研究區主要在人為或自然壓力指標下呈現出的生態現狀,篩選出草地覆蓋率、森林覆蓋率、農林牧漁業產值、人均糧食量、第三產業比重和水資源涵養量等指標解釋研究區土地資源、經濟產業結構、土地資源產量現狀; 響應指標表征政府采取經濟調整、生態治理等方法來減輕、預防人類活動對環境的干擾的響應措施,分別從經濟響應及生態修復響應選出了農牧民人均純收入、單位面積農業機械總動力、固定資產投資、人均國內生產總值(gross domestic product,GDP)、水利環境資金、人工造林面積和種草面積等項指標。

表1 生態安全指標的選擇

首先,對生態安全指標進行標準化處理。正向、負向指標公式分別為:

,

(1)

,

(2)

式中:xij和yij分別為經過標準化處理前、后的第i年j種指標的值; maxj和minj分別為第j項指標的最大值和最小值。

其次,計算各指標權重。權重代表不同指標對生態安全指標建立的重要水平。為消除權重評價時的主觀影響,本研究采用熵權法[17]對指標體系的權重進行計算。

計算表征第j種指標的第i種樣本指標占比指數Fij,公式為:

。

(3)

計算第j種指標的熵值Wj,然后計算指標的信息效用價值dj,公式為:

dj=1-Wj

。

(4)

再計算第j種指標權重ej,公式為:

。

(5)

設共有n個指標,有m個子系統,各個子系統包含的指標個數分別為n1,…,nk,…,nm個,n1+…+nk+…+nm=nr,設第j項指標屬于第k個子系統。計算代表第i個樣本第k個子系統(nk項指標)的綜合測算值uik公式為:

。

(6)

最后,進行生態安全指數計算。采用生態安全綜合指數法[28]來對黃河流域旗縣生態安全進行分析,公式為:

,

(7)

,

(8)

式中:ESLm為壓力、狀態、響應3個層次的生態安全指數,為各子系統的生態安全指數(m=1,2,3);ESL為綜合生態安全指數,ESI的取值范圍為[0,1];Wj為第j項指標的權重;Wp為第p項子系統的權重。

在對鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全程度分析的基礎上,采用自然斷裂法,將生態安全程度與警度[30]劃分為5個等級(表2)。

表2 生態安全警示等級劃分

2.2 驅動因素分析

本研究結合鄂爾多斯市黃河流域旗縣社會經濟發展、產業結構和土地利用現狀等實際情況,在咨詢相關專家的基礎上,遵循科學性、可重復性、全面性、數據獲得便利性等原則分別從社會因素、自然因素、政策因素和經濟因素等層次,提出了草地面積、年均氣溫、年降水、水資源面積、林地面積、載畜率、人口數量、城市面積、城鎮化率、道路、恩格爾系數、GDP、第一產業比重、第二產業比重、第三產業比重、大型工業企業數量、生態補貼面積、人工種草面積和人工造林面積[3,31-32]等19種生態安全驅動因素。利用SPSS軟件灰色關聯度模型篩選出鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全的關鍵驅動因素。通過R語言方差分解模型分析鄂爾多斯市黃河流域旗縣社會因素、自然因素、政策因素和經濟因素層次生態安全驅動因素之間的耦合關系。

2.3 警情預測

利用2010—2020年鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全綜合指數數據,采用MATLAB數據分析軟件中的灰色預測方法[33-34],構建GM(1,1)模型,實現對研究區生態安全狀態的預測并且進一步進行小誤差概率檢驗、相對誤差檢驗和均方差比值檢驗來確定該模型的預測合理性及有效性[35]。只有通過檢驗模型才能用作合格的預測模型?；疑A測精度檢驗等級如表3所示。

表3 灰色預測精度檢驗等級

3 結果與分析

3.1 生態安全評估

鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全評價指數熵權法分析權重結果(圖2)顯示,達拉特旗PSR模型指標中沙地面積、人均GDP、人均耕地面積和載畜量等指標的權重較大,均在6%～7%之間。準格爾旗種草面積、單位面積農業機械總動力、人均GDP和沙地面積等指標的權重較大。鄂托克旗PSR模型指標中載畜量、單位面積農業機械總動力、種草面積和草地覆蓋率等指標的權重較大。杭錦旗PSR模型指標中載畜量、人均糧食量、沙地面積和人口密度等指標的權重較大。

圖2 黃河流域旗縣生態安全評價指標框架及權重

分析2010—2020年研究區生態安全評價PSR模型綜合指數法分析結果(圖3)可以看出安全指數均呈現增長趨勢,生態系統健康狀況穩定波動于臨界安全狀態,生態安全警示等級處于中警等級,說明鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態系統安全狀況穩定且得到改善。

圖3 鄂爾多斯市黃河流域各旗縣生態安全變化

2010—2013年達拉特旗生態安全指數迅速增長,2013—2020年變化不大,壓力指標逐漸降低,響應指標逐漸增長,2016年開始響應指標大于壓力指標。準格爾旗2010—2020年生態安全指數逐漸增長,安全級別波動于臨界安全狀態。響應指標大于壓力指標,表示該地區做出的響應措施高于環境壓力。鄂托克旗2010—2013年生態安全指數一直增長,2017年后回落并波動于臨界安全等級。壓力與響應指標也逐漸增加,響應指標大于壓力指標。杭錦旗2010—2013年生態安全指數呈現增長趨勢,2013年之后生態安全指數呈現下降趨勢,壓力指標逐漸下降,2017年小于響應指標。4個旗縣壓力、狀態、響應的具體變化情況如圖4所示。

(a) 達拉特旗 (b) 準格爾旗

達拉特旗耕地面積的增加等因素給區域生態環境帶來了壓力。沙地比重在一定程度上代表區域植被退化程度。達拉特旗進行造林總場生態工程的投入有效減少沙地面積,對其生態安全狀況改善效應最為明顯。準格爾旗經濟的發展導致人均GDP提升、農業現代化技術提升、對環境保護的投入力度增加,間接對生態環境改善起到了驅動作用。鄂托克旗對退耕還林、退牧還草生態工程及農業現代化技術的投入改善了區域生態安全現狀,同時畜牧業承載壓力對環境的改善具有抑制作用。杭錦旗對庫布齊沙漠的生態治理得到了一定的成效,沙地面積得到了有效控制。與此同時城市擴建和人口壓力等社會因素對生態環境帶來了人為壓力,對杭錦旗生態安全起到抑制作用。

總體來說,鄂爾多斯市黃河流域旗縣為退耕還林、退牧還草、三北防護林等重點生態工程的投入對黃河流域旗縣生態狀況改善起到關鍵作用。鄂爾多斯市森林覆蓋率從2010年的12.26%到2020年增長到27.3%,對該地區的水土流失以及生態保護起到了積極作用。雖然鄂爾多斯市生態文明建設取得了一定成效,但鄂爾多斯市“十年九旱”、2個“48%”的市情沒有得到根本上的解決,自然環境條件依舊脆弱的狀況沒有發生變化。從產業結構發展來看,鄂爾多斯市黃河流域耕地為2 267 km2,占全市的55%,全市絕大部分農業人口和農業生產活動集中在黃河流域,加上重工業發展結構的單一性、城鎮化進程中人口壓力和城市擴建等對原本就脆弱的自然生態環境造成較大壓力,使得生態安全狀態未達到理想狀態。

3.2 生態安全驅動因素分析

鄂爾多斯市黃河流域旗縣驅動因素灰色關聯度分析結果(圖5)顯示達拉特旗生態安全動態變化與區域經濟指標恩格爾系數、第三產業比重,社會指標城鎮化率、城市面積及政策指標大型工業企業數量關聯度最高。準格爾旗生態安全動態變化與區域社會指標城鎮化率、人口數量、城市面積,自然指標年均氣溫和水資源面積關聯度最高。鄂托克旗生態安全動態變化與區域自然指標林地面積、水資源面積,社會指標城市面積及經濟指標GDP和第三產業比重關聯度最高。杭錦旗生態安全動態變化與區域自然指標草地面積、水資源面積,社會指標人口數量、城鎮化率及經濟指標第三產業比重關聯度最高。

(a) 達拉特旗 (b) 準格爾旗

鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全驅動因素研究中,人口數量、城鎮化率和城市面積等社會指標極大地制約著整個地區生態系統的安全。隨著經濟發展,城市面積增多,城市化進程大大加快,人口大量增加,城鎮化率的增加給該地區的生態環境帶來巨大的人為干擾壓力。自然影響因素中,草地資源覆蓋率、水資源和載畜量影響著生態系統結構的完整性及功能穩定性,很大程度上影響著鄂爾多斯市黃河流域地區生態系統的安全。水資源是干旱地區農業發展的主要約束條件,煤炭資源開發的重要因素,對工業、農牧業的高質量發展提供優良條件[22]。經濟層面上黃河流域旗縣恩格爾系數和GDP等經濟指標與生態系統的安全呈現正相關關系,對生態環境改善具有積極作用。第三產業比重增大,經濟發展進程不斷加快,煤炭工礦企業迅速發展,在該地區的產業結構中,重工業的收益遠遠大于畜牧業和林業,使得區域社會經濟快速發展的同時生態環境面臨更大的壓力,水土流失和土地損毀等問題更加嚴重,區域自然、社會和地理條件愈加復雜,因此政府機關投入了大量的修復工程,生態獎補政策及人工造林等生態措施對于生態安全狀態惡化具有緩沖作用。

鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全驅動因素耦合關系結果(圖6)顯示政策因素的單獨貢獻率最高,為0.18。說明鄂爾多斯市近年來為退耕還林、退牧還草、三北防護林等重點生態工程的實施對研究區域生態狀況改善起到積極作用。經濟因素與政策因素的耦合貢獻最高,為0.25。其次為社會因素與自然因素的耦合貢獻率,為0.13。

圖6 鄂爾多斯市黃河流域旗縣安全驅動因素耦合關系

3.3 生態安全變化預測

利用灰色系統預測方法對2010—2020年鄂爾多斯市黃河流域各旗縣生態安全綜合指數結果進行GM(1,1)模型的構建,實現鄂爾多斯市黃河流域旗縣其后未來5 a生態安全情況的預測。鄂爾多斯市黃河流域旗縣其后未來5 a的生態安全預測結果(圖7)顯示達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗和杭錦旗生態安全呈上升趨勢?？傮w來看,黃河流域旗縣生態安全指數呈現上升并穩定發展,警度狀態波動于中警生態安全等級,表明鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全管理措施仍需加強。

圖7 各旗生態安全值模擬及預測

參照灰色預測模型精度檢驗表,達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗和杭錦旗檢驗結果(表4)相對誤差、均方差比及小誤差概率檢驗精度分布于一級、二級、三級。由此可見,模型精度較高,可以作為鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全的預測模型。

表4 灰色預測精度檢驗

4 討論

根據鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全評價結果與分析發現黃河流域旗縣生態安全狀態有所改善并保持在臨界安全等級且生態安全等級與研究區城市面積與城鎮化、人口數量等社會指標關聯度較高。這與蒙吉軍等[22]對鄂爾多斯市土地利用變化的區域生態安全評價研究及姚彤等[36]對內蒙古鄂爾多斯市城鎮化進程中土地生態安全動態評價研究的結果一致。鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全研究結果主要歸因于以下幾方面的原因:

1)注重生態建設與經濟建設的協調發展,以生態環境修復工作作為重點任務,投入大量的生態環保資金,進行封山育林、退耕還林、退牧還草等項目,取得了可觀的成績[36]。

2)改善生產結構,第三產業占比增高,減輕了區域生產過程中產生的環境污染及生態壓力問題[23]。

3)施展了小流域治理工程項目,結合生物措施與工程措施辦法,對流域水土保持進行綜合高效的治理。

4)全面改善煤炭產業高質量發展模式,提升煤炭開采技術,倡導清潔、高效、安全、智能化產業結構,促進了煤炭等自然資源的綠色、高效、集約節約利用[37]。

鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全狀態得到改善,但生態安全并未達到理想狀態。因此,鄂爾多斯市需要大力發展經濟的同時進一步增強生態保護和環境修復投資,著重減少生態污染排放,提升資源利用效率,消減經濟發展所產生的黃河流域生態環境壓力,科學建立生態安全風險防范體系。結合本研究結果提出以下政策建議:

1)林草資源對維護生態平衡、減輕生態環境負擔發揮著關鍵作用。加快實施退耕還林還草方案,增加生態獎補力度,促進建設以森林、草地為主體的區域生態安全屏障,加強防護林帶的建設。

2)城市建設與發展要注重生態環境保護,優化并升級產業結構,把控產業和資源開發超過生態環境閾值,礦采資源開發,在嚴格遵循“開發與保護并重”的原則和土地用途管制制度的前提下,改良工期、區域及方式。

3)黃河沿岸主要為灌溉農業區,優化農業結構,提高水利化程度,促進農牧業現代化發展。

4)大力宣傳黃河文化教育意義,提高民眾黃河流域生態保護意識,健全相應的法律法規,增加生態環境保護科技資金投入,提升高等院校、科技部門對黃河流域生態安全研究的重視程度。

本研究不足之處,由于統計年鑒數據獲取的可得性,統計數據是以旗為單元導致最后的結果有明顯的旗邊界。如果能夠獲得鎮、鄉和蘇木的數據,將會大大提高評價結果的空間精度,為當地的生態環境管理提供更為有效的技術支持。

5 結論

本研究以鄂爾多斯市黃河流域生態安全為出發點,在遙感技術和社會統計年鑒數據的支持下,獲取了達拉特旗、準格爾旗、鄂托克旗、杭錦旗2010—2020年11 a間的生態安全指標數據,運用熵權法確定其指標權重并基于“壓力—狀態—響應”模型構建了適合鄂爾多斯市黃河流域生態環境的生態安全評價指標框架; 再使用灰色關聯度模型分析黃河流域旗縣關鍵的生態安全驅動因素,最終建立鄂爾多斯市黃河流域生態安全預警系統。得出以下結論:

1)2010—2020年鄂爾多斯市黃河流域旗縣達拉特旗、準格爾旗和鄂托克旗生態安全綜合評價指數均呈現上升趨勢,杭錦旗生態安全指數呈先上升后下降趨勢,生態安全等級均波動于臨界安全狀態,說明該區域流域生態系統安全有所改善。

2)研究區生態安全動態變化與區域人口數量、城鎮化率、草地面積、水資源面積、恩格爾系數和第三產業比重變化有緊密聯系。

3)各旗縣生態安全預測模型結果顯示其后未來5 a該地區生態安全指數均呈現增長趨勢,說明鄂爾多斯市黃河流域旗縣生態安全逐漸改善且穩定發展。