鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全评价

刘晓民, 阿木古楞, 杨耀天,3, 刘勇

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特 010018; 2.内蒙古黄河生态研究院,呼和浩特 010020; 3.黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理协同创新中心,呼和浩特 010018; 4.鄂尔多斯市水利事业发展中心,鄂尔多斯 017000)

0 引言

黄河流域是中华文明的根基,也是经济发展与生态保护的关键地带。随着社会经济快速发展,高强度的资源利用与承载,使黄河流域生态安全问题日益突出[1]。2019年召开的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上,习近平总书记明确指出: “黄河流域生态保护和高质量发展,同京津冀协同发展、长江经济带发展、粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展一样,是重大国家战略。”[2]。因此评价黄河流域地区生态安全现状并进行预警研究对促进黄河流域生态文明建设,实现区域可持续高质量发展具有重大意义。

生态安全研究具有显著的空间差异性与聚合性特征[3],应根据生态系统的不同构建不同的生态安全模型框架,包括土地生态安全[4]、耕地生态安全[5]、湿地生态安全[6]、流域生态安全[7]等。现有的生态安全研究尺度主要包括城市群[8]、省级[9]、市级[10]、乡镇级[11]等范围,对于旗县的小区域研究还处于起步阶段。因此,在旗县尺度上以流域为单元利用地理信息系统和遥感技术进行生态安全评价并分析流域生态安全驱动因素亟需深入研究。

生态安全评价研究中构建指标框架和选定评价方法是关键内容。首先,生态安全评价模型有“压力—状态—响应”(press-state-response,PSR)模型[12]及扩展版“驱动力—压力—状态—影响—响应”(driving force-press-state-impact-response,DPSIR)模型[13]、“驱动力—压力—状态—响应”(driving force-press-state-response,DPSR)模型[14]、也有不同维度构成的自然—经济—社会(nature-economic-society,NES)模型[15]和经济—环境—社会(economic-environment-society,EES)模型[16]等。其中国际经济合作与发展组织提出的PSR模型是生态安全评价研究中应用最为普遍的框架模型。我国关于评价生态安全的方法包括景观模型法、生态模型法、数学模型法及数字地面模型法[17]。生态安全主要驱动因素分析研究是解决生态安全问题的重要步骤。生态安全驱动因素研究中发现生态安全在不同时空范围内的变化规律主要受2方面因素的影响,一方面是以自然因素为主的结构性因素[18]; 另一方面是以人类社会经济因素为主的非结构性因素,表征人类活动对生态环境的干扰性[19]。呙亚玲等[20]利用灰色关联度方法对洞庭湖区生态安全的主要影响因素进行了初步分析发现面临的主要问题为水资源短缺、人口密度和产业结构不合理。

内蒙古自治区鄂尔多斯市位于黄河流域中上游段,属于典型的农牧交错区、国家重要的能源储备基地和输出基地。近年来,经济飞速发展,同时由于资源过度利用、工业结构重型化且单一化严重等因素导致水土流失和荒漠化加剧,脆弱的自然环境与快速发展的社会经济之间的矛盾越来越突出[21]。本文综合分析鄂尔多斯市黄河流域旗县自然环境条件、社会经济发展现状选取19项生态安全指标,采用PSR模型生态安全模型对鄂尔多斯市黄河流域各旗县生态安全进行评价,测算出主要驱动因素并开发了生态安全预警系统,为黄河区域生态安全状态评价、检测和预警提供技术支撑,进而对黄河流域内蒙古段生态安全治理提供管理参考和技术应用示范。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古自治区西南部,地理位置为: E106°42′～111°27′, N37°35′～40°51′。研究区范围如图1所示。

图1 研究区概况图

鄂尔多斯市属于典型的荒漠草原,库布齐沙漠和毛乌素沙地分布于中部地段。矿产资源丰富,与黄河对岸的包头市、呼和浩特市构成了内蒙古经济最为发达的“金三角”[22]。黄河境内全长728 km,多年平均过境流量为306.2亿m3,流经鄂尔多斯市4个旗县,分别为达拉特旗、准格尔旗、鄂托克旗和杭锦旗,占鄂尔多斯市可利用水资源量的34.7%[23]。

1.2 数据源

本研究中使用的遥感数据是研究区2010—2020年空间分辨率为30 m×30 m的Landsat TM/OLI影像,进行几何纠正、彩色合成和镶嵌裁剪处理。结合遥感目视解译的结果与实地调查的数据,对影像分类结果进行精度评价,分类精度均高于70%。根据研究的目的,将研究区的土地利用划分为6类: 耕地、林地、草地、水体、裸地和建筑用地。社会经济统计数据来自鄂尔多斯市统计年鉴(2010—2020年),包括研究区范围内的综合数据、人口、国民经济、农牧业和工业等部分的统计数据[24]。

2 研究方法

2.1 鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全评价

PSR模型从压力、状态、响应3个方面描述在自然环境压力状态下,人类与环境的相互作用关系,可以应用到生态安全评价指标体系建设、生态安全评价技术方法研究及其在生态评估中[25]。3个基准层指标之间相互影响,体现着自然环境、人类活动以及经济发展之间的关系。由于压力指标变化会对社会经济产生各种影响,促使人们采取植树造林等一系列响应类活动,改善生态环境,同时响应类活动可以减少人类活动对生态安全造成的压力与影响,帮助被破坏的生态环境得到恢复[26]。PSR模型将社会经济、生态环境、人类活动(破坏性活动与恢复性活动)联系起来,反映其间的相互作用。

结合鄂尔多斯市黄河流域旗县社会经济发展、产业结构、土地利用和生态保护政策等实际情况,在咨询相关专家的基础上,遵循科学性、可重复性、全面性、数据获得便利性等原则,最终确定了19个评价指标构建黄河流域旗县生态安全评价的指标体系[27-29](表1)。压力指标表征研究区生态环境所承受的人为或自然的干扰程度,从社会发展、土地利用、资源消耗、环境承载程度等方面选出人口密度、城市面积、人均耕地面积、化肥施用强度、载畜量和沙地面积等6种指标; 状态指标表征研究区主要在人为或自然压力指标下呈现出的生态现状,筛选出草地覆盖率、森林覆盖率、农林牧渔业产值、人均粮食量、第三产业比重和水资源涵养量等指标解释研究区土地资源、经济产业结构、土地资源产量现状; 响应指标表征政府采取经济调整、生态治理等方法来减轻、预防人类活动对环境的干扰的响应措施,分别从经济响应及生态修复响应选出了农牧民人均纯收入、单位面积农业机械总动力、固定资产投资、人均国内生产总值(gross domestic product,GDP)、水利环境资金、人工造林面积和种草面积等项指标。

表1 生态安全指标的选择

首先,对生态安全指标进行标准化处理。正向、负向指标公式分别为:

,

(1)

,

(2)

式中:xij和yij分别为经过标准化处理前、后的第i年j种指标的值; maxj和minj分别为第j项指标的最大值和最小值。

其次,计算各指标权重。权重代表不同指标对生态安全指标建立的重要水平。为消除权重评价时的主观影响,本研究采用熵权法[17]对指标体系的权重进行计算。

计算表征第j种指标的第i种样本指标占比指数Fij,公式为:

。

(3)

计算第j种指标的熵值Wj,然后计算指标的信息效用价值dj,公式为:

dj=1-Wj

。

(4)

再计算第j种指标权重ej,公式为:

。

(5)

设共有n个指标,有m个子系统,各个子系统包含的指标个数分别为n1,…,nk,…,nm个,n1+…+nk+…+nm=nr,设第j项指标属于第k个子系统。计算代表第i个样本第k个子系统(nk项指标)的综合测算值uik公式为:

。

(6)

最后,进行生态安全指数计算。采用生态安全综合指数法[28]来对黄河流域旗县生态安全进行分析,公式为:

,

(7)

,

(8)

式中:ESLm为压力、状态、响应3个层次的生态安全指数,为各子系统的生态安全指数(m=1,2,3);ESL为综合生态安全指数,ESI的取值范围为[0,1];Wj为第j项指标的权重;Wp为第p项子系统的权重。

在对鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全程度分析的基础上,采用自然断裂法,将生态安全程度与警度[30]划分为5个等级(表2)。

表2 生态安全警示等级划分

2.2 驱动因素分析

本研究结合鄂尔多斯市黄河流域旗县社会经济发展、产业结构和土地利用现状等实际情况,在咨询相关专家的基础上,遵循科学性、可重复性、全面性、数据获得便利性等原则分别从社会因素、自然因素、政策因素和经济因素等层次,提出了草地面积、年均气温、年降水、水资源面积、林地面积、载畜率、人口数量、城市面积、城镇化率、道路、恩格尔系数、GDP、第一产业比重、第二产业比重、第三产业比重、大型工业企业数量、生态补贴面积、人工种草面积和人工造林面积[3,31-32]等19种生态安全驱动因素。利用SPSS软件灰色关联度模型筛选出鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全的关键驱动因素。通过R语言方差分解模型分析鄂尔多斯市黄河流域旗县社会因素、自然因素、政策因素和经济因素层次生态安全驱动因素之间的耦合关系。

2.3 警情预测

利用2010—2020年鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全综合指数数据,采用MATLAB数据分析软件中的灰色预测方法[33-34],构建GM(1,1)模型,实现对研究区生态安全状态的预测并且进一步进行小误差概率检验、相对误差检验和均方差比值检验来确定该模型的预测合理性及有效性[35]。只有通过检验模型才能用作合格的预测模型。灰色预测精度检验等级如表3所示。

表3 灰色预测精度检验等级

3 结果与分析

3.1 生态安全评估

鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全评价指数熵权法分析权重结果(图2)显示,达拉特旗PSR模型指标中沙地面积、人均GDP、人均耕地面积和载畜量等指标的权重较大,均在6%～7%之间。准格尔旗种草面积、单位面积农业机械总动力、人均GDP和沙地面积等指标的权重较大。鄂托克旗PSR模型指标中载畜量、单位面积农业机械总动力、种草面积和草地覆盖率等指标的权重较大。杭锦旗PSR模型指标中载畜量、人均粮食量、沙地面积和人口密度等指标的权重较大。

图2 黄河流域旗县生态安全评价指标框架及权重

分析2010—2020年研究区生态安全评价PSR模型综合指数法分析结果(图3)可以看出安全指数均呈现增长趋势,生态系统健康状况稳定波动于临界安全状态,生态安全警示等级处于中警等级,说明鄂尔多斯市黄河流域旗县生态系统安全状况稳定且得到改善。

图3 鄂尔多斯市黄河流域各旗县生态安全变化

2010—2013年达拉特旗生态安全指数迅速增长,2013—2020年变化不大,压力指标逐渐降低,响应指标逐渐增长,2016年开始响应指标大于压力指标。准格尔旗2010—2020年生态安全指数逐渐增长,安全级别波动于临界安全状态。响应指标大于压力指标,表示该地区做出的响应措施高于环境压力。鄂托克旗2010—2013年生态安全指数一直增长,2017年后回落并波动于临界安全等级。压力与响应指标也逐渐增加,响应指标大于压力指标。杭锦旗2010—2013年生态安全指数呈现增长趋势,2013年之后生态安全指数呈现下降趋势,压力指标逐渐下降,2017年小于响应指标。4个旗县压力、状态、响应的具体变化情况如图4所示。

(a) 达拉特旗 (b) 准格尔旗

达拉特旗耕地面积的增加等因素给区域生态环境带来了压力。沙地比重在一定程度上代表区域植被退化程度。达拉特旗进行造林总场生态工程的投入有效减少沙地面积,对其生态安全状况改善效应最为明显。准格尔旗经济的发展导致人均GDP提升、农业现代化技术提升、对环境保护的投入力度增加,间接对生态环境改善起到了驱动作用。鄂托克旗对退耕还林、退牧还草生态工程及农业现代化技术的投入改善了区域生态安全现状,同时畜牧业承载压力对环境的改善具有抑制作用。杭锦旗对库布齐沙漠的生态治理得到了一定的成效,沙地面积得到了有效控制。与此同时城市扩建和人口压力等社会因素对生态环境带来了人为压力,对杭锦旗生态安全起到抑制作用。

总体来说,鄂尔多斯市黄河流域旗县为退耕还林、退牧还草、三北防护林等重点生态工程的投入对黄河流域旗县生态状况改善起到关键作用。鄂尔多斯市森林覆盖率从2010年的12.26%到2020年增长到27.3%,对该地区的水土流失以及生态保护起到了积极作用。虽然鄂尔多斯市生态文明建设取得了一定成效,但鄂尔多斯市“十年九旱”、2个“48%”的市情没有得到根本上的解决,自然环境条件依旧脆弱的状况没有发生变化。从产业结构发展来看,鄂尔多斯市黄河流域耕地为2 267 km2,占全市的55%,全市绝大部分农业人口和农业生产活动集中在黄河流域,加上重工业发展结构的单一性、城镇化进程中人口压力和城市扩建等对原本就脆弱的自然生态环境造成较大压力,使得生态安全状态未达到理想状态。

3.2 生态安全驱动因素分析

鄂尔多斯市黄河流域旗县驱动因素灰色关联度分析结果(图5)显示达拉特旗生态安全动态变化与区域经济指标恩格尔系数、第三产业比重,社会指标城镇化率、城市面积及政策指标大型工业企业数量关联度最高。准格尔旗生态安全动态变化与区域社会指标城镇化率、人口数量、城市面积,自然指标年均气温和水资源面积关联度最高。鄂托克旗生态安全动态变化与区域自然指标林地面积、水资源面积,社会指标城市面积及经济指标GDP和第三产业比重关联度最高。杭锦旗生态安全动态变化与区域自然指标草地面积、水资源面积,社会指标人口数量、城镇化率及经济指标第三产业比重关联度最高。

(a) 达拉特旗 (b) 准格尔旗

鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全驱动因素研究中,人口数量、城镇化率和城市面积等社会指标极大地制约着整个地区生态系统的安全。随着经济发展,城市面积增多,城市化进程大大加快,人口大量增加,城镇化率的增加给该地区的生态环境带来巨大的人为干扰压力。自然影响因素中,草地资源覆盖率、水资源和载畜量影响着生态系统结构的完整性及功能稳定性,很大程度上影响着鄂尔多斯市黄河流域地区生态系统的安全。水资源是干旱地区农业发展的主要约束条件,煤炭资源开发的重要因素,对工业、农牧业的高质量发展提供优良条件[22]。经济层面上黄河流域旗县恩格尔系数和GDP等经济指标与生态系统的安全呈现正相关关系,对生态环境改善具有积极作用。第三产业比重增大,经济发展进程不断加快,煤炭工矿企业迅速发展,在该地区的产业结构中,重工业的收益远远大于畜牧业和林业,使得区域社会经济快速发展的同时生态环境面临更大的压力,水土流失和土地损毁等问题更加严重,区域自然、社会和地理条件愈加复杂,因此政府机关投入了大量的修复工程,生态奖补政策及人工造林等生态措施对于生态安全状态恶化具有缓冲作用。

鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全驱动因素耦合关系结果(图6)显示政策因素的单独贡献率最高,为0.18。说明鄂尔多斯市近年来为退耕还林、退牧还草、三北防护林等重点生态工程的实施对研究区域生态状况改善起到积极作用。经济因素与政策因素的耦合贡献最高,为0.25。其次为社会因素与自然因素的耦合贡献率,为0.13。

图6 鄂尔多斯市黄河流域旗县安全驱动因素耦合关系

3.3 生态安全变化预测

利用灰色系统预测方法对2010—2020年鄂尔多斯市黄河流域各旗县生态安全综合指数结果进行GM(1,1)模型的构建,实现鄂尔多斯市黄河流域旗县其后未来5 a生态安全情况的预测。鄂尔多斯市黄河流域旗县其后未来5 a的生态安全预测结果(图7)显示达拉特旗、准格尔旗、鄂托克旗和杭锦旗生态安全呈上升趋势。总体来看,黄河流域旗县生态安全指数呈现上升并稳定发展,警度状态波动于中警生态安全等级,表明鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全管理措施仍需加强。

图7 各旗生态安全值模拟及预测

参照灰色预测模型精度检验表,达拉特旗、准格尔旗、鄂托克旗和杭锦旗检验结果(表4)相对误差、均方差比及小误差概率检验精度分布于一级、二级、三级。由此可见,模型精度较高,可以作为鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全的预测模型。

表4 灰色预测精度检验

4 讨论

根据鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全评价结果与分析发现黄河流域旗县生态安全状态有所改善并保持在临界安全等级且生态安全等级与研究区城市面积与城镇化、人口数量等社会指标关联度较高。这与蒙吉军等[22]对鄂尔多斯市土地利用变化的区域生态安全评价研究及姚彤等[36]对内蒙古鄂尔多斯市城镇化进程中土地生态安全动态评价研究的结果一致。鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全研究结果主要归因于以下几方面的原因:

1)注重生态建设与经济建设的协调发展,以生态环境修复工作作为重点任务,投入大量的生态环保资金,进行封山育林、退耕还林、退牧还草等项目,取得了可观的成绩[36]。

2)改善生产结构,第三产业占比增高,减轻了区域生产过程中产生的环境污染及生态压力问题[23]。

3)施展了小流域治理工程项目,结合生物措施与工程措施办法,对流域水土保持进行综合高效的治理。

4)全面改善煤炭产业高质量发展模式,提升煤炭开采技术,倡导清洁、高效、安全、智能化产业结构,促进了煤炭等自然资源的绿色、高效、集约节约利用[37]。

鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全状态得到改善,但生态安全并未达到理想状态。因此,鄂尔多斯市需要大力发展经济的同时进一步增强生态保护和环境修复投资,着重减少生态污染排放,提升资源利用效率,消减经济发展所产生的黄河流域生态环境压力,科学建立生态安全风险防范体系。结合本研究结果提出以下政策建议:

1)林草资源对维护生态平衡、减轻生态环境负担发挥着关键作用。加快实施退耕还林还草方案,增加生态奖补力度,促进建设以森林、草地为主体的区域生态安全屏障,加强防护林带的建设。

2)城市建设与发展要注重生态环境保护,优化并升级产业结构,把控产业和资源开发超过生态环境阈值,矿采资源开发,在严格遵循“开发与保护并重”的原则和土地用途管制制度的前提下,改良工期、区域及方式。

3)黄河沿岸主要为灌溉农业区,优化农业结构,提高水利化程度,促进农牧业现代化发展。

4)大力宣传黄河文化教育意义,提高民众黄河流域生态保护意识,健全相应的法律法规,增加生态环境保护科技资金投入,提升高等院校、科技部门对黄河流域生态安全研究的重视程度。

本研究不足之处,由于统计年鉴数据获取的可得性,统计数据是以旗为单元导致最后的结果有明显的旗边界。如果能够获得镇、乡和苏木的数据,将会大大提高评价结果的空间精度,为当地的生态环境管理提供更为有效的技术支持。

5 结论

本研究以鄂尔多斯市黄河流域生态安全为出发点,在遥感技术和社会统计年鉴数据的支持下,获取了达拉特旗、准格尔旗、鄂托克旗、杭锦旗2010—2020年11 a间的生态安全指标数据,运用熵权法确定其指标权重并基于“压力—状态—响应”模型构建了适合鄂尔多斯市黄河流域生态环境的生态安全评价指标框架; 再使用灰色关联度模型分析黄河流域旗县关键的生态安全驱动因素,最终建立鄂尔多斯市黄河流域生态安全预警系统。得出以下结论:

1)2010—2020年鄂尔多斯市黄河流域旗县达拉特旗、准格尔旗和鄂托克旗生态安全综合评价指数均呈现上升趋势,杭锦旗生态安全指数呈先上升后下降趋势,生态安全等级均波动于临界安全状态,说明该区域流域生态系统安全有所改善。

2)研究区生态安全动态变化与区域人口数量、城镇化率、草地面积、水资源面积、恩格尔系数和第三产业比重变化有紧密联系。

3)各旗县生态安全预测模型结果显示其后未来5 a该地区生态安全指数均呈现增长趋势,说明鄂尔多斯市黄河流域旗县生态安全逐渐改善且稳定发展。