三峡库区生态空间脆弱性时空演变特征
时间：2023-02-28 13:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王兆林, 张露洋, 钟溦懿, 陈 萌, 杨承绣, 黄丹妮
(重庆工商大学 公共管理学院, 重庆 400067)
发展中国家城镇规模无序扩张，城镇化和工业化进程不断加快等人类扰动的加剧，直接或间接地影响着区域生态空间稳定性和自我修复能力，各国生态空间脆弱性问题日益突出[1-2]。自1972年“联合国人类环境会议”首次探讨生态环境问题至今，生态脆弱性问题始终是全球密切关注的热点，各国先后提出可持续发展战略、生态文明建设、全球气候变化框架条约等策略以保护生态空间安全与稳定。21世纪以来，生态系统脆弱性问题逐渐受到国内外专家学者的关注。随着研究进程的不断推进，有关生态脆弱性的研究方法和方向逐渐多元化。模糊综合评价法[3]、主成分分析法[4]、层次分析法[5]、景观生态学法等[6]逐渐应用到生态系统脆弱性评价中。此外，随着干扰生态系统的因素逐渐增多，评价框架愈发趋于系统化与规范化，VSD(暴露度—敏感性—适应力)模型[7]、SEP(敏感性—弹性—压力)概念模型[8]、SRP(敏感性—恢复力—压力)模型[9]、PSR(压力—状态—响应)模型等[10]已成为生态评价中常用的评价指标构建模型。此外，生态系统脆弱性的研究范围更加广泛，现已涉及喀斯特地貌区[7]、湿地景观[11]、海洋生态[12]、农牧交错带[8]、矿业城市[5]、干旱地区等[13]典型脆弱区。
生态空间是具有自然属性、以提供生态服务或生态产品为主体功能的国土空间，进一步是区域除建设用地以外的一切自然或人工的植物群落、山水林田湖草等及具有绿色潜能的空间等系列生态用地，是各类生态系统存在的载体[14]。当前理论界对于生态空间的研究也仅限于空间识别[15]、三生空间的协同效应等[16]方面，对生态空间脆弱性的研究还不多见。同时有关生态空间脆弱性的研究对于“库区”这一重要自然与人类综合单元，尚未系统涉及。三峡库区是我国长江上游重要的生态屏障区，也是典型的生态脆弱区。三峡库区因其特殊的地形特征，加之移民工程的推进、社会经济的发展，使得人类活动对自然资源的破坏逐渐凸显，生态脆弱性问题越发严重。因此，研究三峡库区生态空间脆弱性问题具有理论与实践意义。在目前有关三峡库区生态环境的研究中，多数研究区域仅限于重庆段或湖北段的一个地带，对三峡库区整体的研究较少，不利于在宏观上对比库区各区(县)的生态空间脆弱性[17]。在研究内容上，学者关注生态系统脆弱性的研究[17-18]，对生态空间脆弱性的关注不够，同时相关研究多集中于有关库区消落带等生态问题的研究[18]，对三峡库区整体生态空间时空分异规律缺乏全面认识；
选取的指标大多以自然指标为主，忽略了人类活动因素，并且在时间维度上缺乏连续性[19]。在研究方法上，主要利用传统的PSR研究生态脆弱性[10,20]，而对于更为精确的VSD模型，应用不够。
基于此，本文尝试基于VSD模型分别从暴露度、敏感性和适应力3个方面，构建生态空间脆弱性评价指标体系，利用TOPSIS模型对三峡库区2005年、2010年、2015年和2018年的生态空间脆弱性进行定量评价。旨在探讨三峡库区生态空间脆弱性的时间演变规律和空间分异特征，揭示库区人类社会活动对生态空间的影响，为长江上游“共抓大保护，不搞大开发”的国土空间规划的编制提供参考。
1.1 研究区概况
三峡库区地处长江上游下段(北纬28°56′—31°44′N、东经106°16′—111°28′E)，横穿鄂中山区峡谷、川东岭谷地带、大巴山及川鄂高原交界处。涉及重庆市22个区(县)以及湖北省4个区(县)。库区地形崎岖，地貌复杂，山地和丘陵占库区总面积的95%，多为典型的喀斯特地貌区。因峡谷和盆地特殊地形的影响，库区呈现夏季高温多雨，冬季温和湿润的亚热带季风性湿润气候类型，但水热条件时空分布不均。库区年均气温为17～19℃，年降水量为1 000～1 800 mm。由于特殊的地形地貌作为生长基础，库区的植被种类丰富，以亚热带常绿阔叶林作为主要植被，亚热带常绿针叶林、灌丛、亚热带竹林等也在库区内广泛分布。2018年三峡库区常住人口2 103.02万人，人口密度为52 436.41人/km2，人均耕地面积1.92 hm2/人，森林覆盖率38%。区域土地利用以林地、耕地和草地为主，库区仍存在水土流失、地质灾害频发、水污染等系列问题。
1.2 研究方法
1.2.1 VSD模型及指标 Polsky等[21]提出的VSD(暴露度—敏感性—适应力)模型清晰地表达了人类活动与生态系统之间的关系，经常被用于生态系统评价等相关研究中[7,22]。基于该模型，本研究将生态空间分解为3个维度，分别为生态空间的暴露度、敏感性和适应力。
暴露度是反映生态系统受外界干扰或影响程度以及人类对生态系统产生负荷的指标[23]。当人类活动的剧烈扰动能够对区域生态系统产生直接或间接的负向影响时，在一定程度上就改变了生态系统的自然稳定性与生态空间的连续性，不利于区域可持续发展。即在同一生态空间下，各地区因不同强度的人类活动使生态系统受到不同强度的破坏。暴露度越高，对生态空间的干扰作用及影响程度越强，则生态空间脆弱性越高；
反之，暴露度越低，生态空间脆弱性越低。基于暴露度的内涵，结合数据可得性，本研究选择工业废水排放量、城镇生活污水排放量、城镇生活垃圾排放量、化肥施用强度、农药施用强度、人口密度、人均GDP、人均耕地面积、建设用地面积占比和土地垦殖率等10个指标，衡量库区生态空间暴露度。
敏感性是指生态系统受到自然和外部环境正向或负向的影响，对自然环境和人为扰动等的敏感程度[24]。当人类活动干扰导致自然环境遭受破坏时，生态系统问题随之产生。也表示承载生态系统空间的感知力，即在相同程度的外界胁迫和干扰下，生态系统受到外界干扰影响的难易程度。敏感性越低，说明区域遭受破坏的可能性和程度就越小，则生态空间脆弱性越低；
反之，敏感性越高，生态空间脆弱性越高。基于敏感性内涵，结合数据可得性，本研究选择NDVI、土壤侵蚀强度、森林覆盖率、坡度、地形起伏度、最高季节温度和年降水量7个指标，衡量库区生态空间敏感性。
适应力是指生态系统在受到外界干扰后，能够处理、适应胁迫，以及恢复至系统平衡状态的自我协调能力[25]。主要表现为人类面对一系列生态问题采取的应对措施和策略，以及生态空间对于外界胁迫的反馈、协调和韧性。即在生态系统偏离稳定状态后，各个地区适应外界干扰和自我恢复的能力。适应力越强，说明系统在被破坏后恢复的可能性越大，则生态空间脆弱性越低；
反之，适应力越弱，生态空间脆弱性越高。基于适应力内涵，结合数据可得性，本研究选择城镇化率、第三产业比重和生态修复用地面积比重3个指标，衡量库区生态空间适应力。
依据VSD模型，本研究结合自然资源部出台的《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南(试行)》(以下简称《技术指南》)中“双评价”的要求，结合库区实际，构建库区生态空间脆弱性评价指标体系(表1)。
1.2.2 TOPSIS模型 TOPSIS模型(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)是一种常用的在有限的方案中进行多目标决策分析的技术，是一种逼近理想解的排序方法[26]。其原理为将评价指标进行归一化处理以消除量纲的影响，并计算指标的最优解和最劣解，最后根据指标与最优、最劣解的近似程度判断指标的优劣。
(1) 对n个评价对象的m个指标构建原始矩阵，进行综合评价，并对原始矩阵进行归一化处理，获得矩阵X和Z：
(1)
(2) 由各项指标的最优解和最劣解确定最优解向量和最劣解向量：
最优解向量：
(2)
最劣解向量：
(3)
表1 三峡库区生态空间脆弱性指标体系及权重
(3) 定义各评价对象与最优解和最劣解的距离：
与最优解的距离：
(4)
与最劣解的距离：
(5)
(4) 计算各评价对象与最优值的相近度。
(6)
最后按相近度进行大小排序，Ci越大表示第i个评价对象越优。当Ci=1时，说明该评价对象各项指标均处于最优状态；
反之，当Ci=0时，说明评价对象各项指标均处于最劣状态。
在TOPSIS评价基础上，参照国内外已有的对生态脆弱性研究评价标准[4-7,9-10,17,20,27]和自然资源部出台的《技术指南》中有关生态空间评价的要求，依据三峡库区现状，将三峡库区生态空间脆弱性划分为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱5个等级(表2)。
表2 三峡库区生态空间脆弱性分级标准
1.3 数据来源及处理
表1指标体系中，C1-C10，C18-C20以区县级为单位，指标来源于2006—2019年《中国城市统计年鉴》《中国林业统计年鉴》《中国环境公报》《长江三峡工程生态与环境监测公报》《重庆统计年鉴》《宜昌市统计年鉴》《恩施州统计年鉴》和各地区环境公报统计年鉴。C11(NDVI)来自中国科学院资源环境科学与数据中心的2005年、2010年、2015年和2018年中国年度植被指数(NDVI)空间分布数据集。C12(土壤侵蚀强度)来源于地球系统科学数据共享网西南山地分中心，运用ArcGIS 10.2中的裁剪工具，得到三峡库区各区(县)1∶10万土地侵蚀等级数据。C13(森林覆盖率)来自于重庆市规划和自然资源局中的重庆市土地利用现状分类面积统计表和重庆市土地利用总体规划(2006—2020年)。C14(坡度)和C15(地形起伏度)的DEM数据来源于地理空间数据云平台，空间分辨率为30 m，C14(坡度)运用ArcGIS 10.2中的slope工具处理得到各区(县)坡度数据集。C15(地形起伏度)依据《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南(征求意见稿)4月版本》中“30 m×30 m栅格采用15×15邻域”的建议，运用ArcGIS 10.2的焦点统计工具处理得到各区(县)地形起伏度。C16(最高温季节温度)-C17(年降水量)由重庆市和湖北省及周边地区各气象站点监测的数据运用反距离加权插值法(IDW)进行空间插值。
2.1 三峡库区生态空间各维度时空演变特征
2.1.1 暴露度 从空间维度看，三峡库区生态空间暴露度，各时段总体上以重庆的主城区和渝东北的万州区为双核心向四周逐渐减弱，空间分布呈现“局部突出，四周分散”的特征(图1)。这是由于库区西部的巴南区、江北区、九龙坡区等区县的经济发展水平高、人口密度大、城市用地需求多，使得建设用地扩张加剧，耕地面积较少。为了确保农业平稳生产，这些地区粮食产量多依赖于化肥和农药[28]，农药和化肥的施用强度以及建设用地面积占比均高于其他地区。此外，重庆主城区人口密度和人均GDP高于全库区平均水平，区域人类开发活动的强度较大，对生态空间造成不利影响。同时，由于城镇人口密度大，城镇生活垃圾和生活污水排放量也较高，环境破坏现象较为严重。因此，重庆主城区及其周边生态空间暴露度较强，平均达到0.355。位于渝东北的万州区、开州区、忠县等地区多为喀斯特地貌，地形高差大，耕地种植不便，需依靠化肥和农药的施用。且万州区属于渝东北核心城市，人口密度较大，建设用地较广，城镇生活垃圾和生活污水排放量较高，致使生态空间暴露度均较强，达到0.416。位于重庆东部的巫溪县、巫山县以及湖北的巴东县、兴山县等区县耕作方式较为传统，化肥和农药施用量较低；
工业较不发达，工业废水排放量低于三峡库区平均水平；
且建设用地面积占比较小，人口密度较低，城镇生活垃圾和生活污水排放量较低，致使生态空间暴露度均较弱，仅为0.173。
图1 三峡库区生态空间暴露度分布
从时间维度来看，2005—2018年三峡库区生态空间暴露度总体上呈逐年增强的演变特征(图2)。近年来，虽然重庆和湖北积极加快转变农业发展方式，大力发展生态农业、加强环境保护与治理，倡导化肥农药施用量零增长。但由于三峡库区地形起伏大，土壤易受侵蚀，耕地细碎化严重，农业生产条件差，粮食产量的增长依旧需要依靠农药和化肥的使用。此外，自重庆直辖和长江经济带被确定为国家重大区域开发战略以来，重庆段内各区(县)受到直辖后国家政策和资源的倾斜，三峡库区各区(县)的经济发展水平呈上升的趋势，吸引大量外地人口迁入，人口密度和人均GDP增加，工业化进程加快，社会经济的快速发展致使生态环境问题愈加严峻。且由于人口的增加，导致建设用地面积占比增加，林地和耕地等生态用地随之减少，以此加剧生态空间的脆弱性。
2.1.2 敏感性 从空间维度看，三峡库区生态空间敏感性总体上呈现“东北高西南低”的趋势(图3)，渝东北地区的巫溪县、石柱土家族自治县、云阳县、巫山县、奉节县等位于库区北部的区县敏感性强度最为显著，分别为0.691，0.515，0.506，0.502，0.477。这是由于渝东北地区的巫溪县、巫山县、开州区等区县和湖北省的巴东县、秭归县、兴山县是典型的喀斯特地貌，区域坡度高、地形起伏度大。已有研究表明，随着山地城市经济的不断发展，人口不断从乡村向城镇迁入，造成多山地区出现住房紧张、用地不足等问题，城市建设用地不仅占用耕地、林地等生态用地和地势平坦的地区，还会逐步占用坡度较大的自然山体，对未来生态空间脆弱性有一定影响[25]。虽然区域植被指数和森林覆盖率相对较高，但由于这些地区均为三峡库区移民工程最为集中的区域，大量的工程活动和陡坡地区农业耕作促使其土壤侵蚀强度更为剧烈[29]，致使库区北部生态敏感性较强。而位于渝西南部沙坪坝区、江津区、北碚区等区县地势平坦，土壤条件较好，加上重工业绝大部分已迁出区内，工业废气排放量较少，致使区域生态敏感性较低，分别为0.306，0.301，0.296。此外，三峡库区内年降水量相对充沛且空间差异较小，对生态空间内植物和粮食作物等的生长具有促进作用。因此，虽然重庆主城及周边地区植被指数和森林覆盖率较低，但在多个指标的综合影响下，使其生态空间敏感性较低。
图2 2005-2018年三峡库区生态空间VSD总体变化趋势
从时间维度来看，2005—2018年三峡库区生态空间敏感性总体上呈波动上升的演变特征。在国家建设三峡库区生态屏障区战略背景下，各级政府逐渐重视长江流域的生态发展，全面控制城市污染，加强对水土流失及土壤侵蚀较严重区域的治理。同时，库区坚持“绿水青山就是金山银山”的理念，全面开展“退耕还林”工程，稳步推进植树造林工作，森林覆盖率由2005年的39.73%增加至2018年的48.63%。此外，按照“共抓大保护、不搞大开发”方针，库区注重发展绿色产业，坚决执行“长江禁渔”政策，积极改善长江流域物种的生存环境，加大企业的转型和污染治理力度等举措，均对区域生态空间敏感性的降低产生积极的影响。
图3 三峡库区生态空间敏感性分布
2.1.3 适应力 从空间维度看，三峡库区生态空间适应力总体以重庆主城区、湖北4个区县为双核心向四周减弱，呈现出“两端高，中间低”的空间分布格局(图4)。这与重庆市直辖以来快速的城市化发展密切相关，城镇化率的提升迫使重庆主城区大量开发土地，生态修复用地的规划面积不足，意味着生态空间受到外界人为干扰的程度增加，恢复至平衡程度的能力减弱，致使重庆主城区生态空间适应能力较弱，仅为0.634。湖北省的夷陵区、兴山县、巴东县、秭归县由于三峡库区移民等原因，人类活动剧烈，加上人工造林等生态修复用地较少，致使其生态空间的适应力较弱，分别为0.613，0.556，0.540，0.511。另一方面，位于库区中东部的重庆云阳县、忠县、奉节县等区县地势起伏较大等因素导致区域产业和城镇化进程缓慢，整个生态空间较为连续，生态空间的人为干预较少，因而其生态空间的自我恢复能力较强，分别为0.291，0.326，0.356。
图4 三峡库区生态空间适应力分布
从时间维度上看，2005—2018年三峡库区生态空间适应力主要呈现先减后增的趋势，生态空间在人类活动干预和社会经济发展下的自我协调恢复能力加强；
而库区西南部的重庆主城区适应能力较弱，没有明显地增加。库区进入城乡统筹发展新阶段后，产业结构转型升级加快，一产比重稳步下降，三产稳步上升，2010年库区第三产业比重均值已达41.09%，进入环境库兹尼茨曲线的拐点，环境治理投入力度逐年增大。同时居民保护环境、注重生态建设的意识逐渐加强，“退耕还林”、“退耕还草”等政策大力推进，尤其近年来一些跨区域的库区岸线重大生态修复工程的推进，有力的提升了库区生态空间的适应力。
2.2 三峡库区生态空间脆弱性时空演变特征
从空间维度看，三峡库区生态空间脆弱性总体上以重庆主城区和渝东北的万州区为双核心向四周减弱，呈现出“西高东低”的空间分布特征(图5)。生态空间极度脆弱区大多数主要分布在库区西南地区的重庆市主城区域及重庆万州。这些区域是城镇化重点区域，人类活动对生态扰动强烈，人多地少，人口容量超过土地负荷，建设用地无序扩张，导致区内森林覆盖率偏低。此外，工业化进程远超其他区域，工业废水和生活垃圾排放量的80%来源于重庆主城区、万州区、长寿区等。因此，这些地区生态脆弱程度较为严重。另一方面，位于渝东北、渝东南以及湖北巴东县、秭归县等区县虽然地形崎岖、坡度较大、土壤侵蚀较强，但受自然条件的限制，使得这些地区城镇化和工业化进程缓慢，人类活动对生态空间的扰动有限，因而这些山区森林覆盖率较高，自然环境状况优良，一定程度上增加了生态空间韧性与自我修复能力，降低了生态空间脆弱性。
图5 三峡库区生态空间脆弱性分布
从时间维度来看，2005—2018年三峡库区生态空间脆弱性总体呈现倒“倒U”变化趋势(图6—7)。2005年三峡库区生态空间脆弱程度整体较低，此阶段为库区经济发展初期，经济还未全面高速增长，人类活动干扰强度较低，植被覆盖率较高，自然环境较好，同期大部分区(县)生态空间较为优良。2010年后，随着库区城镇化和工业化进程加快，库区人口快速增长，忽视生态环境保护，使得生态环境遭受人类活动的干扰较大，加剧库区生态空间脆弱程度。也有研究表明三峡库区水位存在周期性变化，在库岸形成垂直落差为30 m的水库消落带，在一定程度上破坏库区岸边植被和土壤结构，加剧了土壤侵蚀强度，水库蓄水增长，淹没了库区岸边部分用地，加上三峡库区移民的人口，致使建设用地需求增大，进一步加剧库区生态空间脆弱性[30]。2015年后，随着国家建设库区生态屏障战略的实施，“退耕还林”等重大生态修复工程的推进，长江上游流域生态治理力度加大，使环境污染在一定程度上得到缓解，库区生态空间脆弱性逐渐降低。
图6 三峡库区生态空间脆弱性时间分布变化
(1) 三峡库区生态空间脆弱性涵盖生态空间的暴露度、敏感性及适应力三方面。暴露度越高，对生态空间的干扰作用及影响程度就越强，则生态空间脆弱性越高；
敏感性越高，所受到破坏的可能性和程度就越大，则生态空间脆弱性越高；
适应力越强，系统在被破坏后恢复的可能性就越大，则生态空间脆弱程度性越低。
图7 三峡库区生态空间脆弱性时间变化
(2) 三峡库区生态空间脆弱性具有显著的空间分布特征和时间演变规律。生态空间暴露度总体呈现以重庆的主城区(平均0.355)和渝东北的万州区(0.416)为双核心向四周逐渐减弱的分布特征；
时间上由2005年的0.235 6，增强到2018年的0.269 1，呈逐年增强的演变规律。三峡库区生态空间敏感性总体上呈现“东北高西南低”的趋势，巫溪县、石柱土家族自治县、云阳县、巫山县、奉节县等位于库区北部的区县敏感性强度最为显著，分别为0.691，0.515，0.506，0.502，0.477。渝西南部沙坪坝区、江津区、北碚区等区县生态空间敏感度较低分别为0.306，0.301，0.296。时间上，库区空间敏感性总体由2005年的0.360 7，增强到2018年的0.437 4，呈现逐年增强的演变规律。生态空间适应力总体以重庆主城区(0.634)、湖北夷陵区(0.613)、兴山县(0.556)、巴东县(0.540)、秭归县(0.511)为双核心向四周减弱，呈现出“两端高，中间低”的空间分布格局；
时间上总体呈现先减后增的趋势，由2005年的0.518 4，减少至2010年0.457 4，然后增加到2018年的0.571。
(3) 三峡库区生态空间脆弱性呈现以重庆主城区和渝东北的万州区为双核心向四周减弱的分布特征。生态空间极度脆弱区主要分布在库区西南地区的重庆市主城区域(平均0.735)及重庆万州区(平均0.814)。时间上，库区生态空间脆弱性总体呈现“倒U”的演变规律；
2005年为0.336 2年、2015年达到顶点为0.378 9年、2018年下降到0.344 2。
(4) 三峡库区生态空间脆弱性时空变化是一个动态的过程；
与人类活动强烈程度和自然条件联系紧密；
与土壤侵蚀强度、坡度、废水排放量、产业结构等自然环境和社会经济因素息息相关，同时库区生态空间具有较强的自我修复能力。
