蔣貴彥 運迎霞 任利劍/ JIANG Guiyan, YUN Yingxia, REN Lijian
城市化對自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠的影響,不同的空間尺度有不同的自然條件,不同的自然條件又決定著不同的城市生態(tài)安全水平(龔建周 等,2009)。城市地域生態(tài)系統(tǒng)的空間分異與人類活動、經(jīng)濟建設等空間地域特征決定了城市生態(tài)安全的空間格局特征(王耕 等,2005;WU J G et al.,2000;ZHANG L Q,et al.,2004;YOUNG C H,et al.,2001),城市生態(tài)安全評價是解決城市生態(tài)安全問題的關鍵(秦曉楠 等,2014;Kullenberg G et al.,2002;高長波 等,2006)。隨著《國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃2014~2020》,“絲綢之路經(jīng)濟帶”、《西部大開發(fā)“十三五”規(guī)劃》的提出,西部城市產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟規(guī)模的擴張對生態(tài)環(huán)境的壓力日益增大,自然資源和生態(tài)環(huán)境對城市發(fā)展的約束作用也越來越大,難以應對“一帶一路”、新型城鎮(zhèn)化發(fā)展中城市綜合安全需求?,F(xiàn)有研究文獻在理論與實踐上做了大量的研究工作(杜忠潮 等,2009;Evans,2010;Farhan,2012),在實證研究方面主要集中在全國和東部發(fā)達地區(qū)沿海城市(王耕 等,2015)、資源城市(王耕 等,2010)、山地城市(吳曉 等,2014)、民族地區(qū)貧困城市(張欽禮 等,2016)、城市群(楊天榮 等,2017),而對于生態(tài)地位比較重要且具有特殊性的多民族、處于新型城鎮(zhèn)化進程中的西部高原城市生態(tài)安全的關注非常有限。
青海省海東市作為青藏高原最年輕的地級城市,是蘭西經(jīng)濟帶和國家絲綢之路經(jīng)濟帶的重要城市群的核心地區(qū),在青藏高原發(fā)揮著重要的凝聚和帶動作用。隨著國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點工作的開展,海東市迎來了新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的新時期。然而,由于海東市地處青海高原東部,青藏高原與黃土高原的過渡地帶,面臨生態(tài)環(huán)境脆弱、人口生態(tài)壓力大等一系列制約因素(鄒新華 等,2013;曾永年 等,2011;曾永年 等,2014),境內(nèi)有回族、土族、撒拉族等世居少數(shù)民族,集生態(tài)功能區(qū)、民族地區(qū)和貧困地區(qū)為一體,由于經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市建設給地區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來很大威脅。因此,海東市生態(tài)安全的綜合評估和比較分析,對青藏高原城市生態(tài)安全與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展以及青海高原東部城市的生態(tài)文明建設、城市生態(tài)規(guī)劃具有十分重要的現(xiàn)實意義。
海東市位于青海省東北部,是第三批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點地區(qū)之一,也是蘭西經(jīng)濟區(qū)的重要支點和青海省經(jīng)濟社會發(fā)展的重要增長極。海東市地理坐標為 35°25.9'- 37°05'N,100°41.5'-103°04'E,面積1.304萬km2,屬半干旱大陸性氣候,高寒、干旱,太陽輻射強,晝夜溫差大,海拔在1650~4754m之間?,F(xiàn)轄兩區(qū)四縣,即樂都區(qū)、平安區(qū)、民和回族土族自治縣、互助土族自治縣、化隆回族自治縣和循化撒拉族自治縣(圖1)。
2013年,海東市總人口170.34萬人,較2003年提高了15%,全市2013年GDP為337.02萬元,是2003年的5.8倍,人均GDP為23653.00元,是2003年的6.3倍。隨著青海省“四區(qū)兩帶一線”經(jīng)濟發(fā)展布局的推進,城市人口和經(jīng)濟規(guī)模不斷擴張,區(qū)域生態(tài)風險持續(xù)增加(趙丹陽 等,2016),因此,高原地區(qū)的生態(tài)安全與城市建設問題成為高原城市規(guī)劃的重點。
研究基礎數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)兩部分。遙感數(shù)據(jù)為2003年、2008年及2013年Landsat TM衛(wèi)星影像,分辨率為30m×30m,高程、坡度數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云 ;社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2003~2013年間《青海省統(tǒng)計年鑒》《西寧統(tǒng)計年鑒》《國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報》及城市總體規(guī)劃等。以海東市6個區(qū)縣的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展兩方面20種柵格數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù),建立柵格大小為30m的生態(tài)安全評價指標空間數(shù)據(jù)庫。由于數(shù)據(jù)采集的限制,為了能最大程度地保持原始數(shù)據(jù)信息,個別缺失數(shù)據(jù)根據(jù)采用線性內(nèi)插的方式進行補充,并與周邊縣域進行對比,防止出現(xiàn)異常值。
根據(jù)地理現(xiàn)象的地帶性及生態(tài)環(huán)境的區(qū)域特點,必須考慮研究區(qū)域的特殊性(張艷芳 等,2005;何艷冰 等,2016),但是由于高原城市區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展滯后,生態(tài)安全評估指標的選擇具有較大的局限性,因此,本文依據(jù)系統(tǒng)性、空間性、實用性以及數(shù)據(jù)獲取可能性等原則,在廣泛研究國內(nèi)外城市生態(tài)評價指標體系基礎上(趙靜靜 等,2016;張家其 等,2014;趙在緒 等,2014;李輝 等,2015;曾振 等,2014),在空間信息技術和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持下,確定20項因子作為評價指標,建立P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應)框架指標體系,指標構成如下:
(1)壓力指標(P)
海東市的生態(tài)壓力主要來自于城市在發(fā)展過程中對生態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn)。東部的河湟谷地是人類活動較為頻繁的區(qū)域,是青海省城鎮(zhèn)化最高的地區(qū),因此壓力指標選擇人口密度、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、人均耕地面積、人均住房面積、路網(wǎng)密度、單位GDP的SO2排放量、單位面積化肥施用量8個指標。
(2)狀態(tài)指標(S)
地形作為構成地理環(huán)境的基本要素,是城市生態(tài)環(huán)境的重要影響因子,本文以DEM(Digital Elevation Model,數(shù)字高程模型)為數(shù)據(jù)源,提取坡度和海拔來表征區(qū)域自然環(huán)境對城市生態(tài)安全的影響;植被是生態(tài)系統(tǒng)的最重要組成部分,采用NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,歸一化植被指數(shù))和植被蓋度作為生態(tài)安全評價的必要參數(shù);海東市所處的河湟谷地集中了全省81%的耕地資源(熊曙昕,2006),因此,本文用有效灌溉面積占耕地的比重、人均糧食占有量來反映其資源環(huán)境狀態(tài)。
(3)響應指標(R)
考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性,主要選取了6個指標來反映人們對城市生態(tài)安全的保護意識及投資和保障體系的投入。包括:每千人擁有在校學生數(shù)、每千人擁有的衛(wèi)生技術人員、環(huán)保投資占GDP比、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公共綠地面積。
本研究權重確定采用AHP-熵權法相結合,賦予不同的權重值(表1)。由于高原生態(tài)安全對地形坡度、海拔等自然環(huán)境因子的依賴性,在賦予權重方面將資源環(huán)境狀態(tài)指標給予較高權重,使生態(tài)安全實際情況更符合高原地區(qū)特殊性。
海東市生態(tài)安全主要評價因子計算采用AHP-熵權法來確定評價體系中各個指標的權重,其計算方法如下:
(1)數(shù)據(jù)標準化處理
假定評價指標j的理想值為x · j,其大小因評價指標性質(zhì)不同而異。對于正向指標,x · j越大越好,記為 x · jmax;對于負向指標,x · j越小越好,記為 x · jmin;正向指標:x'ij= xij /x · jmax;負向指標:x'ij= x ·jmin/xij。
圖1 海東市地理位置示意
表 1 基于P-S-R模型的海東市生態(tài)安全評價體系與指標權重
將數(shù)據(jù)歸一化處理:
由此得數(shù)據(jù)的標準化矩陣:
(2)定義熵
在有m個指標、n個被評價對象的評估問題中,第i個指標的熵計算公式為:
(3)定義熵權
定義了第i個指標的熵之后,可得到第i個指標的熵權:
(4)綜合權重Ui的確定
Ui=(Fi+Wi) / 2 ,式中:Fi為層次分析法權重,Wi為熵權法權重。
(5)研究區(qū)生態(tài)安全評價
用綜合加權平均法(WCA),生態(tài)安全單指標數(shù)學模型為:Vi=Xi· Ui,式中:Vi為城市生態(tài)安全單項指標安全值;Xi為單項指標的安全指數(shù);Ui為指標的權重。
生態(tài)安全綜合數(shù)學模型為:V= ∑ Xi· Ui,式中:V 為生態(tài)綜合安全值;n 為評價指標總個數(shù),其他同上。
用生態(tài)安全動態(tài)度表示一定時期內(nèi)生態(tài)安全指數(shù)的變化幅度,公式為:
式中:S為生態(tài)安全動態(tài)度,Sa、Sb為研究初期和末期的生態(tài)安全指數(shù),Tb-Ta表示生態(tài)安全變化的時間間隔。
結合研究區(qū)的實際情況,在參考相關研究成果的基礎上,按自然間斷點分級法(Jenks'natural breaks)將生態(tài)安全分為5個等級,指標值越高,安全等級越高,生態(tài)環(huán)境越好,越能滿足人類生存發(fā)展需求;反之,說明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境越惡劣,人類生存發(fā)展面臨問題越多。
基于ArcGIS平臺對評價指標進行處理,將指標的空間圖層進行疊加分析,生成柵格(grid) 文件格式;利用地統(tǒng)計學分析方法,計算出實驗變異函數(shù),并運用球狀模型進行擬合檢驗,采用克里金(Kriging)插值法進行空間插值,通過查詢符合條件的柵格(Raster Calculator),根據(jù)上述指標體系和P-S-R模型框架的支持下,進行加權求和計算得出2003年、2008年和2013年3個時段海東市生態(tài)安全空間分布結果,即各指標生態(tài)安全指數(shù),得到的指標值分別對應某一等級的生態(tài)安全等級,生態(tài)安全等級由低到高為低安全區(qū)(T≤0.45)、較低安全區(qū)(0.45<T≤0.50)、中等安全區(qū)(0.50<T≤0.55)、較高安全區(qū)(0.55<T≤0.60)、高安全區(qū)(T>0.60)。
對2003年、2008年、2013年的生態(tài)安全進行時空格局分析,生成整個研究區(qū)3個時段的生態(tài)安全空間格局與演化(圖2)。
從整體看,2003年研究區(qū)生態(tài)安全呈現(xiàn)南北優(yōu)、東西劣的基本特征,內(nèi)部呈現(xiàn)東部高、西部低的態(tài)勢,其中,東北、西南地區(qū)最優(yōu);2013年生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn),但內(nèi)部差異性增大,西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的速度明顯高于東部。這10年間變化最明顯的是集中串聯(lián)著沿湟水河發(fā)展帶上的3個城鎮(zhèn),分別是主中心樂都區(qū)、副中心平安區(qū)、次中心民和縣,這里聚集了最豐富的生態(tài)元素。由于快速城市化和人口增長,建設用地面積擴張,該地區(qū)景觀類型發(fā)生了較大的變化,生態(tài)安全變化劇烈,但隨著農(nóng)牧民退耕還林(草)、大南山綠化、三北防護林、天然林保護、湟水流域生態(tài)建設等環(huán)境工程的實施,環(huán)境保護措施的提出和對環(huán)境保護資金的投入,2003~2013年期間,該區(qū)域生態(tài)安全狀況不斷提升;研究區(qū)東北、西南多數(shù)地區(qū)海拔較高,經(jīng)濟基礎薄弱,但是在植被覆蓋率、NDVI指數(shù)等方面有一定的優(yōu)勢,分布有國家級北山森林公園地質(zhì)公園、馬陰山牧場、國家級孟達自然保護區(qū)等,生態(tài)安全狀況較好。
表2 海東市不同時期生態(tài)安全等級面積及比例
對各生態(tài)安全等級不同時期對應的面積進行統(tǒng)計和分析表明,研究區(qū)各個時期各級生態(tài)安全面積變化趨勢不一(表2)。
根據(jù)表2顯示,2003~2013年間研究區(qū)不同類型等級面積均有不同程度的變化:低等級區(qū)域、較低等級區(qū)域經(jīng)歷先上升后下降的趨勢,10年間凈增加288.73 km2,占海東市總面積的2.21%;較低等級區(qū)域凈減少了1666.3 km2,占海東市總面積的12.78%;較高等級區(qū)域經(jīng)歷先下降后上升的趨勢,10年間凈增加了685.75 km2,占海東市總面積的5.26%;中等級及高等級區(qū)域的生態(tài)安全穩(wěn)步上升,分別增加了520.64 km2和45.66 km2,分別占海東市總面積的3.99%和0.35%。從以上分析可以看出,海東市在近10年期間,生態(tài)安全狀況整體呈上升趨勢。
根據(jù)上述公式分別計算6個區(qū)縣的生態(tài)安全綜合指數(shù)、安全指數(shù)變化值與生態(tài)安全動態(tài)度。由表3、表4可知,在2003~2013年間,海東市各區(qū)縣生態(tài)安全綜合指數(shù)均有不同程度的升高,由于各區(qū)縣的自然條件、經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀、區(qū)域發(fā)展方式的不同,各縣域的生態(tài)安全改善程度存在很大差異(張玉澤 等,2015;邵佳 等,2016)。
表3 基于PSR模型的海東市各縣不同時期生態(tài)安全綜合指數(shù)
表4 海東市各區(qū)縣生態(tài)安全變化值與動態(tài)度
2003~2013 年間生態(tài)安全變化最明顯的是平安區(qū),生態(tài)安全等級由低上升為較高,生態(tài)安全指數(shù)由2003年的0.4490上升至2013年為0.5809,變化值為0.1319,生態(tài)安全動態(tài)度為5.87%,為全區(qū)最高。這主要是因為隨著西寧都市圈規(guī)劃、東部城鎮(zhèn)群規(guī)劃的相繼實施,平安區(qū)相繼開始平東工業(yè)集中區(qū)、臨空綜合經(jīng)濟區(qū)、平安物流園區(qū)、平安古驛園、高原富硒特色農(nóng)業(yè)示范區(qū)、綠源生態(tài)園六大園區(qū)的建設,區(qū)域性的交通設施發(fā)展建設較快,城鎮(zhèn)綠化覆蓋率達27.80%,城鎮(zhèn)化率達到46.50%,并相繼獲得“全國文明縣城”和“省級園林縣城”稱號。該地區(qū)在這10年內(nèi)通過各種手段響應和解決環(huán)境問題的效果明顯,逐步實現(xiàn)了環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。
2003~2013 年期間生態(tài)安全指數(shù)最低的是民和縣,處于低-較低等級,生態(tài)環(huán)境壓力較大,2003~2008年變化值為-0.0775,2008~2013年變化值為0.0321,在后5年生態(tài)安全狀況有所緩解。民和縣處于蘭西經(jīng)濟帶上的區(qū)位中心,但西寧、蘭州對其輻射帶動作用較弱,故在承接西寧、蘭州的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移時并不占優(yōu)勢,被邊緣化。另外,工業(yè)生產(chǎn)給民和的生態(tài)環(huán)境帶來的負面影響較大,民和縣一直以高耗能、高排放企業(yè)居多,其中2009年單位GDP工業(yè)SO2排放量分別是青海和全國的1.1倍和2.3倍,單位GDP能耗為青海省單位GDP能耗的2.22倍,單位GDP粉塵排放量分別是青海和全國的5.5倍和22.7倍,單位GDP工業(yè)煙塵排放量分別是青海和全國的2.5倍和7.0倍,產(chǎn)業(yè)發(fā)展給環(huán)境造成巨大壓力,生態(tài)效益差。
樂都區(qū)在10年期間生態(tài)安全穩(wěn)步增長,生態(tài)安全等級由中等上升為較高,2008~2013年變化值為全區(qū)第二,生態(tài)安全動態(tài)度為2.09%,高于2003~2008年,這說明樂都區(qū)后5年經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境狀況的協(xié)調(diào)度較高。樂都區(qū)位于海東市所轄六縣的地理中心,隨著青海東部城市群的區(qū)域格局和發(fā)展條件的變化,其區(qū)位優(yōu)勢日益明顯。該地區(qū)海拔低,氣候條件優(yōu)越,人口數(shù)量也居海東市之首,是青海省重要的歷史文化、旅游服務型城鎮(zhèn)及蔬菜生產(chǎn)基地,隨著蘭西高速公路的通車和109國道過境,樂都區(qū)將成為蘭西經(jīng)濟帶上的新增長極和經(jīng)濟臺地。因此,依托經(jīng)濟、人口與城市化、區(qū)位交通、環(huán)境支撐等方面的優(yōu)勢,該區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)和資源、環(huán)境保護狀態(tài)較穩(wěn)定,朝著生態(tài)健康的方向發(fā)展。
互助縣、化隆縣、循化縣生態(tài)安全等級較高,其中互助縣是海東市生態(tài)安全最優(yōu)的地區(qū),2003~2013年期間生態(tài)安全狀況較穩(wěn)定,處于較高-高等級,變化值為0.0299,排名第三?;ブh是青海重要的農(nóng)業(yè)基地,擁有北山國家森林公園和南門峽林場,全縣森林覆蓋率為34%,居海東市第一。化隆縣、循化縣生態(tài)安全上升幅度較小,處于高-較高等級,生態(tài)安全動態(tài)度分別為0.04%、0.06%,兩縣是黃河上游重要的節(jié)點城鎮(zhèn),其中化隆縣群科鎮(zhèn)被列入沿黃城鎮(zhèn)經(jīng)濟帶的重點鎮(zhèn),依托地方特色農(nóng)牧產(chǎn)品為對象的食品加工業(yè)以及以坎布拉國家森林公園和地質(zhì)公園為核心資源的旅游業(yè),已成為化隆縣經(jīng)濟發(fā)展的優(yōu)勢。此外,化隆縣的“拉面經(jīng)濟”已經(jīng)在全國形成規(guī)模,在沿黃經(jīng)濟帶上臨近城鎮(zhèn)的GDP總量比重位居首位;循化縣境內(nèi)山高溝深,水利資源豐富,有孟達國家級自然保護區(qū),旅游資源豐富,且人為活動對地區(qū)的開發(fā)利用少?;】h和循化縣人均GDP、居民消費水平、城市化率等指標都較落后,但在單位GDP工業(yè)SO2排放量、植被蓋度、人均公共綠地面積比例等方面有一定優(yōu)勢,這使得其生態(tài)安全等級較高。
本文基于GIS-PSR模型框架,以海東市三期Landsat TM影像和地區(qū)社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,構建了基于30m柵格尺度的生態(tài)安全評價指標體系,通過定量分析揭示了海東市的生態(tài)安全狀況及時空演變,結果顯示近10年海東市生態(tài)安全狀況總體呈上升趨勢,這表明該時期內(nèi)海東市在社會經(jīng)濟發(fā)展的同時,生態(tài)環(huán)境整體狀況逐步好轉(zhuǎn),該結論與近年來生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢相符,該分析也為地區(qū)城市規(guī)劃、土地利用規(guī)劃以及環(huán)境保護規(guī)劃提供了有力支撐。
通過對海東市各區(qū)縣的綜合分析,可以看出研究區(qū)內(nèi)中部城鎮(zhèn)中心區(qū)城市快速擴張導致生態(tài)安全指數(shù)較低,但由于城市規(guī)劃趨于合理化使得東西方向上的平安區(qū)、樂都區(qū)生態(tài)安全狀況趨向好轉(zhuǎn),兩區(qū)的規(guī)劃對生態(tài)安全總體發(fā)揮了很大的正作用,但在推進新型城鎮(zhèn)化建設過程中,區(qū)域生態(tài)安全風險仍然存在,今后要積極推進縣域經(jīng)濟結構調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(張宇 等,2017),提高區(qū)域生態(tài)安全等級的升值空間。
對于生態(tài)安全波動較大的縣域,應按照PSR模型中壓力、狀態(tài)及響應指標來調(diào)控生態(tài)安全水平,通過建設重點鎮(zhèn)的環(huán)境基礎設施,解決生態(tài)壓力問題,通過改善區(qū)域資源環(huán)境狀態(tài)、實施生態(tài)縣的建設,提高區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量及環(huán)境承載力,通過提高技術、科研水平,加強生態(tài)工業(yè)和服務業(yè)的發(fā)展,提升群眾的環(huán)保意識來增加社會環(huán)境的響應水平。
城市生態(tài)安全是一個動態(tài)變化系統(tǒng),本文所提出的結果為青海東部河湟谷地城鎮(zhèn)生態(tài)規(guī)劃起到一定的積極指導作用。今后有待結合青海新型城鎮(zhèn)化的階段性發(fā)展對其進行后續(xù)跟蹤研究,以及對鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村鎮(zhèn)等微觀區(qū)域進行相關的分析工作,使研究結論更有針對性和實踐指導意義。
注釋
① 數(shù)據(jù)來源:http://www.gscloud.cn/.