李 綏

吳尚遇

石鐵矛

周詩文

周雪軻

中國礦產(chǎn)資源總量豐富，礦業(yè)開采活動在極大促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也給礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)帶來了強(qiáng)烈擾動，導(dǎo)致產(chǎn)生多種類型的生態(tài)風(fēng)險。礦業(yè)開采引發(fā)了土地?fù)p毀、植被破壞，以及土壤、空氣和水體污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題，多種直接、間接生態(tài)風(fēng)險的耦合作用，使礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)復(fù)合性特征。如何理清多種風(fēng)險源、風(fēng)險受體及相互間的作用關(guān)系，明晰生態(tài)風(fēng)險多要素的時空動態(tài)變化，是科學(xué)干預(yù)生態(tài)風(fēng)險過程的基本前提。然而，礦業(yè)生態(tài)風(fēng)險的復(fù)雜性和動態(tài)性增加了認(rèn)識和把握生態(tài)風(fēng)險過程的難度[1]，從礦區(qū)的生態(tài)過程出發(fā)，對主導(dǎo)生態(tài)過程所產(chǎn)生的多種風(fēng)險表征進(jìn)行剝離[2]，識別生態(tài)風(fēng)險要素的傳遞過程和特征污染物的遷移途徑[3]，能為深入探索空間格局對生態(tài)風(fēng)險的影響機(jī)制及建立具有針對性的規(guī)劃應(yīng)對方法提供一種新的思路。

當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用于礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價研究主要分為2類：區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價與景觀生態(tài)風(fēng)險評價。區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價側(cè)重在區(qū)域尺度上描述環(huán)境污染、人為活動或自然災(zāi)害等不同風(fēng)險源對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利作用和潛在危害的可能性[4]。對區(qū)域尺度的確定和對風(fēng)險影響邊界范圍(風(fēng)險區(qū))的識別非常重要，目前多依據(jù)流域邊界、土地利用類型和行政單元等[5-6]，通過對特征污染物的樣本測試與空間插值等方法劃定風(fēng)險源區(qū)的污染面域范圍。但是，目前對于污染風(fēng)險輸出路徑識別的研究較少，僅有如陳裕嬋等開展了建設(shè)用地與農(nóng)田非點源污染風(fēng)險路徑識別的相關(guān)研究[7]。景觀生態(tài)風(fēng)險評價側(cè)重從景觀要素鑲嵌、景觀格局演變和景觀生態(tài)過程入手，通過分析它們對于內(nèi)在風(fēng)險源和外部干擾的響應(yīng)，判定或預(yù)測景觀受到的脅迫作用[2]。景觀生態(tài)風(fēng)險評價更加強(qiáng)調(diào)景觀格局對于生態(tài)過程或功能的影響，注重對特定空間格局下的風(fēng)險過程表達(dá)，已形成了描述風(fēng)險擴(kuò)展中的累積阻力面分布、重要廊道與節(jié)點識別等系統(tǒng)方法[8-9]。由于礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險具有風(fēng)險源多樣、風(fēng)險區(qū)邊界模糊及風(fēng)險等級隨空間距離衰減性強(qiáng)的特征[10]，因此需要結(jié)合區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價和景觀生態(tài)風(fēng)險評價的各自優(yōu)勢，根據(jù)風(fēng)險種類明確風(fēng)險的源、匯空間及風(fēng)險區(qū)邊界范圍，明晰風(fēng)險過程與空間路徑。由以上風(fēng)險評價研究結(jié)果可見，為精確描述礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的空間特征，需要加強(qiáng)以下2個方面的研究：1)采礦區(qū)特征污染物影響范圍的風(fēng)險區(qū)劃定，需要充分考慮影響污染物遷移輸出過程的地形、水文等外部影響因子；2)非點源污染的風(fēng)險路徑識別，需要結(jié)合生態(tài)過程探究特征污染物遷移形成的線狀風(fēng)險路徑。此外，由于生態(tài)風(fēng)險評價研究更多停留在理論研究層面，因此須加強(qiáng)以實踐為目標(biāo)導(dǎo)向的風(fēng)險干預(yù)與調(diào)控的應(yīng)用性研究[10]。

礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價研究為風(fēng)險干預(yù)的機(jī)理探索與調(diào)控方法擴(kuò)展提供了必要條件。隨著對全球氣候變化的重視和生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，生態(tài)風(fēng)險干預(yù)與調(diào)控的應(yīng)用性導(dǎo)向研究逐漸興起。緣起于McHarg的基于生態(tài)適宜性的千層餅疊加[11]、Forman的景觀格局整體性優(yōu)化[12]、Odum的以系統(tǒng)論思想為基礎(chǔ)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略[13]等理論與方法，為從生態(tài)格局優(yōu)化途徑應(yīng)對生態(tài)風(fēng)險構(gòu)建了較為完善的理論與技術(shù)框架。近年來，城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)與地理學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)者從不同視角為礦業(yè)城市的生態(tài)格局優(yōu)化提供了研究范式。邢春暉等通過生態(tài)敏感性與生態(tài)干擾度分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險評價，建立了應(yīng)對生態(tài)風(fēng)險的景觀格局修復(fù)方法，并在礦業(yè)城市太原市進(jìn)行了實證應(yīng)用[14]；肖華斌等對濟(jì)南市西部新城山體進(jìn)行多時期的生態(tài)風(fēng)險動態(tài)評價與植被覆蓋動態(tài)分析，識別區(qū)域內(nèi)重要的高生態(tài)風(fēng)險點，從生態(tài)過程完整性角度構(gòu)建了山體修復(fù)空間體系與生態(tài)保護(hù)格局[15]；李濤等為反映生態(tài)源地間不同物種的遷移和擴(kuò)散過程，利用生境質(zhì)量模型篩選生態(tài)源地與廊道，劃定了衡陽市生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域，構(gòu)建了基于電路理論的生物保護(hù)格局方法[16]；唐榮彬等系統(tǒng)研究了生態(tài)關(guān)鍵地段對采礦干擾擴(kuò)散的阻力構(gòu)成和運作機(jī)理，以典型的礦業(yè)城市大冶市為例，通過識別和優(yōu)化生態(tài)關(guān)鍵地段布局，生成了礦業(yè)城市的生態(tài)安全對策[17]。以上研究呈現(xiàn)出如下共性趨勢與特征：1)重視礦業(yè)生態(tài)風(fēng)險的形成過程，通過多種方法描述生態(tài)風(fēng)險的源、匯過程及其在景觀格局中的表征；2)重視生態(tài)格局中不同景觀斑塊對生態(tài)風(fēng)險擴(kuò)散阻力的作用機(jī)制，通過景觀斑塊結(jié)構(gòu)與組分優(yōu)化實現(xiàn)對風(fēng)險過程的調(diào)控。以上分別從“過程”與“格局”視角進(jìn)行的范式研究，將生態(tài)治理、修復(fù)等具體風(fēng)險干預(yù)措施與風(fēng)險評價結(jié)果形成了緊密的邏輯關(guān)聯(lián)，為生態(tài)風(fēng)險干預(yù)措施提供了科學(xué)性保障，并使生態(tài)風(fēng)險干預(yù)的預(yù)期效應(yīng)評估成為可能。

綜上，本文從生態(tài)過程與空間格局耦合關(guān)聯(lián)性出發(fā)，對典型風(fēng)險的主導(dǎo)生態(tài)過程進(jìn)行分析，明確典型風(fēng)險的源、匯空間，采用最小累積阻力模型，定量表征風(fēng)險在區(qū)域空間單元的生態(tài)流傳遞過程，識別非點源污染風(fēng)險區(qū)及污染物遷移的風(fēng)險路徑，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間網(wǎng)絡(luò)，并對生態(tài)風(fēng)險干預(yù)措施的效應(yīng)進(jìn)行了模擬與評價。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大石橋市地處遼寧省營口市東北部，位于東經(jīng)122°07′～122°59′，北緯40°18′～40°56′，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫8～9℃，全域占地面積共計1 610km2。大石橋市地勢東高西低，整體呈“五山一水四分田”的格局。大石橋市作為我國重要的鎂礦及鎂制品生產(chǎn)基地，有“中國鎂都”之稱。目前鎂產(chǎn)業(yè)仍是支撐大石橋市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[18]，但鎂礦的持續(xù)開采加重了生態(tài)環(huán)境壓力。鎂礦在開采和煅燒過程中產(chǎn)生大量含有鈣、鎂等金屬離子的粉塵，粉塵沉降到地表時遇到潮濕環(huán)境容易形成板結(jié)[19]，嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)土壤性質(zhì)，影響植被生長，同時沉降物中的水溶性金屬離子在徑流和降雨的作用下會侵入深層土壤和地下水，金屬離子在土壤與水體中過量積累會對當(dāng)?shù)刂参锷L和人體健康造成嚴(yán)重危害，如何減少危害是生態(tài)風(fēng)險防控的關(guān)鍵。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1)空間信息數(shù)據(jù)：大石橋市2017年10m×10m分辨率Landsat 8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，用于植被覆蓋度等數(shù)據(jù)提?。籇EM數(shù)字高程源自地理空間數(shù)據(jù)云Landsat 8，分辨率為30m×30m；土地利用數(shù)據(jù)源自第三次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)，用于礦業(yè)用地、坡度、地形濕度等空間信息提取。

2)城市規(guī)劃矢量數(shù)據(jù)：《大石橋市城市總體規(guī)劃(2017—2035)》，用于大石橋市行政邊界、村界、道路和流域等信息提取。

3)土壤類型數(shù)據(jù)：土壤類型、粒徑數(shù)據(jù)源自聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)，以及我國第二次土地調(diào)查的1:100萬土壤數(shù)據(jù)。

1.3 風(fēng)險過程與研究對象

工業(yè)加工產(chǎn)生的粉塵是鎂離子污染擴(kuò)散的第一個階段，局地風(fēng)場在該過程中起到了最主要作用。粉塵沉降在土壤表層后，經(jīng)雨水和地表徑流作用使其中的水溶性污染物在土壤顆粒中逐漸沉降與遷移，形成了鎂離子的非點源污染，是鎂離子污染擴(kuò)散的第二個階段，這是一個長期累積的過程，流域水文、地形和土壤等因素對這一生態(tài)過程起到了主導(dǎo)作用。本文主要針對鎂離子非點源污染過程開展風(fēng)險路徑識別并提出應(yīng)對策略。

2 研究方法與技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

研究中的風(fēng)險源主要是開采、加工鎂礦石等造成鎂離子遷移的人工活動，風(fēng)險干預(yù)應(yīng)對的關(guān)鍵在于明確風(fēng)險源地范圍與傳輸路徑的空間分布。綜合考慮鎂離子污染濃度的實際空間分布和外部影響因子兩方面因素，確定鎂離子輸出風(fēng)險區(qū)，將主導(dǎo)生態(tài)過程的影響因子與最小累積阻力模型相結(jié)合，構(gòu)建污染物擴(kuò)散風(fēng)險累積阻力面，并利用GIS計算功能獲得風(fēng)險路徑與等級分布。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 生態(tài)風(fēng)險路徑識別與格局優(yōu)化技術(shù)路線

2.2 生態(tài)風(fēng)險過程的外部影響因子分析

將篩選出的生態(tài)過程影響因子分為基礎(chǔ)因子和主導(dǎo)因子：以土地利用、坡度、土壤侵蝕等級、植被覆蓋指數(shù)和河道距離作為基礎(chǔ)因子；以土壤有效鎂含量(mg)、地形濕度指數(shù)(TWI)和下墊面CN值作為影響生態(tài)過程的主導(dǎo)因子[20]。

2.3 特征污染物遷移風(fēng)險路徑識別

選取土壤有效鎂含量、濕度指數(shù)和河流距離作為影響因子[21-22]，采用層次分析法確定影響因子權(quán)重并進(jìn)行綜合疊加(表1)，通過聚類分析將評價結(jié)果劃分成5級，形成鎂離子污染輸出風(fēng)險區(qū)空間分布圖。采用最小累積阻力模型(MCR)建立由風(fēng)險源地到風(fēng)險受體的累積耗費阻力表面，在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的cost weight和cost path工具獲得鎂離子污染風(fēng)險路徑。

表1 鎂離子輸出風(fēng)險影響因子權(quán)重與等級劃分

1)風(fēng)險擴(kuò)散的累積阻力面構(gòu)建。最小累積阻力模型(MCR)的表達(dá)式為：

式中，RMC為最小累積阻力值；Dij為從起始源通往景觀柵格間的空間距離，以km為單位；Ri為柵格阻力系數(shù)。柵格阻力系數(shù)的確定，采用地形濕度指數(shù)、CN值、坡度、土地利用、土壤侵蝕等級和NDVI6種影響因子累積疊加獲取，采用AHP法確定不同因子的權(quán)重，參考已有文獻(xiàn)確定各因子的阻力系數(shù)[23](圖2)。

圖2 研究區(qū)礦業(yè)污染風(fēng)險擴(kuò)散阻力系數(shù)指標(biāo)體系

2)風(fēng)險成本距離計算與路徑提取。利用成本距離計算工具，以阻力面作為成本柵格，輸出成本距離和成本回溯距離，選擇EACH_CELL為路徑類型，采用聚類法將風(fēng)險路徑的阻力值劃分為5個等級。

2.4 面向風(fēng)險干預(yù)的生態(tài)格局優(yōu)化

針對生態(tài)風(fēng)險路徑分布與強(qiáng)度等級，對礦業(yè)城市的生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建市域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，在重點區(qū)域進(jìn)行土地利用調(diào)整，開展生態(tài)修復(fù)工程，調(diào)整景觀格局的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵節(jié)點景觀組分，加強(qiáng)對非點源污染擴(kuò)散的阻力。采用最小累積阻力模型對優(yōu)化前后的阻力基面進(jìn)行對比分析，以生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為骨架，根據(jù)不同干預(yù)措施的風(fēng)險阻斷能力設(shè)置阻力系數(shù)與緩沖區(qū)距離，對優(yōu)化前后的風(fēng)險累積阻力值進(jìn)行計算，量化評價風(fēng)險干預(yù)效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)險區(qū)空間分布

利用GIS空間插值、多環(huán)緩沖區(qū)等方法，得到大石橋市生態(tài)風(fēng)險過程影響因子空間分布(圖3)，可見大石橋市地勢東高西低，東部多山林，植被覆蓋度較高；西部多水田，水系發(fā)達(dá)，地形濕潤度較大；中部城區(qū)與礦區(qū)相鄰，人居環(huán)境受礦業(yè)風(fēng)險影響較大，土壤鎂離子含量較高。從風(fēng)險擴(kuò)散阻礙程度來看，受鎂離子分布、地形濕度指數(shù)、CN值等因素影響，坡度大、濕潤度小的東部山林區(qū)阻力較大，不易于風(fēng)險擴(kuò)散；地勢平緩、濕潤度高的西部地區(qū)阻力較小，更易于風(fēng)險擴(kuò)散。

圖3 大石橋市生態(tài)風(fēng)險過程影響因子空間分布

根據(jù)表1中各影響因子的等級劃分與權(quán)重，經(jīng)疊加獲得鎂離子輸出風(fēng)險區(qū)空間分布圖(圖4)，可見污染輸出風(fēng)險區(qū)主要集中在礦區(qū)與城區(qū)周邊，輸出風(fēng)險等級由采礦區(qū)向周邊逐漸降低，地形因子對輸出風(fēng)險影響較大。鎂離子輸出風(fēng)險指數(shù)最小值為4.00，最大值為32.00，平均值為9.86，標(biāo)準(zhǔn)差為4.47。從空間分布來看，3～5級的高風(fēng)險區(qū)域主要集中在礦區(qū)及其周邊；2級中風(fēng)險區(qū)域覆蓋城區(qū)南部的較大范圍及北部延伸至虎莊鎮(zhèn)的2條帶狀空間；其余淺黃色區(qū)域均為1級低風(fēng)險區(qū)。

圖4 鎂離子輸出風(fēng)險區(qū)空間分布

3.2 風(fēng)險路徑空間分布

運用最小累積阻力模型識別由污染物輸出風(fēng)險區(qū)到河流的最小累積阻力路徑，計算風(fēng)險源到路徑各點阻力值，根據(jù)阻力值將風(fēng)險等級劃分為1～5級，得到各級風(fēng)險路徑的空間分布圖(圖5)、數(shù)量及其百分比(表2)。由表2可知，造成鎂離子非點源污染的風(fēng)險路徑共26 278條，阻力最大值為33 739.98，最小值為0。從各等級風(fēng)險路徑的等級與數(shù)量來看，中部區(qū)域有7 483條風(fēng)險路徑，全部為等級最高的5級；西部生態(tài)脆弱區(qū)有6 818條風(fēng)險路徑，以4級風(fēng)險路徑為主，在西部與中部區(qū)域交界處，存在部分5級風(fēng)險路徑；東部區(qū)域為1～3級風(fēng)險路徑。結(jié)果表明，礦業(yè)開采形成的鎂離子非點源污染受下墊面類型與空間距離兩方面影響顯著，在中部區(qū)域，由于距離采礦區(qū)風(fēng)險源較近，嚴(yán)重的地表污染導(dǎo)致風(fēng)險路徑等級高，地表沉降的鎂離子在雨水和徑流的作用下，沿風(fēng)險路徑向徑流與深層土壤遷移；而西部和東部區(qū)域雖然與礦區(qū)的距離相差不大，但由于西部下墊面以農(nóng)田為主，土壤濕度值高且地形較為平坦，因此風(fēng)險路徑的等級與數(shù)量均呈較高狀態(tài)，需要加強(qiáng)風(fēng)險干預(yù)管控；東部區(qū)域風(fēng)險等級則為較安全狀態(tài)。

圖5 大石橋市鎂離子非點源污染風(fēng)險路徑分布

表2 大石橋市生態(tài)風(fēng)險路徑阻力等級分布

3.3 樣本檢測結(jié)果驗證

為檢驗研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照圖6-1所示的采樣點分布進(jìn)行樣本采集，對土壤中多種礦物元素濃度進(jìn)行測試。采樣點包括中部重點區(qū)域(W1～W19、E1～E20)與全域范圍(A1～I(xiàn)1)，根據(jù)《遼寧省土壤元素背景值研究》[24-25]確定土壤鎂元素背景值為9.25g/kg。

檢測結(jié)果顯示，所有采樣點鎂離子濃度值范圍在3.00～126.60g/kg。圖6-2為中部重點區(qū)域的鎂元素及其伴生性強(qiáng)的鈣元素濃度值，可見W1～W17點位分布在風(fēng)險路徑上，這些點位的鈣、鎂含量高，且波動性較強(qiáng)；W18～W19點位未分布在風(fēng)險路徑上，且距離污染高值中心較遠(yuǎn)，濃度含量明顯降低；E8～E12點位雖然沒有分布在風(fēng)險路徑上，但是由于距離污染高值中心較近，因此也出現(xiàn)了較高的濃度值；其他點位的濃度值均處于背景濃度值以下，且變化幅度不大。樣本實測結(jié)果較好地驗證了鎂離子沿風(fēng)險路徑遷移產(chǎn)生的累積效應(yīng)。

圖6 大石橋市土壤檢測點位與Ca、Mg含量

4 針對風(fēng)險路徑的生態(tài)格局優(yōu)化

4.1 生態(tài)格局的優(yōu)化思路

從加強(qiáng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通度、降低風(fēng)險受體暴露度2個方面入手，提出整體生態(tài)格局的優(yōu)化思路。首先，構(gòu)建完善的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、加強(qiáng)整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性，對非點源污染形成多層次的風(fēng)險阻斷線性網(wǎng)絡(luò)；其次，在等級較高的風(fēng)險路徑及關(guān)鍵節(jié)點實施重大生態(tài)工程，優(yōu)化生態(tài)格局中的戰(zhàn)略點布局；再次，加強(qiáng)對風(fēng)險源的隔離和對主要風(fēng)險受體的防護(hù)，通過土地利用調(diào)整降低礦區(qū)對城區(qū)的影響，加強(qiáng)對主要河流水體的防護(hù)措施，降低暴露強(qiáng)度。在景觀生態(tài)學(xué)“格局-過程”的理論下，通過生態(tài)格局優(yōu)化途徑實現(xiàn)對風(fēng)險過程的干預(yù)。

4.2 優(yōu)化后的空間結(jié)構(gòu)與景觀功能

辨識大石橋市生態(tài)資源的基本格局，以及生態(tài)風(fēng)險的源、匯、流空間，遵循主導(dǎo)生態(tài)過程，對生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化，形成了 “三區(qū)兩源、一軸五帶、多廊多點多組團(tuán)”的空間結(jié)構(gòu)(圖7)?！叭齾^(qū)”是將市域劃分為生態(tài)保育區(qū)、中部生態(tài)治理區(qū)和西部生態(tài)提升區(qū)3個區(qū)域并采取不同的生態(tài)修復(fù)措施，“兩源”是指中部礦業(yè)開采區(qū)為主體的風(fēng)險源區(qū)，以及東部山林與水源保護(hù)區(qū)組成的生態(tài)源地；“一軸”是以岫水線省道為依托，建立貫穿三區(qū)的主要生態(tài)軸線，并沿主要生態(tài)軸線垂直方向建立5條綠色隔離帶(“五帶”)，形成次級生態(tài)軸線；在風(fēng)險路徑的密集區(qū)識別、建立多個生態(tài)戰(zhàn)略點，依托河流、溝渠的藍(lán)色廊道和道路的綠色廊道連接生態(tài)戰(zhàn)略點，并擴(kuò)展周邊的綠色斑塊，形成多點、多廊、多組團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)。

按照景觀生態(tài)學(xué)理論進(jìn)一步規(guī)劃不同生態(tài)空間的景觀功能，依據(jù)景觀功能劃分為三類生態(tài)空間、三級生態(tài)廊道和多個生態(tài)修補(bǔ)斑塊。1)三類生態(tài)空間：基本生態(tài)空間是東部生態(tài)質(zhì)量最優(yōu)的山林和水源保護(hù)區(qū)，是城市生態(tài)保育涵養(yǎng)的剛性底線；重要生態(tài)空間是具有較好生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，在不降低生態(tài)服務(wù)功能的前提下，可以通過景觀生態(tài)規(guī)劃修復(fù)建設(shè)的彈性空間；一般生態(tài)空間是以生態(tài)功能屬性為主，與人居環(huán)境中生活、生產(chǎn)功能較為密切的空間，包括農(nóng)田、城鎮(zhèn)公園綠地等。2)三級生態(tài)廊道：一級生態(tài)廊道依托縱向城市道路，順應(yīng)生態(tài)流走向，控制寬度為30～50m；二級生態(tài)廊道依托城市道路與主要河流，以垂直生態(tài)流方向為主，控制寬度為15～30m；三級生態(tài)廊道依托支路與水系支流、灌渠等，連接各個尺度的生態(tài)斑塊，控制寬度為5～15m。3)生態(tài)修補(bǔ)斑塊：在風(fēng)險路徑的重要節(jié)點，結(jié)合現(xiàn)有山體、河口濕地、田園綠地和灌渠等，加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)和綠化建設(shè)，使這些節(jié)點能夠成為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的重要戰(zhàn)略點。以上景觀元素分別對應(yīng)基質(zhì)、廊道與節(jié)點，共同構(gòu)成了大石橋市完整的景觀格局(圖7)。

圖7 大石橋市生態(tài)空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)修復(fù)策略(照片引自網(wǎng)絡(luò))

4.3 重要風(fēng)險干預(yù)措施與生態(tài)修復(fù)工程

除了對整體生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化外，還確定了關(guān)鍵區(qū)域的生態(tài)修復(fù)工程方案，包括中部高風(fēng)險區(qū)域生態(tài)屏障建設(shè)、西部較高風(fēng)險區(qū)域生態(tài)提升和礦區(qū)風(fēng)險源生態(tài)修復(fù)3個方面。

1)礦-城隔離帶生態(tài)屏障建設(shè)。

中部生態(tài)治理區(qū)是風(fēng)險干預(yù)的重點區(qū)域，將中心城區(qū)與礦區(qū)的功能進(jìn)行剝離，二者相鄰的界面空間進(jìn)行局部土地利用調(diào)整，形成約800m寬度的礦-城隔離帶，建設(shè)城郊公園、礦山地質(zhì)公園與公共綠地形成生態(tài)屏障。結(jié)合當(dāng)前開展的《大石橋市國土空間規(guī)劃(2020—2035)》編制工作，將城區(qū)外環(huán)岫水線與南樓經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)道路之間的用地進(jìn)行調(diào)整，將原有的74.09hm2工業(yè)用地和倉儲物流用地調(diào)整至西部沿海經(jīng)濟(jì)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，新規(guī)劃鎂都礦山博物館、礦山地質(zhì)公園各一座及公共綠地多處，與原有蟠龍山公園構(gòu)成連續(xù)的城郊生態(tài)用地，形成隔離礦區(qū)污染的生態(tài)屏障。

此外，還對位于礦-城隔離帶的百寨街道中的127hm2居住用地進(jìn)行調(diào)整，該居住片區(qū)長期受到較為嚴(yán)重的污染，人居環(huán)境品質(zhì)差，通過新一輪的國土空間規(guī)劃將該片區(qū)居住用地調(diào)整至中心城區(qū)，城市開發(fā)邊界一并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2)遼河流域景觀生態(tài)功能提升。

西部生態(tài)提升區(qū)由于地勢較低、水系發(fā)達(dá)、水田面積大，非點源污染風(fēng)險在生態(tài)基質(zhì)的擴(kuò)散能力強(qiáng)且缺少連續(xù)、集中的綠色廊道與斑塊，因此該區(qū)域的風(fēng)險干預(yù)策略以提升基質(zhì)對污染的耐受性能、降低風(fēng)險受體的暴露強(qiáng)度為主。以遼河小流域水系為脈絡(luò)，對水系進(jìn)行保護(hù)等級劃分，確定控制與防護(hù)距離，建立由水系、林帶、綠道構(gòu)成的綠色網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合大石橋市西部區(qū)域的《遼河風(fēng)光帶景觀生態(tài)廊道規(guī)劃》，建設(shè)河口濕地、濱河公園，增加廣場與集中綠地，形成多個層級的綠色斑塊，通過調(diào)整風(fēng)險路徑密集區(qū)域用地的結(jié)構(gòu)與組分，降低風(fēng)險受體對污染風(fēng)險的暴露程度。

3)礦區(qū)內(nèi)部地貌與植被的生態(tài)修復(fù)。

鎂礦開采使礦區(qū)的地貌和植被遭到了嚴(yán)重破壞，對礦區(qū)內(nèi)已損毀的土地及受污染的土壤和植被開展多種政策支持與技術(shù)引導(dǎo)相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)工程。當(dāng)前礦區(qū)內(nèi)的原生植被覆蓋率低，植物種類少，群落結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性差。生態(tài)修復(fù)中首先篩選本土適宜性復(fù)墾植物，在風(fēng)險路徑密集區(qū)栽植楊樹、刺槐、榆樹、沙棘等樹種的人工林，可起到降低礦區(qū)污染物輸出和防止水土流失的重要作用。此外，也可以通過植物吸收、代謝和積累等作用去除土壤中過量的鎂。鎂質(zhì)堿性土的改良也是生態(tài)修復(fù)的重點，風(fēng)險干預(yù)措施包括在水源保護(hù)地、農(nóng)田板結(jié)嚴(yán)重等區(qū)域建立土壤改良和菌類微生物調(diào)節(jié)的實驗場地，形成從風(fēng)險源、風(fēng)險路徑到風(fēng)險受體的全過程、多層級生態(tài)治理體系。

4.4 優(yōu)化前后生態(tài)風(fēng)險干預(yù)效果的模擬與對比

為檢驗以上風(fēng)險干預(yù)措施的有效性和干預(yù)后的風(fēng)險阻力變化，利用景觀累積阻力模型對格局優(yōu)化前后的平均風(fēng)險阻力值進(jìn)行模擬與對比。通過在GIS中形成風(fēng)險干預(yù)措施的空間分布圖(圖8-2)，確定生態(tài)廊道與斑塊的阻力系數(shù)和緩沖區(qū)距離，計算風(fēng)險干預(yù)前后各行政單元的平均阻力值。由圖8-1可見，生態(tài)風(fēng)險干預(yù)調(diào)控前，各行政單元的平均阻力值分布在850～1 100范圍內(nèi)，緩沖區(qū)內(nèi)的阻力值隨空間距離變化較小。經(jīng)風(fēng)險干預(yù)調(diào)控后，生態(tài)廊道與斑塊緩沖區(qū)范圍內(nèi)的風(fēng)險阻力值明顯提升，距離道路、水系越近，阻力值提升幅度越大，各行政單元的平均阻力值分布在980～1 340范圍內(nèi)，表明在生態(tài)格局優(yōu)化后，道路、水系等重要防護(hù)對象周邊的風(fēng)險干預(yù)措施對非點源污染風(fēng)險阻斷能力得到加強(qiáng)，從而提升了研究區(qū)域的整體風(fēng)險抵抗能力。

圖8 大石橋市生態(tài)風(fēng)險干預(yù)措施分布與平均阻力值變化

5 結(jié)語

礦業(yè)開采造成的生態(tài)風(fēng)險具有典型性與復(fù)雜性，如何對主導(dǎo)生態(tài)過程所產(chǎn)生的風(fēng)險一一剝離，并進(jìn)行正確的源匯關(guān)系識別，是應(yīng)用景觀模型解決實際問題的難點所在[26]。生態(tài)風(fēng)險路徑是景觀格局作用于生態(tài)過程的具體表征，能夠廣泛應(yīng)用于非點源污染、土壤侵蝕、化學(xué)物質(zhì)遷移等生態(tài)風(fēng)險的定量描述。通過對特定風(fēng)險源的路徑識別，揭示多種風(fēng)險要素遷移過程的空間分異特征，從而針對特定風(fēng)險過程制定干預(yù)策略[27]。

傳統(tǒng)的景觀源匯模型可以有效表征空間格局對物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)換等生態(tài)過程的影響，然而，現(xiàn)有研究大多是以生態(tài)用地或建設(shè)用地為源地形成的阻力面空間分布，具有較大的局限性。以礦業(yè)城市為代表的自然-社會復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)風(fēng)險的構(gòu)成要素復(fù)雜多樣，不同風(fēng)險要素的源、匯、流關(guān)系存在著明顯的空間分異[28-29]。因此，開展對特定風(fēng)險過程的生態(tài)流識別，具有較強(qiáng)的針對性。本文主要針對鎂離子非點源污染生態(tài)風(fēng)險開展研究，考慮了地形、水文等外部因素對生態(tài)過程的影響，并將影響因子與景觀累積阻力模型相結(jié)合，識別了針對主導(dǎo)生態(tài)過程的風(fēng)險路徑，在此基礎(chǔ)上，確定了礦業(yè)城市加強(qiáng)風(fēng)險抵御能力的優(yōu)化生態(tài)格局，為系統(tǒng)構(gòu)建全過程、多層級的生態(tài)風(fēng)險防范體系提供了一種可操作的方法[30]。后續(xù)研究將進(jìn)一步探討不同類型風(fēng)險路徑的識別方法，增強(qiáng)其在國土空間規(guī)劃中的實踐應(yīng)用價值。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。