黄土丘陵矿区生态脆弱性评价——以晋城市长河流域为例

刘 丽，张吴平，毕如田，王国芳，刘永杰

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西省林业调查规划院，山西太原030012）

我国幅员辽阔，地形复杂，环境多样，生态脆弱性呈现出分布广、类别多、表现突出等特点[1]。提高生态脆弱区保护意识，加强生态脆弱区的生态修复和治理，有利于维持生态系统的稳定，发挥生态功能，实现绿色发展[2]。近年来，对生态脆弱性包括理论、类型、目标、内容和方式等方面的研究一直是国内外的主题[3]。李鹤等[4]研究认为，生态系统的脆弱性与干扰、暴露、适应性、敏感性、复原力和稳定性密切相关。申元村等[5]根据区域以及成因，将我国分为一二级生态脆弱区共37个。对于生态系统的研究对象，国外学者倾向于自然系统的研究，而我国则呈现由大到小、系统性、多元化特点[6]。研究内容涉及理论发展、格局分布、经济可持续以及对策4大方面。评价的方法则由定性和定量2种方法组成[7-17]。将3S手段与计算机相结合探讨研究区时空分布与演化趋势是生态脆弱性研究的重要方向之一[18]。目前，黄土丘陵区特别是矿区相应的研究相对较少。长河流域矿区作为黄土高原的一部分，生态环境越来越差。煤炭资源长时间、高强度的开采，水土资源被严重破坏，区域内生态环境愈发恶劣，生态脆弱性出现危机。这不仅对生态环境构成威胁，而且会制约该区域的可持续发展。

本研究通过建立黄土丘陵矿区生态脆弱性评价指标体系，利用AHP法和集对分析法评估研究区5 a的生态脆弱度并对其变化进行分析，以期为当地的政策制定和可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况

区系，天然草地严重退化、沙化。综合该地区原有生态以及长时间、大规模的煤炭开采等社会活动，该地区生态环境独特。其地域突出特点对研究黄土丘陵矿区生态脆弱性策略选择具有典型性和代表性。

2 数据来源

研究区位于山西省晋城市泽州县长河流域，地属黄土高原东南边缘，位于 35°30′～35°31′N，112°36′～112°39′E，面积 108 km2，西与阳城县靠近，北与高平市和沁水县相邻，涉及到大东沟镇、川底乡、下村镇3个乡镇，共48个行政村庄，煤炭资源丰富，有成庄煤矿等12个煤矿基地，交通便利，经济发展主要以传统农业和煤炭等工业为主。该区缺水严重且时空分布不均，境内水力侵蚀严重，面蚀是水土流失的主要形态[19]，主要植被多属华北植物

原始数据来源主要包括调查收集和ArcGIS软件处理2个渠道。调查收集主要是通过收集山西省晋城市的统计年鉴[20]、泽州县国土局提供资料、研究区相关煤矿资料及前人的一些研究成果；ArcGIS软件处理主要是通过获取的 2007，2009，2011，2013，2015年5 a的Landsat8 OLI遥感影像数据的基础上，利用ENVI和ArcGIS等软件通过图像融合、几何校正、解译处理等，提取研究区植被覆盖率等等[21]。研究区植被覆盖空间分布如图1所示。

3 研究方法

3.1 脆弱性评价体系的建立

结合研究区实际情况，以生态环境、自然资源、社会经济和可持续性4个系统为主，以目的性、科学性、整体性、动态性和主导性5个原则为指导，合理选取以下16项指标构建脆弱性评价指标体系（表 1）。

表1 研究区生态脆弱性评价指标体系

3.2 指标权重的确定

本研究选用层次分析法将评价系统分为目标层A、准则层B、指标层C，根据AHP标度法对因子定量测算，形成对比判别矩阵，根据矩阵最大特征根λmax和特征向量，确定各元素的权数，并对计算结果进行一致性Ci检验，然后把上层权重按照比例分到下层元素，从而得到每项因子的权重。

式中，Wi表示权重，N代表评价指标个数，计算结果当 CR＜0.1 时，表示一致性通过；CR≥0.1 时，应对判断矩阵进行进一步的调整。

3.3 脆弱性评价标准

评估成果呈现生态环境脆弱程度，脆弱程度与分值的大小成正比。本研究根据分值的大小将该地区脆弱度划分为5级（表2）。结合全国和陕北地区各类指标的取值范围，参照晋城市区域规划和征询专家见解后形成以下评价准则（表3）。

表2 生态脆弱性等级划分标准以及特征

表3 研究区生态脆弱性等级划分标准

3.4 脆弱性评价方法

本研究采用集对分析法将研究区生态脆弱性评价指标与评价标准视为一个集对，假定有N个评价指标，其中有 S，F1，F2，F3，P 个指标分别符合生态脆弱性评价等级中的微脆弱、稍脆弱、脆弱、强脆弱、极脆弱各等级，则其联系度（U）表达式如下。

式中是差异度的系数；j是对立度的系数。

可简化为公式（5）。

式中，a表示同一度，c表示对立度，bm表示差异度。显然，a值越大，bm和c值越小，脆弱性程度越轻，由此可初步分析并确定生态脆弱性等级。

由于各指标大小对脆弱度的影响程度不同，某一指标的超标程度直接影响到脆弱度的整体程度，应对它们赋予权重。可根据指标超标情况确定权重。

权重处理后的单项指标k的联系度uk1和N项指标综合的联系度u综计算公式如下。

式中，uk表示权重处理前某一逆向指标（或正向指标）k的联系度，Bi（i＝0，1，2…，M-1）为每个单项指标的联系度的对应项数据按列相加之和。则脆弱度的评价矩阵 B＝（B0，B1，B2…BM－2，BM－1），根据最大隶属原则，最大者所对应的脆弱性级别，即为该对象的最终脆弱性评价级别。

3.5 脆弱性验证

充分考虑了因子简明性和可用性，本研究采用赵跃龙[21]的方法对评价结果进行验证。

式中，Pi是因子初始化之值，Wi是各因子权数，G值表示矿区脆弱度。

4 结果与分析

4.1 判别矩阵一致性分析

表4结果显示，所有层次判别矩阵一致性均小于0.1，一致性检验通过，判别矩阵结果可靠。

表4 判别矩阵一致性验证结果

4.2 权重结果分析

通过层次分析法得到研究区最终各指标的权重系数，结果如表5所示。

表5 研究区生态脆弱性指标体系权重

从表5可以看出，权重系数＞0.05的指标一共有7个，分别为植被指数、年均降雨量、年均气温、人均耕地面积、原煤年均生产量、农民人均收入、生产总值指数。植被对生态具有举足轻重的影响，其生长状况是地区环境质量的晴雨表，不仅能改善空气质量、保护水源地、而且能有效阻止土壤侵蚀，其权重较大。而年均降雨量和年均气温是反映研究区自然气候条件的2个重要因子，这2个因子严重制约着当地农业以及社会的发展，所以，这2个因子的权重较大。人均耕地面积是农业生产的基础，反映地区承载能力，因此，权重较大。原煤年均生产量代表研究区以煤炭开采为主的人为活动，具有代表性意义，此因子的权重较大。农民人均收入是指农民年总收入减去收入成本，它反映了农村经济和地区的发展，是衡量农民生活水平的重要指标。它影响农民与当地环境之间的依赖关系，其权重较大。生产总值指数表示某期间地区生产总值的变化，是权衡当地经济情况的重要指标，所以，权重较大。

4.3 评价等级

利用集对分析法得到2007—2015年5 a生态脆弱性等级结果如表6所示。

表6 分析法研究区生态脆弱性等级

对照表7，利用公式计算研究区5 a生态脆弱度G值，结果如表8所示。

表8 研究区2007—2015年5 a的G值

将集对分析法和计算法的2种结果进行对比，结果列于表9。通过对比结果可知，研究区的生态脆弱性评价结果与生态脆弱度计算结果的演化趋势基本一致，评价结果可靠（表9）。

研究区2007—2015年整体呈现脆弱状态，脆弱性等级最高为强脆弱，出现在2007，2009年，最低级别为稍脆弱，出现在2015年，研究区生态脆弱度呈现逐年下降趋势（表6），说明生态环境呈现好转，具体分析其原因如下。

（1）山西晋煤集团长期在研究区内进行煤炭开采，对水土等资源环境的破坏很明显，从2007年开始，人们逐渐意识到了煤炭开采带来的破坏，开始逐渐加大投资力度，进行环境整治和土壤复垦，在发展经济的同时重点注意了生态环境，大力植树造林，区域内森林覆盖率得到了提高，研究区生态环境呈现良好的好转局面。

（2）长时间、高强度的煤炭开采之下，从2007年开始相关部门逐渐意识到可持续发展的重要性，引进先进的设备，提高资源开发利用率。同时，环保部门加强了相关整治，继续严格执行排污收费制度，加强对高污企业的检查。此外，小煤窑整治和重组工作，使污染物乱排乱放现象得到明显改善。

表9 2种评价结果对比

总的来说，研究区的生态脆弱性还是不能掉以轻心的，虽然现在呈现好转的态势，但形式依然不容乐观。研究区应进一步加大投资力度，树立可持续发展理念，努力实现区域协调可持续发展。

5 结论

本研究通过建立晋城市长河流域矿区108 km2生态脆弱性评价指标体系，对16项评价因子进行权重计算，并得到2007—2015年5 a的地区生态脆弱性结果。研究结果表明，构建的判别矩阵可靠，植被指数、年均降雨量等7项指标权重影响较大，通过分析法和计算法得到的脆弱性结果一致，研究区2007—2015年整体呈现脆弱状态，脆弱性等级最高为IV级强脆弱，出现在2007，2009年，最低级别为II级稍脆弱，出现在2015年，研究区生态脆弱度呈现逐年下降趋势，生态环境呈现逐年好转。建议研究区继续贯彻可持续发展理念，保持区域协调发展。

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