基于生态风险路径识别与风险过程干预的矿业城市生态格局优化

李 绥

吴尚遇

石铁矛

周诗文

周雪轲

中国矿产资源总量丰富，矿业开采活动在极大促进国民经济发展的同时，也给矿区生态系统带来了强烈扰动，导致产生多种类型的生态风险。矿业开采引发了土地损毁、植被破坏，以及土壤、空气和水体污染等一系列生态环境问题，多种直接、间接生态风险的耦合作用，使矿区的生态风险呈现复合性特征。如何理清多种风险源、风险受体及相互间的作用关系，明晰生态风险多要素的时空动态变化，是科学干预生态风险过程的基本前提。然而，矿业生态风险的复杂性和动态性增加了认识和把握生态风险过程的难度[1]，从矿区的生态过程出发，对主导生态过程所产生的多种风险表征进行剥离[2]，识别生态风险要素的传递过程和特征污染物的迁移途径[3]，能为深入探索空间格局对生态风险的影响机制及建立具有针对性的规划应对方法提供一种新的思路。

当前国内外应用于矿区的生态风险评价研究主要分为2类：区域生态风险评价与景观生态风险评价。区域生态风险评价侧重在区域尺度上描述环境污染、人为活动或自然灾害等不同风险源对生态系统产生不利作用和潜在危害的可能性[4]。对区域尺度的确定和对风险影响边界范围(风险区)的识别非常重要，目前多依据流域边界、土地利用类型和行政单元等[5-6]，通过对特征污染物的样本测试与空间插值等方法划定风险源区的污染面域范围。但是，目前对于污染风险输出路径识别的研究较少，仅有如陈裕婵等开展了建设用地与农田非点源污染风险路径识别的相关研究[7]。景观生态风险评价侧重从景观要素镶嵌、景观格局演变和景观生态过程入手，通过分析它们对于内在风险源和外部干扰的响应，判定或预测景观受到的胁迫作用[2]。景观生态风险评价更加强调景观格局对于生态过程或功能的影响，注重对特定空间格局下的风险过程表达，已形成了描述风险扩展中的累积阻力面分布、重要廊道与节点识别等系统方法[8-9]。由于矿区生态风险具有风险源多样、风险区边界模糊及风险等级随空间距离衰减性强的特征[10]，因此需要结合区域生态风险评价和景观生态风险评价的各自优势，根据风险种类明确风险的源、汇空间及风险区边界范围，明晰风险过程与空间路径。由以上风险评价研究结果可见，为精确描述矿区生态风险的空间特征，需要加强以下2个方面的研究：1)采矿区特征污染物影响范围的风险区划定，需要充分考虑影响污染物迁移输出过程的地形、水文等外部影响因子；2)非点源污染的风险路径识别，需要结合生态过程探究特征污染物迁移形成的线状风险路径。此外，由于生态风险评价研究更多停留在理论研究层面，因此须加强以实践为目标导向的风险干预与调控的应用性研究[10]。

矿区生态风险评价研究为风险干预的机理探索与调控方法扩展提供了必要条件。随着对全球气候变化的重视和生态文明建设的推进，生态风险干预与调控的应用性导向研究逐渐兴起。缘起于McHarg的基于生态适宜性的千层饼叠加[11]、Forman的景观格局整体性优化[12]、Odum的以系统论思想为基础的区域生态系统发展战略[13]等理论与方法，为从生态格局优化途径应对生态风险构建了较为完善的理论与技术框架。近年来，城乡规划学、景观生态学与地理学等领域的学者从不同视角为矿业城市的生态格局优化提供了研究范式。邢春晖等通过生态敏感性与生态干扰度分析相结合的方法进行了生态风险评价，建立了应对生态风险的景观格局修复方法，并在矿业城市太原市进行了实证应用[14]；肖华斌等对济南市西部新城山体进行多时期的生态风险动态评价与植被覆盖动态分析，识别区域内重要的高生态风险点，从生态过程完整性角度构建了山体修复空间体系与生态保护格局[15]；李涛等为反映生态源地间不同物种的迁移和扩散过程，利用生境质量模型筛选生态源地与廊道，划定了衡阳市生态修复优先区域，构建了基于电路理论的生物保护格局方法[16]；唐荣彬等系统研究了生态关键地段对采矿干扰扩散的阻力构成和运作机理，以典型的矿业城市大冶市为例，通过识别和优化生态关键地段布局，生成了矿业城市的生态安全对策[17]。以上研究呈现出如下共性趋势与特征：1)重视矿业生态风险的形成过程，通过多种方法描述生态风险的源、汇过程及其在景观格局中的表征；2)重视生态格局中不同景观斑块对生态风险扩散阻力的作用机制，通过景观斑块结构与组分优化实现对风险过程的调控。以上分别从“过程”与“格局”视角进行的范式研究，将生态治理、修复等具体风险干预措施与风险评价结果形成了紧密的逻辑关联，为生态风险干预措施提供了科学性保障，并使生态风险干预的预期效应评估成为可能。

综上，本文从生态过程与空间格局耦合关联性出发，对典型风险的主导生态过程进行分析，明确典型风险的源、汇空间，采用最小累积阻力模型，定量表征风险在区域空间单元的生态流传递过程，识别非点源污染风险区及污染物迁移的风险路径，在此基础上构建了矿区生态修复的绿色基础设施空间网络，并对生态风险干预措施的效应进行了模拟与评价。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

大石桥市地处辽宁省营口市东北部，位于东经122°07′～122°59′，北纬40°18′～40°56′，属暖温带季风气候，年平均气温8～9℃，全域占地面积共计1 610km2。大石桥市地势东高西低，整体呈“五山一水四分田”的格局。大石桥市作为我国重要的镁矿及镁制品生产基地，有“中国镁都”之称。目前镁产业仍是支撑大石桥市经济发展的支柱产业[18]，但镁矿的持续开采加重了生态环境压力。镁矿在开采和煅烧过程中产生大量含有钙、镁等金属离子的粉尘，粉尘沉降到地表时遇到潮湿环境容易形成板结[19]，严重损害矿区土壤性质，影响植被生长，同时沉降物中的水溶性金属离子在径流和降雨的作用下会侵入深层土壤和地下水，金属离子在土壤与水体中过量积累会对当地植物生长和人体健康造成严重危害，如何减少危害是生态风险防控的关键。

1.2 数据来源

1)空间信息数据：大石桥市2017年10m×10m分辨率Landsat 8卫星影像数据，用于植被覆盖度等数据提取；DEM数字高程源自地理空间数据云Landsat 8，分辨率为30m×30m；土地利用数据源自第三次全国土地调查数据，用于矿业用地、坡度、地形湿度等空间信息提取。

2)城市规划矢量数据：《大石桥市城市总体规划(2017—2035)》，用于大石桥市行政边界、村界、道路和流域等信息提取。

3)土壤类型数据：土壤类型、粒径数据源自联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)所构建的世界土壤数据库(HWSD)，以及我国第二次土地调查的1:100万土壤数据。

1.3 风险过程与研究对象

工业加工产生的粉尘是镁离子污染扩散的第一个阶段，局地风场在该过程中起到了最主要作用。粉尘沉降在土壤表层后，经雨水和地表径流作用使其中的水溶性污染物在土壤颗粒中逐渐沉降与迁移，形成了镁离子的非点源污染，是镁离子污染扩散的第二个阶段，这是一个长期累积的过程，流域水文、地形和土壤等因素对这一生态过程起到了主导作用。本文主要针对镁离子非点源污染过程开展风险路径识别并提出应对策略。

2 研究方法与技术路线

2.1 技术路线

研究中的风险源主要是开采、加工镁矿石等造成镁离子迁移的人工活动，风险干预应对的关键在于明确风险源地范围与传输路径的空间分布。综合考虑镁离子污染浓度的实际空间分布和外部影响因子两方面因素，确定镁离子输出风险区，将主导生态过程的影响因子与最小累积阻力模型相结合，构建污染物扩散风险累积阻力面，并利用GIS计算功能获得风险路径与等级分布。技术路线如图1所示。

图1 生态风险路径识别与格局优化技术路线

2.2 生态风险过程的外部影响因子分析

将筛选出的生态过程影响因子分为基础因子和主导因子：以土地利用、坡度、土壤侵蚀等级、植被覆盖指数和河道距离作为基础因子；以土壤有效镁含量(mg)、地形湿度指数(TWI)和下垫面CN值作为影响生态过程的主导因子[20]。

2.3 特征污染物迁移风险路径识别

选取土壤有效镁含量、湿度指数和河流距离作为影响因子[21-22]，采用层次分析法确定影响因子权重并进行综合叠加(表1)，通过聚类分析将评价结果划分成5级，形成镁离子污染输出风险区空间分布图。采用最小累积阻力模型(MCR)建立由风险源地到风险受体的累积耗费阻力表面，在此基础上，利用ArcGIS的cost weight和cost path工具获得镁离子污染风险路径。

表1 镁离子输出风险影响因子权重与等级划分

1)风险扩散的累积阻力面构建。最小累积阻力模型(MCR)的表达式为：

式中，RMC为最小累积阻力值；Dij为从起始源通往景观栅格间的空间距离，以km为单位；Ri为栅格阻力系数。栅格阻力系数的确定，采用地形湿度指数、CN值、坡度、土地利用、土壤侵蚀等级和NDVI6种影响因子累积叠加获取，采用AHP法确定不同因子的权重，参考已有文献确定各因子的阻力系数[23](图2)。

图2 研究区矿业污染风险扩散阻力系数指标体系

2)风险成本距离计算与路径提取。利用成本距离计算工具，以阻力面作为成本栅格，输出成本距离和成本回溯距离，选择EACH_CELL为路径类型，采用聚类法将风险路径的阻力值划分为5个等级。

2.4 面向风险干预的生态格局优化

针对生态风险路径分布与强度等级，对矿业城市的生态格局进行优化，构建市域生态网络，在重点区域进行土地利用调整，开展生态修复工程，调整景观格局的结构与关键节点景观组分，加强对非点源污染扩散的阻力。采用最小累积阻力模型对优化前后的阻力基面进行对比分析，以生态网络为骨架，根据不同干预措施的风险阻断能力设置阻力系数与缓冲区距离，对优化前后的风险累积阻力值进行计算，量化评价风险干预效果。

3 结果与分析

3.1 风险区空间分布

利用GIS空间插值、多环缓冲区等方法，得到大石桥市生态风险过程影响因子空间分布(图3)，可见大石桥市地势东高西低，东部多山林，植被覆盖度较高；西部多水田，水系发达，地形湿润度较大；中部城区与矿区相邻，人居环境受矿业风险影响较大，土壤镁离子含量较高。从风险扩散阻碍程度来看，受镁离子分布、地形湿度指数、CN值等因素影响，坡度大、湿润度小的东部山林区阻力较大，不易于风险扩散；地势平缓、湿润度高的西部地区阻力较小，更易于风险扩散。

图3 大石桥市生态风险过程影响因子空间分布

根据表1中各影响因子的等级划分与权重，经叠加获得镁离子输出风险区空间分布图(图4)，可见污染输出风险区主要集中在矿区与城区周边，输出风险等级由采矿区向周边逐渐降低，地形因子对输出风险影响较大。镁离子输出风险指数最小值为4.00，最大值为32.00，平均值为9.86，标准差为4.47。从空间分布来看，3～5级的高风险区域主要集中在矿区及其周边；2级中风险区域覆盖城区南部的较大范围及北部延伸至虎庄镇的2条带状空间；其余浅黄色区域均为1级低风险区。

图4 镁离子输出风险区空间分布

3.2 风险路径空间分布

运用最小累积阻力模型识别由污染物输出风险区到河流的最小累积阻力路径，计算风险源到路径各点阻力值，根据阻力值将风险等级划分为1～5级，得到各级风险路径的空间分布图(图5)、数量及其百分比(表2)。由表2可知，造成镁离子非点源污染的风险路径共26 278条，阻力最大值为33 739.98，最小值为0。从各等级风险路径的等级与数量来看，中部区域有7 483条风险路径，全部为等级最高的5级；西部生态脆弱区有6 818条风险路径，以4级风险路径为主，在西部与中部区域交界处，存在部分5级风险路径；东部区域为1～3级风险路径。结果表明，矿业开采形成的镁离子非点源污染受下垫面类型与空间距离两方面影响显著，在中部区域，由于距离采矿区风险源较近，严重的地表污染导致风险路径等级高，地表沉降的镁离子在雨水和径流的作用下，沿风险路径向径流与深层土壤迁移；而西部和东部区域虽然与矿区的距离相差不大，但由于西部下垫面以农田为主，土壤湿度值高且地形较为平坦，因此风险路径的等级与数量均呈较高状态，需要加强风险干预管控；东部区域风险等级则为较安全状态。

图5 大石桥市镁离子非点源污染风险路径分布

表2 大石桥市生态风险路径阻力等级分布

3.3 样本检测结果验证

为检验研究结果的准确性，按照图6-1所示的采样点分布进行样本采集，对土壤中多种矿物元素浓度进行测试。采样点包括中部重点区域(W1～W19、E1～E20)与全域范围(A1～I1)，根据《辽宁省土壤元素背景值研究》[24-25]确定土壤镁元素背景值为9.25g/kg。

检测结果显示，所有采样点镁离子浓度值范围在3.00～126.60g/kg。图6-2为中部重点区域的镁元素及其伴生性强的钙元素浓度值，可见W1～W17点位分布在风险路径上，这些点位的钙、镁含量高，且波动性较强；W18～W19点位未分布在风险路径上，且距离污染高值中心较远，浓度含量明显降低；E8～E12点位虽然没有分布在风险路径上，但是由于距离污染高值中心较近，因此也出现了较高的浓度值；其他点位的浓度值均处于背景浓度值以下，且变化幅度不大。样本实测结果较好地验证了镁离子沿风险路径迁移产生的累积效应。

图6 大石桥市土壤检测点位与Ca、Mg含量

4 针对风险路径的生态格局优化

4.1 生态格局的优化思路

从加强生态网络连通度、降低风险受体暴露度2个方面入手，提出整体生态格局的优化思路。首先，构建完善的绿地生态网络、加强整体生态网络的连通性，对非点源污染形成多层次的风险阻断线性网络；其次，在等级较高的风险路径及关键节点实施重大生态工程，优化生态格局中的战略点布局；再次，加强对风险源的隔离和对主要风险受体的防护，通过土地利用调整降低矿区对城区的影响，加强对主要河流水体的防护措施，降低暴露强度。在景观生态学“格局-过程”的理论下，通过生态格局优化途径实现对风险过程的干预。

4.2 优化后的空间结构与景观功能

辨识大石桥市生态资源的基本格局，以及生态风险的源、汇、流空间，遵循主导生态过程，对生态格局进行优化，形成了 “三区两源、一轴五带、多廊多点多组团”的空间结构(图7)。“三区”是将市域划分为生态保育区、中部生态治理区和西部生态提升区3个区域并采取不同的生态修复措施，“两源”是指中部矿业开采区为主体的风险源区，以及东部山林与水源保护区组成的生态源地；“一轴”是以岫水线省道为依托，建立贯穿三区的主要生态轴线，并沿主要生态轴线垂直方向建立5条绿色隔离带(“五带”)，形成次级生态轴线；在风险路径的密集区识别、建立多个生态战略点，依托河流、沟渠的蓝色廊道和道路的绿色廊道连接生态战略点，并扩展周边的绿色斑块，形成多点、多廊、多组团的空间结构。

按照景观生态学理论进一步规划不同生态空间的景观功能，依据景观功能划分为三类生态空间、三级生态廊道和多个生态修补斑块。1)三类生态空间：基本生态空间是东部生态质量最优的山林和水源保护区，是城市生态保育涵养的刚性底线；重要生态空间是具有较好生态环境质量，在不降低生态服务功能的前提下，可以通过景观生态规划修复建设的弹性空间；一般生态空间是以生态功能属性为主，与人居环境中生活、生产功能较为密切的空间，包括农田、城镇公园绿地等。2)三级生态廊道：一级生态廊道依托纵向城市道路，顺应生态流走向，控制宽度为30～50m；二级生态廊道依托城市道路与主要河流，以垂直生态流方向为主，控制宽度为15～30m；三级生态廊道依托支路与水系支流、灌渠等，连接各个尺度的生态斑块，控制宽度为5～15m。3)生态修补斑块：在风险路径的重要节点，结合现有山体、河口湿地、田园绿地和灌渠等，加强生态修复和绿化建设，使这些节点能够成为生态网络构建中的重要战略点。以上景观元素分别对应基质、廊道与节点，共同构成了大石桥市完整的景观格局(图7)。

图7 大石桥市生态空间结构与生态修复策略(照片引自网络)

4.3 重要风险干预措施与生态修复工程

除了对整体生态格局进行优化外，还确定了关键区域的生态修复工程方案，包括中部高风险区域生态屏障建设、西部较高风险区域生态提升和矿区风险源生态修复3个方面。

1)矿-城隔离带生态屏障建设。

中部生态治理区是风险干预的重点区域，将中心城区与矿区的功能进行剥离，二者相邻的界面空间进行局部土地利用调整，形成约800m宽度的矿-城隔离带，建设城郊公园、矿山地质公园与公共绿地形成生态屏障。结合当前开展的《大石桥市国土空间规划(2020—2035)》编制工作，将城区外环岫水线与南楼经济开发区道路之间的用地进行调整，将原有的74.09hm2工业用地和仓储物流用地调整至西部沿海经济工业园区内，新规划镁都矿山博物馆、矿山地质公园各一座及公共绿地多处，与原有蟠龙山公园构成连续的城郊生态用地，形成隔离矿区污染的生态屏障。

此外，还对位于矿-城隔离带的百寨街道中的127hm2居住用地进行调整，该居住片区长期受到较为严重的污染，人居环境品质差，通过新一轮的国土空间规划将该片区居住用地调整至中心城区，城市开发边界一并进行相应调整。

2)辽河流域景观生态功能提升。

西部生态提升区由于地势较低、水系发达、水田面积大，非点源污染风险在生态基质的扩散能力强且缺少连续、集中的绿色廊道与斑块，因此该区域的风险干预策略以提升基质对污染的耐受性能、降低风险受体的暴露强度为主。以辽河小流域水系为脉络，对水系进行保护等级划分，确定控制与防护距离，建立由水系、林带、绿道构成的绿色网络。结合大石桥市西部区域的《辽河风光带景观生态廊道规划》，建设河口湿地、滨河公园，增加广场与集中绿地，形成多个层级的绿色斑块，通过调整风险路径密集区域用地的结构与组分，降低风险受体对污染风险的暴露程度。

3)矿区内部地貌与植被的生态修复。

镁矿开采使矿区的地貌和植被遭到了严重破坏，对矿区内已损毁的土地及受污染的土壤和植被开展多种政策支持与技术引导相结合的生态修复工程。当前矿区内的原生植被覆盖率低，植物种类少，群落结构简单，稳定性差。生态修复中首先筛选本土适宜性复垦植物，在风险路径密集区栽植杨树、刺槐、榆树、沙棘等树种的人工林，可起到降低矿区污染物输出和防止水土流失的重要作用。此外，也可以通过植物吸收、代谢和积累等作用去除土壤中过量的镁。镁质碱性土的改良也是生态修复的重点，风险干预措施包括在水源保护地、农田板结严重等区域建立土壤改良和菌类微生物调节的实验场地，形成从风险源、风险路径到风险受体的全过程、多层级生态治理体系。

4.4 优化前后生态风险干预效果的模拟与对比

为检验以上风险干预措施的有效性和干预后的风险阻力变化，利用景观累积阻力模型对格局优化前后的平均风险阻力值进行模拟与对比。通过在GIS中形成风险干预措施的空间分布图(图8-2)，确定生态廊道与斑块的阻力系数和缓冲区距离，计算风险干预前后各行政单元的平均阻力值。由图8-1可见，生态风险干预调控前，各行政单元的平均阻力值分布在850～1 100范围内，缓冲区内的阻力值随空间距离变化较小。经风险干预调控后，生态廊道与斑块缓冲区范围内的风险阻力值明显提升，距离道路、水系越近，阻力值提升幅度越大，各行政单元的平均阻力值分布在980～1 340范围内，表明在生态格局优化后，道路、水系等重要防护对象周边的风险干预措施对非点源污染风险阻断能力得到加强，从而提升了研究区域的整体风险抵抗能力。

图8 大石桥市生态风险干预措施分布与平均阻力值变化

5 结语

矿业开采造成的生态风险具有典型性与复杂性，如何对主导生态过程所产生的风险一一剥离，并进行正确的源汇关系识别，是应用景观模型解决实际问题的难点所在[26]。生态风险路径是景观格局作用于生态过程的具体表征，能够广泛应用于非点源污染、土壤侵蚀、化学物质迁移等生态风险的定量描述。通过对特定风险源的路径识别，揭示多种风险要素迁移过程的空间分异特征，从而针对特定风险过程制定干预策略[27]。

传统的景观源汇模型可以有效表征空间格局对物质代谢、能量转换等生态过程的影响，然而，现有研究大多是以生态用地或建设用地为源地形成的阻力面空间分布，具有较大的局限性。以矿业城市为代表的自然-社会复合生态系统，其生态风险的构成要素复杂多样，不同风险要素的源、汇、流关系存在着明显的空间分异[28-29]。因此，开展对特定风险过程的生态流识别，具有较强的针对性。本文主要针对镁离子非点源污染生态风险开展研究，考虑了地形、水文等外部因素对生态过程的影响，并将影响因子与景观累积阻力模型相结合，识别了针对主导生态过程的风险路径，在此基础上，确定了矿业城市加强风险抵御能力的优化生态格局，为系统构建全过程、多层级的生态风险防范体系提供了一种可操作的方法[30]。后续研究将进一步探讨不同类型风险路径的识别方法，增强其在国土空间规划中的实践应用价值。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。