山水林田湖海多维测度环境影响与时空分异<br/>——以广西北部湾为例

山水林田湖海多维测度环境影响与时空分异
——以广西北部湾为例

2022-02-19黄思敏胡宝清张中秋张泽韦高杨

水土保持通报 2022年6期

黄思敏胡宝清张中秋张泽韦高杨

(1.南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西南宁530001;2.广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西南宁530001;3.北部湾大学资源与环境学院,广西钦州535011;4.南宁师范大学地理科学与规划学院,广西南宁530001)

21世纪以来,水资源短缺,水体污染严重,海洋生态环境退化等问题仍然比较严峻,因此,注重生态文明建设是一项必须长期坚持的任务。2012年党的十八大报告指出,推行陆海统筹,人海和谐,海洋生态文明建设可持续发展[1];2016年国家相关部门印发了《关于推进山水林田湖生态保护修复工作的通知》(财建[2016]725号);2020年,自然资源部联合财政部、生态环境部印发《山水林田湖草生态保护修复工程指南》。因此,对区域山水林田湖海生命共同体进行生态保护与修复研究既是当今生态文明建设和可持续发展的热点话题,也是现实社会发展的需要。近年来,国内学者在此领域已取得丰富的成果。国外主要是从社会视角进行研究生态系统修复的内容,由世界自然保护联盟、欧盟、世界银行三大组织为维护生物多样性,运用自然方案进行经济—生态文明建设[2-3],对生态系统修复研究主要是利用整体论和系统论的理念与方法管理提出了生态系统综合整治的方法及其基本要素[4]。目前,国内研究在研究内容上主要体现为基于生态系统服务分析[5-9],生态保护修复实践与探索[9-10],山水林田湖草理论内涵研究[11-13],生态健康评价[14-17]等方面;在研究方法上主要有基于工程项目的业主方管理代表(PMO)模式[18]、自然的解决方案(Nbs)模式[19]、DPSIR模型[20]等方法;研究区主要是大江大河的生态脆弱区[21-22]。从研究趋势上,首先是在2013年习近平总书记提出山水林田湖草是一个生命共同体并进行理论探索[14],其次提出意见对其进行体制机制改革、成因研究、外延扩展至山水林田湖草沙雪城海[15],对典型地区进行试点工程实践研究[18],最后对存在破坏地区进行生态修复研究[19]。综上,前人的研究取得较好的成效,可为本文研究奠定基础。但学者们对山水林田湖草研究仍存在着不足。比如大多数学者仅是对单个要素研究,鲜有对多要素进行研究,并且主要是对山水林田湖草的各要素进行综合性评价,但对要素之间的耦合协调分析不够,大多都停留在山水林田湖草这几个要素研究。甚少有增加海元素,基于研究指标数据对山水林田湖海耦合协调指数时空演变分异展开剖析。山水林田湖海是一个生命共同体,对于不同地区的研究具有不同的典型性。本文基于研究区域近海的特殊性,增加海元素进行分析研究,具有一定的创新性,为该地区研究山水林田湖海综合整治提供新方法、新思路。鉴于此,本文选取广西北部湾为研究区,以“压力—状态—响应”(SPR)为核心,构建山水林田湖海综合评价指标体系,从时空视角分析研究区山水林田湖海生命共同体耦合协调分异特征对区域环境的影响及其驱动性因素分析。各要素存在交互效应,探讨它们之间的耦合关系,掌握其协调规律,对更精准开展山水林田湖海生态保护、修复及构建自然资源综合体系具有重要意义,可为资源高效利用和国土空间整治提供科学参考。

1 研究区概况

广西北部湾坐落于中国沿海西南部,本文研究范围包括北海市、钦州市、防城港市,位于106°33′—109°56′E,20°26′—22°41′N之间。区内地理环境典型,拥有山脉、河流、森林、海岸带等生态要素。区内西北部地势较高,多山地丘陵,河湖众多,水资源丰富,年径流量约为3.91×108m3;林木资源丰富,造林面积约为3 720 hm2;耕地资源较为稀缺,区内的耕地资源为4.22×105hm2;河流面积约有189.59 km2;海岸线长度1 628 km,红树林面积9 330.34 hm2。为响应“十三五”国家发展规划,广西北部湾由海而生,面海而兴,在这样的背景下,在经济得以发展的同时区内的生态系统也面临着严峻的挑战,选择2005—2020年这一时间尺度即2005,2008,2011,2014,2017和2020年6期进行分析,具有一定的针对性;由于目前区内生态环境问题制约生态文明可持续发展,因此需从山、水、林、田、湖、海等要素出发,开展生态文明整治工作,进一步提高生态文明修复的功效。由于草元素在研究区中不具备典型性,因此在本研究区中不进行研究。

2 理论依据与方法

2.1 理论框架

2.1.1 内涵 4C指数是对各要素进行多维测度的方法。基于4C指数的多维测度方法对各要素进行分析,其中4C指数分别是指综合评价指数(comprehensive evaluation index)、耦合指数(coupling index)和协调指数(coordination index)、灰色关联指数(correlation index)。山水林田湖草生命共同体内涵是树立自然价值理念,确保生态系统健康和可持续发展,要求从过去的单一要素保护修复转变为以多要素构成的生态系统服务功能提升为导向的保护修复[23]。

2.1.2 耦合协调机理耦合是指几个系统间发生的耦合协调,是各子系统相互依赖、相互影响的关系[24],山水林田湖海生命共同体在压力状态下响应耦合关系(图1)。①山—海耦合关系。海水通过一定的物质能量运输水汽,输送到山系统中,进一步使海水系统对山系统进行地貌构造,海水在一定层程度上塑造了地形地貌。基于山系统压力指标和状态指标,需积极响应荒山绿化,水土流失之山地环境治理,对山系统进行绿化保护,山地整治。②湖—海耦合关系。湖系统是流域范围内调蓄水源的重要通道,河流直排入海量、直排入海占工业废水排放比例增加将对海洋环境造成破坏。基于湖系统的压力指标和状态指标需积极响应污水处理,水土流失之小流域治理使湖系统发挥调节小气候,流域源头清洁作用。③林—海耦合关系。林系统具有净化水源、涵养水土作用,森林资源遭破坏,没有红树林防护每年将会有大量地表土冲入大海,生物多样性将受到威胁,因此应积极退耕还林造林,水土流失之保林,使林系统发挥涵养水源,保持水土作用。④田—海耦合关系。田系统在粮食安全方面发挥着重要的作用,海洋生态环境好坏进一步影响田系统安全。因此,应积极响应土地整治规范,水土流失之保田,使田系统发挥退耕还林,坡地改造梯田作用。⑤水—海耦合关系。海系统对水系统起到维护生物多样性作用,水系统使海系统海洋资源丰富,因此应积极响应海洋生态保护,水土流失之海洋生态修复,使海系统生态得以保护。

图1 广西北部湾山水林田湖海耦合协调关系

2.1.3 指标体系构建山水林田湖海生命共同体,各个子系统间关系密切,每个子系统的发展形态都会影响整体的发展形态。本文参考已有的文献[25-26]分析研究其指标体系,针对广西北部湾的自然人文实际情况,根据指标体系的系统性、综合性、可获性、科学性、区域性原则,构建评价指标体系(表1)。本研究同时加入SPR模型和“4C指数”对山水林田湖海各子系统进行阐述分析。

表1 山水林田湖海生命共同体评价指标体系

2.2 数据源及预处理

本研究的30 m分辨率DEM遥感影像数据来自地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn/)。基础地理数据包含行政区域数据,来自于全国1∶100万数据库。阳坡比例、地形起伏度、沟壑密度均通过遥感影像在ArcGIS中提取得到;地表水资源、地下水资源、森林覆盖率、造林面积、林业产值、耕地面积占比、人均粮食产量、耕地利用率、园林绿地面积、水产品产量、人均水资源量、人均废水排放量、污水处理率、农作物与经济作物比值、直排入海占工业废水排放总量比例来源于中国经济与社会统计数据库(https:∥data.cnki.net/);河湖面积由DEM影像提取,来自于土地调查成果共享服务平台;自然保护区面积来源于广西地情网(http:∥www.gxdfz.org.cn/flbg/szgx/201705/t20170505_41374.html);水土流失治理面积来源于广西水土保持公报(http:∥slt.gxzf.gov.cn/zwgk/jbgb/gxstbcgb/)及广西地情网(http:∥www.gxdfz.org.cn/index.html)的北海市、防城港市、钦州市年鉴;红树林面积来源于美国地质勘探局(https:∥www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards)的Landsat5,Landsat8遥感影像通过ArcGIS创建矢量图层进行人工目视解译获取[27];河流入海污染物排放总量来源于中国海洋环境质量公报(http:∥www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyhjzlgb/),由于部分指标数据个别年份存在缺失的情况,本文选用各地(市)统计公报和插值法补齐。

2.3 研究方法

2.3.1 无量钢化模型运用极小化无量纲法对各要素指标进行无量纲标准化,运用小数定标法对山系统各指标进行标准化。计算公式为:

式中:xij表示第i年份j项指标的最终原始值;是第i年份j项指标的一个标准化值;a为满足条件的最小整数。

2.3.2 综合评价模型运用熵值法求出区域各指标权重,采用综合评价模型计算该区域山水林田湖海等级综合开发水平,计算公式为:

式中:qi表示各系统的综合评价得分;Wj表示各项指标的权重;ej表示熵值。

2.3.3 耦合协调模型运用耦合协调模型测算区域山水林田湖海各要素的耦合发展状况,计算公式为:式中:C代表山水林田湖海各系统之间的耦合度,其取值范围为[0,1]。C值越远离0,表示各系统间的耦合度越大;C值远离1,表示各系统间的耦合度越小。为进一步辨别各子系统相互间影响程度,需借助耦合协调度进行测评,计算公式为:

式中:D代表山水林田湖海生命共同体的耦合协调度;T综合评价指数。D的取值范围为[0,1],取值越大,协调程度越好,其类型详见表2。

表2 山水林田湖海生命共同体耦合协调度等级分类

2.3.4 灰色关联度模型借助灰色关联模型,分析影响山水林田湖海生命共同体耦合协调发展的主要驱动因素,为其可持续利用提供参考。

3 结果与分析

3.1 山水林田湖海生命共同体综合分析

由图2可以看出,广西北部湾整体上山水林田湖海综合评价指数上升了0.246 6,综合评价指数平均分具体为:水＞林＞海＞湖＞田＞山。①山系统的各项指标短期内不会有急剧变化,该区山系统的综合评价得分是0.428 6。由于国家“十三五”规划的提出,一直以来注重对自然保护区的建设发展,以及山系统由于本身的发展状态比较稳定,所以评价水平变化幅度并不明显。②水系统的综合评价指数在2005—2014年期间上升了0.336 0,2020年下降为0.774 4。2008年水系统的综合评价指数在急剧上升说明政府出台“节能减排”措施,使用水的质量在增加;2020年水系统综合评价再有些下降,说明当时水系统的提升空间可能出现饱和状态,后期的发展仍需创新发展水系统治理措施,促使水生态环境得到改善。③林系统的综合评价指数整体上呈现出不断上升趋势,2008年出现下降是由于人们对森林的破坏,以及大量种植桉树,破坏生态环境;2011—2020年稳步上升至0.822 4,说明政府颁布保护森林资源的法律法规,如退耕还林还草,合理建设园林绿地面积,封山育林同时减少人工桉树林种植的政策实施取得一定的成效。④田系统的综合评价指数2005—2014年下降了0.094 1,2014—2020年上升至0.447 76。这说明田系统的综合评价水平总体上处于较高水平。2014年后该数值在上升说明该区域实行“八山一水一分田”的政策取得一定的成效。但从整体上看,田系统仍呈现出波动起伏的状态,因此后期仍需加强田系统的合理规划,使其持续稳步向好方向发展。⑤湖系统的综合评价指数2008—2011年下降了0.242 6,2014至2020年上升了0.184 2。这表明2011年该地区污水排放不合理,导致河流的水质下降。2014年实施节能减排的优化方案,对工业排放的污水进行优化处理,提升了城市污水的处理率。因此,这几年的污水处理成效比较显著,湖系统综合评价指数在稳步上升。⑥海系统的综合评价指数2005—2017年上升了0.502 7,2017—2020年下降了0.427 9。2005年出现最低值,表明人们在对海洋进行开发活动的时候,海洋生态保护意识差,填海造陆,致使海洋生态环境遭到破坏。2017年的综合评价水平达到0.888 4,这表明2016年“十三五”规划纲要提出后,人们更注重保护湿地、海岸线、红树林,保护海洋生态环境,使海系统呈现向良好的趋势发展。

图2 广西北部湾2005—2020年山水林田湖海生命共同体综合评价指数

3.2 山水林田湖海耦合协调性分析

3.2.1 山水林田湖海生命共同体耦合协调度时序演变分析运用耦合协调度法计算结果得出研究区2005—2020年山水林田湖海耦合协调效应(表3)。2005—2020年,耦合协调度上升0.160 5,并且经历了“初级协调—中级协调—良好协调”的耦合协调演变过程。2011年以前的山水林田湖海综合评价都处于较低的水平,制约着整体综合效益水平,耦合协调发展效益较低,说明该地区为发展经济对资源的开发程度加大,人为的干扰程度加大,各子系统间的协调能力出现下降趋势。2011年后的综合效益发展水平较之前有所上升,表明山水林田湖海生命共同体耦合协调度总体上处于较好的水平,其耦合协调发展水平正向好的态势协调发展。从耦合协调度的具体值情况进行分析来看(表4),北海市六期的耦合协调度平均值为0.751 6,防城港市为0.807 2,钦州市为0.767 3,表明在近15 a来,3个地级市中防城港市的山水林田湖海生命共同体耦合协调效益发展程度最优。

表3 山水林田湖海耦合协调结果

表4 广西北部湾2005—2020年各市山水林田湖海耦合协调性分析

3.2.2 山水林田湖海耦合协调度空间演变分析

2005—2011年,北海市、防城港市的耦合协调类型基本保持不变,分别为中级协调和良好协调;钦州市呈现出“倒U”波动起伏趋势,其原因在于2005年当地处于沿海开放城市,工业、生活废水不得以合理处置,直排入海工业废水的比例较高达到14.7%,耦合协调水平较低。2008年防城港市一直能保持较好的水平,由于该地区在生态文明建设背景下,注重生态保护,防城港的森林覆盖率达到60%以上,钦州市的污水处理率和耕地利用率相对较高,耦合协调水平发展较好。2011年北海市、钦州市山水林田湖海耦合协调度不同程度都有下降,但是北海市下降0.039 5%,原因是随着城市的发展对自然的开发程度加大,红树林面积在削减,污水处理率较低,约为80.17%,废水直排入海量大达1.52×105t,影响了区域的生态环境。

2014年北海市、防城港市、钦州市的山水林田湖海耦合协调度分别下降了0.060 5%,0.038 3%和0.118 9%;2017年北海市和钦州市均为中级协调,防城港市为良好协调;2020年北海市、防城港市、钦州市的耦合协调度均由中级上升至良好协调。其原因在于该地区在2011—2014年的河流直排入海量增加导致河流入海污染物增加,并且由于人为活动导致当地的“三废”排放量增加,对当地的生态环境造成了一定的破坏;2017年综合评价指数除防城港市出现下降外,北海市和钦州市都有所提升,由于国家注重生态文明建设,注重对红树林的保护,提升污水的处理率,减少废水排放量;2020年三市耦合协调度获得一定提升,红树林面积相比2017年均扩大,红树林对生态环境的修复具有一定的保护作用。

综上分析,2005—2020年广西北部湾各市的山水林田湖海生命共同体耦合协调程度北海市、防城港市、钦州市的发展水平都获得了一定程度的提升。从总体上看,该区存在耦合协调水平不够高的问题,因此亟需构建更好的耦合协调发展对策,提升耦合发展水平(图3)。

图3 广西北部湾山水林田湖海耦合协调度空间分布

3.3 山水林田湖海耦合协调驱动力分析

运用灰色关联模型计算山水林田湖海6个子系统的耦合协调度与山、水、林、田、湖、海系统的灰色关联度(表5)。由表5可知,水系统及其各指标元素是影响各要素耦合协调发展的首要驱动因素,其值为0.666 7,水系统中的水土流失治理面积、地下水资源、地表水资源、人均水资源量反映了水系统与人类活动对生态环境的影响,广西北部湾地表水资源含量为1.528 4×1010m3,地下水含量为4.017 0×109m3。并且地下水和地表水在维持生态环境系统与演化过程中发挥着重要作用。从生态学的视角来看,水系统的基本形态将会影响其他子系统。因此,在社会生态文明建设的背景下,广西北部湾需要进行社会治理和海陆交错地带生态修复相结合,贯彻落实山水林田湖海是一个生命共同体的理念。田系统及其各指标元素是影响各要素耦合协调发展的次要驱动因素,值为0.634 1,这说明田系统在山水林田湖海生命共同体的影响程度相对较强。广西北部湾地理位置比较优越,地处沿海,人口密集,人均粮食产量少,耕地面积支离破碎,耕地利用率低将严重影响当地的可持续发展。因此,广西北部湾应该严格遵循生态文明建设理念,同时考虑田系统对区域可持续发展具有的生态文明价值,积极推进生态文明建设统筹布局工作。

表5 广西北部湾的灰色关联度计算结果

4 讨论

本研究基于“4C指数法”对广西北部湾山水林田湖海生命共同体的24个评价指标的耦合协调性进行了综合评价。海元素的综合评价水平最高,因此以海元素作为核心要素多维测度分析山水林田湖海对环境影响,对生态文明建设和可持续发展具有一定的理论参考和现实意义。

(1)在研究尺度上,本文主要从市域尺度进行研究会存在一些不完善之处。如果能够将研究区域缩小到县级或更小的研究尺度,评价指标体系将会更加完善、具体,关联度和契合度将会更高。

(2)在评价指标体系上,目前只有24个评价指标,选取的评价指标体系可能并不完善,在后面研究中水系统可增加侵蚀模数等指标;山系统可增加海拔、坡度、岩性等指标研究。很多学者的研究主要从生态视角分析山水林田湖草及其生态修复,而本质上,山水林田湖草生态修复是隶属国土综合整治的范畴,也应该从社会经济学视角开展研究与讨论。本文主要是从社会视角出发进行研究,视角不同指标体系的选择也会存在一定的差异;并且由于目前研究跨度只有16 a的数据,时间尺度不够长,数据量不足。未来评价指标体系仍需进一步地完善,山水林田湖海综合评价方能更加系统全面。

(3)在研究评价结果上,由于生命共同体概念是近几年提出的,之前各方面的发展都不成体系。生态领域存在各自为政的情况,所以耦合协调度不高。对于驱动力的分析,根据不同的研究指标,将会得到不同的驱动因子判别结果。本研究在获取数据及其研究能力方面还存在一定不足,因此后期应增加更多影响山水林田湖海系统协调性的重要因素进行研究分析。如人口密度、城镇化率、建设用地比重、产业结构变化、交通基础设施建设等指标,使得研究结果更加准确、全面。未来基于“4C指数”进行多维测度环境影响研究和“山水林田湖海+”生命共同体研究可提供理论基础和参考借鉴。“山水林田湖海+”生命共同体建设中政府需要完善各方面的机制。工农业生产应以减少生态环境破坏,防止水土流失,更加注重海洋生态保护,促可持续发展作为重要举措,以及提高“山水林田湖海”耦合发展水平,促进区域生态文明和社会发展相协调,经济发展向高质量发展迈进。