乐山大佛景区生态健康评价

杜欣雨,黄 琴,朱仁剑,林雅萍,刘洪江

(乐山师范学院 旅游与地理科学学院,四川 乐山 614000)

0 引言

2020年国务院办公厅印发了《关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见》,明确提出“深化学术研究和价值挖掘、规范石窟寺旅游开发活动、提升石窟寺综合展示水平”等任务目标。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确提出“推动绿色发展,促进人与自然和谐共生”的生态文明建设任务。生态环境健康状况反映了旅游地开发建设水平,是衡量旅游景区的重要指标。探讨石窟寺生态健康评价方法,对石窟寺旅游景区建设改善与保护开发等具有重要意义。

生态健康评价起源于20世纪70年代,后续广泛应用于河湖及湿地研究领域[1];国内外相关研究主要分成物种法与指标体系两种方法,前者常根据生态系统群落特征开展评价,后者应用较广,如利用层次分析法(AHP)搭建相关指标体系并对黄河三角洲入海口生态健康进行评价[2];采用压力—状态—响应(Pressure-State-Response,PSR)模型从环境、生态、状态3个方面搭建指标体系并对刁口河尾闾湿地生态系统状况进行评估[3];此外,也有将生态健康评价方法运用在城市湖泊生态研究之中,搭建指标体系模型评估城市中湖泊水体生态健康状况[4];将生态健康评价应用于土地系统健康评价、城市湖泊生态等研究[5];也有采用经典三维理论模型从活力、组织、恢复力3个维度对工业园区内生态健康状况进行评估[6]。在诸多指标体系模型中,PSR模型应用最为广泛,其逻辑性较强,能更好突出生态系统特征与人类活动之间的关系,使其更全面地反映研究区内各生态因子之间存在的矛盾与联系,有利于更好地提出相应解决措施与防治手段[7-14]。

但上述方法仍面临指标体系权重确定的科学性提升问题,需要对其进行改进,基于此,以乐山大佛景区为例,搭建PSR模型,运用AHP—熵权组合确立权重,建立生态健康评价指标体系,运用GIS空间分析结合生态健康评价综合指数(CEI)对石窟寺景区内生态系统进行健康评价,找出影响石窟寺景区生态健康的主要因素,为中国石窟寺景区生态环境保护与管理提供依据,促进石窟寺景区旅游高质量可持续发展。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

1996年12月6日,联合国教科文组织世界遗产委员会在第20届全委会上将峨眉山—乐山大佛列入《世界遗产名录》,乐山大佛成为全球第18个、中国第3个、四川省第1个文化与自然双重遗产。乐山大佛位于四川省乐山市市中区岷江东岸与大渡河交汇处的凌云寺侧丹霞地貌岩壁,开凿于唐代开元元年(713年),历经3代工匠,耗时约90年完成,通高71 m,是中国最大的摩崖石刻造像。岩层为白垩系夹关组紫红色砂岩,由于岩性胶结性差,成岩深度较浅,时间较短,加之该地区气候类型为亚热带季风气候,雨热同期,多年平均降雨量1 100 mm,平均降雨日数可达175天,降水量丰富,植被生长繁密,根劈作用明显,使得乐山大佛容易遭受地质灾害、风化、生物病害等因素的破坏。乐山大佛是世界重要旅游目的地,2015-2019年乐山大佛旅游人数从362万人增加到423.2万人,文化和旅游业对GDP的贡献率多年维持在20%左右。乐山市自建成1 300余年来,由于自然和人为原因,乐山大佛曾多次受损,并经历多次维修,据可考证的修缮活动包括唐代1次,明清时期3次,民国时期3次,新中国成立后大佛的修复和保护有了明确的记录,至今先后共经历了9次修缮。相关研究表明乐山大佛对工业污染的酸雨、粉尘、汽车尾气等环境污染因子比较敏感,加之近几年来旅游人数不断激增,景区生态系统环境受人类扰动影响较大,需开展生态健康评估,寻找石窟寺旅游开发中的环境影响因子,提升景区生态质量,促进景区可持续发展。

乐山大佛(拍摄于1925年,图片来自史影)

1.2 数据来源

选取2015-2019年内乐山大佛景区周边城镇化率、旅游强度、年GDP增长率、空气污染状态、国民受教育程度、生态恢复工程、政策法规贯彻力度、NDVI指数、NPP指数、蒸散量等数据(表1),其中城镇化率、旅游强度、年GDP增长率、空气污染状态等数据来源于《乐山市统计年鉴》与《乐山市生态环境公报》;NDVI、NPP及蒸散量数据来源于数据禾发布的MODIS中分辨率卫星植被归一化反演数据;政策法规贯彻力度依据乐山大佛景区该年内修缮次数与政府发布相关文件,采用专家打分法(Delphi法)得到。

2 指标体系与研究方法

2.1 PSR模型的指标体系

根据石窟寺景区生态环境特点进行指标选取,按照PSR模型将所选指标分为3层。第一层为压力层,指影响石窟寺景区生态健康状况的压力因子;第二层为状态层,指每一指标所反应的石窟寺景区生态系统状态;第三层为响应层,指人类活动对生态健康维护所作出的反应(表2)。

PSR模型最早由加拿大统计学家David J Rapport 和 Tony Friend提出[15],以因果关系为基础,运用压力—状态—响应表达人类系统对其生存环境(P)、资源存储量与生态状况(S)、生态状况和资源存储量改变响应(R)的数量关系。

2.2 指标权重确定方法

石窟寺生态环境健康状况指标权重采用AHP主观权重和熵权客观权重结合的方法来确定,既可以克服AHP主观权重的缺点,又增加了熵权客观权重的特点,能够科学的反映评价的客观性。

2.2.1 AHP主观权重分析法

AHP(Analytic Hierarchy Process)又称层次分析法,最早由美国运筹学家T L Satty提出,早期应用于电力分配与网络系统管理等领域。在实际分析中,根据各指标的重要性,大多按1～9或e0/4～8/4标度法进行计算。采用e0/4～8/4标度法对其进行分析求解,最终得出判断矩阵及指标权重。

邀请专家分别对表1各指标参数进行打分,对一级指标进行赋值得到如下判断矩阵:

A所属的3个二级指标值所对应的3个判断矩阵B1,B2,B3如下:

得出权重值如下(表3):

表3 AHP评估指标权重表

表4 乐山大佛景区生态健康评价指标归一化与指标值

2.2.2 熵权客观权重分析法

(1)数据归一化处理

由于各评价指标数据标准、类型及量纲不同,需要进行归一化处理,统一在[0-1][16]。

具体计算公式为:构建n个样本,k个评价指标的判断矩阵,其中Xi={x1,x2,x3,…,xn},将矩阵中各个指标数据进行归一化处理。

正向指标处理如下:

(1)

负向指标处理如下:

(2)

(2)熵权指标权重确定

基本思路是根据指标变异性大小来确定权重,指标值变异程度越大,则信息量提供的越多,其权重越大。反之,如若某指标信息熵越大,则变异程度越小,其权重越小。采用熵权法依据公式(3)～(5)依次计算,对石窟寺景区内各指标进行赋值,最终得到结果(表5)。

表5 乐山大佛景区生态健康评价组合权重值

具体计算公式如下:信息熵可以表示该指标提供的信息量大小,则:

(3)

式中:Pij为第j个属性下第i个方案的贡献度,计算公式如下:

(4)

通过信息熵计算各项指标的权重,计算公式如下:

(5)

式中:k为指标的数量。

2.3 AHP-熵权组合权重

对AHP主观权重法与熵权客观权重法进行组合,由公式(6)得出最终组合权重值。

(6)

式中:αj为AHP主观权重;Wij为熵权客观权重。

采用AHP-熵权组合权重法所得出所有指标最终权重,得出组合权重值大小排列前三的分别为生态恢复工程0.151 7,NDVI指数0.133 3,NPP指数0.128 3,其中,生态恢复工程指标为政府对乐山大佛景区生态相关投资力度;NDVI指数与NPP指数是对景区植被生长情况的反应,植物是生态系统中的生产者,其生长状况体现出生态健康状况,指标权重排列前三。

2.4 生态健康等级确定

采用CEI(Comprehensive Evaluation Index)指数开展,又称生态健康综合评价指数,可在一定程度上反映地区环境状况。通过计算研究区生态环境压力、状态、响应的综合评价指数值,得到生态健康状况。计算公式如下:

(7)

式中:Yi为第i个指标的归一化值,Wi为第i个指标的权重。

参考相关文献资料[17],将生态健康评价状况分为5个等级(表6)。

表6 乐山大佛景区生态健康评价等级

3 结果分析

3.1 评价结果

经CEI指数计算得到的乐山大佛景区健康评价(表7),结果表明乐山大佛景区健康状况2015-2017年均不健康,2018-2019年为亚健康。

表7 研究区各年份生态健康综合评价指标值

3.2 压力分析

在压力层指标中,空气污染状态权重排第一,为0.103 8,后3项指标权重占比虽不高,但在维护景区生态健康状况方面依然有不可忽视的作用,其中旅游强度权重为0.086 4,城镇化率权重为0.057 5,年GDP增长率为0.055 0。2016-2017年大佛景区生态健康指数值持续偏低,空气污染指数高,NDVI指数低,根据PM 2.5历史数据网(www.aqistudy.cn)统计,2016-2017年AQI指数年均值和年最大值分别为83.3、327和89.5、408,2017年为5年最高。乐山大佛周边的五通桥区、高新区、夹江等分布有较多的工业区,由于乐山市风速低、相对湿度大及存在山谷风,导致乐山市空气污染较严重。2015年《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》发布,同年,生态文明建设被纳入国家“十三五”规划。2016年乐山市编制了《绿秀嘉州行动方案》,对生态环境投资力度加大,景区内NDVI指数在后3年内逐年提升,同时城市开展了大气污染防治精准治理、差异管控,通过清洁生产改造、工业大气污染治理、城市扬尘污染等方面的治理,大量削减了市中区大气污染物。2019年生态健康指数最高为0.571 6,该年内的空气污染AQI最大值为205.0,比2017年降低了49.75%,且NDVI与NPP指数为5年内最高,景区生态环境逐渐得到改善,但仍为亚健康。

3.3 状态分析

在状态指标层中,影响较大的指标依次NDVI指数、NPP指数与蒸散量,反映出大佛景区生态质量主要影响因素。

3.4 响应分析

在响应指标层中,生态恢复工程对该景区影响最为显著,权重为0.151 7,可见生态恢复的投入在较大程度上影响着该景区生态健康状况;政策法规贯彻力度与国民受教育程度也造成了一定影响,二者权重依次为0.112 4与0.067 2。

4 讨论与结论

4.1 讨论

乐山大佛石窟寺景区生态健康状况受环境状态与人类活动共同耦合作用影响。通过PSR关系模型,将乐山大佛石窟寺景区生态健康状态作为一个有机整体,从压力、状态、响应3个层面对其进行了全面分析,研究各因子对乐山大佛石窟寺景区的影响以及各因子之间的相互作用。

(1)工业污染对石窟寺景区生态健康的影响

从PSR模型中压力层指标中空气污染对乐山大佛景区生态健康状况影响最大。其中SO2排放是空气污染的主要原因之一,在大气中形成酸雨,H2SO4主要破坏岩石钙质胶结砂岩,造成石刻文物直接损坏,同时酸雨还会影响周边植被生长状况,腐蚀植株茎叶、根系,对土壤及地下水也会造成一定污染。自2017年后乐山市市中区SO2排放量逐渐呈下降趋势,这与乐山市加大环保投资、脱硫设施数量逐年增加、企业工厂标准煤使用比例上升有很大关联。城镇化率与旅游强度也对该景区生态健康状况有一定影响,该两项指标增加可使景区生态系统所承受的压力增大,对该景区生态系统造成破坏;年GDP增长表示可能用于景区生态环境建设的资金更多,对环境有一定益处。据统计,2015年乐山市市中区与五通桥区规模以上的工业企业数目为163个,2016年为164个,2017年为167个,2018年为170个,2019年为169个。虽然其呈现逐步上升趋势,但增加数目较少,且在“十三五”期间,乐山市加大了工业结构调整改革,使全市生态环境质量不断提高,AQI指数不断降低,工业污染对石窟寺造成的破坏逐渐减小(图2)。同时从可考证建国后修缮次数也可以看出20世纪90年代后修缮次数逐渐增多,从侧面反映出工业化对大佛的影响。

图2 乐山市AQI指数变化

(2)生态环境修复对石窟寺景区生态健康的影响

NDVI指数能直观展现出该景区内植被覆盖状况,其值越高,说明景区植被覆盖率越高;NPP指数直接表明景区内植物生长状况;蒸散量体现该地区土壤蒸发量与植被蒸腾作用大小,间接体现景区空气湿度、降雨、地表温度等情况;3项指标都在一定程度上影响景区生态健康状况。通过返查收集数据可知,乐山大佛景区蒸散量升高,表明其空气湿度、年均气温与年降水量等都大致呈上升趋势;可以看出,景区内蒸散量水平较高,加之乐山市土壤为紫色土,肥力水平较高,适宜植被生长,植被覆盖率增高。乐山大佛于2017年颁布世界文化与自然遗产保护条例,乐山市生态环境局多次对大佛周围环境进行污染治理,提高景区总体生态健康状况。此外,绿色植物可以吸收空气中SO2等污染物,有效防止SO2等污染物形成各类有害物质对石刻文物造成破坏。

(3)投资政策对石窟寺景区生态健康的影响

从PSR模型中响应层面来看,生态恢复工程对该景区生态环境健康状况影响最大,对建设健康的景区生态系统有较大的积极作用,且有利于加快生态系统修复,与相关研究[18]生态系统恢复工程对生态系统影响的研究结果一致。国民受教育程度和政策法规贯彻力度反映了当地居民素养和对景区环境的保护意识以及相关部门对乐山大佛景区的关注程度。

(4)石窟寺景区生态系统保护对策

以上分析可以看出工业污染是影响大佛景区的关键因子。“十三五”期间,乐山市对能源、化工、冶金等行业进行了全面改造,提高清洁生产水平,构建绿色产业链体系,淘汰落后产能。同时确立“旅游兴市,产业强市”的发展主线,利用乐山区位、投资环境、要素成本等优势,加快乐山市经济发展。“十四五”期间提出建设世界重要旅游目的地的任务。乐山大佛石窟寺的保护需要切实减少工业污染,大力实施排污节能,结合国家生态文明建设,大力整顿高污染排放企业,以减少对大佛的危害。相关历史资料表明,乐山大佛在宋末以前有外7层内13层大象阁建筑设施保护,不会直接受到降水、生物等侵蚀,风化速度很小,该建筑设施毁于宋末元初战争,到元末以后就直接暴露于空气中,失去保护建筑以后,修缮频率越来越高,表明大佛直接暴露于空气加速了大佛的侵蚀。因此有必要在今后的保护中进一步考虑加强大佛表层岩石的保护措施,如使用特殊材料涂层。

4.2 结论

(1)采用熵权-AHP权重组合的PSR模型,能客观的对石窟寺景区生态健康状况进行很好的分析,适用于石窟寺生态环境评价,可以在类似地区进行推广应用。

(2)熵权法表明影响石窟寺生态环境最重要的因素及其权重为生态恢复工程0.151 7,NDVI指数0.133 3,NPP指数0.128 3,政策法规贯彻力度0.112 4,空气污染状态0.103 8。通过控制关键指标可有效为石窟寺生态健康良性发展提供科学依据。

(3)乐山地区石窟寺保护的关键因子为工业污染,在今后的保护中要进一步考虑工业污染排放,尤其是减少二氧化硫、三氧化硫、氯气、氨气、氮氧化物等有害气体对石窟寺造成的危害,加强大佛表层岩石的保护措施,如在表层添加特定的防风化、抗腐蚀的材质。随着美丽中国、高质量现代化进程的推进实施,工业污染排放将会大幅降低,利于乐山大佛生态健康。