矿产资源开发视角下基于SRP模型的秦岭“生命共同体”生态脆弱性评价

郭 梨,李冰洁,杨 震

(西安建筑科技大学资源工程学院,陕西 西安 710055)

党的十九大报告提出了“人与自然是生命共同体”的科学论断[1]。十九届五中全会指出“强化国土空间规划和山水林田湖草系统治理将成为十四五时期的重大举措”[2]。自此,“人与自然是生命共同体”的理念得到进一步阐述与延伸。我国学者主要从自然科学的角度对山水林田湖生命共同体的科学内涵、修复治理的实践路径与效益以及健康评价等方面展开了研究[3-6],但针对生命共同体生态脆弱性的相关研究不足,尤其对于秦岭这种特殊区域的生命共同体生态脆弱性的研究更为鲜见。1905年,生态学家Clements[7]首次将生态过渡带这一概念引入生态学。20世纪60年代起,国际生物学计划(IBP)、人与生物圈计划(MAB)和生物圈计划(IGBP)开始对生态脆弱性进行重点研究[8]。我国对生态环境脆弱性的研究起步相对较晚,1989年牛文元[9]对生态环境脆弱带这一概念进行定义。目前生态脆弱性方面的研究主要围绕系统敏感性与外部影响之间的关系、人地系统的适应性、生态修复等展开[10-13],而研究区域主要集中在干旱半干旱区[14]、水库区[15]、河流[16]、山区[17]等环境恶劣或者受人类活动干扰的地区。

秦岭是中国南北的地理分界线,拥有多样的生物资源和水资源,是陕西乃至全国重要的生态功能区。采掘业作为对生物圈各要素破坏程度最大的行业,严重破坏了秦岭地区的生态环境,如重金属污染、水土流失、森林资源减少和地下水枯竭等生态问题正严重影响着人与自然的安全和谐。如何在资源开采的同时保护好秦岭生态环境,促进人与自然“生命共同体”的健康发展,是需要长期关注的问题。

本文从山水林田湖出发,根据山水林田湖系统在秦岭地区的典型性,对矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”内涵与外延进行定义,并基于生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)模型构建秦岭“生命共同体”生态脆弱性评价指标体系,采用主成分分析法对秦岭“生命共同体”2013年、2017年、2020年3期生态脆弱性进行定量评价,揭示秦岭“生命共同体”生态脆弱性的时空分布特征,并分析主要驱动因子,为解决秦岭矿产资源开发与生态环境之间的矛盾、促进秦岭地区的健康持续发展提供理论支持。本文的研究范围为秦岭陕西段,包括西安市、宝鸡市、渭南市、汉中市、安康市和商洛市6个地级市,总面积达11.13万km2,海拔多在1 000 m以上,南北气候呈现显著差异,北坡为暖温带气候,南坡为亚热带气候,多样的气候造成了多样的物种,植被、景观分界明显。

1 秦岭“生命共同体”概念模型

山水林田湖生命共同体是由山、水、林、田、湖等多种要素构成的有机统一整体,揭示了人与自然的内在关系。人类生活在有山、有水、有林、有田、还有湖的生态系统中,人的命脉在田,田的命脉在水,水的命脉在山,山的命脉在土,土的命脉在树,这一观点体现了生命共同体的自然规律以及协调关系。秦岭地区多以山地、林地为主,不加保护的开发和矿山地质环境历史遗留问题造成土地侵蚀严重、植被退化和山体滑坡。而山体受损一定程度上会影响森林资源,森林具有涵养水源、保持水土、防护农田的重要作用,森林受损会加剧水土流失。山是江河之源,秦岭地区水资源丰富,河流密布,其生态意义在于涵养水源、供给水,但水资源与经济社会和生态环境的空间布局还不平衡,发展与自然相互割裂的状况依然存在。河湖水库是水资源利用的主要表现形式,主要作用于生活供水、农田灌溉以及改善生态等方面,同时水资源及河湖水库又是耕地、水田发展的基础,耕地面积是保证农业发展的前提,反之,农田用水影响水资源的质量,导致水污染这一问题。山水林田湖服务于人类,同时又受人类活动的影响。将“人”纳入生命共同体中体现了人与自然和谐的根本,为实现人与自然和谐共生提供支撑。

秦岭地区拥有丰富的矿产资源,矿产资源不合理的开发利用已经严重破坏了秦岭生态安全。矿山开采活动在促进经济发展的同时会对秦岭生态环境产生胁迫作用,生态环境的恶化会制约秦岭地区的矿产资源开发和经济发展,而良好的生态环境会提高矿山经济效益,减少安全事故。经济发展一方面会增加矿山开采和环境治理的资金投入,另一方面会加大对资源与环境的需求,造成生态压力。

本文基于矿产资源开发这一视角,对受人类从事矿产资源开发活动影响的秦岭“生命共同体”生态脆弱性进行分析。秦岭“生命共同体”的内涵,一方面是在矿山开采活动的影响下,山水林田湖自然系统在秦岭地区表现出的特性,在这一基础上与社会经济系统进行融合,共同构成“社会—经济—生态”这一复杂系统;另一方面,从国土空间的角度出发,矿产资源的不合理开采直接影响着生态空间、农业空间和城镇空间的和谐健康发展,矿产资源系统是秦岭“生命共同体”中不可或缺的部分,以上构成了秦岭“生命共同体”,如图1所示。

图1 秦岭“生命共同体”概念模型Fig.1 Conceptual model of “life community” in Qinling Mountains

从秦岭“生命共同体”的内涵与外延出发,参考不同研究者构建的生态脆弱性评价指标体系[18-19],考虑生命共同体系统的资源总量、带来的社会经济效益等,并结合矿产资源开发这一特殊背景,对秦岭“生命共同体”的组成要素进行分析,其结果如图2所示。

图2 秦岭“生命共同体”组成要素Fig.2 Elements of “life community” in Qinling Mountains

2 秦岭“生命共同体”生态脆弱性评价

2.1 评价指标体系构建

生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(ecological sensitivity-ecological recovery-ecological pressure model,SRP)模型是用于评价特定区域生态脆弱状态的模型[20],针对某一时段下的特定区域,该系统会对内外干扰表现出敏感性,同时会对内外压力进行自我调节,从而使系统呈现出恢复力。

SRP模型考虑了自然生态与社会经济系统之间的相互作用,本文参考相关学者的研究成果[21-23],并根据前文对秦岭“生命共同体”概念模型的分析结果,从生态敏感性、生态恢复力和生态压力度这三个层面对秦岭“生命共同体”的组成要素进行分类,构建了矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”生态脆弱性的评价指标体系,如图3所示。

图3 矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”生态脆弱性评价指标体系Fig.3 Evaluation index system of ecological vulnerability of “life community” in Qinling Mountains from the perspective of mineral resource development

秦岭生态系统的生态敏感性是指在外界干扰下生态系统的敏感程度,本文通过文献阅读和对秦岭生态问题的深入探究,选择降水量、地下水资源量、地表水资源量、空气日报优良率等评价指标来表征生态敏感性。

生态恢复力是指秦岭生态系统受到干扰后生态环境恢复到原状的能力,本文通过相关文献,根据研究区内拥有的自然资源和采取的生态补偿对策,选择森林覆盖率、水库库容、矿山修复面积、环保投资等评价指标来表征恢复力。

生态压力度是指秦岭地区内的社会经济活动对生态环境带来的压力强度,本文通过文献阅读和深入探究,选择人口密度、人均GDP、第二产业比重、采矿业能源消耗量、工业废气排放量、矿山破坏面积等评价指标来体现人类活动的影响。

2.2 数据来源

降水量、用水总量、地下水资源量和地表水资源量数据来源于《陕西省水资源公报》;矿山破坏面积、矿山修复面积数据来源于《中国国土资源统计年鉴》及陕西省自然资源厅统计数据;其他数据来源于《陕西省统计年鉴》、各市统计年鉴以及中国经济与社会统计数据库;缺失的部分数据,本文采取线性插值法补齐。

2.3 生态脆弱性评价方法

2.3.1 生态脆弱性指数计算方法

本文利用数学模型计算生态脆弱性指数(ecological vulnerability index,EVI)以评估研究区的生态脆弱性程度[24]。为了降低评价指标之间的相关性和重叠性,采用主成分分析(principal component analysis,PCA)法[25]对相关数据进行降维重组,将多个评价指标转变为几个相关性较低的主成分,以此来保留原始指标中的大部分信息。将原始数据导入SPSS 22.0软件进行主成分分析,生态脆弱性指数计算的具体步骤如下:

1) 采用极差法进行标准化处理,以消除数据间的差异,正向指标和负向指标采用如下不同的公式计算:

正向指标的计算公式为

Xi=[(xi-xmin)/(xmax-xmin)]

(1)

负向指标的计算公式为

Xi=[(xmax-xi)/(xmax-xmin)]

(2)

式中:Xi表示评价指标i的标准化值,xi表示评价指标i的观测值,xmin表示评价指标观测值中的最小值,xmax表示评价指标观测值中的最大值。

2) 根据主成分累计贡献率达85%以上且特征值λ>1的标准确定主成分,并计算各个主成分的得分,其计算公式如下:

(3)

式中:Yj为第j个主成分的得分;zij为第j个主成分中评价指标i(i=1,2,…,n)所对应的特征向量。

3) 计算生态脆弱性指数EVI,其计算公式如下:

(4)

式中:Yj为第j个主成分的得分;ωj为第j个主成分对应的贡献率。

2.3.2 生态脆弱性分级

在进行生态脆弱性阈值划分时,由于研究区生态环境现状不同,研究者采用的方法不同,导致难以对研究区的生态脆弱性程度进行界定。本文根据研究区自然、社会、经济和环境的特性,采用以生态脆弱性指数(EVI)均值为中等参照值,以与方差成比例的等值范围创建分级间隔,间隔为1倍、2倍,将矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”的生态脆弱性程度划分为5个等级,即微度脆弱(EVI≤0.401)、轻度脆弱(0.4010.523)。

3 结果与分析

3.1 秦岭“生命共同体”生态脆弱性时空分布特征

本文利用SPSS 22.0软件对矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”2013年、2017年和2020年3期数据进行主成分分析,根据主成分累计贡献率达85%以上且特征值大于1的标准,从32个评价指标中提取主成分,得到主成分的特征值、贡献率和累计贡献率如表1所示,生态脆弱性指数EVI如图4所示。

表1 矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”3期数据主成分的特征值、贡献率和累计贡献率

图4 矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”各市3期 生态脆弱性指数EVIFig.4 Three-phase ecological vulnerability index(EVI) of the “life community” of each city in Qinling Mountains from the perspective of mineral resource development

根据生态脆弱性的分级标准,利用ArcGIS 10.7软件得到矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”生态脆弱性的等级分布图,如图5所示。

图5 秦岭“生命共同体”生态脆弱性等级分布图Fig.5 Distribution of ecological vulnerability level of “life community” in Qinling Mountains

由图5可以看出:

1) 2013年秦岭“生命共同体”的生态脆弱性指数在0.39～0.65之间,以极度脆弱为主。其中,西安、渭南和商洛市处于极度脆弱区,受水土植被、人口密度、人均GDP的影响,承受的生态压力极大,对外界干扰极度敏感;宝鸡和安康市分别处于重度脆弱区和中度脆弱区,承受的生态压力接近阈值,生态系统自我恢复能力较差;微度脆弱区主要分布于安康市,其生态系统抗干扰和自我恢复的能力强[图5(a)]。总体来看,矿产资源开发视角下2013年秦岭“生命共同体”的生态脆弱性程度呈现北高南低、东高西低的状态。

2) 2017年秦岭“生命共同体”的生态脆弱性指数在0.24～0.57之间,生态脆弱性程度较2013年好转,以中度脆弱为主。其中,西安市因采矿业持续发展,工业废弃物排放量增多,仍然处于极度脆弱状态;渭南和商洛市积极调整产业结构,改善生态环境,由极度脆弱转变为中度脆弱;宝鸡市由重度脆弱变为中度脆弱,森林覆盖率和水土流失治理面积均有所提高,生态系统功能逐步完善,对抗外界压力的能力增强;汉中和安康市的生态脆弱性等级并未改变,但其EVI值均呈下降趋势[图5(b)],说明经济的快速发展对生态和资源产生了胁迫作用。总体来看,矿产资源开发视角下2017年秦岭“生命共同体”的生态脆弱性程度呈中部高、四周低的空间分布。

3) 2020年秦岭“生命共同体”的生态脆弱性指数在0.26～0.95之间,整体以微度脆弱为主,生态脆弱性程度呈现由东北高的空间分布特征。其中,宝鸡、汉中和商洛市由中度脆弱变为微度脆弱,这是由于三市加强了生态保护建设,森林面积大且存在较多生态保护区,生态脆弱性程度好转;西安市由极度脆弱变为微度脆弱,这是由于该市加强环境治理工作,污染物排放量大幅减少,生态保护效果显著;渭南市由中度脆弱变为极度脆弱,生态环境破坏严重,生态脆弱性极高,这是由于渭南市的支柱产业为农业和矿业,在“工业强市”等政策影响下,采矿业投资增长了15.7%,煤矿开采程度不断加大,工业污染物排放量持续增长,造成严重污染,导致生态脆弱性程度较高;安康市仍然属于微度脆弱区[图5(c)]。除渭南市和安康市外,其他各市的EVI值均有所降低,整体上生态脆弱性呈现好转趋势。

3.2 生态脆弱性主要驱动因子分析

主成分载荷矩阵体现了原始指标信息在主成分上的集中程度以及影响评价结果的主要指标。本文利用SPSS软件得到初始因子载荷矩阵,载荷系数的绝对值越接近1,表示该因子对生态脆弱性的影响越大。以2020年为例,其主成分载荷矩阵如表2所示。

表2 矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”生态脆弱性评价主成分载荷矩阵

由表2可知:

1) 第一主成分主要体现了矿产开发、工业废弃物和农业发展的影响,主要驱动因子为工业废水排放量、工业废气排放量、采矿业能源消耗量、耕地面积。矿产资源开发是影响生态脆弱性的主要原因,研究期内矿山破坏面积持续增长,工业废气排放量增加了24%,矿产业的发展虽然促进了社会经济的发展,但对资源与环境的安全产生了胁迫作用。因此,秦岭地区应加快绿色矿山建设,推进矿区生态环境的保护与修复;同时,应重点关注工业废弃物的处理,提高无害化处理率。农业是生存之本,秦岭地区受矿产资源开发和城镇扩张的影响,农田生态环境质量亟待改善。

2) 第二主成分主要体现了经济水平和林业发展的影响,主要驱动因子为人口密度和地区生产总值。研究期内,地区生产总值和人均GDP分别增长了84%和66%,水土流失治理面积与新封山育林面积均有所增加,表明经济增长会促进社会其他方面的发展。因此,秦岭地区应大力发展特色经济,为社会发展提供活力的同时为生态建设提供保障;同时,应开展水土流失综合治理,建设好生态防护林,科学推进退耕还林还草。

3) 第三主成分体现了水资源安全对生态脆弱性的影响。秦岭地区水资源南北分布不均,且秦岭南部存在矿产开发带来的污染问题,因此应开展治污节水保护工作,推进管山治水数字化、一体化建设。

4) 第四主成分体现了经济结构的影响,主要驱动因子为水库库容和第二产业比重。第二产业的发展会消耗大量资源,因此秦岭地区应提高生产力、调整产业结构、推动落实绿色转型发展。

5) 第五主成分再次反映了矿产资源开发的影响,主要驱动因子为有色金属产量,因此秦岭地区应对矿产资源进行整合,实现矿产品的结构优化。

综上所述,影响秦岭“生命共同体”生态脆弱性的主要驱动力可概括为矿产开发、工业污染物排放、农业发展、经济水平、林业发展、水资源安全6个方面。

4 结论与建议

本文基于生命共同体理论,对矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”的内涵和外延进行了研究,建立了矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”概念模型,并基于SRP模型和主成分分析法,综合研究区的现状,对秦岭“生命共同体”2013年、2017年和2020年3期的生态脆弱性状况进行了综合评价,分析其生态脆弱性的时空分布特征及其主要驱动因子,得到如下结论:

1) 本文研究的矿产开发视角下的秦岭“生命共同体”,其内涵是包含山水林田湖要素在内的自然资源系统在研究区内的发展状态,通过“人”延伸到社会经济发展;其外延包括矿产资源的开发水平,并延伸到矿山开采活动对生态、经济以及生态空间、农业空间与城镇空间发展产生的影响。

2) 2013—2020年,矿产资源开发视角下的秦岭“生命共同体”生态脆弱性有所改善。空间上,秦岭“生命共同体”生态脆弱性整体上呈东北高、西南低的特征;时间上,秦岭“生命共同体”生态脆弱性实现了从极度脆弱到整体微度脆弱的改变,生态脆弱性指数整体上呈下降趋势,但渭南市的生态脆弱性程度仍在加剧。

3) 影响秦岭“生命共同体”生态脆弱性的原因涉及到资源、环境、社会和经济等多个方面,其中工业废水排放量、工业废气排放量、采矿业能源消耗量、耕地面积、地区生产总值、人口密度、环保投资、水库库容等是矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”脆弱性的主要驱动因子。

尽管秦岭“生命共同体”的生态脆弱性整体上呈现好转趋势,但矿产资源的过度开发导致的矿山地质环境问题严峻,环境和资源受损严重;农业扩张占用了土地资源,阻碍了秦岭地区生态保护工作的推进;过度追求林业资源带来的经济效益导致生态环境恢复难度较大;其他产业的发展离不开水资源的开发利用,而水资源安全也是影响秦岭地区生态脆弱性的重要因素。因此,动态监测矿产资源开发视角下秦岭“生命共同体”的生态脆弱性程度,掌握其动态变化过程,将有利于秦岭地区的生态环境、资源安全和经济水平的协调健康发展,对于解决秦岭地区矿产资源开发与生态环境保护之间的冲突、推动人与自然“生命共同体”的可持续发展具有重要意义。本研究主要着眼于生命共同体背景,目前还没有形成较为统一的生态脆弱性评价指标体系,今后研究的重点是建立完善科学的“生命共同体”生态脆弱性评价指标体系。