1、基于区域背景斑块状态的矿业城市资源型生态关键地段识别 唐荣彬 陈勇 黄冉冉 苗作华 曾向阳 武汉科技大学资源与环境工程学院 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室 摘 要： 资源型生态关键地段对于维护和控制区域生态系统安全具有重要意义, 对矿业城市资源型生态关键地段进行识别是量化矿业城市生态风险、保障生态可持续发展的有效途径。构建区域背景与斑块状态相结合的识别体系, 从宏观上对次级行政区区域背景进行生态关键度分级;通过计算斑块的矿业活动指数、斑块生态脆弱度和生态损失度, 从微观上反映斑块的生态关键度。应用 Arc GIS 空间叠加分析功能, 将大冶市资源型关键地段分为原生型、损益型和扰动型
2、, 分别占总面积的 36.83%, 19.45%, 43.72%。结果表明, 基于 BSM 的资源型关键地段识别是分析区域生态现状的有效方法, 对矿业城市生态环境治理和生态用地规划具有重要参考价值。关键词： 生态关键地段; 矿业城市; BSM; 识别; 作者简介：唐荣彬, 女, 1992 年生, 硕士研究生。作者简介：陈勇, 男, 1968 年生, 博士研究生, 教授, 硕士生导师。收稿日期：2016-10-18基金：国家自然科学基金 (41201600) The Identification of Resource Critical Portion in Mining City Based
3、on BSMTANG Rongbin CHEN Yong HUANG Ranran MIAO Zuohua ZENG Xiangyang College of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology; Abstract： The resource ecological critical portion is significant to maintain and control the safety of ecology system and the identific
4、ation of which in mining city is an effective way to quantize the ecological risk and guarantee the sustainable development of the ecology system. Based on the background-state model, the ecological critical degree of the background is graded from the macroscopic view and that of the state is also s
5、hown from the microscopic view through calculations of mineral activities index, patch sensitivity index and patch loss index. By using Arc GIS, Daye resource critical portions are divided into protogenic critical portion, damage critical portion and disturbance critical portion, covering 36. 83%, 1
6、9. 45% and 43. 72% respectively. The results show that the identification of resources ecological critical portion based on BSM is an effective method to analyze the present situation of regional ecology, which helps to manage the ecological environmental of mining city and ecological land planning.
7、Keyword： ecological critical portion; mining city; BSM; identification; Received： 2016-10-180 引言全国资源型城市可持续发展规划 (20132020) 中指出矿业城市是矿产资源赋存与开发比较集中并形成了以资源型产业为主导或支柱产业为特征的区域1, 它们为国家建设提供了大量矿物能源和原材料。矿业城市的资源开采利用, 在促进我国社会经济快速发展的同时, 也产生了环境污染、地质灾害等生态环境安全问题2, 对人类生存与城市、区域的可持续发展造成威胁。因此, 矿业城市生态安全格局的构建迫在眉睫。美国学者 Form
8、an3在 1995 年提出生态安全关键地段的概念, 俞孔坚4在此基础上将能有效控制或促进某种生态过程的关键性点定义为景观战略点 (Strategic Points) 。资源型关键地段是指在区域生态安全格局设计中, 物种多样性高、景观稳定性好、地理位置重要、干扰敏感性强的地段5-9, 是资源实体与空间位置的综合体。目前生态关键地段识别研究中, 针对自然保护区、三角洲等区域的成果较多, 而矿业城市生态关键地段识别的研究尚不成熟5-6。研究中, 受矿藏分布不均匀和不可移动的影响, 矿业城市内部各区域之间受到的矿业扰动差异性大。同时, 由于矿业城市总体生境脆弱、生态终点复杂多变, 其生态风险具有较强的
9、斑块分异性。因此, 有必要提出一种宏观上反映区域生态水平和控制状况, 微观上体现斑块风险和扰动的生态关键地段识别方法, 对矿业城市资源型关键地段进行识别。本文在总结其他学者对一般区域生态关键地段识别研究的基础上, 提出区域背景斑块状态识别体系 (Backgroud-State Model, 简称“BSM”) 。分别以研究区次级行政区为单位, 构建识别指标体系, 进行区域的生态关键度分级;以斑块为单位, 计算其矿业活动的强度、自身的脆弱度以及遭受破坏后的损失度, 得到研究区斑块的生态关键值。量化和表征矿业城市生态环境现状的同时, 为我国矿业城市生态安全格局的构建和生态用地可持续发展规划提供参考。
10、1 研究区概况及数据来源大冶市是国家发改委于 2008 年 3 月 17 日确定的国家首批中部地区典型资源枯竭型城市之一10, 位于湖北省东南部、长江中游南岸, 全市辖 3 街道, 11 镇, 1 乡;气候属大陆性季风气候, 水热光条件优越, 主要的气象灾害有水灾、旱灾、风灾和冻灾。据大冶市矿产资源总体规划 (20052015) , 大冶全市 268 个矿床 (含矿点) 中, 大型矿床 6 个, 中型矿床 17 个, 其余为小型及小型以下规模。矿业活动引发的各类生态环境问题, 已严重威胁城市居民生存质量和可持续发展11-13。主要数据来源有:大冶市地形图、行政区划图、植被覆盖图、2009 年大
11、冶市土地利用现状图、大冶市动植物种类数以及分布情况统计数据、水土流失等级图以及土壤类型、土壤污染情况、大气质量报告以及气象地震灾害的统计资料等, 社会经济数据包括人口分布密度、矿山及矿山企业的分布和重要矿山企业的年度公报等。2 基于区域的关键地段识别矿业城市由于特殊的形成动因, 其发展趋势多受经济利益的引导, 社会经济活动对生态的干扰呈现出空间分化的特点。以大冶市为例, 受矿藏不可移动性的影响和矿业生产活动阶段性特征的限制14, 矿业活动造成的生态问题具有较强的区域分异性。因此, 在遵循整体性、主导性和差异性的前提下, 选取区域生态系统的自然禀赋、生态现状和控制状况作为基于区域的关键地段识别指
12、标体系的 3 个目标层, 详细指标见表 1。表 1 大冶市资源型生态关键地段识别指标体系 下载原表 指标权重采用拉开档次法, 一方面可以保证评价过程客观、透明、保序性好, 另一方面有利于识别结果的分散化17。拉开档次法的权重模型为:式中, W= ( 1, 2, ., n) , 是权系数向量;H=AA, 是对称矩阵;A 是各评价指标的标准观测值矩阵。通过求解拉开档次法权重模型的最大特征向量, 归一化处理得到各指标的权重 (见表 1) , 进而得到 15 个乡 (镇) 的生态关键度结果 (见表 2) 。表 2 区域关键度得分 下载原表 3 基于斑块的关键地段识别矿业活动对斑块造成的影响, 不仅受到
13、干扰类型和干扰强度的影响, 还与斑块的自身特性有关。矿业活动指数、斑块敏感度和损失度可以量化与表征斑块自身的特性。3.1 矿业活动指数采矿点及矿业企业在矿产开发利用过程中的工程爆破、剥离挖据、堆放运输及矿石提炼与加工等活动, 会使土地被压占、植被遭受破坏、物种多样性减少、景观环境改变以及“三废”排放污染生态环境等。矿业活动指数 MAI (Mining Activities Index) 是对主要矿山点及矿业企业环境破坏力的量化。以大冶市主要矿山点和矿业企业为对象, 通过收集社会经济数据, 从矿山及矿业企业的种类、规模、开采方式和处理能力 4 个方面对大冶市主要矿山点和矿业企业的MAI 值进行表
14、征。MAI 值赋分规则见表 3。表 3 MAI 赋分规则 下载原表 根据表 3, 利用 Arcgis 的 BUFFER 功能, 对大冶市采矿点及矿业企业进行三级缓冲分区, 并对矿业活动影响度 (MAI) 进行表征, 如图 1。其中, 铜绿山铜铁矿及铜山口矿由于开采年限久、作业规模大, 其 MAI 值达到了 1.0;以武钢金山店铁矿、西山煤矿和龙角山矿为代表的矿业企业 MAI 值为 0.7;其余小规模的采矿点或企业 MAI 值为 0.3。图 1 大冶市 MAI 值分布 下载原图3.2 斑块敏感系数斑块敏感系数 PSI (Patch sensitivity index) 反映斑块的抗扰动能力大小,
15、 其值的大小体现斑块内部生态系统的敏感性程度。斑块敏感度越高, PSI 值越大, 斑块的关键地段属性越强。由于坡度反映地形地貌条件, 植被情况综合反映自然条件, 侵蚀强度反映人类作用及自然灾害的影响, 因此利用坡度、植被覆盖度和侵蚀强度对斑块的 PSI 值进行表征, 具体采用下式计算。式中, i代表评价指标, 分别为坡度、植被覆盖度和侵蚀强度; i为评价指标对应的权重分值。各指标的计算:坡度图由等高线图在 Arc GIS 环境下自动生成;植被覆盖度通过参考文献18中的 NDVI 值计算方法, 依据分类标准 (NADVI0.5, 0.3NADVI0.5, 0.2NADVI0.3, NADVI0.
16、2) 将植被覆盖度分为高、中、低和无 4 级覆盖度;根据大冶市历年统计数据、资料和图件, 将侵蚀强度从低到高依次分为 4 级。采用对比求和评分法对各指标等级进行赋分 (见表 4) , 利用 Arc GIS 空间叠加分析, 得出各斑块的 PSI 值, 归一化后最终确定 PSI 的等级和分布, 如图2。表 4 斑块敏感度指标分级及赋分 下载原表 图 2 大冶市 PSI 值分布 下载原图3.3 斑块生态损失度斑块生态损失度 PLI (Patch lossing index) 可用以衡量斑块的内部生态系统遭受破坏时其生态价值的损失。即斑块生态价值越高, 遭受破坏时的损失越大, PLI 指数越高, 关键
17、地段属性越强。陈勇等19在谢高地等20陆地生态系统服务价值当量估算研究的基础上, 结合矿业城市生态系统的特殊性, 对大冶市各类生态系统的价值当量进行修正, 具体值见表 5。生态系统生态服务价值当量按式 (3) 标准化处理结果见表 5。式中, X i为第 i 类生态系统的价值当量标准化值;x i为第 i 类生态系统的价值当量;max (x) 和 min (x) 分别为各类生态系统价值当量中的最大值和最小值。表 5 大冶市生态系统价值当量 下载原表 利用标准化后的价值当量 Xi对大冶市各生态系统 (大冶市 2009 年土地利用现状图) 的生态损失度进行赋值, PLI 值的空间分布见图 3。图 3
18、大冶市 PLI 值分布 下载原图4 综合识别结果分析将反映斑块状态的三值 (MAI 值, PLI 值, PSI 值) 与以乡镇为单位的区域背景分级结果进行叠加分析, 并在 Arc GIS 属性表里归一化处理, 利用 Nature Break 功能, 大冶市所有斑块可分为 5 个等级 (图 4) 。其中, 生态关键度位于0.021, 0.324的为原生型关键地段;0.325, 0.408为损益型关键地段;0.409, 1.000为扰动型关键地段。图 4 大冶市资源型关键地段识别结果 下载原图(1) 原生型关键地段是指受矿业城市原生生态环境影响明显, 地区生态服务功能较强的综合型区域。原生关键地段
19、的主要构成是水体、湖区、湿地以及植被覆盖茂密区, 呈现出成块分布的特点, 主要分布在保安镇、金牛镇、灵乡镇以及茗山乡中西部地区, 约占总面积的 36.83%。这些区域突出的特点是水域湿地面积大, 生物丰度指数高, 地面坡度平缓, 各项生态服务功能好, 关键生态过程能够良好发挥。(2) 损益型关键地段是对矿业城市生态环境的正常运转产生重要作用的同时又对生态服务功能发挥有所限制的区域。损益型关键地段所占比重约为总面积的19.45%。总体上呈现出南多北少、零散分布的特点, 在用地类型上主要分布在与人为活动密切的耕地、城乡建设用地, 从区域背景来看以陈贵镇、殷祖镇和金湖街道分布相对较集中, 与大冶市南
20、高北低的坡度特点相吻合。(3) 扰动型关键地段反映的是大冶市生态环境受矿业活动及其他因素 (如地质灾害) 的干扰, 生态系统敏感性强, 脆弱性高, 亟待保护治理的区域。其所占比重约为总面积的 43.72%, 分布在北部及中部的金山店镇、大箕铺镇及金山街道、罗桥街道等乡镇, 呈现出大分散小集中的特点。受开采、运输、加工等一系列矿业活动的影响, 该区域生物多样性低, 生态系统再生能力减弱, 对物质循环、能量转换及物种迁徙等重要生态过程的阻力大, 不利于生态系统的自我恢复和其服务功能的正常发挥。大冶市扰动型关键地段应是相关部门进行生态环境治理和生态风险防范的重点区域。5 结论根据资源型生态关键地段的
21、定义, 结合区域背景和斑块状态, 构建了矿业城市生态关键地段识别指标体系。从自然禀赋、生态现状和社会控制 3 方面分析大冶市各乡镇生态关键地段分布情况, 通过计算自然状态下斑块的矿业活动指数、斑块敏感系数和斑块生态损失度, 结合 GIS 叠加分析功能将大冶市资源型生态关键地段划分为原生型、损益型和扰动型关键地段。将区域背景斑块状态识别体系应用到矿业城市生态关键地段识别是笔者的一种尝试与探索, 可为大冶市等矿业城市的生态保护和安全格局构建提供依据。在今后的研究中, 应结合矿业活动带来的某类具体干扰 (如土地破坏、土地损毁、水质重金属污染等) 进行生态关键地段的识别, 并对各类关键地段的发展变化和
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