山水林田湖海多維測度環境影響與時空分異
——以廣西北部灣為例

黃思敏胡寶清張中秋張 澤韋高楊

(1.南寧師范大學 北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,廣西 南寧530001;2.廣西地表過程與智能模擬重點實驗室,廣西 南寧530001;3.北部灣大學資源與環境學院,廣西 欽州535011;4.南寧師范大學 地理科學與規劃學院,廣西 南寧530001)

21世紀以來,水資源短缺,水體污染嚴重,海洋生態環境退化等問題仍然比較嚴峻,因此,注重生態文明建設是一項必須長期堅持的任務。2012年黨的十八大報告指出,推行陸海統籌,人海和諧,海洋生態文明建設可持續發展[1];2016年國家相關部門印發了《關于推進山水林田湖生態保護修復工作的通知》(財建[2016]725號);2020年,自然資源部聯合財政部、生態環境部印發《山水林田湖草生態保護修復工程指南》。因此,對區域山水林田湖海生命共同體進行生態保護與修復研究既是當今生態文明建設和可持續發展的熱點話題,也是現實社會發展的需要。近年來,國內學者在此領域已取得豐富的成果。國外主要是從社會視角進行研究生態系統修復的內容,由世界自然保護聯盟、歐盟、世界銀行三大組織為維護生物多樣性,運用自然方案進行經濟—生態文明建設[2-3],對生態系統修復研究主要是利用整體論和系統論的理念與方法管理提出了生態系統綜合整治的方法及其基本要素[4]。目前,國內研究在研究內容上主要體現為基于生態系統服務分析[5-9],生態保護修復實踐與探索[9-10],山水林田湖草理論內涵研究[11-13],生態健康評價[14-17]等方面;在研究方法上主要有基于工程項目的業主方管理代表(PMO)模式[18]、自然的解決方案(Nbs)模式[19]、DPSIR模型[20]等方法;研究區主要是大江大河的生態脆弱區[21-22]。從研究趨勢上,首先是在2013年習近平總書記提出山水林田湖草是一個生命共同體并進行理論探索[14],其次提出意見對其進行體制機制改革、成因研究、外延擴展至山水林田湖草沙雪城海[15],對典型地區進行試點工程實踐研究[18],最后對存在破壞地區進行生態修復研究[19]。綜上,前人的研究取得較好的成效,可為本文研究奠定基礎。但學者們對山水林田湖草研究仍存在著不足。比如大多數學者僅是對單個要素研究,鮮有對多要素進行研究,并且主要是對山水林田湖草的各要素進行綜合性評價,但對要素之間的耦合協調分析不夠,大多都停留在山水林田湖草這幾個要素研究。甚少有增加海元素,基于研究指標數據對山水林田湖海耦合協調指數時空演變分異展開剖析。山水林田湖海是一個生命共同體,對于不同地區的研究具有不同的典型性。本文基于研究區域近海的特殊性,增加海元素進行分析研究,具有一定的創新性,為該地區研究山水林田湖海綜合整治提供新方法、新思路。鑒于此,本文選取廣西北部灣為研究區,以“壓力—狀態—響應”(SPR)為核心,構建山水林田湖海綜合評價指標體系,從時空視角分析研究區山水林田湖海生命共同體耦合協調分異特征對區域環境的影響及其驅動性因素分析。各要素存在交互效應,探討它們之間的耦合關系,掌握其協調規律,對更精準開展山水林田湖海生態保護、修復及構建自然資源綜合體系具有重要意義,可為資源高效利用和國土空間整治提供科學參考。

1 研究區概況

廣西北部灣坐落于中國沿海西南部,本文研究范圍包括北海市、欽州市、防城港市,位于106°33′—109°56′E,20°26′—22°41′N之間。區內地理環境典型,擁有山脈、河流、森林、海岸帶等生態要素。區內西北部地勢較高,多山地丘陵,河湖眾多,水資源豐富,年徑流量約為3.91×108m3;林木資源豐富,造林面積約為3 720 hm2;耕地資源較為稀缺,區內的耕地資源為4.22×105hm2;河流面積約有189.59 km2;海岸線長度1 628 km,紅樹林面積9 330.34 hm2。為響應“十三五”國家發展規劃,廣西北部灣由海而生,面海而興,在這樣的背景下,在經濟得以發展的同時區內的生態系統也面臨著嚴峻的挑戰,選擇2005—2020年這一時間尺度即2005,2008,2011,2014,2017和2020年6期進行分析,具有一定的針對性;由于目前區內生態環境問題制約生態文明可持續發展,因此需從山、水、林、田、湖、海等要素出發,開展生態文明整治工作,進一步提高生態文明修復的功效。由于草元素在研究區中不具備典型性,因此在本研究區中不進行研究。

2 理論依據與方法

2.1 理論框架

2.1.1 內涵 4C指數是對各要素進行多維測度的方法?；?C指數的多維測度方法對各要素進行分析,其中4C指數分別是指綜合評價指數(comprehensive evaluation index)、耦合指數(coupling index)和協調指數(coordination index)、灰色關聯指數(correlation index)。山水林田湖草生命共同體內涵是樹立自然價值理念,確保生態系統健康和可持續發展,要求從過去的單一要素保護修復轉變為以多要素構成的生態系統服務功能提升為導向的保護修復[23]。

2.1.2 耦合協調機理 耦合是指幾個系統間發生的耦合協調,是各子系統相互依賴、相互影響的關系[24],山水林田湖海生命共同體在壓力狀態下響應耦合關系(圖1)。①山—海耦合關系。海水通過一定的物質能量運輸水汽,輸送到山系統中,進一步使海水系統對山系統進行地貌構造,海水在一定層程度上塑造了地形地貌?；谏较到y壓力指標和狀態指標,需積極響應荒山綠化,水土流失之山地環境治理,對山系統進行綠化保護,山地整治。②湖—海耦合關系。湖系統是流域范圍內調蓄水源的重要通道,河流直排入海量、直排入海占工業廢水排放比例增加將對海洋環境造成破壞?；诤到y的壓力指標和狀態指標需積極響應污水處理,水土流失之小流域治理使湖系統發揮調節小氣候,流域源頭清潔作用。③林—海耦合關系。林系統具有凈化水源、涵養水土作用,森林資源遭破壞,沒有紅樹林防護每年將會有大量地表土沖入大海,生物多樣性將受到威脅,因此應積極退耕還林造林,水土流失之保林,使林系統發揮涵養水源,保持水土作用。④田—海耦合關系。田系統在糧食安全方面發揮著重要的作用,海洋生態環境好壞進一步影響田系統安全。因此,應積極響應土地整治規范,水土流失之保田,使田系統發揮退耕還林,坡地改造梯田作用。⑤水—海耦合關系。海系統對水系統起到維護生物多樣性作用,水系統使海系統海洋資源豐富,因此應積極響應海洋生態保護,水土流失之海洋生態修復,使海系統生態得以保護。

圖1 廣西北部灣山水林田湖海耦合協調關系

2.1.3 指標體系構建 山水林田湖海生命共同體,各個子系統間關系密切,每個子系統的發展形態都會影響整體的發展形態。本文參考已有的文獻[25-26]分析研究其指標體系,針對廣西北部灣的自然人文實際情況,根據指標體系的系統性、綜合性、可獲性、科學性、區域性原則,構建評價指標體系(表1)。本研究同時加入SPR模型和“4C指數”對山水林田湖海各子系統進行闡述分析。

表1 山水林田湖海生命共同體評價指標體系

2.2 數據源及預處理

本研究的30 m分辨率DEM遙感影像數據來自地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn/)?；A地理數據包含行政區域數據,來自于全國1∶100萬數據庫。陽坡比例、地形起伏度、溝壑密度均通過遙感影像在ArcGIS中提取得到;地表水資源、地下水資源、森林覆蓋率、造林面積、林業產值、耕地面積占比、人均糧食產量、耕地利用率、園林綠地面積、水產品產量、人均水資源量、人均廢水排放量、污水處理率、農作物與經濟作物比值、直排入海占工業廢水排放總量比例來源于中國經濟與社會統計數據庫(https:∥data.cnki.net/);河湖面積由DEM影像提取,來自于土地調查成果共享服務平臺;自然保護區面積來源于廣西地情網(http:∥www.gxdfz.org.cn/flbg/szgx/201705/t20170505_41374.html);水土流失治理面積來源于廣西水土保持公報(http:∥slt.gxzf.gov.cn/zwgk/jbgb/gxstbcgb/)及廣西地情網(http:∥www.gxdfz.org.cn/index.html)的北海市、防城港市、欽州市年鑒;紅樹林面積來源于美國地質勘探局(https:∥www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards)的Landsat5,Landsat8遙感影像通過ArcGIS創建矢量圖層進行人工目視解譯獲取[27];河流入海污染物排放總量來源于中國海洋環境質量公報(http:∥www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyhjzlgb/),由于部分指標數據個別年份存在缺失的情況,本文選用各地(市)統計公報和插值法補齊。

2.3 研究方法

2.3.1 無量鋼化模型 運用極小化無量綱法對各要素指標進行無量綱標準化,運用小數定標法對山系統各指標進行標準化。計算公式為:

式中:xij表示第i年份j項指標的最終原始值;是第i年份j項指標的一個標準化值;a為滿足條件的最小整數。

2.3.2 綜合評價模型 運用熵值法求出區域各指標權重,采用綜合評價模型計算該區域山水林田湖海等級綜合開發水平,計算公式為:

式中:qi表示各系統的綜合評價得分;Wj表示各項指標的權重;ej表示熵值。

2.3.3 耦合協調模型 運用耦合協調模型測算區域山水林田湖海各要素的耦合發展狀況,計算公式為:式中:C代表山水林田湖海各系統之間的耦合度,其取值范圍為[0,1]。C值越遠離0,表示各系統間的耦合度越大;C值遠離1,表示各系統間的耦合度越小。為進一步辨別各子系統相互間影響程度,需借助耦合協調度進行測評,計算公式為:

式中:D代表山水林田湖海生命共同體的耦合協調度;T綜合評價指數。D的取值范圍為[0,1],取值越大,協調程度越好,其類型詳見表2。

表2 山水林田湖海生命共同體耦合協調度等級分類

2.3.4 灰色關聯度模型 借助灰色關聯模型,分析影響山水林田湖海生命共同體耦合協調發展的主要驅動因素,為其可持續利用提供參考。

3 結果與分析

3.1 山水林田湖海生命共同體綜合分析

由圖2可以看出,廣西北部灣整體上山水林田湖海綜合評價指數上升了0.246 6,綜合評價指數平均分具體為:水＞林＞海＞湖＞田＞山。①山系統的各項指標短期內不會有急劇變化,該區山系統的綜合評價得分是0.428 6。由于國家“十三五”規劃的提出,一直以來注重對自然保護區的建設發展,以及山系統由于本身的發展狀態比較穩定,所以評價水平變化幅度并不明顯。②水系統的綜合評價指數在2005—2014年期間上升了0.336 0,2020年下降為0.774 4。2008年水系統的綜合評價指數在急劇上升說明政府出臺“節能減排”措施,使用水的質量在增加;2020年水系統綜合評價再有些下降,說明當時水系統的提升空間可能出現飽和狀態,后期的發展仍需創新發展水系統治理措施,促使水生態環境得到改善。③林系統的綜合評價指數整體上呈現出不斷上升趨勢,2008年出現下降是由于人們對森林的破壞,以及大量種植桉樹,破壞生態環境;2011—2020年穩步上升至0.822 4,說明政府頒布保護森林資源的法律法規,如退耕還林還草,合理建設園林綠地面積,封山育林同時減少人工桉樹林種植的政策實施取得一定的成效。④田系統的綜合評價指數2005—2014年下降了0.094 1,2014—2020年上升至0.447 76。這說明田系統的綜合評價水平總體上處于較高水平。2014年后該數值在上升說明該區域實行“八山一水一分田”的政策取得一定的成效。但從整體上看,田系統仍呈現出波動起伏的狀態,因此后期仍需加強田系統的合理規劃,使其持續穩步向好方向發展。⑤湖系統的綜合評價指數2008—2011年下降了0.242 6,2014至2020年上升了0.184 2。這表明2011年該地區污水排放不合理,導致河流的水質下降。2014年實施節能減排的優化方案,對工業排放的污水進行優化處理,提升了城市污水的處理率。因此,這幾年的污水處理成效比較顯著,湖系統綜合評價指數在穩步上升。⑥海系統的綜合評價指數2005—2017年上升了0.502 7,2017—2020年下降了0.427 9。2005年出現最低值,表明人們在對海洋進行開發活動的時候,海洋生態保護意識差,填海造陸,致使海洋生態環境遭到破壞。2017年的綜合評價水平達到0.888 4,這表明2016年“十三五”規劃綱要提出后,人們更注重保護濕地、海岸線、紅樹林,保護海洋生態環境,使海系統呈現向良好的趨勢發展。

圖2 廣西北部灣2005—2020年山水林田湖海生命共同體綜合評價指數

3.2 山水林田湖海耦合協調性分析

3.2.1 山水林田湖海生命共同體耦合協調度時序演變分析 運用耦合協調度法計算結果得出研究區2005—2020年山水林田湖海耦合協調效應(表3)。2005—2020年,耦合協調度上升0.160 5,并且經歷了“初級協調—中級協調—良好協調”的耦合協調演變過程。2011年以前的山水林田湖海綜合評價都處于較低的水平,制約著整體綜合效益水平,耦合協調發展效益較低,說明該地區為發展經濟對資源的開發程度加大,人為的干擾程度加大,各子系統間的協調能力出現下降趨勢。2011年后的綜合效益發展水平較之前有所上升,表明山水林田湖海生命共同體耦合協調度總體上處于較好的水平,其耦合協調發展水平正向好的態勢協調發展。從耦合協調度的具體值情況進行分析來看(表4),北海市六期的耦合協調度平均值為0.751 6,防城港市為0.807 2,欽州市為0.767 3,表明在近15 a來,3個地級市中防城港市的山水林田湖海生命共同體耦合協調效益發展程度最優。

表3 山水林田湖海耦合協調結果

表4 廣西北部灣2005—2020年各市山水林田湖海耦合協調性分析

3.2.2 山水林田湖海耦合協調度空間演變分析

2005—2011年,北海市、防城港市的耦合協調類型基本保持不變,分別為中級協調和良好協調;欽州市呈現出“倒U”波動起伏趨勢,其原因在于2005年當地處于沿海開放城市,工業、生活廢水不得以合理處置,直排入海工業廢水的比例較高達到14.7%,耦合協調水平較低。2008年防城港市一直能保持較好的水平,由于該地區在生態文明建設背景下,注重生態保護,防城港的森林覆蓋率達到60%以上,欽州市的污水處理率和耕地利用率相對較高,耦合協調水平發展較好。2011年北海市、欽州市山水林田湖海耦合協調度不同程度都有下降,但是北海市下降0.039 5%,原因是隨著城市的發展對自然的開發程度加大,紅樹林面積在削減,污水處理率較低,約為80.17%,廢水直排入海量大達1.52×105t,影響了區域的生態環境。

2014年北海市、防城港市、欽州市的山水林田湖海耦合協調度分別下降了0.060 5%,0.038 3%和0.118 9%;2017年北海市和欽州市均為中級協調,防城港市為良好協調;2020年北海市、防城港市、欽州市的耦合協調度均由中級上升至良好協調。其原因在于該地區在2011—2014年的河流直排入海量增加導致河流入海污染物增加,并且由于人為活動導致當地的“三廢”排放量增加,對當地的生態環境造成了一定的破壞;2017年綜合評價指數除防城港市出現下降外,北海市和欽州市都有所提升,由于國家注重生態文明建設,注重對紅樹林的保護,提升污水的處理率,減少廢水排放量;2020年三市耦合協調度獲得一定提升,紅樹林面積相比2017年均擴大,紅樹林對生態環境的修復具有一定的保護作用。

綜上分析,2005—2020年廣西北部灣各市的山水林田湖海生命共同體耦合協調程度北海市、防城港市、欽州市的發展水平都獲得了一定程度的提升。從總體上看,該區存在耦合協調水平不夠高的問題,因此亟需構建更好的耦合協調發展對策,提升耦合發展水平(圖3)。

圖3 廣西北部灣山水林田湖海耦合協調度空間分布

3.3 山水林田湖海耦合協調驅動力分析

運用灰色關聯模型計算山水林田湖海6個子系統的耦合協調度與山、水、林、田、湖、海系統的灰色關聯度(表5)。由表5可知,水系統及其各指標元素是影響各要素耦合協調發展的首要驅動因素,其值為0.666 7,水系統中的水土流失治理面積、地下水資源、地表水資源、人均水資源量反映了水系統與人類活動對生態環境的影響,廣西北部灣地表水資源含量為1.528 4×1010m3,地下水含量為4.017 0×109m3。并且地下水和地表水在維持生態環境系統與演化過程中發揮著重要作用。從生態學的視角來看,水系統的基本形態將會影響其他子系統。因此,在社會生態文明建設的背景下,廣西北部灣需要進行社會治理和海陸交錯地帶生態修復相結合,貫徹落實山水林田湖海是一個生命共同體的理念。田系統及其各指標元素是影響各要素耦合協調發展的次要驅動因素,值為0.634 1,這說明田系統在山水林田湖海生命共同體的影響程度相對較強。廣西北部灣地理位置比較優越,地處沿海,人口密集,人均糧食產量少,耕地面積支離破碎,耕地利用率低將嚴重影響當地的可持續發展。因此,廣西北部灣應該嚴格遵循生態文明建設理念,同時考慮田系統對區域可持續發展具有的生態文明價值,積極推進生態文明建設統籌布局工作。

表5 廣西北部灣的灰色關聯度計算結果

4 討論

本研究基于“4C指數法”對廣西北部灣山水林田湖海生命共同體的24個評價指標的耦合協調性進行了綜合評價。海元素的綜合評價水平最高,因此以海元素作為核心要素多維測度分析山水林田湖海對環境影響,對生態文明建設和可持續發展具有一定的理論參考和現實意義。

(1)在研究尺度上,本文主要從市域尺度進行研究會存在一些不完善之處。如果能夠將研究區域縮小到縣級或更小的研究尺度,評價指標體系將會更加完善、具體,關聯度和契合度將會更高。

(2)在評價指標體系上,目前只有24個評價指標,選取的評價指標體系可能并不完善,在后面研究中水系統可增加侵蝕模數等指標;山系統可增加海拔、坡度、巖性等指標研究。很多學者的研究主要從生態視角分析山水林田湖草及其生態修復,而本質上,山水林田湖草生態修復是隸屬國土綜合整治的范疇,也應該從社會經濟學視角開展研究與討論。本文主要是從社會視角出發進行研究,視角不同指標體系的選擇也會存在一定的差異;并且由于目前研究跨度只有16 a的數據,時間尺度不夠長,數據量不足。未來評價指標體系仍需進一步地完善,山水林田湖海綜合評價方能更加系統全面。

(3)在研究評價結果上,由于生命共同體概念是近幾年提出的,之前各方面的發展都不成體系。生態領域存在各自為政的情況,所以耦合協調度不高。對于驅動力的分析,根據不同的研究指標,將會得到不同的驅動因子判別結果。本研究在獲取數據及其研究能力方面還存在一定不足,因此后期應增加更多影響山水林田湖海系統協調性的重要因素進行研究分析。如人口密度、城鎮化率、建設用地比重、產業結構變化、交通基礎設施建設等指標,使得研究結果更加準確、全面。未來基于“4C指數”進行多維測度環境影響研究和“山水林田湖海+”生命共同體研究可提供理論基礎和參考借鑒?！吧剿痔锖?”生命共同體建設中政府需要完善各方面的機制。工農業生產應以減少生態環境破壞,防止水土流失,更加注重海洋生態保護,促可持續發展作為重要舉措,以及提高“山水林田湖?！瘪詈习l展水平,促進區域生態文明和社會發展相協調,經濟發展向高質量發展邁進。

5 結論

(1)廣西北部灣山水林田湖海生命共同體綜合評價指數2005—2020年上升了0.246 6,具體表現為:水＞林＞海＞湖＞田＞山。這表明區域內的山水林田湖海綜合評價水平均得到顯著提升,具有一定的可持續性。

(2)廣西北部灣山水林田湖海生命共同體的耦合協調度2005—2020年上升了0.160 5。該區山水林田湖海生命共同體經歷了“初級協調—中級協調—良好協調”的耦合協調演變過程。

(3)廣西北部灣山水林田湖海生命共同體的主要驅動因子是水田系統和田系統。未來研究需以田、湖、水系統綜合整治為核心,發展海洋特色產業,注重海洋生態修復,減少山、田、湖系統對區域發展的制約,強化生態資源的保護,使其向可持續方向發展。