城市邊緣區生態脆弱性時空演變
——以大連市甘井子區為例

楊 俊,關瑩瑩,李雪銘,席建超

1 遼寧師范大學,自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室,大連 116029 2 中國科學院地理科學與資源研究所, 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101

生態脆弱性是全球環境變化和可持續發展研究的核心問題之一[1-2]。隨著全球環境變化影響研究的加強,特別是對于人地關系研究的深入,有關生態脆弱性及其脆弱性評估、脆弱生態環境的可持續性管理、已受損害的生態環境的恢復重建等研究逐漸成為全球性研究熱點,其研究內容不斷擴展、應用領域日趨廣泛并呈現學科綜合化的趨勢[3- 5]。

伴隨著社會經濟的飛速發展,城市生態問題愈加嚴重,城市生態脆弱性研究也成為熱點問題[1]。目前國內外學者對于生態脆弱性已經開展了多項研究[6- 8],研究對象多選擇特殊地理地貌環境[9- 13]、工礦業城市[14- 16]、農業城市等[17],研究短時段內區域生態脆弱性變化。通過建立評價指標體系[10-11, 18-19]結合多種分析方法[10, 17, 20],分析城市生態脆弱性的形成機制以及變化特征[8, 21- 24]。隨著城市生態研究的深入,城市化快速發展的背景下城市人口、城市用地逐漸向邊緣區擴展,城市邊緣地區生態環境也面臨著挑戰[3, 16]。城市邊緣地區生態問題的研究逐漸成為熱門,對城市邊緣地區生態環境保護研究做出綜述[25- 27],梳理研究方法和理論,為城市邊緣地區環境保護和生態建設提供理論支持。

綜上所述,目前對于城市邊緣區生態脆弱性的研究,缺少以城市邊緣區內部空間為基礎,以地理信息系統技術為手段動態分析城市邊緣區生態脆弱性差異性；以定量研究為基礎,利用多年時序對快速城市化背景下的城市邊緣區時空分異研究。以快速城市化的海濱城市的城市邊緣區為研究對象,揭示不同時段城市生態脆弱性的特點。

城市邊緣區是城市和鄉村的交錯結合帶,是城市發展與資源環境保護之間矛盾沖突的區域。城市邊緣區作為城市發展的腹地,因自身特點和城市所處的發展階段,面臨不同的生態問題。科學合理的規劃城市邊緣區的生態環境建設,對城市發展具有十分重要的現實意義大連作為發展較快的海濱城市,城市化發展以及城市用地的擴張,均受到半島環境多丘陵少平原地理條件的限制,城市用地逐漸向城市邊緣區擴展,出現的生態問題極具代表性。因此,本文以社區尺度為生態評價單元,選擇大連市城市化發展迅速的1998—2013年,利用線性加權綜合評價方法[28]與ESC(Exposure Susceptibility Coping Capacity)模型框架建立評價指標體系[29],并結合變化斜率法模擬生態脆弱性的年際變化,對逐個EVI(Ecological Vulnerability Index)與時間回歸擬合計算變化斜率；F值測算顯著性[19],分析大連市甘井子區1998—2013年間,生態脆弱性變化顯著性的空間分布特征,以及社區間生態脆弱性變化的差異。以期為快速城市化下的大連建設發展提供新的視角。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

甘井子區(38°47′—39°07′N,121°16′—121°45′E)位于大連市中心城區,呈馬蹄形,東北與金州區接壤,南與沙河口區為鄰,西南與旅順口區毗連,面積502km2,轄14個街道,165個社區是大連市城鄉結合區和城市擴展區(圖1)。特殊的地理區位使甘井子區的城市化生態環境脆弱性問題成為大連市全域城市化進程中生態脆弱性問題的代表,研究具有現實意義。

圖1 研究區域位置圖Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理方法

本文以1998年土地利用以及2003年、2007年、2013年的SPOT5遙感影像數據為基礎,結合《大連統計年鑒》、《甘井子統計年鑒》等社會生態環境、社會經濟統計等數據(表1)。

表1 數據來源與說明

1.3 生態脆弱性評估方法

在借鑒前人研究成果及征詢專家意見的基礎上,通過ArcGIS數據進行處理。通過建立評價指標體系,引入線性加權綜合評價方法結合ESC評估框架計算EVI,利用二乘算法分析生態脆弱性指數的變化斜率,利用F值測算顯著性指數,分析甘井子區1998—2013年間各個社區生態脆弱性演變。技術流程圖如下(圖2)。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technology road map

1.3.1 ESC框架建立評價體系

ESC模型將生態脆弱性分解為3個維度,分別是暴露度、敏感性和應對能力,其內涵和表征各有針對性[8, 30]。隨著城市化的迅速發展城市生態系統中的各個要素隨之變化。由于評價指標間有一定的相關性,指標信息在一定程度上有重疊,指標過多會增加分析問題的復雜性,不同的評價指標對生態脆弱性的響應強度不同,因此引入權重值的概念,利用各個評價指標的權重值進行生態脆弱性指數計算,從而使得出的結果更接近真實水平。采用軟件Yaahp Version對表2的數據進行權重計算得出各個指標的權重值(表2)。

1.3.2 數據標準化處理

各項指標數據的計量方式不統一,因此應對原始數據進行標準化處理。考慮脆弱性評價指標正負向對生態脆弱性影響不同,采取了不同的標準化處理方法。其中,運用極差標準化方法處理正負向指標,運用模糊隸屬度函數的方法處理適度指標[21]。標準化公式如下：

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

適度指標：

(3)

式中：Xij為脆弱性指標原始數據,λjmin為指標原始數據最小值,λjmax為指標原始數據最大值,X0為指標適度值,X′ij為標準化后的指標值。

1.3.3 計算生態脆弱性指數及分級

生態系統脆弱性的評估需要集成評價ESC框架模型中評價指標,獲得綜合評價指數。因此,我們采用線性加權方法計算生態脆弱性指數：

表2 基于ESC評估框架的生態脆弱性評價指標體系

“+”表示指標與對應的要素層適應性呈正相關；“-”表示指標與對應的要素層適應性呈負相關；“*”表示適度指標,指標數值處于某一適度的數值時與對應要素層適應性為最好,由各年份指標標準均值計算得出適度值

(4)

式中,EVI為生態脆弱性指數；Wi為評價指標的權重；Ii為評價指標的具體值。

在得到EVI值的基礎上,參照國內外已有的生態脆弱性評價研究的評價標準[8, 31],并根據研究區的具體特征,將大連市甘井子區生態脆弱性劃分為5個等級(表3)。

表3 城市生態脆弱性狀態評價標準

1.3.4 生態脆弱性變化

變化斜率法是對一組隨時間變化的變量進行回歸分析,預測其變化的趨勢。本研究利用變化斜率法模擬生態脆弱性的年際變化,即利用最小二乘法對逐個EVI值與時間進行回歸擬合,其斜率計算公式如下:

(5)

式中,X為變化斜率；n為時間年數；EVIi為第i年的生態系統脆弱性指數值。

根據計算出的甘井子區社區EVI值變化斜率,參照相關研究成果并結合實際情況[19],將變化斜率分為4個等級,能更加直觀的對社區的生態脆弱變化情況進行比較(表4)。

表4 變化斜率分級評價標準

變化趨勢顯著性檢驗采用F值檢驗,統計量計算如下:

(6)

式中,Q為誤差平方和；U為回歸平方和；根據EVI的變化趨勢和顯著性水平,參照相關研究結果并根據實際情況將變化趨勢分為4類 (如表5)。

表5 變化顯著性分級評價標準

2 研究結果與分析

2.1 甘井子區生態脆弱性分布演變特征

通過計算社區EVI值和所劃分的生態脆弱性等級(圖2)：甘井子區社區EVI值空間分布呈現出東西部明顯差異,相同等級小范圍聚集、相近等級穿插的特征。其中,生態良好區主要分布在甘井子區西部的森林公園、主題公園和北部的高爾夫俱樂部、濕地公園。輕度脆弱區社區分布比較分散相對集中于甘井子區中部社區。極度脆弱區分布集中分布于甘井子區中部靠近沙河口區的社區。

圖3 1998—2013年城市生態脆弱性等級分布圖Fig.3 Urban ecological vulnerability grade distribution map between 1998 and 2013

2.2 生態脆弱性時空演變分析

2.2.1 社區間差異分析

根據前期數據積累,綜合表2的生態脆弱性評價指標體系和城市化生態脆弱性研究方法,進行數據統計處理,得到基于城市化視角下的生態脆弱性評價標準(表2)。并根據指標體系和評價標準將各原始標準化后輸入脆弱性評價模型中進行計算,確定甘井子區各社區生態脆弱性指數及其對應的不同生態狀態(圖3)。

圖4 1998—2013年社區城市生態生態脆弱性等級分布圖Fig.4 Urban ecological vulnerability discrepancy distribution map of communities between 1998 and 2013

從社區角度觀察可發現,甘井子內部各社區生態狀態差異顯著。營城子、小平島村等村落在15年間平均生態脆弱指數為0.264,生態脆弱程度一直保持在良好的狀態,在2003—2007年間在城市建筑用地迅速擴張,人為活動對城市生態系統嚴重干擾下,許多社區生態迅速惡化。前牧、對門溝等社區EVI值下降,EVI值由0.293升至0.425,生態脆弱程度由良好逐漸變成輕度生態脆弱。在1998—2013年間,生態良好的社區由27個縮減到5個,輕度生態脆弱的社區由30縮減到15個,中度生態脆弱的社區由91個縮減到65個,強度生態脆弱的社區由10個增加到38個,極度脆弱的社區由5個增加到40個。變化在1998—2007年間較快,2007—2013年保持相對平穩狀態。

圖5 1998—2013年甘井子區生態脆弱指數變化分布圖Fig.5 Urban ecological vulnerability index map between 1998 and 2013

15年間甘井子區的平均生態脆弱性指數呈先快后慢的上升趨勢,從1998年的0.2645到2013年的0.6136,生態環境由最初的生態良好狀態為主轉為中度脆弱狀態為主。表明甘井子區的生態脆弱性狀態由城市化初期的低暴露度、低敏感性、適應能力較強,向高暴露、高敏感、適應能力較弱的狀態發展,但在2013年時這種狀況已逐漸得到緩解和控制(圖4)。

隨著城市化進程的不斷推進,社區間的生態脆弱情況變化也呈現出不同的特征1998—2003年間,中部的社區生態脆弱變化差值均維持在幾乎無變化的水平,最高差值為0.1201,部分社區生態脆弱差值保持負增長,生態環境逐漸恢復。2003—2007年間以及2007—2013年間各社區生態環境變化與1998—2003年間相比差值的最高值上升至0.150887,生態脆弱成都惡化較快,負增長的生態恢復的社區個數逐漸減少,范圍也在逐漸縮小。

2.2.2 變化趨勢分析

綜合各社區各年份綜合生態脆弱指數,通過變化斜率測算模型,得出了甘井子區各社區的生態脆弱變化斜率以及變化顯著性標準(表5)。

甘井子區整體EVI值的變化斜率如圖5,平均變化斜率為0.0443,呈現出西部EVI值變化斜率主要為負值,最低值為0.0122,生態環境逐漸恢復；東部EVI值的變化斜率最高值為0.0976,生態環境迅速惡化。甘井子區生態脆弱性變化顯著性特征如圖6,西北部和中心部分社區變化顯著性無明顯變化,西南部生態良好地區在1998—2013年間生態環境呈現顯著變化。

圖6 城市生態脆弱性變化斜率圖Fig.6 Urban ecological vulnerability change slope map

圖7 城市生態脆弱性變化顯著性圖Fig.7 Urban ecological vulnerability change significantly map

3 結論與結語

3.1 結論

研究以城市生態脆弱性原理為理論基礎,以大連市甘井子區為例,引入ESC指標體系框架結合甘井子區生態華寧變化的具體特征,結合線性加權方法計算評價社區生態脆弱性,并利用變化斜率法模擬生態脆弱性的年際變化,對逐個EVI值與時間進行回歸擬合,計算變化斜率評價分析大連市甘井子區1998—2013年間的城市生態脆弱性變化,研究表明：

(1)從城市邊緣區生態脆弱性等級分布特征來看,城市邊緣區生態環境呈現出相同等級聚集,以靠近沙河口區的社區為中心相鄰等級呈現出明顯的輻射狀特征。東西差異明顯,西部生態維持在良好狀態,東部地區與西部差異明顯,主要為強度脆弱區。

(2)從社區間生態脆弱性差異的角度來看,甘井子區內部各社區生態脆弱程度差異明顯。靠近市區的社區生態脆弱性變化顯著,生態環境迅速惡化,遠離市區的部分社區生態環境變化不大,生態環境保持良好狀態。部分社區EVI變化值呈現負增長,生態環境逐漸恢復。

(3)從城市邊緣區生態脆弱性整體變化趨勢來看,1998—2013年間甘井子區的生態脆弱性變化與城市化發展速度密切相關,呈現出先快后慢的下降趨勢。城市邊緣區EVI變化斜率值與變化顯著性,體現出城市邊緣區生態狀況在1998—2013年間的變化空間特征,西南部少數社區生態環境逐漸變好,大部分社區生態惡化程度顯著。

3.2 結語

本文以社區尺度,以城市化過程中城市邊緣區生態脆弱性為視角,探討城市化過程中城市邊緣區生態脆弱性變化特征,以期為更好的大連建設和改善生態環境服務,但由于環保投資、教育投資等指標的數據難以獲取只能采用替代數據,可能會在一定程度上對研究結果的準確性造成影響,對生態狀態進行未來預測及保護和開發建議的提出是今后深入研究的課題。

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