秦巴特困區生態脆弱性與經濟貧困的耦合關系
——以陜西省山陽縣為例

王 昭,劉建紅,李同昇,*,阮 征,武風奇

1 西北大學 城市與環境學院,西安 710127 2 西北大學 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室,西安 710127

集中連片特困區作為當前中國扶貧攻堅的主戰場,面臨著扶貧開發與生態建設的雙重壓力[1-3]。2011年,國務院公布的《中國農村扶貧開發綱要(2011—2020年)》提出“堅持扶貧開發與生態建設、環境保護相結合,促進經濟社會與人口環境相協調”[4]。在此背景下,如何協調好貧困地區發展與生態環境保護的關系,引起了學者的廣泛關注,并取得了豐富的研究成果。在理論層面,貧困陷阱理論將貧困與環境視為一個循環累積的下降過程[5-6]；“環境庫茲涅茲曲線”理論認為環境退化是消除貧困一個不可逾越的階段[7]。在實證研究中,學者們主要關注了貧困對全球氣候變化的響應、自然地理環境的貧困效應、災害對貧困的影響及貧困與生態脆弱區的空間耦合性等方面。其中,Ahmed 等人的研究表明在氣候波動性增加最大的情況下坦桑尼亞平均每年將有9萬人進入貧困狀態[8],也有學者認為氣候變化將會放緩全球減貧的步伐[9-10]。王雪妮等對中國各省、市、自治區水貧困與經濟貧困進行耦合分析,得出水貧困與經濟貧困存在共生關系[11],自然地理環境制約仍是導致貧困的重要因素之一[12]。災害會破壞農戶賴以生存的自然資源進而導致經濟發展倒退[13],使得人類發展水平顯著下降和貧困水平顯著上升[14],并與脆弱性問題聯結加大貧困地區災后恢復的阻力[15]。經濟與生態環境矛盾更突出的表現為貧困地區生態環境脆弱性與貧困性的矛盾[16],貧困與生態脆弱區存在一種地理意義上的共生與耦合[17-19]。從研究尺度來看,關于貧困與生態環境關系的研究包括微觀的個人或家庭尺度[20]、中觀的省域[17]、國家尺度[11]和宏觀的全球尺度[9],但針對中國縣域或鄉鎮尺度的研究較少。當前中國扶貧開發正處于精準扶貧階段,對小尺度精細化研究貧困與生態的相互關系提出了更高要求[21]。因此,有必要對縣域內部貧困與脆弱生態環境的空間分異規律與耦合關系進行探究。

秦巴連片特困區既是中國14個集中連片特困區中最大的區域,也是生態環境的脆弱區[22]。山陽縣作為秦巴連片特困區國家扶貧開發重點縣,其生態脆弱性與貧困關系具有一定的典型性。因此,本文以山陽縣為例,在構建生態脆弱性與經濟貧困的評價指標體系的基礎上,運用耦合理論對山陽縣的村落單元進行貧困與生態環境耦合協調度的空間分析,探究其生態脆弱性與經濟貧困的成因機制,這對改善秦巴特困連片區的生態環境、實施針對性的區域扶貧政策,實現特困區的可持續發展具有重要意義。

1 研究區概況

山陽縣地處秦巴山區陜、鄂兩省交界處(109°32′—110°29′ E,33°09′—33°42′ N)(圖1),縣域面積3535 km2,總人口約46.64萬人,其中貧困人口9.61萬人,貧困發生率高達20.6%,是國家扶貧開發重點縣。縣域內地形復雜,中北部高東西南三面低,山地占總面積的82.0%；海拔在800—1500 m之間,坡度≥25°的區域占總面積的54.5%。由于地形起伏變化大,地層巖性及地質構造復雜,再加上人類活動的影響,區內滑坡、泥石流等地質災害頻發。根據山陽縣地址災害防治十三五規劃,截止2015年底,全縣共有地質災害隱患點567處,其中滑坡544處,泥石流14處,崩塌7處,地面塌陷1處,地裂縫1處,威脅群眾4693戶26955人、房屋21474間、學校20所,潛在經濟損失約15億元,絕大多數地質災害隱患點呈不穩定狀態。

圖1 研究區位置及地形圖Fig.1 Location and topography of the study area

2 數據來源與處理

本研究采用的數據主要包括空間數據和社會經濟數據兩類。

2.1 空間數據

空間數據主要包括：(1)30 m分辨率的數字高程模型(DEM)數據、30 m分辨率的Landsat-8 OLI數據、1 km分辨率的植被凈初級生產力(NPP)數據,均來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。(2)山陽縣及周圍區域2015年14個氣象站點的降水和氣溫數據,來源于國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/)。(3)土壤侵蝕數據來源于地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn)。(4)地質災害易發度數據,來源于山陽縣地質災害防治十三五規劃。(5)土地利用數據、河流、道路交通、生態安全控制區及自然保護區數據,來源于山陽縣土地利用總體規劃。(6)國家及省市級文物保護單位及古文化遺址,根據山陽縣重點文物保護分布圖數字化獲得。本文基于DEM計算了研究區的坡度、地形起伏度,基于Landsat-8 OLI數據計算了研究區的植被覆蓋度,基于氣象觀測數據計算并插值得到山陽縣2015年的年均氣溫和年平降雨量。空間數據主要用于計算生態脆弱性指數,且所有空間數據的分辨率統一重采樣為30 m×30 m。

由于生態彈性度、距居民點的距離、人口密度也是影響生態脆弱性的重要因素,因此,本文進一步對這3個變量進行計算。生態彈性度反映了生態系統在受到干擾時的恢復能力,生態彈性度越高系統恢復力越強。在計算生態彈性度時,本文參考何新等[23]提出的方法,將土地利用類型合并為林地、草地、耕地、濕地、水體、農村居民點、城鎮建設用地、獨立工礦用地、交通用地及裸地等十大類,各地類的彈性分值用對應的植被凈初級生產力(NPP)表示[24]。生態彈性度的計算公式如下：

(1)

式中,E為區域生態彈性度,值越大說明彈性限度越高,n為土地利用類型的數量,ai為第i種土地利用類型的面積,qi為第i種土地利用類型的彈性分值,即NPP值,A為評價單元總面積。

居民點分布作為區域開發強度的重要影響因素,為了體現區域開發強度對生態敏感性的影響,本文將研究區以30 m×30 m的網格劃分,計算了每一個格網中心點到其最鄰近居民點的距離,并根據相關研究成果的分級標準對其分級賦值[25],得到距主要居民點距離的評價數據。

人口密度能在一定程度上反映人類活動對自然資源的利用強度,人口密度越大人類活動對生態系統造成的壓力越大[23]。根據2015年山陽縣村域人口數據,依據各行政村面積計算人口密度,在ArcGIS 10.2中對山陽縣各行政村的矢量數據進行人口密度的賦值,將賦值后的數據柵格化30 m×30 m,得到山陽縣人口密度柵格數據。

2.2 社會經濟數據

本文采用的社會經濟數據主要包括：(1)農民人均純收入、農民人均純收入增長速率,來源于《2015年山陽縣統計年鑒》；(2)村域總人口、危房比例、外出務工人口比例、義務教育階段學生入學率、貧困發生率、低保人口比例來源于山陽縣十三五脫貧攻堅規劃。根據研究需要進一步計算了到最近鄉鎮集市的距離、人均耕地面積和路網密度這3個影響經濟貧困的因子。計算到最近鄉鎮集市的距離時,首先提取各個行政村的幾何中心,然后利用GIS的鄰域分析功能計算得到。人均耕地面積計算通過土地利用數據提取耕地面積,用各行政村總耕地面積比總人口計算得到。路網密度計算則通過土地利用數據計算各行政村道路總長度和總面積,再用道路總長度比總面積得到。社會經濟數據主要用于計算村域經濟貧困指數,并以行政村為單元進行統計。

3 研究方法

3.1 生態脆弱性評價模型

3.1.1指標選取

生態環境脆弱性是生態系統的固有屬性,指在特定區域條件下,生態環境受外力干擾時的敏感反應和自我恢復能力[26]。本著可操作性、科學性及數據可獲性等原則,根據生態環境脆弱的內涵,結合山陽縣地層巖性及地質構造復雜,地形起伏變化大,滑坡、泥石流等地質災害相對頻發的生態環境現狀,參考現有生態環境相關文獻的指標體系[27-28],從生態敏感性、生態恢復力及生態壓力度三方面構建山陽縣生態環境脆弱性指標體系(表1)。

生態敏感性反應的是生態系統在遇到干擾時,發生生態環境問題的概率大小[29],參考《全國生態功能區劃(修編版)》中對生態敏感性的評價方法和依據,遵循指標體系構建應反映區域最主要生態問題的原則,選取地形因子、氣象因子、地表因子、地質災害因子、土壤侵蝕性因子、生態敏感區及區域開發強度7個生態環境因子對山陽縣生態敏感性展開評價[30]。其中：①地形因子選取高程、坡度、地形起伏度；②氣象因子選取年均降雨量和年均氣溫,氣溫反映了區域熱力資源狀況,降雨的不均衡性會引起土壤侵蝕；③地表因子主要考慮植被影響,植被覆蓋度可在一定程度上反映地表植被的覆蓋狀況和茂密程度；④地質災害易發程度主要體現災害導致生態類型和生態潛力迅速變化和下降；⑤土壤侵蝕性可直接反應區域水土流失程度；⑥根據研究區域生態環境特征,環境敏感區主要包括主要地表水體、文物保護單位和自然保護區,其對區域生態環境保護具有重要意義,距離上述敏感區越近敏感性越高[31]；⑦長期性的人類開發活動對區域生態環境的影響較大,而居民點建設、交通建設是區域開發強度的重要體現[25]。

生態恢復力指生態系統遇到外界干擾時自我調節和自我恢復的能力,用植被凈初級生產力和生態彈性度表示。生態壓力度主要指生態系統受到外界擾動的壓力,其中人類活動是壓力的重要影響因素,人類活動、作用于自然,使得土地利用空間模式不斷發生改變,因而,選取人口密度和土地利用結構作為評價生態壓力度的主要因子。

3.1.2模型構建

為降低評價指標之間的相關性,避免指標重復而影響評價結果的精確性,需要先采用空間主成分分析法(SPCA)進行主成分提取,然后將空間主成分與其對應解釋變量的加權和定義為生態脆弱性指數(Ecological Vulnerability Index,EVI)[27],計算公式如下：

(2)

式中,EVI為生態脆弱性指數,ai為個評價指標標準化得分值；spi為評價指標權重；n為主成分總數。

表1 生態脆弱性評價要素構成Table 1 The index system of ecological vulnerability

3.2 經濟貧困評價模型

3.2.1指標選取

經濟性貧困是指人們因各種原因而導致物質生活資料取得程度低下或者經濟收入水平異常低下不能獲得必須的最低生存資料,致使發生生存障礙,出現生存危機的狀態[32]。基于經濟貧困測算指標的科學性、數據可獲取性和可操作性等原則,借鑒已有貧困測度體系[33-34],從經濟和社會兩個維度構建村域經濟貧困度量指標體系(表2),其中,經濟維度包括經濟發展水平、生活水平、農業人口從業狀況、區位優勢、資源數量現狀和基礎設施,社會維度包括教育狀況和社會福利。

表2 經濟貧困評價指標體系Table 2 Evaluation index system of economic poverty

3.2.2模型構建

經濟貧困指數(Poverty Index,PI)用于定量評價研究區內各行政村的經濟貧困程度[35],計算公式如下：

(3)

式中,PI表示各縣的經濟貧困指數,S、E分別表示社會維度和經濟維度的貧困指數,WS、WE為相應的權重。權重確定采用主客觀綜合權重法,以最大限度減少信息損失。將主觀層次分析法(AHP)得到的權重與主成分分析法(SPCA)得到的客觀權重的最優組合作為最終權重值。

3.3 生態脆弱性與經濟貧困耦合模型

為了分析生態環境脆弱性與經濟貧困兩系統的相互作用及產生的影響,需要分析生態脆弱性與經濟貧困的耦合關系。耦合指兩個(或兩個以上)體系或運動形式之間通過各種相互作用而彼此影響以至協同的現象[36]。考慮到研究區生態脆弱性指數EVI與經濟貧困指數PI存在量綱上的差異,因此采用標準化后的排名計算兩者同步性及整體協調發展水平[37]。計算公式如下：

C=f(x)k×g(y)k/[af(x)+βg(y)]2k

(4)

T=af(x)+βg(y)

(5)

(6)

式中,C為系統耦合度；f(x)為研究區各行政村生態脆弱性指數EVI排名歸一化值；g(y)為研究區各行政村經濟貧困指數PI歸一化值；k為調節系數,為增加區分度,k取3；a和β為待定系數,考慮到集中連片特困區生態環境保護和扶貧開發同等重要,兩者均取0.5；T為生態脆弱性與經濟貧困綜合性指數；D為生態脆弱性與經濟貧困的耦合協調度。

由EVI和PI均取值[0,1],得出D的取值范圍為[0,1],其值越大,表示生態脆弱性與經濟貧困協調程度越好。根據研究區實際情況以及研究需求,借鑒相關學者的研究成果[37-38],將D分成4類,其中協調發展類、勉強協調發展類主要體現協調發展的特點,瀕臨失調類和失調衰退類主要體現失調衰退的特點。在此基礎上,結合兩大系統(EVI、PI)的得分,將耦合協調度分為6種差異類型(表3)。

表3 生態環境與貧困耦合協調度分類和判別標準Table 3 Types of coupling coordination degree and judgment standard

4 結果分析

4.1 生態脆弱性分析

圖2 山陽縣生態脆弱性網格綜合評價圖Fig.2 Grid ecological vulnerability in Shanyang County

對各指標值進行空間主成分分析,選取累計貢獻率大于85%的前9個主成分及特征根,其包含了原始數據的大部分信息,采用柵格計算的方法計算出生態脆弱性指數,EVI值越大,脆弱程度越高,反之越低。為更好的表示山陽縣生態脆弱性空間分布,采用自然斷點法將EVI值分成5級,結果如圖2所示。

根據脆弱性評價結果,微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱的面積比例分別為13.1%、26.0%、29.0%、22.4%和9.5%,中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱總面積達2167.9 km2,占全縣總面積的61.4%,說明山陽縣生態環境脆弱性整體中等偏高。空間分布方面,重度脆弱及極度脆弱的區域集中分布在北部、中北部以及中東部等地區。北部主要位于城關鎮,是全縣城鄉住宅用地及農業、工業集中區,也是人類活動與GDP最密集的地區。中北部主要分布在鶻嶺北坡的低山區,自西向東延伸至銀花鎮,地形以緩坡、洼地和梯田為主,地表多為疏林或荒坡,植被稀少水土流失嚴重,再加地處牛耳川-銀花復活斷裂帶,滑坡、泥石流等地質災害相對頻發,敏感的自然環境本底條件加上人類活動的干擾使得該區域的生態環境十分脆弱。中東部位于靳家河和兩岔河流域的河谷地帶,該區域平均海拔879 m,地勢寬坦,水熱資源豐富,土地墾殖率高,人口密度相對較高,人類活動對生態環境的干擾較大。

4.2 村級經濟貧困分析

圖3 山陽縣村域經濟貧困綜合評價圖Fig.3 Village-level economic poverty index in Shanyang County

為了更直觀地反映山陽縣貧困的空間分布特征,本文以行政村為單元計算每個村的經濟貧困指數,并利用ArcGIS 10.2 軟件的自然斷點分級法將239個行政村經濟貧困指數劃分為5種類型,分別是重度貧困區、較重度貧困區、中度貧困區、較輕度貧困區、非貧困區5種類型(圖3)。通過圖3可以看出,山陽縣貧困村中處于中度貧困及以上的比例為89.6%,非貧困村中處于中度貧困及以下的比例達82.5%,說明評價結果與山陽縣實際貧困現狀基本相符,評價結果能基本反映山陽縣的貧困狀態及其空間分異特征。

根據分類結果,非貧困、輕度貧困、中度貧困、較重度貧困和重度貧困行政村的比例分別為7.1%、22.6%、33.5%、23.9%和12.9%,中度貧困以上的行政村比例為70.3%,表明山陽縣貧困程度較深。空間分布上,較重度貧困和重度貧困集中分布在研究區海拔1000 m以上的偏遠山區,該區域作物一年一熟或兩年三熟,土地產出率較低,且人口居住分散,村莊基礎設施薄弱,衛生醫療及社會保障較差。中度及以下貧困集中分布于水熱資源豐富、土地肥沃、交通便利、基礎設施和公共服務水平也相對較好的低山河谷區。輕度及以下貧困集中區的平均海拔高度、到最近鄉鎮平均距離、平均人均耕地面積及平均道路密度分別是較重度及以上貧困集中區的0.77倍、0.43倍、1.5倍和2.1倍,地形條件、經濟區位、資源豐富度及交通通達性的綜合差異形成了山陽縣經濟貧困的空間分布格局。

4.3 村級生態脆弱性與經濟貧困耦合關系

為深入解析山陽縣生態環境脆弱性與經濟貧困之間的關聯性,采用耦合模型和分類標準,對生態脆弱性與經濟貧困的耦合協調度D進行計算并分類,得到山陽縣耦合協調度差異分類圖(圖4)。其中,失調共損型、失調環境滯后型、失調經濟滯后型、協調同步型、協調環境滯后型及協調經濟滯后型的比例分別為8.8%、13.0%、25.9%、13.4%、2.9%和36.0%,經濟發展與生態建設同步且相互促進的行政村比例僅為13.0%,說明山陽縣生態脆弱性與經濟貧困協調度整體較低。失調經濟滯后型比例高達25.9%,反映出經濟制約是生態與經濟兩系統失調發展的主要原因。

失調發展類中,失調共損型生態脆弱度高,經濟貧困程度深,生態與經濟兩系統相互制約,空間分布較分散且無明顯的空間集聚區,在未來發展過程中既要加大扶貧開發力度又要十分重視生態環境保護。失調環境滯后型生態脆弱度高導致生態與經濟兩系統失調,在扶貧開發過程中需要尤其重視生態環境保護。該類型行政村集中分布在城關和銀花兩鎮的河川地帶,城關鎮是全縣加工制造業最主要的集中區,銀花鎮人均耕地面積及耕地灌溉率都居全縣首位,過渡的土地開發利用及人類活動壓力導致生態環境極其脆弱。失調經濟滯后型經濟深度貧困導致生態與經濟兩系統失調,在今后扶貧開發過程中應注重通過發展生態產業及生態服務業,提升當地居民的可持續生計能力。該類型行政村表現出分散分布與集中分布共存的空間分布特征,集中分布區包括北部集中區、中部集中區和南部集中區,分別位于北部山脈流嶺、中部山脈鵑嶺及南部山脈鄖嶺等海拔1000 m以上的偏遠山區,這些區域土地產出率低、基礎設施薄弱且技術資本可進入性差。

協調發展類中,協調同步型生態脆弱性與經濟貧困程度都很低,生態與經濟兩系統相互促進協調發展,但由于此類行政村數量還較少并未形成集中分布區。協調環境滯后型生態與經濟兩系統協調發展,但是生態環境保護略滯后于經濟發展,在扶貧開發過程中仍需要加強生態環境保護。該類行政村在空間分布上表現出與鎮政府駐地重合的特征。協調經濟滯后型生態與經濟兩系統協調發展,但經濟較貧困在一定程度上對生態環境造成不利影響。該類型行政村多位于低山河谷區,區內水熱資源豐富,農業生產基礎條件較好,但由于農業現代化發展還處于起步階段,基礎設施及社會保障體系不完善,導致經濟發展水平仍然較低。

5 結論與建議

5.1 結論

本文以秦巴特困連片區山陽縣為例,在對其生態環境與貧困現狀的實地調查的基礎上,綜合遙感與地理信息技術對研究區生態脆弱性進行了定量評價,構建以行政村為單元的經濟貧困評價指標體系,并分析了行政村尺度生態環境脆弱性與經濟貧困耦合協調度的空間分異特征。結果表明：①生態脆弱性方面：山陽縣中度脆弱及以上的面積比例為61.4%,生態脆弱性整體處于中等偏高水平。重度和極度脆弱區表現出明顯的地理集中性,生態脆弱性高的地區集中分布在人類活動頻繁的河川地帶和水土流失嚴重的低山區。②經濟貧困方面：山陽縣中度貧困以上的行政村比例為70.3%,貧困程度總體較深。空間分布上,中度及以下貧困主要分布在低山河谷區,較重度和重度貧困主要分布在海拔1000 m以上的偏遠山區,地形條件、資源豐富度、交通通達性及經濟區位的綜合差異形成了山陽縣經濟貧困的空間分布格局。③耦合關系方面：山陽縣生態脆弱性與經濟貧困整體協調度較低,協調同步型行政村比例僅13.0%。空間分布上,失調共損型、協調同步型及協調環境滯后型空間分布較分散,失調環境滯后型、失調經濟滯后型及協調經濟滯后型有明顯的集聚區。失調環境滯后型和協調經濟滯后型集中分布在低山河谷區,失調經濟滯后型集中分布在海拔1000 m以上的偏遠山區。

5.2 建議

基于對山陽縣生態脆弱性與經濟貧困及其耦合關系分析,本文提出以下對策和建議：①合理有序引導人口向中心鎮轉移。生態脆弱導致生態與經濟兩系統失調的行政村主要集中在經濟發展水平高、人口密集的城關和銀花兩鎮。應在新型城鎮化與異地扶貧搬遷政策的實施過程中,根據各中心鎮的資源環境承載力有序引導人口城鎮化,合理規劃異地扶貧搬遷安置點的空間布局。②生態扶貧助推1000 m以上偏遠山區擺脫深度貧困。1000 m以上偏遠山區深度貧困導致生態與經濟兩系統失調,但植被覆蓋率高,生態資源富足。扶貧開發應注重生態資源的開發利用,以生態產業扶貧和生態服務扶貧為主。③通過產業扶貧加快低山河谷區生態經濟建設。這類區域勞動力素質相對較高,道路、通信網絡等基礎設施建設的難度和投入相對較低,可以成為今后扶貧開發過程中產業扶貧相關政策實施的重點區域,應在扶貧開發過程結合優勢資源發展特色生態產業。