基于面向?qū)ο罄碚摰膮^(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合評價

劉 洋,呂建樹,吳泉源,孫 翔 (.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 0046；.南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室, 江蘇 南京 0093；3.山東師范大學(xué)人口?資源與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 5004)

生態(tài)環(huán)境由自然環(huán)境與人為環(huán)境構(gòu)成,通常是指生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體[1].近年來,在全球氣候變化的背景下,濱海地區(qū)作為海洋和陸地交互作用的過渡區(qū)域,自然、人為的綜合作用使其成為生態(tài)環(huán)境脆弱帶.因此,對濱海地區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度進(jìn)行科學(xué)地評價,了解其現(xiàn)狀、掌握其演化規(guī)律,并分析其發(fā)展趨勢及變化原因,可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警、結(jié)構(gòu)調(diào)整和功能優(yōu)化奠定基礎(chǔ),為生態(tài)環(huán)境的管理與規(guī)劃提供理論依據(jù).

生態(tài)環(huán)境評價總體上分為所處狀態(tài)和服務(wù)功能兩類,主要集中在生態(tài)環(huán)境的脆弱性、生態(tài)風(fēng)險、生態(tài)退化、生態(tài)健康及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價等方面[1-3].國外相關(guān)研究始于20世紀(jì)60年代,側(cè)重從不同角度和等級尺度進(jìn)行研究,如以可持續(xù)發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)建立指標(biāo)體系的綜合評價、以景觀生態(tài)學(xué)為理論的評價研究、以環(huán)境資源價值為主的評估,以及運(yùn)用RS、GIS等技術(shù)的動態(tài)評價等[4-6].國內(nèi)研究主要涉及評價類別、指標(biāo)體系、評價方法、研究手段等方面,研究區(qū)域突出生態(tài)環(huán)境脆弱帶和人類活動干擾強(qiáng)烈的地區(qū)[7-9].

然而,過去開展的研究工作多側(cè)重于災(zāi)害、污染的分析及治理,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體評價和綜合分析仍不充分,欠缺統(tǒng)一的原理指導(dǎo)和完善的指標(biāo)體系,且評價手段和精度有待提高[9-11].本研究在梳理國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境評價理論和實踐的基礎(chǔ)上,選取山東省典型的濱海地區(qū)——龍口市,嘗試采用面向?qū)ο蟮脑砑胺椒?結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)數(shù)學(xué)方法對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價,宏觀地認(rèn)識人類活動造成的生態(tài)破壞和環(huán)境影響,整體上把握生態(tài)環(huán)境變化趨勢,為濱海地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和環(huán)境規(guī)劃與管理提供依據(jù).本研究的主要貢獻(xiàn)在于應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑斫⒃u價系統(tǒng),以此選取評價因子,并將景觀地類的種類和面積作為表現(xiàn)生態(tài)環(huán)境狀況的一種量化方式;同時,強(qiáng)調(diào)面向?qū)ο笤淼募夹g(shù)應(yīng)用,即以面向?qū)ο蟮膱D像分析方法提取地物因子.由此,全面應(yīng)用面向?qū)ο罄碚?探索分析環(huán)境問題的技術(shù)手段.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

龍口市(120°13′20"E～120°44′45"E,37°27′45"N～37°47′30"N)位于山東半島北部,隸屬于煙臺市;西北瀕臨渤海,南與棲霞市和招遠(yuǎn)市毗鄰,東與蓬萊市接壤,總面積 901.05km2.研究區(qū)地處北溫帶東亞季風(fēng)型大陸性氣候區(qū),年溫適中,四季分明.因瀕臨渤海,受海洋調(diào)節(jié)和影響,易出現(xiàn)溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害;冬季受蒙古高壓控制,呈現(xiàn)干冷氣候特征.年平均降水量624.9mm,年均蒸發(fā)量 1900mm,年際變化較大,且境內(nèi)水資源分布不均,屬嚴(yán)重缺水地區(qū)[12-13].地勢南高北低,呈臺階式下降,西部和北部為濱海平原,是重要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū),東部和南部為低山丘陵地帶,有水源保護(hù)地和生態(tài)控制區(qū).西北平原擁有國內(nèi)第一個濱海煤礦,豐富的礦產(chǎn)資源帶動了全市的工業(yè)發(fā)展,同時也給生態(tài)環(huán)境帶來了壓力.土地利用類型復(fù)雜多樣且地域分異明顯,沿岸地帶以港口建設(shè)用地、濕地和沙地為主;濱海平原以耕地、園地等農(nóng)用地為組成部分;南部山區(qū)多為林地、草地、園地等植被類型和河流、坑塘等眾多水域,有全市重要的水源保護(hù)地.龍口市現(xiàn)轄東萊、龍港、新嘉3個街道,及徐福鎮(zhèn)、東江鎮(zhèn)、北馬鎮(zhèn)等10個鎮(zhèn)(圖1).全市以砂質(zhì)海岸為主,僅屺姆島有不長的基巖海岸,海岸帶有灘涂面積約300hm2,漁業(yè)、旅游資源豐富.2010年GDP位列全國百強(qiáng)縣第11名,山東省第1名.良好的區(qū)位優(yōu)勢使其成為資源產(chǎn)業(yè)密集區(qū),人類經(jīng)濟(jì)活動對區(qū)域環(huán)境干擾程度劇增,研究區(qū)土地利用/覆被狀況發(fā)生了劇烈變化,面臨著土壤鹽漬化、灘涂濕地銳減、水環(huán)境惡化、植被覆蓋度下降、采煤塌陷等生態(tài)環(huán)境問題,是濱海地區(qū)生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)較典型的區(qū)域.

圖1 研究區(qū)行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括遙感影像,專題圖件及統(tǒng)計調(diào)查資料,GPS控制點數(shù)據(jù).遙感影像選擇 1996年,2002年和2008年的Landsat TM影像和中巴衛(wèi)星影像(CBERS),同時以航片、SPOT5影像作為參考數(shù)據(jù),成像時間均為4～7月;專題圖件和統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)用于檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性及相關(guān)評價因子的提取,包括評價年份的土地利用現(xiàn)狀圖、行政區(qū)劃圖和地形圖,以及降雨量、風(fēng)暴潮、水文、土壤、統(tǒng)計年鑒等自然與社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù);GPS控制點數(shù)據(jù)用于遙感影像的幾何校正和矢量圖像的配準(zhǔn)糾正,根據(jù)研究區(qū)情況確定了40個控制點.

2 主體思想與研究方法

2.1 面向?qū)ο蟮乃枷?/p>

面向?qū)ο罄碚撈鹪从?0世紀(jì)60年代的信息系統(tǒng)工程,現(xiàn)已發(fā)展成一套完整方法論和圖示記號體系[14].該理論將客觀世界中的任何事物都視為一個對象,擁有自己的靜態(tài)特征和動態(tài)特征,各個對象間通過組合及相互作用構(gòu)成客觀世界.目前面向?qū)ο笏枷胍延糜陉U述地學(xué)問題或現(xiàn)象,研究地理空間實體的位置、狀態(tài)、時空變化等[15-16].本研究采用面向?qū)ο蟮睦碚摌?gòu)建評價系統(tǒng).以往的生態(tài)環(huán)境綜合評價主要采用聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(OECD)建立的PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))模型或進(jìn)一步修正的DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))模型構(gòu)建評價指標(biāo)體系[17];也有參考我國的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》,根據(jù)研究區(qū)實際情況選擇指標(biāo),并結(jié)合各自權(quán)重構(gòu)建生態(tài)環(huán)境指數(shù)模型[18];抑或采用層次分析法,通過計算生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行評價[19]等等.總的來看,以PSR模型為代表的研究,側(cè)重生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動機(jī)理、過程的描述;由于生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng),各組成要素之間的相互作用過程和程度相當(dāng)復(fù)雜,以線性的模型模擬其內(nèi)部機(jī)理及變化必然會產(chǎn)生偏頗;通常所遴選的指標(biāo)之間具有相似性,且需要豐富的數(shù)據(jù)來源,有時指標(biāo)屬于狀態(tài)還是壓力指標(biāo)難以界定;同時眾多的指標(biāo)之間組合較為牽強(qiáng),缺乏邏輯上的必然聯(lián)系,這都對研究結(jié)果帶來了一定的不確定性.

基于面向?qū)ο罄碚摰膮^(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合評價將研究問題作為復(fù)合系統(tǒng),通過劃分問題域來認(rèn)知系統(tǒng)(即建立基于問題域的子系統(tǒng)),通過抽象事物為對象來反映系統(tǒng)(即確定基于個體的評價因子),從而建立基于個體對象的指標(biāo)體系,并側(cè)重分析對象的屬性和行為,而非考慮具體的分析步驟和作用機(jī)理,從而使系統(tǒng)直接地映射問題,確保問題域中事物及相互關(guān)系的本來面貌[20].因此,基于該理論的研究針對性強(qiáng),直接著眼于區(qū)域生態(tài)問題,進(jìn)行問題域和個體對象的劃分,而不是遵循著因果關(guān)系進(jìn)行建模,可以抓住主要矛盾;所遴選的指標(biāo)均為表現(xiàn)性因子,能全面、直接的體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的主要方面,減少了評價結(jié)果的不確定性;特別的,對于缺少豐富數(shù)據(jù)源和作用機(jī)理不明確的綜合評價研究具有較大的優(yōu)勢[21],可操作性較強(qiáng).值得注意的是,面向?qū)ο罄碚摬⒉皇侨趸松鷳B(tài)環(huán)境的驅(qū)動力-響應(yīng)等機(jī)理研究,通過分析系統(tǒng)的問題域和對象,可以還原其驅(qū)動力,進(jìn)而提出調(diào)控政策.

2.2 評價系統(tǒng)的構(gòu)建

面向?qū)ο蟮膮^(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖 2所示.該框架的第一級為總系統(tǒng),即研究的綜合系統(tǒng),表現(xiàn)為研究區(qū)整體的生態(tài)環(huán)境狀態(tài);第二級按照生態(tài)與環(huán)境特征和組分,劃分為5個子系統(tǒng)(問題域),以各自相應(yīng)的方式反映總系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境綜合狀況,體現(xiàn)了面向?qū)ο罄碚摰亩鄳B(tài)性;第三級是對第二級的進(jìn)一步細(xì)分,可以理解為濱海地區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境評價因子(個體對象),是各子系統(tǒng)典型的景觀地類和表現(xiàn)因素.景觀地類因子包括退化地類、水域地類、植被類型和塌陷地面;其中,退化地類包括裸地、沙地和鹽堿地,水域地類則有河流、水庫、坑塘(含養(yǎng)殖水面)及灘涂濕地,植被類型分為林地、草地及耕作植被.研究選取景觀地類作為評價因子衡量子系統(tǒng)的優(yōu)良狀態(tài),其原因是地類變化能最直接反映自然環(huán)境和人類活動共同作用的結(jié)果,反映生態(tài)環(huán)境狀況的發(fā)展趨勢,即將研究問題的本質(zhì)特征抽象為問題域?qū)ο?集中表現(xiàn)時空變化特征.此外,根據(jù)研究需求,考慮到區(qū)域生態(tài)環(huán)境的本底差異和人類對其適應(yīng)及影響程度,選擇各問題域下的典型表現(xiàn)因子,從而確定植被覆蓋度、水網(wǎng)密度、年降水量、環(huán)境可持續(xù)度等評價因子.

圖2 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)框架Fig.2 Index system of comprehensive assessment on ecological environment in study area

面向?qū)ο笤硎歉鶕?jù)問題域劃分系統(tǒng)的對象,直接針對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的表現(xiàn)形式進(jìn)行建模,將驅(qū)動機(jī)制產(chǎn)生的結(jié)果地類作為評價因子,而非選取驅(qū)動因素,避免了問題或現(xiàn)象的誘發(fā)因素.例如,土地退化性子系統(tǒng)中選擇的評價因子是土壤侵蝕、沙化產(chǎn)生的結(jié)果地類,而非土壤侵蝕、沙化等誘發(fā)因素.該方法的特點是對象的選取具有指向性和典型性,對象間通過共同作用顯示外部特征,其內(nèi)部本質(zhì)屬性通過封閉機(jī)制加以隱藏,使研究問題具有針對性,便于實際應(yīng)用.

2.3 評價因子的提取

研究借助RS和GIS技術(shù)獲取生態(tài)環(huán)境評價因子,再按照相關(guān)屬性值轉(zhuǎn)化為30m×30m的柵格圖像.具體提取方法如下:

龍口市屬于缺水較嚴(yán)重地區(qū),年降水量作為氣候要素的重要因子影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流動,維持水資源環(huán)境的狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展,提取過程為:根據(jù)區(qū)域氣象站點各年份的降水量數(shù)據(jù),采用克里金插值法得到研究區(qū)降水分布圖,再通過ArcGIS的柵格計算器進(jìn)一步得到年降水距平值分布圖.風(fēng)暴潮作為渤海灣沿岸較為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一,顯著影響濱海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,該因子的提取過程為:根據(jù)研究年份的氣象災(zāi)害資料,模擬山東半島北部沿岸風(fēng)暴潮過境曲線,考慮到地形的阻擋作用和不同年份風(fēng)暴潮的影響強(qiáng)度,找出影響范圍,作緩沖區(qū)分析,并賦予影響強(qiáng)度值,得到風(fēng)暴潮影響范圍分布圖;同時以萊州灣羊角溝水文站為中心進(jìn)行點緩沖,輔助分析.

氣候變化和人類活動干擾導(dǎo)致生態(tài)功能用地逐漸減少,土地退化問題出現(xiàn).系統(tǒng)中主要的退化地類為裸地、沙地和部分鹽堿地,采用面向?qū)ο蟮膱D像分析方法,結(jié)合土地利用圖計算退化面積,作為評價土地退化性的定量元素.根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料、塌陷地實地調(diào)查及影像地物判讀,將煤礦塌陷地分為深度、中度和輕度塌陷區(qū).由于3m以下的塌陷地不穩(wěn)定,易發(fā)生進(jìn)一步的塌陷,需結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和以往測定的塌陷地變化速率進(jìn)行緩沖區(qū)分析,并確定重度和輕度影響區(qū),賦予相應(yīng)屬性值,以表示塌陷地對不同距離的影響程度.

水環(huán)境狀況影響生態(tài)系統(tǒng)的納污能力和自凈能力,關(guān)系到系統(tǒng)的生態(tài)循環(huán)及安全性.研究選用的評價因子為水域地類和河網(wǎng)密度.水域地類以各自其所具有的生態(tài)功能和地類面積來衡量環(huán)境狀況的影響程度.通過面向?qū)ο蟮膱D像分析方式,以eCognition為平臺進(jìn)行提取.河網(wǎng)密度的提取則以ArcGIS為技術(shù)平臺,將研究區(qū)等高線生成數(shù)字高程模型(DEM),通過水文分析模塊的洼地填平、水流方向計算、水流積聚計算,提取河網(wǎng)柵格和子流域,并將兩者均轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù),計算各子流域河網(wǎng)密度.

植被具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土等許多良好的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),是衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的重要標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)研究區(qū)不同植被地類的光譜、紋理、影像特征,結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)、比值植被指數(shù)(RVI)及 DEM 專題信息建立分類規(guī)則,采用面向?qū)ο蟮膱D像分析方式進(jìn)行自動分類,再將結(jié)果導(dǎo)出,對照土地利用圖進(jìn)行手工修改,確定最終的植被類型.植被覆蓋度提取則采用較為常用的歸一化植被指數(shù)(NDVI),通過TM影像生成,再進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化后得到.

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生壓力,表現(xiàn)為人類分布聚集,資源開采利用、工業(yè)生產(chǎn)排放、環(huán)境污染治理等行為對生態(tài)環(huán)境的影響.環(huán)境可持續(xù)度是通過選取一定環(huán)境要素及污染源監(jiān)測因子(包括污染物排放量控制度、污染防治程度、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)、城市環(huán)境保護(hù)度、農(nóng)村環(huán)境保護(hù)度、社會可接受性6大類18個因子), 采用 TOPSIS法[22]對研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量及動態(tài)變化情況進(jìn)行定量評價.人口密度反映人類的聚集狀態(tài)、分布情況及對生態(tài)環(huán)境的干擾程度,根據(jù)鎮(zhèn)駐地和轄區(qū)行政界限,通過ArcView軟件密度計算工具,選取核心計算法(Kernel)進(jìn)行柵格計算.

2.4 評價模型的建立

生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)涉及自然、社會、經(jīng)濟(jì)等多方面,具有一定的模糊色彩,且提取的評價因子多為柵格數(shù)據(jù),因此選取基于GIS柵格數(shù)據(jù)的模糊綜合評判,結(jié)合加權(quán)求和法集成各個子系統(tǒng)的評價因子,得到評價因素集,再根據(jù)隸屬度函數(shù)和評價等級標(biāo)準(zhǔn)計算隸屬度層,以最大隸屬度原則求取生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級圖,分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況.綜合評價過程如下:

首先對各子系統(tǒng)的評價因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:對于等級遞變性因子(如降水變化、人口密度等)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化,并將結(jié)果乘以100,將數(shù)值范圍擴(kuò)展到0～100,便于比較計算;對于經(jīng)驗性因子,如塌陷地程度、植被類型等,難以直接量化,可采用專家分級標(biāo)準(zhǔn)化.其次,考慮到單一的賦權(quán)方法可能會產(chǎn)生一定誤差,利用熵權(quán)法和層次分析法相結(jié)合的組合賦權(quán)法[23]確定各因子及評價因素集的權(quán)重,并將標(biāo)準(zhǔn)化的因子與相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算,得到基于各子系統(tǒng)的評價因素集模 糊 權(quán)向 量 的合成運(yùn) 算[24-26],即:=? R.其中,為模糊評價結(jié)果,是一個多維向量,采用最大隸屬度原則進(jìn)行處理,得到單個柵格的唯一隸屬度值;為模糊權(quán)向量,r為m×n階的模糊關(guān)系矩陣,ij表示評價因素集U中第i個因素Ui相對于評價等級集合V中第j個等級Vj的隸屬度.根據(jù)隸屬度函數(shù)確定每個柵格單元隸屬于不同等級的程度,組成具有空間分布特征的隸屬度圖層[25].

3 結(jié)果與分析

3.1 綜合評價結(jié)果

按照模糊綜合評價原理將提取的評價因子進(jìn)行集成運(yùn)算,得到模糊關(guān)系矩陣 R,并確定評價權(quán)向量為= ｛0.212, 0.213,0.185,0.213,0.177｝;B,形成綜合評價系統(tǒng)的4個隸屬度層;按照最大隸屬度原則,由CON條件函數(shù)計算評價結(jié)果,如圖 3.再統(tǒng)計各評價等級的柵格數(shù)、面積及比例,見表1.在ArcGIS軟件中通過空間疊置分析和空間運(yùn)算功能,得到模糊評價結(jié)果.再次,根據(jù)龍口市實際情況和評價需要,將研究區(qū)生態(tài)環(huán)境評價等級分為優(yōu)、良、中、差 4個級別,即建立評語集:= { 優(yōu),良,中,差},采用等間距法確定評價等級標(biāo)準(zhǔn).最后進(jìn)行模糊關(guān)系矩陣與

圖3 研究區(qū)2008年模糊綜合評價等級Fig.3 Grade map of fuzzy synthetic assessment in study area in 2008

由圖3和表1可見,研究區(qū)2008年生態(tài)環(huán)境狀況的等級分布具有較明顯的區(qū)域性.生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)級面積為22296.15hm2,占研究區(qū)總面積的24.75%,主要分布在龍口市東南部的黃水河沿岸和南部林地繁茂的山區(qū);良級的面積占總面積的41.78%,且分布范圍較廣,從東北到西南均有所分布;中級僅占總面積的5.29%,主要分布在北部易受風(fēng)暴潮影響的沿海地帶和中部一些工業(yè)地區(qū);差級的面積為25391.25 hm2,占總面積的28.18%,集中分布于西部的沿海地帶與西北部的煤礦塌陷地,中心城區(qū)及東部一些地區(qū)也存在零散分布.總體來看,2008年各等級分布狀況與研究區(qū)實際環(huán)境情況較為符合,研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境狀況良好,各等級面積比例差別較大.

表1 研究區(qū)2008年模糊綜合評價結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistical result of fuzzy comprehensive assessment in study area in 2008

3.2 空間分布及成因分析

根據(jù)2008年綜合評價結(jié)果來看,龍口市生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布特征是從西北沿海到東南內(nèi)陸逐漸變好,沿岸地帶和中心城區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況較差,南部山區(qū)與海島內(nèi)部的狀況最好,其余地區(qū)則處于中間水平.按照自然條件、土地利用狀況、資源開發(fā)利用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素對其典型分區(qū)進(jìn)行分析.

中心城區(qū)是人類活動干擾強(qiáng)烈的地區(qū),生態(tài)環(huán)境狀況較差,主要原因是人口壓力的逐年增加和開發(fā)建設(shè)的不斷加強(qiáng).隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,大量農(nóng)村人口向城市轉(zhuǎn)移,人口密度不斷增加[27],環(huán)境污染和資源浪費(fèi)程度逐漸加大;作為工商業(yè)聚集區(qū),其產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,土地利用變化大,農(nóng)用地多轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地,中心城區(qū)建設(shè)用地密集(圖4),產(chǎn)生許多城市不透水面,造成植被銳減,生態(tài)環(huán)境負(fù)荷增強(qiáng).

沿岸地帶是海-陸-人交互作用最明顯地區(qū),在大氣、海洋和陸地的強(qiáng)烈作用下,具有明顯的邊緣效應(yīng)[28],生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,港口、城鎮(zhèn)等人工建筑面積大,人類活動干擾較強(qiáng),生態(tài)環(huán)境脆弱.該區(qū)處于渤海灣沿岸,易遭受溫帶風(fēng)暴潮侵襲,1996年渤海灣出現(xiàn) 3次較強(qiáng)的溫帶風(fēng)暴潮[29],2008年夏季煙臺沿海地區(qū)經(jīng)歷了大風(fēng)暴雨過程,龍口海域產(chǎn)生風(fēng)暴潮高達(dá) 225cm[30].龍口經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和徐福鎮(zhèn)廣泛分布著采煤塌陷地,土壤貧瘠,植被多以雜草和蘆葦為主;開采時間較長的深度塌陷區(qū)常年積水,原有地類破壞嚴(yán)重,地表出現(xiàn)深坑和堆積地貌;3m以下的輕度塌陷區(qū)存在一定的季節(jié)性積水,地表不穩(wěn)定,植被覆蓋低,易發(fā)生進(jìn)一步塌陷(圖5).

圖4 2008年龍口市及中心城區(qū)建設(shè)用地Fig.4 Construction land of Longkou and its central area in 2008

圖5 2008年龍口市及沿海地帶采煤塌陷地Fig.5 Coal mining subsidence district of Longkou and its littoral zone in 2008

南部山區(qū)是自然環(huán)境保持較好的地區(qū),以石良鎮(zhèn)最突出,其質(zhì)量等級為"優(yōu)"的面積為9348.03hm2,占整個研究區(qū)優(yōu)等面積的41.93%,占石良鎮(zhèn)總面積的73.29%.歸結(jié)其原因主要是林地、園地等有利于改善自然環(huán)境的植被覆蓋度高,且黃水河流經(jīng)該處,在此有較多的河流分支,形成眾多子流域,河流的納污能力較強(qiáng);同時該處的王屋水庫水源保護(hù)區(qū)是龍口市面積最大的一級飲用水源保護(hù)區(qū)(圖6),人類活動受到一定程度的控制.

3.3 動態(tài)演變分析

根據(jù)實地調(diào)查、專家評定及研究區(qū)的資料查詢,可以確定該方法能有效評價研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況,因此采用該方法進(jìn)一步評價研究區(qū)2002和1996年的生態(tài)環(huán)境狀況,以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境動態(tài)演變分析.通過ArcGIS計算匯總的結(jié)果見表2.

圖6 2008年龍口市及南部山區(qū)水域地類Fig.6 Water types of Longkou and its southern mountains in 2008

表2 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化統(tǒng)計表Table2 Dynamic statistics of ecological environment in study area

從評價等級面積來看,研究區(qū)除2008年外均以優(yōu)等級面積最大,其次是差等級.其中,1996年優(yōu)級面積占區(qū)域總面積的52.08%,2002年有所下降,占總面積的42.50%,2008年優(yōu)級面積進(jìn)一步減少,僅占 24.74%,而良等級成為該年份的最大面積.與該變化趨勢相反的是差等級,其面積比例由1996年的24.53%上升到2008年的28.18%.從隸屬度均值來看,高級別的隸屬度均值逐年降低,低級別的隸屬度均值逐漸升高,與等級面積的變化趨勢較為吻合.可見,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況以優(yōu)或良為主,但呈現(xiàn)逐年下降趨勢.濱海地區(qū)處于海洋和陸地的交錯地帶,具有本底的脆弱性;加之人類活動加劇,土地覆被的非自然變化,生態(tài)系統(tǒng)的平衡性受到破壞,生態(tài)環(huán)境負(fù)荷逐漸增加.另外,濱海地區(qū)特殊的地理位置使其生態(tài)環(huán)境因子的空間異質(zhì)性較高,成為全球變化的敏感區(qū)域,其中氣候變化異常突出,頻繁出現(xiàn)旱澇、低溫等極端氣候現(xiàn)象,進(jìn)而引起植被覆蓋度、河流流通性的變化以及風(fēng)暴潮、干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生,影響濱海地區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境狀況.

在綜合評價的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析全市典型分區(qū)的變化情況(圖7).其中,中心城區(qū)評價等級的隸屬度均值和面積的變化特征與全市較為相似,隸屬情況由優(yōu)變?yōu)榱?優(yōu)等級面積逐年減少,農(nóng)村人口的大量遷移與城鎮(zhèn)建設(shè)用地的不斷增加成為該變化的主要原因.沿岸地帶的變化情況較為復(fù)雜,呈現(xiàn)先上升后下降的倒“V”型變化,2002年的隸屬等級最高,其原因可能為該年份風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生次數(shù)少、強(qiáng)度低、影響范圍小,對生態(tài)環(huán)境破壞性不強(qiáng),氣候環(huán)境相比之下較為適宜;其他年份則隸屬于差等級,但狀況有所緩解,除自然因素影響外,企業(yè)環(huán)保意識的加強(qiáng)也成為生態(tài)環(huán)境改善的推動力,尤其是龍口市污水處理廠的建成運(yùn)行,減少了排入海域的污水,使沿岸水污染有所緩解.南部山區(qū)的變化情況較為穩(wěn)定,以優(yōu)、良為主,但其隸屬度均值逐漸下降,等級面積逐漸減少;隨著人類的開發(fā)利用與盲目建設(shè),使有利于涵養(yǎng)水源、保持水土的林地面積逐漸減少,水土流失日益加重,生態(tài)承載力下降,原生態(tài)環(huán)境 逐漸發(fā)生改變.

圖7 龍口市3個典型分區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化示意Fig.7 Dynamic change of ecological environment in 3 typical partitions

3.4 研究結(jié)果驗證

表3 研究區(qū)城市熱島效應(yīng)遙感監(jiān)測統(tǒng)計表Table 3 Urban heat island of RS monitoring in study area

城市熱島效應(yīng)是城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的綜合表現(xiàn)形式之一,熱島效應(yīng)的強(qiáng)度與分布,可以從一定程度上反映評價結(jié)果的合理性[31].根據(jù)2002年7月和2008年7月的遙感監(jiān)測結(jié)果,計算統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)各等級熱島效應(yīng)影響值(表3).可見龍口市生態(tài)環(huán)境綜合狀況為優(yōu)等級的熱島效應(yīng)最弱,良等級的熱島效應(yīng)較弱,差等級的熱島效應(yīng)最強(qiáng).與城市熱島效應(yīng)遙感監(jiān)測結(jié)果的對比分析表明,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合狀況與熱島效應(yīng)的強(qiáng)度和分布有較好的一致性.

4 結(jié)語

本文嘗試以面向?qū)ο蟮脑頌橹笇?dǎo),結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境特點建立綜合評價指標(biāo)體系,同時采用面向?qū)ο蠓椒ê虶IS空間分析法提取指標(biāo)因子,在數(shù)學(xué)建模與GIS技術(shù)的支持下建立基于柵格數(shù)據(jù)的模糊評價模型,對龍口市生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價.

以2008年為例,計算出從高到低4個等級面積占總面積的比例分別為24.75%、41.78%、5.29%、28.18%,優(yōu)級區(qū)主要分布在龍口市東南部的黃水河沿岸和南部山區(qū),多是面積較大的坑塘、林地、園地等生態(tài)用地;良級區(qū)從東北到西南均有較廣泛的分布;中級區(qū)與差級區(qū)集中分布于西北部及西部沿海地區(qū),主要為煤礦塌陷地、人類活動干擾強(qiáng)烈的港口和工業(yè)建設(shè)用地;整體上表現(xiàn)為從西北沿海到東南內(nèi)陸逐漸變好的空間分布特征,這與不同地區(qū)的自然條件、土地開發(fā)利用和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等因素有很大的相關(guān)性.從動態(tài)演變分析來看,1996～2008年研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境狀態(tài)呈下降趨勢,其主要原因是人類活動的干擾性與地理位置的特殊性;典型分區(qū)中,南部山區(qū)狀態(tài)略微下降,沿岸地帶呈倒"V"型變化,中心城區(qū)則與全市變化情況相似.

由于研究時間、數(shù)據(jù)資料等方面的限制,一些內(nèi)容有待進(jìn)一步加深,如數(shù)據(jù)收集的渠道不一,轉(zhuǎn)換過程均按統(tǒng)一的尺度進(jìn)行,尤其是屬性數(shù)據(jù)的空間化,忽略了行政單元與柵格尺度的差異,使研究結(jié)果存在一定的誤差,今后可探索更為合理的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化.由于區(qū)域地理環(huán)境和社會發(fā)展程度不同,該方法能否較好的應(yīng)用于其他地區(qū),還有待進(jìn)一步實證研究.

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