全 文 ：大庆市生态环境脆弱性空间格局*
李摇 静1,2 摇 张平宇1**摇 李摇 鹤1 摇 苏摇 飞3
( 1中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2中国科学院研究生院, 北京 100049; 3浙江工商大学旅游与城市管
理学院, 杭州 310018)
摘摇 要摇 以石油资源开采及加工为主要扰动,从敏感性及其应对能力两个方面建立了大庆市
生态环境脆弱性评价指标体系,采用改进的熵值法确定各评价指标的权重,根据脆弱性评价
模型函数分析了大庆市生态环境脆弱性空间格局.结果表明: 2009 年,大庆市生态环境敏感
性较强区域集中分布在石油开采加工及石化产业密集区,土地盐碱化等生态问题是导致区域
敏感性较高的次要原因;应对不利扰动能力的整体水平较高,在一定程度上起到了缓解生态
环境脆弱性的作用;研究区脆弱性空间差异较大,其中红岗区、萨尔图区和龙凤区的脆弱性较
高,脆弱度分别为 0. 80、0. 71 和 0. 68,让胡路区和大同区的脆弱性较低,脆弱度分别为 0. 20
和 0. 04.
关键词摇 生态环境摇 脆弱性摇 空间格局摇 大庆市
文章编号摇 1001-9332(2011)12-3279-06摇 中图分类号摇 X24摇 文献标识码摇 A
Spatial patterns of eco鄄environmental vulnerability in Daqing City. LI Jing1,2, ZHANG Ping鄄
yu1, LI He1, SU Fei3 ( 1Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Acade鄄
my of Sciences, Changchun 130012, China; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China; 3College of Tourism and City Management,Zhejiang Gongshang University,
Hangzhou 310018, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(12): 3279-3284.
Abstract: This paper established an index system for the assessment of eco鄄environmental vulnera鄄
bility in Daqing City, from the aspects of sensitivity and response capability, and aiming at the ma鄄
jor disturbances from crude oil exploitation and production activities. The improved entropy method
was adopted to evaluate the weights of the indices, and the spatial patterns of eco鄄environment vul鄄
nerability in the City were analyzed, according to the model functions. In 2009, the more sensitive
areas of the eco鄄environment in the City were mainly concentrated in the intensive regions of crude
oil exploitation, processing, and petrochemical industry, and the ecological problems such as land
salinization were the secondary causes for this higher sensitivity. The overall response capability of
the eco鄄environment to unfavorable disturbances was relatively high, which reduced the eco鄄envi鄄
ronment vulnerability to some extent. There was a great spatial difference in the eco鄄environment
vulnerability in the City. The vulnerability was comparatively higher in the districts of Honggang,
Sartu and Longfeng, with the degree being 0. 80, 0. 71 and 0. 68, but lower in Ranghulu and Da鄄
tong, with the degree of 0. 20 and 0. 04, respectively.
Key words: eco鄄environment; vulnerability; spatial pattern; Daqing City.
*国家科技支撑计划项目(2008BAH31B06)、国家自然科学基金面
上项目 ( 41071108 )、中国科学院知识创新工程重要方向项目
(KZCX2鄄YW鄄342)、国家自然科学基金重点项目(40635030)和浙江
工商大学青年人才基金项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangpy@ neigae. ac. cn
2011鄄04鄄05 收稿,2011鄄08鄄30 接受.
摇 摇 脆弱性研究是当前全球变化及可持续性科学领
域关注的一个焦点问题[1],受到全球变化人文因素
计划(IHDP)和国际地圈生物圈计划(IGBP)等国际
性科学计划和机构的高度关注[2-4] . 脆弱性评估是
脆弱性研究的重要内容之一.近年来针对水资源、森
林系统、农业系统及农牧交错带、干湿交错带、森林
边缘带和沙漠边缘带等典型生态脆弱带,在中、宏观
尺度上涌现出大量脆弱性评价实证研究[5],推动了
脆弱性评价方法[6]、评价流程[7]、评价指标体系[8]
等方面的研究.以往有关生态脆弱性评价的研究多
数是针对气候变化、自然灾害等自然扰动所开
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 12 月摇 第 22 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2011,22(12): 3279-3284
展[9-10],由于扰动类型的属性特点,研究尺度偏大.
尽管在评价过程中越来越重视社会经济等人文要素
的影响,但总体上对人为扰动因素的关注度不够.事
实上,某些小尺度的区域生态环境在短期内对人为
扰动因素的脆弱性响应更剧烈. 随着脆弱性研究日
益向自然与人文要素相融合的趋势发展,对人为扰
动因素作用下的特殊类型区脆弱性评价研究需要给
予更多关注[11] .
矿产资源开采是人类社会经济系统与自然环境
系统相互作用最强烈的活动之一. 中国矿产资源的
开采大多以城市为载体,矿区主体企业的生产经营
系统多分布于城市附近或城市之中[12] .矿产资源大
规模开发利用对城市生态环境的结构、功能和性质
产生较大的负面影响,已成为多数矿业城市生态环
境发展面临的主要扰动. 以石油开采为例,中国
35郾 8%的石油资源分布在高原、黄土塬、山地、沙漠、
沼泽和滩海地区,陆地油田多处在干旱、半干旱地
区,以石油资源发展为依托的油田区,自然生态系统
内部结构极其不稳定且对外界的干扰较敏感. 大量
石油开采严重干扰了油田地区生态环境,而相继发
展起来的石化工业又进一步加重了人类活动对油田
生态环境的破坏,使景观破碎化、荒漠化、水污染、生
物多样性降低,生态环境退化等问题突出[13] . 本研
究以中国最大的油田城市———大庆市为研究对象,
以石油资源开采及加工为主要扰动,从敏感性及其
应对能力两个方面构建评价指标体系,应用脆弱性
评估模型对大庆市生态环境脆弱性进行评价,为加
强生态环境建设与保护、促进资源合理利用和区域
可持续发展提供科学参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
大庆市(45毅23忆—47毅28忆 N,123毅45忆—125毅47忆
E)地处松嫩平原西部生态脆弱带,是中国最大的石
油生产基地、世界上累计产油超过 10伊108 t的 11 个
特大油田之一.该区属中温带大陆性半干旱、半湿润
季风气候,地势平坦,海拔 126 ~ 165 m,相对高差
13 ~ 39 m,地表水文状况属闭流区,地表水 pH 值偏
高,风沙土和盐碱土比重较大. 大庆市现辖萨尔图、
龙凤、让胡路、红岗、大同 5 个区以及肇源、肇州、林
甸、杜尔伯特 4 个县. 油田开发总面积达 5940郾 4
km2,近 90%的油田分布在 5 个区(图 1). 2009 年
末,大庆市总人口 280郾 2 万,总面积 2郾 12伊104 km2,
其中,研究区(5个区)人口132郾 5万,面积5116 km2 .
图 1摇 研究区区位示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the location of study area.
1960 年开发以来,累计生产原油突破 20伊108 t,连续
27 年年产原油 5000伊104 t以上[14] .在油田开发过程
中,植被破坏较严重,裸地面积扩大,环境受到污染,
草原退化、沙化和盐碱化面积已在 84%以上. 油田
开采使地下水位下降,地下水年超采量近 1伊108 m3 .
工业“三废冶排放引起的环境负荷较严重,2009 年大
庆市工业废水主要污染物化学需氧量(COD)排放
量为 0郾 98伊104 t,工业二氧化硫、工业烟尘和工业粉
尘排放量分别为 5郾 98伊104 t、3伊104 t 和 0郾 2伊104 t,
工业固体废弃物产生量 311郾 9伊104 t.作为黑龙江省
“哈大齐工业走廊冶的核心地域,大庆市面临着发展
现代工业和承担国家资源型城市经济转型的多重任
务,未来发展对生态环境的影响将更大[15] .
1郾 2摇 生态环境脆弱性的概念与内涵
脆弱性概念起源于自然灾害研究,被定义为个
体或团体具有的预期、应对自然灾害及恢复能力的
特征[16] .目前脆弱性概念已被应用于各种研究领域
中,虽然对脆弱性的内涵及构成要素等尚存在分
歧[17-18],但不同研究领域对脆弱性这一概念的认识
正逐渐接近[6] . 综合不同学者对脆弱性概念的理
解,笔者认为,生态环境脆弱性是指由于生态系统对
系统内外扰动的敏感性以及缺乏应对能力从而使生
态系统结构和功能发生改变的一种属性. 区域生态
环境脆弱性是源于系统内部的、与生俱来的一种属
性,只有当系统遭受扰动时这种属性才表现出来.生
态系统的内部特征是系统脆弱性产生的自然基础,
石油开采和石化加工等扰动与生态系统之间的相互
作用使其脆弱性程度加大,是研究区生态系统发生
变化的驱动因素,但这种驱动因素的作用是通过该
系统内部特征使系统脆弱性发生改变,并最终通过
0823 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
生态系统面对扰动的敏感性以及应对能力来体现.
1郾 3摇 评价指标体系的构建
评价指标的选择对研究区生态环境脆弱性评价
具有重要作用.本文中指标选择遵循可操作、可量化
且具有代表性[19]等原则.相关研究认为,居住用地、
公共设施用地、工业用地等建设用地对土地自然平
衡状态破坏最严重[20],因此,建设用地比重可在一
定程度上反映人类活动对地表景观和地表植被的破
坏程度.二氧化硫(SO2)、烟尘、化学需氧量(COD)
和粉尘是大庆市主要污染物,本文选择工业 SO2、工
业烟尘和工业粉尘排放强度作为反映城市大气环境
受到的扰动强度指标,选择工业废水 COD排放强度
作为反映工业废水对城市水环境的扰动强度指标,
选择年均降水量和盐碱地面积比重作为重要的生态
条件表征指标.应对能力指能够反映研究区对工业
SO2、烟尘、粉尘和工业废水等污染物的处理能力以
及城市环境治理和生态保护的能力,本文选择工业
SO2、工业烟尘、工业废水 COD和工业粉尘削减率及
环保投资比重作为反映应对不利扰动能力的指标.
针对研究区具体情况,本文从生态环境对区域石油
资源开采及加工这一主要扰动的敏感性及其应对能
力两个方面,建立油田区生态环境脆弱性评价指标
体系(表 1).
1郾 4摇 数据来源
建设用地和盐碱地面积比重由 2009 年大庆市
SPOT5 遥感影像解译数据计算得到;工业污染物排
放强度的计算公式为:工业污染物排放量 /土地面
积;工业污染物削减率的计算公式为:工业污染物削
减量 / (排放量+削减量)伊100% ;环保投资比重的计
算公式为:工业污染防治投资 /地区生产总值 伊
100% .年均降水量、工业 SO2、工业烟尘、工业废水
COD和工业粉尘排放量及削减量数据来源于 2009
年大庆市环境状况公报[21];工业污染防治投资和地
区生产总值分别来自 2009 年大庆市环境保护投资
项目统计数据[22]和大庆市统计年鉴[23] .
1郾 5摇 权重系数的确定
在综合指标体系的测度中,确定指标权重的方
法主要有主观赋权法和客观赋权法. 主观赋权法是
根据评价者主观上对各指标的重视程度来决定权
重;客观赋权法所依据的赋权原始信息来源于客观
环境,根据各指标所提供的信息量来决定指标权
重[24] .本文使用熵值法确定权重,以消除确定权重
的人为主观因素.设 n 个指标、m 个样本点,形成原
始数据矩阵 X=(xij)m 伊 n,对于某项指标 x j,若其在各
表 1摇 大庆市生态环境脆弱性评价指标体系
Table 1 摇 Index system for the eco鄄environmental vulnera鄄
bility assessment in Daqing City
目标层
Target
layer
准则层
Criterion
layer
编码
Code
指标层
Index layer
权 重
Weight
脆弱性
Vulnera鄄
敏感性
Sensitivity
S1 建设用地比重
Proportion of construction land (% )
0郾 15
bility S2 工业 SO2排放强度
Intensity of industrial SO2 emission
(t·km-2)
0郾 14
S3 工业烟尘排放强度
Intensity of industrial soot emission
(t·km-2)
0郾 14
S4 工业废水 COD排放强度
Intensity of COD emission from indus鄄
trial waste water discharged
(t·km-2)
0郾 09
S5 工业粉尘排放强度
Intensity of industrial dust emission
(t·km-2)
0郾 16
S6 年均降水量
Average annual precipitation (mm)
0郾 18
S7 盐碱地面积比重
Area proportion of saline and alkaline
land (% )
0郾 14
应对能力
Response
capability
R1 工业 SO2削减率
Percentage of industrial SO2 removed
(% )
0郾 24
R2 工业烟尘削减率
Percentage of industrial soot removed
(% )
0郾 26
R3 工业废水 COD削减率
Percentage of COD from industrial
waste water removed (% )
0郾 26
R4 工业粉尘削减率
Percentage of industrial dust removed
(% )
0郾 0002
R5 环保投资比重
Percentage of investment on environ鄄
mental protection to GDP (% )
0郾 24
评价样本之间的差异指标值 xij越大,则该指标在综
合评价中所起作用越大,反之越小;若某项指标的指
标值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用.在
信息论中存在函数关系:H(x)= -移f(xk) lnf(xk),
式中:H(x)为信息熵,是系统无序程度的度量;-移f
(xk)lnf(xk)为信息,是系统有序程度的度量. 某项
指标的离散程度越大,则 H(x)越小,该指标所提供
的信息量越大,故其权重也越大;反之,指标离散程
度越小,信息熵越大,其容纳的信息量越小,权重理
应越小.因此,本文根据指标间的离散程度,用信息
熵来确定指标权重,为生态环境脆弱性评估提供科
学依据[25] .在熵值法计算过程中,运用了对数、熵等
概念,故必须遵守相应的规则约束,即负值和极值进
行一定变换后再参与计算.对熵值法改进的方法有:
功效系数法和标准化法,前者在变换数据时,人为增
182312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 静等: 大庆市生态环境脆弱性空间格局摇 摇 摇 摇 摇 摇
加了 琢变量(由评价者决定其值大小),导致评价结
果的不确定性;后者则不需要增加任何主观信息,且
有利于缩小极值对评价结果的不利影响,故一些学者
认为,用标准化法对数据处理后的熵值法更具有合理
性[26] .用改进的熵值法进行综合评价步骤如下:
1)指标的标准化. 由于各指标的量纲、数量级
及正负取向均有差异,需对初始数据进行标准化处
理.指标值越大对系统发展越有利时,采用正向指标
计算方法:
X ij忆 = (X ij - X j min) / (X j max - X j min)
指标值越小对系统发展越好时,采用负向指标
计算方法:
X ij忆 = (X j max - X ij) / (X j max - X j min)
式中:X ij为第 i 个样本第 j 项评价指标的值;X j min和
X j max分别为所有样本中第 j 项指标的最小值和最大
值;X ij 忆为标准化后的指标值.
2)坐标平移(消除负数的影响):
X ij义=A+X ij忆
式中:X ij义为平移后的指标值;A为平移幅度.
3)第 i个样本点第 j 项指标值的比重:
Yij = X ij义 /移
m
i = 1
X ij义
式中:Yij为第 j项指标中第 i 个样本点指标值的比重.
4)指标信息熵(ej,0臆ej臆1)的计算:
ej = - k移
m
i = 1
(Yij 伊 lnYij)
k = 1 / lnm
式中,m为评价样本数.
5)信息熵冗余度(d j)的计算:
d j =1-ej
6)指标权重(w j)的计算:
w j = d j /移
n
j = 1
d j
式中,n为指标数.
1郾 6摇 生态环境脆弱性评价模型
脆弱度代表定量的脆弱性评价指数,当前已有
不少学者提出脆弱性的量化模型[27-30] .为突出脆弱
性评价方法与脆弱性内涵之间的相互关系,从系统
对扰动的敏感性程度和系统对扰动所产生影响的应
对能力入手建立生态环境脆弱性评价模型. 一个脆
弱性较高的系统不仅对扰动的敏感性响应程度较
大,并且应对扰动影响的能力也十分有限;若一个系
统对扰动影响的敏感性响应较小,而且具有较强的
应对扰动影响的能力,则该系统的脆弱性较低.
V = f{S / R}
S =移
7
i,j = 1
ais j
R = 移
5
m,n = 1
bmrn
式中:V 为脆弱度,即生态环境脆弱性指数;S 为敏
感性指数;s j为敏感性构成指标( j = 1,2,3,…,7);ai
为相应指标的权重( i= 1,2,3,…,7);R 为应对能力
指数;rn为应对能力构成指标(n = 1,2,3,4,5);bm为
相应指标权重(m=1,2,3,4,5).
2摇 结果与分析
根据熵值法计算的步骤,对敏感性和应对能力
指标数据分别进行处理,计算出指标的权重(表 1)
后进行运算,得到 2009 年大庆市 5 个区的生态环境
敏感性指数、应对能力指数及脆弱度(图 2).
摇 摇 红岗区生态环境脆弱度为 0郾 8,脆弱性程度最
高.该区地处大庆油田中部,是油、气集输中心和石
油勘探、钻井、采油集中区,工业 SO2、工业烟尘和粉
尘排放强度均较大,分别为 2郾 83、 4郾 0 和 0郾 64
t·km-2 .油田勘探开采加快了土壤盐碱化速度,盐
碱地面积比重达到 39郾 2% . 2009 年该区以污染减排
为重点建设生态工业新区,削减工业废水 COD 401 t
和工业 SO2 219 t,应对能力在一定程度上也缓解了
生态环境系统脆弱程度,但影响不大. 因此,红岗区
生态保护与建设的重点是污染防治和植被恢复,加
大工业废气、废水等污染物的治理力度,控制点源和
面源污染以及推进油田区盐碱地治理,以避免脆弱
区扩大.
图 2摇 大庆市 5 个区生态环境敏感性指数(玉)、应对能力指
数(域)和脆弱度(芋)
Fig. 2摇 Sensitivity index (玉), response capability index (域)
and vulnerability degree (芋) of eco鄄environment in five dis鄄
tricts of Daqing City in 2009郾
2823 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
摇 摇 萨尔图区敏感性指数为 0郾 42,处于中等水平.
大庆油田重要油气生产基地采油一厂、三厂和十厂
分布在此区域,油田开发面积 280郾 15 km2,共管理
油水井 2 万口,石油开采量占大庆油田总开采量的
30%以上.应对能力指数为 0郾 59,处于中等水平.环
保投资比重为 0郾 8% ,低于龙凤和让胡路区.应对能
力对生态环境脆弱性作用程度不显著,脆弱度为
0郾 71,处于较高水平.该区应强化污染防治,推行清
洁生产,有效控制工业污染. 同时,应加强城市园林
绿化建设,在人口稠密区及城市与工业区之间建设
城市森林、园林和绿色屏障,保障居民居住区的生态
安全.
龙凤区作为大庆油田的石油化工区,生态环境
脆弱度为 0郾 68.生态敏感性的大小主要取决于石油
化工生产的扰动强度,该区工业废水 COD排放强度
为 2郾 87 t·km-2 .工业污水经处理后排入污水库,断
面综合污染指数为 0郾 88,其中,石油污染物指数为
0郾 30.该区应对能力相对较高,并不断加大环境监察
和治理力度,环保投资比重为 2郾 0% .应针对该区敏
感性产生的根源,有效加强环境治理;提高工业烟尘
和二氧化硫治理技术,加大对地表水工业污染源的
管理力度,加强污染物总量控制,逐步推广清洁生产
技术.
让胡路区生态环境脆弱度为 0郾 2,属于低度脆
弱.该区石油开采量相对较少,外界扰动作用不强
烈,同时该区针对石油开采和加工等扰动作用的应
对能力相对较强. 2009 年该区以水源地保护为中
心,以环境污染治理为重点,以大气污染治理为突破
口,投入环保资金 3郾 14 亿元进行了污染减排和基础
设施建设.工业 SO2削减量 9郾 5 t,工业废水 COD 削
减量 2100 t.该区应继续强化工业污染源治理和城
市环境基础设施建设,以改善区域生态环境.
大同区生态环境脆弱度最小,仅 0郾 04. 该区位
于市区东南部,农业人口比重大,距市中心偏远,交
通不够发达,大型石油、石化加工企业较少. 采油七
厂和八厂共管理油水井 8089 口,仅占油井总数的
10% .这一带土地盐碱化较严重,石油生产及地面扬
尘对生态敏感性影响较大. 大同区针对生态环境系
统内外扰动的应对能力相对较高,2009 年该区加强
了治污减排,削减工业废水 COD 和工业 SO2分别为
700 t和 180 t. 大同区应针对生态敏感性产生的根
本原因,实施有效应对措施,控制污染物对生态环境
的污染和破坏. 同时,应结合“三北冶防护林体系建
设,因地制宜地建立生态经济型植被防护体系,改善
区域生态环境.
3摇 结摇 摇 语
本文针对以矿产开采加工活动为主要扰动的矿
业城市类型区提出了一种新的脆弱性评价方法. 针
对油田地域建立了一套特有的生态环境脆弱性评价
指标体系,根据脆弱性模型函数评价了大庆市市区
脆弱度,并从敏感性和应对能力指标切入分析了脆
弱性产生机理,为制定有效的环境污染治理政策,改
善大庆市生态环境质量提供科学依据. 本文重点考
虑了以下几点:1)系统面对不同扰动的脆弱性不
同,即使面对同一种扰动,系统内部各子系统也会表
现出脆弱性的差异,因此在基于对研究区全面分析
的基础上,识别主要扰动及其承受对象的过程是开
展脆弱性评价的重点. 这样可以避免目前脆弱性评
价过程中普遍存在的考虑因素过多而抓不住重点,
进而使研究不够深入的问题[7] . 2)合理确定研究尺
度是脆弱性评价有效进行的前提条件,而扰动的类
型及作用范围决定了研究尺度的适宜规模. 3)理清
脆弱性影响因素之间的因果关系,是遴选脆弱性评
价指标和构建脆弱性评价模型的必然条件[31],本研
究基于敏感性和应对能力两方面因素构建脆弱性影
响因素指标体系,有利于更全面地认识脆弱性的发
生机理. 4)选择建设用地比重、工业 SO2、工业烟尘、
工业废水 COD和工业粉尘排放强度刻画扰动,比较
全面地反映了石油资源开采及加工对生态环境的作
用强度.同时,应对能力指标的选择也具有较强的针
对性,能准确地反映油田对工业废水、废气等污染物
的处理能力以及环境保护与治理投入能力. 5)在脆
弱性评价的思路上,脆弱性函数模型更能突出脆弱
性内涵,能够体现脆弱性构成要素之间的相互作用
关系.由于资料获取的限制,本文仅从横向上比较大
庆市 5 个区生态环境脆弱性的相对状况,没有从纵
向上探讨同一城市石油开采、石化加工扰动作用下
敏感性、应对能力和脆弱性随时间的变化及相互作
用过程,今后将深入研究.
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作者简介摇 李摇 静,女,1983 年生,博士研究生.主要从事城
市经济与区域发展研究,发表论文 11 篇. E鄄mail:lijing806521
@ hotmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
4823 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷