● 摘要
陕北是我国能源资源主要产区之一，蕴藏着丰富的煤炭、石油、天然气，该区域正在成为我国西煤东运、西气东输的重要补给地与能源重化工基地。但该地区位于干旱和半干旱区，土壤侵蚀严重，生态环境十分脆弱，易破坏、难以恢复，能源资源的开发对陕北原本十分脆弱的生态环境造成了巨大的破坏，使得局部地区生态环境更加恶化，对生态环境产生不可逆转的影响。
本研究以生态脆弱的陕北为对象，从区域生态环境安全和可持续发展出发，构建生态安全数据库、模型库，运用GIS技术进行数据处理及时空动态模型分析，查清能源开发区的生态环境和生态环境效应动态变化特征，对生态脆弱区中能源开发的生态效应和生态安全动态进行综合定量测评，并挖掘出脆弱环境下能源开发对生态安全的影响过程和影响机制。本研究对深化人地关系研究的理论与方法，对促进西部重能源区环境协调持续发展，均有重要的理论意义和现实作用。主要结论如下：
（1）1980-2010年陕北土地利用呈衰退趋势，能源开采区土地利用处于发展期，不同能源开采区土地利用变化差异性较大。①陕北草地面积占据优势，高于40%，其次为耕地和林地。1980-2010年，陕北耕地、水域和未利用地面积减小，其中耕地面积变化最大；林地、草地和建设用地面积均增加，其中林地面积变化最大。数量上，耕地面积呈现出增—减—减的变化特征，30年间共减小476797.86 hm2，变化率为-16.72%；林地面积变化与耕地相反，呈减—增—增的特征，30年间增加了661400.49 hm2，变化率为66.82%。结构上，土地利用变化贡献最大的是林地，变化贡献率为46.55%，其次为耕地和未利用地。②1980-2010年陕北土地利用程度变化率为-0.77%，土地利用处于衰退期；各年代呈现出增—减—减的变化特征，表明1980-1990年土地利用处于发展期，1990-2010年处于衰退期。从不同能源开采区来看，30年间北部煤炭开采区土地利用处于发展期，土地利用程度变化率最高，变化率为8.65%，各年代土地利用程度呈增—减—增的变化特征；南部煤炭开采区与石油开采区土地利用均处于衰退期，各年代土地利用分别呈增—增—减和减—增—减的变化特征；天然气开采区土地利用一直处于发展期，但发展速率逐渐减小。
（2）1980-2010年陕北及其能源区植被覆盖均呈增加趋势。从不同土地利用类型来看，1980-2010年林地植被覆盖变化率为-0.0130/10a，呈退化趋势；未利用地植被覆盖改善最明显，其次为建设用地、耕地和草地。从不同能源开采区来看，30年间南部煤炭开采区植被覆盖变化率为-0.0300/10a，呈退化趋势，其余均呈改善趋势，其中北部煤炭开采区改善最明显，其变化率为0.0357/10a，其次为天然气开采区和石油开采区；各年代中，南部煤炭开采区、石油开采区和天然气开采区植被覆盖呈增—减—增的变化特征，北部煤炭开采区各年代均呈增加趋势。
（3）1980-2010年陕北及其能源区生态系统综合服务功能平均价值量均呈上升趋势，变化率分别为14151元/10a和13698元/10a；1980-1990年呈减少趋势，变化率为-2107.3元/10a，1990-2000年和2000-2010年这2个时段均呈增加趋势，平均变化率分别为24825元/10a和6973.9元/10a；30年间综合服务功能总价值量增加了51.078亿元。从不同土地利用来看，林地综合服务功能最强，其次为耕地、草地、建设用地和未利用地；1980-2010年各种土地利用的平均价值量与总价值量均呈增加趋势，林地综合服务功能价值量的平均变化率最高，其次为耕地>建设用地>草地>未利用地。从能源开采区来看，各开采区的综合服务功能均呈增加趋势，其中石油开采区增加最明显，其次为南部煤炭开采区，北部煤炭开采区和天然气开采区综合服务功能变化缓慢；从年代来看，北部煤炭开采区综合服务功能呈增—增—减的变化特征，南部煤炭开采区和天然气开采区呈减—增—增特征，石油开采区持续增加。
（4）陕北土壤重金属生态风险为0.567，风险等级较强；能源区土壤重金属生态风险为0.639，风险等级强。①陕北土壤中各重金属存在明显聚集现象，污染较为严重。陕北地区土壤重金属中Cd平均含量与国家二级标准相当，且Cd最大值超过国家二级标准，Hg、Pb、Zn、Cd平均含量均超过了陕西省土壤背景值；As、Cu、Ni最大值超过了背景值。②陕北各种重金属风险均由南向北、由东南向西北逐渐增加，表现出同源性。重金属危害极强区范围最广，占总面积的33.21%；其次为危害轻微区>较强区>中等区>强区。③从不同能源开采区来看，重金属风险依次为天然气开采区>北部煤炭开采区>石油开采区>南部煤炭开采区。南部煤炭开采区土壤重金属扩散严重，其他开采区扩散较弱；石油开采区受到重金属污染的影响较小。④生态热点区主要分布于陕北中南部，面积占总面积的22.66%，中、低热点区占热点区总面积的79.07%。中—低热点区的延安地区中部以及陕北南部的洛川县应该作为应对土壤重金属污染的优先保护区域。
（5）1980-2010年陕北及其能源区生态安全综合指数分别为0.28和0.29，均处于不安全级别。①南部煤炭开采区生态安全综合指数为0.47，处于中度安全；其余开采区生态安全均处于不安全状态。②1980-2010年，陕北生态安全指数MK检验值为0.33，呈上升趋势，各年代呈减—增—增的变化特征。从能源开采区来看，南部煤炭开采区生态安全指数呈下降趋势，石油开采区、北部煤炭开采区和天然气开采区生态安全指数均呈上升趋势。各年代上，北部煤炭开采区生态安全指数呈增—减—增的变化特征，南部煤炭开采区呈减—增—减特征，石油开采区呈减—增—增特征，天然气开采区呈增—减—增特征。③陕北生态响应变化对生态安全的影响最明显。从能源开采区来看，除加强环境保护措施力度外，北部煤炭开采区还需减小能源开发，使生态安全继续向高级别转换；南部煤炭开采区还应在减小生态压力的基础上，加强生态环境保护，遏制其生态环境继续退化；天然气开采区应同时控制生态压力、生态状态与生态响应三者变化，提高生态环境改善速率；石油开采区应在生态压力未超出可控范围的基础上，以环境管理与保护为主，维持现有生态环境的改善速率。④神府矿区土地生态安全综合指数为0.35，处于不安全等级，河道两岸的土地生态安全性普遍较低。较不安全区所占比重最大，为33.16%，主要分布于秃尾河下游流域毛乌素沙漠一带以及窟野河中游流域西部；其次为临界安全区，主要分布于窟野河（乌伦木兰河）中下游及西南部；极不安全区所占比重最小，主要分布于窟野河中游流域。
本研究创新之处以及取得的重要进展具体如下：
①本研究数据处理均以MATLAB的编程语言为基础，从多角度考虑，并且经过GUI设计和开发，建立多种分析方法的可执行文件（EXE），提升了地理栅格数据处理的运行效率，实现了地理栅格数据的自动化处理。②本研究将生物多样性保护价值与土壤重金属潜在风险相结合，从生物多样性与土壤重金属污染的可能性出发，探测了陕北生态热点区域。根据实际生态环境状况，在热点区域的基础上提取了应对土壤重金属污染优先保护区。该方法为生态环境优先保护范围的确定提供了一种新的思考模式，同时为相关部门生态修复和生态环境进一步管理与保护提供了理论依据。③本研究重视能源开发生态效应和生态安全的动态评价。陕北能源区生态安全指数是基于大量时间序列栅格数据计算的，生态安全评价具有连续性，结果具体，同时体现了时间和空间上的差异性，可以在空间上针对性地分析生态安全的动态变化过程，对实践具有很好地指导性，有利于生态环境的保护和管理。
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