基于DPSIR模型的湖南省生態安全評價及安全格局分析

朱蓮蓮，謝永宏，宋冰冰，李峰，傅曉華，陳心勝，鄧正苗

（1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所/亞熱帶農業生態過程重點實驗室/洞庭湖濕地生態系統觀測研究站，湖南 長沙 410125；2.中國科學院大學，北京 100049；3.湖南省環境檢測中心站，湖南 長沙，410019）

基于DPSIR模型的湖南省生態安全評價及安全格局分析

朱蓮蓮1,2，謝永宏1*，宋冰冰3，李峰1，傅曉華1，陳心勝1，鄧正苗1

（1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所/亞熱帶農業生態過程重點實驗室/洞庭湖濕地生態系統觀測研究站，湖南 長沙 410125；2.中國科學院大學，北京 100049；3.湖南省環境檢測中心站，湖南 長沙，410019）

運用驅動力—壓力—狀態—影響—響應（DPSIR）模型，通過構建湖南省生態安全指標評價體系，系統研究了1989-2012年間湖南省各區域生態安全狀況，探討誘發其變化的各種因子及其相互作用機制。結果表明，湖南省生態安全狀況整體呈現從安全狀態降為輕度預警狀態的趨勢，生態安全指數由0.550降至0.420，其中驅動力指數由0.140降至0.052，壓力指數由0.204降至0.007，狀態指數由0.092降至0.044，影響指數由0.074上升至0.220，響應指數由0.057上升至0.098。就安全格局而言，處于輕度預警狀態的城市比例增大，13個城市中處于輕度預警狀態的城市達9個，湘中、湘南與湘西地區生態安全度要高于長株潭地區與湘北平原湖區。生態安全狀況的變化是自然與人為因素雙重作用的結果，城市擴張、工農業污染、自然災害及對資源不合理的開發是影響湖南省生態安全的關鍵性因素。因此，針對當前生態安全現狀，從城市規劃，耕地保護，經濟結構調整和礦山管理4個方面提出了提升該區域生態安全的對策。

生態安全指數；生態安全等級；安全格局；DPSIR模型；湖南省

隨著社會與經濟的發展、人類對環境造成的壓力不斷增大以致生態承載能力失衡，并對社會經濟發展構成嚴重威脅。生態安全問題也因此引起地學、資源與環境科學及生態學等專業的科學家們的廣泛關注[1]，成為21世紀人類實現社會可持續發展所面臨的一個新主題。生態安全是人類在生產、生活和健康等方面不受生態破壞與環境污染等影響的保障程度，包括飲用水與食物安全、空氣質量與綠色環境等基本要素[2]。生態安全是可持續發展的核心和基礎，而可持續發展是建立在社會、經濟、人口、資源、環境相互協調和共同發展的基礎上的一種發展，因此生態安全也是涉及到人口、資源、環境、經濟、社會等多因素的一種復合系統結構的安全。

對生態安全的研究可包括不同的尺度，如自然生態方面從個體、種群到生態系統，人類生態方面從個人、社區、地方到國家[3]。目前，國內外生態安全評價涉及的領域比較廣泛，方法和側重點也有所不同。解雪峰等[1]以與鄉鎮結合的小流域為評價單元，利用“壓力—狀態—響應”模型、生態安全度模型和RS與GIS技術，結合流域生態系統的結構和功能，選取18項評價指標，建立流域生態安全評價指標體系，揭示東陽江流域生態安全的空間分布規律。金相燦等[4]針對目前我國湖泊存在的主要生態安全問題，同時考慮流域人類活動對湖泊的影響，闡述了對湖泊生態系統及湖泊生態安全的深層認識和理解，并在此基礎上建立了“4+1”湖泊生態安全評估方法框架。黃輝玲等[5]在詮釋土地生態安全概念的基礎上，基于“經濟—環境—社會”模式和層次分析法構建土地生態安全評價指標體系，采用物元分析法對中國土地生態安全進行評價。王耕等[6]采用區域能值密度計算遼河15個城市2001-2012年間生態承載力與生態足跡的變化，并借助GIS技術平臺探索遼河流域內生態安全及生態赤字時空演變趨勢。不同研究方法與研究目的，考慮因素均不一樣，其選取指標都存在差異性。

湖南省氣候濕潤，光熱充足，農業生產歷史悠久，是我國南方重要的農產品生產基地。但長期以來，由于濫伐濫墾、圍湖造田及礦產開發等人類活動影響，湖南省生態環境安全度降低，成為自然災害的頻發區和重災區，尤以20世紀90年代連續爆發的幾次特大洪災最為典型，嚴重影響了人民群眾生活和社會經濟的可持續發展，并直接威脅到長江流域生態系統安全[7-10]。因此，對湖南省生態安全狀況進行綜合評價對于保護長江流域生態環境十分必要。本文基于湖南省生態安全現狀，參考已有研究數據，結合區域經濟社會發展實際，運用DPSIR模型從生態系統的驅動力、壓力、狀態、影響及響應5個方面，分析近20余年來湖南省生態安全狀態在時間和空間尺度上的變化，探究誘發其變化的各種因子及其相互作用機制，試圖為制定湖南省生態安全的決策提供科學依據。

1 DPSIR模型

DPSIR框架模型是由PSR模型演變而來[11-12]，1993年由歐洲環境署（EEA）首次提出（圖1）[13]。DPSIR模型能夠揭示環境與人類活動的因果關系，其結構清晰，簡單明了，為人類活動，資源，環境與可持續發展研究及其評價提供一個基本框架，具有較強的系統性。該模型自提出以來，得到了廣泛應用[14-16]。

圖1 DPSIR概念模型Fig. 1 DPSIR conceptual model

2 研究方法

2.1 研究區概況

本研究以湖南省地理區域為研究對象，研究區域選擇湖南省13個地級市（注：湘西自治州由于數據不足，未做評價）。該區域東、南、西三面環山，中部丘崗起伏，北部湖盆平原展開，形成了朝東北開口的不對稱馬蹄形地形，海拔在100-500 m的土地面積占總面積45.8%。該區域地處中亞熱帶季風氣候區，四季分明，光熱充足，近40年來平均降雨量1 427 mm，雨熱同期，氣候類型多樣。降水的年內、年際變化以及空間差異較大。

2.2 生態安全評價指標體系的構建

在湖南省生態安全評價體系中，需構建生態安全指數（ESI）來定量描述生態安全狀況。在指標選取方面遵循指標選取的科學性、代表性、整體性及可操作性原則，結合湖南省的社會經濟發展狀況、生態環境變化特征，基于DPSIR（壓力—驅動力—狀態—影響—響應）概念框架，將生態安全評價指標劃分為目標層、因子層、指標層3個等級層次。目標層以生態安全綜合指數為總目標，用來表示湖南省生態安全總態勢；準則層分別是生態安全驅動力、生態安全壓力、生態安全狀態、生態安全影響和生態安全響應；指標層由可直接度量的各指標構成，是整個指標體系最基本的層面。評價指標的選擇依據所評價的生態系統的完整性和穩定性、服務功能的可持續性，還包括生命支持系統對社會經濟及人類健康的作用。所選擇的指標既要反映生態系統結構、功能和過程，又能反映生態安全的評價標準相對性和人類社會發展特征[14,17]。

根據上述原則驅動力子系統主要選取對生態環境變化具有驅動作用的人類社會發展指標如人口自然增長率、城鎮化水平、GDP增長率等指標；壓力子系統主要選取對于生態環境造成破壞、污染的指標如農業化肥使用量、農村用電量、工業總產值、人口密度等指標；狀態子系統主要選取表征生態環境現有承載力指標如水庫水容量、有效灌溉面積、耕地面積、受災面積等指標；影響子系統主要選取生態環境所處的狀態對人類社會經濟、產業結構影響的指標如單位面積糧食產量、農林牧漁產值、農民人均收入、人均GDP、人口死亡率等指標；響應子系統主要選取人類改善生態環境所做的措施指標如綠化覆蓋率、農業人口占總人口比例、第三產業占GDP比例、水土流失治理率等指標。從五個子系統中選取比較有代表性的指標，再通過查閱近年來關于生態安全評價與可持續發展的文獻，選取國內外學者使用頻率較高的指標，最后結合湖南省各市的實際情況增減部分指標[7-9,18-19]。

2.3 數據來源

本研究以湖南省13個地級市（長沙市，株洲市，湘潭市，衡陽市，益陽市，岳陽市，永州市，張家界市，郴州市，懷化市，婁底市，邵陽市，常德市）為評價對象，對應分析1989-2012年各市生態安全狀況。本研究數據來源于1989-2012年《中國經濟社會發展統計數據庫》（http://tongji.cnki.nct/ bricf/result.aspx）、1989-2012年《湖南省統計年鑒》以及湖南省各市統計公報。

2.4 數據處理

2.4.1 數據標準化處理 評價指標體系中的各項參評因子由于系數間的量綱不統一，所以沒有可比性。因此必須對數據進行標準化處理[18-19]。本研究主要采用極差標準化方法對各指標數據進行標準化處理，各項指標與生態安全指數之間存在正負影響關系，正向指標計算方法為：

負向指標計算方法為：

式中：Xi為評價因子實測值；Xmax為評價因子實測最大值；Xmin為評價因子實測最小值；Ki為標準化之后的指標值。

2.4.2 權重確定 本文采用熵權法確定各指標權重[20]。生態安全評價指標體系中，某一指標值的變異程度越大，說明其提供的信息量越多，在生態安全評價中所起的作用越大，其權重值也應越大。在此基礎上參照相關文獻確定指標權重[9,16,21]。

表1 湖南省生態安全評價指標體系Table 1 Eco-security assessment index system of Hunan Province

2.4.3 評價指標的計算 綜合各因子關系的分析，進一步建立生態安全指數模型。由于驅動力因子、壓力因子及影響因子與生態安全指數呈負相關，狀態因子、響應因子與生態安全指數呈正相關，所以擬采用如下生態安全指數模型：

驅動力指數（D）、壓力指數（P）、狀態指數（S）、影響指數（I）和響應指數（R）則分別采用以下計算方法：

其中：ESI為生態安全指數，其范圍為0-1，用來表示生態安全程度的高低，其值越大，表示該地區的生態環境質量越好，生態環境越安全；其值越小，表示該地區生態環境水平低，生態環境越不安全。其中Ki是指標i標準化后的值，Wi為指標i的權重，表示各指標對生態安全指數的主要因子的相對重要性；n為評價指標的個數。

2.4.4 評價指數分級標準 綜合國內外生態安全等級劃分方法，并借鑒其他相關研究[16,18,21-22]，將生態安全指數值（ESI）與生態安全水平等級作出關聯，劃定生態安全水平的分級臨界值，將生態安全水平進行分級（表2）。

表2 生態安全評價指數分級標準Table 2 Classification of the eco-security assessment index

3 結果與分析

3.1 生態安全指數變化

1989-2012年湖南省生態安全指數處于安全與輕度預警的臨界狀態，總體上呈波動式下降的趨勢（圖2）。1989-1991年間生態安全指數呈窄幅增加趨勢，但在1991-1993年間下降幅度較大，由0.54降到0.498，1993-2000年則呈窄幅波動式上升趨勢，8年間湖南省生態安全指數由0.493上升至0.548，但2000年之后呈下降趨勢，2011年已降至0.42，在2011-2012年安全指數有上升的趨勢。24年間，1991年的生態安全指數最高，為0.55，處于安全狀態，2011年最低，為0.42，處于輕度預警狀態。1989-2012年生態安全指數的變化表明湖南省生態安全已經由于經濟社會發展影響，發生變化，由安全狀態變為輕度預警狀態。工農業污染負荷越來越大，人口數目的增加，以及土地的不合理利用等可能是造成這一變化的主要原因。相關部門可以通過加大環境治理的投入，在發展經濟的同時重視生態環境保護。

圖2 湖南省生態安全指數動態變化Fig. 2 Dynamic variation of eco-security index in Hunan Province

3.2 生態安全因子變化分析

1989-2012年驅動力指數整體呈下降趨勢，由0.142下降至0.052，其降幅達63%，其間可分三個階段（圖3）：1989-1993年為波動性下降階段，這一階段城市化水平與GDP增長率均呈上升趨勢，其中城市化水平由14.25%上升到18.85%，GDP由3.6%上升至12.4%。人口自然增長率有所波動，這是造成這一階段驅動力指數波動性下降的原因。1993-1999年間驅動力指數呈波動性上升趨勢，這一時期城市化水平提高，由18.85%增至29.57%；人口自然增長率呈下降趨勢，由6.95%降至4.6%。GDP增長率呈現波動性變化，這一時期人口自然增長率與GDP增長率為主導因素。1999年以后，驅動力指數呈持續性下降趨勢，由于2010年以后，GDP增長率有所下降，驅動力指數有略微上升的趨勢。說明隨著城市化水平的提高，人們生活水平提高的同時，生態需求在逐漸加大，對生態安全的貢獻減小。

圖3 湖南省各生態安全因子變化Fig. 3 Changes of eco-security indices in Hunan Province

壓力指數1989-2012年間一直呈明顯下降趨勢，其降幅高達96%，到2012年其壓力指數值已經接近于0（圖3），這主要是由于近年來工農業的快速發展，工農業污染加劇造成的。自1989年到2012年，湖南省工業總產值由208億元上升到28 629億元，翻了130多倍，工業總產值增加的同時，污染也日益加劇。據調查，“四水”沿岸分布著2 000余家工廠，年污水排放量高達10×108t。這無疑對環境安全構成極大威脅。對農業而言，近年來，為提高農作物產量，湖南省化肥施用量由1989年的124.41×104t增加到249.11×104t，農藥化肥施用量的加大[10,22]，造成土地污染日益嚴重，嚴重威脅生態環境安全。同時，其壓力指數下降速率近年來有所增大（圖3），表明湖南省生態環境壓力形勢日趨嚴峻。

1989-2012年間，狀態指數整體呈下降趨勢，24年間生態安全狀態指數由0.092降至0.044，降幅高達50%（圖3）。生態安全狀態指數的降低意味著環境本底值的下降，人均可用環境容量的減少。該結果表明湖南省環境本底值一直呈顯著下降趨勢，這主要是由耕地面積大幅減少造成的。城市擴張導致建筑用地不斷增加[23]，耕地面積銳減，24年間湖南省耕地面積減少近100萬hm2，對生態安全有著極大影響。生態安全狀態指數在1998年和2008年間突然降低（圖3），這主要是自然災害引起的，這兩年的受災面積分別達到384.9萬hm2和447.4萬hm2，對生態安全造成嚴重威脅[22]。

湖南省生態安全的影響指數呈波動式持續增長趨勢，其值由0.071增至0.220，增幅達200%，而且影響指數的增長速率呈明顯增加趨勢（圖3）。這與近年來人民生活水平不斷提高，種植技術的發展以及新品種的引入使得單位面積的糧食產量提高，農林牧漁產值增加，使得人民經濟收入有所增加有密切關系。

生態安全響應指數同影響指數變化趨勢一致，整體呈波動增長趨勢（圖3），響應指數可分為2個階段，1989-1997年階段增長速率較高，1998-2012年階段增長速率放緩。1989-2012年間，響應指數增幅為95%。響應指數的增加表明環境保護力度在不斷加強，主要通過積極采取調整產業結構、提高第三產業比例、提高綠化覆蓋率以及治理水土流失土地等措施來改善環境[24-25]。

3.3 生態安全指數空間分布格局

為更好的掌握湖南省生態安全指數的區域變化特征，分別以1998年洪災與2003年三峽工程蓄水為時間節點，將其分為1989-1997年、1998-2002年和2003-2012年3個階段，對該省13市生態安全進行空間格局分析（圖4）。結果表明，僅有張家界市、益陽市、邵陽市和永州市的安全狀況沒有發生很大變化，生態安全指數均處于0.5-0.6之間，一直處于安全狀態，其余9市均由較安全狀態或安全狀態轉變為輕度預警狀態。

1989-1997年13個市均處于安全以上等級，其中衡陽市和郴州市處于較安全等級，兩市生態安全指數均在0.6以上。這一時期生態安全狀況較好主要原因是人口密度相對較小，人口密度平均為284人/km2，比其他時期小16%。另外一個原因在于工業化水平較低，此段時期，全省工業總產值僅為208億元，為2012年的1/130，人類對環境資源的開發較少，產生的污染較少，環境相對安全一些。

1998-2002年生態安全狀況出現輕微惡化，其中常德市由安全狀態轉變為輕度預警狀態，衡陽市由較安全狀態變為安全狀態，其他城市尚未有明顯變化。常德市和衡陽市兩市環境惡化主要是由于工業的快速發展引起的。如礦山開采，造成的植被破壞與環境污染[26-27]。常德市為我國有名的“非金屬礦產之鄉”，而衡陽則素有“有色金屬之鄉”之稱，這一時期的礦產開采使得兩城市工業總產值分別達到1 827億元與1 640億元。但經濟增長的同時導致生態環境受到嚴重破壞，進而導致生態安全呈明顯下降趨勢。

圖4 湖南省生態安全等級空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution pattern of eco-security level in Hunan Province

2003-2012年湖南省處于輕度預警狀態的城市達9個，處于安全狀態的城市僅有張家界市、邵陽市、永州市和益陽市。這一時期生態安全指數持續降低。這主要是城市化進程加速以及工業快速發展所造成的。這一時期湖南省城市化水平由31.7%上升到46.7%，工業總產值由2 611億元增加至28 629億元。工業的發展如礦產的開采造成植被嚴重破壞、植被覆蓋率下降，同時開采過程導致土壤、水體污染程度加劇，再加上開采后缺乏相應的礦山恢復措施，導致此類城市生態環境嚴重惡化，威脅區域生態安全[27-28]。如郴州市近年來由于礦產及能源的不合理開發[28]，使得環境惡化較為嚴重，由較安全狀態變為輕度預警狀態。1989-2012年邵陽市、永州市、益陽市和張家界市4市均處于安全狀態，這主要是由于4市森林覆蓋率均高于50%，均獲國家森林城市稱號。同時，政府大力發展旅游產業，注重綠化等措施對于生態安全的維持也有很大影響。

4 結論與對策

基于DPSIR模型構建的湖南省生態安全評價指標體系涵蓋了湖南省生態安全變化的整體概況，并且對各子系統間的邏輯關系進行了很好的闡述，可以為湖南省生態安全變化提供完整思路。以湖南省13個地級市為評價對象，并進行格局分析，可以揭示湖南省生態安全變化的區域特征。

從時間尺度來看，湖南省整體生態安全水平有所降低，安全狀態也由較安全狀態降為輕度預警狀態，生態安全形勢較為嚴峻。從子系統評價指數來看，驅動力指數，壓力指數和狀態指數均處于下降趨勢，而影響指數與響應指數均處于上升趨勢。生態安全指數變化趨勢與驅動力指數變化趨勢基本一致，說明生態安全指數的變化受驅動力因子影響較大。從分布格局來看，湖南省生態安全格局具有一定差異性，東部地區以及礦區環境惡化較為嚴重，這與當地經濟發展模式有著很大關系，城市擴張，耕地減少，土地質量下降，工農業污染是造成湖南省生態安全指數降低的主要原因。評價結果基本符合湖南省經濟發展實際，原因分析可為制定湖南省生態安全的決策提供科學依據。

根據上述分析，并結合湖南省實際情況，提出以下幾點生態安全恢復對策：1）各地區應因地制宜，合理規劃城市發展，改善城市運營模式，調整產業結構，著力發展綠色、環保、低碳型城市。2）制定合理的土地利用政策，加強耕地保護，提高耕地質量，減少土地污染[26]。嚴格控制耕地轉為非耕地，控制建設用地面積。合理施用化肥農藥，加大有機肥的使用，減少農業的面源污染。3）調整區域經濟結構，減少工業污染。加快新型工業化進程，提高自主創新能力，推進工業結構優化升級，逐步實現工業結構的生態化轉型，減輕工業“三廢”排放量[27]。4）強化礦山管理，積極整治礦山環境。政府積極實施礦區治理、復墾和修復工程，關停不達標和重污染的礦山企業，全面復墾利用礦山開采毀損的土地，維護礦區生態環境[26-28]。

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（責任編輯：童成立）

Ecological security assessment and pattern analysis of Hunan Province based on DPSIR model

ZHU Lian-lian1,2, XIE Yong-hong1*, SONG Bing-bing3, LI Feng1, FU Xiao-hua1, CHEN Xin-sheng1, DENG Zheng-miao1
（1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Dongting Lake Station for Wetland Ecosystem Observation and Research, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; 3. Environmental Monitoring Center station of Hunan Province, Changsha, Hunan 410019, China）

Applying the model of driving forces - pressures - status - impacts - responses (DPSIR), this paper constructed an eco-security assessment index system to evaluate the eco-security situation of Hunan Province, to identify the influencing factors, and to explore the factor interaction mechanism. Results show that the eco-security status of Hunan Province downgraded from security status to mild warning status. The eco-security index decreased from 0.550 to 0.420, the driving force index dropped from 0.140 to 0.052, the pressure index dropped from 0.204 to 0.007, status index dropped from 0.092 to 0.044, the impact index increased from 0.074 to 0.220, and the response index increased from 0.057 to 0.098. As for the security patterns, the proportion of the cities under mild alert has been increasing and 9 cities were under mild alert. The eco-security degrees in the Centre Hunan, Southern Hunan and Western Hunan regions were much higher than those of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan regions and the northern plain lake areas. Urban expansion, industrial and agricultural pollution, natural disasters, and irrational exploitation and utilization of resources are key factors affecting the eco-security of Hunan Province. Finally, according to the current situation of ecological security in this area, to improve the eco-security of Hunan Province, this paper provides the following suggestions: to perfect urban planning, to enhance land protection, and to adjust the economic structure and management of mines. Key words：index of eco-security; ecological security level; regional distribution; DPSIR model; Hunan Province

XIE Yong-hong, E-mail: xyh@isa.ac.cn.

X171.1

A

1000-0275（2016）06-1084-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0105

朱蓮蓮, 謝永宏, 宋冰冰, 李峰, 傅曉華, 陳心勝, 鄧正苗. 基于DPSIR模型的湖南省生態安全評價及安全格局分析[J]. 農業現代化研究, 2016, 37(6): 1084-1090.

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國家科技支撐計劃項目（2014BAC09B03）。

朱蓮蓮（1989-），女，碩士研究生，主要從事生態安全評價研究，E-mail: zhulianlian426@163.com；通訊作者：謝永宏（1973-），男，博士，研究員，博士生導師，主要從事生態學方面的研究，E-mail: xyh@isa.ac.cn。

2016-08-01，接受日期：2016-09-06

Foundation item: National Science and Technology Support Program of China (2014BAC09B03).

Received 1 August, 2016;Accepted 6 September, 2016