基于GIS和幾何平均數(shù)模型的流域生態(tài)安全評估及在各因子中的分異特征
——以星云湖流域為例

李益敏, 朱 軍, 余艷紅

(1.云南大學(xué)資 源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院, 云南省地理研究所, 昆明 650091;2.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室, 昆明 650091)

基于GIS和幾何平均數(shù)模型的流域生態(tài)安全評估及在各因子中的分異特征
——以星云湖流域為例

李益敏1.2, 朱 軍1,2, 余艷紅2

(1.云南大學(xué)資 源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院, 云南省地理研究所, 昆明 650091;2.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室, 昆明 650091)

結(jié)合幾何平均數(shù)模型和GIS技術(shù)，選取海拔高程、坡度、土壤侵蝕強度、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、土地利用類型、植被覆蓋度、距自然生態(tài)保護區(qū)距離、距離建設(shè)用地、人口密度和距水源距離10個指標對星云湖流域生態(tài)安全進行評價，分析了該區(qū)域生態(tài)安全的空間分異規(guī)律和形成機理。研究表明：星云湖流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.33，中度安全面積占流域總面積的42.34%，高度安全占22.84%，較低安全占26.43%，不安全面積為32.117 km2，占8.39%，說明流域生態(tài)安全總體以中度安全為主，生態(tài)系統(tǒng)健康一般；從空間上，流域生態(tài)安全較低區(qū)主要集中分布于北部、東部和南部以及城市建筑密集區(qū)，除了城市建筑密集區(qū)受人類干擾較強外，其余地區(qū)坡度和地形起伏較大，景觀較為破碎，水土流失較為嚴重且有過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，這些地區(qū)是生態(tài)保護和建設(shè)的重點區(qū)域。生態(tài)安全等級在綜合評價下的結(jié)果與單因子評價下的結(jié)果存在較大差異，區(qū)域生態(tài)安全受多重因素的綜合影響，單因子評價難以精確全面反映區(qū)域生態(tài)安全的空間分異規(guī)律特征和成因機理，各因子之間存在相互促進和相互抑制的作用關(guān)系，流域自然環(huán)境要素坡度、水資源環(huán)境和水土流失以及人類活動干擾要素土地利用格局、距離建設(shè)用地遠近等因子是形成流域生態(tài)安全格局的主要因素。

幾何平均數(shù)模型; GIS技術(shù); 生態(tài)安全格局; 空間分異; 星云湖流域

隨著人口增長和社會經(jīng)濟快速發(fā)展對資源需要的迫切性增加，跟隨而來的是環(huán)境退化、生態(tài)系統(tǒng)破壞和自然災(zāi)害等諸多問題[1]，地區(qū)生態(tài)安全問題對區(qū)域發(fā)展的威脅越來越大，成為了相關(guān)專業(yè)人士或部門近年來的研究熱點。高原湖泊星云湖已進入湖沼發(fā)育的中晚期,生態(tài)平衡相當脆弱，森林植被涵養(yǎng)能力差、部分地區(qū)水土流失嚴重，不能很好地發(fā)揮涵養(yǎng)水源,保持水土，調(diào)節(jié)氣候的作用，泥沙淤積湖中,降低了供水蓄水能力,縮短了湖泊壽命，加快了湖泊老化；同時，礦產(chǎn)資源(磷礦)的開采，一定程度上破壞了原有景觀結(jié)構(gòu)，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性加強，生態(tài)安全問題顯現(xiàn)。星云湖既是玉溪市重要的糧食經(jīng)濟作物主產(chǎn)區(qū)和飲用水源地,又是全流域點面源的受納地,是云南省環(huán)境保護重點整治保護的三大湖泊之一，通過文獻檢索，對高原湖泊生態(tài)安全評價研究較少，展開該流域生態(tài)安全的定量評估及安全等級格局構(gòu)建，對流域生態(tài)農(nóng)業(yè)布局、自然保護區(qū)的限定、居民生態(tài)型建設(shè)用地規(guī)劃等相關(guān)生態(tài)保護工作具有一定的理論指導(dǎo)價值。目前，對生態(tài)安全的理解，有廣義和狹義兩種概念，廣義的概念以國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所提出的為代表：生態(tài)安全是包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟生態(tài)安全和社會生態(tài)安全在內(nèi)的復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng)[2]；狹義的生態(tài)安全是自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全?？傊?，生態(tài)安全本質(zhì)上是人類與環(huán)境相互作用下不會導(dǎo)致個體或系統(tǒng)受到侵害和破壞，保障人—自然界生物—生態(tài)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一種穩(wěn)定安全狀態(tài)。

生態(tài)安全評價是對區(qū)域生態(tài)安全水平的定性、定量描述[2]，生態(tài)安全評價反映了地區(qū)生態(tài)安全空間分異特征，同時為區(qū)域生態(tài)安全格局提供依據(jù)；區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建則借助人類的主動干預(yù)來促進生態(tài)系統(tǒng)各要素的優(yōu)化配置，最終改善和提高區(qū)域生態(tài)安全狀況[3-4]。生態(tài)安全評價，多以加權(quán)疊加模型為主要評價方法，例如壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型、驅(qū)動力—狀態(tài)—響應(yīng)(DSR)模型、驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—暴露—影響—響應(yīng)(DPSEEA)模型、驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(yīng)(DPSIR)模型[3]，即按照一定的結(jié)構(gòu)準則構(gòu)建評價指標體系，根據(jù)各自的權(quán)重來加權(quán)總和綜合確定生態(tài)安全程度指數(shù)，進一步進行安全等級分級。上述概念模型均以行政區(qū)或小流域為評價尺度，評價結(jié)果難以精確反映區(qū)域生態(tài)安全的空間差異和體現(xiàn)生態(tài)安全的空間鄰近影響關(guān)系，同時，在權(quán)重確定上主觀性很大，影響結(jié)果指導(dǎo)實踐的客觀性。此外，物元、投影尋蹤等方法的實現(xiàn)技術(shù)較復(fù)雜，對關(guān)鍵風(fēng)險因子識別力不夠；生態(tài)足跡法對數(shù)據(jù)要求較高不易獲取，指標的標準化分異較多，試驗成果與實際誤差較大。幾何平均數(shù)模型，其原理是N個數(shù)值相乘開N次方根，是對眾多數(shù)據(jù)綜合分析求取平均值，能更好地對多重數(shù)據(jù)疊加分析進行壓縮和聚類，該模型構(gòu)建相對較簡單，易于實現(xiàn)，被有效廣泛地應(yīng)用于各種生態(tài)環(huán)境問題評價中，例如吳金華[5]、凡非得[6]、黃靜[7]、楊月圓[8]等的研究為代表，同時，它規(guī)避了層次分析法和專家打分法等方法主觀經(jīng)驗判斷權(quán)重不合理的缺陷，并且以柵格單元為評價單元，空間顯示效果較好，引用該模型對區(qū)域生態(tài)安全進行評估研究，能更加精確地反映評價內(nèi)容的空間分異規(guī)律和成因機理，在評價分析內(nèi)容上，多數(shù)學(xué)者主要分析評價指標的構(gòu)建和空間生態(tài)安全格局特征。本文在以上研究進展的基礎(chǔ)上，以典型高原湖泊流域為研究區(qū)，將幾何平均數(shù)模型和GIS空間分析技術(shù)結(jié)合，從水土保持性、生物多樣性、地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境安全性、水資源分布對生物的安全性、人類活動干擾性等方面，展開對流域生態(tài)安全評價及安全分區(qū)，從單因子評價到綜合因子評價分析區(qū)域生態(tài)安全格局及其與各因子的空間耦合性特征，通過面積比例和平均生態(tài)安全指數(shù)分析揭露高原湖泊流域生態(tài)安全指數(shù)在各因子中的變化特征，進一步說明流域生態(tài)安全的空間分異成因機理，揭露各安全區(qū)形成的主導(dǎo)因素，希望能為流域相關(guān)生態(tài)建設(shè)工作提供針對性的指導(dǎo)意義，同時為相關(guān)高原湖泊流域生態(tài)安全研究提供一定的借鑒價值。

1 研究區(qū)概況

星云湖位于云南省玉溪市江川縣境內(nèi)，地理位置為東經(jīng)102°45′—102°48′，北緯24°17′—24°23′，屬高原斷陷湖泊,是一座富營養(yǎng)化湖泊，東臨華寧縣，西接玉溪，南與通海接壤，北與晉寧、澄江兩縣為鄰，規(guī)劃范圍包括江川縣六個鄉(xiāng)鎮(zhèn)45個村公所，總面積371.7 km2(不包括昆明市晉寧縣10 km2)，總?cè)丝跒?3.408 8萬人；星云湖流域由于受構(gòu)造盆地影響，流域內(nèi)地勢周圍高、中間低，海拔1 690～2 648 m，相對高差較大。流域內(nèi)湖泊被群山環(huán)抱，周圍湖積平原狹窄,流域生態(tài)系統(tǒng)封閉程度高,生態(tài)經(jīng)濟容量彈性空間小；星云湖流域共有大龍?zhí)逗?、周德營河和螺螄鋪河等12條主要入湖河流，多數(shù)河流坡降較大，對河岸兩側(cè)的水土保持顯得格外重要。流域?qū)僦衼啛釒О敫稍锔咴撅L(fēng)氣候，干濕季分明，流域降雨量為800～1 100 mm。星云湖已進入湖沼發(fā)育的中晚期,生態(tài)平衡相當脆弱，森林植被涵養(yǎng)能力差、部分地區(qū)水土流失嚴重，不能很好地發(fā)揮涵養(yǎng)水源,保持水土，調(diào)節(jié)氣候的作用；泥沙淤積湖中,降低了供水蓄水能力,縮短了湖泊壽命,加快了湖泊老化。由于星云湖既是玉溪市重要的糧食經(jīng)濟作物主產(chǎn)區(qū)和飲用水源地,又是全流域點面源的受納地,星云湖已是云南省環(huán)境保護重點整治的三大湖泊之一，以星云湖為研究區(qū)，對該流域生態(tài)安全評價及其安全格局構(gòu)建，對該區(qū)生態(tài)保護建設(shè)等相關(guān)舉措具有十分重要的實踐指導(dǎo)意義。

2 分析數(shù)據(jù)及預(yù)處理

生態(tài)安全評價涉及到自然要素數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)以及相關(guān)政策數(shù)據(jù)，按其可編輯和顯示格式分為三類：第一類為可編輯圖層數(shù)據(jù)，包括自然地理數(shù)據(jù)例如數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(地理空間數(shù)據(jù)云下載，30 m×30 m，利用ENVI遙感軟件進行幾何校正)，遙感影像(通過ENVI軟件經(jīng)過大氣校正、幾何校正，圖像信息增強處理(融合)，主要提取土地覆蓋類型和植被覆蓋度指標，土地覆蓋類型數(shù)據(jù)通過GIS和RS技術(shù)進行人機交互解譯，在對解譯的結(jié)果采集100個樣點進行野外驗證，精度達到92%，符合后續(xù)研究需求。為我國高分辨率高分一號航拍影像，全色分辨率是2 m，多光譜分辨率為8 m，影像分三景(501273 20141206，228042 20140515，227506 20140515)；自然保護區(qū)分布數(shù)據(jù)(來源于林業(yè)局，數(shù)據(jù)格式為shp格式)和流域邊界矢量數(shù)據(jù)(來源于云南省高原湖泊研究中心，地理坐標系為Beijing_1954，投影坐標系為Beijing_1954_GK_Zone_18N)；第二類數(shù)據(jù)為不可編輯的JPEG圖片格式，包括等降雨量線分布圖、土壤類型和有機質(zhì)含量圖(江川區(qū)土肥站，)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性圖(國土局)，該類數(shù)據(jù)本身不具有編輯條件，需要進行GIS空間地理配準，采用基于流域邊界矢量圖層配準，誤差控制在2個像元之內(nèi)；其次對該類數(shù)據(jù)進行數(shù)字化并構(gòu)建相應(yīng)屬性表和拓撲錯誤檢查，消除多邊形之間的相交和重疊等錯誤；第三類數(shù)據(jù)為文本型數(shù)據(jù)，包括社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)如村莊分布及人口數(shù)據(jù)(各鄉(xiāng)鎮(zhèn)府)，還有來自于國土局、農(nóng)業(yè)局及環(huán)保局的相關(guān)流域治理規(guī)劃數(shù)據(jù)資料。最后，所有分析圖層數(shù)據(jù)統(tǒng)一在投影坐標系為Beijing_1 954_GK_Zone_18 N下，柵格大小為30 m×30 m。

3 生態(tài)安全評價

生態(tài)安全評價是對生態(tài)系統(tǒng)完整性以及對各種風(fēng)險下維持其健康的可持續(xù)能力的識別與判斷研究[1]。區(qū)域生態(tài)安全受到地形地貌、人類活動和各種自然災(zāi)害的威脅影響，本文從水土保持性、生物多樣性、地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境安全性、水資源分布對生物的安全性、人類活動干擾性等方面，結(jié)合數(shù)據(jù)資料的全面性、可獲取性，從以上角度選取海拔高程、坡度、土壤侵蝕強度、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、土地利用類型、植被覆蓋度、距自然生態(tài)保護區(qū)距離、距離建設(shè)用地、人口密度(人口密度是流域自然村點人口數(shù)通過GIS空間Kriging插值方法內(nèi)插生成，通過自然間斷法進行安全等級分級)和距水源距離(星云湖是江川縣重要的農(nóng)工業(yè)活動最強區(qū)域和動植物多樣性豐富區(qū)，人類活動對水源環(huán)境的干擾強，星云湖污染嚴重，相關(guān)部門已對其周圍規(guī)劃建立湖濱濕地帶，力圖保護星云湖水體遭受最低程度的污染，同時對距離湖泊一定距離的農(nóng)田進行調(diào)整優(yōu)化，最大程度降低當?shù)鼐用駥摧^近區(qū)域的開發(fā)活動強度，從這個角度看，距離湖泊越近生態(tài)環(huán)境越安全)等10個因子展開對流域生態(tài)安全評價及安全分區(qū)。在各個因子的量化分級中，參考潘竟虎[3]、吳金[5]等的研究經(jīng)驗標準基礎(chǔ)上，并結(jié)合研究區(qū)實際情況制定各因子生態(tài)安全分級標準(表2)，界定各約束因子的安全等級：7，5，3，1級分別代表不安全、輕度安全、中等和高度安全。值越小，生態(tài)環(huán)境越健康，抵抗外界干擾能力越大，安全水平越高。指標中土壤侵蝕強度的獲取采用表1中的相關(guān)模型提取，最后根據(jù)水利部頒發(fā)的最新土壤侵蝕強度分級標準進行強度分級。生態(tài)安全綜合評價模型，即幾何平均數(shù)模型表達式為：

式中：ESI為第i個柵格評價單元的綜合生態(tài)安全指數(shù)；Pij為第i個柵格單元上的第j個指標安全等級指數(shù)。以ArcGIS中的NaturalBreak法將計算出的ESI值分為4級，分別對應(yīng)不同程度的生態(tài)安全等級。該方法是利用統(tǒng)計學(xué)的JENK最優(yōu)法得出的分界點，能使各級的內(nèi)部方差之和最小[15]，在沒有統(tǒng)一的分級標準時，此分級方法是較為有效的分級方法。

表1 土壤侵蝕模數(shù)及其各因子估算模型及參考文獻

注：A表示距離水域距離；B表示地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)；C表示人口密度；D表示坡度；E表示土壤侵蝕強度；F表示海拔；G表示距離自然保護區(qū)距離；H表示植被覆蓋度；I表示距離建設(shè)用地距離；J表示土地覆蓋類型。

圖1 單因子生態(tài)安全評價結(jié)果分布表2 生態(tài)安全評價指標及分級賦值標準

圖2 星云湖流域生態(tài)安全格局

4 結(jié)果與分析

4.1 流域生態(tài)安全格局

選取10個生態(tài)安全評價指標，采用幾何平均數(shù)模型進行空間疊加運算，獲取研究區(qū)每個柵格像元上的生態(tài)安全綜合指數(shù)及分布，生態(tài)安全指數(shù)越大，安全性越??；采用GIS空間重分類模塊，應(yīng)用自然間斷分類法將生態(tài)安全綜合指數(shù)分為4個等級，高度安全的安全指數(shù)為1～1.86；中度安全為1.86～2.63；較低安全為2.63～3.52；不安全為3.52～6.17，構(gòu)成研究區(qū)的空間生態(tài)安全格局。經(jīng)空間統(tǒng)計，星云湖流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.33，平均安全水平處于中度安全偏低；從各安全等級面積比例來看，中度安全面積為161.96 km2，占流域總面積的42.34%；其次，高度安全面積為87.37 km2，占研究區(qū)總面積的22.84%；處于較低安全面積為101.12 km2，占流域總面積的26.43%；最后，不安全面積為32.117 km2，占8.39%。綜合說明流域生態(tài)安全總體以中度安全為主?？臻g分布上，流域生態(tài)安全較高區(qū)集中分布在中部、東部和東北部，通過將生態(tài)安全格局圖與各因子圖綜合疊加分析，生態(tài)安全較高區(qū)坡度和地形起伏較小，同時有大面積的水域和農(nóng)田，水土流失較小，災(zāi)害不易發(fā)；流域生態(tài)安全較低區(qū)主要集中分布于北部、東部和南部以及城市建筑密集區(qū)，除了城市建筑密集區(qū)(壩區(qū))受人類干擾較強外，其余地區(qū)(山區(qū))坡度和地形起伏也較大，林地景觀較為破碎，水土流失較為嚴重且有過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。因此，流域南部、北部和東部以及城市建筑密集區(qū)是生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域。通過流域生態(tài)安全格局與各評價因子分布格局對比分析(圖1，圖2)，坡度、水土流失因子和水資源(自然環(huán)境要素)、土地利用格局和距離建設(shè)用地遠近因子(人類活動干擾要素)與流域生態(tài)安全格局空間耦合度較高，說明該流域生態(tài)安全主要受這些因子影響控制。

4.2 流域生態(tài)安全在各因子中的空間分異特征

分析綜合生態(tài)安全在單一因子特征中的變化規(guī)律，揭露生態(tài)安全綜合指數(shù)在單因子評價等級中的演變特征，以說明各因子對區(qū)域生態(tài)安全分布格局和穩(wěn)定的影響程度，繼而揭露生態(tài)安全在各因子中的形成機理，更好地為相關(guān)生態(tài)建設(shè)展開工作提供針對性的理論指導(dǎo)。

4.2.1 流域生態(tài)安全在地形因素中的分異特征 地形地貌因素是各種生態(tài)環(huán)境問題(地質(zhì)災(zāi)害、水土流失、荒漠化以及動植物空間演變和傳遞受阻)出現(xiàn)的客觀條件，是不可改變的，只有改變地表覆蓋結(jié)構(gòu)特征，降低地形地貌的負面影響，才能最大程度保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定安全。經(jīng)GIS空間區(qū)域分析統(tǒng)計，得出不同生態(tài)安全等級和平均生態(tài)安全指數(shù)在不同海拔和坡度中的分異情況，用以分析說明區(qū)域生態(tài)安全在地形地貌中的分異規(guī)律和變化特征。(1) 海拔分布。由表3得出，在海拔1 940 m以下地區(qū)，生態(tài)環(huán)境主要處于高度和中度安全，占該海拔區(qū)總面積的77.85%，其次為輕度安全，占19.41%，不安全區(qū)主要分布在城鎮(zhèn)核心區(qū)，通過將土地覆蓋和植被覆蓋度與海拔分布和生態(tài)安全格局圖層疊加分析，該海拔區(qū)是人類活動最強地區(qū)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)田和水域集中連片分布，景觀破碎度較低，生態(tài)安全等級分界較明顯，利于生態(tài)規(guī)劃建設(shè)；輕度和不安全集中分布在海拔1 940 m以上地區(qū)，是流域生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域；從各海拔區(qū)平均生態(tài)安全指數(shù)看，安全指數(shù)與海拔分布呈正相關(guān)，隨海拔升高而變大。

表3 生態(tài)安全及指數(shù)在不同海拔中的面積比例、平均值

(2) 坡度分布。在坡度<7°區(qū)域，生態(tài)安全等級主要以高度安全和中度安全為主，分別占總面積的37.45%和46.08%，但平均生態(tài)安全指數(shù)為1.95，屬于中度安全，1.86是高度安全和中度安全的分界線，說明該坡度區(qū)總體處于較高的中度安全；平均生態(tài)安全指數(shù)與坡度呈正相關(guān)，隨坡度遞增而遞增。坡度15°～25°的區(qū)域是該研究區(qū)旱地和經(jīng)果林集中分布區(qū)，景觀破碎較嚴重，同時輕度和不安全區(qū)域也集中分布在該坡度段，是生態(tài)保護建設(shè)的重要坡度區(qū)(表4)。

通過分析地形中的生態(tài)安全格局，區(qū)域生態(tài)安全隨海拔和坡度的遞增，生態(tài)安全性基本保持遞減趨勢，在流域海拔和坡度范圍大小中間地帶，是生態(tài)安全狀況最為復(fù)雜的地區(qū)，安全等級較低區(qū)集中分布在該區(qū)，這些區(qū)域是人類開發(fā)利用自然礦產(chǎn)和相關(guān)自然資源的核心地帶，生態(tài)環(huán)境較為破碎且相對較為敏感，因此對該區(qū)域進行科學(xué)地規(guī)劃利用建設(shè)，才是保證區(qū)域生態(tài)安全的根本。

表4 生態(tài)安全及指數(shù)在不同坡度中的面積比例、平均值

4.2.2 生態(tài)安全在地表覆蓋因素中的分異特征 地表覆蓋對區(qū)域生態(tài)安全的影響體現(xiàn)在覆蓋類型和植被覆蓋度上，覆蓋類型能反映植被覆蓋度的高低程度，同時也能反映人類的干擾程度，是可調(diào)控性因素，這里主要討論地表覆蓋類型與區(qū)域生態(tài)安全的空間耦合關(guān)系。由表2可知，單因子評價下的地表覆蓋類型安全性由高到低為天然林地、草地和水域>水田、人工幼林地或草地>荒草地或旱地>裸地或建設(shè)用地，與綜合因子評價結(jié)果相比(表5)，土地覆蓋的安全等級性排序基本保持一致，僅有荒草地或旱地和裸地或建設(shè)用地安全性排名發(fā)生變化。從面積比例和平均生態(tài)安全指數(shù)上看，天然林、草地和水域等地區(qū)生態(tài)主要處于高度安全，占該地類分布區(qū)面積的76.36%，水田和人工幼林或草地則處于中度和輕度安全，各占該區(qū)52.79%和26.17%，其次為高度安全；荒草地或旱地和裸地或建設(shè)用地在面積上主要處于中度和輕度安全，從平均生態(tài)安全指數(shù)上看，該區(qū)處于輕度安全。較低生態(tài)安全區(qū)主要分布在水田、人工幼林或草地、荒草地或旱地和裸地，應(yīng)當重視該區(qū)的土地合理規(guī)劃利用，實現(xiàn)生態(tài)安全最大化。

表5 生態(tài)安全及指數(shù)在地表覆蓋類型中的面積比例、平均值

4.2.3 生態(tài)安全在人類活動環(huán)境中的分異特征 距離建設(shè)用地距離指標能綜合反映人口分布和人類活動強度對生態(tài)安全的影響，據(jù)表6可知，從面積比例上看，距離建設(shè)用地越遠生態(tài)安全較低區(qū)面積越小，生態(tài)安全性越高；從各距建設(shè)用地緩沖區(qū)的平均生態(tài)安全指數(shù)看，生態(tài)安全指數(shù)在該指標中平均為2.09～2.49，屬于中度安全。在距離建設(shè)用地1 000 m以內(nèi)地區(qū)，單因子評價下是不安全，理論上，距離建設(shè)用地越近人類活動越強，對生態(tài)系統(tǒng)的破壞越大，生態(tài)越不安全，但在綜合因子評價下，不安全面積只占該緩沖區(qū)總面積的10.43%，其余不安全區(qū)轉(zhuǎn)化為安全較高區(qū)，主要以輕度和中度安全轉(zhuǎn)化為主，這主要與建設(shè)用地周圍建立生態(tài)公園、道路兩旁生態(tài)廊道(綠化帶)的建設(shè)、建設(shè)用地空間斑塊面積大小和分布離散性有關(guān)。流域壩區(qū)建設(shè)用地集中分布，人類活動加強且斑塊面積較大，對生態(tài)流的隔離性較強，生態(tài)安全性較低；在山區(qū)，人口較少，建設(shè)用地斑塊面積較小且離散性較大，對生態(tài)環(huán)境的影響相對較小。在距離建設(shè)用地1 000 m以外區(qū)域，綜合評價下，生態(tài)安全性總體降低，這主要與該區(qū)地形較復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境較為敏感。(經(jīng)果林、旱地和礦產(chǎn)資源開采集中地、水土流失和地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地)有關(guān)。因此，距離建設(shè)用地遠近并不能科學(xué)地說明人口集中且人類活動對生態(tài)的干擾程度，其斑塊大小和集中性、周圍的環(huán)境特征等要素才是決定該緩沖區(qū)的生態(tài)安全性。

表6 生態(tài)安全及指數(shù)在距離建設(shè)用地不同距離中的面積比例、平均值

4.2.4 生態(tài)安全與水源環(huán)境中的分異特征 地球上生物最先出現(xiàn)在水里，水是生命起源之處，區(qū)域的湖泊河流對區(qū)域的人類和自然界生物的存在和生存好壞起著決定性的作用。水域承擔著區(qū)域生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)完整性和人類基本生存基礎(chǔ)。因此，水域是區(qū)域生物的棲息地和人類活動的主要場所，縱觀世界大江大河和重要湖泊，均是人類活動最繁忙和生物多樣性最豐富的地方。人類活動最強的水域原有生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，導(dǎo)致生物多樣性減少，水域受到污染，區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全不斷處于紅色預(yù)警，逐步威脅到生物和人類的生存。因此，對區(qū)域生態(tài)安全的維護和構(gòu)建成為了各國國家的重要政策。最近幾年，生態(tài)文明國際論壇持續(xù)召開，力討生態(tài)建設(shè)問題，構(gòu)建全球生態(tài)安全格局，因此，對區(qū)域生態(tài)安全研究顯得格外重要。就針對距離水域遠近而言，理論上，距離水域越近，生物多樣性越豐富，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定，生態(tài)安全程度較高，但生態(tài)安全受到多因素的綜合影響，其空間分布與距離水域遠近因素評價下的生態(tài)安全格局存在差異。對此，本文將單因子生態(tài)安全評價格局與所有因子綜合評價下的生態(tài)安全局進行空間疊加分析和統(tǒng)計(表7)，在面積比例和安全指數(shù)分異格局上：在單因子評價下，距離水域500 m以內(nèi)的區(qū)域是處于高度安全區(qū)，但在所有因子評價下，統(tǒng)計出的平均綜合生態(tài)安全指數(shù)為1.95，屬于中度安全，有47.81%的轉(zhuǎn)化為中度安全，14.53%為輕度安全，1.42%為不安全，生態(tài)安全程度有所降低，這主要與人類活動有關(guān)，水源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本，距離水源越近區(qū)越是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的核心區(qū)，同時也是人口密集區(qū)。因此，對土地合理利用是水域生態(tài)安全的重要保障；距離水域500 m至1 000 m以內(nèi)區(qū)，屬于中度安全，在所有因子綜合下，該區(qū)平均綜合生態(tài)安全指數(shù)為1.61，屬于輕度安全等級范疇，中度安全區(qū)面積只占44.50%，37.52%的面積轉(zhuǎn)化為輕度安全，10.69%為不安全，7.285為高度安全，總體生態(tài)安全程度有所下降，小部分地區(qū)安全程度有所上升；在距離水域1 000 m至1 500 m以內(nèi)區(qū)，原屬于輕度安全區(qū)，在所有因子綜合評價下，該區(qū)平均生態(tài)安全指數(shù)為2.99，歸屬于輕度安全，輕度安全區(qū)面積占44.28%，31.60%轉(zhuǎn)化為中度安全，3.46%轉(zhuǎn)為為高度安全，20.66%轉(zhuǎn)化為不安全區(qū)。距離水域1 500 m以外地區(qū)屬于不安全，在所有因子綜合評價下，平均生態(tài)安全指數(shù)為3.34，安全等級屬于輕度安全，不安全區(qū)面積只占該區(qū)總面積的23.23%，有47.45%轉(zhuǎn)化為輕度安全，29.32%轉(zhuǎn)化為中度及以上安全等級，總體上，生態(tài)安全程度有所提高。

表7 生態(tài)安全及指數(shù)在距離水源不同距離中的面積比例、平均值

4.2.5 生態(tài)安全在土壤侵蝕、地質(zhì)災(zāi)害中的分異特征 水土流失是導(dǎo)致山區(qū)土壤貧瘠，土地生產(chǎn)能力下降，阻礙生物健康生長，湖泊河流淤積和污染的重要因素，嚴重影響到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和安全；不同的土壤侵蝕強度，對生態(tài)安全的影響程度是有較大差異的。由表8可知，隨著土壤侵蝕加強，平均安全指數(shù)呈遞增趨勢，說明水土流失越強，生態(tài)安全性越低，生態(tài)安全格局越復(fù)雜，一定程度上說明生態(tài)環(huán)境較為脆弱。單因子評價下，微度侵蝕區(qū)屬于高度安全，綜合評價下，原有的高度安全區(qū)分化為幾個安全等級區(qū)，高度安全區(qū)面積只占35.12%，中度安全區(qū)為48.01%，其余為輕度和不安全區(qū)所占比例，同時，平均綜合生態(tài)安全指數(shù)為2.02，屬于中度安全，安全性有所降低；輕度侵蝕區(qū)單因子評價下屬于中度安全區(qū)，綜合評價下，中度安全區(qū)保留40.17%，其余主要轉(zhuǎn)化為輕度安全和不安全等級，平均生態(tài)安全指數(shù)為2.86，屬于輕度安全，安全性降低；單因子評價下，中度侵蝕區(qū)屬于輕度安全區(qū)，綜合評價下，輕度安全區(qū)保留52.28%，其余主要轉(zhuǎn)化為中度安全和不安全區(qū)，平均綜合生態(tài)安全指數(shù)為2.95，屬于輕度安全，安全水平等級相同，空間分布上，局部地區(qū)安全性提高和局部地區(qū)安全性降低；單因子評價下，高度及以上強度侵蝕區(qū)屬于生態(tài)不安全區(qū)，綜合評價下，不安全區(qū)保留37.03%，其余主要轉(zhuǎn)化為輕度安全和中度安全，同時平均生態(tài)安全指數(shù)為3.48，屬于輕度安全等級，從這個角度說明安全性上升。

表8 生態(tài)安全及指數(shù)在土壤侵蝕強度中的面積比例、平均值

流域地質(zhì)災(zāi)害只要為斜坡地質(zhì)災(zāi)害，從流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布看，中部地區(qū)由于地形平坦，屬于江川壩，不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，四周坡度較陡山區(qū)易發(fā)性較強，地質(zhì)災(zāi)害主要威脅到山區(qū)居民生命安全和財產(chǎn)安全，其誘發(fā)因素主要為降雨和人工斜坡道路或坡面不合理的建設(shè)；從土壤侵蝕指標和災(zāi)害易發(fā)性指標的空間分布看，二者存在空間上耦合性，大體上，災(zāi)害易發(fā)性較強區(qū)也是土壤侵蝕較嚴重區(qū)，災(zāi)害易發(fā)性越強，平均生態(tài)安全指數(shù)越高，安全性越低(表9)。單因子評價下，災(zāi)害易發(fā)性為安全區(qū)生態(tài)安全屬于高度安全，綜合評價下，從面積上看，該區(qū)主要以高度和中度安全為主，各占該區(qū)總面積的32.85%和44.51%，安全性降低面積占67.15%；從平均綜合生態(tài)安全指數(shù)為2.00看，屬于中度安全水平，總體安全水平下降；輕度易發(fā)區(qū)對應(yīng)的是中度安全，綜合評價下，22.73%的面積轉(zhuǎn)化為高度安全，45.74%的安全等級面積保留不變，25.72%轉(zhuǎn)為輕度安全，剩余轉(zhuǎn)化為不安全區(qū)，平均生態(tài)安全指數(shù)為2.48，與單因子評價下的安全等級相符合；中度易發(fā)區(qū)對應(yīng)輕度安全，綜合評價下，26.33%的區(qū)域轉(zhuǎn)為不安全，安全性降低，33.09%轉(zhuǎn)為中度及以上安全區(qū)，安全性提高，平均安全指數(shù)為2.88，屬于輕度安全，符合單因子評價下的安全等級。

表9 生態(tài)安全及指數(shù)在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)中的面積比例、平均值

5 結(jié)論和討論

幾何平均數(shù)模型規(guī)避了層次分析法和專家打分法等常規(guī)模型方法主觀經(jīng)驗判斷權(quán)重不合理的缺陷和以行政區(qū)劃或小流域為評價單元帶來的空間模糊性，以柵格單元為評價單元，空間精度和顯示效果較好，能更加精確地反映評價內(nèi)容的空間分異規(guī)律和成因機理。本文試圖運用3S技術(shù)與幾何平均數(shù)模型相結(jié)合，對高原湖泊流域生態(tài)安全進行評估，從面積比例差異、平均值等角度，并從單因子評價到綜合所有因子評價去分析和揭露流域空間生態(tài)安全格局特征和形成機理。研究表明：(1) 流域生態(tài)安全水平總體上以中度安全為主，高度安全和較低安全分布面積相近。從空間上，流域生態(tài)安全等級格局集中分布，流域生態(tài)安全較高區(qū)主要集中分布于北部、東部和南部以及城市建筑密集區(qū)，除了城市建筑密集區(qū)受人類干擾較強外，其余地區(qū)坡度和地形起伏也較大，林地景觀較為破碎，水土流失較為嚴重且有過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。因此，流域南部、北部和東部以及城市建筑密集區(qū)是生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域；(2) 通過將綜合評價下的結(jié)果與單因子評價下的結(jié)果對比統(tǒng)計分析，二者存在較大差異，區(qū)域生態(tài)安全受多重因素的綜合影響，單因子評價難以精確全面反映區(qū)域生態(tài)安全的空間分異規(guī)律特征和成因機理，各因子之間存在相互促進和相互抑制的作用關(guān)系，流域自然環(huán)境要素坡度、水資源環(huán)境和水土流失與人類活動干擾要素土地利用格局、距離建設(shè)用地遠近等因子是形成流域生態(tài)安全格局的主要因素。

區(qū)域生態(tài)安全問題涉及到多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉，其形成機制復(fù)雜多變，有宏觀研究和微觀研究之分，目前多數(shù)學(xué)者停留在宏觀角度進行評價研究，微觀性評價研究較少，后者是未來該領(lǐng)域研究側(cè)重點；不管是幾何平均數(shù)模型還是其他評價模型，都有自身的優(yōu)缺點，前者對因子的兼容性較差，社會經(jīng)濟指標難以以圖層?xùn)鸥裣裨炕⑴c該模型評價。因此，結(jié)合多種模型評價，優(yōu)勢互補，模型間的集成優(yōu)化研究對評價精度提高是一種有效的途徑。針對生態(tài)安全指標體系的構(gòu)建，不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有所差異，評價指標體系也應(yīng)當有針對性。該流域核心生態(tài)環(huán)境問題之一為湖泊污染，受到資料限制，對污染強度指標較少考慮并該指標難以圖層量化，因此沒有將其參與評價，精度受到制約。因此，對難以量化的并很重要的評價指標量化模型研究顯得格外重要?？傮w上，流域生態(tài)環(huán)境較為敏感區(qū)，生態(tài)安全水平較低，評價結(jié)果能反映該區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的空間分布格局和成因，能為該區(qū)相關(guān)環(huán)保部門進行生態(tài)規(guī)劃建設(shè)提供一定的科學(xué)理論指導(dǎo)意義。

[1] 勞燕玲.濱海濕地生態(tài)安全評價研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2013.

[2] 陳星,周成虎.生態(tài)安全:國內(nèi)外研究綜述[J].地理科學(xué)進展,2005,24(6):8-20.

[3] 潘竟虎,石培基,劉英英.干旱區(qū)縣域土地利用規(guī)劃環(huán)境影響的生態(tài)安全評價:以張掖市甘州區(qū)為例[J].水土保持通報,2012,32(1):248-2523.

[4] 李暉,易娜,姚文璟,等.基于景觀安全格局的香格里拉縣生態(tài)用地規(guī)劃[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(20):5928-5936.

[5] 吳金華,李紀偉,朱鴻儒.基于ArcGIS區(qū)統(tǒng)計的延安市土地生態(tài)敏感性評價[J].自然資源學(xué)報,2011,26(7):1180-1188.

[6] 凡非得,王克林,熊鷹,等.西南喀斯特區(qū)域水土流失敏感性評價及其空間分異特征[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(21):6353-6362.

[7] 黃靜,崔勝輝,李方一,等.廈門市土地利用變化下的生態(tài)敏感性[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(24):7441-7449.

[8] 楊月圓,王金亮,楊丙豐.云南省土地生態(tài)敏感性評價[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(5):2253-2260.

[9] 周銳,王新軍,蘇海龍,等.基于生態(tài)安全格局的城市增長邊界劃定:以平頂山新區(qū)為例[J].城市規(guī)劃學(xué)刊,2014(4):57-63.

[10] 楊子生.云南省金沙江流域土壤流失方程研究[J].山地學(xué)報,2002,20(S1):1-9.

[11] Liu B Y, Nearing M A, Risse L M. Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J]. Transactions of the ASAE,1994,37(6):1835-1840.

[12] 怡凱,王詩陽,王雪,等.基于RUSLE模型的土壤侵蝕時空分異特征分析:以遼寧省朝陽市為例[J].地理科學(xué),2015,35(3):365-372.

[13] 查良松,鄧國徽,谷家川.1992—2013年巢湖流域土壤侵蝕動態(tài)變化[J].地理學(xué)報,2015,70(11):1708-1719.

[14] 楊冉冉,徐涵秋,林娜,等.基于RUSLE的福建省長汀縣河田盆地區(qū)土壤侵蝕定量研究[J].生態(tài)學(xué)報,2013,33(10):2974-2982.

[15] 顏磊.遺產(chǎn)景區(qū)旅游市場時空格局研究[D].成都:四川師范大學(xué),2006.

AnAssessmentonBasinEcologicalSecurityandItsVariationCharacteristicsinFactorsBasedonGISTechniqueandGeometricMeanModel—ACaseinNebulaLakeBasin

LI Yimin1，2, ZHU Jun1,2, YU Yanhong2

(1.DepartmentofEnvironmentandResources,YunnanInstituteofGeography,YunnanUniversity,Kunming650091,China;2.KeyLaboratoryofPollutionProcessandManagementofLakeBasininYunnanProvince,Kunming650091,China)

The 10 factors includes elevation, slope, soil erosion intensity, prone to geological disasters, land use types, vegetation coverage, distance from the natural ecological protection zone, the distance of construction land, population density and the distance from the water were selected to evaluate the ecological security of Nebula Lake Basin. The spatial distribution and formation mechanism of regional ecological security was analyzed by using the geometric mean model and 3S technology tentatively. The study showed that the average ecological security index was 2.33 in Nebula Lake basin. From the aspect of area proportion of all security levels, the area of moderate security zone accounted for 42.34%, high security for 22.84%, the low security for 26.43%, the unsafe for 8.39% of the total basin area, which illustrated that ecological security was mainly moderate security in the basin; from spatial distribution aspect, the zone of higher ecological security mainly distributed in the northern, eastern and southern and built-up zones in Nebula Lake basin where the slope gradients of land are great, terrain was undulated, the forest landscape was fragemental, land use was not reasonable, soil erosion was severe, and geological disasters has happened except that the city building intensive area was disturbed by the human, these regiions are the key areas of ecological protection and construction; there is a big difference between the two results that the regional ecological security is affected by multiple factors, single factor evaluation is difficult to accurately reflect the characteristics and mechanism of spatial differentiation of the regional ecological security through the comparison and analysis between the results of comprehensive evaluation and single factor evaluation. There is the relationship of mutual promotion and inhibition among each factor. The factors such as slope, water resource environment, soil and water loss and disturbance factors of human activities such as land use pattern, distance from construction land are the main factors to form the ecological security pattern of the basin.

geometric mean model; GIS technique; ecological security pattern; spatial differentiation; Xingyun Lake Basin

2016-10-15

：2016-10-24

云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室開放資助項目“高原湖泊流域關(guān)鍵生態(tài)用地識別技術(shù)及空間優(yōu)化研究”(KH100992)

李益敏(1965—),女(白族),云南省昆明市人,教授,主要從事山地環(huán)境與發(fā)展研究。E-mail:648119611@qq.com 朱軍(1991—),男,貴州省黔西縣人,碩士,主要研究方向:GIS應(yīng)用與開發(fā)。E-mail:846921812@qq.com

F301.24

：A

：1005-3409(2017)03-0198-08