丹江口庫區生態安全的時空演變規律及其調控措施

彭 哲, 郭 宇, 郝仕龍, 侯梅芳

(1.河南省土地整理中心, 河南 鄭州 450016; 2.上海應用技術大學 生態技術與工程學院, 上海 201418; 3.華北水利水電大學 資源與環境學院, 河南 鄭州 450046)

生態安全與國防安全、經濟安全同等重要，都是國家安全的重要基石[1]。中國生態安全研究始于1990年代后期，生態安全研究是一個新興研究領域，也是可持續發展研究的前沿領域[2]。廣大學者在生態服務價值[3-4]、生態足跡[5-7]，生態風險[8-9]、生態安全評價[10-11]等領域進行了廣泛深入的研究，但目前對生態安全研究以大、中尺度居多，缺乏對小尺度分析。針對同一研究區選取不同的研究尺度能展現不同的格局過程和結果[12-13]。對大、中尺度區域進行生態安全研究只能得出該大、中區域生態安全狀態的變化[14-16]；以小尺度區域為評價單元進行分析，不僅可以揭示該區域內生態安全的空間分布規律，更能具體地針對不同評價單元找出各自的主要問題并提出有針對性的建議[17-18]。

河南省淅川縣位于南水北調丹江口水源重點保護區，是南水北調中線工程渠首所在地，其生態安全問題會影響南水北調工程效益的長久發揮。因此，本文擬選取淅川縣為研究區，基于當前生態安全研究的特點，以鄉鎮為評價單元進行小尺度生態安全評價研究，具體反映淅川縣生態安全時空動態演變過程，以期為保護水源區的生態安全探尋合理的調控措施提供依據。

1 研究區概況、數據來源及方法模型

1.1 研究區概況

淅川縣位于河南省南陽市的西南邊陲，河南、湖北和陜西3省交界的交界地帶，占國土面積2 798 km2，得名于淅水沖擊形成的百里平川。其境內的丹江口水庫是亞洲最大的人工淡水湖，同時淅川縣也是南水北調中線工程的主要淹沒區、渠首工程和干線工程所在地。淅川縣下轄16個鄉鎮，537個行政村，南水北調中線核心水源區面積占全縣國土總面積的92.8%，達2 616 km2。地貌高低落差較大，西北高、東南低，北、西、南三面環山，地形似馬蹄狀。境內海拔高程最高達1 086 m，最低為120 m，平均海拔為567.67 m。淅川縣資源豐富，氣候適宜，四季分明，雨量充沛。

1.2 數據來源

研究數據包括社會經濟數據、環境保護數據和地理空間數據，其中環境監測數據和地理空間數據由當地相關職能單位提供，社會經濟數據主要通過走訪農戶、查閱歷年《淅川縣統計年鑒》《南陽市統計年鑒》及相關統計公報獲得。

1.3 方法模型

1.3.1 PSR模型法(壓力—狀態—響應模型) 本文使用被廣泛承認的PSR模型[19]構建評價指標體系。P—R—S框架模型包含3個相互聯系的系統，其中壓力指標指人類活動對生態系統造成的直接壓力因素，如人口、經濟、環境等方面的壓力；狀態指標指在人類活動壓力下資源環境所處的狀態，例如水(土)資源、水環境、生物多樣性等方面的狀態；響應指標指人類應對各類環境問題時所釆取的應對方式，它隨著社會的進步而變化。

1.3.2 層次分析法 層次分析法、Delphi法(專家調查法)、熵權法等為目前常用的確定指標權重的方法。層次分析法為定性與定量分析相結合的系統分析法，將人的經驗等主觀定性分析定量化，思路簡單，運算方便，適用于指標數據多而復雜且難以量化的決策問題。生態安全評價時各評價指標對結果的影響程度不同，分析較復雜且難以量化，因此本文選取層次分析法為確定各評價指標的權重的方法。

2 結果與分析

2.1 生態安全時空動態分析

2.1.1 指標體系的構建 本文結合南水北調中線河南省水源區淅川縣的生態環境特點，構建了包含29個指標的水源區小尺度生態安全評價指標體系(如表1所示)。該體系包含了4個層次系統，其中，目標層表征了淅川縣生態安全的總體水平和程度，為綜合性指標。依據“壓力—狀態—響應”(P—S—R)模型建立的目標層(O)將生態安全系統分為3個子系統，分別是生態系統壓力、生態系統狀態、生態系統響應子系統。在準則層(A)的基礎上可進一步可劃分出不同的因素層(B)，生態系統壓力又可劃分為人口壓力、經濟水平壓力、經濟發展壓力、環境壓力；生態系統狀態進一步劃分為水資源狀態、土地資源狀態、水環境狀態、生物多樣性狀態；生態系統響應可劃分為環境治理響應(土地、水)、人文社會保障響應、經濟發展響應。指標層(C)是用以衡量因素層各部分的可直接度量的單項指標，是整個指標體系最基本的層面。

表1 丹江口庫區水源區生態安全評價指標體系

2.1.2 生態安全等級的劃分 根據計算出來的淅川縣各鄉鎮生態安全值，結合研究區的生態安全狀況，將淅川縣丹江口庫區的生態安全劃分為5個等級:紅色預警級、橙色預警級、黃色預警級、藍色預警級和綠色安全級，表示嚴重程度依次減輕，各個等級分布情況(詳見表2)。

表2 丹江口庫區生態安全等級劃分

2.1.3 時間演變分析 從表3中可以看出，2000—2015年淅川縣各鄉鎮生態安全綜合值整體呈波動上升的趨勢，其中2000—2006年生態安全綜合值增長緩慢，2006年后增長趨勢明顯。2000年各鄉鎮生態安全綜合值差別較小，至2015年各鄉鎮生態安全綜合值差異增大，變化程度最小的為城關鎮，變化值小于0.1；變化程度最大的為香花鎮，變化值大于0.4；變化值大于0.2的鄉鎮有香花、上集、大石橋和滔河等。

表3 丹江口庫區生態安全變化

從圖1中可以看出，處于橙色預警級的鄉鎮個數在2000—2012年逐漸減少，至2012年減少為0個，其間于2006年存在較大波動，增長為4個；處于黃色預警級的鄉鎮個數在2000—2006年在12～14個間存在較低的波動，2006—2014年顯著上升，而2014—2015年急劇減少5個；處于藍色預警級的鄉鎮于2011年開始出現，至2013年增長為4個，2014年出現較大的異常波動2013—2014年減少3個而2014—2015年增加了5個。研究時段內均未出現生態安全等級為紅色預警級和綠色安全級的鄉鎮。2000—2011年處于橙色預警級和黃色預警級的鄉鎮個數變化情況呈負相關關系，2012年后處于橙色預警級的鄉鎮消失，開始出現處于藍色預警級的鄉鎮，之后處于黃色預警級和藍色預警級的鄉鎮個數呈負相關變化。

圖1 丹江口庫區生態安全等級鄉鎮個數變化

壓力貢獻度增加量為2015年壓力占該年生態安全的比值減去2000年壓力占該年生態安全的比值。從圖2中可以看出，2000—2015年壓力對生態安全綜合值的貢獻程度明顯減少，多為負值，只有香花鎮、大石橋鄉、滔河鄉3個鄉鎮為正值，但值極小。狀態對生態安全綜合值的貢獻程度的增加和減少幅度均較小，且以減少居多；而響應對生態安全綜合值的貢獻程度均為正值，呈增加狀態，其中城關和馬鐙鎮增幅超過15%，香花鎮、滔河和大石橋鄉增幅最低均未超過5%。

圖2 丹江口庫區壓力、狀態、響應指標對生態安全綜合值的貢獻度變化

顯而易見，壓力對淅川縣各鄉鎮生態安全綜合值的貢獻程度被響應的貢獻度替代，即人們對影響生態安全的因素做了積極的響應。

綜上所述，研究時段內淅川縣各鄉鎮生態安全狀況雖有波動但整體好轉，生態系統壓力影響程度減少，即人類對環境造成的壓力減小；生態系統狀態的影響程度變化不明顯，即生態環境所處的狀態變化較小；而生態系統響應的影響程度增大，即人們為生態系統良性轉變而不懈努力。

2.1.4 空間演變分析 運用ArcGIS 10.3軟件將各鄉鎮對應的分級結果進行空間展示，得出淅川縣生態安全空間分布特征(圖3)。

從圖3可以看出，2000年和2005年相比處于橙色預警級的鄉鎮由4個減少為2個，其中大石橋鄉依舊處于橙色預警級，滔河、厚坡、香花這3個鄉鎮由橙色預警轉變為黃色預警，警情下降，而城關鎮卻由黃色預警變為橙色預警，警情加重。2005年和2010年相比處于各預警級的鄉鎮個數不變，但城關鎮由橙色預警轉變為黃色預警而滔河鄉卻由黃色預警變為橙色預警。2010年和2015年相比，各鄉鎮的預警等級均由劣轉好，其中大石橋鄉和滔河鄉由橙色預警轉為黃色預警，西簧、毛堂、上集、老城、倉房、香花等6個鄉鎮生態安全等級由黃色預警轉為藍色預警。除西北部和中部的紫荊關、寺灣、盛灣、馬鐙等4個鄉鎮在15 a間生態安全預警等級未發生變化外，其余12個鄉鎮生態安全預警等級均呈好轉趨勢。空間上呈東北、西南預警等級高，西北、東南預警等級低的分布格局(圖3)。

圖3 2000-2015年淅川縣生態安全等級變化

2.2 驅動力分析

2.2.1 主成分分析 采用相關性分析方法分別對壓力、狀態、響應層的指標進行篩選，對相關性較大的指標予以刪除，消除指標數據的重疊度。對篩選后的指標進行主成分分析，有效避免因子自相關性較高對結果的影響。對壓力層指標的相關性分析，其分析結果見表4。

根據壓力層指標相關性分析的結果(表4)剔除城鎮化率、單位面積耕地農藥負荷、GDP年增長率3個信息重疊度較大的指標，其余指標予以保留。同理，狀態層指標中對水域面積率、水澆地占農田比例、生物豐度指數3個指標和響應層中對農民人均純收入一個指標予以刪除。

表4 丹江口庫區生態安全壓力層指標的相關性分析結果

相關性分析將重疊度較大的指標予以刪除后，借助SPSS 24.0軟件對篩選后的22項評價指標進行主成分分析，以2000—2015年的時間序列數據為樣本，對淅川縣生態安全驅動力進行分析，尋求影響生態安全的主要驅動因素。

主成分個數確定原則有：相關矩陣特征值大于1及其對應的主成分累積貢獻率大于85%。從表5中可以看出特征值大于1的指標共有5個，其余指標的特征值均小于1，其中主成分1的特征值大于12，前5個主成分的累積貢獻率為89.826%，高于85%的要求，因此選取這5個主成分進行提取分析。

表5 丹江口庫區生態安全評價指標方差分解主成分提取分析

表6反映各評價指標與主成分間的關系，指標與某一主成分的聯系系數的絕對值越大，則該主成分與指標間的聯系越緊密[20]。從表5和表6中可以看出，第1主成分貢獻率為56.21%，在其上載荷較高的指標有：人均GDP、單位面積耕地化肥負荷、農村自來水普及率、人均耕地面積、BOD生化需氧量、森林覆蓋率、有效灌溉面積占農田比例、工業廢水排放達標率、工業SO2排放達標率、工業粉塵排放達標率、第三產業占GDP比重、節水灌溉面積占有效灌溉面積比例、水土流失治理率等，其中只有人均耕地面積和單位面積耕地化肥負荷表現出較大的負相關關系，其余指標均表現較強的正相關關系，這些指標綜合性極強；第2主成分貢獻率為16.79%，在人口密度、耕地糧食單產和總磷這3個指標上有較高的載荷。第3，4，5主成分分別在人口自然增長率、COD生化需氧量和人均GDP增長率上有較高的載荷。

綜上所述，第1主成分載荷較大的指標多為響應層中指標，特別是環境治理響應，與時間演變分析所得結論相符，說明對環境治理的響應為生態安全等級提升的主要原因，其次為壓力和狀態的影響。

2.2.2 調控措施分析 由時間演變分析發現，淅川縣生態安全綜合值的增長經歷了兩個階段，以2006年為時間節點，2006年以前生態安全綜合值增長緩慢，其后增長明顯。這主要是因為自2000年南水北調工程總體格局基本確定后，為保護水源區水質安全政府開始進行生態保護工作探索，這段時期由于缺乏相關經驗通過嚴格的環保政策措施以犧牲經濟發展的方式進行環境保護，但成效不太顯著；至2006年擁有大量工作經驗后，政府轉變工作思路，注重生態經濟協調發展，建立健全生態保護的法律法規，限制企業的三廢排放量，針對經濟發展與生態保護的矛盾轉變粗放的經濟發展模式，調整產業結構，結合丹江口水庫的區位優勢積極發展現代觀光農業，調整農業內部產業結構，提高農業產出率，使生態和經濟效益均得到明顯提升，實現生態經濟的良性發展。

表6 丹江口庫區生態安全各評價指標載荷值矩陣

研究時段內大量的環境指標均得到部分提升，但和理想值還有一定的差距，如生物豐度指數、人均耕地面積等；有些指標與理想值差距較遠，如人口密度、農民人均純收入、森林覆蓋率等；有些指標甚至惡化，如農村面源污染指標等。根據主成分分析的結果提出相應的調控措施：

(1) 針對生態系統響應的調控措施。政府應加強對民眾生態保護的宣傳教育，提高生態安全意識；進一步促進經濟生態協調發展，加強新型農業產業的探索，進行農產品深加工，開發其附加值，提高農民收入；對水土流失嚴重的地區，采取植樹種草、坡改梯等水保措施進行積極治理。

(2) 對生態系統壓力的調控措施。控制人口過快增長，提高人口素質；投入資金、技術，推動地方與高校的深入合作，加強研究，確立當地適宜的發展模式，實現農業綠色發展，推動農業機械化，實現農業現代化，促進農民收入和生活質量的提高；針對研究期內單位面積耕地化肥和農藥負荷增加，應推動農業科技創新，増施有機肥及用生物技術防治病蟲害。

(3) 對生態系統狀態的調控措施。加大對耕地的保護力度，通過土地整治、基本農田建設和農田改造等措施保障耕地的質與量；限制企業和引導居民減少生產、生活廢水的排放；通過政策引導和對居民的宣傳教育的方式進一步提高森林覆蓋率，保護動植物，保護生物多樣性；對生態受損的區域，采取合理的修復措施加以修復。

3 結論與討論

3.1 結 論

本研究在構建小尺度生態安全評價指標體系的基礎上，對淅川縣生態安全進行時空動態分析，根據生態安全研究結果，從自然和人文兩個方面進行了驅動機制分析，并針對生態安全狀況，提出了生態安全調控措施。

(1) 研究時段內淅川縣生態安全狀況雖有波動但演變趨勢整體向好。從壓力、狀態、響應指標對生態安全貢獻度的角度來看，壓力指標對生態安全的貢獻大幅減小，響應指標對生態安全的貢獻大幅增加，狀態指標貢獻度變化較小。可以看出人們對生態系統施加的壓力減少，對生態安全作出的響應程度增加，生態安全狀況明顯好轉。

(2) 就全縣生態安全發展態勢來看，生態安全等級雖有好轉但仍不穩定，尤其是農村面源污染，如單位面積耕地化肥負荷和單位面積耕地農藥負荷等因素的負面壓力仍在增加，因此，生態安全形勢不容樂觀。

(3) 淅川縣生態安全空間格局呈東北、西南等級高，西北、東南等級低。

(4) 對淅川縣進行驅動力分析發現環境治理的響應為生態安全等級提升的主要原因。根據主成分分析的結果分別從壓力、狀態、響應3個方面提出具體可行的調控措施，以促進其生態安全等級的持續提高。

3.2 討 論

本研究對淅川縣各鄉鎮生態安全時空動態演變特征及主要驅動力進行了評價及分析，構建了水源區小尺度生態安全評價指標體系，并對水源區生態安全提出相應調控措施。本文所得出的結論與近年淅川縣生態安全的實際情況較吻合，有一定的指導意義，但是本文在研究上依舊存在一些不足之處，需要展開更深入的探究：

(1) 生態安全受多種因素的限制，建立的指標體系的全面性難以保證，指標體系有待進一步完善。因此在建立科學完整且針對性強的評價指標體系和分級標準等方面的工作仍有待加強。

(2) 本文由于篇幅有限，只是對淅川縣鄉(鎮)級的小尺度開展生態安全研究，縣級尺度的生態安全研究還有待進一步開展，不同空間等級尺度條件下的區域生態安全狀況可能會存在一定的差異。