長江流域生態安全評價
——以重慶市忠縣段為例

謝利娟，李浩然，余 陽，諶 曦，張治意，周書宏，李 鋒，李媛媛

( 重慶交通大學，重慶 400074)

1 引言

生態安全是指生態系統的健康和完整情況。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。從生態學觀點出發，一個安全的生態系統在一定的時間尺度內能夠維持它的組織結構，也能夠維持對脅迫的恢復能力，即它不僅能夠滿足人類發展對資源環境的需求，而且在生態意義上也是健康的。其本質是要求自然資源在人口、社會經濟和生態環境三個約束條件下穩定、協調、有序和永續利用。隨著人口的增長和社會經濟的發展，人類活動對環境的壓力不斷增大，人地矛盾加劇。生態安全與國防安全、經濟安全、金融安全等已具有同等重要的戰略地位，并構成國家安全、區域安全的重要內容。保持全球及區域性的生態安全、環境安全和經濟的可持續發展等已成為國際社會和人類的普遍共識。

國內外已有許多學者開始關注流域生態安全這一問題，許多關于著名流域的研究案例也數不勝數。Yu G等[1]建立流域生態安全評價指標體系，對漢江流域中下游生態安全進行評價；Xiaogan Yu[2]將整個長江流域分為五個生態邏輯區，并針對不同的生態安全問題提出建議，從而建立合理的生態補償機制和流域管理模式，保證流域生態安全；Li Y[3]在綜合考慮金沙江流域實地情況的前提下，建立人均GDP、土壤侵蝕率、森林覆蓋率等59項指標體系，使用改進DPSIR模型評價流域規模生態安全，結果表明該模型在經濟學和社會學中都有較高的研究效益；Meng Z等[4]在壓力狀態響應(PSR)模型的基礎上，建立由15個選擇項目組成的生態安全評價指標體系，然后利用AHP方法預測沱江流域生態安全預警；Jianjun T等[5]則基于生態足跡模型，研究了閩江上游流域生態系統的生態安全。國內應用AHP(層次分析法)、PSR(壓力—狀態—響應)、PSFR(壓力—狀態—功能—響應)和DPSIR等方法的學者文獻也不在少數，例如陳佳及其團隊[6]選取研究區域經濟生態安全系統、自然生態安全系統、社會生態安全系統中15個生態安全評估指標，評價與預測了克孜勒蘇河流域2008～2020年的生態安全情況；虞春隆等[7]借助GIS平臺建立了基于PSR的涇河流域人居環境生態安全評價體系，根據涇河流域地域特征,將生態安全度由高到低分為5個等級，并且在此基礎上論述涇河流域的人居環境生態安全等級空間分布特征；俞箏[8]在PSFR模型的基礎上，利用層次分析法對巢湖流域生態安全進行評價與分析；徐斌等[9]結合水庫自身特點，采用DPSIR模型選取環境數據、遙感數據以及社會經濟數據等19個指標，然后構建生態安全評價指標體系，同時采用改進的群組層次分析法法確定各指標權重，最后分析了岸堤水庫2015年的水生態安全狀況；劉麗娜等[10]基于山口湖流域水質特征分析，為評估東北湖區湖泊生態安全，分別采用模糊綜合評價法、層次分析法和DPSIR模型，綜合評估了山口湖流域水環境質量、陸域生態系統健康狀況和流域生態安全；柳思等[11]采用EES(環境—經濟—社會)模型建立疏勒河流域土地生態安全評價指標體系，使用熵權物元模型研究該地區2005～2014年土地生態安全狀況，并利用主成分分析法探索限制流域土地生態安全影響因子。

本文選取高程、坡度、NDVI、土地利用類型、距河流距離和距道路距離等6個影響因子，將每個因子分為不安全、較低安全、較高安全和高度安全4個等級，再應用熵權法分析每個影響因子的權重，最后基于ArcGIS的空間疊加分析功能，獲得研究區綜合生態安全分級圖。本研究所得到的生態安全評價結果，可作為流域管理者及決策者的有用工具。

2 研究區概況及數據

2.1 研究區概況

忠縣位于長江上游地區，上距重慶主城九區180 km，下距重慶萬州105 km。東北與萬州相鄰，西接墊江縣，東南與石柱縣毗鄰，西南與豐都縣接壤，北與梁平縣為界。介于東經107°3′～108°14′、北緯30°03′～30°35′之間。忠縣縣城依山傍水，獨具島城風貌，是三峽庫區唯一留存的“半淹縣城”。境內低山起伏，溪河縱橫交錯，其地貌由金華山、方斗山、貓耳山三個背斜和其間的拔山、忠州兩個向斜構成，最高海拔1680 m，最低海拔117 m，屬典型的丘陵地貌。幅員面積2187 hm2，全縣共轄4個街道25個鄉鎮，301個行政村和67個社區居委，總人口100萬人(圖1)。

2.2 數據來源

文中用到的土地利用類型和NDVI數據可由遙感影像解譯和計算得到，遙感影像數據下載自地理空間數據云網站的Landsat8 OLI數據，數據為2018年4月，數據標識：LC81270392013224LGN00和LC8127039 2018094LGN01，條帶號127，行編號39，云量為8.01。數據預處理采用ENVI軟件完成，主要包括輻射定標、大氣校正和圖像裁剪等。高程、坡度數據和河網均由DEM數據提取而來，DEM數據下載自地理空間數據云平臺上的GDEM DEM數據，分辨率30 m。道路網數據和行政邊界圖從中國科學院資源環境遙感數據庫下載得到。

3 研究方法

研究基于GIS平臺，采取熵值法確定指標權重，對重慶市忠縣流域生態安全進行評價，將單因子評價結果與綜合評價結果進行疊加分析，并運用 ArcGIS空間區統計功能，求取各生態安全等級與平均生態安全指數在不同因子中的面積比例，然后從面積比例差異、平均生態安全指數等角度，把單因子評價結果和綜合評價結果進行對比分析，以此揭露流域生態安全格局的空間分異規律特征與形成機理。

3.1 生態安全評價

生態安全評價是對其維護生態系統完整性能力及生態安全性狀況的研究。論文運用綜合指數法結合GIS加權疊加分析技術對重慶市忠縣流域生態安全進行評價。評價模型如下：

(1)

式(1)中：ESI為第i個柵格單元的綜合生態安全指數；Pij為第i個柵格單元的第j個指標的安全指數；Wj為第j個指標的權重。利用ArcGIS中的自然間斷點法將得到的ESI值分為4個等級，分別對應不安全、較低安全、較高安全和最高安全。

3.2 評價指標體系

水域生態安全評價不僅包含自然環境，也包括人文環境。同時考慮到水域指標數據的代表性、綜合性和可獲取性，本文選取高程、坡度、NDVI、土地利用類型、距河流距離和距道路距離等6個指標構建生態安全評價指標體系，并結合研究區實際情況，制定水域生態安全各因子的分級標準，設定各評價因子的安全等級：4、3、2、1分別代表不安全、較低安全、較高安全和高度安全。值越小，生態環境越安全，安全性也越高(表1)。

3.3 指標權重確定

指標權重的確定是對多指標進行綜合評價的難點，選取合適的指標賦權方法顯得尤為重要。目前指標賦權方法主要分為主觀和客觀兩大類。客觀賦權法中的熵值法，是通過突出局部差異的權重計算，根據同一指標觀測值之間的差異來反映其重要程度，它能夠深刻地反映出指標信息熵值的效用價值，防止主觀信息的干擾，其給出的指標權重值比特爾菲法和層次分析法更具可信度，使評價得出的結果更合乎實際。因此，在經過綜合考量下，為了保證最終評價結果的精確性和客觀性，本文采用的是客觀賦權法中的熵值法來進行指標賦權。

熵的概念源于熱力學，是對系統狀態不確定性的一種度量。在信息論中，熵是對不確定性的一種度量。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。根據熵的特性，可以通過計算熵值來判斷一個事件的隨機性及無序程度，也可以用熵值來判斷某個指標的離散程度，指標的離散程度越大，該指標對綜合評價的影響(權重)越大；其熵值越小，信息的無序度越低，其信息的效用值越大，指標的權重越大。其主要步驟如下。

(1)將數據進行標準化處理后，計算第j項指標下第i個方案指標值的權重P：

(2)

(2)計算第j項指標的熵值e：

(3)

其中ej為第i個指標的熵值，k>0,ln為自然對數，且0≤ej≤1。

利用熵值法對指標數據進行計算后，得到研究區水域生態安全綜合評價的指標權重(表2)。各因子生態安全等級分布見圖2。

表2 評價指標熵值與熵權統計

圖2 各因子生態安全等級分布

4 研究結果

4.1 流域生態安全分析

在ArcGIS軟件下采用自然斷點法，將計算得到的ESI值分為4個等級，分別對應不安全、較低安全、較高安全和最高安全(圖3)。統計不同生態安全等級面積發現，最高安全、較高安全、較低安全和不安全分別占比11.84%、38.91%、7.39%和41.87%，研究區內不安全區域占比最高，不安全和較低安全占比高達1/2。結合圖2和圖3對比分析可以發現，生態安全等級最高的深綠色區域是道路與河流重疊的區域，較高安全的淡綠色區域就是流域內河網分布的區域，而沒有河流水系和道路分布的地形較為復雜的區域，就為不安全的紅色區域。這表明，在眾多影響因子中，距河流距離、距道路距離和地形這3個因子與整個研究區流域的生態安全空間格局的耦合度明顯高于其他幾個因子，對于整個區域內流域的生態安全綜合評價的貢獻度也更高。

圖3 流域生態安全評價

4.2 流域生態安全在各因子中的變化特征

通過空間統計，分析不同生態安全等級對應不同影響因子的空間分異情況。

4.2.1 高程

高程300～600的區域占總面積比例為67.37%，占比最高，其次是<300的區域，占比20.18%，占比最少的是>900的區域，在高程影響因子不同分級中，較高安全區域占整體面積總和的比例較高。高程直接影響著地表特征和物種數量和種類的變化。四個坡度平均生態安全指數包含不安全和較低安全，可見高程對生態安全指數的影響較高。觀察平均生態安全指數的變化，可知高程與生態安全呈正相關關系。

4.2.2 坡度

坡度7～15°的區域占總面積比例為37.74%，占比最高，其次是<7°的區域，占比32.31%，接著是7～15°的區域，占比22.93%，占比最低的是>25°的區域。可見坡度對生態安全指數的影響較大，低于25°的區域占比高達92.98%。在高程影響因子不同分級中，較高安全區域占整體面積總和的比例較高。高程直接影響著地表特征和物種數量和種類的變化。四個坡度平均生態安全指數均為較低安全，觀察平均生態安全指數隨著坡度的增大而減小，可知坡度與生態安全呈負相關關系。

4.2.3 NDVI

NDVI>240的區域占總面積比例為55.01 %，占比最高，其次是160～240的區域，占比27.75%，接著是80～160的區域，占比12.19%，占比最低的是>80的區域。在NDVI影響因子不同分級中，不安全區域占整體面積總和的比例較高，超過總面積的1/2。4個NDVI平均生態安全指數均為較低安全，觀察平均生態安全指數隨著NDVI的增大而增大，可知NDVI與生態安全呈正相關關系。

4.2.4 土地利用類型

草地和耕地占總面積比例為40.74 %，占比最高，其次是建設用地，占比35.43%，接著是未利用地，占比19.27%，占比最低的是水域和林地。在土地利用類型影響因子不同分級中，較低安全區域占整體面積總和的比例較高。四個土地利用類型平均生態安全指數均為較低安全，水域和林地生態安全指數最低，可見其生態可恢復性最高，草地與耕地生態安全指數最高，其生態可恢復性最低，建設用地與未利用地生態安全指數中等，其生態可恢復性一般。

4.2.5 距河流距離

一般來說，距河流距離越短，生態安全等級越高。距離>1500 m的區域占總面積比例為49.25 %，占比最高，其次是<500 m的區域，占比19.25%，500～1000 m和100～1500 m的區域占比相差不大，分別為16.77%和14.73%。可見距河流距離對生態安全指數的影響較大，不安全、較低安全區域占比高達78.5%。在距河流距離影響因子不同分級中，不安全區域占整體面積總和的比例較高。四個距河流距離平均生態安全指數中，三個為較高安全，一個為不安全，且平均生態安全指數隨著距離的增大而增大，可知距河流距離因子與生態安全呈正相關關系。

4.2.6 距道路距離

一般來說，距道路距離越遠，生態安全等級越高。距離>1500 m的區域占總面積比例為80.75 %，占比最高，距離<500 m、500～1000 m和100～1500 m的區域占比較少，分別為6.97%、6.29%和6.02%。在距道路距離影響因子不同分級中，不安全區域占整體面積總和的比例較高。再觀察平均生態安全指數，四個距道路距離平均生態安全指數中，三個為較高安全，一個為不安全，平均生態安全指數隨著距離的增大而增大，可知距道路距離因子與生態安全呈正相關關系(表3)。

表3 生態安全各等級面積占比

5 結論與討論

本文采用熵權法對生態安全影響因子——高程、坡度、NDVI、土地利用類型、距河流距離和距道路距離進行賦權，然后基于GIS的空間疊加分析功能，得到重慶市忠縣的流域生態安全分級圖，并且進行空間統計分析，得到以下結論：

統計不同生態安全等級面積發現，最高安全、較高安全、較低安全和不安全分別占比11.84%、38.91%、7.39%和41.87%，研究區內不安全區域占比最高，不安全和較低安全占比高達1/2。在眾多影響因子中，距河流距離、距道路距離和地形這三個因子與整個研究區流域的生態安全空間格局的耦合度明顯高于其他幾個因子，對于整個區域內流域的生態安全綜合評價的貢獻度也更高。

高程300～600 m的區域占總面積比例為67.37%，占比最高，其次是<300 m的區域，占比20.18%，占比最少的是>900 m的區域，高程與生態安全呈正相關關系。

坡度7～15°的區域占總面積比例為37.74 %，占比最高，其次是<7°的區域，占比32.31%，接著是7～15°的區域，占比22.93%，占比最低的是>25°的區域。坡度與生態安全呈負相關關系。

NDVI>240的區域占總面積比例為55.01 %，占比最高，其次是160～240的區域，占比27.75%，接著是80～160的區域，占比12.19%，占比最低的是>80的區域。NDVI與生態安全呈正相關關系。

草地和耕地占總面積比例為40.74 %，占比最高，其次是建設用地，占比35.43%，接著是未利用地，占比19.27%，占比最低的是水域和林地。水域和林地生態安全指數最低，可見其生態可恢復性最高，草地與耕地生態安全指數最高，其生態可恢復性最低，建設用地與未利用地生態安全指數中等，其生態可恢復性一般。

距河流距離>1500 m的區域占總面積比例為49.25 %，占比最高，其次是<500的區域，占比19.25%，500～1000 m和100～1500 m的區域占比相差不大，分別為16.77%和14.73%。距河流距離因子與生態安全呈正相關關系。

距道路距離>1500 m的區域占總面積比例為80.75 %，占比最高，距離<500 m、500～1000 m和100～1500 m的區域占比較少，分別為6.97%、6.29%和6.02%。距道路距離因子與生態安全呈正相關關系。

本次研究內容為長江流域生態安全評價，選取的研究區范圍太小，結果會存在一定的偶然性，在未來基礎數據可獲取、且數據處理設備允許的情況下，可實現對整個長江流域的生態安全評價。本文可為未來的大尺度研究提供研究基礎和技術支撐。