南水北調中線工程水源地南陽市生態安全評價研究

于天舒,鄭拴寧,朱捷緣,唐明方,董仁才,王 巖

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心,北京 100085 4 赤峰市自然資源局,赤峰 024000

隨著社會經濟的快速發展,人類活動強度大、自然資源開發利用不合理等多重壓力的存在,對生態環境資源產生了巨大影響,導致土地退化、生態系統服務功能降低、城市無序擴張、景觀破碎化、生物多樣性降低、水污染等生態環境問題日益嚴峻,嚴重威脅區域生態安全,制約生態-社會-經濟可持續發展[1-2]。所謂生態安全,有廣義和狹義兩種理解,廣義上指的人的生活、健康、安樂、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態,包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全,組成一個復合人工生態安全系統；狹義上是指自然和半自然生態系統的安全,即生態系統的完整性和健康水平的整體反映[3]。目前,國內外學者對生態安全已有深入研究,包括生態安全概念內涵[4-8]、評價方法[9-11]、管理對策[12-13]等多個方面。跨流域調水工程水源區的生態安全問題作為調水工程成敗的關鍵,也是諸多學者關注和研究的熱點之一[14-17]。

南水北調工程起源于河南省南陽市丹江口水庫,是我國規模宏大的跨流域調水工程,對于緩解我國華北地區水資源短缺問題和促進區域間協調發展具有重要作用[15]。同時,南水北調工程建設和跨流域調水也會改變周邊地區土地利用和土地覆被狀況[18],影響水源區水量和水質,威脅生態系統健康和生態安全。因此,研究調水工程水源區生態安全狀況,對于保障水源區生態建設和供水安全,實現調水區域的生態安全和可持續發展至關重要。

目前,我國學者從不同視角對南水北調工程水源區生態安全進行了研究,如水源區水質評價[19-20]、景觀格局變化特征分析[21]、生態安全評價[22-23]、生態補償標準制定[24-26]等。盡管已有研究應用“壓力-狀態-響應”(Pressure-State-Response,PSR)模型對丹江口庫區和南陽市生態安全進行評價[27-28],但僅選用統計數據對區域(行政區)尺度生態安全狀況進行評估,并沒有考慮土地利用類型、植被覆蓋度等空間數據,評價結果難以準確反映水源區生態安全空間分布特征及鄰近空間對其影響的關系。

因此,本研究以南水北調中線工程水源地南陽市為例,構建了基于PSR框架的生態安全評價指標體系,結合統計數據和遙感數據,對2000、2010、2015年南陽市、丹江口匯水區、干渠緩沖區生態安全時空變化特征進行分析,并進一步分析了南陽市生態安全變化驅動因素,最后提出相應的對策和建議。本研究能夠有效識別南陽市生態安全水平較低的區域,厘清影響其生態安全的主要因素,為政府管理部門精準實施生態工程提供決策依據,對于保障南水北調中線工程高效安全運行和周邊區域用水安全具有重要意義。

1 研究區概況

南陽市是南水北調中線工程水源地和渠首所在地,位于河南省西南部(東經110°58′—113°49′,北緯32°17′—33°48′,圖1),市轄1市2區10縣,總面積約為2.65萬km2。南陽市東西北三面環山,南部為南陽盆地,地貌類型復雜多樣,地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶,屬典型的季風大陸半濕潤氣候,四季分明。市內水系發達,分屬漢水流域、淮河流域、黃河流域。南水北調工程水源丹江口水庫位于淅川縣,工程干渠由市域西南部向東北部延伸,貫穿南陽市。2018年末,全市GDP達到3566.77億元,年末總人口為1198.07萬人,城鎮化率達到46.23%。

圖1 研究區域位置Fig.1 Location of the study area

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本研究主要涉及四種數據類型。生態系統類型數據來源于生態系統十年評估研究成果(http://www.ecosystem.csdb.cn/),包括林地、灌叢、草地、水域及濕地、耕地、城鎮用地和未利用地7類用地類型,空間分辨率為30 m。數字高程模型(DEM)來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的美國地質調查局(U.S.Geological Survey,USGS)SRTM數據,空間分辨率30 m,用于計算地形位指數。NDVI數據來源于美國地質調查局官網(https://lpdaac.usgs.gov)空間分辨率250 m,用于計算植被覆蓋度指數[29]。統計數據來源于南陽市統計年鑒(2001年、2011年、2016年)以及河南省水資源公報(2000年、2010年、2015年),并使用ArcGIS軟件實現柵格化。空間數據坐標系統投影為China_Lambert_Conformal_Conic,數據重采樣后分辨率均為30 m×30 m。

2.2 生態安全評價指標體系構建

本研究結合水源區生態系統自身特點,遵循數據可靠性、易獲取性、科學代表性、系統完整性、指標多樣性與層次性等原則,構建了基于PSR框架的南陽市生態安全評價指標體系,包含1個目標層、3個準則層、16個指標層。生態壓力指標主要用于反映人類生產生活活動對生態系統產生的干擾和破壞[30-31],生態狀態指標主要用于反映土地利用強度和生態環境質量狀況,生態響應指標主要用于反映針對生態問題的管理政策和治理措施,其中生態壓力和生態響應指標為統計數據、生態狀態指標為遙感數據。對要素指標進行標準化處理消除矢量單位的影響,然后采用層次分析法[32]結合文獻調查及專家打分確定指標權重,具體指標、指標含義及權重如表1所示。

表1 南陽市生態安全評價指標體系Table 1 The evaluation index system used to assess the ecological security of Nanyang City

2.3 生態安全指數

生態安全指數(ESI)反映了指標因子對生態安全的影響程度和生態環境抵御脅迫的能力,指數越高表明生態安全水平越高。本研究通過ArcGIS 10.2的Raster Calculator工具計算獲取2000—2015年南陽市生態安全指數。參考相關文獻[27-28,35-36],并結合研究區實際情況,將ESI分為5個安全等級:低度安全(0.00—40.00)、較低安全(40.00—50.00)、一般安全(50.00—60.00)、較高安全(60.00—80.00)、高度安全(80.00—100.00)。生態安全指數計算公式如下所示:

式中,ESI為南陽市生態安全評價指數,ESI為指標Ci標準化后的指標值,Wi為指標的權重值。

3 結果

3.1 南陽市生態安全水平時空變化

2000、2010、2015年南陽市生態安全指數平均值分別為48.88、49.76、50.60,整體處于上升趨勢；3個時期生態安全水平分別處于較低安全、較低安全、一般安全,生態安全狀況有所改善。從空間分布上看(圖2),2000、2010、2015年南陽市生態安全水平均呈現出西北高、東南低的趨勢,整體處于較低水平；同時在西峽縣、內鄉縣、桐柏縣等縣區內部也存在明顯區域差異。2000—2015年南陽市生態安全水平變化具有明顯的區域差異:西部地區ESI整體呈增加趨勢,其中西峽縣增幅較小,南陽市增幅明顯,超過10%；東部地區ESI整體呈減小趨勢,其中社旗縣減小幅度較大。

圖2 2000—2015年南陽市生態安全等級圖Fig.2 The distribution of ecological security degrees in Nanyang City from 2000 to 2015

統計結果顯示(圖3),2000年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為380、13590、11590,10、0 km2；2010年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為1280、9380、14860、40、0 km2；2015年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為270、9920、15250,130、0 km2,3個時期生態安全水平整體較低,有待進一步改善。2000—2015年南陽市較低安全水平面積明顯減少(27.01%),一般安全水平面積明顯增加(31.58%),較高安全水平面積也呈現一定的增加趨勢。

圖3 南陽市生態安全等級面積分布Fig.3 Area distribution of ESI levels in Nanyang City

2000—2015年南陽市各行政單元生態安全水平具有明顯的區域差異(圖4),ESI均值從大到小依次為淅川縣>方城縣>南召縣>市轄區>西峽縣>內鄉縣>桐柏縣>社旗縣>鄧州市>鎮坪縣>唐河縣>新野縣,其中生態安全水平處于一般安全的縣區有6個,處于較低安全的縣區有6個,研究時段內均未出現生態安全等級為高度安全、較高安全和低度安全的縣區,生態安全水平為一般安全的縣區數量有所增加。2000—2015年南陽市淅川縣、內鄉縣、鄧州市3個南水北調水源區以及南陽市轄區生態安全水平明顯提高,社旗縣生態安全水平呈降低趨勢,而唐河縣和新野縣在2010年出現一個明顯的轉折。

圖4 2000—2015年南陽市各行政單元平均生態安全指數Fig.4 Average ESI value of each administrative region unit in Nanyang City from 2000 to 2015

3.2 丹江口水庫匯水區及干渠周邊生態安全水平時空變化

2000、2010、2015年丹江口水庫匯水區生態安全指數均值分別為51.52、52.80、53.70,整體處于上升趨勢,生態安全水平有所提升。空間上(圖5),丹江口水庫匯水區生態安全水平整體呈現出南部高、北部低的趨勢,具有明顯的區域差異,特別是2000年北部地區大部分區域處于較低安全水平。2000—2015年丹江口水庫匯水區生態安全水平整體均呈現明顯的增加趨勢,北部地區較低安全水平面積大幅度減少,南部地區逐漸出現較高安全水平面積分布。

圖5 南陽市丹江口水庫匯水區生態安全等級分布圖Fig.5 The distribution of ecological security degrees of Danjiangkou Reservoir catchment area

為了進一步分析南水北調工程干渠生態安全狀況,本研究以干渠兩側3 km為緩沖半徑,提取得到南水北調干渠緩周邊生態安全狀況(圖6)。2000、2010、2015年南水北調工程干渠緩沖區生態安全指數均值分別為47.98、49.57、51.02,整體處于上升趨勢。南水北調工程干渠下游生態安全水平明顯高于上游區域。

圖6 南陽市南水北調中線工程水渠周邊生態安全等級分布圖Fig.6 The distribution of ecological security degrees within a 3 km buffer zone for the channel of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project in Nanyang City

3.3 南陽市生態安全影響因素

生態壓力指數、生態狀態指數、生態響應指數對2000—2015年南陽市生態安全指數貢獻度增加量存在明顯差異,生態相應指數的變化幅度最大,生態狀態指數變化幅度最小。如圖7所示,生態壓力指數對生態安全指數的貢獻度增加量均為負值,貢獻度明顯減少,其中市轄區、鄧州市、新野縣、社旗縣的貢獻度增加量低于-10%；生態狀態指數對生態安全指數的貢獻度增加量有正有負,以負值為主,但變化幅度整體相對較小,其中市轄區的貢獻度增加量低于-10%；而生態響應指數對生態安全指數的貢獻度增加量均為正值,且變化幅度均相對較大,其中市轄區、鄧州市、西峽縣、新野縣、南召縣、內鄉縣的貢獻度增加量大于10%,僅有唐河縣的貢獻度增加量小于5%。

圖7 南陽市各區縣生態壓力、狀態、響應指數貢獻度增加量 Fig.7 The contribution increases of ecological pressure, state and response index in Nanyang city

根據Pearson相關分析結果(表2),不同時期南陽市生態安全水平影響因素存在差異,且生態安全水平與生態狀態指標的相關性整體較高,與生態響應指標的相關性較低。2000年,南陽市生態安全水平與人口密度、單位面積化肥施用量、生態彈性度、均勻度指數四個指標顯著相關；2010年,南陽市生態安全水平與單位面積化肥施用量、生態彈性度、多樣性指數、均勻度指數四個指標顯著相關；2015年,南陽市生態安全水平與多樣性指數、均勻度指數兩個指標顯著相關；2000—2015年生態安全水平與生態響應指標之間不存在顯著相關關系。

表2 南陽市生態安全指數與影響因素相關分析結果Table 2 Correlation analysis results of ESI and influencing factors in Nanyang City

4 討論

南陽市各地區生態環境條件、社會發展水平存在差異,導致區域內生態安全水平時空差異明顯。空間上,南陽市西北部地區以林地、草地、灌叢等生態用地為主,同時還是丹江口水庫匯水區所在地,生態質量高,生態壓力小,因此生態安全水平相對較高；而在東南部地區以耕地、建設用地等人類活動強度較大的用地類型為主,生態干擾大,生態環境質量相對較低,因此生態安全水平處于較低水平。時間上,隨著人們生態環境保護意識的增強,人為造成的生態環境破壞問題得到緩解,生態環境壓力不斷減小,生態環境狀態持續改善,加上退耕還林、污染治理、生態恢復的重要措施的大力實施,使得區域內生態安全水平得到明顯改善和提高。南陽市市轄區城鎮用地的擴張給區域內生態環境造成巨大壓力,但是市轄區經濟發展水平高,科技投入、環保技術水平高,很大程度上彌補甚至超過了生態壓力對生態安全水平的貢獻度。

南陽市生態安全水平整體上得到了持續改善,但仍然處于相對較低的水平,2000、2010、2015年區域內生態安全等級主要為較低安全和一般安全,較高安全水平以上的面積均低于1%,因此還有很大的提升空間。尤其是在東南部地區的唐河、社旗、新野、鎮坪等農業種植區,要嚴格控制農藥化肥施用量,倡導使用有機肥,同時加強點源、面源污染治理力度,防治生態環境污染；同時加強農田道路兩旁生態廊道體系建設和河渠兩邊生態環境保護,提高景觀多樣性,改善景觀破碎化；合理控制城鎮無序擴張,加強城市生態空間管理,對于城市綠地的數量、質量、空間布局進行合理規劃,全面提升城市生態系統服務功能。而在西北部的淅川、西峽、內鄉、南召等縣區,基于良好的生態環境本底,繼續強化森林植被保護和撫育,提升植被覆蓋度；加強丹江口水庫匯水區以及南水北調工程沿線生態保護與修復,保障南水北調工程供水安全,全面提升南陽市生態安全水平。

本研究從宏觀角度對南水北調工程實施前和通水后,南陽市各區縣、丹江口匯水區和干渠周邊生態安全水平進行了分析。不僅需要社會、經濟數據等作為生態響應數據,還需要能夠反映自然生態系統狀態的空間數據。與常規的僅用統計數據構建綜合指標體系的方法相比,我們的研究結合了植被覆蓋度、地形位指數等空間柵格數據,并將評價結果落實到空間柵格上,不僅不能夠顯示南陽市不同縣區之間的差異,也能夠顯示出各個縣區內部的區域差異,具有良好的可視化效果和實用性。

需要指出的是,為了便于在時間維度上進行生態安全水平的比較,本研究將2000年、2010年和2015年3期指標值進行統一標準化。數據標準化是相關研究中的基本問題,但針對不同時期開展評價時,目前尚無文獻明確說明其標準化是每個時期單獨進行還是把不同時期的數據合在一起進行。本研究認為,將2000年、2010年和2015年3期指標值進行統一標準化是合理的,這樣得到的不同時期的結果可以進行比較。例如,假設某指標兩個時期的指標值分別在[10,20]和[80,90]上均勻分布,若將每一時期的數據單獨標準化,標準化后兩個時期的指標值一樣,而兩者的實際情況卻相距甚遠,因此每個時期單獨標準化不宜進行時間維度上的比較。

5 結論

2000—2015年南陽市生態安全水平持續改善,且呈現出東南低、西北高的趨勢,這與區域內生態環境狀況變化、生態工程建設力度、快速城鎮化等多種自然和人為因素密切相關。隨著人們生態環境保護意識的不斷增強,生態保護措施實施力度不斷加大,生態壓力對南陽市生態安全水平的貢獻程度被生態響應的貢獻度所替代,促使生態安全狀況不斷向好。為了進一步提升區域生態安全水平,南陽市需要繼續加強生態環境保護與治理力度,全面改善生態環境質量。

本研究基于柵格單元進行生態安全水平空間量化,能夠更加準確地反映南陽市生態安全水平的區域差異,有助于精準實施生態環境保護治理工程措施。此外,在開展不同時間的評價時,為了便于評價結果在時間維度上可比,應該將不同時間的指標值統一進行標準化。