基于灰色關聯理論的三峽庫區2015-2019年生態安全時空演變特征研究

楊光明, 桂青青, 陳 也, 羅 垚, 楊蕓瑞

(1.重慶理工大學 管理學院, 重慶 400054; 2.重慶理工大學 鄉村振興與區域高質量發展研究中心, 重慶 400054)

生態環境是人類賴以棲息的地方，但人們為了滿足自身物質財富和精神財富的需求，過度消耗有限資源，生態環境問題日益突出，喚醒了人類的環境意識，綠色運動和綠色消費席卷全球，由此可持續發展思想孕育而生。在將生態文明建設融入到經濟建設的過程中，要按照尊重自然、順應自然、保護自然的理念。人們需要樹立保護生態環境的觀念，實現人與自然和諧相處的局面，同時建立健全生態補償機制，堅持“誰受益，誰買單”的原則，保護生態環境。隨著工業化以及城市化的發展、水資源污染、土地資源的開發、人口規模的不斷擴大，生態系統承受著巨大的壓力，同時存在許多潛在的威脅。因此需要探討人類活動于生態系統之間的關聯，對于改善生態環境，提高人類生活水平具有重大意義[1]。

生態安全問題一直受到各方的重視，學者們紛紛從各種角度，針對各項指標進行探討。以各種生態系統為對象，探討不同尺度下的生態安全評價。從不同的研究層面出發，采用各種模型、評價方法、研究工具對生態安全系統展開研究。國外學者主要將研究重點集中于生態安全評價模型的構建。1990年聯合國環境規劃署與經濟合作與發展組織提出PSR模型，在PSR的基礎上國外學者和相關組織又陸續提出“驅動力—狀態—響應(DSR)”模型、“驅動力—壓力—狀態—暴露—響應(DPSEA)”模型、“驅動力—壓力—狀態—響應—影響(DPSIR)”模型。當前國內研究中常用的方法有景觀生態學模型法[2]、3S技術[3]、數學模型法等[4-5]。也有學者運用GIS和GS技術[6-7]，結合改進的“TOPSIS”模型[8-9]對于土地生態安全進行深入的研究。目前眾多學者使用GIS技術[10-12]、TOPSIS模型[13]、PSR模型[14]、DPSIR模型等[15]以三峽庫區或者庫區內某區縣為研究對象對于三峽庫區的水生態安全[16]、土地生態安全[12]、森林生態系統[17]以及耕地質量等進行研究。但是，目前對于三峽庫區整個生態系統的研究不多，并沒有學者使用灰色關聯法對三峽庫區的生態安全進行研究。

本文選用生態安全研究方法中的灰色關聯度法，基于PSR模型，構建3個層次，19個指標的三峽庫區生態安全評價指標，使用熵值法和層次分析法的平均值對各指標賦值，結合灰色關聯度法對三峽庫區生態安全進行關聯度分析，探索要素與系統之間的關聯程度，辨識各個指標對生態系統的影響程度。

1 研究區概況

三峽庫區是指受長江三峽工程淹沒的地區，并有移民任務的20個縣(市)。它包含了長江流域因三峽水電站的修建而被淹沒的湖北省宜昌市所轄的秭歸縣、興山縣、夷陵區，恩施州所轄的巴東縣；重慶市所轄的巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、巴南區、渝北區、江津區及重慶核心城區。庫區地處四川盆地與長江中下游平原的結合部，跨越鄂中山區峽谷及川東嶺谷地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原。為建設三峽工程，中國政府進行了三峽大移民。

三峽工程是世界上最大的水利水電工程，也是歷史上規模最大的移民工程，目前對三峽庫區的自然、生態和生存環境造成了重大的影響。近年來，庫區不斷加強環境保護和生態文明建設，積極開展生態綜合治理工程，但是，庫區的生態環境仍存在很大的問題，庫區總人口3 000多，其中移民人數不少于1.20×106人，三峽水庫的淹沒造成庫區土地資源的較少，增大了人口對土地的壓力。三峽庫區的耕地資源以旱坡地為主且質量差，庫區78.70%的坡耕地土壤為紫色土，具有易風化易侵蝕等特點，因而肥力下降，因此需要增大化肥農藥等的使用。三峽庫區水污染嚴重，整個三峽庫區城市江段中，水質受污水影響的江段總長為28.97 km，生活垃圾量大，大量污染物匯入江河，造成三峽嚴重的水污染；由于多年來的破壞性墾荒，鄉鎮企業的無序發展以及新城區的開發建設，使得森林覆蓋率低，城市人均綠地少，但通過推進長江生態環境保護項目，植樹造林等措施，截止2018年，森林覆蓋率達到50.2%。三峽工程對于中國加快經濟建設以及提高綜合實力具有重要的意義，另一方面三峽工程對三峽庫區以及長江流域的生態環境產生了巨大影響。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

系統的數據來源于 2015—2017年的《重慶市統計年鑒》《湖北省統計年鑒》、重慶市和湖北省國民經濟和社會發展統計公報、重慶市和湖北省旅游統計公報以及重慶市和湖北省環境質量公報。

2.2 研究框架-PSR模型

PSR(pressure-state-response)，即壓力，狀態，響應。PSR模型在環境質量評價中是一種很常用的模型，PSR模型體現了人類活動與生態環境之間的相互作用。由于三峽庫區人類活動造成的污染，引起各種環境指標下降，隨著環境質量下降，大自然給予人類活動的資源逐漸減少從而影響人類經濟活動和福利，有關部門針對環境狀況作出響應，如此構成了三峽庫區的“壓力—狀態—響應”循環(圖1)[18]。

圖1 基于PSR模型生態安全分析框架

在該框架體系中，對于人類活動的壓力指標造成的狀態指標的變化，生態系統服務管理部門則通過響應采取措施緩解壓力，因此構成了壓力—狀態—響應多因素對生態系統破壞、治理、恢復及反饋的全過程。其中，壓力指標表征人類各種經濟活動對環境狀態的作用，如發展經濟、資源開發、交通運輸等對環境的破壞；狀態指標表征的是一定時間內的環境狀態、環境變化情況，包括生態系統的現狀，人類健康與生活質量；響應指標表征社會、政府和個人采取行動來解決、減輕、避免和預防人類活動帶來的負面影響。通過構建人與自然相互作用模型進行生態安全評價，即人們通過發展經濟，開發資源來促進國家經濟發展，進而提高自己的生活水平，因此生態系統需要承擔由于人類各種經濟活動帶來的壓力，政府對于環境狀態發出的預警進行環境治理，環境狀態得到恢復后將繼續為人類的活動提供資源。

2.3 指標體系構建

為了真實而又全面的反映三峽庫區生態安全，筆者本著科學、實用以及數據準確性與可收集性原則，從生態系統中選取3個方面(壓力、狀態、響應)共19個指標(X1—X19)(表1)。在壓力方面，從人口壓力入手選取指標常用人口密度(X1)、社會撫養比(X2)、人口自然增長率(X3)；從環境壓力入手選取指標未利用土地面積比例(X4)、城鎮工礦用地面積比例(X5)。在狀態方面，環境狀態中選取指標單位土地面積化肥施用量(X6)、單位土地面積農藥施用量(X7)、單位耕地面積化肥施用量(X8)、人均污水排放量(X9)、人均生活垃圾處置量(X10)、植被減少表土損失量(X11)、植被年固碳價值量(X12)；資源狀態中選取指標物種豐富指數(X13)、生態服務指數(X14)。在響應方面，政策響應中選取指標環保投資比(X15)；社會響應中選取指標污水處理率(X16)、生活垃圾處理率(X17)、森林覆蓋率(X18)、建成區綠化覆蓋率(X19)。

表1 三峽庫區生態安全系統指標體系

(1) 壓力因子。壓力源于社會經濟發展對資源環境的脅迫與影響，其中，常住人口密度表示對生態環境造成的人口壓力；社會撫養比和人口自然增長率表示人口增長和非勞動人口對于生態環境的正效應；城鎮工礦用地表征城市化與工業化驅動帶來的生態安全系統的壓力；未利用土地面積無疑有益于生態系統的保護。

(2) 狀態因子。狀態表征生態環境的現實狀態，其中，單位土地面積化肥、農藥施用量以及單位耕地面積化肥施用量表示土地的開發利用對生態系統污染狀態；人均污水排放量表征水資源消耗狀態；人均生活垃圾處理量表示人類活動對土地的污染、占用狀態；植被減少表土損失量表征生態環境系統土地流失狀態；植被年固碳價值量表征生態系統氣候調節等功能的狀態；物種豐富指數衡量生態系統持物功能狀態；生態服務指數表征生態系統提供所有惠益。

(3) 響應因子。響應則體現對生態環境狀態的應對水平，其中，環保投資比和生活垃圾處理率衡量環境治理響應；污水處理率衡量節約資源控制污染響應；森林覆蓋率表示地理環境治理響應；建成區綠化覆蓋率表示城市建成區的綠化對恢復、改善生態環境的所采取的行動。

(4) 指標權重的確定。權重反映的是各個指標在指標體系中的重要程度，從整體目標的優化出發進行合理地權重分配，反映各個指標的重要程度。本研究基于客觀賦權法的熵值法[19]和層次分析法[20]，從而形成最后的指標綜合權重。其中，熵值法自被提出以來，被廣泛應用于許多領域的評價。熵值法在確定索引權重時有以下優點:①結果更直觀、更易于理解，方法更實用；②避免主觀因素的干擾，具有較強的客觀性；③熵權法不限指標數量，具有廣泛的應用。由于熵值法較為成熟，本文對于具體計算步驟不做贅述。

層次分析法具有以下優點:①它將定性和定量方法結合起來，使人們的思維過程具有數學和系統性，便于人們接受；②AHP各級因子對結果的影響是定量的，非常明確；③基于評價者對評價本質和要素的理解，與一般的定量方法相比，更重視質的分析和判斷。為了使權重更合理，本文將取AHP的權值和熵權值的平均值作為綜合權重值(表1)。

基于綜合權重所得不同指標的權重，建立生態安全系統綜合評價函數：利用加權法計算第i年的生態安全情況。

(1)

式中：f(x)是生態安全系統綜合評價指數;xij是生態安全第i年第j個指標的無量綱值；得出的數值結果越大，表明生態安全的質量越好，反之則越差。

2.4 空間探索性研究方法(ESDA)

ESDA是探索研究區各指標的空間分布格局與相互作用機理的一種空間分析方法，主要分為全局自相關與局部自相關兩種。其中用全局自相關(Moran’sI)探索三峽庫區生態安全發展水平的整體關聯特征，用局部自相關(LISA指數)探究三峽庫區生態安全研究單元與相鄰區縣之間的關聯特征。

2.5 灰色關聯分析

灰色關聯分析法是測量由指標和系統之間隨著時間或對象變化的因素之間的相關性。其基本原理通過對一般動態過程發展趨勢的定量分析，以及統計有序列幾何關系的比較，以區分系統密度程度各種因素之間的緊密程度。在系統的發展過程中，如果兩個要素的變化趨勢是一致的，可以說這兩個要素之間的相關性是非常高的；反之，則較低。由于該方法不過分要求樣本的數量，易于操作，在研究領域廣泛用于醫學、畜牧、航空航天和其他主要用途。本研究運用其對三峽庫區生態安全影響因素進行分析，具有一定的準確性和科學性，通過灰色關聯系數和關聯度的公式[21]分別計算出各個指標與三峽庫區生態安全之間的灰色關聯度。

本文根據研究區域近年的生態環境狀況，在參考鄭華偉等[22]、孟展等[23]的研究基礎上，本文將灰色關聯度的取值范圍確定在0～1之間，并劃分為5個等級(表2)。若灰色關聯度的值越趨近于1說明關聯性越大，耦合作用也越強。

表2 灰色關聯度的類型及等級劃分

3 三峽庫區生態安全關聯度、PSR測算分析

3.1 PSR測算分析

運用PSR模型對三峽庫區環境的壓力、狀態、響應指標進行測算分析得出研究區內各區縣生態安全綜合評價指數(表3)。

研究期內三峽庫區生態安全綜合得分均值從2015年的0.369 7增加到2019年的0.383 1，年均增加0.003 4。三峽庫區生態安全水平總體呈穩步上升趨勢。由此可知，三峽庫區在城市化工業化等高強度土地利用經濟活動中對生態環境造成的威脅，但隨著生態文明建設的不斷推進，總體的生態環境保護水平在逐漸提升優化。從各個地區來看，涪陵區、主城區、長壽區、武隆縣、云陽縣、奉節縣、巫山縣、江津市、巴東的生態安全評價指數呈上升趨勢；而萬州區、豐都縣、忠縣、開縣、巫溪縣、石柱、興山、秭歸縣、夷陵區的生態安全評價指數略有下降，這說明城市之間沒有實現均衡發展。在各區縣中，主城區、巫山縣、奉節縣的生態安全綜合得分較高，可見經濟發展與生態環境關系密切。

表3 2015-2019年三峽庫區生態安全綜合評價指數

3.2 生態安全綜合得分的空間分布差異

為了更直觀的表現三峽庫區不同區縣的生態安全綜合得分的空間分布差異，進一步用 ArcGIS 10.0軟件對2016—2019年的PSR測算值做可視化處理，把PSR值按照自然斷點法分為4個區間(圖2)，便于比較同一時間不同區縣的發展情況。

圖2 2016-2019年三峽庫區PSR空間分布特征

2016—2019年，三峽庫區生態安全綜合得分整體呈現上升趨勢，且不同區縣之間的差距有減小的趨勢。三峽庫區生態安全綜合得分空間分布格局有所變化，2017年之后生態安全綜合得分高值區較為集中于重慶主城區及其周圍；奉節縣和巫山縣的生態安全綜合得分高于同一時間的其他區縣；生態安全綜合得分的低值區集中分布于興山、秭歸、夷陵等區縣。這與各區縣的經濟發展水平較為一致，重慶主城區經濟發展水平高，近年來武隆、奉節、巫山等縣旅游經濟顯著增長，帶動了地區經濟快速增長。由此可見，經濟發展水平與生態安全存在密切關系，經濟發展水平較高的地區人力、生態文明、環保等方面能力較強，生態環境保護力度強。

3.3 全局空間自相關性分析

為了進一步探索三峽庫區各區縣生態安全演變規律，本文用空間自相關性模型深入探討三峽庫區各區縣之間的關聯性，深化有關三峽庫區的生態文明發展的研究。空間相關性是根據要素位置和屬性值使用 Global Moran’sI統計量測量得出。空間自相關性意味著同一分布區域中某些變量的潛在相互依存性。本文將三峽庫區的相關指標進行測量分析得到如表4所示結果。

表4 2015-2019年三峽庫區空間相關性測量值

由表4可以看出，統計指標p值都小于0.05，在95%置信區間上接受原假設，通過了檢驗，表明Moran’sI指數是顯著的，即三峽庫區各區縣生態安全存在明顯的正向空間相關性。說明各個指標之間存在較強的相關性，三峽庫區各區縣的PSR存在明顯的空間自相關性，2015—2019年的Moran’sI大于0，且逐漸增大，說明空間自相關性逐年增強。方差較小，說明數據波動較小，穩定性較高。

3.4 局部空間自相關性分析

局部空間自相關性指數可以進一步判斷三峽庫區生態安全空間集聚的明顯態勢，以及各區縣之間的關聯程度。因此本文計算了2016—2019年三峽庫區各區縣生態安全綜合評價指數的局部空間關聯指數，并借助ArcGIS 10.0軟件將結果空間化處理，得到三峽庫區各區縣生態安全綜合評價指數的LISA圖(圖3)。

圖3 2016-2019年三峽庫區PSR指數的集聚

從表4和圖3可以看出三峽庫區PSR指數的集聚情況。

(1) H-H集聚區2016年有5個，分別是九龍坡區、渝中區、江北區、南岸區以及渝北區，2017，2018，2019年各有4個，減少了渝北區，這些區縣的PSR明顯高于其周圍區縣，是區域PSR的增長極。總的來說PSR指數發展較好的均集中于重慶主城區，同時這些區縣的經濟發展狀況較其他區縣而言較好，這體現生態安全發展與經濟水平發展保持一致。

(2) H-L集聚區無，巫山縣內PSR指數高，但周圍區縣PSR指數略低，2016年后由于巫山縣的帶動輻射作用，使周圍區縣的PSR增加，縮短了與周圍區縣的差距。因后便不存在H-L。

(3) L-H集聚區2016年有1個，為九龍坡區，表明九龍坡區自身PSR指數較低，但周圍區縣的PSR指數較高；2017—2019年L-H集聚區有兩個，分別是九龍坡和渝北區。①九龍坡區和渝北區的PSR指數相較主城區的其他區縣偏低； ②主城區的沙坪壩區、渝中區、南岸區等對九龍坡和渝北區的帶動輻射能力有限，未來應加強區縣之間的合作。

(4) L-L集聚區2016—2019年有3個，分別是興山縣、秭歸縣、夷陵縣。這些區縣集聚于三峽庫區邊緣，且遠離主城，PSR指數自然偏低。

3.5 關聯度解剖

基于灰色關聯度公式得出了2015—2019年三峽庫區各地區的生態安全系統的灰色關聯度(表5)。通過比較各指標的大小，辨識各個指標對生態系統的影響程度。

本研究主要運用灰色關聯模型對三峽庫區2015—2019年這5 年間生態安全的影響因素進行分析，通過分析各要素與生態安全之間的關聯程度，從而判斷各指標的優劣，為三峽庫區今后生態安全發展制定政策提供一定的借鑒以及參考。由表5可知，各指標的灰色關聯度均值均大于0.4。因此，本文選取的數據指標具有可靠性，對三峽庫區的生態安全發展影響顯著。

在壓力因子中，社會撫養比、人口自然增長率是影響三峽庫區生態安全的主要影響因素，也就意味著近年來三峽庫區的生態安全狀況與社會撫養比和人口自然增長率有著密切關系，也就是說生態安全的主要壓力來源于人口。已有研究發現三峽庫區存在嚴重超載現象，而且具有進一步加強的趨勢。雖然庫區的人口承載力逐年加強，但仍然無法應對人口增長。近年來庫區的GDP增長較快，但對勞動力吸附能力并沒有顯著的提高，社會經濟發展仍需進一步改善。同時，結果顯示未利用土地與生態安全系統的灰色關聯度較低，這說明未利用土地不是影響三峽庫區生態安全的主要影響因素，這是由于未利用地占三峽庫區總面積的比例最小，只占整個庫區的0.05%，盡管在總量上有一定增幅，但是變化不明顯。在狀態因子中，單位土地面積農藥施用量、植被減少表土損失量以及生態服務指數與生態安全系統的灰色關聯程度均大于0.8，說明這些因子是當地生態環境改善的關鍵影響因素。表征人類的經濟活動對于生態環境的影響主要表現在土地方面。三峽庫區用地類型以林地與耕地為主，在研究年限內，水域、建設用地都以不同程度的變化速度增加，草地、耕地、林地以及未利用土地以不同程度的變化速度減少，林地的占地面積大，因此由于植被減少造成的水土流失對三峽庫區生態影響較大。在響應因子中，環保投資比、森林覆蓋率與生態安全系統的灰色關聯度均高于0.7，這表示隨著這兩個指標的增大，生態環境能相應作出反應，從而使得生態環境系統得到改善。到2018年，三峽庫區的森林覆蓋率達到50.20%，伴隨著森林生態系統服務作用的日益突出，在三峽庫區各區縣相繼實施長江防護林體系建設工程、退耕還林和天然林保護等一系列林業重點政策，因此研究期內森林面積仍在不斷增加。從總體來看，2015—2017年三峽庫區生態安全與各個指標的灰色關聯度的均值呈現遞增的狀態，平均年增量0.136 1，表示系統與要素之間的關聯性逐漸增大；2017—2019年的灰色關聯度的均值呈現遞減的狀態，平均年減量0.125 7，表示系統與要素之間的關聯性逐漸減小。

表5 2015-2019年三峽庫區生態安全與各個指標的灰色關聯度

4 結論與建議

4.1 結 論

本文構建了3個指標體系，即是壓力、狀態、響應共同構成了三峽庫區的生態安全發展體系。并給予灰色系統理論對各指標數據進行分析，得到以下結論。

(1) 通過建立的三峽庫區運行狀況綜合評價指標體系，表明該指標體系能較好地反映三峽庫區運行狀況的主要影響因素和庫區整體發展趨勢，通過權重賦值的大小以體現指標對于運行狀況影響程度的差異，所建立的三峽庫區運行狀況綜合評價指標體系具有一定的通用性。

(2) 近年來三峽庫區生態安全綜合評價指數呈現不斷提高的狀態，因此可以看出隨著三峽庫區單位土地面積農藥施用量、植被減少表土損失量的減少以及生態服務指數的增大，使得三峽庫區生態安全狀況有所提升。三峽庫區PSR指數集聚特征隨時間變化并不明顯，H-H集聚區主要集中于主城區，符合經濟發展一般規律；L-L集聚區主要集中于邊緣地區的夷陵、秭歸等區縣；L-H和H-L集聚區主要集中分布與L-L以及H-H集聚區的周邊區縣。

(3) 基于灰色關聯理論對樣本數據進行了深入的挖掘，應用熵值法和層次分析法分別確定各指標的客觀權重和主觀權重，并用加權綜合的方法確定出各指標的綜合權重值。既保留了三峽庫區原始數據所反映的客觀信息，又很好考慮到決策者的主觀意愿，保證得出的各指標權重值與實際重要程度相符合，并且給出了合理解釋。因此該模型對于三峽庫區生態安全研究具有一定意義。

4.2 建 議

三峽庫區的可持續發展的關鍵在于保護生態環境提高自然的承受能力以及抗壓能力。三峽庫區的生態環境的狀況關系到三峽工程的效益的發揮，直接影響到整個長江上游的經濟的發展以及中下游的農林灌溉、城市用水和南水北調工程。根據庫區生態發展現狀，需要協調好經濟與生態之間的關系，因此根據本次研究提出以下建議。

(1) 從影響三峽庫區生態安全的重要因子入手，從而解決庫區面臨的主要問題。例如挖掘土地存量，保護未利用土地。①需要對于城鎮建設用地進行有效控制，合理用地對于生態環境保護與經濟發展不協調問題、保護生態環境有積極作用；②提高土地的利用率，向存量土地要空間，充分挖掘存量土地的空間價值；加快構建森林體系，堅持增量擴大和存量優化并重。這對于涵養水源，減少水土流失；維護生物特性，保護物種多樣；凈化自然空氣，恢復生態環境具有重大意義；政府應增加環保投資、加大監管力度、落實生態問責制度。

(2) 建立生態補償機制，促進各地區均衡發展。鑒于三峽庫區各縣區之間發展的不平衡問題，需要建立生態補償機制。生態補償機制的目的是保護生態環境，促進人類與自然的和諧。主要以保護地區生態系統和防止環境破壞行為為目的，有激勵效果。生態補償機制是基于“受益者付費破壞者付費”原則的環境經濟政策。該機制對于三峽庫區各區縣生態安全評價指數有改進作用。

(3) 加強庫區各區縣之間交流合作，發揮高PSR指數區域的帶動輻射作用。開展長效合作，定期在重慶主城區與周邊區縣開展對話，提高周邊區縣PSR指數；在不均衡區縣之間建設關聯通道，夯實區域合作基礎；推動旅游產業發展，帶動周邊區縣旅游業，在改善生態環境的同時促進經濟發展。