岳陽(yáng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究

謝 婷，楊曉容，彭發(fā)明

(1.湖南省第二測(cè)繪院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南師范大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引言

生態(tài)安全被認(rèn)為是國(guó)家穩(wěn)定、社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)繁榮、民生改善最為基礎(chǔ)和最為牢固的構(gòu)成要素[1]。在美麗中國(guó)、新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、生態(tài)文明建設(shè)的宏觀背景下，人們對(duì)美好生活環(huán)境的需求日益增加，把握好區(qū)域生態(tài)質(zhì)量并構(gòu)建出底線式的生態(tài)系統(tǒng)宏觀管理機(jī)制，對(duì)構(gòu)建國(guó)土空間規(guī)劃體系和優(yōu)化國(guó)土空間布局具有重要的意義[2]。長(zhǎng)久以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，不合理的土地利用方式損害了區(qū)域的生態(tài)健康，生態(tài)退化風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾日益突出，為轉(zhuǎn)變生態(tài)弱化的趨勢(shì)，黨的“十八大”提出將生態(tài)安全納入到國(guó)家總體安全政策層面，并規(guī)劃實(shí)施了生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程，以建立生態(tài)安全屏障區(qū)的方式，明確國(guó)家宏觀空間保護(hù)格局。在此背景下，建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)識(shí)別區(qū)域生態(tài)安全狀況，有利于細(xì)化生態(tài)保護(hù)修復(fù)宏觀格局，并制定相應(yīng)的管控措施，以促進(jìn)人類活動(dòng)與自然環(huán)境的互饋共生[3]。

生態(tài)安全作為一種自然與半自然的復(fù)合概念，往往是從人類生產(chǎn)生活與健康方面不受生態(tài)破壞與損失的角度進(jìn)行界定的。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了多層次生態(tài)安全評(píng)價(jià)及格局構(gòu)建、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的完善以及評(píng)價(jià)方法的創(chuàng)新等不同方面研究[4～6]，在生態(tài)安全評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)健康與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)使生態(tài)格局在空間尺度得到了有效銜接[7]。從實(shí)證研究采用的方法上看，綜合評(píng)價(jià)法、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值法和物元分析法得到了廣泛應(yīng)用[8～11]；從評(píng)價(jià)模型的選取上，由DPSIR理論衍生出PSR模型規(guī)整化了指標(biāo)的建立，并對(duì)指標(biāo)安全閾值的劃分展開(kāi)了討論。生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究作為生態(tài)學(xué)學(xué)科圖譜的重要支系，多學(xué)科融合、多層次匯聚，多體系延展是該領(lǐng)域研究的新方向[12]，而在內(nèi)容外延的轉(zhuǎn)化上，學(xué)者也做出了不同嘗試，部分學(xué)者將生態(tài)安全評(píng)價(jià)與分區(qū)相結(jié)合，但研究機(jī)理較為粗糙，對(duì)生態(tài)保護(hù)修復(fù)指導(dǎo)意義不強(qiáng)，缺乏一定的過(guò)渡和銜接[13]，概念模型的建立也較多的局限于DPSIR理論，缺乏生態(tài)學(xué)核心思想的支撐。為擴(kuò)展現(xiàn)有生態(tài)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)分析體系，強(qiáng)化生態(tài)修復(fù)分區(qū)內(nèi)容的延展性，本文選取“山水林田湖草”要素齊全、生態(tài)問(wèn)題較為典型的岳陽(yáng)市為案例區(qū)，結(jié)合生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)建立生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為科學(xué)確定生態(tài)保護(hù)修復(fù)的空間范圍，制定生態(tài)空間管控措施并構(gòu)建國(guó)土空間規(guī)劃體系提供決策參考。

2 研究區(qū)概況

岳陽(yáng)市位于湖南省東北部，素稱“湘北門(mén)戶”。地處28°25′31.65″～29°51′6.23″N， 112°18′33.13″～114°09′11.64E, 岳陽(yáng)市下轄3個(gè)區(qū)(岳陽(yáng)樓區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū))、4個(gè)縣(岳陽(yáng)縣、華容縣、湘陰縣、平江縣)、代管2個(gè)縣級(jí)市(汨羅市、臨湘市), 土地總面積15087 km2,2019年末，全市常住人口577.13萬(wàn)人, 地區(qū)生產(chǎn)總值4001.55億元，總量居全省第2，比2018年增長(zhǎng)4.2%。隨著城市化的快速發(fā)展，岳陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境壓力不斷增大，養(yǎng)殖企業(yè)分布集中，污染較大，廢棄礦山整治任務(wù)艱巨，風(fēng)險(xiǎn)猶存，東洞庭湖生態(tài)修復(fù)效果有待評(píng)估，部分地區(qū)出現(xiàn)濕地減少、林草地退化等問(wèn)題。因此，面對(duì)區(qū)域凸顯的生態(tài)質(zhì)量問(wèn)題，亟待開(kāi)展生態(tài)修復(fù)分區(qū)管控研究。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理包括以下幾個(gè)方面：①以2019年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地等土地利用類型；②選取2020年5～9月份18副MODIS13遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)鑲嵌、裁剪、MRT批處理與柵格計(jì)算，取18期影像的平均值得到區(qū)域NDVI及NPP數(shù)據(jù)。③將所有數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣等操作轉(zhuǎn)換為1000 m×1000 m，并將水系、道路等矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和融合等操作，所有數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及說(shuō)明

3.2 指標(biāo)體系構(gòu)建及評(píng)估模型

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取遵循科學(xué)性、綜合性、代表性等原則，通過(guò)參考生態(tài)學(xué)中的“活力-組織力-恢復(fù)力-生態(tài)服務(wù)能力”邏輯框架，建立研究區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。依據(jù)確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建岳陽(yáng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)的突變模型。本文求解模型包括3級(jí)，第一級(jí)為目標(biāo)層A1-A3 的值，構(gòu)造為1個(gè)燕尾模型; 第二級(jí)為求解準(zhǔn)則層 B1-B6 的值，構(gòu)造為尖定突變模型; 第三級(jí)為求解指標(biāo)層C1-C14的值構(gòu)成的14個(gè)尖點(diǎn)、燕尾、蝴蝶模型，依次由下往上分層計(jì)算，最終得到總目標(biāo)層的運(yùn)算結(jié)果(表2)。

表2 生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

采用無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先構(gòu)建原始評(píng)價(jià)矩陣Rt=(Xij)mn, (Xij)mn由m個(gè)樣本和n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成，代表第i年第j個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，Max(Xij)和Min(Xij)分別表示為第i年(i= 1，2，…，n) 第j項(xiàng)指標(biāo)(j= 1，2，…，m) 的最大值和最小值; 式(1)、式(2)分別代表正向、負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式,利用Arcgis中phython模塊對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行編碼及歸一化處理，yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果。

(1)

(2)

4 結(jié)果分析

4.1 岳陽(yáng)市生態(tài)質(zhì)量與空間分布特征

通過(guò)評(píng)價(jià)分析，岳陽(yáng)市生態(tài)服務(wù)能力指數(shù)介于0.29～0.96之間(圖1)，區(qū)域生態(tài)服務(wù)能力總體良好，空間分布基本呈中部和西南部低、東北和南高的的分布趨勢(shì)。生態(tài)服務(wù)能力較高的區(qū)域主要集中在平江縣、臨湘市、岳陽(yáng)縣等，林地面積約占區(qū)域總面積30.7%；生態(tài)服務(wù)能力較差的區(qū)域集中于市區(qū)、華容縣、湘陰縣等，其中林地面積占比約為4.4%。因生態(tài)本底、城市化水平、生態(tài)管理措施的不同，岳陽(yáng)市生態(tài)服務(wù)能力具有一定的差異性，空間分異規(guī)律主要與森林覆蓋率的高低相關(guān)。而生態(tài)敏感層則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)(圖2)，平江縣、岳陽(yáng)縣西南部、湘陰縣東北部生態(tài)敏感指數(shù)較高，市區(qū)及縣域范圍內(nèi)交通較為發(fā)達(dá)、城市建設(shè)密集度較高的區(qū)域生態(tài)敏感指數(shù)較低，這主要是由于平江縣、岳陽(yáng)縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較佳，森林覆蓋率較高，且海拔較高，降雨侵蝕明顯；而城市空間范圍內(nèi)，由于建設(shè)用地以及路網(wǎng)的分割，生態(tài)破碎化比較嚴(yán)重，生態(tài)敏感程度較低。作為生態(tài)穩(wěn)定性的反映因素，生態(tài)組織結(jié)構(gòu)能較好的體現(xiàn)斑塊的現(xiàn)狀格局，岳陽(yáng)市生態(tài)組織結(jié)構(gòu)指數(shù)介于0.58～1之間(圖3)，表現(xiàn)為中間低、四周高的分布趨勢(shì)，按不同行政區(qū)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，其中云溪區(qū)生態(tài)組織結(jié)構(gòu)指數(shù)平均值最低，為0.924，指數(shù)平均值較高的區(qū)域包括平江縣、岳陽(yáng)縣、岳陽(yáng)樓區(qū)、君山區(qū)、華容縣等，主要介于0.95～0.97之間，說(shuō)明這幾個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境比較優(yōu)良、空間配置較為合理。

圖1 生態(tài)服務(wù)能力評(píng)價(jià)

圖2 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)

4.2 岳陽(yáng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)及修復(fù)分區(qū)

岳陽(yáng)市生態(tài)安全指數(shù)在0.76～0.98之間，區(qū)域生態(tài)安全水平數(shù)值較高(圖4)。生態(tài)系統(tǒng)安全空間分布呈東高西低的空間分布趨勢(shì)(圖4)，其中，生態(tài)安全水平較高的區(qū)域主要集中于平江縣，岳陽(yáng)縣及臨湘市東部。生態(tài)安全水平較差的區(qū)域集中于云溪區(qū)、岳陽(yáng)樓區(qū)、汨羅市、湘陰縣中心城區(qū)附近。為進(jìn)一步反映區(qū)域生態(tài)安全的總體特征，確定區(qū)域綜合管控措施，本研究根據(jù)生態(tài)安全綜合指數(shù)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行類型劃分。按照地理學(xué)第一定律所揭示的空間相似性原理，采用自然斷點(diǎn)法將岳陽(yáng)市的生態(tài)安全狀態(tài)分為4種不同類型，分別命名為敏感級(jí)(Ⅰ)、臨界級(jí)(Ⅱ)、良好級(jí)(Ⅲ)和安全級(jí)(Ⅳ)，并根據(jù)不同的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)界定為不同的保護(hù)修復(fù)區(qū)域，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

圖3 生態(tài)組織結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

圖4 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

表3 生態(tài)安全綜合指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果如下：①土地生態(tài)安全Ⅰ級(jí)，即敏感級(jí),定義為生態(tài)修復(fù)區(qū)，總面積303 km2，占全市土地面積的3.2%，該區(qū)呈零星點(diǎn)狀分布，主要位于各縣市中心城區(qū)附近，在空間上表現(xiàn)出明顯的邊緣特性，該區(qū)人類生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，植被覆蓋度較低，工農(nóng)業(yè)面源污染廣，生態(tài)壓力較大，生態(tài)退化、破碎化較為嚴(yán)重，因此，要結(jié)合區(qū)域及周邊環(huán)境，通過(guò)尋找影響生態(tài)安全的敏感因子，適度調(diào)整土地利用方式，有序開(kāi)展生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程，提升該區(qū)域生態(tài)安全水平。②生態(tài)安全Ⅱ級(jí)，即臨界級(jí)，即生態(tài)管控區(qū)，總面積1800 km2，占全市土地面積的19.2%，該區(qū)分布較為零散，主要位于岳陽(yáng)樓區(qū)、岳陽(yáng)縣、汨羅市中部等城鎮(zhèn)化邊緣地區(qū)，該區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大程度的變化，城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)城郊邊緣呈現(xiàn)一定的干擾態(tài)勢(shì)，較多的低山丘崗被道路、居民點(diǎn)隔絕，景觀破碎化程度高，產(chǎn)業(yè)布局粗放，集約化程度較低，因此，應(yīng)合理控制3條紅線之間的邊界關(guān)系，防止優(yōu)質(zhì)耕地隨著城鎮(zhèn)化擴(kuò)張被占用，避免城鎮(zhèn)化建設(shè)與生態(tài)保護(hù)沖突，全面提升土地生態(tài)價(jià)值。③生態(tài)安全Ⅲ級(jí)，即良好級(jí)，定義為生態(tài)保育區(qū)，總面積2722 km2，占全市土地面積的28.9%，該區(qū)主要位于華容縣南部、湘陰縣中西部以及汨羅市北部地區(qū)，土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能良好，各類生態(tài)壓力未超出生態(tài)系統(tǒng)自身的承載能力，該區(qū)內(nèi)應(yīng)積極利用現(xiàn)有自然條件與區(qū)位優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)政策與財(cái)政支持力度，通過(guò)有步驟地推進(jìn)廢棄礦山修復(fù)、退出零散養(yǎng)殖企業(yè)等模式，盡可能減少人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。④土地生態(tài)安全Ⅳ級(jí)，即安全級(jí)(生態(tài)涵養(yǎng)區(qū))總面積4584km2，占全市土地面積的48.7%，該區(qū)集中分布于臨湘市、岳陽(yáng)縣、平江縣東部地區(qū)，呈片塊狀分布，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然生態(tài)價(jià)值完整，該區(qū)內(nèi)應(yīng)給予重點(diǎn)保護(hù)，注重生態(tài)功能的涵養(yǎng)，維持當(dāng)前狀態(tài)。

表4 生態(tài)修復(fù)區(qū)面積統(tǒng)計(jì) km2

圖5 生態(tài)修復(fù)分區(qū)

5 結(jié)論

城鎮(zhèn)化快速發(fā)展伴隨著環(huán)境污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的增加，而農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)的污染又進(jìn)一步加劇了土地的生態(tài)壓力，影響自然資源以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，然而，采用合理的政策與技術(shù)手段能夠改善土地生態(tài)安全環(huán)境。本文基于活力-恢復(fù)力-生態(tài)服務(wù)能力框架建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)岳陽(yáng)市生態(tài)系統(tǒng)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明，市域范圍內(nèi)生態(tài)安全存在著結(jié)構(gòu)失衡與空間異質(zhì)的雙重特征。本文的主要研究成果包括以下2個(gè)方面：

(1)全市生態(tài)服務(wù)能力與林地?cái)?shù)量關(guān)聯(lián)緊密，其中平江縣、岳陽(yáng)縣及臨湘市東部地區(qū)生態(tài)服務(wù)能力指數(shù)較高，相反中西部地區(qū)城區(qū)范圍指數(shù)較低，主要由于中西部地區(qū)地勢(shì)比較平坦，草地、水域面積較為寬闊，生態(tài)服務(wù)能力次于東部。而生態(tài)敏感性則呈現(xiàn)出邊緣高，中間低的空間分布趨勢(shì)，其中云溪區(qū)、岳陽(yáng)樓區(qū)、岳陽(yáng)縣、汨羅市、湘陰縣中心城區(qū)出現(xiàn)生態(tài)敏感性低值區(qū)。而生態(tài)組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為中間低、四周高的分布趨勢(shì)，其值介于0.58～1之間，其中云溪區(qū)生態(tài)組織結(jié)構(gòu)指數(shù)平均值最低，為0.924，指數(shù)平均值較高的區(qū)域包括平江縣、岳陽(yáng)縣、岳陽(yáng)樓區(qū)、君山區(qū)、華容縣等，主要介于0.95～0.97之間。

(2)岳陽(yáng)市生態(tài)安全整體水平較高，生態(tài)環(huán)境較好，低值區(qū)主要以城區(qū)為中心，呈放射狀向四周輻射，出現(xiàn)層次分明的圈層狀態(tài)。以建城區(qū)為中心向四周逐漸擴(kuò)散，反映城鎮(zhèn)化對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。從生態(tài)安全分布指數(shù)分析，岳陽(yáng)市中部地區(qū)低值分布呈現(xiàn)條狀結(jié)構(gòu)，南北聯(lián)系較為密切，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)南北干線“生態(tài)屏障”的切實(shí)保護(hù)，發(fā)揮“生態(tài)緩沖區(qū)”的調(diào)節(jié)作用。通過(guò)對(duì)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，確定不同的生態(tài)修復(fù)分區(qū)結(jié)構(gòu)，城區(qū)建設(shè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)較為強(qiáng)烈，生態(tài)破碎化較為嚴(yán)重，因此需開(kāi)展城市生態(tài)景觀與人居環(huán)境修復(fù)，修復(fù)面積約為303 km2，而位于城市邊郊的區(qū)域則確定為生態(tài)管控區(qū)，面積約為1800 km2，主要警惕城市建設(shè)所帶來(lái)的擴(kuò)張性風(fēng)險(xiǎn)，生態(tài)保育區(qū)及生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)面積較大，占據(jù)研究區(qū)總面積的77%，主要采取生態(tài)保護(hù)、減少人為干預(yù)的修復(fù)政策。

本文通過(guò)突變模型構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)結(jié)果基本與岳陽(yáng)市實(shí)際情況相吻合，基于GIS與RS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的研究則進(jìn)一步揭示了生態(tài)安全的內(nèi)部空間與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。還需進(jìn)一步深入探討的問(wèn)題包括：①生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)因子的選擇問(wèn)題，本研究采用突變模型結(jié)合區(qū)域特色進(jìn)行因子確認(rèn)，如何提升指標(biāo)選擇的科學(xué)性對(duì)研究的意義重大；②本研究時(shí)期較為單一，若能增加時(shí)間序列分析內(nèi)容，則能揭示區(qū)域生態(tài)安全及生態(tài)修復(fù)效果的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；③如何使生態(tài)修復(fù)區(qū)的識(shí)別更加精準(zhǔn)，問(wèn)題導(dǎo)向更加強(qiáng)烈，將是未來(lái)研究需要繼續(xù)加深的部分。