城鎮化視角下的中國生態安全空間分布及其影響因素

王新蕓， 瓦哈甫·哈力克， 王 芳， 阿斯古麗·木薩， 王亞菲， 黃 玲

(1.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046； 2.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046；3.新疆大學旅游學院，新疆烏魯木齊 830046)

隨著全球性環境問題的日趨嚴重，保護生態安全的問題被提上了各國及國際社會的議事日程[1]。近年來，中國的生態環境保護工作得到了高度重視，也取得了一定的成績。但由于中國城鎮化進程較快，城市規模快速擴張，城市與城鄉區域之間的和諧關系不斷被打破，導致城市生態安全受到威脅[2]。因此，從城鎮化的角度研究生態安全的相關內容，對于協調人與自然的關系、實現人類經濟和社會的永續發展具有非常重要的意義。生態安全(ecological safety)別稱環境安全(environmental safety)，有廣義和狹義之分，1989年國際應用系統分析研究所提出所謂生態安全是指人具有享受健康與安樂生活的基本權利，人的生活保障來源、生存資源、社會秩序和人類適應環境變化的能力等不受威脅，包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全(廣義)；狹義的定義指自然與半自然的生態安全[3]。20世紀90年代初期，生態安全與國家安全、食品安全、全球化的關系研究成為重點。20世紀90年代后期，學者們主要是對前期研究理論的驗證[4]。21世紀開始，生態安全與環境變化內在關系的研究成為主題，如濕地生態安全、土地生態安全等[5-6]。國內從城鎮化的角度研究生態安全始于20世紀90年代，研究的主要內容包括評價方法[7-11]、評價模型[12-13]、空間格局[14-16]、價值評估[17-19]、演變趨勢[20-21]、驅動機制[22]、保障與預警[23-24]。關于生態安全的研究，從最初的生態安全含義到現在生態系統自身的健康研究，學者們的研究視角有了質的飛躍，研究領域與研究對象涉及方方面面，但是以地區為單位來分析城鎮化進程中的生態安全研究還很少見到，因此本試驗以全國各地區[除港、澳、臺的31個省(市、區)]為研究單位，城市生態安全為研究對象，計算并分析城鎮化進程中的中國生態安全指數，對城鎮化視角下的中國生態安全指數格局進行空間分析，探討城鎮化進程中生態安全指數的影響因素。

1 數據來源、指標選取與研究方法

1.1 數據來源

本研究數據來源于《中國統計鑒(2001—2016)》《中國城市統計年鑒(2001—2016)》《中國環境統計年鑒(2001—2016)》《中國國民經濟和社會發展統計公報(2001—2016)》以及各省(市、區)、各部門的統計年鑒和統計公報中相關資料。

1.2 指標選取

在參考前人大量研究成果[8，19，25]的基礎之上，除去與PSR模型關系不大、數據不易獲得、指標內容相近的一些指標，最終篩選出關于人口、社會、經濟、環境等方面，能夠涵蓋城鎮化壓力、狀態、響應的24個指標，作為本研究的最終指標。

1.3 研究方法

1.3.1 權重計算 利用變異系數法計算指標權重，結果見表1。

1.3.2 生態安全指數計算 生態安全指數計算公式為：

1.3.3 生態安全等級確定 參考前人研究城市生態安全的相關內容[25-26]，結合本研究指標的選取及其計算結果，將城市生態安全等級劃分為5種，安全程度定義為5種，結果見表2。

表1城鎮化生態安全評價指標體系

表2城鎮化安全等級與程度

1.3.4 Pearson相關性分析 Pearson相關性分析的計算公式為：

式中：r為相關系數；x與y為2個變量，在顯著水平上r的絕對值越接近1，表明2個變量的相關程度越強。

1.3.5 主成分分析

1.3.5.1 計算相關系數矩陣 相關系數矩陣的計算公式為：

式中：rij(i、j=1，2，…，p)為原變量的xi與xj之間的相關系數，其計算公式為：

1.3.5.2 計算特征值與特征向量 對特征方程|λi-R|=0進行求解，求出特征值λi，然后分別求出對應特征值的特征向量ei，要求|ei|=1。

1.3.5.3 計算主成分貢獻率及累計貢獻率 主成分zi的貢獻率為

累計貢獻率為

1.3.5.4 計算主成分載荷 主成分載荷值的計算公式為：

2 結果與分析

2.1 城鎮化生態安全指數計算

通過對4個時間截面(2000、2005、2010、2015年)的生態安全指數求均值，對各個地區作相應的雷達分布圖(圖1)，研究結果表明，生態安全評價值(ESI)處在0.2～0.7之間，最高的是廣東(0.648)，最低的是西藏(0.204)，相差0.444，少數地區處于較安全程度，大部分地區都處在不安全到臨界安全狀態之間。三大指標評價值都處在0.3以下，壓力評價值(P)最高(0.174)是北京，最低(0.081)是貴州；狀態評價值(S)最高(0.294)是廣東，最低(0.034)是寧夏；響應評價值(R)最高(0.209)是廣東，最低(0.025)是海南。各地區S值和R值變化趨勢與ESI變化趨勢大體一致；除寧夏、青海、甘肅、內蒙古等西北地區外，受地理位置、經濟等因素的限制，其他地區P值趨勢變化與ESI值變化趨勢一致。

從圖2可以看出，ESI值在2002年處于波谷，在2000—2002年處于下降階段，2002—2015年基本處于上升階段，其中2006、2009年這2年相對前一年呈下降趨勢；P值在2000—2015年處于波動狀態，大體呈現“降—升—降—增”(緩慢增長)的趨勢，最高值為0.18(2000年)，最低值為0.10(2006年)，變化幅度不大；S值在2000—2015年大體上呈穩定增長趨勢，除個別年份(2002、2005、2009、2012年)，相比前一年有所降低，在2000—2007年之間，低于P值和R值，在2007—2015年之間，大體上都高于P值和R值，除2009年略低于R值；R值與ESI值變化趨勢基本一致，以2003年為節點，2003年前呈現下降趨勢，2003年后呈現增長趨勢，相比2003—2010年，2010—2015年增長速度略有所降低。

2.2 城鎮化生態安全空間分布格局

以ArcGIS10.2為軟件依托，按照前面生態安全格局安全等級劃分的標準，對全國各地區4個時間截面(2000、20005、2010、2015年)的生態安全格局進行空間分析(圖3)，結果表明，全國4個時間節點的安全程度都沒有達到安全級別，大部分地區都處在不安全到臨界安全之間；臨界安全與較安全的地區都處在東南沿海地區，西北地區都處在不安全與較不安全之間；縱觀全國，2000—2005年臨界安全與較安全地區分布在增多，由較不安全轉變為臨界安全的地區如河南、福建，由臨界安全轉變為較安全的地區如江蘇、浙江，都是東南沿海發達地區，不安全的地區也在增多，由較不安全演變為不安全的地區如西藏、云南、貴州等，都是西部欠發達地區；相比2005年，2010年安全程度總體降低，變化最大的是較安全與較不安全地區，如北京與浙江都由較安全轉變為臨界安全狀態，河南、湖北、湖南、福建等地區由臨界安全轉變為較不安全；相比2010年，2015年大部分地區生態安全保持在2010年水平，個別地區生態安全有所降低，如除山西由較不安全轉變為不安全，西北地區的青海由不安全轉變為較不安全，東部一些地區生態安全狀態有所好轉，如浙江由臨界安全轉變為較安全，江蘇、河北、天津由較不安全轉變為臨界安全；相比2000年，2015年全國生態安全兩級分化比較明顯，東南沿海地，生態安全還是明顯好轉地區，西部地區呈退化狀態，大部分由較不安全向不安全退化。

2.3 城鎮化生態安全影響因素分析

2.3.1 Pearson相關分析 用軟件SPSS 19對壓力(P)、狀態(S)響應(R)指數與其指標作了相應的Pearson相關性分析(表3、表4、表5、表6)。表3表明，3個時間截面數據壓力指數(P)與城市人均GDP和城市人均公園綠地面積均在 0.01 水平呈顯著正相關，相關系數呈現增長趨勢，說明相關性在逐漸增強；壓力指數(P)與人口自然增長率在2000—2015年由存在相關性轉變為沒有相關性；壓力指數(P)與城鎮人口比重在0.05水平呈顯著負相關，說明城鎮化壓力隨城鎮人口比重的增大而減小；壓力指數(P)與城鎮登記失業率、城鎮居民恩格爾系數在2000、2015年不存在相關性，在2005、2010年在0.05水平呈顯著正相關，可見壓力指標與壓力指數相關關系不是固定不變的。

狀態指數預期指標的Pearson相關分析結果(表4)表明，4個時間截面數據，狀態指數(S)與衛生技術人員數量、地區生產總值、城鎮居民可支配收入、建成區面積、公園面積均在0.01水平極顯著相關，且相關系數都在0.5左右，說明具有強相關性，狀態指數(S)與森林覆蓋率在2000—2015年的相關關系為“極顯著(0.01)正相關-顯著(0.05)正相關-不相關”。

響應指數與其指標的Pearson相關分析結果(表5)表明，響應指數(R)與二三產業比重、城市生活垃圾清運量、城市污水日處理能力、城市清掃面積、工業污染治理完成投資均在0.01水平極顯著正向相關，且相關系數都在0.5以上，除與二三產業比重的相關系數在2000—2015年呈現遞減趨勢外，與其他指標都呈現增長的趨勢，說明響應指數(R)與上述指標相關性很強；響應指數(R)與每10萬人高校平均在校人數指標的相關顯著性在2000—2015年由極顯著(0.01)轉變為顯著(0.05)，且相關系數也在漸漸降低，由2000年的0.647變為2015年的0.368，說明R與每10萬人高校平均在校人數指標的相關程度減弱；2000—2015年響應指數(R)與每萬人擁有公共交通車輛的關系由不相關轉變為在0.01極顯著性正相關；響應指數(R)與每萬人擁有公廁數不存在相關關系。

生態安全指數(ESI)與其指標的Pearson相關性分析結果(表6)表明，生態安全指數(ESI)與其三大子系統都在0.01水平極顯著正向相關，且相關系數均在0.6以上，呈強或極強的相關性；在2000—2015年之間，除與壓力指數的相關系數處于波動狀態外，與狀態指數、響應指數的相關系數呈現穩定的增長趨勢，快接近1，說明相比壓力指數，生態安全指數(ESI)與狀態指數與響應指標的相關性更強。

表3中國城鎮化生態安全壓力指數與壓力指標的Pearson相關分析

注：**、*表示在0.01、0.05水平上顯著。表4、表5、表6同。

表4中國城鎮化生態安全狀態指數與狀態指標的Pearson相關分析

表5中國城鎮化生態安全響應指數與響應指標的Pearson相關分析

表6中國城鎮化生態安全綜合指數與PSR相關分析

2.3.2 主成分分析 由表7可知，提取出的主成分累計貢獻率都在70%以上，說明提取的主成分具有代表性；除去2010年，其他檢驗值都大于0.5，說明主成分分析是可行的。在4個時間截面中，第一主成分(F1)與人口自然增長率呈強相關，與人均GDP呈極強的正相關，與城鎮人口比重呈極強的負相關，主要反映了人口壓力和收入壓力；第二主成分(F2)與城市人均擁有道路面積呈強相關，可見第二主成分是空間壓力的代表；第三主成分(F3)與城鎮登記失業率在2000、2010年呈現很強的負相關，與城市人口密度在2005年呈極強正相關，與人口自然增長率在2015年呈強的正相關，說明第三主成分是人口與就業壓力的代表。

表7壓力指標主成分分析結果

注：2000、2005、2010、2015年的KMO分別為0.648、0.545、0.493、0.534，累計貢獻率分別為73.585%、70.909%、73.991%、72.426%。

由表8可知，提取出的主成分累計貢獻率都在75%以上，說明提取的主成分具有代表性；檢驗值都大于0.6，可見主成分分析是可行的。在4個時間截面中，第一主成分與衛生技術人員數量、地區生產總值、建成區面積、公園面積呈現極強的正相關，說明第一主成分涵蓋了社會、經濟、環境與空間的狀態；2000、2005年，第二主成分與森林覆蓋率呈現強的正相關，在2010年與2015年相關性減弱程度很大，說明第二主成分也在隨著某些因素的變化而變化，除此之外，第二主成分與性別比在4個時間截面呈現正相關，可以認為第二主成分是人口狀態的代表；除2005年，第三主成分與商品零售價格指數呈現出較強的正相關，除此之外與城鎮居民可支配收入在2000、2005年均呈現強的正相關，一方面說明第三主成分主要是經濟狀態的代表，另一方面說明隨著一些些因素的變化，第三主成分也在變化。

表8狀態指標主成分分析結果

注：2000、2005、2010、2015年的KMO分別為0.627、0.705、0.626、0.641，累計貢獻率分別為78.875%、84.749%、81.598%、80.777%。

由表9可知，提取出的主成分累計貢獻率都在75%以上，說明提取的主成分具有代表性；檢驗值都大于0.6，說明主成分分析是可行的。在4個時間截面中，第一主成分與二三產業比重、城市生活垃圾清運量、城市污水日處理能力、城市清掃面積、工業污染治理完成投資都呈現出強或極強的正相關，說明第一主成分可以代表城市經濟政策和城市環境響應；第二主成分與每10萬人高校平均在校人數、每萬人擁有公共交通車輛呈強正相關，可以認為第二主成分是人口響應和空間響應的代表；第三主成分與每萬人擁有公廁數呈現強或極強的正相關，說明第三主成分是環境衛生響應代表。

表9響應指標主成分分析結果

注：2000、2005、2010、2015年的KMO分別為0.727、0.667、0.641、0.741，累計貢獻率分別為80.817%、82.684%、78.515%、82.139%。

3 討論與結論

3.1 討論

本研究靶區是中國各個地區，研究對象是城鎮化的生態安全現狀評價空間分布及影響因素分析，而前人關于城市生態安全的研究都是以城市為單位，因此，研究結果更能反映某一地區的實際情況，同時也會與實際有一定出入。在城市生態安全評價結果中，狀態評價值(S)和響應評價值(R)變化趨勢與生態安全評價值(ESI)大體一致，說明本研究關于P和R的指標選取較好，能較為明顯地反映各地區城市生態安全與狀態和響應的關系，壓力評價值(P)除寧夏、青海、甘肅、內蒙古等西北地區外，其他地區趨勢變化與ESI值變化趨勢一致，說明上述地區受地理位置及經濟的限制，城市生態壓力較大，同時也說明壓力指數的指標不能全面反映各地區城市壓力狀態。

本研究遵循系統性原則，將全國各地區的PSR指數進行空間分析與關聯分析，指出各系統綜合指數與其指標的相關關系，受到數據的局限性，對ESI變化趨勢的分析只是針對系統的相應指標來分析，不能全面地反映各地區的生態安全狀況與發展情況，有一定的缺陷性，因此，在今后的研究中應多方面收集資料數據，參考更多的因子來分析各地區生態安全發展趨勢以及。

3.2 結論

本試驗在參考前人研究的基礎上選擇城鎮化視角下的24個指標，基于PSR模型作4個時間截面上的中國各地區的生態安全現狀評價的空間表達及影響因素分析，研究結論主要有以下4個方面：全國各地區生態安全(ESI)評價值處在0.2～0.7之間，三大指標評價值都處在0.3以下，ESI值與PSR值最高值都出現在東南沿海及經濟發達地區如北京、廣東等，最低值都出現在西北及經濟落后地區如西藏、貴州等；少數地區處于較安全程度，大部分地區都處在不安全到臨界安全狀態之間。總體而言，全國2000—2015年的ESI及其PSR三大子系統的指數整體上呈現上升趨勢，表明中國生態安全程度有所好轉；就局部而言，各地區4個時間節點的安全程度都沒有達到安全級別，大部分地區都處在不安全到臨界安全之間，臨界安全與較安全的地區都處在東南沿海地區，西北地區都處在不安全與較不安全之間，因此，各地區政府要結合當地實際情況，帶動人民群眾，重視城市生態安全問題。通過主成分分析得出三大系統與其指標的相關系數、顯著性水平隨著年份的不同而不同，表明各指數與其指標的相關關系不是固定不變的，而是隨著年份及其他因素而發生變化。通過Pearson相關分析結果與主成分分析結果進行對比分析，得出中國生態安全的影響因素主要是經濟(人均GDP、地區生產總值、二三產業比重)、人口質量(衛生技術人員、每10萬人高校平均在校人數)、環保(公園面積、城市污水日處理能力、城市清掃面積)、市政設施建設(建成區面積)等。因此，今后在研究城市生態安全的問題中應該主次分明，重點研究上述問題。

參考文獻：

[1]劉 華，安曉勇. 中國西部的生態安全及其立法探究[C]// 中國法學會環境資源法學研究會2011年會——2011年全國環境資源法學研討會暨中國環境資源法學研究會籌備會議.桂林：桂林電子科技大學，2011.

[2]吳志強，李德華. 城市規劃原理[M]. 4版.北京：中國建筑工業出版社，2010：83.

[3]楊京平. 生態安全的系統分析[M]. 北京：化學工業出版社，2002：131-132.

[4]汪勁柏. 城市生態安全空間格局研究[D]. 上海：同濟大學，2006.

[5]Gao J J，Lv S H，Zheng Z R，et al. Ecological safety assessment in hulunbeier steppe based on the landscape pattern[J]. Advanced Materials Research，2013，726-731：1121-1129.

[6]Zhu J，Tao X. Evaluation of land ecological safety based on fuzzy Matter-Elementtheory[J].JournalofComputers，2011，6(12)：

2639-2646.

[7]周文華，王如松. 城市生態安全評價方法研究——以北京市為例[J]. 生態學雜志，2005，24(7)：848-852.

[8]謝花林，李 波. 城市生態安全評價指標體系與評價方法研究[J]. 北京師范大學學報(自然科學版)，2004，40(5)：705-710.

[9]張 楊，彭文英，劉艷芳. 基于空間格局的城市熱環境生態安全評價[J]. 生態經濟，2016，32(8)：165-169.

[10]郭秀銳，楊 瑩，陳東升，等. 北京城市生態安全評價研究[J]. 安全與環境學報，2009，9(2)：72-76.

[11]趙 清，楊志峰，陳 彬. 城市自然生態安全動態評價方法及其應用[J]. 生態學報，2009，29(8)：4138-4146.

[12]魏興萍. 城市生態安全多種評價模型及應用[J]. 信陽師范學院學報(自然科學版)，2010，23(3)：410-414.

[13]伍 陽，蔣加洪，甘 欣. 京津滬渝生態安全評價指標體系的選擇及其評價[J]. 四川環境，2017，36(1)：89-95.

[14]楊 俊，李雪銘，張 云. 基于因果網絡模型的城市生態安全空間分異——以大連市為例[J]. 生態學報，2008，28(6)：2774-2783.

[15]李 綏，石鐵矛，付士磊，等. 南充城市擴展中的景觀生態安全格局[J]. 應用生態學報，2011，22(3)：734-740.

[16]胡海德，李小玉，杜宇飛. 大連城市生態安全格局的構建[J]. 東北師大學報(自然科學版)，2013，45(1)：138-143.

[17]曹先磊，劉高慧，張 穎，等. 城市生態系統休閑娛樂服務支付意愿及價值評估——以成都市溫江區為例[J]. 生態學報，2017，37(9)：2970-2981.

[18]譚明亮，段爭虎，陳小紅，等. 半干旱區城市人工森林生態系統服務價值評估——以蘭州市南北兩山環境綠化工程區為例[J]. 中國沙漠，2012，32(1)：219-225.

[19]彭 建，王仰麟，陳燕飛，等. 城市生態系統服務功能價值評估初探——以深圳市為例[J]. 北京大學學報(自然科學版)，2005，41(4)：594-604.

[20]王 耕，鐘春利. 基于P-S-R框架遼寧省2003—2012年城市生態安全演變趨勢研究[J]. 環境科學與管理，2016，41(2)：121-127.

[21]陶曉燕. 資源枯竭型城市生態安全評價及趨勢分析——以焦作市為例[J]. 干旱區資源與環境，2014，28(2)：53-59.

[22]陳 爽，劉云霞，彭立華. 城市生態空間演變規律及調控機制——以南京市為例[J]. 生態學報，2008，28(5)：2270-2278.

[23]徐建華. 計量地理學[M]. 北京：高等教育出版社，2006：95-98.

[24]黃國和，安春江，范玉瑞，等. 珠江三角洲城市群生態安全保障技術研究[J]. 生態學報，2016，36(22)：7119-7124.

[25]高長波，陳新庚，韋朝海，等. 熵權模糊綜合評價法在城市生態安全評價中的應用[J]. 應用生態學報，2006，17(10)：1923-1927.

[26]鄭澤娜，周 偉. 基于主成分的河北省地級市城市生態安全預警評價[J]. 中國農學通報，2013，29(14)：118-123.