杞麓湖流域生態安全性及在各因子中的變化特征

趙筱青, 譚 琨, 易 琦, 李思楠, 苗培培, 普軍偉

(云南大學 資源環境與地球科學學院, 昆明 650091)

20世紀80年代以來，隨著生態環境問題日益突出，生態安全性問題研究引起了地理學、資源學和生態學等研究者的廣泛關注[1]。自20世紀九十年代以來，杞麓湖流域內人口迅速增加，農業生產活動加劇了用水壓力、加之“十二五”期間連續多年干旱等原因，加劇了湖泊水質惡化及流域生態安全風險。為了弄清杞麓湖流域的生態安全性，指導流域環境綜合治理工作，遏制生態環境惡化，開展杞麓湖流域生態安全性及在影響因子中的變化特征研究十分必要且具有重要的現實意義。

生態安全評價是對一定時間、空間范圍內生態安全水平的定性、定量描述[2]。近年來，國內外學者對區域生態安全性理論和方法進行了諸多研究[3]，國外對生態安全的研究主要表現在3個方面：環境污染引發的生態風險評估、國家層面生態安全政策的制定和微觀生態系統健康與質量評估[4]，國內主要集中在對生態安全概念、內容和方法、進展等方面的研究[5]。我國對生態安全的研究從定性分析到區域生態安全狀態的分析再到現在的信息技術(3S技術)的引入，促使近些年來我國生態安全的研究獲得較快發展，同時因為研究時間較短，還沒有形成完整系統的理論方法體系，對生態安全評價的理論及實踐、研究方法和動態風險監測預警機制等方面還沒有形成統一意見[6]。但生態安全評價方法主要有以利用專家判讀和層次分析為代表的綜合指數評價法、以生態系統模型為代表的生態模型評價法、以生態學理論為基礎的景觀生態模型評價法和以3S技術為支撐的數字地面模型評價法等[7-8]。

綜合指數評價法是指應用統計學將一組相同或不同指數值，轉化成一個綜合指數的方法，是當前生態安全評價中運用最多的一種方法[9]。論文以水土保持、生物多樣性保護和生態環境治理與保護為目標，選擇高原湖泊杞麓湖流域為研究區，運用綜合指數法并結合GIS空間分析技術，對流域生態安全性進行評估并劃分安全等級，分析各安全等級形成的主導因素，進一步探討流域生態安全性及其影響因子空間分異與成因機理，對湖泊保護、流域土地合理利用、生態環境保護及生態系統的穩定性和流域生態保護規劃等具有一定的參考價值，同時為類似流域生態安全性及在影響因子中的變化特征研究提供借鑒。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

杞麓湖流域位于102°33′48″—102°52′36″E，24°4′36″—24°14′2″N，屬于珠江流域西江水系。流域涉及7個鄉鎮，總面積354.94 km2，總人口240 896人。杞麓湖流域是一個典型的高原湖盆地，近似為一個封閉型的西東向平行四邊形形狀，中部為湖泊，湖周為平壩區，主要分布在湖泊的南、西、北三面，壩區外圍為中、低山，海拔高程多在1 979～2 100 m之間。研究區主要以鋼鐵及其制品加工行業、造紙彩印包裝、食品加工、化肥制造以及大量施用化肥農藥的蔬菜種植業為主，致使湖泊水質持續惡化趨勢，影響著人類對杞麓湖流域內的資源開發和保護，進一步激化了流域內經濟—社會—生態系統的基本矛盾，嚴重制約高原湖泊流域社會經濟發展。

1.2 數據來源及處理

研究數據包括土地覆蓋類型、植被覆蓋度、DEM數據、距水體距離、距其他建設用地距離、距居民點距離等。其中土地覆蓋類型數據采用美國地質勘探局(United States Geological Survey，USGS)15 m空間分辨率的Landsat8 OLI遙感數據，進行人機交互式室內遙感解譯和野外驗證得到，室內解譯根據遙感影像特征所反映的形狀、顏色，用類比分析方法獲得遙感圖像中與實際地物的對應信息，并依據國家發布的土地利用分類標準及土地經營特點、利用方式和覆蓋特征等進行分類，實地的采點驗證表明，研究區的31個實地采樣點中，采樣點與判圖時的土地利用類型對照一致的點有28個，解譯精度為90.32%，符合研究需要。植被覆蓋度是基于NDVI的像元二分模型結合ENVI 5.1軟件進行提取；DEM數據來源于地理空間數據云(30 m×30 m)，主要用來提取所需坡度和海拔數據；DEM數據和遙感影像是流域邊界提取的主要數據源，流域邊界矢量數據由云南省環境監測中心站提供；距水體距離、距其他建設用地距離和距居民點距離等數據從土地覆蓋類型矢量數據中提取，結合GIS空間分析技術，建立多級緩沖區得到；社會經濟統計數據來源于通海縣統計年鑒；此外還有來自于環保局、國土局、通海縣人民政府等部門的相關流域治理防治規劃和專題報告等數據資料。

1.3 研究方法

研究運用3S技術與綜合指數法相結合，采取熵值法確定指標權重，對高原湖泊杞麓湖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。

1.3.1 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[10-11]。論文運用綜合指數法結合GIS加權疊加分析技術對杞麓湖流域生態安全進行評價。評價模型如下：

式中：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。以ArcGIS中的Natural Break 法將得到的ESI值分為4級，分別對應不同級別的生態安全等級。該方法是利用統計學中的JENK最優法得出的分界點，能使各級的內部方差之和最小[12]。

1.3.2 評價指標體系 評價指標的選取不僅要考慮該區域自然和人文社會因素及潛在因素的影響，同時考慮流域指標數據的可獲取性、代表性、全面性、綜合性。海拔和坡度可以反映地表起伏程度和侵蝕強度，由地表起伏和水土侵蝕帶來的污染物是杞麓湖流域水域污染的主要原因之一，影響該流域的生態安全狀況；植被覆蓋度和土地覆蓋類型能反映生物多樣性、生態系統穩定狀況及地表覆被狀況等，對流域生態安全性有重要影響；道路、其他建設用地和居民點用地是杞麓湖流域人類主要活動場所，越靠近道路、其他建設用地和居民點，交通越便利，社會經濟越發達，人類開發利用強度就越大，對流域生態安全性影響更大；水是一切生物和人類生存與發展的基本條件，距離水體越近一般具有較好的生態條件，其土壤水分含量在一定程度上也較高，對流域生態系統服務功能的大小及安全性影響較大，由此可見距水體距離可作為其指標之一；距不同用地類型的距離可以作為人類活動對生態安全狀態影響的指標。因此，根據研究區實際情況，選取了海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類型、距水體距離、距其他建設用地距離、距居民點距離、距道路距離等8個指標為評價因子。因子的分級賦值，參考學者李晶[13]、蒙吉軍[14]、卓靜[15]、謝花林[16]、李玉平[17]、劉孝富[18]等的研究成果，并結合研究區實際情況，制定影響流域生態安全的各因子生態安分級標準(表1)，界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、中等安全和高度安全。值越小，生態環境越安全，安全性越高。

表1 流域生態安全評價指標與等級劃分

1.3.3 指標權重確定 在多指標評價問題中，權重的確定是重點也是難點，目前有很多確定權重的方法，大致可以分為兩大類：主觀賦權法和客觀賦權法。而客觀賦權法中的熵值法在客觀條件下能使權重更符合實際[20-22]。因此，考慮評價結果的客觀性和精確性，本文采用熵值法求取指標權重，其模型如下。

(1) 根據熵的定義，n個評價單元(柵格單元)m個評價指標，可確定評價指標的熵為：

(2) 利用熵值計算評價指標的熵權，可得到第i個指標的熵權：

利用以上熵值法模型通過數據統計與計算得到生態安全評價各指標的權重，見表2。

表2 評價指標熵值與熵權

圖1 流域單因子的生態安全等級分布

2 結果與分析

2.1 流域生態安全性分析

運用自然斷點法將生態安全綜合指數分為4個等級，高度安全的ESI指數為1.16～2.09；中度安全為2.09～2.54；較低安全為2.54～2.97；不安全為2.97～3.86。流域平均生態安全指數為2.59，處于較低安全狀態；流域大部分區域處于較低安全狀態，其面積為128.15 km2，占流域總面積的36.33%；其次是中度安全狀態，其面積為82.41 km2，占流域總面積的23.36%；不安全狀態面積為79.48 km2，占流域總面積的22.53 %；最少的是高度安全狀態，其面積為62.69 km2，占流域總面積的17.77%。流域較低安全狀態及以下面積占到58.86%，是遏制杞麓湖流域生態持續退化和水土保持的關鍵區(圖1)。

圖2 杞麓湖流域生態安全

從空間分布上來看，流域較低安全區主要分布在西北部、東南部和西南部，中度安全區集中在中部、西部和南部，不安全主要分布在西北部和東南部，高度安全主要分布在杞麓湖周圍和流域西南部和北部的林地(圖2)；

從行政單元來看，高度和中度安全區主要集中在河西鎮、九龍街道和楊廣鎮；較低安全區主要分布在河西鎮、四街鎮和楊廣鎮；不安全集中在納古鎮、四街鎮、秀山街道和楊廣鎮；總的來說，楊廣鎮的西北部、河西鎮的北部和九龍街道的西南部安全性較高，四街鎮、納古鎮和楊廣鎮東南部以及秀山街道中部安全性較低(圖2)。

2.2 流域生態安全性在各因子中的變化特征

通過對比流域單因子的生態安全等級分布圖和流域生態安全圖(圖1，圖2)及平均生態安全指數的計算，地形、植被覆蓋度、土地覆蓋類型、距水體距離、距其他建設用地距離、距居民點距離和距離道路遠近因子與流域生態安全空間耦合度較高，說明這些因子對流域的生態安全有重大影響。經GIS空間區統計，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分異情況(表3)。

2.2.1 流域生態安全在地形因子中的變化特征

(1) 坡度。坡度0°～7°的區域，生態安全等級以較低安全為主，占總面積的38.29%；坡度7°～15°的區域以較低安全為主，占34.14%，中度安全面積也較大，占總面積的24.28%，該區是水田和旱地集中分布區，人為干擾較大，對生態安全有重大影響，因此是生態保護建設的關鍵坡度區；坡度15°～25°區域以較低安全為主，中度安全次之，分別占總面積的34.56%和26.25%，這與該區水土流失較嚴重但人為干擾相對較少有關；坡度>25°區域較低和不安全占到總面積的65.89%，高度安全僅占10.6%，應加大對該區生態保護力度，增加植被覆蓋度以提高其生態安全性。4個坡度等級的平均生態安全指數均屬于較低安全。從平均生態安全指數變化規律來看，坡度和平均生態安全指數呈正相關，坡度增加平均生態安全指數亦增大。

(2) 海拔。海拔1 800 m以下區域，生態環境主要處于較低安全水平，占該海拔區總面積36.57%，其次為中度安全和高度安全，分別占24.39%，22.41%，不安全區主要分布在縣城中心區，該海拔區居民點用地、建設用地和耕地分布廣泛，人類活動非常活躍，景觀破壞程度較重，生態安全等級分界明顯，應加強生態規劃建設；較低和不安全集中分布在海拔1 800～2 000 m區域，共占總面積的74.42%，應把該區作為重點生態保護建設區，提高流域生態安全性；海拔2 000～2 200 m區域，高度、中度和較低安全等級占總面積比例相差很小，不安全等級僅占15.15%，說明該海拔區生態安全性較高，景觀連通性較好；海拔>2 200 m區域，高度和中度安全占比很大，占總面積的77.52%，較低和不安全等級占比很小，僅占22.48%，說明該區生態安全性非常好，這與該區林地面積較大且受人類干擾少密切相關。

總之，在流域坡度和海拔范圍較小區域，生態安全狀況最復雜多變，且以較低安全為主，這些區域是人類開發利用強度最大的地區，在該區嚴格落實土地用途管制制度及嚴控過度開發、限制對重要生態保護區域的開發利用，合理科學規劃好各類用地，才是保證流域生態安全的關鍵。

表3 生態安全等級及指數在各因子中的面積比例、平均值

2.2.2 生態安全在地表覆蓋因子中的變化特征 地表覆蓋對流域生態安全的影響主要體現在土地覆蓋類型和植被覆蓋度上，從表1可得，單因子評價的土地覆蓋類型安全性從高到低為有林地、水域>草地、灌木林地、湖濱濕地、水田、園地>旱地、未利用地>建設用地，和綜合評估結果相比(表3)，土地覆蓋類型的安全等級排序基本一致。從平均生態安全指數來看，最小為2.34，最大為3.24，變化很大，說明土地覆蓋類型對生態安全影響非常大；從面積比例來看，有林地、水域主要以高度和中度安全為主，占該地類區面積的63.75%，草地、灌木林地、湖濱濕地、水田、園地則位于較低安全區，占該區50.28%，因為該區受人類干擾較大，所以生態安全水平較低；旱地、未利用地較低安全與不安全面積占比均較大，分別為42.68%，39.89%，應重視該區水土保持工作，合理科學利用土地。不安全區聚集在建設用地區，占到了該地類的94.49%，該地應進行科學合理的土地利用規劃，嚴格實施土地用途管制制度，調整土地利用結構。從平均生態安全指數來看，植被覆蓋度與生態安全指數呈負相關關系，隨著覆蓋度的降低，生態安全指數不斷增大，且指數區間變化較大，說明植被覆蓋度對生態安全有較大影響。從面積比例來看，在覆蓋度>60的地區，以中度和較低安全為主，占到該面積區的77.94%，覆蓋度30～60區域，較低安全比重很大，占到了85.5%，不安全區集中分布在覆蓋度<30的區域，約占到了該等級區總面積的一半，生態環境很差，所以應合理開發利用土地，適當增加植被覆蓋度，提高其生態安全水平。

2.2.3 生態安全在人類活動因子中的變化特征 距其他建設用地距離、距居民點距離和距道路距離能反映人類活動對生態安全格局的影響，從面積比例看，距離其他建設用地、居民點和道路越遠生態高度安全區面積越大，生態安全性越高；在距離>1 500 m中，其他建設用地、居民點和道路在各區的高度安全區面積都占絕大比例，分別占各區域的89.35%，71.86%，51.44%，生態安全狀況非常好，這主要與人類活動干擾少、開發利用強度小和生態系統破壞小有關；在1 000～1 500 m等級中，距其他建設用地距離和距居民點距離主要以中度安全和高度安全為主，分別各占總面積的96.34%，77.89%，但在道路因子中，雖然中度安全面積還是較大，但較低安全面積比例也較大，達到了總面積的37.30%，這主要是因為不合理的道路建設，阻隔了生態流擴散和物種的傳播，所以使其生態安全性有所降低；在距離500～1 000 m區域，距其他建設用地距離以中度安全為主，占總面積的45.73%，距居民點距離和距道路距離以較低安全為主，分別占該區總面積的43.99%，50.47%；在距離<500 m區間，距其他建設用地距離、距居民點距離和距道路距離均以較低安全和不安全為主，分別占各區總面積的87%，89.26%，90.11%，這說明離其他建設用地、居民點和道路越近，人類活動強度越大，生態環境破壞越嚴重，生態安全性越低，所以該區應控制其人口過快增長與資源過度開發，合理規劃各類用地，增加綠地面積以提高其生態安全性。從平均生態安全指數來看，距離其他建設用地、居民點和道路越遠，生態安全指數越小，安全性越高，且平均生態安全指數在等級區之間變化都很大，其他建設用地、居民點和道路其指數變化區間分別為1.83～2.87，1.95～2.90，2.13～2.92，說明這3個因子對生態安全影響非常大。

2.2.4 生態安全在水體環境因子中的變化特征 理論上，距水體越近，生物多樣性越豐富，生態系統越穩定，生態安全程度較高，但生態安全會受到水體周邊產業發展等多種因素的綜合影響，其安全性距水體遠近會存在一定變化差異。從面積比例來看，在距離水體500 m以內的區域，以中度安全和較低安全為主，占總面積的68.02%，高度安全區只占到了總面積的14.39%，這與人類活動密切相關，水源是工農業發展的基礎，距水體越近越是工農業發展的集中區，同時也是人口聚集區，人類開發利用程度大，加劇了水體的污染，使生態安全性有所降低，應加大對該區的水污染治理，提高其生態安全性；在500～1 000 m與1 000～1 500 m區域內，以較低安全為主，分別占總面積的41.13%、39.33%，總體安全水平較低，合理節約利用水資源，是提高該區生態安全的關鍵；在>1 500 m區域，以高度安全為主，占到該區總面積的89.35%，這與遠離湖泊污染區和人類開發利用程度相對較小緊密相關。從平均生態安全指數來看，其指數在各等級區變化較小，說明距水體遠近因子與生態安全的空間耦合性不是很好。

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 生態安全性評價的綜合探討。綜合指數模型能將部分界線不清，很難定量的評價因子相對定量化，能保證評價指標信息的完整化并使評價因子簡單化，體現區域生態安全真實的生態安全狀態，解決評價結果的不確定性和模糊性問題，評價結果較為客觀[23]。其缺陷是不易消除重復評價問題，運行處理較為繁雜。目前對生態安全的研究，主要是對區域總體生態安全進行評估[24-26]，很少從空間上深入剖析各單因子的生態安全性，不能充分的揭示區域各因子對生態安全性高低的影響及其內在形成機理。本文與大部分區域生態安全評價不同之處在于深入分析了各因子的生態安全空間分異規律，運用熵值法確定指標權重并結合GIS空間分析功能，提高了研究結果的空間可視化和實用性。

(2) 生態安全性及其影響因子空間分異探討。一方面，生態安全性受多因素的綜合影響[27-30]，單一因子無法準確反映其生態安全性高低，某些因子對生態安全性有明顯的影響，其安全等級分界也比較明顯，如論文中的植被覆蓋度、土地覆蓋類型、距其他建設用地距離、距居民點距離和距離道路遠近等因子，但某些因子與生態安全空間耦合度較低，會出現與理論研究存在一定變化差異的情況，如論文中的距水體遠近因子，在星云湖流域的研究中，其距離建設用地因子也存在與理論不相符的情況[31],說明不同研究區會存在一些特殊影響因子，它主要與當地特殊的環境特征、具體利用情況及表現特征有關。因此，科學合理選取對生態安全性有明顯影響的因子、多因素的綜合評估和如何把理論研究與實際情況更好的結合起來將是下一步研究的重點內容。另一方面，目前對生態安全性影響因子變化特征的研究較少，本研究以各等級面積比例和平均生態安全指數來分析不同因子的空間變化特征，基本能反映影響該區生態安全性的因素及其各因子的空間規律特征，分析結果能為湖泊保護、合理的土地利用及生態環境保護規劃等提供一定參考。

(3) 評價指標體系及分級標準探討。影響生態安全性的因素很多，涉及社會、經濟、自然等各方面，雖然國內外學者針對不同區域生態安全評價的指標體系構建做過很多研究[32-36]，但是至今為止仍未有統一的權威標準。本文建立的指標體系也是一種探索，旨在為流域生態安全性評估及其影響因子的變化特征研究摸索出一種研究方法。因子中海拔和坡度可以反映地表起伏程度和侵蝕強度，影響杞麓湖流域的生態安全狀況；植被覆蓋度和土地覆蓋類型能反映生物多樣性和地表的覆被狀況，對流域生態安全有重要影響；道路、其他建設用地和居民點是杞麓湖流域人類主要活動場所，越靠近道路、其他建設用地和居民點，交通越便利，人類開發利用強度就越大，對流域生態安全性影響更大，所以該評價指標體系具有一定的科學合理性。但由于涉及生態環境、社會經濟指標等多方面，加之受數據獲取和技術的限制，有些因素難以空間化，不得不舍棄，如湖泊富營養化程度、工農業污染強度和水質等指標，在接下來的研究中將考慮把這些因素納入進來。另外，未能對影響生態安全的各因子之間的關聯和聯系深入剖析也是本文不足的地方，未來將對其進行深入研究。因此，進一步探索并建立科學、合理且針對性強的生態安全評價因子和分級標準，嘗試多模型多方法的集成和運用，將是未來研究的重點內容。

3.2 結 論

(1) 杞麓湖流域大部分區域以較低安全狀態為主，占流域總面積的36.33%，中度安全和不安全次之，高度安全面積最少，僅占17.77%；從空間分布看，較低安全區主要分布在流域西北部、東南部和西南部。從行政單元看，較低安全區主要分布在河西鎮、四街鎮和楊廣鎮，應該加強對這些區域的生態保護和建設。

(2) 通過對杞麓湖流域生態安全性及在各因子中的變化特征研究，發現在流域坡度較小和海拔較低區域，生態安全狀況最錯綜復雜，且以較低安全為主；有林地主要以高度安全為主，建設用地區不安全面積比例最大；距離其他建設用地、距離居民點和距離道路越近生態不安全區面積越大，生態安全性越低。距水體距離對生態安全性的影響受多重因素的制約，尤其是水污染狀況，因此與理論上存在一定變化差異。

(3) 通過對比流域單因子評價結果和綜合評價結果，發現兩者存在一定差異，流域生態安全受多種因素綜合影響，單因子評價難以科學綜合的反映流域生態安全的空間分異特征與規律，各因子間存在相互促進與相互抑制關系，對生態安全性高低有重要影響。植被覆蓋度、土地覆蓋類型、距其他建設用地距離、距居民點距離和距離道路遠近因子與流域生態安全空間耦合度較高，這些因子對流域生態安全性有重大影響。