湘鄉市生態安全評價研究

朱蓬丹

（湖南師范大學地理科學學院，長沙 410081）

不斷發展的城鎮化和工業化，在給人們的生活帶來向好巨變的同時，也帶來了諸如生態承載力降低、水土資源流失、濕地面積減少、自然災害加劇等生態環境問題，使人口、資源和環境之間的矛盾沖突成為全人類所面臨的共同問題［1］。湘鄉市是重要的農產品生產地，同時又具有重要生態服務價值，是空間管制研究頗具代表性的區域。隨著人口和城鎮化率的增長，資源被無節制開發利用，面臨著耕地質量下降、耕地數量減少、生態環境退化、人地關系緊張的困局，生態安全保障迫在眉睫。在此背景下，科學評價生態安全水平，有利于緩解經濟發展與生態保護之間的矛盾［2，3］，因此，如何科學評價生態安全水平是構建生態安全格局的重要前提，是進行生態文明建設、保障區域可持續發展的必要環節。

經濟社會快速發展的同時，生態環境問題層出不窮，生態安全保護成為人類社會可持續發展面臨的新主題。1987年，生態安全由世界環境與發展委員會首度提出，隨著研究發展不斷被賦予多重涵義，既屬于國家安全范疇［4］，也是人類安全的一部分，是人類生存環境在受到外界干擾下能維持自身生存發展的一種狀態［5-10］。國外學者認為生態安全是由自然環境安全、人類安全和生物多樣性安全構成，生態安全是在生態系統正常運轉的前提下才能得到保障［11-14］。2000年，國務院發布《全國生態環境保護綱要》，首次將生態安全的概念引入中國，同年中國科學院將生態安全評價相關項目作為重大研究課題［15］，開啟中國生態安全研究序章。目前生態安全主要包含兩層涵義：一是指生態環境具備滿足人類持續發展需求的潛力［16］；二是指由生態環境基底影響的國家安全［17］。

近年來，生態安全評價已在國內外開展了較多研究［18-20］，內容以模型方法研究及指標體系構建為主，且逐漸從定性研究轉為更加精準的定量研究［21，22］。因此，本研究以湖南省湘鄉市為研究對象，在50 m柵格尺度上，引入智能建模工具隨機森林模型對生態安全進行評價，以此全面了解湘鄉市生態安全水平現狀，旨在為湘鄉市構建科學合理的生態安全格局、制定切合實際的政策、優化國土空間資源配置、改善產業結構等方面提供參考。

1 研究區概況

湘鄉市，居湖南省的中部偏東地區，地處湘中丘岡向湘江河谷的過渡帶，位于東經111°59′40″—112°38′55″和北緯27°29′02″—28°03′45″，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，光熱充足。全市轄3鄉15鎮4個街道，土地總面積為19.67萬hm2，境內河流密布，水資源豐富，森林覆蓋率49.82%，是全國糧食生產先進市。2019年市域總人口約92.41萬，人均土地資源0.22 hm2，人均耕地0.06 hm2。隨著湘鄉市進入快速城市化和工業化階段，建設用地面積不斷擴張，人均耕地面積將進一步減少，生態環境問題日益凸顯。

2 數據來源

本研究所用數據主要包括土地利用、土壤屬性、高程、植被歸一化指數（NDVI）數據、道路分布、降雨量和氣溫等，主要來源于地理空間數據云、中國氣象數據共享網和國民經濟和社會發展統計公報等網站和資料。

3 研究方法

3.1 生態安全評價指標體系的構建

構建科學合理的生態安全評價指標體系是準確評價湘鄉市生態安全狀況的前提。本研究將生態安全定義為在受到外界干擾的情況下，仍然可以為人類和各生物提供穩定的生存環境和持續性的糧食供給。因此，在本研究中生態安全是由自然環境和人類活動共同影響的，即構建生態安全評價指標體系應包含自然因素和人類活動因素。根據評價指標的獨立性、穩定性、針對性及評價過程的可操作性等原則，結合湘鄉市生態環境存在的實際問題及數據的可獲得性，從生態重要性、生態敏感性和生態阻力3個方面構建生態安全評價指標體系。

1）生態重要性指標。本研究從人類對生態系統的需求角度出發，基于湘鄉市的生態環境特點，通過對湘鄉市相關數據、文獻的收集與分析，結合相關研究［23，24］，確定湘鄉市關鍵的生態服務為水源涵養、生物多樣性保護與糧食安全。本研究選取年均降雨量、生物多樣化、植被歸一化指數、土層厚度和糧食產量作為湘鄉市生態重要性評價指標。

2）生態敏感性指標。生態敏感性評價是對現狀自然環境條件下潛在生態環境問題發生的難易程度和可能性大小進行評定。本研究根據湘鄉市主要生態環境問題和歷年自然災害發生情況選取地質災害、水土流失和石漠化3項威脅，綜合選取降雨量、地形起伏度、碳酸鹽出露面積比例、到河流距離、到公路距離、坡度、降雨侵蝕力、高程、土壤可蝕性和植被覆蓋度10項指標作為生態敏感性指標。

3）生態阻力指標。生態阻力是指生態要素、功能與過程在空間流動上的阻力大小，其主要受景觀類型影響［25］。本研究從顯性阻力和隱性阻力兩個角度來選取生態阻力這一維度的指標，顯性阻力選取土地利用類型這一指標，隱性阻力選取代表地貌條件的坡度因子和地形起伏度因子［26］。

3.2 數據處理

本研究基于ArcGIS 10.2平臺對數據進行處理，坐標設置為國家大地2000坐標系，使用地圖代數功能對以上綜合14項指標（圖1）進行極差標準化處理，生成柵格數據圖層，空間分辨率為50 m×50 m，湘鄉市共劃分為792 954個柵格單元。

圖1 各指標分布特征

3.3 隨機森林算法

隨機森林作為一種新開發的人工智能建模工具，可識別生態安全狀況。相較于GIS疊加分析，隨機森林算法具有多項優勢。首先，其不受量綱限制，即無需對數據進行標準化處理。其次，模型具有較高的準確率，能夠基于有限的訓練樣本，通過調整最優參數以最小誤差實現較高的分類準確率，同時建立多個變量間的權重學習機制，在進行復雜、非線性大系統內某一屬性評價時可以很好地避免“過擬合”問題［27］。此外，隨機森林模型在具有較高精準度的同時，運算速度快，且相對于低維數據或者小數據，在處理高維數據和大數據時表現更為優異，可以隨機選取變量子集。

步驟1：通過重復非參數抽樣方法（bootstrap，以下簡稱bp）重復有放回地從原始訓練集N中隨機選取n個訓練樣本，每個bp樣本即為每棵分類樹的全部訓練數據，剩余未被bp抽取的樣本則被視為袋外數據，用以評估模型性能。

步驟2：每個bp樣本生成分類樹。葉子節點開始分裂時，從M個特征中隨機選取m個特征(m≤K)，采用Gini算法從m個特征中選取Gini指數最小的特征作為分類點進行分裂，形成單棵分類樹，這樣的分類樹偏差低，能夠有效避免測試數據分類的誤差。計算過程如下。

式中，pi為類別Ci在樣本集N中出現的概率。

步驟3：將步驟2重復T次，最終形成T棵CART分類樹。

步驟4：T棵分類樹以簡單投票的方法確定待測樣本的分類結果，以最終票數最多的類作為最終類別。

最終分類結果：

2）生態安全等級分類樹。隨機森林模型的核心是由分類樹對每一組指標值進行對應的生態安全等級判定，這種分類樹是由根節點、子節點和葉子節點組成的分類樹。每一顆分類樹中，從根節點到葉子節點的分類路徑就是一種分類判定規則，葉子節點則對應評價級別。

自根節點開始，到葉子節點的等級分類樹的形成過程就是訓練樣本，利用Bagging方法有放回地從具有N個樣本的總訓練集中隨機抽取n個樣本組成單棵樹的訓練集D1，同時隨機從全部指標中選取部分指標作為分類節點對D1進行遞歸分割，所有分割方法都會對每個分類節點指標進行分割，最終選取Gini指數最小的分類節點指標進行分割，在此過程中不對分類樹進行剪枝，使其任意生長。

3）特征重要性。隨機森林生態安全評價模型的特征重要性即生態安全等級評價的指標重要性。隨機森林可以對含有較多個特征的數據集進行特征篩選，選擇對分類結果影響最大的部分特征，以此來縮減建立模型時的特征數，提高模型運行效率和準確性。特征重要性是指每一特征在隨機森林中的每棵分類樹上所作貢獻的相對大小，通常使用基尼指數或者袋外數據錯誤率作為評估指標來衡量。

4 生態安全評價過程

4.1 選取樣本

隨機森林模型是智能分類模型，能夠通過對訓練樣本的學習以達到準確分類待測數據的目標，因此，樣本選取是構建隨機森林生態安全評價模型的關鍵，樣本選取質量決定了整體評價效果。隨機森林模型無需設定指標權重和分類標準，但是樣本的選取需要遵循一定原則，即模型的權重與分類標準是被樣本數據的選取規則所取代。

成功選取樣本之后需人為對樣本級別進行判別，同時將樣本集分為訓練樣本和測試樣本。湘鄉市生態安全狀況將分為5級：極安全、較安全、中等安全、一般安全和不安全，樣本依據《湖南省生物多樣性保護戰略與行動計劃（2013—2030年）》、湘鄉市生態保護紅線、各級自然保護區、森林公園、濕地公園、生態公益林和歷年地質災害發生點位等綜合選取，并加以人工識別賦予樣本相應的生態安全等級。本研究共選取5 000個樣本點，具體分布如圖2所示。

圖2 樣本點分布

4.2 訓練數據

本研究借助python語言平臺實現隨機森林模型的構建，選取5 000個樣本點作為樣本數據集N，各級別樣本分別為1 000個。首先，把樣本集N分別按75%和25%的比例隨機分成兩個子集N1和N2，然后，將其中的N2作為測試數據集Testi，N1作為訓練數據集Traini，從而構成訓練測試集對樣本進行訓練與檢測。

4.3 優化參數

在構建隨機森林模型時，需要對模型進行相關參數設定。在調整參數之前，對隨機森林模型中的random_state進行調整，random_state控制的是生成森林的模式，保證程序每次運行都分割相同的訓練集和測試集。本研究設置random_state為0.5。經過多次調試將隨機森林模型的以下參數調整至最佳參數，其余參數均為默認值。

1）分類樹的個數。分類樹數量越大模型效果越好，但達到一定程度時，精確性趨于穩定。經過設置不同分類樹個數的模型運行效果比較，將模型的分類樹個數設為2 000個。

2）分類樹最大深度。數據或者特征量少時可不設置，數據和特征多的情況下，可根據數據分布限定分類樹最大深度。本研究基于數據和特征數量將分類樹最大深度設置為20。

3）最小樣本數。該值限制子樹繼續劃分的條件，默認值為2，樣本量不大的情況下無需修改。本研究根據樣本數據情況將最小樣本數調整為10。

4.4 精度評判

將訓練集與測試集輸入隨機森林模型進行運算，對模型訓練與測試結果進行評估，若滿足評估精度要求即可進行下一步計算，若不滿足則需要對模型主要參數重新設定或重新選取樣本點，直到滿足評估精度要求后才能應用模型進行數據處理。隨機森林模型內置了自評估功能，可不進行單獨測試，評估結果見表1，模型的訓練精度為98.01%，測試精度為95.53%。模型精度已經非常高，為避免模型過擬合問題，本研究不進行交叉驗證來提升模型分類精度。

表1 隨機森林模型訓練和測試精度評估

4.5 特征重要性分析

本研究構建的隨機森林生態安全評價模型是根據所有分類節點的平均基尼減少值來計算各指標重要性程度（表2），其中，生物多樣性、到河流距離、到公路距離和土地利用類型重要度均超過7%，分別為31.48%、15.29%、8.83%、7.76%，4個指標重要度之和高達63.36%，表明這4個特征對生態安全等級評價的貢獻程度最大。土層厚度、土壤可蝕性和石漠化程度是特征重要性最低的3個指標，重要度均低于2%，分別為1.02%、0.44%、0.38%，表明其對生態安全等級評價的貢獻程度最小。其他7項指標NDVI、地形起伏度、地質災害核密度、坡度、降雨量、糧食產量、土層厚度重要性程度分別為6.97%、6.65%、6.34%、6.27%、3.33%、2.87%、2.37%，其中，NDVI、地形起伏度、地質災害核密度和坡度較其余幾項指標重要性程度更高，對評價結果貢獻程度較大。

表2 湘鄉市生態安全影響因子重要性程度

從指標整體情況來看，生物多樣性、到公路距離、到河流距離、土地利用類型、NDVI、地形起伏度、地質災害核密度和坡度這8項指標特征重要度累計值占總數的89.59%，表明這些指標是影響湘鄉市生態安全評價的主要因子。其中，生物多樣性分布差異較大，對分類結果的影響最為顯著，生物多樣性高值區基本對應生態安全評價結果中的高水平區域。

5 湘鄉市整體生態安全狀況

隨機森林模型經過訓練學習檢驗精度后，得到訓練好的隨機森林生態安全評價模型，把湘鄉市生態安全評價指標數據共786 750個待測點輸入模型，輸出評價結果，并導入ArcGIS 10.2軟件中進行分析。

采用GIS空間分析工具對湘鄉市不同生態安全水平的柵格進行統計分析，發現湘鄉市生態安全水平空間格局具有空間分布不均的特點（圖3），西部、北部地區生態安全水平高于東部、南部地區，山區高于城區。

圖3 湘鄉市生態安全等級評價結果

如表3所示，①整個市域范圍內處于極安全水平的柵格有14 011個，僅占總量的1.78%，主要位于水府廟國家級濕地公園和市級生態紅線范圍內的林地，這些區域生態環境基本未受干擾，具有相對完整的生態系統結構，生物豐富度高，功能性強，自然災害少，生態安全性高，與隨機森林生態安全評價結果相符合；②較安全水平的柵格占比為14.78%，主要位于湘鄉市生態保護紅線范圍內和褒忠山林場、東山林場等生態用地中，這些區域生態環境質量較好，較少受到破壞，人口稀疏、城鎮化水平低，人類活動和自然災害干擾小，且一般干擾下可恢復，具有較高的生態安全性；③湘鄉市中等安全水平的柵格占比為24.26%，主要分布于公益林、少量水域和一些自然條件較好的耕地中，這部分地區生態環境受到一定破壞，恢復能力有限，無法承受外界較大干擾，自然災害發生較少，生態安全性屬中等水平；④一般安全水平的柵格占比為17.05%，主要分布在普通林地、一般耕地和部分建設用地中，處于這一水平的地區生態環境受到較大破壞，受外界干擾后恢復困難，自然災害多發，生態環境較差；⑤不安全水平的柵格占比為42.13%，主要分布在河網和交通路網密集、城鎮化水平高以及自然災害頻發的地區。這些地區極易受到外界較強干擾，生態環境受到嚴重破壞，難以恢復與重建，自然災害頻發，生態環境惡劣，生態安全水平低。

表3 湘鄉市生態安全等級柵格統計

綜上，湘鄉市中低生態安全水平的柵格數量為656 453個，占據總體柵格數量的83.44%，從整體上來看，湘鄉市生態安全水平處于中低水平。湘鄉市處于極安全和較安全水平的柵格較少，占全市的16.56%，主要分布于湘鄉市四周低山丘陵區，這些區域林地、水域等生態用地較多，交通路網和河網相對較少，自然災害發生頻率低，生態環境較為穩定。而近主城區經濟和交通較為發達，建設用地較多，生態安全性較低。所以，目前湘鄉市面臨的現狀問題是經濟水平較高的城市區域和鄉鎮的生態安全水平較低，不能維持本區域的生態需求，即經濟發展與生態環境保護產生了矛盾?；诖?，湘鄉市亟需開展生態文明建設，對生態用地進行保護和修復，以解決生態用地不足、人類活動與自然災害干擾較多地區的生態安全問題，提高區域整體生態安全水平。

6 小結及建議

6.1 小結

1）本研究構建的隨機森林生態安全評價模型，經過樣本學習和測試樣本的分類檢驗，發現隨機森林分類模型具有較高準確率。其中，模型的樣本訓練精度為98.01%，測試精度為95.53%，且湘鄉市各級生態紅線與生態安全評價結果吻合較好。

2）湘鄉市生態安全水平格局具有空間分布不均的特點，整體呈生態安全水平西、北部地區高于東、南部地區，山區高于城區的特點。整體上，湘鄉市生態安全水平處于中低水平，中低水平的柵格占比為84.33%。目前湘鄉市的經濟發展與生態環境保護之間的矛盾是生態用地較多、交通路網欠發達、生態環境較為穩定的低山丘陵區生態安全性相對較高；湘鄉市城市化水平高、交通發達的地區，各類建設用地不斷擴展、生態空間被過度擠占，難以支撐該區域內生態需求，生態安全性較低。

3）通過隨機森林模型對湘鄉市生態安全指標進行重要性排序，結果表明，影響湘鄉市生態安全水平的主要因子是生物多樣性、到公路距離、到河流距離和土地利用類型。土層厚度、土壤可蝕性、石漠化程度等因子對生態安全等級評價的重要性程度相對較低。

6.2 建議

1）完善生態保護政策。在推進湘鄉市生態文明建設過程中，需要從政策層面上以強制的法律手段來確保生態文明建設的有序進行。首先，在嚴格執行《中華人民共和國土地管理法》《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國森林法》等法律法規的基礎上，可以通過修訂生態環境保護條例、土地管理規定等地方性法規，健全湘鄉市生態安全法律體系，用制度保護生態環境。其次，合理構建決策管理機制，對生態環境保護相關部門的職責進行權責劃分，將綠色GDP計入年度績效考評中，加強生態環境保護監管力度。

2）堅持節約集約利用資源。將節約資源貫徹于資源的開發利用全過程，鼓勵發展資源循環利用產業。湘鄉市目前正不斷推進城鄉生活垃圾無害化處理和資源綜合利用，開展生活垃圾焚燒發電項目，對推進兩型社會建設都具有十分重要的意義。鑒于此，湘鄉市首先應該積極開展環保民生項目，促進市域資源循環產業不斷發展。第二，在實施生態保護與修復中，盡量以自然恢復力修復生態系統。生態系統本身是具有自然恢復能力的，對湘鄉市生態安全評價結果分級，將具有生態恢復力的區域進行自然修復，有利于節約生態保護成本。第三，在國土空間開發規劃中，節約、集約利用土地，減少對生態用地的占用，促進區域協調可持續發展。

3）提高生態保護意識。保護生態環境首先要從樹立良好的生態保護意識開始，必須踐行黨的十八大指出的樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念。首先，要調動社會各方面的力量，進行生態環境保護相關宣傳教育，使人們認識到生態環境問題對人類、自然界的重要性，培養人們保護環境的責任感和使命感。其次，將生態環境保護納入義務教育中，從讀書開始學習環境保護的相關知識，讓生態保護理念根植于每個人心中。最后，結合湘鄉市生態環境狀況，探索多種形式的教育方式。