岳陽市生態安全評價研究

謝 婷，楊曉容，彭發明

(1.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410004；2.湖南師范大學，湖南 長沙 410004)

1 引言

生態安全被認為是國家穩定、社會安定、經濟繁榮、民生改善最為基礎和最為牢固的構成要素[1]。在美麗中國、新型城鎮化戰略、鄉村振興戰略、生態文明建設的宏觀背景下，人們對美好生活環境的需求日益增加，把握好區域生態質量并構建出底線式的生態系統宏觀管理機制，對構建國土空間規劃體系和優化國土空間布局具有重要的意義[2]。長久以來，由于經濟發展的需要，不合理的土地利用方式損害了區域的生態健康，生態退化風險不斷增加，生態保護與經濟發展矛盾日益突出，為轉變生態弱化的趨勢，黨的“十八大”提出將生態安全納入到國家總體安全政策層面，并規劃實施了生態系統保護和修復重大工程，以建立生態安全屏障區的方式，明確國家宏觀空間保護格局。在此背景下，建立合理的評價指標識別區域生態安全狀況，有利于細化生態保護修復宏觀格局，并制定相應的管控措施，以促進人類活動與自然環境的互饋共生[3]。

生態安全作為一種自然與半自然的復合概念，往往是從人類生產生活與健康方面不受生態破壞與損失的角度進行界定的。目前，國內外相關學者已經開展了多層次生態安全評價及格局構建、評價指標體系的完善以及評價方法的創新等不同方面研究[4～6]，在生態安全評價理論基礎上，生態系統服務、生態健康與生態風險評價使生態格局在空間尺度得到了有效銜接[7]。從實證研究采用的方法上看，綜合評價法、生態系統服務價值法和物元分析法得到了廣泛應用[8～11]；從評價模型的選取上，由DPSIR理論衍生出PSR模型規整化了指標的建立，并對指標安全閾值的劃分展開了討論。生態安全評價研究作為生態學學科圖譜的重要支系，多學科融合、多層次匯聚，多體系延展是該領域研究的新方向[12]，而在內容外延的轉化上，學者也做出了不同嘗試，部分學者將生態安全評價與分區相結合，但研究機理較為粗糙，對生態保護修復指導意義不強，缺乏一定的過渡和銜接[13]，概念模型的建立也較多的局限于DPSIR理論，缺乏生態學核心思想的支撐。為擴展現有生態安全評價的指標分析體系，強化生態修復分區內容的延展性，本文選取“山水林田湖草”要素齊全、生態問題較為典型的岳陽市為案例區，結合生態學觀點建立生態安全評價指標體系，為科學確定生態保護修復的空間范圍，制定生態空間管控措施并構建國土空間規劃體系提供決策參考。

2 研究區概況

岳陽市位于湖南省東北部，素稱“湘北門戶”。地處28°25′31.65″～29°51′6.23″N， 112°18′33.13″～114°09′11.64E, 岳陽市下轄3個區(岳陽樓區、云溪區、君山區)、4個縣(岳陽縣、華容縣、湘陰縣、平江縣)、代管2個縣級市(汨羅市、臨湘市), 土地總面積15087 km2,2019年末，全市常住人口577.13萬人, 地區生產總值4001.55億元，總量居全省第2，比2018年增長4.2%。隨著城市化的快速發展，岳陽市生態環境壓力不斷增大，養殖企業分布集中，污染較大，廢棄礦山整治任務艱巨，風險猶存，東洞庭湖生態修復效果有待評估，部分地區出現濕地減少、林草地退化等問題。因此，面對區域凸顯的生態質量問題，亟待開展生態修復分區管控研究。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源及預處理

基礎數據的處理包括以下幾個方面：①以2019年土地利用數據為基礎，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地等土地利用類型；②選取2020年5～9月份18副MODIS13遙感數據，經鑲嵌、裁剪、MRT批處理與柵格計算，取18期影像的平均值得到區域NDVI及NPP數據。③將所有數據通過重采樣等操作轉換為1000 m×1000 m，并將水系、道路等矢量數據進行提取和融合等操作，所有數據來源見表1。

表1 數據來源及說明

3.2 指標體系構建及評估模型

評價指標的選取遵循科學性、綜合性、代表性等原則，通過參考生態學中的“活力-組織力-恢復力-生態服務能力”邏輯框架，建立研究區生態安全評價指標體系。依據確定的評價指標體系，構建岳陽市生態安全評價的突變模型。本文求解模型包括3級，第一級為目標層A1-A3 的值，構造為1個燕尾模型; 第二級為求解準則層 B1-B6 的值，構造為尖定突變模型; 第三級為求解指標層C1-C14的值構成的14個尖點、燕尾、蝴蝶模型，依次由下往上分層計算，最終得到總目標層的運算結果(表2)。

表2 生態安全評價指標體系

3.3 數據標準化處理

采用無量綱標準化法對數據進行處理，首先構建原始評價矩陣Rt=(Xij)mn, (Xij)mn由m個樣本和n個評價指標構成，代表第i年第j個指標數據，Max(Xij)和Min(Xij)分別表示為第i年(i= 1，2，…，n) 第j項指標(j= 1，2，…，m) 的最大值和最小值; 式(1)、式(2)分別代表正向、負向指標標準化公式,利用Arcgis中phython模塊對各指標進行編碼及歸一化處理，yij為標準化后的結果。

(1)

(2)

4 結果分析

4.1 岳陽市生態質量與空間分布特征

通過評價分析，岳陽市生態服務能力指數介于0.29～0.96之間(圖1)，區域生態服務能力總體良好，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。生態服務能力較高的區域主要集中在平江縣、臨湘市、岳陽縣等，林地面積約占區域總面積30.7%；生態服務能力較差的區域集中于市區、華容縣、湘陰縣等，其中林地面積占比約為4.4%。因生態本底、城市化水平、生態管理措施的不同，岳陽市生態服務能力具有一定的差異性，空間分異規律主要與森林覆蓋率的高低相關。而生態敏感層則呈現出相反的趨勢(圖2)，平江縣、岳陽縣西南部、湘陰縣東北部生態敏感指數較高，市區及縣域范圍內交通較為發達、城市建設密集度較高的區域生態敏感指數較低，這主要是由于平江縣、岳陽縣生態環境質量較佳，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，由于建設用地以及路網的分割，生態破碎化比較嚴重，生態敏感程度較低。作為生態穩定性的反映因素，生態組織結構能較好的體現斑塊的現狀格局，岳陽市生態組織結構指數介于0.58～1之間(圖3)，表現為中間低、四周高的分布趨勢，按不同行政區進行分區統計，其中云溪區生態組織結構指數平均值最低，為0.924，指數平均值較高的區域包括平江縣、岳陽縣、岳陽樓區、君山區、華容縣等，主要介于0.95～0.97之間，說明這幾個地區生態環境比較優良、空間配置較為合理。

圖1 生態服務能力評價

圖2 生態敏感性評價

4.2 岳陽市生態安全評價及修復分區

岳陽市生態安全指數在0.76～0.98之間，區域生態安全水平數值較高(圖4)。生態系統安全空間分布呈東高西低的空間分布趨勢(圖4)，其中，生態安全水平較高的區域主要集中于平江縣，岳陽縣及臨湘市東部。生態安全水平較差的區域集中于云溪區、岳陽樓區、汨羅市、湘陰縣中心城區附近。為進一步反映區域生態安全的總體特征，確定區域綜合管控措施，本研究根據生態安全綜合指數對整個區域進行類型劃分。按照地理學第一定律所揭示的空間相似性原理，采用自然斷點法將岳陽市的生態安全狀態分為4種不同類型，分別命名為敏感級(Ⅰ)、臨界級(Ⅱ)、良好級(Ⅲ)和安全級(Ⅳ)，并根據不同的分級標準界定為不同的保護修復區域，具體分級標準見表3。

圖3 生態組織結構評價

圖4 生態安全評價

表3 生態安全綜合指數分級標準

結果如下：①土地生態安全Ⅰ級，即敏感級,定義為生態修復區，總面積303 km2，占全市土地面積的3.2%，該區呈零星點狀分布，主要位于各縣市中心城區附近，在空間上表現出明顯的邊緣特性，該區人類生產活動頻繁，植被覆蓋度較低，工農業面源污染廣，生態壓力較大，生態退化、破碎化較為嚴重，因此，要結合區域及周邊環境，通過尋找影響生態安全的敏感因子，適度調整土地利用方式，有序開展生態保護修復工程，提升該區域生態安全水平。②生態安全Ⅱ級，即臨界級，即生態管控區，總面積1800 km2，占全市土地面積的19.2%，該區分布較為零散，主要位于岳陽樓區、岳陽縣、汨羅市中部等城鎮化邊緣地區，該區土地生態系統結構發生了較大程度的變化，城鎮化建設對城郊邊緣呈現一定的干擾態勢，較多的低山丘崗被道路、居民點隔絕，景觀破碎化程度高，產業布局粗放，集約化程度較低，因此，應合理控制3條紅線之間的邊界關系，防止優質耕地隨著城鎮化擴張被占用，避免城鎮化建設與生態保護沖突，全面提升土地生態價值。③生態安全Ⅲ級，即良好級，定義為生態保育區，總面積2722 km2，占全市土地面積的28.9%，該區主要位于華容縣南部、湘陰縣中西部以及汨羅市北部地區，土地生態系統結構穩定，生態系統主要服務功能良好，各類生態壓力未超出生態系統自身的承載能力，該區內應積極利用現有自然條件與區位優勢，加強政策與財政支持力度，通過有步驟地推進廢棄礦山修復、退出零散養殖企業等模式，盡可能減少人類活動對生態環境的影響。④土地生態安全Ⅳ級，即安全級(生態涵養區)總面積4584km2，占全市土地面積的48.7%，該區集中分布于臨湘市、岳陽縣、平江縣東部地區，呈片塊狀分布，該區生態系統結構穩定，自然生態價值完整，該區內應給予重點保護，注重生態功能的涵養，維持當前狀態。

表4 生態修復區面積統計 km2

圖5 生態修復分區

5 結論

城鎮化快速發展伴隨著環境污染和生態風險程度的增加，而農業畜牧業的污染又進一步加劇了土地的生態壓力，影響自然資源以及社會經濟運行狀態，然而，采用合理的政策與技術手段能夠改善土地生態安全環境。本文基于活力-恢復力-生態服務能力框架建立評價指標體系，對岳陽市生態系統安全進行了評價，研究結果表明，市域范圍內生態安全存在著結構失衡與空間異質的雙重特征。本文的主要研究成果包括以下2個方面：

(1)全市生態服務能力與林地數量關聯緊密，其中平江縣、岳陽縣及臨湘市東部地區生態服務能力指數較高，相反中西部地區城區范圍指數較低，主要由于中西部地區地勢比較平坦，草地、水域面積較為寬闊，生態服務能力次于東部。而生態敏感性則呈現出邊緣高，中間低的空間分布趨勢，其中云溪區、岳陽樓區、岳陽縣、汨羅市、湘陰縣中心城區出現生態敏感性低值區。而生態組織結構表現為中間低、四周高的分布趨勢，其值介于0.58～1之間，其中云溪區生態組織結構指數平均值最低，為0.924，指數平均值較高的區域包括平江縣、岳陽縣、岳陽樓區、君山區、華容縣等，主要介于0.95～0.97之間。

(2)岳陽市生態安全整體水平較高，生態環境較好，低值區主要以城區為中心，呈放射狀向四周輻射，出現層次分明的圈層狀態。以建城區為中心向四周逐漸擴散，反映城鎮化對環境產生較大的影響。從生態安全分布指數分析，岳陽市中部地區低值分布呈現條狀結構，南北聯系較為密切，應加強對南北干線“生態屏障”的切實保護，發揮“生態緩沖區”的調節作用。通過對生態安全評價結果進行分級，確定不同的生態修復分區結構，城區建設開發活動較為強烈，生態破碎化較為嚴重，因此需開展城市生態景觀與人居環境修復，修復面積約為303 km2，而位于城市邊郊的區域則確定為生態管控區，面積約為1800 km2，主要警惕城市建設所帶來的擴張性風險，生態保育區及生態涵養區面積較大，占據研究區總面積的77%，主要采取生態保護、減少人為干預的修復政策。

本文通過突變模型構建生態安全評價指標體系，評價結果基本與岳陽市實際情況相吻合，基于GIS與RS數據基礎的研究則進一步揭示了生態安全的內部空間與結構特點。還需進一步深入探討的問題包括：①生態安全評價指標體系中指標因子的選擇問題，本研究采用突變模型結合區域特色進行因子確認，如何提升指標選擇的科學性對研究的意義重大；②本研究時期較為單一，若能增加時間序列分析內容，則能揭示區域生態安全及生態修復效果的時空動態變化規律；③如何使生態修復區的識別更加精準，問題導向更加強烈，將是未來研究需要繼續加深的部分。