長江中游地區水生態安全時空演化特征及障礙因素研究

關鍵詞：水生態安全；ＰＳＲ 模型；障礙度模型；優化路徑；長江中游

中圖分類號：Ｆ２０５；ＴＶ２１３．９ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１６

引用格式：呂添貴，李銳，邱蓉，等．長江中游地區水生態安全時空演化特征及障礙因素研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：９６－１０２．

隨著我國城市化與工業化進程的加快，在資源開發利用、人口規模擴張等過程中產生的水生態安全問題日益凸顯［１－２］ 。水資源對于維持生態系統健康和生物多樣性等具有重要作用。近年來北京、鄭州等發生的嚴重內澇，給區域社會經濟發展帶來極大損失，同時嚴重影響區域水生態安全。科學測度區域水生態安全演變規律，對于構建區域水生態安全屏障具有重要作用。

國內外學者圍繞區域水生態安全進行了諸多研究，在概念層面，從環境科學、生態學、安全科學等方面對水生態安全進行了辨析［３－８］ ；在研究尺度方面涵蓋國家、流域等，其研究方向從以獨立自然歷程為基礎的單要素評估逐漸轉變為考量社會經濟與生態環境效益的綜合評估［９］ ；在模型構建方面，創建了耦合景觀生態學和數字地面模型等的水生態安全評價模型；在評價方法方面包括景觀格局分析法、生態足跡法、聚類分析法、物元分析法等［１０－１１］ 。綜上，已有研究圍繞區域水生態安全測度等進行了系統研究，但長江中游地區水生態安全評價方面還相對缺乏。鑒于此，本文以長江中游地區為研究對象，基于壓力－狀態－響應模型構建水生態安全評價指標體系，探析長江中游地區水生態安全時空演化特征，并采用障礙度模型診斷水生態安全影響因素，進而提出水生態安全優化路徑，以期為長江中游地區水生態安全屏障構建提供依據。

１研究區概況與研究框架

１．１研究區概況

長江中游地區包含江西、湖北、湖南等省的３１ 個地級市［１２］ ，是長江經濟帶的重要組成部分。研究區屬于亞熱帶季風氣候區，區域內地勢平坦，大多為平原，擁有洞庭湖、鄱陽湖和武漢東湖等眾多湖泊水系，水資源較為豐富。近年來隨著長江中游地區的大力開發與城市化和工業化等，以及氣候變化所導致的旱澇交替脅迫，研究區水環境污染、碳排放量超標和土地污染等問題阻礙了長江中游地區的綠色可持續發展。

１．２研究框架

壓力－狀態－響應模型（ＰＳＲ 模型）能夠對水生態安全狀況進行有效評估，較為直觀反映出人與水環境之間的相互作用關系，為解決環境問題提供有效的數據支撐，是目前自然環境研究中應用較廣的模型之一［１３－１６］ 。在長江中游地區建設中，城市生產生活廢水排放量增加，導致生態環境遭到破壞，水生態環境質量降低，為此，構建長江中游地區壓力－狀態－響應水生態安全評價框架，見圖１。

２評價指標及研究方法

２．１評價指標選取

結合長江中游地區水生態環境與社會經濟發展狀況，構建水生態安全評價指標體系［１７］ ，見表１。

１）壓力因素。壓力是社會經濟發展對水生態安全產生的直接負面影響。其中：城鎮生活污水排放量、工業二氧化碳排放量體現城市化帶來的環境保護壓力，人口密度和人均ＧＤＰ 表征人口增加、經濟發展以及環境污染對水生態環境造成的影響，農用化肥施用折純量、農用塑料薄膜使用量及農藥施用量表征在土地開發和土地利用過程中釋放的污染物對水生態環境的影響。

２）狀態因素。狀態表征當前生態環境下水資源的現實狀態。基于生產、生活、生態用水３ 個層面選取人均水資源量、農業用水總量、工業用水總量、生態用水量４ 個指標表征，其中：人均水資源量衡量生活用水狀態，農業用水總量和工業用水總量表征水生態環境系統提供生產用水的功能狀態，生態用水量體現生態用水和生態系統調節等狀態。

３）響應因素。響應體現人類對生態環境狀態的應對水平。其中：污水處理率衡量環境治理響應，科學技術支出表示經濟上對環境治理的響應，固定資產投資額表示企業通過優化自身生產經營結構對水污染進行控制的行動。

２．２研究方法

２．２．１水生態安全綜合指數計算

１）數據標準化。為消除不同評價指標間量綱和數量級的差異，采用極差標準化方法對評價指標進行標準化處理［１８－１９］ 。正向指標：

２．２．２水生態安全等級劃分

結合長江中游地區各市水資源實際情況，以等距法為分類方法，將長江中游地區水生態安全狀況劃分為不安全、臨界安全、基本安全、安全４ 個等級［２０－２１］ ，其對應的水生態安全綜合指數分別為≤０．２５、（０．２５，０．５０］、（０．５０，０．７５］、＞０．７５。水生態安全水平和水生態安全綜合指數正相關。水生態安全綜合指數越接近于１ 的市水生態安全水平越高。

２．２．３障礙度模型

水生態安全評價需要仔細分析其影響因素，并評估各指標的障礙度，以確定水生態安全主要影響因素。為此，構建水生態安全障礙度模型，診斷長江中游地區水生態安全障礙因子，并采用指標貢獻度（Ｍ_ｉ）、指標偏離度（Ｓ_ｉ）和指標障礙度（Ｎ_ｉ）３ 個指標按照障礙度的高低確定各因子是否有主從關系，及其對水生態安全的影響程度［２２－２４］ 。

２．３數據來源

研究數據主要來源于２０１１—２０２０年湖北、湖南和江西省的統計年鑒，各市的國民經濟和社會發展統計公報、水資源公報，以及《中國城市統計年鑒》。

３計算結果與分析

３．１水生態安全評價結果

３．１．１水生態安全時間演化特征

長江中游各省水生態安全綜合指數大多保持在臨界安全等級，但水生態安全綜合指數呈上升態勢，城市群水生態安全綜合指數均值從２０１１年的０．３４８３增大到２０２０年的０．４３４０，見表２。然而，在２０１８年，多地市水生態安全綜合指數出現波動，主要受壓力、狀態下降影響。長江中游城市化快速發展影響水生態安全，而隨著水生態環境建設的不斷推進，長江中游各省水生態安全水平有所提升。

３．１．２水生態安全空間演化特征

為揭示長江中游地區水生態安全的空間差異，選取２０１１年、２０１６年、２０２０ 年，基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２軟件進行可視化處理。由圖２ 可知，長江中游地區水生態安全狀況在空間上存在差異。

２０１１年，長江中游各市水生態安全等級大多為臨界安全，僅長沙為基本安全，而天門、潛江、鄂州、鷹潭為不安全等級。究其原因，長江中游各市正處于城鎮化和工業化高速發展時期，隨之產生了水生態安全問題，因而２０１１年長江中游地區水生態安全水平普遍不高，有較大提升空間。

２０１６年，武漢、岳陽、婁底、南昌、株洲水生態安全等級演變為基本安全等級。武漢等大幅度降低農用塑料薄膜使用量，提出“農藥減量化”和提高污水處理率等舉措，提高了水生態安全水平，因此轉變基本安全等級。其他市也對“大力推進生態文明建設”這一決策作出響應，形成了長株潭城市群循環經濟試驗區、武漢都市圈和鄱陽湖生態經濟區等綠色低碳發展戰略，提升了區域水生態安全水平。

２０２０年，長沙、武漢水生態安全等級提升為安全，其他市水生態安全綜合指數也有所增大。究其原因，雖然長沙、武漢人口密度、城市污水排放量處于全域前三，但相對于其他市其經濟快速發展，科學技術支出較高，固定資產投資額處于較高水平且農用化肥施用折純量、農用塑料薄膜使用量和農藥施用量較少，因此其水生態安全等級較高。

同時，萍鄉、九江、吉安、宜春等地處江西省五大河流域和鄱陽湖流域，可以充分利用河谷平原的地理資源和區位優勢提升水生態安全水平，尤其是城鎮人口增長和區位優勢凸顯促進區域投資，但各地市農用化肥施用折純量、農用塑料薄膜使用量和農藥施用量均處于全省高位，對水生態安全產生明顯影響。

綜上，水生態安全綜合指數增大，水生態安全水平有所提高，這在一定程度上得益于響應系統的作用。然而，很多市仍處于臨界安全等級，距離基本安全等級還有很大差距。

３．１．３水生態安全全局自相關分析

基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２ 軟件進行全局自相關分析，測度全局莫蘭指數，結果見表３。莫蘭指數為０． ０２５ ～０．２８９，大多通過Ｐ 值（概率）為１％的顯著性檢驗，相應的Ｚ 值（標準差的倍數）呈現一定聚焦與離散特征，表明長江中游地區水生態安全空間正相關。２０２０年全局莫蘭指數減小，為１０ａ 內最小值，空間相關性與之前相比有所減弱。

３．１．４水生態安全局部自相關分析

為了進一步探究長江中游地區水生態安全的局部空間自相關特征，采用局部莫蘭指數進行長江中游地區水生態安全局部空間自相關分析。２０１１年、２０１６年和２０２０年長江中游地區水生態安全ＬＩＳＡ 集聚圖見圖３。

２０１１年，長沙、湘潭、株洲和衡陽為高高集聚區。湖南省水生態基礎較好，科學技術投入較大，水生態環境治理能力較強。受東南部沿海氣候影響，亞熱帶季風氣候帶來的降水量和空氣濕度能夠保證足夠的水汽輸送，同時植被覆蓋率較高、生態環境狀態良好。

２０１６年，區域間高高集聚區減少為湖南省湘潭和衡陽。該地區受傳統資源開發模式影響，如株洲市粗放開發資源，使生態環境受到了較大影響。此外，潛江承接污染產業轉移，但未獲得合理的生態環境補償，由高低集聚區轉變為不顯著。可見，從粗放低效發展模式轉變為集約綠色發展是區域水生態安全水平提升重要方向。南昌水生態安全集聚效應一直呈不顯著特征，表明其對其他地區的空間帶動效應不明顯。

２０２０年，湘潭工業發展程度較高，２０１１—２０２０年工業發展水平顯著高于周邊其他市的，湘潭能源消耗量巨大，污水排放量較大，水生態安全水平較低，地區間出現低高集聚現象。

３．２水生態安全障礙度診斷

３．２．１因素層障礙度診斷

由表４可知，２０１１—２０２０年長江中游地區壓力、狀態、響應障礙度均值分別為３．５１％、４８．３４％、４８．１６％，影響長江中游地區水生態安全的因素層障礙度綜合排序：狀態＞響應＞壓力，即起制約作用的影響因素為響應和狀態。

３．２．２指標層障礙度診斷

將典型年份（２０１１年、２０１６年、２０２０年）障礙度排名靠前的指標作為其主要障礙因素，包括科學技術支出、生態用水量、人均水資源量、固定資產投資額、工業用水總量、農業用水總量［２５］ ，其障礙度見表５。科學技術支出障礙度最大，與第一產業關聯的農業用水總量的障礙度排名也比較靠前，表明第一產業發展模式和城市化對水生態安全有較大影響。在狀態因素中，人均水資源量障礙度較大，是影響長江中游地區水生態安全的重要因素，表明日常用水方式對水生態安全產生顯著影響。此外，固定資產投資額對生態安全的影響相對靠前，表明城鎮化投資抑制了長江中游城市群水生態安全水平。

３．３長江中游地區水生態安全優化路徑

為實現長江中游地區水生態安全新格局，結合水生態文明建設成果和地域資源條件，提升區域水生態安全水平，見圖４。

１）引導人口向中小城市流動，承接勞動密集型產業。利用長沙、武漢等大型城市的吸引聯動作用，將工業生產和服務行業作為未來增加就業人員崗位的保障，引導人口流向中小城市，化解人口增長對水生態安全所造成的壓力。此外，提高對湖北等水生態安全較低的城市政策的支持力度，推進勞動密集型產業轉移，大力支持流動人口就近工作。

２）加大科學技術投入，實現工業綠色轉型。首先，確定清潔能源主導地位，推動新能源進一步替代石化能源，成為生產生活中的主導能源；其次，提高傳統能源利用效率，積極推進電力系統數字化和智能化建設；最后，充分發揮安徽等地關于污水處理排放技術的創新優勢，減少日常工業污水排放量。同時，創建綠色發展工業轉型升級示范園區，給予土地、租金、稅收、技術等政策優惠，吸引行業內應用綠色資源較為出色的企業入駐，從而以點帶面，實現工業綠色轉型。

３）推動區域農業高質量發展，實現農業經濟與水生態效益均衡發展。長江中游地區位于我國主要的糧食生產區，要實現鄱陽湖、洞庭湖水生態安全綜合指數穩定提高，應延伸打造綠色農業產業鏈，與生態旅游產業相結合，通過觀光農業和采摘園等，促進當地特色農業產業發展，實現農業經濟與水生態效益平衡。

４）積極響應水生態環境治理政策，提高生產領域水資源環境績效。政府應積極運用其職能，增加武漢城市群、鄱陽湖城市群水生態環境治理資金，加大監督治理力度，提升水環境治理所占經濟比重，以提升生產領域水資源環境績效，實現水環境治理保護與社會經濟協同發展［２６－２７］ 。

４結論

基于長江中游地區３１ 個地級市指標數據，運用ＰＳＲ模型和障礙度模型等，綜合評價了２０１１—２０２０年水生態安全等級空間差異特征及其障礙度。長江中游地區水生態安全綜合指數由２０１１ 年的０．３４８ ３增大到２０２０年的０．４３４０，總體呈上升態勢。但長江中游地區水生態安全水平大多接近臨界安全等級，距離基本安全等級還有很大差距。長江中游地區水生態安全水平影響因素綜合排序為狀態＞響應＞壓力，相應的障礙度均值分別為４８．３４％、４８．１６％、３．５１％，受生態用水量、人均水資源量、工業用水總量等的綜合影響。長江中游地區水生態安全空間正相關，在區域內呈現集聚分布的特點，其中湖南省中南部地區具有高高集聚特征、武漢市具有低低集聚特征。

未來應引導人口流向中小城市、加大科學技術投入、實現農業經濟和水生態效益均衡發展等，重構區域水生態安全格局。