乐山市重点生态功能区生态安全评价及障碍因素分析_陈森.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20211226基金项目:南充市市校科技合作专项(SXQHJH041)资助作者简介:陈森(1990)，男，福建仙游人，工程师，学士，主要从事地理国情监测与统计分析工作。通信作者:甄艳(1985)，女，四川绵竹人，副研究员，博士，2013 年毕业于南京师范大学地图学与地理信息系统专业，主要从事S/GIS 技术应用与地理国情监测研究工作。乐山市重点生态功能区生态安全评价及障碍因素分析陈森1，甄艳2，杨晓钦2，康锦涛2(1 四川省第三测绘工程院，四川 成都 610500;2 西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500)摘要:以地理国情监测数据为基础，结合社会经济统计数据，采用 DPSI(驱动力压力状态影响响应)模型对乐山市国家重点生态功能区 20152018 年的土地生态安全进行评价，利用障碍度诊断模型分析影响生态安全的主要障碍因子，并结合 GIS 空间分析方法分析研究区生态安全时空演变情况。研究结果可为妥善处理人地关系，协调生态环境保护和经济发展提供有益参考。关键词:重点生态功能区;DPSI 模型;生态安全评价;障碍度模型中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06006305Ecological Security Evaluation and Obstacle Factor Analysis of LeshanKey Ecological Function AreaCHEN Sen1，ZHEN Yan2，YANG Xiaoqin2，KANG Jintao2(1 The Third Surveying and Mapping Engineering Institute of Sichuan Province，Chengdu 610500，China;2 School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)Abstract:On the basis of geographical conditions monitoring data，combined with social and economic statistical data，by using theDPSI(driver pressure state impact response)model to evaluate the land ecological security of Leshan national key ecologicalfunction areas from 2015 to 2018 Using the disorder degree of diagnosis model analysis of the main obstacle factors of ecological secu-rity The spatialtemporal evolution of ecological security in the study area was analyzed with GIS spatial analysis method The resultsof this study can provide useful reference for properly dealing with the relationship between man and land，coordinating ecological envi-ronment protection and economic developmentKey words:key ecological function areas;DPSI model;ecological safety evaluation;obstacle degree model0引言近年来，人口的快速增长、经济的高速发展与生态系统的长期开发利用，导致生态安全问题逐渐凸显1，土地生态安全评价受到学者们的广泛关注。生态安全评价指标体系构建和指标综合评价一直是生态安全研究的基础与重要内容2。在生态安全评价指标体系构建方面，目前使用较为普遍的是基于“压力状态响应”(PressureStateesponse，PS)框架或类似的相关体系36;在指标综合评价方面，目前大多数研究均将不同维度和量纲的所有评价指标进行归一化处理并赋予相应的权重，再采用加权的方式得到一个综合性的生态安全评价指数。权重的计算方法多采用专家打分法、熵权法、模糊综合评价法、物元模型法、变异系数法以及灰色关联度法等79。四川省乐山市地处长江上游腹地，是南丝绸之路、长江经济带和成渝经济区的交会点。在关于同意新增部分县(市、区、旗)纳入国家重点生态功能区的批复(国函2016 161 号)中指出，将乐山市的沐川县、峨边彝族自治县和马边彝族自治县纳入大小凉山水土保持和生物多样性生态功能区。本文以乐山市重点生态功能区为研究对象，以地理国情监测数据为基础，采用 DPSI 框架构建生态安全评价指标体系，开展研究区 20152018 年生态安全评价，并利用障碍度模型诊断影响该区域生态安全的主要障碍因子，评价结果对保障区域生态环境与生物多样性具有重要意义。1研究区域与数据来源1 1区域概况乐山市位于四川盆地与凉山高原过渡带，同时具有盆地、高原特征，境内环境复杂，高差达到 4 015 m。全市属亚热带季风气候，年均气温为 16 5，年均降水为1 000 mm。研究区位于乐山市南方，面积约占乐山市总面积的 1/2。1 2数据来源本文主要使用到以下数据:20152018 年地理国情监测数据;气象数据;乐山市 20152019 年统计年鉴以及政府工作报告，结合研究区实际情况，以地理国情监测数据为基础进行土地利用类型分类。2研究方法2 1DPSI 模型DPSI 模型是按因果关系整合土地生态安全与经济、人文、自然和政策等多方面影响因素构建评价指标体系，对土地生态安全进行评价。具体表现为社会、经济发展等驱动因素向环境施加压力，致使环境状态发生变化，从而影响人类健康、生态系统和自然过程，并最终引发决策响应10，如图 1 所示。图 1DPSI 模型Fig 1DPSI model2 2指标选取与指标体系构建根据指标选取的多项原则，结合研究区特点，构建土地生态安全评价指标体系11，并采用熵权法确定指标权重(见表 1)。表 1土地生态安全评价指标体系Tab 1Evaluation index system of land ecological security因子层指标层属性权重意义驱动力(D)D1 人口自然增长率(%)0 036 5表示人口增长对生态安全的驱动力D2 人均 GDP(元/人)+0 033 3表示经济发展水平对生态安全的驱动力D3 城镇化率(%)0 054 1表示经济发展状况对生态安全的驱动力D4 GDP 增长率(比上年)(%)+0 042 6表示经济发展变化强度对生态安全的驱动力压力(P)P1 人口密度(人/km2)0 253 2表示人口对生态安全的压力P2 污水排放量(万 t)0 043 3表示工业对生态安全的压力P3 化肥施用量(t)0 034 0表示农业活动对生态安全的压力P4 人均建设用地(人/hm2)0 027 3表示城市开发对生态安全的压力状态(S)S1 人均耕地面积(人/hm2)+0 033 5表示耕地资源的人均价值状态S2 人口死亡率(%)0 043 2表示居民健康水平状态S3 森林覆盖率(%)+0 038 7表示植被覆盖状态S4 水源涵养指数(%)+0 041 0表示水的丰富状态影响(I)I1 农民人均收入(元/人)+0 035 4表示对农村居民生活标准的影响I2 退耕还林还草(hm2)+0 056 2表示对退耕还林还草的影响I3 裸露地复绿(hm2)+0 044 8表示对裸露地复绿的影响I4 地均粮食产量(t/hm2)+0 026 8表示对土地生产能力的影响响应()1 污水年处理率(%)+0 047 7表示对生态安全改善的响应2 工业废弃物综合利用率(%)+0 038 7表示对生态安全改善的响应3 环保投资支出比重(%)+0 037 9表示政策对生态安全做出改善的响应4 第三产业产值比重(%)+0 031 7表示政策对生态安全做出改善的响应2 3数据标准化由于评价指标数据单元类型不同，指标之间不便于统一计算和比较，因此，本文采用极差法对评价指标进行标准化处理，将原始数据转化为 01。对于正向指标使用式(1)进行处理:yij=xij min x1j，x2j，xnjmax x1j，x2j，xnj min x1j，x2j，xnj，(i=1，2，3，n;j=1，2，3，m)(1)46测绘与空间地理信息2023 年对于负向指标采用式(2)进行处理:yij=max x1j，x2j，xnjxijmax x1j，x2j，xnj min x1j，x2j，xnj，(i=1，2，3，n;j=1，2，3，m)(2)式(1)、式(2)中，i 为评价年份序号，j 为评价指标序号，yij为各指标数据标准化数值，xij为第 i 年第 j 项指标数据实际值，max x1j，x2j，xnj和 min x1j，x2j，xnj分别代表第 j 项指标在评价年份区间内的最大值和最小值。2 4评价指标权重计算与 Delphi 法和层次分析法相比，熵权法在赋权的同时，能反映指标信息的实用价值，其可信度更高12。采用式(3)计算各指标的信息熵 Ej，再采用式(4)计算各指标的权重 Wj。Ej=kni=1pijlnpij，(i=1，2，3，n;j=1，2，3，m)(3)其中，k=1ln n()，pij=yijni=1yij，(i=1，2，3，n;j=1，2，3，m)式中，Ej代表第 j 项指标的信息熵;pij代表第 j 项指标的第 i 年数据占该指标评价年份区间内所有数据之和的比重;k 为引入的常数项，其取值由 n 决定;同时，当pij=0 时，pijlnpij=0。Wj=1 Ejmj=1(1 Ej)，(j=1，2，3，m)(4)式中，Wj代表第 j 项指标在评价模型中所占的权重，根据权重 Wj的性质定义及其计算公式可得mj=1Wj=1。2 5土地生态安全指数计算本文通过综合指数法对研究区生态安全指数进行计算，该方法兼顾各项评价指标数据大小以及对应的权重，在土地生态安全评价中应用较广泛和成熟13，其计算公式见式(5):E=mj=1Wjyij(5)式中，E 表示土地生态安全指数，Wj为第 j 项指标的权重，yij为标准化后的数值。参考国内外相关研究成果，并结合本区域实际情况，本文建立的土地生态安全等级划分标准见表 2。表 2土地生态安全等级划分标准Tab 2Classification criteria of land ecological securityE生态安全等级特征描述E 0 25不安全()土地生态系统压力极大，功能弱化，人地关系失衡，生态问题较严重0 25E0 40较不安全()土地生态系统压力较大，功能不齐全，人地关系和谐发展受到威胁，生态问题严重0 40E0 60临界安全()土地生态系统压力大，能维持基本功能，人地关系和谐发展受到一定影响，易出现生态问题0 60E0 75较安全()土地生态系统压力较小，功能正常，人地关系较和谐，生态问题不明显0 75E安全()土地生态系统压力很小，功能良好，人地关系和谐，生态问题较少2 6障碍因子诊断模型障碍因子诊断模型通过因子的贡献度和偏离度来计算指标的障碍度14。本文通过构建障碍因子诊断模型，得到制约乐山市重点生态功能区的关键障碍因子，以及各个障碍因子对研究区生态安全的影响程度，具体计算公式如下:Uij=ijWij(6)Vij=1 yij(7)Mij=VijUijni=1V(ijUij)100%(8)Nij=ni=1Mij(9)式中，Uij为因子贡献度，ij和 Wij分别表示第 j 项分类指标的权重与第 i 个单项子指标的权重;Vij为指标偏离度，yij表示相应指标的标准化值;Mij为单项指标的障碍度;Nij为因子层的障碍度。3结果与分析3 1土地生态安全评价3 1 1土地生态安全综合分析通过土地生态安全评价模型计算得到 20152018 年乐山市重点生态功能区的土地生态安全指数与等级，如图 2 所示。20152018 年研究区土地生态安全指数为0 300 69，安全等级处于，即土地生态安全综合指数先由 2015 年的 0 47 下降至 2016 年的 0 30，接着上升至 2017 年的 0 49 和 2018 年的 0 69，土地生态安全等级由临界安全降至较不安全，接着提升至临界安全，最后提升至较安全等级。图 2研究区生态安全情况图Fig 2Ecological security map in the study area各县的土地生态安全等级时空演变情况如图 3 所示，沐川县土地生态安全指数由 0 3 上升至 0 66，土地生态安全等级由较不安全提升至较安全;峨边彝族自治县土56第 6 期陈森等:乐山市重点生态功能区生态安全评价及障碍因素分析地生态安全指数由 0 25 升至 0 48，土地生态安全等级由不安全升至临界安全;马边彝族自治县土地生态安全指数由 0 50 降至 0 48，土地生态安全等级在研究期初与期末同为临界安全。3 个县中，马边彝族自治县的生态安全指数略有下滑，沐川县、峨边彝族自治县的土地生态安全综合指数均有所提升，其中，沐川县生态安全综合指数提高 0 36，提升幅度较大。图 3研究区生态安全时空演变图Fig 3Spatiotemporal evolution map of ecologicalsecurity in the study area3 1 2土地生态安全各子系统分析基于 DPSI 框架，研究区驱动力指数由 0 12 转为0 06，状态指数由 0 11 转为 0 08，呈减少趋势;压力指数由 0 19 转至 0 33，影响指数由0 02 转为 0 14，响应指数由 0 08 转为 0 09，呈增多趋势。其中，沐川县驱动力指数、状态指数分别从 0 10、0 1 降至 0 08、0 04，压力指数、影响指数、响应指数分别从 0 04、0 00、0 07 升至0 34、0 12、0 08;峨边彝族自治县驱动力指数由 0 08 减至 0 05，压力、状态、影响与响应指数分别从 0 06、0 07、0 03、0 08 增长至 0 07、0 11、0 14、0 12;马边彝族自治县的压力指数、响应指数分别由 0 33、0 06 减少至 0 06、0 10，影响指数由0 06 增加至 0 16，驱动力指数、状态指数则分别保持 0 09、0 08 不变。随着驱动力指数、状态指数的降低，由于乐山市重点生态功能区人口增长、经济加速发展、城镇化进程加快、建设用地增加等原因，给生态环境造成较大压力，致使环境状态发生转变。但是随着国家“十三五”节能减排综合工作方案(国发2016 74 号)和当地政府乐山市节能减排综合方案(20172020 年)等相关政策的相继出台，乐山市的废气排放、污水排放、工业固体废物综合利用和农用化肥施用等均得到控制;结合土地利用变化情况可知，研究区土地开发程度有所下降，相应的环境压力得到有效缓解，压力指数、影响指数、响应指数有所提高，从而有效提高了整个生态功能区的土地生态安全综合指数。3 2障碍因子诊断3 2 1指标层障碍因子诊断通过障碍度模型计算得到 20152018 年研究区土地生态安全指标层障碍度(见表 3)，并选择障碍度排名前五的指标。总体而言，2015 年乐山市重点生态功能区生态安全主要障碍因子分别为人口密度(P1)、污水排放量(D2)、退耕还林还草(I2)、裸露地复绿(I3)、污水年处理率(1)。20152017 年影响研究区生态安全的第一障碍因子是人口密度(P1)，表明前三年人口密度对生态安全影响最大。污水排放量(P2)为 20152017 年第二障碍因子，该时期污水排放量严重制约着生态安全健康发展;2018 年研究区土地生态安全主要障碍因子为人均建设用地面积(P4)、城镇化率(D3)、GDP 增长率(D4)、环保投资支出比重(3)、人均耕地面积(S1)。这期间，人口密度不再对地区生态安全造成较大制约，首要障碍因子转为人均建设用地(P4)，说明该阶段城市建设速度加快，在常住人口波动较小的情况下，人均建设用地面积增加开始表现为对土地生态安全的压力，一定程度上阻碍生态系统健康运行;在政府、各单位积极治理下，污水排放量在 20172018 年得到有效控制，不再成为阻碍因素，城镇化率则成为次要障碍因子，研究期末的城镇化率相比研究期初提升 5 45%，在地区经济得到发展的同时对生态环境造成了破坏作用。另外，GDP 增长率、环保投资支出比重以及人均耕地面积等因素的障碍度在 2018 年均有所增大。表 3指标层主要障碍因素Tab 3Main obstacle factors of the index layer年份障碍因子排序123452015 年 P1(33 82)P2(11 94)I2(9 84)I3(7 37)1(6 25)2016 年 P1(44 82)P2(8 56)P3(7 16)I2(5 40)D3(5 30)2017 年 P1(44 85)P2(12 37)D3(6 39)S2(5 40)S4(5 12)2018 年 P4(17 92)D3(16 50)D4(12 98)3(10 85)S1(9 61)3 2 2因子层障碍因子诊断根据进一步计算，得到研究区各年份对应因子层的障碍度(见表 4)。由 20152018 年各子系统障碍度均值可得出影响研究区生态安全的因子层障碍度综合排名:压力(48 33%)驱动力(15 61%)影响(12 83%)响应(11 74%)状态(11 49%)。对研究区土地生态安全造成最大阻碍作用的是压力因素，且该因素与其他因素之间障碍度差值较大，说明人类对自然施加的压力对土地生态安全的制约性较大，影响生态系统正常运作;状态因素作为研究区最小障碍因子，对生态安全影响相对较小。通过对各子系统障碍度进行分析，其中驱动力因素障碍度呈增长趋势，由 7 06%增至 32 47%，说明随着人口增长以及经济发展水平提升，对研究区生态安全的影响逐年递增，驱动力因素成为 2018 年的最大障碍因子;20152017 年压力层始终是首要障碍因子，2018 年该因子层障碍度大幅下降，说明研究前期生活、工业污水排放、农业生产中化肥的大量使用等因素对生态系统造成的压力较大，后期通过各部门严格管控、治理，上述压力得到有效缓解;状态层的障碍度在 20152016 年小幅度66测绘与空间地理信息2023 年下降，随后渐渐增大，总体呈增长趋势，表明人均耕地面积、森林覆盖率等环境状态因素对生态安全造成的影响增大;20152017 年影响层的障碍度呈下降趋势，说明在各相关机构的积极治理下，负面环境状态对整个生态系统造成的影响越来越小，2018 年有所回升;响应因素对研究区土地生态安全的阻碍作用在 2017 年最小，说明该年环保投资力度较大，污水处理、工业固体废物的利用等方面工作效率较高。表 4因子层主要障碍因素Tab 4Main obstacle factors of the factor layer驱动力压力状态影响响应2015 年7 0650 236 5425 7510 412016 年11 4361 564 1312 5810 302017 年11 4763 6314 044 676 192018 年32 4717 9221 258 2920 07均值15 6148 3311 4912 8311 744结束语乐山位于南丝绸之路、长江经济带与成渝经济区的交会点，保护乐山生态安全，对守好长江上游生态屏障具有重要意义。本文基于 DPSI 模型框架构建乐山市重点生态功能区生态安全评价指标体系，采用熵权法对各评价指标赋予权重，结合综合指数法开展研究区生态安评价，并利用障碍度诊断模型分析影响生态安全的主要障碍因子。得出结论如下:1)20152018 年间，研究区土地生态安全综合指数先减小再增大，土地生态安全等级由临界安全提升到较安全等级，土地生态系统压力逐渐减小，生态功能逐渐恢复正常，生态问题逐渐减少。2)从 DPSI 系统分析，驱动力、状态指数有所下降，压力、影响、响应指数上升。总体而言，研究区的土地生态安全等级处于上升趋势，分析结果与实际情况基本相符，说明了该评价方法的可靠性与可行性。虽然人类活动不可避免的会对生态系统造成一定的影响，但通过一些积极的响应措施以及加强环境保护，可以较好地减少由于人类开发对生态环境带来的种种不良影响。3)研究区土地生态安全的 DPSI 系统障碍度综合排序为压力驱动力影响响应状态，其中人口密度、污水排放量、人均建设用地、城镇化率等指标对土地生态安全的影响较大。因此，在后期的生态安全维护中，建议应合理控制人口密度，结合当地政策，重点开展生态保护、农村环境综合整治、环境基础设施建设等工作，注意协调发展人地关系，遏制建设用地非法扩张，并持续加强生态环境保护，以减小人类活动对生态系统造成的压力，实现人与自然和谐共生。参考文献:1应凌霄，孔令桥，肖燚，等 生态安全及其评价方法研究进展与展望 J 生态学报，2022，42(5):114 2陈星，周成虎 生态安全:国内外研究综述J 地理科学进展，2005，24(6):820 3HAN Baolong，LIU Hongxiao，WANG usong Urban ec-ological security assessment for cities in the BeijingTian-jinHebei metropolitan based on fuzzy and entropy meth-ods J Ecological Modelling，2015，318(1):217255 4杨光明，陈也，张帆，等 基于 PS 模型的三峡库区生态安全评价及动态预警研究J 生态经济，2021，37(4):209214 5赵柯，李伟芳，毛菁旭，等 基于 PS 模型的耕地生态安全评价及时空格局演变J 生态科学，2019，38(1):186193 6王志尧，王世东，熊强 焦作北部山前地带土地生态安全评价J 测绘与空间地理信息，2019，42(10):5764 7黎家琦，武雪玲，唐诗怡 压力状态响应模型下的生态敏感性分析算法J 测绘科学，2020，45(11):7583，106 8徐少癸，左逸帆，章牧 基于模糊物元模型的中国旅游生态安全评价及障碍因子诊断研究J 地理科学，2021，41(1):3343 9高升，孙会荟，曹广喜，等 中国东南沿海平潭岛生态安全动态评价J 应用海洋学学报，2018，37(1):94101 10姜雨青，李宝富，宋美帅，等 定量评估我国西北干旱区土地利用变化对植被指数的影响J 冰川冻土，2018，40(3):616624 11崔馨月，方雷，王祥荣，等 基于 DPSI 模型的长三角城市群生态安全评价研究J 生态学报，2021，41(1):302319 12吕添贵，孔安妮，汪立 基于 PS 模型的生态文明示范区生态安全评价及其障碍诊断J 水土保持研究，2021，28(2):343350 13傅建祥，郑满生 基于综合指数法的山东省农村生态环境发展水平测评J 生态经济，2020，36(12):200205 14赵杨秋，何刚，王莹莹，等 基于 BP 神经网络的工业生态安全动态评价及障碍因子诊断J 水土保持通报，2021，41(3):127136 编辑:张曦76第 6 期陈森等:乐山市重点生态功能区生态安全评价及障碍因素分析