丹江口库区生态安全的时空演变规律及其调控措施

彭 哲, 郭 宇, 郝仕龙, 侯梅芳

(1.河南省土地整理中心, 河南 郑州 450016; 2.上海应用技术大学 生态技术与工程学院, 上海 201418; 3.华北水利水电大学 资源与环境学院, 河南 郑州 450046)

生态安全与国防安全、经济安全同等重要，都是国家安全的重要基石[1]。中国生态安全研究始于1990年代后期，生态安全研究是一个新兴研究领域，也是可持续发展研究的前沿领域[2]。广大学者在生态服务价值[3-4]、生态足迹[5-7]，生态风险[8-9]、生态安全评价[10-11]等领域进行了广泛深入的研究，但目前对生态安全研究以大、中尺度居多，缺乏对小尺度分析。针对同一研究区选取不同的研究尺度能展现不同的格局过程和结果[12-13]。对大、中尺度区域进行生态安全研究只能得出该大、中区域生态安全状态的变化[14-16]；以小尺度区域为评价单元进行分析，不仅可以揭示该区域内生态安全的空间分布规律，更能具体地针对不同评价单元找出各自的主要问题并提出有针对性的建议[17-18]。

河南省淅川县位于南水北调丹江口水源重点保护区，是南水北调中线工程渠首所在地，其生态安全问题会影响南水北调工程效益的长久发挥。因此，本文拟选取淅川县为研究区，基于当前生态安全研究的特点，以乡镇为评价单元进行小尺度生态安全评价研究，具体反映淅川县生态安全时空动态演变过程，以期为保护水源区的生态安全探寻合理的调控措施提供依据。

1 研究区概况、数据来源及方法模型

1.1 研究区概况

淅川县位于河南省南阳市的西南边陲，河南、湖北和陕西3省交界的交界地带，占国土面积2 798 km2，得名于淅水冲击形成的百里平川。其境内的丹江口水库是亚洲最大的人工淡水湖，同时淅川县也是南水北调中线工程的主要淹没区、渠首工程和干线工程所在地。淅川县下辖16个乡镇，537个行政村，南水北调中线核心水源区面积占全县国土总面积的92.8%，达2 616 km2。地貌高低落差较大，西北高、东南低，北、西、南三面环山，地形似马蹄状。境内海拔高程最高达1 086 m，最低为120 m，平均海拔为567.67 m。淅川县资源丰富，气候适宜，四季分明，雨量充沛。

1.2 数据来源

研究数据包括社会经济数据、环境保护数据和地理空间数据，其中环境监测数据和地理空间数据由当地相关职能单位提供，社会经济数据主要通过走访农户、查阅历年《淅川县统计年鉴》《南阳市统计年鉴》及相关统计公报获得。

1.3 方法模型

1.3.1 PSR模型法(压力—状态—响应模型) 本文使用被广泛承认的PSR模型[19]构建评价指标体系。P—R—S框架模型包含3个相互联系的系统，其中压力指标指人类活动对生态系统造成的直接压力因素，如人口、经济、环境等方面的压力；状态指标指在人类活动压力下资源环境所处的状态，例如水(土)资源、水环境、生物多样性等方面的状态；响应指标指人类应对各类环境问题时所釆取的应对方式，它随着社会的进步而变化。

1.3.2 层次分析法 层次分析法、Delphi法(专家调查法)、熵权法等为目前常用的确定指标权重的方法。层次分析法为定性与定量分析相结合的系统分析法，将人的经验等主观定性分析定量化，思路简单，运算方便，适用于指标数据多而复杂且难以量化的决策问题。生态安全评价时各评价指标对结果的影响程度不同，分析较复杂且难以量化，因此本文选取层次分析法为确定各评价指标的权重的方法。

2 结果与分析

2.1 生态安全时空动态分析

2.1.1 指标体系的构建 本文结合南水北调中线河南省水源区淅川县的生态环境特点，构建了包含29个指标的水源区小尺度生态安全评价指标体系(如表1所示)。该体系包含了4个层次系统，其中，目标层表征了淅川县生态安全的总体水平和程度，为综合性指标。依据“压力—状态—响应”(P—S—R)模型建立的目标层(O)将生态安全系统分为3个子系统，分别是生态系统压力、生态系统状态、生态系统响应子系统。在准则层(A)的基础上可进一步可划分出不同的因素层(B)，生态系统压力又可划分为人口压力、经济水平压力、经济发展压力、环境压力；生态系统状态进一步划分为水资源状态、土地资源状态、水环境状态、生物多样性状态；生态系统响应可划分为环境治理响应(土地、水)、人文社会保障响应、经济发展响应。指标层(C)是用以衡量因素层各部分的可直接度量的单项指标，是整个指标体系最基本的层面。

表1 丹江口库区水源区生态安全评价指标体系

2.1.2 生态安全等级的划分 根据计算出来的淅川县各乡镇生态安全值，结合研究区的生态安全状况，将淅川县丹江口库区的生态安全划分为5个等级:红色预警级、橙色预警级、黄色预警级、蓝色预警级和绿色安全级，表示严重程度依次减轻，各个等级分布情况(详见表2)。

表2 丹江口库区生态安全等级划分

2.1.3 时间演变分析 从表3中可以看出，2000—2015年淅川县各乡镇生态安全综合值整体呈波动上升的趋势，其中2000—2006年生态安全综合值增长缓慢，2006年后增长趋势明显。2000年各乡镇生态安全综合值差别较小，至2015年各乡镇生态安全综合值差异增大，变化程度最小的为城关镇，变化值小于0.1；变化程度最大的为香花镇，变化值大于0.4；变化值大于0.2的乡镇有香花、上集、大石桥和滔河等。

表3 丹江口库区生态安全变化

从图1中可以看出，处于橙色预警级的乡镇个数在2000—2012年逐渐减少，至2012年减少为0个，其间于2006年存在较大波动，增长为4个；处于黄色预警级的乡镇个数在2000—2006年在12～14个间存在较低的波动，2006—2014年显著上升，而2014—2015年急剧减少5个；处于蓝色预警级的乡镇于2011年开始出现，至2013年增长为4个，2014年出现较大的异常波动2013—2014年减少3个而2014—2015年增加了5个。研究时段内均未出现生态安全等级为红色预警级和绿色安全级的乡镇。2000—2011年处于橙色预警级和黄色预警级的乡镇个数变化情况呈负相关关系，2012年后处于橙色预警级的乡镇消失，开始出现处于蓝色预警级的乡镇，之后处于黄色预警级和蓝色预警级的乡镇个数呈负相关变化。

图1 丹江口库区生态安全等级乡镇个数变化

压力贡献度增加量为2015年压力占该年生态安全的比值减去2000年压力占该年生态安全的比值。从图2中可以看出，2000—2015年压力对生态安全综合值的贡献程度明显减少，多为负值，只有香花镇、大石桥乡、滔河乡3个乡镇为正值，但值极小。状态对生态安全综合值的贡献程度的增加和减少幅度均较小，且以减少居多；而响应对生态安全综合值的贡献程度均为正值，呈增加状态，其中城关和马镫镇增幅超过15%，香花镇、滔河和大石桥乡增幅最低均未超过5%。

图2 丹江口库区压力、状态、响应指标对生态安全综合值的贡献度变化

显而易见，压力对淅川县各乡镇生态安全综合值的贡献程度被响应的贡献度替代，即人们对影响生态安全的因素做了积极的响应。

综上所述，研究时段内淅川县各乡镇生态安全状况虽有波动但整体好转，生态系统压力影响程度减少，即人类对环境造成的压力减小；生态系统状态的影响程度变化不明显，即生态环境所处的状态变化较小；而生态系统响应的影响程度增大，即人们为生态系统良性转变而不懈努力。

2.1.4 空间演变分析 运用ArcGIS 10.3软件将各乡镇对应的分级结果进行空间展示，得出淅川县生态安全空间分布特征(图3)。

从图3可以看出，2000年和2005年相比处于橙色预警级的乡镇由4个减少为2个，其中大石桥乡依旧处于橙色预警级，滔河、厚坡、香花这3个乡镇由橙色预警转变为黄色预警，警情下降，而城关镇却由黄色预警变为橙色预警，警情加重。2005年和2010年相比处于各预警级的乡镇个数不变，但城关镇由橙色预警转变为黄色预警而滔河乡却由黄色预警变为橙色预警。2010年和2015年相比，各乡镇的预警等级均由劣转好，其中大石桥乡和滔河乡由橙色预警转为黄色预警，西簧、毛堂、上集、老城、仓房、香花等6个乡镇生态安全等级由黄色预警转为蓝色预警。除西北部和中部的紫荆关、寺湾、盛湾、马镫等4个乡镇在15 a间生态安全预警等级未发生变化外，其余12个乡镇生态安全预警等级均呈好转趋势。空间上呈东北、西南预警等级高，西北、东南预警等级低的分布格局(图3)。

图3 2000-2015年淅川县生态安全等级变化

2.2 驱动力分析

2.2.1 主成分分析 采用相关性分析方法分别对压力、状态、响应层的指标进行筛选，对相关性较大的指标予以删除，消除指标数据的重叠度。对筛选后的指标进行主成分分析，有效避免因子自相关性较高对结果的影响。对压力层指标的相关性分析，其分析结果见表4。

根据压力层指标相关性分析的结果(表4)剔除城镇化率、单位面积耕地农药负荷、GDP年增长率3个信息重叠度较大的指标，其余指标予以保留。同理，状态层指标中对水域面积率、水浇地占农田比例、生物丰度指数3个指标和响应层中对农民人均纯收入一个指标予以删除。

表4 丹江口库区生态安全压力层指标的相关性分析结果

相关性分析将重叠度较大的指标予以删除后，借助SPSS 24.0软件对筛选后的22项评价指标进行主成分分析，以2000—2015年的时间序列数据为样本，对淅川县生态安全驱动力进行分析，寻求影响生态安全的主要驱动因素。

主成分个数确定原则有：相关矩阵特征值大于1及其对应的主成分累积贡献率大于85%。从表5中可以看出特征值大于1的指标共有5个，其余指标的特征值均小于1，其中主成分1的特征值大于12，前5个主成分的累积贡献率为89.826%，高于85%的要求，因此选取这5个主成分进行提取分析。

表5 丹江口库区生态安全评价指标方差分解主成分提取分析

表6反映各评价指标与主成分间的关系，指标与某一主成分的联系系数的绝对值越大，则该主成分与指标间的联系越紧密[20]。从表5和表6中可以看出，第1主成分贡献率为56.21%，在其上载荷较高的指标有：人均GDP、单位面积耕地化肥负荷、农村自来水普及率、人均耕地面积、BOD生化需氧量、森林覆盖率、有效灌溉面积占农田比例、工业废水排放达标率、工业SO2排放达标率、工业粉尘排放达标率、第三产业占GDP比重、节水灌溉面积占有效灌溉面积比例、水土流失治理率等，其中只有人均耕地面积和单位面积耕地化肥负荷表现出较大的负相关关系，其余指标均表现较强的正相关关系，这些指标综合性极强；第2主成分贡献率为16.79%，在人口密度、耕地粮食单产和总磷这3个指标上有较高的载荷。第3，4，5主成分分别在人口自然增长率、COD生化需氧量和人均GDP增长率上有较高的载荷。

综上所述，第1主成分载荷较大的指标多为响应层中指标，特别是环境治理响应，与时间演变分析所得结论相符，说明对环境治理的响应为生态安全等级提升的主要原因，其次为压力和状态的影响。

2.2.2 调控措施分析 由时间演变分析发现，淅川县生态安全综合值的增长经历了两个阶段，以2006年为时间节点，2006年以前生态安全综合值增长缓慢，其后增长明显。这主要是因为自2000年南水北调工程总体格局基本确定后，为保护水源区水质安全政府开始进行生态保护工作探索，这段时期由于缺乏相关经验通过严格的环保政策措施以牺牲经济发展的方式进行环境保护，但成效不太显著；至2006年拥有大量工作经验后，政府转变工作思路，注重生态经济协调发展，建立健全生态保护的法律法规，限制企业的三废排放量，针对经济发展与生态保护的矛盾转变粗放的经济发展模式，调整产业结构，结合丹江口水库的区位优势积极发展现代观光农业，调整农业内部产业结构，提高农业产出率，使生态和经济效益均得到明显提升，实现生态经济的良性发展。

表6 丹江口库区生态安全各评价指标载荷值矩阵

研究时段内大量的环境指标均得到部分提升，但和理想值还有一定的差距，如生物丰度指数、人均耕地面积等；有些指标与理想值差距较远，如人口密度、农民人均纯收入、森林覆盖率等；有些指标甚至恶化，如农村面源污染指标等。根据主成分分析的结果提出相应的调控措施：

(1) 针对生态系统响应的调控措施。政府应加强对民众生态保护的宣传教育，提高生态安全意识；进一步促进经济生态协调发展，加强新型农业产业的探索，进行农产品深加工，开发其附加值，提高农民收入；对水土流失严重的地区，采取植树种草、坡改梯等水保措施进行积极治理。

(2) 对生态系统压力的调控措施。控制人口过快增长，提高人口素质；投入资金、技术，推动地方与高校的深入合作，加强研究，确立当地适宜的发展模式，实现农业绿色发展，推动农业机械化，实现农业现代化，促进农民收入和生活质量的提高；针对研究期内单位面积耕地化肥和农药负荷增加，应推动农业科技创新，増施有机肥及用生物技术防治病虫害。

(3) 对生态系统状态的调控措施。加大对耕地的保护力度，通过土地整治、基本农田建设和农田改造等措施保障耕地的质与量；限制企业和引导居民减少生产、生活废水的排放；通过政策引导和对居民的宣传教育的方式进一步提高森林覆盖率，保护动植物，保护生物多样性；对生态受损的区域，采取合理的修复措施加以修复。

3 结论与讨论

3.1 结 论

本研究在构建小尺度生态安全评价指标体系的基础上，对淅川县生态安全进行时空动态分析，根据生态安全研究结果，从自然和人文两个方面进行了驱动机制分析，并针对生态安全状况，提出了生态安全调控措施。

(1) 研究时段内淅川县生态安全状况虽有波动但演变趋势整体向好。从压力、状态、响应指标对生态安全贡献度的角度来看，压力指标对生态安全的贡献大幅减小，响应指标对生态安全的贡献大幅增加，状态指标贡献度变化较小。可以看出人们对生态系统施加的压力减少，对生态安全作出的响应程度增加，生态安全状况明显好转。

(2) 就全县生态安全发展态势来看，生态安全等级虽有好转但仍不稳定，尤其是农村面源污染，如单位面积耕地化肥负荷和单位面积耕地农药负荷等因素的负面压力仍在增加，因此，生态安全形势不容乐观。

(3) 淅川县生态安全空间格局呈东北、西南等级高，西北、东南等级低。

(4) 对淅川县进行驱动力分析发现环境治理的响应为生态安全等级提升的主要原因。根据主成分分析的结果分别从压力、状态、响应3个方面提出具体可行的调控措施，以促进其生态安全等级的持续提高。

3.2 讨 论

本研究对淅川县各乡镇生态安全时空动态演变特征及主要驱动力进行了评价及分析，构建了水源区小尺度生态安全评价指标体系，并对水源区生态安全提出相应调控措施。本文所得出的结论与近年淅川县生态安全的实际情况较吻合，有一定的指导意义，但是本文在研究上依旧存在一些不足之处，需要展开更深入的探究：

(1) 生态安全受多种因素的限制，建立的指标体系的全面性难以保证，指标体系有待进一步完善。因此在建立科学完整且针对性强的评价指标体系和分级标准等方面的工作仍有待加强。

(2) 本文由于篇幅有限，只是对淅川县乡(镇)级的小尺度开展生态安全研究，县级尺度的生态安全研究还有待进一步开展，不同空间等级尺度条件下的区域生态安全状况可能会存在一定的差异。