于天舒,鄭拴寧,朱捷緣,唐明方,董仁才,王 巖

1 中國科學院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085 4 赤峰市自然資源局,赤峰 024000

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類活動強度大、自然資源開發(fā)利用不合理等多重壓力的存在,對生態(tài)環(huán)境資源產(chǎn)生了巨大影響,導致土地退化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低、城市無序擴張、景觀破碎化、生物多樣性降低、水污染等生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻,嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全,制約生態(tài)-社會-經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[1-2]。所謂生態(tài)安全,有廣義和狹義兩種理解,廣義上指的人的生活、健康、安樂、基本權(quán)利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力等方面不受威脅的狀態(tài),包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟生態(tài)安全和社會生態(tài)安全,組成一個復合人工生態(tài)安全系統(tǒng)；狹義上是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全,即生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康水平的整體反映[3]。目前,國內(nèi)外學者對生態(tài)安全已有深入研究,包括生態(tài)安全概念內(nèi)涵[4-8]、評價方法[9-11]、管理對策[12-13]等多個方面?？缌饔蛘{(diào)水工程水源區(qū)的生態(tài)安全問題作為調(diào)水工程成敗的關(guān)鍵,也是諸多學者關(guān)注和研究的熱點之一[14-17]。

南水北調(diào)工程起源于河南省南陽市丹江口水庫,是我國規(guī)模宏大的跨流域調(diào)水工程,對于緩解我國華北地區(qū)水資源短缺問題和促進區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用[15]。同時,南水北調(diào)工程建設(shè)和跨流域調(diào)水也會改變周邊地區(qū)土地利用和土地覆被狀況[18],影響水源區(qū)水量和水質(zhì),威脅生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)安全。因此,研究調(diào)水工程水源區(qū)生態(tài)安全狀況,對于保障水源區(qū)生態(tài)建設(shè)和供水安全,實現(xiàn)調(diào)水區(qū)域的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

目前,我國學者從不同視角對南水北調(diào)工程水源區(qū)生態(tài)安全進行了研究,如水源區(qū)水質(zhì)評價[19-20]、景觀格局變化特征分析[21]、生態(tài)安全評價[22-23]、生態(tài)補償標準制定[24-26]等。盡管已有研究應(yīng)用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(Pressure-State-Response,PSR)模型對丹江口庫區(qū)和南陽市生態(tài)安全進行評價[27-28],但僅選用統(tǒng)計數(shù)據(jù)對區(qū)域(行政區(qū))尺度生態(tài)安全狀況進行評估,并沒有考慮土地利用類型、植被覆蓋度等空間數(shù)據(jù),評價結(jié)果難以準確反映水源區(qū)生態(tài)安全空間分布特征及鄰近空間對其影響的關(guān)系。

因此,本研究以南水北調(diào)中線工程水源地南陽市為例,構(gòu)建了基于PSR框架的生態(tài)安全評價指標體系,結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),對2000、2010、2015年南陽市、丹江口匯水區(qū)、干渠緩沖區(qū)生態(tài)安全時空變化特征進行分析,并進一步分析了南陽市生態(tài)安全變化驅(qū)動因素,最后提出相應(yīng)的對策和建議。本研究能夠有效識別南陽市生態(tài)安全水平較低的區(qū)域,厘清影響其生態(tài)安全的主要因素,為政府管理部門精準實施生態(tài)工程提供決策依據(jù),對于保障南水北調(diào)中線工程高效安全運行和周邊區(qū)域用水安全具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

南陽市是南水北調(diào)中線工程水源地和渠首所在地,位于河南省西南部(東經(jīng)110°58′—113°49′,北緯32°17′—33°48′,圖1),市轄1市2區(qū)10縣,總面積約為2.65萬km2。南陽市東西北三面環(huán)山,南部為南陽盆地,地貌類型復雜多樣,地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶,屬典型的季風大陸半濕潤氣候,四季分明。市內(nèi)水系發(fā)達,分屬漢水流域、淮河流域、黃河流域。南水北調(diào)工程水源丹江口水庫位于淅川縣,工程干渠由市域西南部向東北部延伸,貫穿南陽市。2018年末,全市GDP達到3566.77億元,年末總?cè)丝跒?198.07萬人,城鎮(zhèn)化率達到46.23%。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要涉及四種數(shù)據(jù)類型。生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來源于生態(tài)系統(tǒng)十年評估研究成果(http://www.ecosystem.csdb.cn/),包括林地、灌叢、草地、水域及濕地、耕地、城鎮(zhèn)用地和未利用地7類用地類型,空間分辨率為30 m。數(shù)字高程模型(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S.Geological Survey,USGS)SRTM數(shù)據(jù),空間分辨率30 m,用于計算地形位指數(shù)。NDVI數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(https://lpdaac.usgs.gov)空間分辨率250 m,用于計算植被覆蓋度指數(shù)[29]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于南陽市統(tǒng)計年鑒(2001年、2011年、2016年)以及河南省水資源公報(2000年、2010年、2015年),并使用ArcGIS軟件實現(xiàn)柵格化?？臻g數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)投影為China_Lambert_Conformal_Conic,數(shù)據(jù)重采樣后分辨率均為30 m×30 m。

2.2 生態(tài)安全評價指標體系構(gòu)建

本研究結(jié)合水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)自身特點,遵循數(shù)據(jù)可靠性、易獲取性、科學代表性、系統(tǒng)完整性、指標多樣性與層次性等原則,構(gòu)建了基于PSR框架的南陽市生態(tài)安全評價指標體系,包含1個目標層、3個準則層、16個指標層。生態(tài)壓力指標主要用于反映人類生產(chǎn)生活活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾和破壞[30-31],生態(tài)狀態(tài)指標主要用于反映土地利用強度和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,生態(tài)響應(yīng)指標主要用于反映針對生態(tài)問題的管理政策和治理措施,其中生態(tài)壓力和生態(tài)響應(yīng)指標為統(tǒng)計數(shù)據(jù)、生態(tài)狀態(tài)指標為遙感數(shù)據(jù)。對要素指標進行標準化處理消除矢量單位的影響,然后采用層次分析法[32]結(jié)合文獻調(diào)查及專家打分確定指標權(quán)重,具體指標、指標含義及權(quán)重如表1所示。

表1 南陽市生態(tài)安全評價指標體系Table 1 The evaluation index system used to assess the ecological security of Nanyang City

2.3 生態(tài)安全指數(shù)

生態(tài)安全指數(shù)(ESI)反映了指標因子對生態(tài)安全的影響程度和生態(tài)環(huán)境抵御脅迫的能力,指數(shù)越高表明生態(tài)安全水平越高。本研究通過ArcGIS 10.2的Raster Calculator工具計算獲取2000—2015年南陽市生態(tài)安全指數(shù)。參考相關(guān)文獻[27-28,35-36],并結(jié)合研究區(qū)實際情況,將ESI分為5個安全等級:低度安全(0.00—40.00)、較低安全(40.00—50.00)、一般安全(50.00—60.00)、較高安全(60.00—80.00)、高度安全(80.00—100.00)。生態(tài)安全指數(shù)計算公式如下所示:

式中,ESI為南陽市生態(tài)安全評價指數(shù),ESI為指標Ci標準化后的指標值,Wi為指標的權(quán)重值。

3 結(jié)果

3.1 南陽市生態(tài)安全水平時空變化

2000、2010、2015年南陽市生態(tài)安全指數(shù)平均值分別為48.88、49.76、50.60,整體處于上升趨勢；3個時期生態(tài)安全水平分別處于較低安全、較低安全、一般安全,生態(tài)安全狀況有所改善。從空間分布上看(圖2),2000、2010、2015年南陽市生態(tài)安全水平均呈現(xiàn)出西北高、東南低的趨勢,整體處于較低水平；同時在西峽縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣、桐柏縣等縣區(qū)內(nèi)部也存在明顯區(qū)域差異。2000—2015年南陽市生態(tài)安全水平變化具有明顯的區(qū)域差異:西部地區(qū)ESI整體呈增加趨勢,其中西峽縣增幅較小,南陽市增幅明顯,超過10%；東部地區(qū)ESI整體呈減小趨勢,其中社旗縣減小幅度較大。

圖2 2000—2015年南陽市生態(tài)安全等級圖Fig.2 The distribution of ecological security degrees in Nanyang City from 2000 to 2015

統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖3),2000年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為380、13590、11590,10、0 km2；2010年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為1280、9380、14860、40、0 km2；2015年南陽市低度安全、較低安全、一般安全、較高安全、高度安全的面積分別為270、9920、15250,130、0 km2,3個時期生態(tài)安全水平整體較低,有待進一步改善。2000—2015年南陽市較低安全水平面積明顯減少(27.01%),一般安全水平面積明顯增加(31.58%),較高安全水平面積也呈現(xiàn)一定的增加趨勢。

圖3 南陽市生態(tài)安全等級面積分布Fig.3 Area distribution of ESI levels in Nanyang City

2000—2015年南陽市各行政單元生態(tài)安全水平具有明顯的區(qū)域差異(圖4),ESI均值從大到小依次為淅川縣>方城縣>南召縣>市轄區(qū)>西峽縣>內(nèi)鄉(xiāng)縣>桐柏縣>社旗縣>鄧州市>鎮(zhèn)坪縣>唐河縣>新野縣,其中生態(tài)安全水平處于一般安全的縣區(qū)有6個,處于較低安全的縣區(qū)有6個,研究時段內(nèi)均未出現(xiàn)生態(tài)安全等級為高度安全、較高安全和低度安全的縣區(qū),生態(tài)安全水平為一般安全的縣區(qū)數(shù)量有所增加。2000—2015年南陽市淅川縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣、鄧州市3個南水北調(diào)水源區(qū)以及南陽市轄區(qū)生態(tài)安全水平明顯提高,社旗縣生態(tài)安全水平呈降低趨勢,而唐河縣和新野縣在2010年出現(xiàn)一個明顯的轉(zhuǎn)折。

圖4 2000—2015年南陽市各行政單元平均生態(tài)安全指數(shù)Fig.4 Average ESI value of each administrative region unit in Nanyang City from 2000 to 2015

3.2 丹江口水庫匯水區(qū)及干渠周邊生態(tài)安全水平時空變化

2000、2010、2015年丹江口水庫匯水區(qū)生態(tài)安全指數(shù)均值分別為51.52、52.80、53.70,整體處于上升趨勢,生態(tài)安全水平有所提升?？臻g上(圖5),丹江口水庫匯水區(qū)生態(tài)安全水平整體呈現(xiàn)出南部高、北部低的趨勢,具有明顯的區(qū)域差異,特別是2000年北部地區(qū)大部分區(qū)域處于較低安全水平。2000—2015年丹江口水庫匯水區(qū)生態(tài)安全水平整體均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢,北部地區(qū)較低安全水平面積大幅度減少,南部地區(qū)逐漸出現(xiàn)較高安全水平面積分布。

圖5 南陽市丹江口水庫匯水區(qū)生態(tài)安全等級分布圖Fig.5 The distribution of ecological security degrees of Danjiangkou Reservoir catchment area

為了進一步分析南水北調(diào)工程干渠生態(tài)安全狀況,本研究以干渠兩側(cè)3 km為緩沖半徑,提取得到南水北調(diào)干渠緩周邊生態(tài)安全狀況(圖6)。2000、2010、2015年南水北調(diào)工程干渠緩沖區(qū)生態(tài)安全指數(shù)均值分別為47.98、49.57、51.02,整體處于上升趨勢。南水北調(diào)工程干渠下游生態(tài)安全水平明顯高于上游區(qū)域。

圖6 南陽市南水北調(diào)中線工程水渠周邊生態(tài)安全等級分布圖Fig.6 The distribution of ecological security degrees within a 3 km buffer zone for the channel of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project in Nanyang City

3.3 南陽市生態(tài)安全影響因素

生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)狀態(tài)指數(shù)、生態(tài)響應(yīng)指數(shù)對2000—2015年南陽市生態(tài)安全指數(shù)貢獻度增加量存在明顯差異,生態(tài)相應(yīng)指數(shù)的變化幅度最大,生態(tài)狀態(tài)指數(shù)變化幅度最小。如圖7所示,生態(tài)壓力指數(shù)對生態(tài)安全指數(shù)的貢獻度增加量均為負值,貢獻度明顯減少,其中市轄區(qū)、鄧州市、新野縣、社旗縣的貢獻度增加量低于-10%；生態(tài)狀態(tài)指數(shù)對生態(tài)安全指數(shù)的貢獻度增加量有正有負,以負值為主,但變化幅度整體相對較小,其中市轄區(qū)的貢獻度增加量低于-10%；而生態(tài)響應(yīng)指數(shù)對生態(tài)安全指數(shù)的貢獻度增加量均為正值,且變化幅度均相對較大,其中市轄區(qū)、鄧州市、西峽縣、新野縣、南召縣、內(nèi)鄉(xiāng)縣的貢獻度增加量大于10%,僅有唐河縣的貢獻度增加量小于5%。

圖7 南陽市各區(qū)縣生態(tài)壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)貢獻度增加量 Fig.7 The contribution increases of ecological pressure, state and response index in Nanyang city

根據(jù)Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表2),不同時期南陽市生態(tài)安全水平影響因素存在差異,且生態(tài)安全水平與生態(tài)狀態(tài)指標的相關(guān)性整體較高,與生態(tài)響應(yīng)指標的相關(guān)性較低。2000年,南陽市生態(tài)安全水平與人口密度、單位面積化肥施用量、生態(tài)彈性度、均勻度指數(shù)四個指標顯著相關(guān)；2010年,南陽市生態(tài)安全水平與單位面積化肥施用量、生態(tài)彈性度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)四個指標顯著相關(guān)；2015年,南陽市生態(tài)安全水平與多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)兩個指標顯著相關(guān)；2000—2015年生態(tài)安全水平與生態(tài)響應(yīng)指標之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 南陽市生態(tài)安全指數(shù)與影響因素相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis results of ESI and influencing factors in Nanyang City

4 討論

南陽市各地區(qū)生態(tài)環(huán)境條件、社會發(fā)展水平存在差異,導致區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全水平時空差異明顯?？臻g上,南陽市西北部地區(qū)以林地、草地、灌叢等生態(tài)用地為主,同時還是丹江口水庫匯水區(qū)所在地,生態(tài)質(zhì)量高,生態(tài)壓力小,因此生態(tài)安全水平相對較高；而在東南部地區(qū)以耕地、建設(shè)用地等人類活動強度較大的用地類型為主,生態(tài)干擾大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對較低,因此生態(tài)安全水平處于較低水平。時間上,隨著人們生態(tài)環(huán)境保護意識的增強,人為造成的生態(tài)環(huán)境破壞問題得到緩解,生態(tài)環(huán)境壓力不斷減小,生態(tài)環(huán)境狀態(tài)持續(xù)改善,加上退耕還林、污染治理、生態(tài)恢復的重要措施的大力實施,使得區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全水平得到明顯改善和提高。南陽市市轄區(qū)城鎮(zhèn)用地的擴張給區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力,但是市轄區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平高,科技投入、環(huán)保技術(shù)水平高,很大程度上彌補甚至超過了生態(tài)壓力對生態(tài)安全水平的貢獻度。

南陽市生態(tài)安全水平整體上得到了持續(xù)改善,但仍然處于相對較低的水平,2000、2010、2015年區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全等級主要為較低安全和一般安全,較高安全水平以上的面積均低于1%,因此還有很大的提升空間。尤其是在東南部地區(qū)的唐河、社旗、新野、鎮(zhèn)坪等農(nóng)業(yè)種植區(qū),要嚴格控制農(nóng)藥化肥施用量,倡導使用有機肥,同時加強點源、面源污染治理力度,防治生態(tài)環(huán)境污染；同時加強農(nóng)田道路兩旁生態(tài)廊道體系建設(shè)和河渠兩邊生態(tài)環(huán)境保護,提高景觀多樣性,改善景觀破碎化；合理控制城鎮(zhèn)無序擴張,加強城市生態(tài)空間管理,對于城市綠地的數(shù)量、質(zhì)量、空間布局進行合理規(guī)劃,全面提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。而在西北部的淅川、西峽、內(nèi)鄉(xiāng)、南召等縣區(qū),基于良好的生態(tài)環(huán)境本底,繼續(xù)強化森林植被保護和撫育,提升植被覆蓋度；加強丹江口水庫匯水區(qū)以及南水北調(diào)工程沿線生態(tài)保護與修復,保障南水北調(diào)工程供水安全,全面提升南陽市生態(tài)安全水平。

本研究從宏觀角度對南水北調(diào)工程實施前和通水后,南陽市各區(qū)縣、丹江口匯水區(qū)和干渠周邊生態(tài)安全水平進行了分析。不僅需要社會、經(jīng)濟數(shù)據(jù)等作為生態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù),還需要能夠反映自然生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的空間數(shù)據(jù)。與常規(guī)的僅用統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建綜合指標體系的方法相比,我們的研究結(jié)合了植被覆蓋度、地形位指數(shù)等空間柵格數(shù)據(jù),并將評價結(jié)果落實到空間柵格上,不僅不能夠顯示南陽市不同縣區(qū)之間的差異,也能夠顯示出各個縣區(qū)內(nèi)部的區(qū)域差異,具有良好的可視化效果和實用性。

需要指出的是,為了便于在時間維度上進行生態(tài)安全水平的比較,本研究將2000年、2010年和2015年3期指標值進行統(tǒng)一標準化。數(shù)據(jù)標準化是相關(guān)研究中的基本問題,但針對不同時期開展評價時,目前尚無文獻明確說明其標準化是每個時期單獨進行還是把不同時期的數(shù)據(jù)合在一起進行。本研究認為,將2000年、2010年和2015年3期指標值進行統(tǒng)一標準化是合理的,這樣得到的不同時期的結(jié)果可以進行比較。例如,假設(shè)某指標兩個時期的指標值分別在[10,20]和[80,90]上均勻分布,若將每一時期的數(shù)據(jù)單獨標準化,標準化后兩個時期的指標值一樣,而兩者的實際情況卻相距甚遠,因此每個時期單獨標準化不宜進行時間維度上的比較。

5 結(jié)論

2000—2015年南陽市生態(tài)安全水平持續(xù)改善,且呈現(xiàn)出東南低、西北高的趨勢,這與區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況變化、生態(tài)工程建設(shè)力度、快速城鎮(zhèn)化等多種自然和人為因素密切相關(guān)。隨著人們生態(tài)環(huán)境保護意識的不斷增強,生態(tài)保護措施實施力度不斷加大,生態(tài)壓力對南陽市生態(tài)安全水平的貢獻程度被生態(tài)響應(yīng)的貢獻度所替代,促使生態(tài)安全狀況不斷向好。為了進一步提升區(qū)域生態(tài)安全水平,南陽市需要繼續(xù)加強生態(tài)環(huán)境保護與治理力度,全面改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

本研究基于柵格單元進行生態(tài)安全水平空間量化,能夠更加準確地反映南陽市生態(tài)安全水平的區(qū)域差異,有助于精準實施生態(tài)環(huán)境保護治理工程措施。此外,在開展不同時間的評價時,為了便于評價結(jié)果在時間維度上可比,應(yīng)該將不同時間的指標值統(tǒng)一進行標準化。