王爭磊,劉海龍,2,*,丁婭楠,王煒橋,張麗萍,郭曉佳,2

1 山西師范大學地理科學學院, 太原 030000 2 山西師范大學人文地理研究所, 太原 030000

經濟快速發(fā)展使資源的需求不斷增加,不合理的開采造成植被破壞、水土流失、環(huán)境污染等問題,自然生態(tài)系統相對穩(wěn)定的狀態(tài)與人類社會經濟持續(xù)發(fā)展之間的平衡遭到破壞,生態(tài)安全已經成為21世紀人類社會可持續(xù)發(fā)展所面臨的新主題[1]。生態(tài)安全是指人類在生產、生活中不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等影響的保障程度,包括飲用水安全、食物安全、空氣質量、綠色環(huán)境等基本要素[2]。生態(tài)安全是地理學、生態(tài)學以及環(huán)境科學領域研究的重點議題,是人地關系研究的主要內容之一,更是當下推進生態(tài)文明建設與實現可持續(xù)發(fā)展領域的熱點。中國經濟社會的發(fā)展正在向高質量發(fā)展轉變,生態(tài)高質量是社會經濟可持續(xù)發(fā)展的基本保障,是國家高質量發(fā)展的重要組成部分。區(qū)域生態(tài)安全評價是掌握生態(tài)環(huán)境狀況、調控生態(tài)安全狀態(tài)的基礎,對區(qū)域環(huán)境治理政策的制定具有科學參考價值,對促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、推進生態(tài)文明建設、保障國家生態(tài)安全具有重要的現實意義[3]。

國外關于生態(tài)安全評價始于20世紀80年代,近年來,主要集中在從污染源的角度進行生態(tài)風險評估,包括重金屬對土壤健康[4]、海灣安全[5]、城市近郊人類生存環(huán)境[6]、河流健康[7]的影響等工業(yè)開采方面,農藥的使用對環(huán)境的后效作用[8]、水資源可利用程度[9]等農業(yè)生產方面,此外,評價河流與湖泊[10—11]等區(qū)域尺度的生態(tài)系統健康也是研究的焦點。國內多利用統計數據或遙感數據構建指標體系,采用熵值法[12]、層次分析法[13]、綜合指數法[14]、物元分析法[15]、生態(tài)足跡法[16]等計算區(qū)域生態(tài)安全綜合指數,對森林[17]、綠洲[18]、土地[19]等進行生態(tài)安全評價；研究區(qū)涉及行政區(qū)[20]、城市群[21]、流域[22]等維度,空間差異的探究主要通過變異系數、泰爾指數、基尼系數等方法；生態(tài)安全影響因素解析主要利用線性回歸模型[23]、障礙度模型[24]、地理探測器[25]等方法?？傮w來看,當前已有研究雖包括宏觀、微觀、中觀尺度,但將三個尺度結合對不同尺度間的空間聯系與空間效應的探究較少。大多學者在進行空間差異探究時忽略了不同區(qū)域間交叉重疊的影響,影響因素探究時忽略了影響因素的空間效應。本文利用尺度融合進行生態(tài)安全評價并探究不同尺度間的聯系,能夠避免尺度過大導致區(qū)域內部信息被忽略,尺度過小無法把握宏觀信息[26]等問題；使用Dagum基尼系數探究區(qū)域生態(tài)安全差異,以此完整反映出區(qū)域內、區(qū)域間的差異、來源及相互作用；使用空間計量模型探究生態(tài)安全的影響因素,從空間角度探究其與周圍地區(qū)的關聯性及溢出效應。

山西省是典型的黃土高原地區(qū),區(qū)域內地形起伏不平,受地形的影響,省內自然條件差異較大,生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)環(huán)境問題突出[27]。隨著經濟的發(fā)展,礦產資源的開采,生態(tài)環(huán)境的壓力日益加大,生態(tài)安全遭受嚴重威脅?；诖?本文以山西省為研究區(qū),圍繞“典型區(qū)域行政區(qū)尺度生態(tài)安全時空演變特征揭示及關鍵影響因素識別”這一科學問題,使用PSR模型,通過尺度融合對山西省省域、市域、縣域三個尺度進行生態(tài)安全評價,使用Dagum基尼系數測度縣域生態(tài)安全的區(qū)域差異與來源,利用空間計量模型探究空間溢出效應并對影響因素進行解析,為提升山西省生態(tài)安全水平,推進生態(tài)文明建設相關政策的制定提供參考依據。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

山西省東接太行山,西鄰黃土高原,介于110°14′—114°33′E,34°34′—40°44′N之間,行政區(qū)輪廓略呈東北斜向西南的平行四邊形,總面積15.67×104km2,下轄11個地級市共119個縣區(qū)。區(qū)域內地形以山地、丘陵為主,全省大部分地區(qū)海拔在1500m以上,生態(tài)環(huán)境脆弱。屬于溫帶大陸性季風氣候,各地年平均氣溫介于4.2—14.2℃之間,年降水量介于358—621mm。2018年底常住人口為37.18×106人,城鎮(zhèn)人口占山西總人口的58.41%；國內生產總值16.82×1011元,增速為6.70%；人均水資源量為328.57m3,僅占全國平均水平的16.6%；森林覆蓋率22.79%,略低于全國22.96%的平均水平；優(yōu)良天數比例為63%,低于全國79.3%的平均水平。

1.2 數據來源

本文使用的山西省、市、縣社會經濟數據來自《中國統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《中國縣域統計年鑒》、《山西省統計年鑒》(2001、2006、2011、2019年)；DEM數據來自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的GDEMV2 30m分辨率數值高程數據集；NDVI數據來自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(https://www.resdc.cn/)的《中國長時間序列植被指數(NDVI)空間分布數據集》；降水量數據與氣溫數據分別來自于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心《中國1980年以來逐年年降水量空間插值數據集》、《中國1980年以來逐年年平均氣溫空間插值數據集》；交通路網數據來自公開街道地圖平臺(https://www.openstreetmap.org)；土地利用數據來自中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/),分辨率為30m×30m；夜間燈光數據來自Harvard Dataverse(跨傳感器校正的全球“類NPP-VIIRS”500m分辨率夜間燈光數據)(https://doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD)；PM2.5數據來自加拿大達爾豪斯大學大氣成分分析組(http://fizz.phys.dal.ca/—atmos/martin/?page_id=140)；二氧化碳排放量數據來自美國國家地球物理數據中心(http://www.ngdc.noaa.gov/)；底圖基于國家基礎地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)下載的審圖號為GS(2016)1666號的1∶400萬標準地圖制作,底圖無修改。為方便數據統計,本文將研究區(qū)各地級市的市轄區(qū)進行合并,評價單元包括107個縣區(qū)。

1.3 研究方法

1.3.1指標體系構建

聯合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)建立的PSR 概念模型在國內外生態(tài)安全評價方面得到廣泛的應用[28]。生態(tài)安全是區(qū)域自然生態(tài)系統的完整性與可持續(xù)性的反映,健康的生態(tài)系統能夠為區(qū)域的社會經濟發(fā)展發(fā)揮積極作用。山西省生態(tài)環(huán)境脆弱,人地關系矛盾較為嚴重,是生態(tài)安全威脅較為嚴重的地區(qū)。當前研究區(qū)主要面臨人口增加、資源減少、環(huán)境污染等生態(tài)壓力問題,生態(tài)安全狀態(tài)包括地形地貌、污染物排放量、植被覆蓋程度、人均資源分配狀況等方面。生態(tài)安全響應包括社會、經濟、自然等方面的響應。本文在參考前人研究的基礎上[29—30],根據研究區(qū)實際情況,數據的可獲得性,指標選取的科學性、全面性、典型性的原則,以生態(tài)安全為總目標,共選取18個指標,構建研究區(qū)生態(tài)安全評價指標體系(表1)。ESV指生態(tài)系統服務價值,通過生態(tài)系統服務價值評估模型所求。依照坡度對社會分工的影響采用分級賦值[30]：(0,10°]賦值為 0.8,(10°,15°]賦值為 0.6,(15°,25°]賦值為 0.4,>25°賦值為 0.2,坡度越大,人類開發(fā)難度越大。

1.3.2綜合權重求解

權重反映不同指標對生態(tài)安全的影響程度,直接影響到評價結果的可靠性[31]。熵是熱力學中表征物質狀態(tài)的參量,表征不確定性的度量,熵越小表征信息量越大,指標越重要。層次分析法(AHP)能夠根據實際情況合理調整指標權重值,具體計算公式見參考文獻[29—32]。為減小主觀因素與數據離散程度對權重的影響,本文利用最小信息熵原理對主客觀權重進行綜合,公式如下[33]：

(1)

式中,W為第j個指標的綜合權重值；Wjshang為第j個指標的客觀權重值；Wjceng為第j個指標的主觀權重值。

1.3.3綜合指數計算及等級劃分

采用綜合指數法計算山西省生態(tài)安全綜合指數,計算公式為：

(2)

表1 生態(tài)安全評價指標體系

參考現有研究[34],結合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特征將生態(tài)安全綜合指數劃分為5個等級(表2),并使用ArcGIS軟件空間分析模塊對生態(tài)安全綜合指數空間格局進行制圖,以便分析空間分布規(guī)律。

表2 生態(tài)安全等級劃分標準

1.3.4空間自相關分析

地理學第一定律指出事物之間均有聯系,聯系的強度隨地理距離的增加不斷減小。利用Matlab軟件構建鄰接空間權重矩陣對山西省縣域生態(tài)安全綜合指數進行空間依賴性檢驗,分別采用全局Moran′sI指數與局部Moran′sI指數對空間相關性進行測度,具體公式如下[35]：

全局Moran′sI指數：

(3)

式中,n是研究區(qū)域地區(qū)總數；Wkongij是空間權重矩陣；xi和xj分別是區(qū)域i和區(qū)域j的屬性；I>0,表示空間上呈正相關,I<0,表示空間上呈負相關,I=0,表示空間上隨機分布。

局部Moran′sI指數：

(4)

式中,S2為屬性的方差；Ii>0表示該地區(qū)的高值被高值所包圍或者是一個低值被低值所包圍；Ii<0表示一個低值被高值所包圍或者是一個高值被低值所包圍。

1.3.5Dagum基尼系數分解模型

Dagum基尼系數是博洛尼亞大學Dagum于1997年提出的一種分解基尼比的新方法,用來衡量子群內部的差異及來源,有效解決樣本數據間交叉重疊以及區(qū)域間與區(qū)域內差異來源的問題[36]。本文采用此方法對山西省縣域生態(tài)安全水平的空間差異及來源進行分析,公式如下：

(5)

在Dagum基尼系數的分解過程中,首先要對子群的生態(tài)安全綜合指數的平均值進行排序,并劃分Gini為子群間差距(Gnb)、子群內差距(Gw)和超變密度(Gt),且滿足,Gini=Gnb+Gw+Gt,具體見參考文獻[37]。

1.3.6空間計量模型

(1)空間計量模型的選取

經典線性回歸最小二乘法(OLS)模型是用來解釋因變量(yi)與自變量(xi)之間關系的多元線性函數[38],公式為：

yi=β0+∑iβixi+εi

(6)

式中：β0為常數項；βi為回歸系數；εi為隨機誤差項。

生態(tài)安全水平影響因素的外部性可能超越行政單元界限,經典回歸模型可能導致結果偏誤[39]。為更好體現生態(tài)安全的空間溢出效應,在公式(6)的基礎上,建立空間滯后模型(SLM)、空間誤差模型(SEM)和空間杜賓模型(SDM)[40],公式分別為：

Yit=ρ∑WijYit+β∑Xit+μi+λt+εit

(7)

Yit=β∑Xit+μi+λt+φit

(8)

φ=δ∑Wijφjt+εit

(9)

Yit=ρ∑WijYit+β∑Xit+γ∑WijXjt+μi+λt+εit

(10)

式中：Yit為被解釋變量；Xit為解釋變量；t為時間；εit為隨機誤差項；β和γ為空間相關系數；ρ為空間滯后系數；μi為個體固定效應；λt為時間固定效應；Wij為空間權重矩陣W中的元素,采用空間鄰接矩陣建立空間權重。當γ=0,SDM可簡化為SLM。當γ+ρβ=0時,SDM可簡化為SEM。

(2)控制變量的選取

參考相關學者的研究[41],本文以生態(tài)安全綜合指數(safe)為被解釋變量,從經濟、社會、自然等方面選取解釋變量,具體如下：經濟子系統包括經濟發(fā)展水平(pgdp)和產業(yè)結構(str),社會子系統包括人口密度(pop)和城鎮(zhèn)化率(urban),自然子系統包括NDVI(ndvi)、降水量(rain)、氣溫(temp)以及高程(ele)。經濟發(fā)展初期,環(huán)境成本較高,經濟發(fā)展水平的提高推動政府采取措施改善環(huán)境,以人均GDP表征地區(qū)經濟發(fā)展水平；產業(yè)結構能夠反映區(qū)域發(fā)展方式是否合理,不合理的發(fā)展方式會對生態(tài)環(huán)境會產生負面影響,以第二產業(yè)產值和第三產業(yè)產值的比值表征[42]；區(qū)域內人口增加促使環(huán)境發(fā)生變化,用人口密度衡量人口集聚對環(huán)境的影響；人類開發(fā)強度越大,生態(tài)環(huán)境壓力越大,用城鎮(zhèn)化率衡量生態(tài)環(huán)境的壓力；植被生長狀況越好,越有利于生態(tài)系統功能的健康穩(wěn)定,生態(tài)環(huán)境承載力越強,用NDVI表征區(qū)域的植被生長狀況；降水越多越有利于植被的生長,用年降水總量來表征；氣溫對地表植被的生長具有重要影響,用年均氣溫表征區(qū)域內植被生長的環(huán)境；高程越高的地區(qū)開發(fā)難度越大,生態(tài)環(huán)境越脆弱,用高程反映生態(tài)環(huán)境的脆弱程度。

2 山西省生態(tài)安全空間格局

2.1 省域尺度

從生態(tài)安全綜合指數來看(表3),2000—2018年山西省生態(tài)安全綜合指數整體呈上升趨勢,由2000年的0.3388逐步上升到2018的0.6794,增幅為100.53%,生態(tài)安全等級由“敏感級Ⅱ”上升為“相對安全級Ⅳ”,生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。2000—2018年,壓力指數不斷增加,增幅為47.40%,表明人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的壓力有所下降。2000—2018年,狀態(tài)指數呈現波動上升的趨勢,增幅為78.82%,表明隨著人類活動對生態(tài)環(huán)境壓力的減小,區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況得到改善。2000—2018年,響應指數呈現穩(wěn)步上升趨勢,增幅為233.41%,表明人類采取有效措施對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行治理,對生態(tài)環(huán)境的保護力度不斷加強。具體指標來看,ESV、路網密度、第三產業(yè)比重等指標的增加促進了生態(tài)安全綜合指數的提升。

表3 2000—2018年山西省省域尺度生態(tài)安全評價結果

2.2 市域尺度

山西省地級市生態(tài)安全綜合指數總體呈現上升趨勢,綜合指數均值由2000年的0.3683上升到2018年的0.4165,位于“臨界安全級Ⅲ”,生態(tài)安全狀況得到明顯改善,但整體處于較低水平。不同等級地級市數量上(表4),2000年,“敏感級Ⅱ”地級市數量占比45.45%,“臨界安全級Ⅲ”地級市數量占比45.45%,無“危險級Ⅰ”與“相對安全級Ⅳ”區(qū)域。2018年,“敏感級Ⅱ”地級市數量占比下降為18.18%,“臨界安全級Ⅲ”地級市數量占比上升為54.55%,“相對安全級Ⅳ”的地級市為3個,占比27.27%,無“危險級Ⅰ”區(qū)域。就具體指標來看,經濟密度、燈光密度、路網密度等正向指標的提升,農業(yè)經濟水平、GDP增長率、PM2.5年均濃度等負向指標不同幅度的下降,促使大同、臨汾、長治等地市生態(tài)安全等級的提升。

表4 2000—2018年山西省市域尺度生態(tài)安全不同等級數量

空間格局上(圖1),2000年,北部的大同、朔州,南部的臨汾和長治位于“敏感級Ⅱ”,中部的太原、忻州、呂梁、晉中位于“臨界安全級Ⅲ”,陽泉位于“相對安全級Ⅳ”,呈現由中部向南北遞減的空間結構。2005年,生態(tài)安全綜合指數有所提升,北部的大同、南部的臨汾由“敏感級Ⅱ”變?yōu)椤芭R界安全級Ⅲ”,其他地市生態(tài)安全等級未發(fā)生變化,空間格局上高等級區(qū)域向南北兩側擴散。2010年,北部的大同、南部的臨汾、中部的忻州和呂梁由 “臨界安全級Ⅲ”變?yōu)椤懊舾屑墷颉?在空間上呈“半環(huán)狀”的空間結構,其他地市未發(fā)生等級變化。2018年,中部的太原與南部的晉城提升為“相對安全級Ⅳ”,北部的大同、中部的忻州與呂梁、南部的長治與臨汾提升為“臨界安全級Ⅲ”,高等級區(qū)域向南北兩側擴散。整體上,研究區(qū)生態(tài)安全高等級區(qū)域多位于中部地區(qū),生態(tài)安全等級由中部向南北兩側遞減。

圖1 2000—2018年山西省市域尺度生態(tài)安全綜合指數空間變化Fig.1 Spatial changes of the comprehensive index of ecological security at the municipal scale in Shanxi Province from 2000 to 2018

2.3 縣域尺度

2.3.1生態(tài)安全綜合水平時空演化特征

時間變化上,山西省縣域生態(tài)安全等級不斷提升,生態(tài)環(huán)境明顯改善。2000年,生態(tài)安全綜合指數在“臨界安全級Ⅲ”的區(qū)域占比46.73%,“敏感級Ⅱ”區(qū)域占比53.27%, “臨界安全級Ⅲ”區(qū)域包括五臺縣、盂縣、婁煩縣等50個縣域,“敏感級Ⅱ”區(qū)域包括汾西縣、應縣、屯留縣等71個縣域。2005年,興縣、臨縣、五寨縣等9個縣域的生態(tài)安全等級由“臨界安全級Ⅲ”下降為“敏感級Ⅱ”,與GDP增長率、PM2.5年均濃度、二氧化碳年排放總量上升,第三產業(yè)比重等指標的下降相關。陽城縣、介休市由“敏感級Ⅱ”上升為“臨界安全級Ⅲ”,陽泉市轄區(qū)由“臨界安全級Ⅲ”提升為“相對安全級Ⅳ”,經濟密度、人均建筑用地面積、草地面積比例、燈光密度等指標的上升促進這些縣域安全等級的提升。2010年,神池縣、五寨縣、廣靈縣、晉城市轄區(qū)、朔州市轄區(qū)由“敏感級Ⅱ”提升為“臨界安全級Ⅲ”,與經濟密度。草地面積比重、萬人擁有衛(wèi)生機構床位數等指標有不同幅度的提高,促進生態(tài)安全等級提升。榆社縣、左權縣、靜樂縣、忻州市轄區(qū)由“臨界安全級Ⅲ”下降為“敏感級Ⅱ”,陽泉市轄區(qū)由“相對安全級Ⅳ”下降為“臨界安全級Ⅲ”,這些地區(qū)的PM2.5年均濃度、二氧化碳年排放總量大幅增加,ESV、三產比重等有所下降,生態(tài)安全等級隨之下降。2018年,陽高縣、柳林縣、汾西縣等31個縣區(qū)由“敏感級Ⅱ”提升為“臨界安全級Ⅲ”,太原市轄區(qū)和陽泉市轄區(qū)、陽曲縣、寧武縣、五臺縣由“臨界安全級Ⅲ”提升為“相對安全級Ⅳ”,這些地區(qū)的經濟密度、人均建筑用地面積、耕地面積比重等指標均有不同幅度的提高,生態(tài)安全等級得到提升。

空間格局上,山西省縣域生態(tài)安全水平整體呈“帶狀”分布(圖2),形成南部臨汾盆地帶、長治盆地帶、運城盆地帶,中部呂梁山帶、太行山帶、太原盆地帶,北部大同盆地帶,表現為由中部向南北兩側遞減的階梯狀非均衡化空間格局。2000年中部太行山、太岳山、太原盆地及附近區(qū)域為“臨界安全級Ⅲ”,呈“帶狀”分布。呂梁山中段、北部大同盆地、南部運城盆地、臨汾盆地、長治盆地及附近區(qū)域主要是“敏感級Ⅱ”,大致呈現以太岳山的沁源縣、安澤縣和沁水縣為中心的“環(huán)狀”格局。 2005年,呂梁山中段興縣、臨縣、五寨縣演變?yōu)椤懊舾屑墷颉?中部呂梁山及附近區(qū)域與北部大同盆地及附近區(qū)域在空間上形成大同盆地—呂梁山帶。2010年中部太原盆地西北側部分地區(qū)演變?yōu)椤懊舾屑墷颉?生態(tài)安全水平在空間上呈現北部以五寨縣和寧武縣、中部以文水縣和方山縣、南部以沁源縣和安澤縣為中心的“環(huán)狀”格局。2018年,中部太原盆地的太原市轄區(qū)、太行山區(qū)域的陽泉市轄區(qū)、五臺縣等演變?yōu)椤跋鄬Π踩墷簟?西部呂梁山、北部大同盆地部分“敏感級Ⅱ”區(qū)域演變?yōu)椤芭R界安全級Ⅲ”,生態(tài)安全水平在空間上形成南部臨汾盆地—運城盆地帶、長治盆地帶和北部大同盆地帶。

圖2 2000—2018年山西省縣域尺度生態(tài)安全綜合指數空間變化 Fig.2 Spatial changes of comprehensive index of ecological security at county scale in Shanxi Province from 2000 to 2018

總體來看,根據山西省縣域生態(tài)安全水平的演化趨勢,大致可分為2個時段,即2000—2010年、2010—2018年。前階段內山西省生態(tài)安全水平雖有所提升,但速度較慢,后階段內生態(tài)安全高等級區(qū)域明顯增加。2000—2005年,山西省推進“碧水藍天”工程,制定實施減排節(jié)能方案,生態(tài)環(huán)境治理取得了一定成效。2010—2018年,山西省自2010年開始實施全省大氣污染排放專項行動,對省內的大氣、水等進行全面整治,同時通過產業(yè)結構轉型調整改進發(fā)展模式,對環(huán)境保護起到了積極作用,環(huán)境改善較為明顯。

2.3.2空間集聚特征

基于GeoDa軟件對山西省縣域2000—2018年的生態(tài)安全綜合指數進行全局Moran′sI指數測度(表5),縣域生態(tài)安全綜合指數在空間上均通過99%的顯著性檢驗,表明存在正向的空間依賴現象,即生態(tài)安全指數較高的區(qū)域在空間上存在聚集特征,周圍縣域的指數也較高,反之亦然。

表5 2000—2018年山西省縣域生態(tài)安全綜合指數的全局Moran′s I指數檢驗結果

為進一步說明生態(tài)安全水平在空間上的集聚分布特征,使用局部Moran′sI指數得到107個縣域的LISA集聚圖(圖3),表征縣域生態(tài)安全水平之間的空間相互關系。2000—2018年生態(tài)安全水平在空間上主要以高高集聚和低低集聚為主。高高集聚區(qū)分布在中部太原盆地、太行山中段及附近,包括太原市轄區(qū)、陽曲縣、壽陽縣等,其中太原市轄區(qū)與陽泉市轄區(qū)的生態(tài)安全水平最高,農業(yè)經濟比重低,受到太原經濟中心的輻射作用明顯,從而形成高高集聚。低低集聚區(qū)分布在南部運城盆地、臨汾盆地及附近,包括臨猗縣、萬榮縣、襄汾縣等,盆地內部人口密度高,農業(yè)比重大,經濟基礎弱,生態(tài)安全水平較低,臨猗縣生態(tài)安全水平最低,導致南部形成低低集聚區(qū)域。高高集聚區(qū)域由2000年的12個增加到2018年的15個, 低低集聚區(qū)域由2000年的16個減少到2018年的9個,表明研究區(qū)整體生態(tài)安全水平的空間集聚程度增強。

圖3 2000—2018年山西省縣域尺度生態(tài)安全LISA聚類圖Fig.3 LISA cluster map of ecological security at county scale in Shanxi from 2000 to 2018

2.3.3空間差異及來源

本文根據自然地理單元差異把山西省劃分為3個子群：北部(朔州市(5縣區(qū))、忻州市(14縣區(qū))、大同市(8縣區(qū)))；中部(太原市(5縣區(qū))、陽泉市(3縣區(qū))、晉中市(11縣區(qū))、呂梁市(13縣區(qū)))；南部(長治市(12縣區(qū))、晉城市(6縣區(qū))、運城市(13縣區(qū))、臨汾市(17縣區(qū))),以此探究研究區(qū)生態(tài)安全水平的空間差異及來源。

整體來看(表6),2000—2018年山西省縣域基尼系數總體呈波動下降態(tài)勢,空間上存在非均衡性特征,區(qū)域生態(tài)安全水平空間差距有所縮小。從子群內基尼系數來看(表7),中部子群內2000—2018年基尼系數呈現波動上升的態(tài)勢,總體增幅為6.7102%,除2000年和2018年外,其余年份基尼系數均高于均值0.0612,說明中部子群內生態(tài)安全水平差異在增大,空間非均衡性有所減弱。北部子群內基尼系數呈波動下降態(tài)勢,其中2000—2005年增幅為2.61%,而2005—2010年、2010—2018年則分別下降8.95%、3.98%,說明內部生態(tài)安全水平差異在不斷縮小,空間非均衡性不斷減弱。南部子群內基尼系數呈下降態(tài)勢,降幅在不斷增大,2005—2010年降幅最大(5.30%),說明生態(tài)安全水平差異縮小,空間非均衡性減弱。差異數值上,南部均值最大(0.0824),中部(0.0612)次之,北部(0.0571)最小,子群的非均衡性由南向北依次遞減。南部呂梁山、太岳山、太行山與運城盆地、臨汾盆地、長治盆地在地形上呈“川”字分布,生態(tài)安全水平差距較大,且生態(tài)安全水平最低的臨猗縣也在南部區(qū)域,導致南部內部非均衡性最強。中部太行山、太原盆地、呂梁山相間分布,區(qū)域內部雖有差距,但位于太原盆地的太原是山西省經濟中心、省會城市,資金充足,有更高水平的環(huán)境治理能力,內部非均衡性比南部弱。北部以盆地為主,包括大同盆地、忻州盆地,生態(tài)安全綜合指數較低,內部各縣域之間差距較小,空間非均衡最弱。由此可見,區(qū)域內部生態(tài)安全水平差異主要受地形與經濟因素的共同作用。

表6 2000—2018年山西省縣域尺度生態(tài)安全綜合指數差異來源及貢獻

表7 2000—2018年山西省不同子群內與子群間Dagum基尼系數

從子群間基尼系數來看,中部-北部子群間差異呈波動下降態(tài)勢,表現為“小幅上升-小幅下降”的趨勢,2000—2005年基尼系數出現小幅上升,增幅為9.00%,并未影響整體下降的態(tài)勢,2005—2010年、2010—2018年不斷下降,降幅分別為11.53%、7.56%。北部-南部子群間差異呈波動下降態(tài)勢,表現為“小幅下降-趨于穩(wěn)定-小幅上升”的趨勢,2000—2005年、2005—2010年降幅分別為5.89%,4.60%、2010—2018年增幅為0.92%。中部-南部子群間差異表現為總體下降的趨勢,其中2005—2010年降幅最大(8.46%)。差異數值上,中部-南部子群間的均值為0.0916,中部-北部和北部-南部的均值分別為0.0639和0.0795,中部-南部之間的生態(tài)安全水平差距最大,其次是北部-南部,最后是中部-北部。中部地區(qū)生態(tài)安全水平總體較高,其中太原市轄區(qū)與陽泉市轄區(qū)最高,南部地區(qū)生態(tài)安全水平多位于低等級,臨猗縣生態(tài)安全水平最低,生態(tài)安全水平最高值與最低值的差異導致中部與南部差距最大。北部與南部的差異受地形影響,北部地區(qū)以盆地為主,生態(tài)安全水平差距較小,南部地區(qū)盆地與山脈相間分布,生態(tài)安全水平差距較大。中部的太原盆地與北部的忻州盆地是更為完整的地理單元,區(qū)域之間流通性強,北部地區(qū)受到太原的經濟輻射程度更高,兩者差距相對較小。

從差異來源及貢獻率來看,2000—2018年,子群內差異貢獻率呈現波動上升的態(tài)勢,總體增幅為2.20%,子群內部縣域之間的生態(tài)安全水平差距在增加。子群間差異貢獻率呈現波動下降的態(tài)勢,大致表現為“U”型,總體降幅為11.99%,說明不同地區(qū)之間的生態(tài)安全水平差距也在縮小。超變密度指不同子群交叉重疊對于總體空間差異的影響[37],超變密度的貢獻率總體呈現上升趨勢,總體增幅為22.62%,說明子群間生態(tài)安全水平交叉重疊的影響在逐漸增加。2000—2018年超變密度貢獻率均小于子群間與子群內的差異貢獻率,子群間交叉影響對整體生態(tài)安全水平差異的貢獻程度較小。差異數值上,子群間差異均值高于子群內與超變密度貢獻率的均值。由此可見,山西省縣域生態(tài)安全水平整體差異的主要來源是子群間生態(tài)安全水平的差異,其次是子群內各縣域間的差異,最后是不同子群交叉重疊的影響。

3 山西省縣域生態(tài)安全空間演變影響因素分析

由全局Moran′sI指數檢驗結果可知,山西省縣域生態(tài)安全水平存在空間集聚現象,因此運用空間計量模型對其影響因素進行分析,探測各因素的空間溢出效應[35]。2000—2018年的Moran′sI指數顯著為正,LM-error與Robust LM-error檢驗的統計量顯著性均在1%的置信水平下(表8),LM-lag與Robust LM-lag的統計量并不顯著,故選擇SEM。

山西省縣域生態(tài)安全綜合指數存在顯著的空間溢出效應。2000—2018年,空間殘差自相關系數LAMBDA在1%的水平上顯著(表9),相鄰縣域生態(tài)安全綜合指數每增加1%會使本區(qū)域生態(tài)安全綜合指數分別增加0.7601%、0.7960%、0.6264%、0.6179%,表明本區(qū)域的生態(tài)安全水平的提升會對周圍區(qū)域的生態(tài)安全水平產生顯著的正向促進作用。

從各影響因素的SEM估計結果來看(表9),經濟規(guī)模、人口密度、城鎮(zhèn)化率、NDVI、高程是山西省縣域生態(tài)安全水平空間演變的關鍵影響因素。經濟子系統中,2000—2018年,經濟規(guī)模系數逐漸變?yōu)檎龜?在2018年通過1%的顯著性檢驗,表明經濟水平提升后,輻射帶動鄰近地區(qū)經濟發(fā)展,進而加強生態(tài)建設,提升生態(tài)安全水平,從而對鄰近地區(qū)生態(tài)安全產生正向溢出。社會子系統中,人口密度系數由負數變?yōu)檎龜登彝ㄟ^1%的顯著性檢驗,表明人口密度的增加促使人類活動范圍擴大,通過人為干預調整區(qū)域環(huán)境狀態(tài),提升生態(tài)安全水平,對鄰近地區(qū)生態(tài)安全產生正向溢出。城鎮(zhèn)化率系數在2000—2010年通過至少10%的顯著性檢驗,但2018年未通過檢驗,表明人類開發(fā)強度需控制在合理范圍之內,超過一定程度后,會對生態(tài)環(huán)境狀態(tài)起到抑制作用[43],城市發(fā)展過程中應注意城市擴張與生態(tài)環(huán)境保護之間的協調。自然子系統中,NDVI系數顯著為正數且通過10%的顯著性檢驗,表明植被覆蓋的提高有利于生態(tài)系統的穩(wěn)定,從而通過生態(tài)系統的聯系向鄰近地區(qū)溢出,促進區(qū)域生態(tài)安全水平的提升。高程系數為負且最少通過10%的顯著性檢驗,表明高程對生態(tài)安全的影響具有顯著的負相關關系,研究區(qū)平均海拔在1500m以上,生態(tài)環(huán)境更為脆弱,環(huán)境遭到破壞后使生態(tài)系統失衡,通過負向溢出影響周圍地區(qū)生態(tài)安全水平。

表8 2000—2018年山西省縣域生態(tài)安全線性回歸結果

表9 2000—2018年山西省縣域生態(tài)安全水平SEM估計結果

產業(yè)結構、降水量與氣溫均未通過顯著性檢驗,是山西省縣域生態(tài)安全空間演化的次要影響因素。產業(yè)結構通過各產業(yè)的比例變化反映人類活動強度的變化,主要依靠產業(yè)聯系與組織關聯影響周圍地區(qū)生態(tài)安全,表明目前研究區(qū)各區(qū)域產業(yè)聯系網絡弱,缺乏較明顯的分工協作。降水量與氣溫的變化影響區(qū)域植被生長狀況,間接反映生態(tài)系統的狀態(tài),對生態(tài)安全未產生直接影響。

結合前文的縣域生態(tài)安全時空演變來看,縣域生態(tài)安全水平較好區(qū)域主要集中在太行山、太岳山、太原盆地及其附近,而呂梁山、臨汾盆地、運城盆地、長治盆地卻是生態(tài)安全水平較低的區(qū)域。就山區(qū)而言,太岳山的沁源縣和安澤縣森林覆蓋率2000—2018年均在57%以上,太行山中段的左權縣、和順縣的草地面積比例與森林覆蓋率明顯高于其他縣域,上述地區(qū)道路不暢、開發(fā)難度較大、人類活動較為集中,雖然經濟發(fā)展水平低,但自然植被狀態(tài)較好,政府也出臺保護森林資源的政策,如安澤縣出臺《嚴厲打擊毀林違法行為、保護森林資源的實施辦法》、左權縣出臺《左權縣脫(扶)貧攻堅造林專業(yè)合作社考核辦法》,對生態(tài)安全水平的提高具有積極影響。同處于山區(qū)的呂梁山中段、北段及附近區(qū)域的生態(tài)安全水平與太行山區(qū)域相比存在差距,呂梁山附近是礦產資源集中分布連片區(qū)和煤炭主產區(qū),截止到2021年,呂梁有91座煤礦,占全省煤礦數量的13.62%,生產能力達12625萬t/a,占全省煤礦總產能的12.07%,但生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)環(huán)境承載力較小,粗放的開采方式與不到位的治理措施使脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜。就盆地而言,太原盆地及附近的生態(tài)安全指數有較為明顯的高值區(qū)域,與盆地內地形條件較好,經濟發(fā)展水平高,在城市擴張與經濟發(fā)展的過程中,投入大量資金對人地關系進行改善相關,2006—2010年太原累計投入80億元進行環(huán)境污染治理,2008年太原發(fā)布《太原市汾河流域環(huán)境治理修復與保護工程方案》,對汾河流域生態(tài)環(huán)境進行集中整治。與太原盆地相比,運城盆地卻是生態(tài)安全水平的低低集聚區(qū)域,雖同處于盆地,但兩地經濟發(fā)展水平差距較大,2018年太原人均地區(qū)生產總值為88272元,運城為28229元,另外環(huán)境治理投入有較大差距,2018年運城投入4000多萬元提升生態(tài)環(huán)保能力,太原支出6.74億元用于環(huán)境治理項目建設,由此可見人類響應對生態(tài)安全水平提升的作用。

綜上,研究區(qū)生態(tài)安全水平與生態(tài)安全空間分布的變化受經濟發(fā)展水平、開發(fā)方式和強度的影響,經濟發(fā)展水平接近、地形條件相似的地區(qū)因開發(fā)方式和開發(fā)強度的不同,導致生態(tài)安全水平的差異。

4 討論與結論

4.1 討論

由于各個學者的指標選取、研究方法的差異性、各個研究區(qū)自然地理狀況的獨特性,生態(tài)安全等級的劃分沒有較為明確的標準。本文在進行山西省生態(tài)安全等級劃分時,參考相關研究,對研究區(qū)生態(tài)安全等級化進行劃分(表2),使之盡量符合研究區(qū)實際情況,但如何使生態(tài)安全等級劃分更加科學、更加合理仍需要進一步進行研究。

研究發(fā)現,不同尺度下的生態(tài)安全時空分布有所不同,從市域尺度來看,研究區(qū)2000—2018年中部的太原、陽泉生態(tài)安全等級較高,但縣域尺度除市轄區(qū)外,其他縣域生態(tài)安全等級較低,而市域尺度生態(tài)安全等級較低的忻州在縣域尺度卻只有6個縣等級較低,表明生態(tài)安全水平的空間特征存在尺度效應。具體表現在：①研究尺度越大,生態(tài)安全水平的整體差異程度越小。②生態(tài)安全水平越高的區(qū)域,研究尺度越小,區(qū)域內部差異越不均衡[26]。由此可見空間范圍越大,生態(tài)系統越穩(wěn)定,因此,在生態(tài)建設中,需要維護生態(tài)系統的完整性,在更大范圍內平衡生態(tài)系統功能的完整與可持續(xù)性。另外,在同一指標體系下對不同尺度進行評價,能夠保證不同尺度衡量標準的一致性、對比的可信度。

從生態(tài)安全綜合水平來看,2000—2018年縣域生態(tài)安全指數前五名在太原市轄區(qū)、陽泉市轄區(qū)、五臺縣、左權縣、盂縣之間變動,后五名在襄汾縣、萬榮縣、曲沃縣、新絳縣、臨猗縣之間變動,雖然生態(tài)安全水平差異呈現縮小的趨勢,但初始生態(tài)安全水平較好的地區(qū),生態(tài)環(huán)境基本會沿著正反饋的路徑持續(xù)改善,初始水平較差的地區(qū)雖在不斷提升,但依舊是生態(tài)安全水平較低的單元,說明山西省生態(tài)安全水平的演化存在路徑依賴現象。主要機制如下：生態(tài)安全基礎較好的地區(qū)能夠集中精力發(fā)展經濟,通過經濟發(fā)展的正反饋機制,投入更多資金治理,然后通過正反饋機制對生態(tài)環(huán)境產生積極作用,提升生態(tài)安全水平；生態(tài)安全基礎較差的地區(qū)生態(tài)環(huán)境容量有限,隨著城市的擴張和人口的集聚,人口容量逐漸變小,在負反饋的作用下使環(huán)境承載力下降,即使通過發(fā)展經濟去獲取更多資金改善生態(tài)環(huán)境,但由于可分配的資金有限,無法形成可循環(huán)的正反饋作用機制,導致反饋效果不足,生態(tài)安全水平提升效果不佳。由此可見,傳統發(fā)展模式對區(qū)域生態(tài)安全的發(fā)展具有“鎖定”作用,需創(chuàng)新發(fā)展模式擺脫其路徑依賴,實現路徑突破,提升生態(tài)安全水平。

通過對縣域土地與森林的生態(tài)安全評價成果[12—17—30]分析發(fā)現,生態(tài)安全水平較高地區(qū)與以下因素有密切關系：①地形條件,地形決定人類開發(fā)活動的難度,地形起伏較大的地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,不合理的開發(fā)活動會引發(fā)水土流失、土地荒漠化等環(huán)境問題,其修復需要巨額的資金投入與漫長的治理過程；②植被覆蓋,植被具有涵養(yǎng)水源、保持水土的功能,對維持生態(tài)系統的完整性、循環(huán)性等方面起到至關重要的作用,地表植被遭到破壞后,生物多樣性會不斷減少,最終導致生態(tài)環(huán)境的失衡；③經濟發(fā)展水平,經濟水平的高低決定環(huán)境投入治理力度的大小,進而影響生態(tài)環(huán)境治理的效果。除上述特點以外,研究區(qū)還表現出自然環(huán)境狀態(tài)與經濟發(fā)展水平同時較低的情況,反映出研究區(qū)以煤炭資源開采為主的初級資源開發(fā)模式對生態(tài)環(huán)境的影響。基于此,將研究區(qū)各地理單元劃分以下類型：①生態(tài)較好—經濟水平高,包括太原盆地附近區(qū)域；②生態(tài)較好—經濟水平低,包括太岳山、太行山中段附近區(qū)域；③生態(tài)較差—經濟水平高,包括長治盆地、臨汾盆地、運城盆地附近區(qū)域；④生態(tài)較差—經濟水平低,包括大同盆地、忻州盆地、呂梁山附近區(qū)域。綜上所述,山西省生態(tài)安全水平變化是自然地理環(huán)境、人類脅迫程度、經濟發(fā)展水平三者交互作用的結果,自然環(huán)境狀態(tài)是生態(tài)安全水平的基礎,對人類開發(fā)活動產生制約作用,經濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的改善起到積極作用,減緩人類脅迫程度。在經濟發(fā)展的基礎上維持生態(tài)系統相對穩(wěn)定狀態(tài)與人類社會經濟持續(xù)發(fā)展之間的平衡,是維持人與自然和諧相處的關鍵。

4.2 結論及建議

本文對山西省2000—2018年生態(tài)安全水平進行綜合評價并分析其空間差異及來源,探究生態(tài)安全空間演變的影響因素,主要結論如下：

(1)山西省生態(tài)安全綜合指數呈逐年增長趨勢,生態(tài)環(huán)境明顯改善,不同行政單元尺度下增幅不同,表現為省域>市域>縣域,總體生態(tài)安全水平較低?？h域生態(tài)安全在空間上呈“片狀”和“帶狀”分布,表現為由中部向南部和北部遞減的非均衡化空間格局,生態(tài)安全水平在空間上存在正向的空間依賴現象,空間集聚程度增強。

(2)縣域生態(tài)安全水平空間異質性程度不斷下降,子群內部的非均衡性由南向北依次遞減,子群間差異中部-南部最大,其次是北部-南部,最后是中部-北部,差異的主要來源是子群間差異。

(3)縣域生態(tài)安全水平呈現明顯的空間溢出現象,本地區(qū)域生態(tài)安全水平的變化會對周圍區(qū)域生態(tài)安全水平產生影響。經濟規(guī)模、人口密度、城鎮(zhèn)化率、NDVI、高程是山西省縣域生態(tài)安全空間演變的關鍵影響因素,產業(yè)結構、降水量、氣溫是次要影響因素。

(4)研究區(qū)生態(tài)安全水平的空間特征存在尺度效應,研究尺度越大,生態(tài)安全水平的整體差異程度越小,生態(tài)安全水平越高的區(qū)域,隨著研究尺度的縮小,區(qū)域內部的差異越不均衡,需要在更大范圍內平衡生態(tài)系統功能的完整與可持續(xù)性。研究區(qū)生態(tài)安全水平的變化存在路徑依賴,不同地區(qū)因生態(tài)基礎的差異導致發(fā)展路徑的不同,生態(tài)安全提升效果差距較大,應擺脫不合理發(fā)展模式的路徑依賴。

(5)研究區(qū)生態(tài)安全水平變化是自然地理環(huán)境、人類脅迫程度、經濟發(fā)展水平三者交互作用的結果,在經濟發(fā)展的基礎上維持生態(tài)系統相對穩(wěn)定狀態(tài)與人類社會經濟持續(xù)發(fā)展之間的平衡,是促進區(qū)域生態(tài)安全水平提升,維持人與自然和諧相處的關鍵。

根據上述結論,為進一步提升山西省生態(tài)安全水平,推進生態(tài)文明建設,提出以下建議：

在保護山區(qū)生態(tài)安全較高水平區(qū)域生態(tài)環(huán)境的同時,應在呂梁山、太行山、太岳山等區(qū)域加大植樹造林力度,提升水源涵養(yǎng)能力,推進退耕還林進度,保護生物多樣性,守住生態(tài)安全底線；提升經濟發(fā)展水平,縮小區(qū)域發(fā)展差距,重視區(qū)域生態(tài)環(huán)境的特殊性與整體性,根據主體功能區(qū)劃推進生態(tài)環(huán)境聯防聯控治理；積極對以煤炭開發(fā)為主的初級發(fā)展模式進行路徑突破,實現產業(yè)轉型的路徑創(chuàng)造,促進生態(tài)安全水平的提升。本文在時空演化方面僅選取四個年份,對生態(tài)安全水平的演化過程與路徑依賴機制反映有限,基于長時間序列的研究能夠更完整地表征路徑依賴機制,這是以后研究的重點和方向。