渭河流域甘肃段生态安全评价

Ecological safety assessment of the Gansu section of the Weihe River Basin

摘要

目的 渭河流域甘肃段在黄河的整治开发中占有非常重要的战略地位，测算其生态安全指数和等级，可为该区域生态文明建设提供理论依据。 方法 基于PSR 模型，从压力、状态和响应准则层中选取了20个评价指标，构建生态安全评价指标体系，运用熵权法计算各项指标权重，根据综合指数法计算渭河流域2005、2010、2015、2020 年的生态安全指数，最后运用障碍度诊断模型计算障碍因子。 结果 渭河流域甘肃段平均生态安全指数由2005年的0.425 2上升到2020年的0.448 6，生态安全均处于临界安全级，生态安全总体状况有所提升，研究区域生态安全状况在空间分布上呈现出东北部高，西南部较低的特点，研究区域生态安全的主要障碍因子为经济密度、人均GDP、城市化率、有效灌溉面积、当年造林面积。 结论 2005~2020年渭河流域甘肃段地区的生态安全整体呈现变好趋势，但存在空间差异，其中，东北部生态安全状况有明显提升，西部地区生态安全状况改善较小。

Abstract

Objective The Gansu section of the Weihe River Basin occupies a very important strategic position in the improvement and development of the Yellow River，and measuring its ecological security index and grade can provide a theoretical basis for the construction of ecological civilization in the region. Method Based on the PSR model，20 evaluation index structures were selected from the pressure，state and response criterion layers to construct an ecological security evaluation index system，and the weight of each index was calculated by the entropy weight method，the ecological security index of the Weihe River Basin in 2005，2010，2015 and 2020 was calculated by the comprehensive index method，and finally the obstacle factor was calculated by the obstacle diagnosis model. Result The average ecological security index of the Gansu section of the Weihe River Basin increased from 0.425 2 in 2005 to 0.448 6 in 2020，and the ecological security was at the critical security level，and the overall status of ecological security was improved.The ecological security status of the study area showed the characteristics of high in the northeast and low in the southwest in terms of spatial distribution，and the main obstacles to regional ecological security were economic density，GDP per capita，urbanization rate，effective irrigation area，and afforestation area in the year. Conclusion From 2005 to 2020，the ecological security of the Gansu section of the Weihe River Basin showed a better trend，but there were spatial differences，among which the ecological security in the northeast was improved significantly and the ecological security in the western region improved to a small extent.

Graphical abstract

关键词

渭河流域 / PSR 模型 / 熵权法 / 生态安全评价

Key words

Weihe River Basin / PSR model / entropy method / ecological safety assessment

Author summay

韩娇，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

生态环境与人类生产、生活密切相关，由于城市化的进程以及人类活动干扰的原因，景观结构遭到很大程度地破坏，生态环境状况恶化，生态系统出现了安全危机，威胁到人类的生产、生活和可持续发展。保护生态环境、维护生态安全成为促进可持续发展的重要途径^［1］。生态安全是指一个国家、地区或人类社会生存和发展所需的生态环境处于不受或少受破坏的状态，是一个复合生态安全系统、一个城市可持续和稳定发展的重要保证和条件^［2］。生态安全评价是生态安全研究的重要组成部分，已经逐渐成为国内外研究的前沿课题和热点，它不仅能为生态变化的调控提供依据，而且能对生态安全做出预警^［3］。

近年来很多学者开展了生态安全的相关研究，如孙彩歌等^［4］采用综合评价方法对东江流域各县市的生态安全状况进行了评价。解雪峰等^［5］基于PSR建模的东阳河流域生态安全评价。彭月等^［6］对宁夏黄河流域2000~2012年的生态安全综合评价，结果表明流域生态安全水平有所增强，但整体上仍处于欠安全级别。朱军等^［7］以星云湖流域为研究区，分析其主要生态环境问题、生态安全空间格局及其优化，建立了流域生态廊道和生态节点。李维佳等^［8］通过构建生态安全格局，为基于生态红线的洱海流域土地资源和生态系统管理提供科学依据。目前关于区域生态安全评价的研究结果众多，但是大多以行政区划为研究单元，忽略了区域内部的差异性评价结果，缺乏空间的可视化效果^［9］。

随着社会经济水平的加快和城市化进程的推进，黄河流域洪涝风险、流域生态环境脆弱等问题频发 ^［10］。渭河是黄河的最大支流，在黄河的整治开发中占有绝对重要的战略地位^［11］。渭河流域甘肃段属于渭河干流上游部分，区域水土流失严重、生境不断恶化、水量匮乏、河流生态结构受损^［12］，不仅会导致粮食安全危机，还会影响经济的发展。渭河流域甘肃段自然资源丰富，是甘肃省主要农林产品生产基地和畜牧业、经济作物的主产区，保证着甘肃省的粮食安全和经济发展，其生态安全系统问题至关重要。良好的生态环境是人类社会可持续发展的内在要求，树立和践行绿水青山就是金山银山理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展，研究区域生态安全能保证粮食生产能力的稳定性和可持续性，并且经济发展绝不能以牺牲生态环境、影响粮食安全为代价^［13］。

本研究拟以渭河流域甘肃段生态系统为研究对象，从流域生态环境问题及其成因机理出发，基于PSR模型和生态安全综合指数法，利用地形、土地利用和植被等生态因子的空间数据，采用 RS 与 GIS 相结合的方法从格网单元尺度上定量评价2005~2020年研究区域生态安全状况，揭示渭河流域生态安全格局时空变化过程^［14］。以利于充分认识流域生态安全状况，为流域的生态安全建设提供理论参考，为区域生态可持续发展提供科学依据^［15］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭河是黄河的第一大支流，发源于甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三省，于陕西潼关注入黄河^［16］。渭河流域可分为东西二部：西为黄土丘陵沟壑区，东为关中平原区。渭河干流横跨甘肃东部和陕西中部，全长818 km，流域总面积134 766 km²。

本研究选取位于甘肃省境内的渭河流域作为研究区，地理位置为N 34°12'~36°10'，E 104°00'~108°45'，涉及甘肃省天水、定西、庆阳、平凉4市29个县（区）。渭河甘肃段属渭河干流上游部分，干流全长约为360 km，流域面积约7.7万 km²。

研究区域位于我国西北地区，地理特征比较复杂，地形东南低而西北高，地形起伏较大^［17］。流域内的地貌类型有黄土丘陵沟壑、黄土塬、河谷川地等，区内的土体较为疏松，植被稀疏，水土流失严重。流域多年平均气温6~13 ℃，年平均气温自东向西，由渭河向两侧呈递减趋势^［18］。流域多年平均降水量300~700 mm，呈南多北少、西多东少规律分布^［19］。流域多年平均蒸发量为892.9 mm，分布规律与降水量相反，属于蒸发比较强烈区域^［20］。

渭河流域在我国西北地区的经济优势很突出，在区域经济发展、一带一路新丝绸之路和西部大开发战略中占有一席之地，其矿产资源和旅游资源丰富^［21］。

1.2 数据来源与预处理

社会经济数据来源于2005年、2010年、2015年、2020年甘肃省统计局《甘肃省发展年鉴》。

土地利用数据选用渭河流域甘肃段Landsat-TM影像数据，数据来源为中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m。借助ENVI 5.1软件对下载的遥感影像数据进行预处理，处理完成后再采用监督分类与人工目视解译相结合的方式对影像中的地物进行分类，共确定区分出耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地6种生态系统类型，分类后的结果在进行Kappa系数验证时得到的数值均大于0.9，符合分类的精度要求，可以作为研究的数据进行使用（表1）。

DEM数据、气象数据、NDVI数据、甘肃省县级行政区划图等均从中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）下载得到。人口密度数据来源于Worldpop网站（http：//www.worldpop.org/），其他基础数据是由ArcGIS中栅格计算器计算得出。为了方便数据的统一处理，本文使用的所有数据投影均为Asia_North_Albers_Equal_Area_Conic投影，分辨率均调整为1 km×1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 构建评价指标体系

本研究采用世界经济合作与发展组织 （OECD） 提出的压力-状态-响应的理论框架（press-state-response，PSR）确定渭河流域的生态安全评价指标。该模型从人与自然环境的相互作用的关系入手，将社会、环境与经济有效联系在一起，客观解读了人与自然生态环境之间的相互依存、相互制约的关系^［22］。本研究基于PSR 模型从自然、社会和生态3个方面出发，结合渭河流域甘肃段的特点和生态安全实际情况，选取了代表性的20 个评价指标构建渭河流域甘肃段生态安全评价指标体系，其中正向指标 11 个，负向指标9 个（表2）。

P-S-R模型通过压力指标、状态指标和响应指标综合评价人类活动对生态环境造成的压力和相应的反应^［23］。其中“压力”（P）是指给生态安全带来一定影响的自然因素和人为因素，例如随着人口密度的增加，环境污染加快导致生态退化等问题。本研究从自然、环境、社会和人口4个方面选取压力指标，其中社会环境压力侧重于描述城市发展及经济发展和自然灾害对生态系统所产生的压力，选取了城市化率和成灾面积指标；环境治理压力侧重于描述农业生产生活对生态系统所造成的污染和治理，选取了化肥施用量、塑料薄膜施用量和有效灌溉面积指标；人口活动压力侧重于描述区域生产生活对环境的影响，选取了人口密度、人均耕地面积和人均粮食产量指标。“状态”（S）是指在压力作用下研究区生态系统表现出的当前状况^［24］，如降水、气温和植被覆盖度的变化，具体包括研究区域的气象状况（年降水量、年平均气温）、地形地貌状况（地形起伏度、坡度、坡向）和环境状况（土壤侵蚀强度、NDVI）。“响应”（R）是指人类为了应对生态环境继续恶化，为增强生态安全可持续发展所采取的经济、社会、环境方面的应对办法，其中在经济方面的响应侧重描述提升经济从而减少资源需求，选取了人均GDP、农村居民可支配收入和经济密度指标；在社会和环境的响应方面描述政府及群众对修复生态环境做出的措施，选取了当年造林面积、环境污染治理力度指标^［25］。

1.3.2 确定评价指标权重

指标权重反映指标对研究问题的重要性，对区域生态安全评价具有重要意义^［26］。确定指标权重的方法主要分为两大类，一类是主观赋权法，包括层次分析法、综合指数法、模糊综合法等^［27］；第二类为客观赋权法，包括熵权法、主成分分析法、灰色关联分析法等^［28］。由于主观赋权法具有较强的人为主观性，所以为了避免主观赋权法的缺陷，本研究采用客观赋权法中的熵权法来确定指标权重。具体的计算过程如下：

1） 数据标准化。首先要消除指标间不同量纲的影响，对原始数据进行标准化的处理，指标分为正向指标和负向指标，趋向性不同的指标有不同的公式，如下所示。

正向指标：

T_{ij}=\frac{X_{ij}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(X_{ij})}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(X_{ij})-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(X_{ij})}+\mathrm{0.000}\mathrm{1}（1）

负向指标：

T_{ij}=\frac{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(X_{ij})-X_{ij}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(X_{ij})-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(X_{ij})}+\mathrm{0.000}\mathrm{1}（2）

式中：X_ij 代表第j年第i个评价指标原始值；T_ij 代表第j年第i个评价指标标准化后的数值；max（X_ij ） 代表第i个评价指标的最大值，min（X_ij ） 代表第i个评价指标的最小值。

2） 计算指标权重。根据标准化数据，运用熵权法确定各个指标的权重，步骤如下。

第一步：

P_{ij}=X_{ij}/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{X}_{ij}（3）

第二步：计算信息熵

e_j=-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{l}\mathrm{n}n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{P}_{ij}ln(P_{ij})（4）

\mathrm{其中},\mathrm{0}\le e_j\le \mathrm{1}

第三步：计算效应值

g_j=\mathrm{1}-e_j（5）

第四步：计算权重

W_j=g_j/{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}{g}_j,j=\mathrm{1,2},\mathrm{3}\dots \dots m（6）

各指标的权重值见表 2 所示。

1.3.3 测算生态安全指数

通过上述一系列计算，对每一个指标进行标准化处理及确定其权重值，利用指标的标准化值及与之对应的权重计算并且叠加，得到渭河流域的生态安全系统的综合指数，采用以下公式：

{\mathrm{Z}}_i={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{W}_j{T}_{ij}（7）

式中：Z_i 为该年的综合评价值，为0~1，安全综合指数越靠近1，表明研究区域生态安全值越高，安全综合指数越接近0，则表明研究区域生态安全值越低；W_j 为第j个评价指标的权重值；T_ij 为第j个评价指标的标准化值。

1.4 确定生态安全等级

本文在参考冯科等的研究，咨询有关专家的基础上，确定渭河流域甘肃段生态安全分级标准。生态安全指数值的范围为0~1，根据等间距划分法将其划分为 5 个等级，具体的评价标准如表 3 所示。计算后得出的综合安全指数值越高，研究区域的生态安全状况就越好，反之得出的综合安全指数值越低，研究区域的生态安全状况就越差^［29］。

1.5 识别障碍因子

本文在得到渭河流域甘肃段的生态安全的基础上，运用障碍度诊断模型，对每个指标因子进行分析，得到影响其生态安全的主要障碍因子，从而为其提高生态安全水平。主要计算方法为：

计算F值：F=W\timesP（8）

计算R’标准化值：R\text{'}=(X-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n})/(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n})（9）

计算I值：I=\mathrm{1}-R^{\mathrm{\text{'}}}（10）

计算障碍度：O_j=\frac{F\times \mathrm{I}}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}\left(F\times \mathrm{I}\right)}（11）

2 结果与分析

2.1 渭河流域甘肃段生态安全空间分布特征

渭河流域甘肃段平均生态安全指数2005、2010、2015和2020年分别是0.425 2、0.425 1、0.439 9和0.448 6，按生态安全等级划分，这些年份的平均值都属于临界安全级，说明渭河流域甘肃段生态系统易受到外界干扰，抵抗能力不足。2005~2020年渭河流域甘肃段生态安全指数呈波动式上升趋势，且波动幅度小，四期的平均生态安全指数从0.425 2增加到0.448 6，说明近15 a间渭河流域甘肃段的生态安全总体状况有所提升。

渭河流域甘肃段生态安全状况存在明显差异，在空间分布上呈现出东北部高，西南部较低的特点。处在东北部的华池县、镇原县、合水县、崆峒区、西峰区的局部地方生态安全指数较高，生态安全指数为0.6~1，且生态安全指数逐年增大，说明这些区域生态环境较好，植被覆盖率较高，受人为活动影响较小，这些地区切实加强了生态保护和修复。而西南方向的庄浪县、秦安县、静宁县、甘谷县、武山县，这些区县的生态安全指数为0~0.4，生态安全指数较小，由较不安全级别到临界安全级别的部分，这些区域受人为干扰度大，对园林水果产业的需求较大，生态安全保护意识不强，导致生态安全问题突出。

2.2 渭河流域甘肃段生态安全时空演变特征

由图2的渭河流域甘肃段生态安全等级分布图通过重分类提取出2005~2020年生态安全等级的面积和比例，从表4可以看出，从2005~2020年生态安全Ⅰ级面积逐渐减小，面积比例从2005年的17.93%减少至2020年的8.40%，说明这一时期生态不安全区域在逐渐修复。2005~2020年生态安全Ⅱ级在逐渐减少，说明该区域的生态状况在逐渐转好。生态安全Ⅲ级为临界安全级，该级别的区域的生态环境较为脆弱，需要加强保护和修复，生态安全Ⅲ级的面积逐年增幅较大，是经过一系列生态治理措施由生态不安全级和较不安全级的面积转化为生态临界安全级别。生态安全Ⅳ级面积从2005~2020年生态较安全级面积依旧在逐渐增加，对于生态安全并没有带来压力。生态安全Ⅴ级面积从2005年到2020年呈现较小幅度的逐年增长，这4个时期的生态安全等级面积不断变化，表明渭河流域甘肃段的生态安全在不断好转，针对此区域的生态安全治理措施是有明显效果的。

从四期生态安全等级分布图对比分析可知，自2005~2020年，渭河流域东北部的生态安全状况有明显改善，如环县、华池县、镇原县、崆峒区、合水县等地，表明了这些区域在退耕还林、城区绿化、生态保护政策等方面下足了力度。但是，渭河流域西部地区生态安全状况在这15 a期间改善力度较小，如秦安县、甘谷县、武山县、庄浪县、静宁县等地仍处于生态安全比较脆弱的区域。总体来说，该研究区域的生态安全状况呈现一个逐渐变好的趋势。

2.3 障碍因子诊断

障碍度模型结合PSR模型构建的指标体系计算得到指标层障碍度，筛选出排名前五的障碍因子，从表5中可知，排名第一的主要为R₅（经济密度），排名第二的主要为R₁（人均GDP），排名第三、第四和第五指标分别是P₁（城市化率）、P₇（有效灌溉面积）、R₄（当年造林面积）。结果表明影响生态安全的障碍因子主要是响应层指标和压力层指标，随着人类对生产生活质量的提高，经济密度的障碍度最高，影响到生态安全和稳定。提升渭河流域甘肃段的生态安全水平需要从压力准则层和响应准则层的这几个障碍度较高的指标因子进行改善和提高。

3 讨论

近年来，我国加大生态系统保护力度，实施生态系统保护和修复重大工程，优化生态安全屏障体系，提升生态系统质量和稳定性，通过生态安全评价研究，进一步了解生态安全治理的成效。渭河流域的社会经济发展与生态安全问题息息相关，渭河流域甘肃段的生态安全障碍因素，一定程度地制约了当地的经济发展以及生态环境^［30］，与赵孟丽等^［31］对渭河流域的人口与经济发展的影响因素研究结果相似，渭河流域西北部由于自然环境和生态破坏，造成生产要素流动受阻，经济发展缓慢，应加大政策支持，加快产业转型升级。研究区域生态安全状况在空间上存在明显差异，与王宗辉^［32］的研究结果相似，人口密度与人均GDP等因素都影响着生态安全状况。

针对渭河流域甘肃段的生态安全现状，生态安全虽有好转但仍然处于临界安全级，应加大环境保护的力度，实现社会的可持续发展。首先，渭河流域甘肃段的水土流失问题严重，需要从提高植被覆盖率上治理水土流失问题，坚持植树造林，针对地形地势、气候条件，以及流域附近林草植被的生长特点，种植适应流域本地生长的植被，丰富植被的种类。另外，要完善水土流失动态监测，完善水土保持信息管理系统建设。第二，加大对环境的投资力度。研究区域生态安全的主要障碍因子为经济密度、人均GDP等都是经济发展因素，所以在环境治理投资上要加大力度，完善环境制度，不能只发展经济而牺牲生态环境，利用科学技术节能减排，优化水资源配置。第三，提高环保认识度和参与度。良好的生态环境需要公众共同维护，通过多种渠道和活动让公众参与到渭河流域的保护队伍中^［33］。

4 结论

本研究基于PSR模型选取了包括人口密度、人均耕地、NDVI等20个指标构建了渭河流域甘肃段的生态安全评价指标体系，运用熵权法计算每个指标的权重，再利用综合指数评价法得到2005年、2010年、2015年和2020年4个时期的生态安全指数。研究结果表明：

1） 研究区域2005~2020年生态安全均处于临界安全级，说明研究区域生态系统抵御功能较弱。

2） 研究区域2005~2020年生态安全状况逐渐好转。随着生态环境保护力度的加强和生态环境修复工程的实施，研究区域生态安全指数从0.425 2增加到0.448 6，生态安全状况逐渐向变好的趋势发展。

3） 研究区域生态安全状况在空间上存在明显差异。区域东部的生态安全指数明显高于西部的生态安全指数，区域东部的生态环境则相对较好。从区县角度来看，秦安县、甘谷县、武山县、张家川回族自治县、庄浪县、静宁县生态安全指数相对较低，而崆峒区、西峰区、庆城县、华池县、镇原县、安定区这些地区，生态安全指数较大，且生态安全指数逐年增大，说明这些区域生态环境状况较好。

4） 研究区域生态安全的主要障碍因子为经济密度、人均GDP、城市化率、有效灌溉面积、当年造林面积，应当从这些方面进行着手，提高生态安全状况水平。

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基金资助

甘肃省高等学校创新基金项目(2021A-061)

黄河渭河流域（甘肃段）生态环境评估项目(701-03720015)

甘肃省自然科学基金项目(21JR7RA811)

甘肃省林业和草原科技创新计划项目(LCKJCX202205)