長株潭城市群生態(tài)安全綜合評價

李魁明,帥　紅,姚羅蘭,張　達,石　云

(1.防災科技學院，中國 三河　065201；2.湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，中國 長沙　410081)

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長株潭城市群生態(tài)安全綜合評價

李魁明1,2,帥紅2*,姚羅蘭2,張達1,2,石云1,2

(1.防災科技學院，中國 三河065201；2.湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，中國 長沙410081)

摘要結合長株潭城市群區(qū)域環(huán)境特點及社會、經濟發(fā)展狀況，以2005年、2010年和2014年為評價年，采用模糊綜合評價法對長株潭生態(tài)安全進行評價，結果表明：長株潭城市群生態(tài)安全狀況總體上不容樂觀，但可持續(xù)發(fā)展水平在不斷提高；研究區(qū)域中，長沙縣及長株潭3市市區(qū)的生態(tài)安全水平相對較高，而望城縣、湘潭縣及株洲縣生態(tài)安全水平相對較低．運用因子分析法對影響生態(tài)安全的主要因子進行分析，土壤重金屬面積比例、人口密度、人均水資源占有量、景觀破碎度等指標的影響較大，針對評價結果，提出了對策和建議．評價結果與實際情況基本相符合，為其他城市群的生態(tài)安全評價可提供借鑒．

關鍵詞生態(tài)安全；模糊綜合評價法；因子分析；長株潭城市群

在快速城市化和生態(tài)環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)的時代背景下，城市生態(tài)安全已經成為國家或區(qū)域生態(tài)安全的基石和核心[1]．目前國內外對城市生態(tài)安全的研究較多．就研究對象而言，多是基于經濟發(fā)達地區(qū)和快速城市化地區(qū)的特定城市進行研究[2-4]，對城市的高級發(fā)展形式城市群的研究較少；就研究方法而言，關于城市生態(tài)安全的研究方法多種多樣，包括綜合評價法[5]、生態(tài)足跡法[6]、模糊數學[7]、屬性識別[8]、物元模型[9]、投影尋蹤[10]、神經網絡[11]等等；并且隨著RS/GIS技術應用的日益成熟，借助RS/GIS手段，運用景觀生態(tài)學、LUCC理論，結合數據對城市生態(tài)安全進行研究的趨勢加強[12-14]；就研究內容而言，有向時空動態(tài)變化、發(fā)展趨勢與預警研究發(fā)展的趨勢[15-16]，但是相關研究依然較少．

2007年，長株潭城市群被國家批準為全國兩型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)，要求根據資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設的要求，盡快形成有利于能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護的體制機制，加快轉變經濟發(fā)展方式，推進經濟又好又快發(fā)展，促進經濟社會發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協調，切實走出一條有別于傳統模式的工業(yè)化、城市化發(fā)展新路．而目前城市群面臨水土流失嚴重、土壤重金屬污染、水資源短缺且污染嚴重、大氣環(huán)境質量不容樂觀、水旱災害頻發(fā)等一系列環(huán)境問題，這已成為制約城市群可持續(xù)發(fā)展的重要因素．因此，對該區(qū)域進行生態(tài)安全研究，把握其生態(tài)安全狀況的變化，對于協調城市群經濟與環(huán)境持續(xù)發(fā)展的政策構建，具有重要的現實意義．

1研究區(qū)域和研究方法

1.1研究區(qū)域界定

《長株潭城市群區(qū)域規(guī)劃(2008—2020年)》中確定的城市群核心區(qū)范圍涵蓋長沙市區(qū)、株洲市區(qū)、湘潭市區(qū)、望城縣全境，以及瀏陽市、醴陵市、湘鄉(xiāng)市、寧鄉(xiāng)縣、長沙縣、株洲縣、湘潭縣的一部分，總面積6 630.46平方公里．根據相關研究對長株潭城鎮(zhèn)密集區(qū)的界定范圍[17]，同時為了數據獲取的便利，以行政區(qū)界限要素為基礎，選取長株潭三市市區(qū)及望城縣、長沙縣、株洲縣、湘潭縣為研究區(qū)域．

1.2評價指標體系建立

依據對生態(tài)安全評價指標體系的研究進展，在大量參考了前人研究成果[1，3，7，12]的基礎上，選取了P-S-R概念框架模型，結合長株潭城市群實際情況，借鑒目前國內外相關學者的安全評價方法，考慮到城市群生態(tài)系統復雜性及指標獲取的可行性，選擇壓力要素10個、狀態(tài)要素10個，響應要素8個，共28個指標，構建了長株潭城市群生態(tài)安全評價指標體系(表1)．

1.3模糊綜合評價法

1.3.1評價等級及標準值的確定

(1)評價等級確定

本文在綜合考慮各個因素以及參照國內外研究成果[18～19]的基礎上，同時考慮到我國城市生態(tài)安全的現狀和存在的問題，將城市群的生態(tài)安全的評價標準區(qū)分為5個等級，即理想安全、較安全、臨界安全、不安全和極不安全．

(2)評價標準的確定

以《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(試行)》標準值、國內生態(tài)城市的評價標準、全國城市平均值和最低值為參照，結合湖南省平均水平、長株潭城市群的發(fā)展目標，確定極不安全、不安全、臨界安全及理想安全的標準值，以理想安全和臨界安全的中間值作為較安全的標準值．在參考相關學者研究成果[18～19]和咨詢專家的基礎上，設計了5級分級標準．長株潭城市群生態(tài)安全各分級標準的標準值見表1．

1.3.2權重的確定指標權重的確定方法有主觀賦值法和客觀賦值法[20-21]．為了達到取長補短，優(yōu)化權重的效果，本文分別運用AHP和熵權法獲得生態(tài)安全各指標的權重，然后取兩者平均值確定出最終的指標綜合權重(表1)．

注：(1)土壤重金屬污染面積比例按照土壤內梅羅綜合污染指數P>2的區(qū)域占整個區(qū)域面積的比例來計算．

(2)單位面積生態(tài)系統價值等于區(qū)域內生態(tài)系統服務價值比區(qū)域面積，生態(tài)系統服務價值根據土地利用/覆蓋來計算．

1.3.3隸屬度的確定模糊綜合評價法以隸屬度來劃分事物的模糊界限，充分考慮每個因子對綜合評價結果的貢獻，然后把貢獻按權重分配，經過模糊變換和綜合計算，得到綜合隸屬度，以此確定某指標的安全級別，然后根據隸屬度計算特征值．該方法的步驟分為

(1)建立評價因子集和評價等級集

設評價因子集為U={u1,u2,…,un},n為評價因子個數；評價等級集為V={v1,v2,…,vm},m為評價級別數，本文的評價等級集V由極不安全、不安全、臨界安全、較安全和理想安全5個評價等級構成．

(2)建立隸屬度函數和模糊矩陣

(1)

式中，X表示評價因子值，a1，a2為指標標準中相鄰的標準值，U(X)為某種因子的隸屬度．

每個因子的隸屬度通過上面的隸屬度函數獲得，所有因子的隸屬度構成了模糊矩陣R：

(2)

式中，i為評估因子的數量，j為評價級別數．

(3)隸屬度運算

根據模糊運算法則，B=R×W=(bj)1×m，得到各指標的模糊評判集．W為權重集，W={w1,w2……wn}．bj表示隸屬于第j等級的隸屬度．

(4)計算特征值

(3)

則H即為城市所處生態(tài)安全等級．

基于模糊綜合評判法，參照國內外模糊綜合評判法的分級標準，劃分生態(tài)安全分級標準(見表2)．

2數據來源與處理

2005年、2010年分別為各級政府“十五規(guī)劃”、“十一五規(guī)劃”完成年份，相關的統計資料較齊全，2014年為新近年份，適合作對比分析，因此，選擇這3個年份作為評價長株潭城市群生態(tài)安全的評價年．

本研究數據來源于2006年、2011年及2015年的《長沙市統計年鑒》、《株洲市統計年鑒》、《湘潭市統計年鑒》、《湖南省統計年鑒》及各相關縣市區(qū)統計年鑒；各縣市區(qū)同期的《國民經濟與發(fā)展統計公報》、湖南省及長株潭三市同期的《環(huán)境質量狀況公報》、《水資源公報》；景觀類數據來源于2005年8月、2010年8月及2014年8月三期遙感數據經解譯后計算獲得．

3長株潭城市群生態(tài)安全評價

3.1模糊綜合評價結果

依據上述評價方法得出各評價年城市群各評價單元的模糊綜合評價結果(表3～表5)以及各城市對極不安全、不安全、臨界安全、較安全和理想安全的隸屬度及級別特征值．

3.2評價結果分析

(1)總體來看，長株潭城市群生態(tài)安全水平級別不高，沒有一個評價單元能達到較安全水平和安全水平．以安全級別較高的2014年為例，長株潭城市群7個評價單元的生態(tài)安全水平級別都在臨界安全水平左右．按從高到低的排名依次為：長沙縣、長沙市區(qū)、湘潭市區(qū)、株洲市區(qū)、望城縣、湘潭縣、株洲縣．對照表2城市生態(tài)安全分級標準可以得出，所有評價單元中，只有長沙縣和長沙市區(qū)的級別特征值在區(qū)間[3.5，4]，處于臨界安全偏較安全狀態(tài)；湘潭市區(qū)、株洲市區(qū)及望城縣的級別特征值在區(qū)間[3，3.5]，處于臨界安全狀態(tài)；湘潭縣及株洲縣的級別特征值在區(qū)間[2.5，3]，處于不安全偏臨界安全狀態(tài)．

(2)長株潭城市群7個評價單元2005—2014年的生態(tài)安全特征值都在上升，這說明2005—2014年長株潭城市群在經濟發(fā)展的同時，均加大了對生態(tài)環(huán)境的重視和改善力度，城市的可持續(xù)發(fā)展水平在不斷得到提高．

但各單元生態(tài)安全水平的上升趨勢仍存在差異．其中長沙縣上升最快，從2005年的3.336 5增長到3.871 5，增長值為0.535；株洲縣生態(tài)安全特征值上升最慢，從2005年的2.790 8增長到2.915 6，增長值為0.124 8．

為進一步分析各單元生態(tài)安全水平在2005—2014年的增長速度差異，計算得出7單元的生態(tài)安全水平增長率(圖1)．

由圖1可以看出，生態(tài)安全增長率最高的是長沙縣，增長率為16.03%．長沙縣注重生態(tài)縣建設，2000年6月被列入全國第五批生態(tài)示范區(qū)建設試點地區(qū)之一，2008年，長沙縣委縣政府提出了5年內創(chuàng)建“國家生態(tài)縣”的戰(zhàn)略目標，出臺了《長沙縣國家級生態(tài)縣建設規(guī)劃》、《長沙縣“零碳縣”發(fā)展模式試點實施方案》等，其生態(tài)環(huán)境建設得到較好的保障，使得其生態(tài)安全水平得到了較快速的發(fā)展．由其指標數據也可以看出，長沙縣的人均公共綠地面積由2005年的9.5m2/人提高到2014年的12.7m2/人、工業(yè)廢水達標排放率由2005年的85.62%提高到2014年的99.6%、工業(yè)固廢綜合利用率由2005年的83.74%提高到2014年的95.26%、工業(yè)廢氣達標排放率由2005年的85%提高到2014年的95%、生活垃圾無害化處理率由2005年的87%提高到2014年的99%、城鎮(zhèn)生活污水處理率由2005年的81%提高到2014年的99%．

(3)2014年長沙市區(qū)的安全水平隸屬度(0.376 2)最高，同時其生態(tài)安全水平對極不安全的隸屬度(0.189 5)也較高，說明長沙市區(qū)的生態(tài)安全正在經受較為嚴峻的考驗．較安全和臨界安全水平的隸屬度最高的均為望城縣(0.284 1，0.399 4)，說明望城縣的生態(tài)安全水平尚有較大的發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

(4)為了更全面地分析長株潭城市群的生態(tài)安全水平狀況，本文對2005年、2010年和2014年7個評價單元的指標體系的準則層進行分析，利用上節(jié)同樣的步驟分別計算準則層的系統壓力、系統響應和系統狀態(tài)的各項指標的生態(tài)安全級別特征值，得出長株潭城市群準則層的模糊綜合評價結果．

用三維簇狀柱形圖表示長株潭城市群7個評價單元準則層壓力系統、狀態(tài)系統、響應系統的生態(tài)安全特征值(見圖2～4)．

根據上述結果，可將評價單元分為兩類分析比較．

第一類：長沙縣、長沙市區(qū)、株洲市區(qū)、湘潭市區(qū)．這類區(qū)域生態(tài)安全水平在整體區(qū)域中較高，其系統響應特征值高和系統狀態(tài)特征值較高，系統壓力特征值較低．這類區(qū)域經濟發(fā)達，經濟密度大，有足夠的資金來支持生態(tài)建設，在環(huán)境基礎設施建設、環(huán)保投資、教育投入等方面優(yōu)于其他地方，其系統狀態(tài)特征值和系統響應特征值較高；同時，該類區(qū)域城市化水平高，人口密度大，面臨較大的資源環(huán)境壓力，其系統壓力特征值較低．

第二類：望城縣、湘潭縣及株洲縣．這類區(qū)域生態(tài)安全水平在整體區(qū)域中不高，其系統狀態(tài)特征值、系統壓力特征值和系統狀態(tài)特征值差別不大，但系統壓力特征值明顯高于第一類區(qū)域．該類區(qū)域人口密度較低，資源環(huán)境壓力相對較輕，故系統壓力特征值較高．

(5)評價結果與實際情況基本相符合：以長株潭三市來看，長沙市的區(qū)縣的評價結果明顯較好，長沙市區(qū)和長沙縣排名始終在7個評價單元中處于前列，望城縣雖然排名位于湘潭市區(qū)和株洲市區(qū)后，但前于湘潭縣和株洲縣．經國家環(huán)?？偩峙鷾?，長沙市2002年成為我國第一個進入“全國生態(tài)建設試點示范市”行列的省會城市，2004年制訂了《長沙市生態(tài)市規(guī)劃》，2013年長沙市獲評“十佳生態(tài)文明建設示范城市”．從縣域來看，長沙縣評價情況最好．長沙縣2000年6月被列入全國第五批生態(tài)示范區(qū)建設試點地區(qū)，2013年通過國家級生態(tài)縣驗收．

由此可見，長沙市及長沙縣的生態(tài)安全在長株潭城市群中處于較好的狀態(tài)，與評價結果相符，這說明前文所選用的評價指標體系基本合理，能夠客觀反映城市群的生態(tài)安全狀況．所選擇的模糊綜合評價法均能得到較客觀的評價結果，將其應用于城市群生態(tài)安全的評價方面具有合理性．

4長株潭城市群生態(tài)安全影響因子分析

因子分析是一種常用的多元統計技術，根據少數抽象的變量即因子來描述眾多實際變量的變化情況．為了辨析長株潭生態(tài)安全的主要影響因子，分別對2005年、2010年和2014年的歸一化后的數據進行因子分析．

4.1因子推算

本文利用SPSS19.0數據處理軟件，分別對長株潭城市群各區(qū)縣2005年、2010年及2014年的數據進行計算處理．計算因子特征值和貢獻率及累計貢獻率(表6)．

前3個特征值的累計貢獻率均已經超過85%，據此選擇3個因子，然后計算因子載荷(表7)．

4.2結果分析

本文提取3個主要因子，均解釋了超過85%的總方差(表6)．第一個因子(VF1)解釋了60%左右的總方差，人口密度、人均水資源占有量、景觀破碎度、生態(tài)系統服務功能、工業(yè)固廢綜合利用率、人均GDP、科學教育投入占GDP比重、城鎮(zhèn)化率與第一因子的影響系數均在0.9左右；第二個因子(VF2)解釋了20%左右的總方差，災害成災面積比例、土壤重金屬污染面積、人口增長率與第二因子的影響較大；第三個因子(VF3)解釋了5%左右的總方差，其中人均生活用水量與第三因子的影響系數較高，以他們?yōu)橹鳂嫵傻那?個因子對生態(tài)安全的累計貢獻率達到85%以上．

第一因子(VF1)與工業(yè)固廢綜合利用率、人均GDP、科學教育投入占GDP比重、城鎮(zhèn)化率存在較強的正相關，與人口密度、人均水資源占有量、景觀破碎度、生態(tài)系統服務功能存在較強的負相關，這表明地區(qū)的經濟發(fā)展水平、社會發(fā)展水平及景觀狀態(tài)等對生態(tài)安全影響最大；第二因子(VF2)與人口增長率、災害成災面積比例呈較強負相關，這表明人口增長、自然災害及土壤重金屬污染面積對生態(tài)安全影響較大；第三因子(VF3)與人均生活用水量呈較強的負相關，這表明水資源壓力生態(tài)安全有明顯影響．

針對上述評價結果，提出以下對策建議：

(1)大力發(fā)展經濟．醫(yī)療衛(wèi)生投入、教育的投入、生態(tài)環(huán)保政策的實施、環(huán)境設施的改善等都需要以強大的經濟實力作后盾．發(fā)展經濟，提高生態(tài)建設的投入程度仍然是長株潭城市群生態(tài)安全建設的重要任務．

(2)加大環(huán)保和科教投入．過去這幾年，長株潭地區(qū)對環(huán)境保護資金的投入逐年增加，但是始終在3%以內．因此要完善環(huán)保投入機制，提高環(huán)保投入占同期GDP的比重，形成環(huán)保投入的長效機制．加大科學技術投入力度，重視生態(tài)技術的開發(fā)應用，建立和完善生態(tài)技術和生態(tài)創(chuàng)新的支撐體系．通過加強污染治理的關鍵技術的研發(fā)，全面提高長株潭城市群的生態(tài)環(huán)境技術創(chuàng)新水平，解決突出的環(huán)境問題以促進社會的可持續(xù)發(fā)展．

(3)控制人口增長，提高人口素質，減輕資源環(huán)境壓力．人口過度增長加大了資源環(huán)境壓力，在人口密度大的城市，往往容易形成“城市病”，對衣、食、住、行、教育、醫(yī)療、就業(yè)等方面造成巨大的壓力，因此，長株潭城市群要嚴格控制人口數量，引導人口有序流動．采取多種形式提高區(qū)域人口的科技、文化、法制素質，加強生態(tài)環(huán)境宣傳教育，樹立國民的可持續(xù)發(fā)展觀．

(4)完善城市群景觀建設．①完善生態(tài)景觀結構．長株潭城市群特別是3市市區(qū)生態(tài)景觀多樣性不高，景觀破碎度偏大，生態(tài)景觀受人為干擾強烈，損壞較大，生態(tài)景觀穩(wěn)定性和安全性降低，需要完善城市群生態(tài)景觀結構，建立多元化的生境化環(huán)境．②恢復保護自然景觀與人文景觀．城市景觀是自然景觀與人文景觀的和諧統一，通過自然景觀的修復更新和文化景觀的構建，來增加城市景觀空間異質性，有助于提高城市生態(tài)系統的抗干擾能力和恢復能力，提高生態(tài)系統的穩(wěn)定性．

(5)防止城鎮(zhèn)無序擴張，破環(huán)景觀協調性．景觀格局中的斑塊密度、景觀破碎度、最大斑塊等指標與建設用地增長之間存在明顯正相關性，因此，長株潭城市群要完善相關城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃，嚴格控制建設用地，防止城鎮(zhèn)無序擴張．

(6)建立長株潭城市群環(huán)境同治協調機制．組織編制長株潭城市群環(huán)境同治規(guī)劃，重點突出湘江污染防治和重金屬污染防治．

5結論與討論

(1)利用所建立的P-S-R指標體系和模糊綜合評價模型，對長株潭城市群2005年、2010年和2014年的生態(tài)安全進行評價，表明長株潭城市群生態(tài)安全狀況總體上不容樂觀，但可持續(xù)發(fā)展水平在不斷提高；研究區(qū)域中，長沙縣及長株潭3市市區(qū)的生態(tài)安全水平相對較高，而望城縣、湘潭縣及株洲縣生態(tài)安全水平相對較低．評價結果與實際情況基本相符合，可以為其他城市的生態(tài)安全評價提供借鑒．運用因子分析法分析了長株潭城市群生態(tài)安全的主要影響因子，針對分析結果，建議長株潭城市群在大力發(fā)展經濟的同時加大環(huán)保和科教投入；控制人口增長，提高人口素質，減輕資源環(huán)境壓力；完善城市群景觀建設等．

(2)以行政區(qū)為評價單元，相對自然區(qū)域而言，其評價結果更容易為公眾感知，有利于為行政區(qū)生態(tài)系統管理提供依據，但評價結果均質化，其內部差異往往被忽視．雖然系統狀態(tài)中景觀狀態(tài)相關指標是通過GIS軟件解譯計算獲取，但并未將生態(tài)安全研究與3S很好地結合起來；城市群生態(tài)系統是一個復雜的大系統，涉及資源、環(huán)境、經濟、社會等各個方面，由于專業(yè)背景及數據可獲得性、研究手段的限制，所建立的指標體系不可避免的會有遺漏和偏差，對城市群生態(tài)安全的評價仍具有一定的局限性．

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(編輯HWJ)

Ecological Security Assessment of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Urban Agglomeration

LIKui-ming1,2,SHUAIHong2*,YAOLuo-lan2,ZHANGDa1,2,SHIYun1,2

(1.Institute of Disaster Prevention Science and Technology, Sanhe 065201, China；2.College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

Key wordsecological security; the fuzzy comprehensive evaluation method; factor analysis; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

AbstractOn the basis of environmental profiles and development conditions of social and economic characteristics, with year 2005, 2010 and 2014 as examples, we systematically evaluated the ecological security of ChangSha-ZhuZhou-XiangTan urban agglomeration with fuzzy comprehensive evaluation method. Our results show that the ecological security condition of this agglomeration is not optimistic in general, though sustainable development level constantly improved. In the regional study, we found that Changsha country, Changsha, Zhuzhou and Xiangtan have relatively high levels of ecological security while Wangcheng country, Xiangtan country and Zhuzhou country are low. From the analysis of major factors effecting ecological security by factor analysis method, we unveiled that the proportion of soil heavy metal area, population density, per capita water resources and landscape fragmentation index are most significant. Suggestions and measures have been proposed according to the above analysis. Generally speaking, evaluation results are in good agreement with the actual situations. We believe that our analysis method can be used for ecological security evaluation in other urban agglomerations.

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2016.02.001

收稿日期：2015-08-27

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41501565)；湖南省重點學科(地理學)建設項目(2012001)

*通訊作者,E-mail：shuaih823@163.com

中圖分類號X174.1

文獻標識碼A

文章編號1000-2537(2016)02-0001-09