長江中游地區(qū)水生態(tài)安全時空演化特征及障礙因素研究

關鍵詞：水生態(tài)安全；ＰＳＲ 模型；障礙度模型；優(yōu)化路徑；長江中游

中圖分類號：Ｆ２０５；ＴＶ２１３．９ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１６

引用格式：呂添貴，李銳，邱蓉，等．長江中游地區(qū)水生態(tài)安全時空演化特征及障礙因素研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：９６－１０２．

隨著我國城市化與工業(yè)化進程的加快，在資源開發(fā)利用、人口規(guī)模擴張等過程中產(chǎn)生的水生態(tài)安全問題日益凸顯［１－２］ 。水資源對于維持生態(tài)系統(tǒng)健康和生物多樣性等具有重要作用。近年來北京、鄭州等發(fā)生的嚴重內澇，給區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展帶來極大損失，同時嚴重影響區(qū)域水生態(tài)安全?？茖W測度區(qū)域水生態(tài)安全演變規(guī)律，對于構建區(qū)域水生態(tài)安全屏障具有重要作用。

國內外學者圍繞區(qū)域水生態(tài)安全進行了諸多研究，在概念層面，從環(huán)境科學、生態(tài)學、安全科學等方面對水生態(tài)安全進行了辨析［３－８］ ；在研究尺度方面涵蓋國家、流域等，其研究方向從以獨立自然歷程為基礎的單要素評估逐漸轉變?yōu)榭剂可鐣?jīng)濟與生態(tài)環(huán)境效益的綜合評估［９］ ；在模型構建方面，創(chuàng)建了耦合景觀生態(tài)學和數(shù)字地面模型等的水生態(tài)安全評價模型；在評價方法方面包括景觀格局分析法、生態(tài)足跡法、聚類分析法、物元分析法等［１０－１１］ 。綜上，已有研究圍繞區(qū)域水生態(tài)安全測度等進行了系統(tǒng)研究，但長江中游地區(qū)水生態(tài)安全評價方面還相對缺乏。鑒于此，本文以長江中游地區(qū)為研究對象，基于壓力－狀態(tài)－響應模型構建水生態(tài)安全評價指標體系，探析長江中游地區(qū)水生態(tài)安全時空演化特征，并采用障礙度模型診斷水生態(tài)安全影響因素，進而提出水生態(tài)安全優(yōu)化路徑，以期為長江中游地區(qū)水生態(tài)安全屏障構建提供依據(jù)。

１研究區(qū)概況與研究框架

１．１研究區(qū)概況

長江中游地區(qū)包含江西、湖北、湖南等省的３１ 個地級市［１２］ ，是長江經(jīng)濟帶的重要組成部分。研究區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，區(qū)域內地勢平坦，大多為平原，擁有洞庭湖、鄱陽湖和武漢東湖等眾多湖泊水系，水資源較為豐富。近年來隨著長江中游地區(qū)的大力開發(fā)與城市化和工業(yè)化等，以及氣候變化所導致的旱澇交替脅迫，研究區(qū)水環(huán)境污染、碳排放量超標和土地污染等問題阻礙了長江中游地區(qū)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

１．２研究框架

壓力－狀態(tài)－響應模型（ＰＳＲ 模型）能夠對水生態(tài)安全狀況進行有效評估，較為直觀反映出人與水環(huán)境之間的相互作用關系，為解決環(huán)境問題提供有效的數(shù)據(jù)支撐，是目前自然環(huán)境研究中應用較廣的模型之一［１３－１６］ 。在長江中游地區(qū)建設中，城市生產(chǎn)生活廢水排放量增加，導致生態(tài)環(huán)境遭到破壞，水生態(tài)環(huán)境質量降低，為此，構建長江中游地區(qū)壓力－狀態(tài)－響應水生態(tài)安全評價框架，見圖１。

２評價指標及研究方法

２．１評價指標選取

結合長江中游地區(qū)水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，構建水生態(tài)安全評價指標體系［１７］ ，見表１。

１）壓力因素。壓力是社會經(jīng)濟發(fā)展對水生態(tài)安全產(chǎn)生的直接負面影響。其中：城鎮(zhèn)生活污水排放量、工業(yè)二氧化碳排放量體現(xiàn)城市化帶來的環(huán)境保護壓力，人口密度和人均ＧＤＰ 表征人口增加、經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境污染對水生態(tài)環(huán)境造成的影響，農(nóng)用化肥施用折純量、農(nóng)用塑料薄膜使用量及農(nóng)藥施用量表征在土地開發(fā)和土地利用過程中釋放的污染物對水生態(tài)環(huán)境的影響。

２）狀態(tài)因素。狀態(tài)表征當前生態(tài)環(huán)境下水資源的現(xiàn)實狀態(tài)?；谏a(chǎn)、生活、生態(tài)用水３ 個層面選取人均水資源量、農(nóng)業(yè)用水總量、工業(yè)用水總量、生態(tài)用水量４ 個指標表征，其中：人均水資源量衡量生活用水狀態(tài)，農(nóng)業(yè)用水總量和工業(yè)用水總量表征水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供生產(chǎn)用水的功能狀態(tài)，生態(tài)用水量體現(xiàn)生態(tài)用水和生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)等狀態(tài)。

３）響應因素。響應體現(xiàn)人類對生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的應對水平。其中：污水處理率衡量環(huán)境治理響應，科學技術支出表示經(jīng)濟上對環(huán)境治理的響應，固定資產(chǎn)投資額表示企業(yè)通過優(yōu)化自身生產(chǎn)經(jīng)營結構對水污染進行控制的行動。

２．２研究方法

２．２．１水生態(tài)安全綜合指數(shù)計算

１）數(shù)據(jù)標準化。為消除不同評價指標間量綱和數(shù)量級的差異，采用極差標準化方法對評價指標進行標準化處理［１８－１９］ 。正向指標：

２．２．２水生態(tài)安全等級劃分

結合長江中游地區(qū)各市水資源實際情況，以等距法為分類方法，將長江中游地區(qū)水生態(tài)安全狀況劃分為不安全、臨界安全、基本安全、安全４ 個等級［２０－２１］ ，其對應的水生態(tài)安全綜合指數(shù)分別為≤０．２５、（０．２５，０．５０］、（０．５０，０．７５］、＞０．７５。水生態(tài)安全水平和水生態(tài)安全綜合指數(shù)正相關。水生態(tài)安全綜合指數(shù)越接近于１ 的市水生態(tài)安全水平越高。

２．２．３障礙度模型

水生態(tài)安全評價需要仔細分析其影響因素，并評估各指標的障礙度，以確定水生態(tài)安全主要影響因素。為此，構建水生態(tài)安全障礙度模型，診斷長江中游地區(qū)水生態(tài)安全障礙因子，并采用指標貢獻度（Ｍ_ｉ）、指標偏離度（Ｓ_ｉ）和指標障礙度（Ｎ_ｉ）３ 個指標按照障礙度的高低確定各因子是否有主從關系，及其對水生態(tài)安全的影響程度［２２－２４］ 。

２．３數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于２０１１—２０２０年湖北、湖南和江西省的統(tǒng)計年鑒，各市的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、水資源公報，以及《中國城市統(tǒng)計年鑒》。

３計算結果與分析

３．１水生態(tài)安全評價結果

３．１．１水生態(tài)安全時間演化特征

長江中游各省水生態(tài)安全綜合指數(shù)大多保持在臨界安全等級，但水生態(tài)安全綜合指數(shù)呈上升態(tài)勢，城市群水生態(tài)安全綜合指數(shù)均值從２０１１年的０．３４８３增大到２０２０年的０．４３４０，見表２。然而，在２０１８年，多地市水生態(tài)安全綜合指數(shù)出現(xiàn)波動，主要受壓力、狀態(tài)下降影響。長江中游城市化快速發(fā)展影響水生態(tài)安全，而隨著水生態(tài)環(huán)境建設的不斷推進，長江中游各省水生態(tài)安全水平有所提升。

３．１．２水生態(tài)安全空間演化特征

為揭示長江中游地區(qū)水生態(tài)安全的空間差異，選?。玻埃保蹦?、２０１６年、２０２０ 年，基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２軟件進行可視化處理。由圖２ 可知，長江中游地區(qū)水生態(tài)安全狀況在空間上存在差異。

２０１１年，長江中游各市水生態(tài)安全等級大多為臨界安全，僅長沙為基本安全，而天門、潛江、鄂州、鷹潭為不安全等級。究其原因，長江中游各市正處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化高速發(fā)展時期，隨之產(chǎn)生了水生態(tài)安全問題，因而２０１１年長江中游地區(qū)水生態(tài)安全水平普遍不高，有較大提升空間。

２０１６年，武漢、岳陽、婁底、南昌、株洲水生態(tài)安全等級演變?yōu)榛景踩燃?。武漢等大幅度降低農(nóng)用塑料薄膜使用量，提出“農(nóng)藥減量化”和提高污水處理率等舉措，提高了水生態(tài)安全水平，因此轉變基本安全等級。其他市也對“大力推進生態(tài)文明建設”這一決策作出響應，形成了長株潭城市群循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)、武漢都市圈和鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)等綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，提升了區(qū)域水生態(tài)安全水平。

２０２０年，長沙、武漢水生態(tài)安全等級提升為安全，其他市水生態(tài)安全綜合指數(shù)也有所增大。究其原因，雖然長沙、武漢人口密度、城市污水排放量處于全域前三，但相對于其他市其經(jīng)濟快速發(fā)展，科學技術支出較高，固定資產(chǎn)投資額處于較高水平且農(nóng)用化肥施用折純量、農(nóng)用塑料薄膜使用量和農(nóng)藥施用量較少，因此其水生態(tài)安全等級較高。

同時，萍鄉(xiāng)、九江、吉安、宜春等地處江西省五大河流域和鄱陽湖流域，可以充分利用河谷平原的地理資源和區(qū)位優(yōu)勢提升水生態(tài)安全水平，尤其是城鎮(zhèn)人口增長和區(qū)位優(yōu)勢凸顯促進區(qū)域投資，但各地市農(nóng)用化肥施用折純量、農(nóng)用塑料薄膜使用量和農(nóng)藥施用量均處于全省高位，對水生態(tài)安全產(chǎn)生明顯影響。

綜上，水生態(tài)安全綜合指數(shù)增大，水生態(tài)安全水平有所提高，這在一定程度上得益于響應系統(tǒng)的作用。然而，很多市仍處于臨界安全等級，距離基本安全等級還有很大差距。

３．１．３水生態(tài)安全全局自相關分析

基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２ 軟件進行全局自相關分析，測度全局莫蘭指數(shù)，結果見表３。莫蘭指數(shù)為０． ０２５ ～０．２８９，大多通過Ｐ 值（概率）為１％的顯著性檢驗，相應的Ｚ 值（標準差的倍數(shù)）呈現(xiàn)一定聚焦與離散特征，表明長江中游地區(qū)水生態(tài)安全空間正相關。２０２０年全局莫蘭指數(shù)減小，為１０ａ 內最小值，空間相關性與之前相比有所減弱。

３．１．４水生態(tài)安全局部自相關分析

為了進一步探究長江中游地區(qū)水生態(tài)安全的局部空間自相關特征，采用局部莫蘭指數(shù)進行長江中游地區(qū)水生態(tài)安全局部空間自相關分析。２０１１年、２０１６年和２０２０年長江中游地區(qū)水生態(tài)安全ＬＩＳＡ 集聚圖見圖３。

２０１１年，長沙、湘潭、株洲和衡陽為高高集聚區(qū)。湖南省水生態(tài)基礎較好，科學技術投入較大，水生態(tài)環(huán)境治理能力較強。受東南部沿海氣候影響，亞熱帶季風氣候帶來的降水量和空氣濕度能夠保證足夠的水汽輸送，同時植被覆蓋率較高、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)良好。

２０１６年，區(qū)域間高高集聚區(qū)減少為湖南省湘潭和衡陽。該地區(qū)受傳統(tǒng)資源開發(fā)模式影響，如株洲市粗放開發(fā)資源，使生態(tài)環(huán)境受到了較大影響。此外，潛江承接污染產(chǎn)業(yè)轉移，但未獲得合理的生態(tài)環(huán)境補償，由高低集聚區(qū)轉變?yōu)椴伙@著?？梢姡瑥拇址诺托Оl(fā)展模式轉變?yōu)榧s綠色發(fā)展是區(qū)域水生態(tài)安全水平提升重要方向。南昌水生態(tài)安全集聚效應一直呈不顯著特征，表明其對其他地區(qū)的空間帶動效應不明顯。

２０２０年，湘潭工業(yè)發(fā)展程度較高，２０１１—２０２０年工業(yè)發(fā)展水平顯著高于周邊其他市的，湘潭能源消耗量巨大，污水排放量較大，水生態(tài)安全水平較低，地區(qū)間出現(xiàn)低高集聚現(xiàn)象。

３．２水生態(tài)安全障礙度診斷

３．２．１因素層障礙度診斷

由表４可知，２０１１—２０２０年長江中游地區(qū)壓力、狀態(tài)、響應障礙度均值分別為３．５１％、４８．３４％、４８．１６％，影響長江中游地區(qū)水生態(tài)安全的因素層障礙度綜合排序：狀態(tài)＞響應＞壓力，即起制約作用的影響因素為響應和狀態(tài)。

３．２．２指標層障礙度診斷

將典型年份（２０１１年、２０１６年、２０２０年）障礙度排名靠前的指標作為其主要障礙因素，包括科學技術支出、生態(tài)用水量、人均水資源量、固定資產(chǎn)投資額、工業(yè)用水總量、農(nóng)業(yè)用水總量［２５］ ，其障礙度見表５?？茖W技術支出障礙度最大，與第一產(chǎn)業(yè)關聯(lián)的農(nóng)業(yè)用水總量的障礙度排名也比較靠前，表明第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式和城市化對水生態(tài)安全有較大影響。在狀態(tài)因素中，人均水資源量障礙度較大，是影響長江中游地區(qū)水生態(tài)安全的重要因素，表明日常用水方式對水生態(tài)安全產(chǎn)生顯著影響。此外，固定資產(chǎn)投資額對生態(tài)安全的影響相對靠前，表明城鎮(zhèn)化投資抑制了長江中游城市群水生態(tài)安全水平。

３．３長江中游地區(qū)水生態(tài)安全優(yōu)化路徑

為實現(xiàn)長江中游地區(qū)水生態(tài)安全新格局，結合水生態(tài)文明建設成果和地域資源條件，提升區(qū)域水生態(tài)安全水平，見圖４。

１）引導人口向中小城市流動，承接勞動密集型產(chǎn)業(yè)。利用長沙、武漢等大型城市的吸引聯(lián)動作用，將工業(yè)生產(chǎn)和服務行業(yè)作為未來增加就業(yè)人員崗位的保障，引導人口流向中小城市，化解人口增長對水生態(tài)安全所造成的壓力。此外，提高對湖北等水生態(tài)安全較低的城市政策的支持力度，推進勞動密集型產(chǎn)業(yè)轉移，大力支持流動人口就近工作。

２）加大科學技術投入，實現(xiàn)工業(yè)綠色轉型。首先，確定清潔能源主導地位，推動新能源進一步替代石化能源，成為生產(chǎn)生活中的主導能源；其次，提高傳統(tǒng)能源利用效率，積極推進電力系統(tǒng)數(shù)字化和智能化建設；最后，充分發(fā)揮安徽等地關于污水處理排放技術的創(chuàng)新優(yōu)勢，減少日常工業(yè)污水排放量。同時，創(chuàng)建綠色發(fā)展工業(yè)轉型升級示范園區(qū)，給予土地、租金、稅收、技術等政策優(yōu)惠，吸引行業(yè)內應用綠色資源較為出色的企業(yè)入駐，從而以點帶面，實現(xiàn)工業(yè)綠色轉型。

３）推動區(qū)域農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與水生態(tài)效益均衡發(fā)展。長江中游地區(qū)位于我國主要的糧食生產(chǎn)區(qū)，要實現(xiàn)鄱陽湖、洞庭湖水生態(tài)安全綜合指數(shù)穩(wěn)定提高，應延伸打造綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，與生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)相結合，通過觀光農(nóng)業(yè)和采摘園等，促進當?shù)靥厣r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與水生態(tài)效益平衡。

４）積極響應水生態(tài)環(huán)境治理政策，提高生產(chǎn)領域水資源環(huán)境績效。政府應積極運用其職能，增加武漢城市群、鄱陽湖城市群水生態(tài)環(huán)境治理資金，加大監(jiān)督治理力度，提升水環(huán)境治理所占經(jīng)濟比重，以提升生產(chǎn)領域水資源環(huán)境績效，實現(xiàn)水環(huán)境治理保護與社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展［２６－２７］ 。

４結論

基于長江中游地區(qū)３１ 個地級市指標數(shù)據(jù)，運用ＰＳＲ模型和障礙度模型等，綜合評價了２０１１—２０２０年水生態(tài)安全等級空間差異特征及其障礙度。長江中游地區(qū)水生態(tài)安全綜合指數(shù)由２０１１ 年的０．３４８ ３增大到２０２０年的０．４３４０，總體呈上升態(tài)勢。但長江中游地區(qū)水生態(tài)安全水平大多接近臨界安全等級，距離基本安全等級還有很大差距。長江中游地區(qū)水生態(tài)安全水平影響因素綜合排序為狀態(tài)＞響應＞壓力，相應的障礙度均值分別為４８．３４％、４８．１６％、３．５１％，受生態(tài)用水量、人均水資源量、工業(yè)用水總量等的綜合影響。長江中游地區(qū)水生態(tài)安全空間正相關，在區(qū)域內呈現(xiàn)集聚分布的特點，其中湖南省中南部地區(qū)具有高高集聚特征、武漢市具有低低集聚特征。

未來應引導人口流向中小城市、加大科學技術投入、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和水生態(tài)效益均衡發(fā)展等，重構區(qū)域水生態(tài)安全格局。