聚焦︱面向生命共同体健康的生态安全评价研究——以湖北省三峡库区为例

导读

当前，资源环境承载力和国土空间开发规划面临巨大挑战，如何合理开发利用自然资源，有效进行生态环境保护，提升城市可持续发展能力成为目前亟待解决的问题。本文以生态安全综合评价为例，探究多要素下的指标选取和构建方法，分析现有的自然资源本底服务能力以及抵抗干扰的能力，从景观学角度分析当前研究区域的格局分布，进而综合分析生态安全格局，为生态保护提供建议。

20世纪以来，随着科学技术和社会生产力的不断提高，社会经济发展迅速，加速和推进了人类文明的发展。在社会经济快速增长的同时，超负荷经济活动，过度物质能量的索取引发了生态失衡、环境污染、资源枯竭等一系列生态环境问题，自然资源利用不合理不充分的问题逐渐暴露出来，严重影响了人与自然的平衡。资源环境承载力和国土空间开发规划面临巨大挑战，如何合理开发利用自然资源，有效进行生态环境保护，提升城市可持续发展能力成为目前亟待解决的问题。自然资源作为生态文明建设的基石，其开发利用方式、承载能力等与生态文明建设息息相关，统一监测评价自然资源对于统筹规划、合理开发具有重要意义。

习总书记指出生态文明建设要坚持山水林田湖草生命共同体的系统治理，首先需要对于自然资源的现状进行了解和把握，对自然资源进行综合评价。进行综合评价具有以下几点意义：①了解自然资源空间分布格局，摸清不同空间要素的本底条件；②识别资源环境风险及保护范围，对承载能力进行评价测算，为生态保护区、基本农田保护区、城镇开发边界的确定提供基础依据；③评价成果能够作为国土空间规划的前提和基础，划定“三区三线”的依据，使国土空间规划的编制更加系统和科学，指导区域国土空间开发和生态保护，促进社会经济和生态环境协调发展。

一、评价方法综述

现在关于自然资源的主要评价方法从定性到定性与定量评价相结合，从单一要素评价到多要素综合评价，从静态分析到动态分析；评价模型从使用单一方法到组合多种评价方法的复合模型；定性的方法主要有情景分析法，定量的评价方法从最初的熵值法、专家分类法、经验模型法等较为简单的方法，到主成分分析法、层次分析法、因子分析法等复杂方法，在权重的确定及指标选取上更加客观和综合。使用生态足迹法，能值分析法等复杂方法评价生态系统，在空间上利用遥感监测方法研究自然资源分布等。在静态分析方法的基础上，逐渐发展为考虑生态系统要素间的因果关系，不同要素间的资源能量流动等，动态分析资源环境服务及承载能力，模拟自然资源环境的压力等问题，动态分析不同策略的结果和可能性，预测未来的资源环境承载力。评价方法主要有基于系统动力学的方法、遗传算法、时间序列法等。表1对现有的评价方法进行了简单的归纳。

表1 主要的评价方法

不仅评价的方法逐渐趋于全面系统的分析，从评价的内容和角度来看，自然资源环境的研究也趋于多角度综合分析。国内学者针对自然资源环境评价主要按照以下3种研究思路进行评价：单要素评价，单要素指向下的多要素评价以及针对不同应用、不同区域、多要素、多角度进行综合评价，建立了不同的评价指标体系和评价方法。自然资源的单要素评价国内学者主要从土地资源与环境、水资源与环境、矿产资源、生物资源、海洋资源与环境、地质环境、大气环境等方面进行评价。主要采用熵值法、层次分析法、灰色关联分析、模糊评判法、主成分分析法、因子分析法等方法确定综合评价指标。采用单要素评价方法能够在一定程度上评价该要素的基础承载能力。单要素评价主要的不足体现在多个自然要素间存在着较为复杂的耦合关系，单独的研究不能完全准确地评价该要素的整体情况。因此，许多学者进一步以单要素为关注点，综合与之相关的多种要素进行综合资源环境评价。综合考虑某类要素不同承载对象，不同的关联要素对该类要素环境承载力评价的影响，对基础评价结果进行修正等。如土地资源综合承载力评价中从不同的承载对象：生态环境、人口规模、水土资源、社会经济活动入手，从土地人口承载力、水土资源承载力、经济承载力、建设规模、社会承载力和生态环境承载力等方面构建指标体系，运用层次分析法、德尔菲法和均方差法等评价方法进行评价。单要素结合多要素评价优点在于能够较为系统和准确地研究该类要素的特征，但着眼于整个生态系统、自然、社会和经济间复杂的耦合关系，不足以完全体现。因此，要综合评价，不仅要综合考虑单个要素的基本服务能力，更要综合评价不同系统间相互作用后所呈现的格局和状态。国内学者从经济、社会、自然等3个不同的系统综合考虑各类要素进行生态安全、社会经济自然协调可持续发展、生态系统健康等综合评价。在生态安全评价方面，主要从两个方面进行评价：一是在生态功能、生态结构、生态过程及发展方面进行研究，二是着眼于生态系统对于社会经济可持续发展的支撑能力。自然资源的多要素多功能评价能够较完整地分析评价经济、社会、生态和环境复合系统的耦合关系和作用效果。但是也存在很多不足，没有统一的指标体系和指标选取规则，不同要素不同系统的耦合关系错综复杂，如何全面科学地分析仍有待研究。

现在国家推行的陆海全覆盖的资源环境承载能力评价以及国土空间开发适宜性评价，以下简称“双评价”，主要的技术流程为首先进行单项资源环境承载力评价，再根据不同功能指向进行集成评价。在综合划分不同功能指向下的承载力等级之后，结合相关适宜性评价的指标，综合划定适宜性开发区。“双评价”能够从自然资源本底的服务能力进行评价，然而单项评价中只涉及了相对应的要素自然条件的基础评价，而没有综合考虑其他要素对该要素资源环境承载力的影响。单纯从自然资源的角度不足以全面评价，需要从生态系统的角度进一步评价。

综上所述，在之后的研究中，在评价方法上应该选取综合评价方法和动态性方法，如层次分析法、系统动力学方法。在评价指标的选取上要尽可能地将多个要素综合考虑，不能将其割裂开来，在指标确定上要与研究区域的特点相吻合。在评价的主要功能视角上更多需要关注生态安全、国土空间适宜性、自然资源利用健康友好型评价、资源环境与经济发展的协调性评价等方面。从对自然资源的现状评价研究，到整个生态系统可持续发展研究、生态系统安全评价，进一步研究人与自然协调发展的关系并提出生态环境保护，合理开发利用的建议。因此，本文以生态安全综合评价为例，探究多要素下的指标选取和构建方法，分析现有的自然资源本底服务能力以及抵抗干扰的能力，从景观学角度分析当前研究区域的格局分布，进而综合分析生态安全格局，为生态保护提供建议。

二、生态安全评价及格局分析—以湖北省三峡库区为例

研究区域为三峡库区（湖北片区），库区范围如图1所示，包含巴东县、夷陵区、兴山县、秭归县4个县区，总面积约11 300。地理范围在北纬30°21′～31°34′、东经110°5′～111°39′之间。湖北省三峡库区区位条件较优，地貌结构复杂，多山地丘陵地形。区内资源丰富，拥有丰富的水资源、矿产资源、植物资源、农副产品、旅游资源等。区内河流众多，约有100多条大小河流。物种繁多，有各类动物1 000多种，植物4 000多种。拥有各类旅游景点700多处，矿产资源丰富，已发现的矿产有煤、磷、铁、锰、铅、锌、硅等40多种。

图1 湖北省三峡库区范围示意图

涉及的数据主要包括地表覆盖要素、道路、河流、DEM等基础性地理国情监测数据以及降水、气温、土壤类型、土壤质地等专题数据，以及遥感影像。

2.1 评价方法

结合三峡库区的资源环境特点，参考生态学中的“活力-组织力-恢复力-生态服务能力”逻辑架构，三峡库区生态安全评价指标体系采取定性与定量相结合的方法，从“生态服务能力-生态景观格局-生态敏感性”3个维度，分别选取了4、9、5个评价指标，构建评价指标体系，见表2，进行生态安全综合评价。然后在生态安全综合评价的基础上，进一步识别关键的生态源地、生态廊道和生态节点，构建生态安全格局。主要的评价流程如图2所示。

表2 三峡库区生态安全评价指标体系

图2 生态安全综合评价技术流程图

2.1.1 生态系统服务评价

生态系统服务能力的评价从“供给服务-调节服务-支持服务”3个方面展开，主要选取了土壤保持、水源涵养、大气调节和有机物生产4个因子对三峡库区（湖北片区）的生态系统服务能力进行定量评价。

2.1.2 生态景观格局评价

从斑块类型水平和景观水平上选取和计算了9个指数，对景观指数进行归一化处理后采用经典聚类方法进行聚类分析，采用欧式距离方法计算样本数据之间的亲疏程度，综合考虑每个子区景观特征和经济社会发展状况的差异性和相似性，确定分区标准线，来分析湖北省三峡库区生态景观格局。具体指标及计算公式见表3。

表3 景观格局评价指标的选取

2.1.3 生态敏感性评价

生态敏感性是指生态系统抵御外界的自然灾害以及人为的影响能力，根据研究区域的生态现状，选取了高程、坡度、植被覆盖度、距河流距离和距道路距离5个因子，按照敏感性程度对各项单因子进行分级，分级标准见表4，然后运用突变指数法进行指标综合，得到最终评价结果。

表4 生态敏感性单项因子分级标准

2.1.4 生态安全综合评价

生态安全综合评价指数拟采用突变理论进行指标集成，最大限度地保留原始指标信息，由于需遵守互补原则，即超过阈值后取平均值的原则，因此需用到表5中所示的突变模型。

表5 生态安全综合评价突变模型

利用上述模型计算得到湖北省三峡库区生态安全指数，并利用自然断点法将生态安全指数分为5个等级，对生态安全性进行评价。

2.1.5 生态安全格局的构建

1）生态源地的识别

首先根据生态安全综合评价计算得到的生态安全综合指数，选取等级最高的一级所在区域作为生态源地，为保证生态源地的完整性和连续性，去除较为零碎的斑块，将地理位置邻近区域进行合并形成相对完备的生态源地。

2）生态廊道的提取

累计阻力模型广泛应用于生态安全格局的构建中，因此，采用最小累计阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，MCR)，将每个栅格单元的生态安全综合指数视为服务流动的阻力，指数越高阻力越小。最小累积阻力模型的计算公式为：

式中，MCR为最小累积阻力值；Hij为物种从生态源地j到景观单元i的空间距离；Ri为景观单元i对某物种运动的阻力系数；f 表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系；min表示被评价的斑块对于不同的源地取累积阻力最小值。

在生态源地划分基础上，以格网生态服务能力作为阻力赋值，获取每个栅格的生态阻力值，建立景观功能累计阻力空间，计算累积阻力值最大最小路径，确定生态廊道。其中各土地利用类型相对生态阻力值如下：林地、水体为5，灌木、草地为10，园地为20，耕地为30，建筑用地及其他土地利用类型为60。

3）生态节点判别

生态节点是在生态源地的基础上建立的相互联系的重要节点。提取累积阻力值最大路径和最小路径的交点，根据区域景观格局特征，确定生态节点的空间位置布局。

2.2 结果分析

2.2.1 生态安全综合评价结果分析

以“生态服务能力-生态敏感性-生态景观格局”为逻辑架构，构建三峡库区生态安全评价指标体系，并根据突变原理计算得到总目标层三峡库区生态安全指数，利用自然断点法将生态安全指数从高到低分为一至五共5个等级，对三峡库区生态安全性进行评价。图3给出生态安全综合评价结果。湖北省三峡库区2017年平均生态安全综合评价指数为0.95，从图3可以看出，研究区域的生态安全程度较高。经过统计，三峡库区（湖北片区）生态安全指数达到一级的生态用地面积约4970，占比43.8%，较为均匀地分布于三峡库区（湖北片区），其中主要以库区北部的兴山县内的生态源地面积最大；生态安全指数为二级至四级的生态用地面积约为6 263.6，占比55.2%，生态指数达到二级至四级的生态用地主要分布于三峡库区西部的巴东县和东部的夷陵区；生态安全指数为五级的生态用地面积约113.5，占比1%。生态安全综合指数在研究区域内表现出的空间差异较小。

2.2.2 生态安全格局

本文识别了生态源地、生态廊道、生态节点，从而获得湖北省三峡库区生态安全格局图如图4所示。

提取生态安全指数为一级（0.957 759）的土地作为生态源地，湖北省三峡库区内生态源地面积占比达到43.8%，生态廊道总长为1 031.6 km，生态节点共15个，其中7个一级生态节点，6个二级生态节点，2个三级生态节点。生态源地是保证区域持续获得生态服务和维持格局完整性的关键区域。生态廊道是生态源地间沟通的桥梁，能提供保护生物多样性、过滤污染物、防止水土流失、调控洪水等多项生态系统服务，是保持生态功能、生态过程、能量在核心斑块间顺利流动的关键载体。生态节点是整个景观格局优化的战略重点。

图3 湖北省三峡库区生态安全指数空间分布图

图4 湖北省三峡库区生态安全格局图

2.3 总结

湖北省三峡库区生态安全格局具有以下特点：

01

主要以山地的地形类型为主，植被覆盖率较高，土地利用类型以林地、园地、湿地、耕地为主，构成了生态安全的基本格局；

02

自然保护区、林地等是生态源地的重要组成部分，是生态安全格局的重要保障；

03

在土壤保持、水源涵养、有机物生产和大气调节方面具有较强的服务能力，能够维持自然生态系统稳定及提供人类生存的环境条件；

04

生态廊道主要由林地、长江及支流水系构成。

三、结语

纵观目前自然资源的评价方法、评价思路和评价内容，尚未形成一个统一的评价体系，单要素的资源环境评价忽略了各要素间的关联关系，侧重于现状的分析，带有一定的片面性。资源环境评价中应着眼于自然资源及其所承载的对象（人类及其经济社会活动）间的相关关系，从系统的角度出发，研究由人类活动及资源、环境组成的复杂开放的系统。

本案例所采用的评价方法，综合考虑了土地利用、大气环境、水资源、社会经济、生态系统组织结构等不同要素的不同功能，重视格局和过程关系的探究，构建综合的生态安全评价指标体系。分析了土壤保持、水源涵养、大气调节和有机物质生产等生态环境服务能力，从景观学角度分析生态景观格局，分析生态敏感性，识别生态敏感脆弱性区域，构建生态安全格局，为该区域生态环境保护提供参考借鉴，有助于对生态进行合理的管理与规划，保护生态系统的完整性和多样性，从而保障社会发展所需的物质和非物质基础，实现生态与人类社会的共同发展。

未来的自然资源评价应考虑人类活动、生态系统变化的多重因素驱动，分析自然资源与环境的时空分布特征及其动态变化规律，采用综合性、动态性和开放性的评价方法，探索不同空间尺度不同功能指向下的评价体系，综合多要素的本底评价以及整个生态系统的可持续性研究。

责任编辑：林冬娜、邓小云

文章来源： 地理信息世界GeomaticsWorld