洞庭湖区生态安全评价及预警分析

熊建新，彭保发，陈端吕，王亚力

（湖南文理学院 资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000）

洞庭湖区生态安全评价及预警分析

熊建新，彭保发，陈端吕，王亚力

（湖南文理学院 资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000）

生态安全评价及预警是判定生态系统可持续承载和制定预防措施的重要依据。采用层次模糊综合评价模型对洞庭湖区2001～2010生态安全进行评价，利用状态预警和动态预警模型进行预警分析。结果表明：（1）洞庭湖区3个时相的生态安全综合指数介于0.4～0.6之间，安全等级均属一般，且呈下降趋势。（2）静态上，洞庭湖区3个时相的生态安全处于轻警状态，但各因素层的警情差异明显，其中恶化最明显的是低生态组分覆盖率、气候变化指数、水土流失率和区域开发指数，均处于中警状态。（3）动态上，生态安全综合指数2005年相对于2001年下降了0.06，进入恶化趋势和速度预警状态，2010年相对于2005年下降0.022，进入恶化趋势预警状态，2015年相对于2010下降0.009，尚未进入恶化趋势和速度预警状态；气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数一直处于恶化趋势预警状态。（4）洞庭湖区气候异常变化与人类社会经济活动对生态系统的双重胁迫作用明显，且不断增强，是导致生态安全警情变化的最直接驱动因素。

生态安全；评价；预警；层次模糊综合模型；洞庭湖区

自1989年IASA首次提出生态安全概念以来，国内外学者围绕生态安全的概念及生态安全与国家安全、可持续发展和全球化的相互关系展开了广泛研究[1-3]。国外研究主要从宏观上围绕环境变化开展了生态的经验性、综合性以及内在关系的研究。国内关于生态安全的研究较短，但发展较快，已成为环境科学、地理学、生态学等相关学科研究的热点。专家与学者在生态安全评价体系构建[4-5]、评价方法选择[6-8]和评价模型构建[9-11]等方面取得了一定研究成果，但对生态安全评价与预警的研究还相当薄弱[12-13]。因此，对生态安全评价与预警进行研究，可以客观地反映人类社会经济活动对生态系统的干扰、预测及治理，促进区域可持续发展具有重要的现实意义和学术价值。洞庭湖区生态安全已成为学术界和各级政府最为关注的热点和重点。目前,湖南省委、省政府已经提出，在“十二五”期间将环洞庭湖区打造为国家级生态经济圈[14]；学术界在洞庭湖区农业生态安全评价[15]、生态系统能值演变和服务价值评估[16-17]、生态足迹评价[18]等方面进行了相应研究，而洞庭湖区的生态安全预警则鲜见报道。因此，对洞庭湖区生态安全进行预警分析，客观反映洞庭湖区生态系统运行与发展中的可持续性，为洞庭湖区生态、经济和社会可持续发展提供决策依据和参考价值。

1 研究区域概况

洞庭湖区地处长江中游荆江南岸，地跨湘、鄂 两 省， 地 理 坐 标 约 为 28°44′N ～ 29°35′N、111°53′E ～ 113°05′E，介于长江东西不同景观生态的过渡地带，占据长江中下游最敏感又最脆弱的生态区位，大部分地区的海拔高度不到50 m，土地面积的85%以上在湖南省辖境内[19]。本文研究范围界定为岳阳、常德和益阳3个地级市的21个县市、区，其土地面积3.2×104km2，人口1.5×107，分别占湖南省的15%和21%以上。湖区属于典型的亚热带季风气候，处在东南季风与西南季风交错地带，年平均降雨量1 200～1 450 mm，年平均气温16.5℃～17.0℃。河网密布，湘、资、沅、澧四水流经，水、土、生物等资源要素丰富。多年来，由于湖区自然环境的变迁和人类高强度持续开发利用，造成区域内湖泊湿地萎缩严重，水体富营养化日趋明显，水土流失、土地退化等生态环境问题突显[20]，已成为制约洞庭湖区可持续发展的重要因素。

2 指标选取及数据预处理

2.1 指标选取

根据生态安全评价的整体性原则、层次性原则和区域性原则[13]，参考中国科学院可持续发展指标体系[21]，结合洞庭湖区自然和社会经济概况，运用层次分析法建立生态安全评价与预警指标体系（表1）。其中，高生态组分要素为林地、牧草地和沼泽地，重要值=（频度+密度+比例）/ 3×100，频度=林地、牧草地和沼泽地的样方数/总样方数，采用1 km×1 km的样方进行采样计算，密度=林地、牧草地和沼泽地的斑块数/总斑块数，比例=林地、牧草地和沼泽地的面积/土地总面积[13]；低生态组分要素为沙地、裸岩、石砾地及其他未利用土地，覆盖率=（沙地面积+裸岩面积+石砾地面积+未利用土地面积）/土地总面积×100；生态组分活力指数为归一化植被指数（NDVI）的平均值[22]，时间选择均为每年植被覆盖信息较好的夏秋季；生物丰度指数根据《生态环境状况评价技术规范（试行）》（HJ/T192—2006）来确定[23]，指数值=（0.35×林地+0.21×草地+0.28×湖泊湿地+0.11×耕地+0.04×建筑用地+0.01×未利用土地）；气候变化指数=评价年平均气温－多年平均气温；景观破碎化指数=平均斑块数×（斑块数－1）/总面积；区域开发指数=（农田+居民点用地+工交建设用地）/土地总面积×100。生态安全评价因素等级采用五级制[13]，结合专家打分，令评语集V={V1，V2，V3，V4，V5}，分别代表{良好，较好，一般，较差，恶劣}，由高到低表示生态安全程度，其限值如表1。

表 1 洞庭湖区生态安全评价与预警指标体系Table 1 Index system of evaluation and forewarning of ecological security for Dongting lake region

2.2 数据预处理

利用ERDAS和ArcGIS软件对洞庭湖区2001～2010年遥感影像进行解译和信息处理，提取洞庭湖区各地类空间分布信息，涉及人类社会经济的指标数据主要通过统计年鉴、气象局、林业局等职能部门提供的数据获得。采用层次分析法，通过发放专家调查表，计算出权值，确立各评价因素的权重集W，结果为：因素层对准则层的权重集 W21=（0.205，0.163，0.212，0.197，0.223），W22=（0.234，0.185，0.191，0.191，0.199）， 准则层对目标层的权重集W1=（0.50，0.50）。

3 研究模型与方法

3.1 层次模糊综合评价模型

层次模糊综合评价是建立在层次分析法和模糊数学理论基础上的一种预测和评价方法，特别适合解决既有模糊性、随机性，又有可确定性的实际问题。基于层次分析所确定的评价因素等级标准和权值，运用模糊数学原理，构建模糊评价矩阵，通过多层次的隶属函数运算，最终确定评价对象的所属等级。构建层次结构模型时，要求各层中所考虑的因素必须满足独立性，不存在依赖关系，评价模型为：B=W·R，式中，B为模糊评价集，“·”是模糊综合运算符，模糊数学中称为模糊算子，本文采取“乘与加算子”[24]。为了能够对生态安全做出定量评价，把评语集定量化为V=（0.9,0.7,0.5,0.3,0.1）。利用2001～2010年数据，经过多层模糊计算，依次得到因素层、准则层和目标层的模糊评价集，最后采用J=BV算出生态安全综合指数，指数值越大，安全性越好。2015年J值采用时间序列（2001～2010）进行自回归预测。

3.2 预警模型

（1）状态预警

状态预警是根据生态安全综合评价所得到的生态安全综合指数界定其安全等级，据此对不良生态安全状态进行预警，它是一种对生态安全警情的静态描述与定位。其数学表述为[13]：Y{J1＜J(t)＜J2}≥α，式中J（t）为生态安全指数值，参数Ji表示状态预警时生态安全等级的临界值，预警约束条件一般规定α=80%。生态安全综合指数与预警等级关系见表2，共分为五个警区[13]，综合指数越高，表明生态系统的自我调节能力越强，生态状况越安全；反之越恶劣。

表 2 生态安全综合指数与预警等级关系Table 2 Relation between ecological security index and forewarning grade

（2）动态预警

动态预警是指在具有一定时间跨度的不同时段内，生态安全状况即使尚未达到恶化或危害程度，但其动态变化状况发生了相对异常，需引起警戒的情况，包括恶化趋势预警和恶化速度预警。其数学表述为[13]：

恶化趋势预警(T)：Y{J(T)＜J(t)，|J(T)- J(t)|＞ΔJt}≥α，恶化速度预警(V)：Y{J(T)＜J(t)，|J(T)- J(t)|/(T-t)＞ΔJs}≥ α。式中，J(T)和J(t)分别为不同预警时段的生态安全指数，ΔJt和ΔJs分别表示恶化趋势预警和恶化速度预警时生态安全指数值在时段Δt内变化速率的临界值，根据预警时间间隔、区域差异和环境管理要求分别确定为0.02和0.01，α=80%为预警约束条件。

4 结果及分析

4.1 生态安全评价

运用层次模糊综合评价模型计算的生态安全综合指数见图1。为了便于对比分析，选取研究时段中2001年、2005年和2010年3个典型年份的因素层模糊评价集R2（表3），准则层模糊评价集R1（表4）、目标层模糊评价集B（表5）及生态安全综合指数（表6）。由表6、图1可知：（1）从目标层来看，洞庭湖区2001年、2005年和2010年的生态安全综合指数分别为0.594、0.534和0.512，生态安全等级均属一般，且呈下降趋势，生态安全状况不容乐观，必须引起高度重视。（2）从准则层来看，2001～2010年生态结构与功能的安全等级属于较好，生态胁迫的安全等级属于一般，并且两者的安全指数均呈现明显下降趋势，分别由2001年的0.684和0.504下降为2010年的0.622和0.405。可见，洞庭湖区生态系统的结构遭受了破坏、功能日趋衰退，生态系统外界环境的胁迫作用正在不断加强，这与湖区工业化和城市化进程加速，以及人类不合理利用方式所造成的生态环境问题紧密相关[20]。（3）从因素层来看，2001～2010年10个评价因子中没有出现恶劣等级，并且有生态组分活力指数呈现小幅上升，这与区域内实施“退耕还林还草”等措施有关；但是不容忽视的是其它9个因子的安全指数均呈现下降趋势，其中低生态组分覆盖率、水土流失率和区域开发指数等因子下降幅度较大，均达30%以上，验证了湖区社会经济活动对土地利用类型和利用方式不尽合理，水土流失和湖泊湿地功能退化等生态破坏现象仍然相当严重[20]。同时，也说明所选取的指标具有代表性，计算方法可行。

4.2 生态安全预警

在洞庭湖区2001～2010年生态安全评价的基础上，根据预警模型分别进行状态预警和动态预警分析，结果见表7。

图1 洞庭湖区生态安全综合指数（2001～2010）Fig. 1 Aggregative index of ecological security in Dongting lake region from 2001 to 2010)

表 3 因素层模糊评价集R2Table 3 Fuzzy evaluation set R2 of factor layer

表 4 准则层模糊评价集R1Table 4 Fuzzy evaluation set R1 of standard layer

表5 目标层模糊评价集BTable 5 Fuzzy evaluation set B of object layer

表 6 洞庭湖区3个时相的生态安全综合指数及安全等级Table 6 Complex index of ecological security and security grade for Dongting lake region(3 time phase)

表 7 洞庭湖区生态安全状态预警和动态预警警情Table 7 Alert levels of state warning and dynamic warning of ecological security for Dongting lake region

（1）状态预警。从目标层来看，2001年、2005年和2010年3个时相的生态安全处于轻警状态，尚未出现重警状况；从准则层来看，生态结构与功能处于较安全状态，生态胁迫处于轻警状态；从因素层来看，3个时相评价因素处于安全状态个数比为3∶2∶2，较安全状态个数比为1∶1∶1，轻警状态个数比为6∶3∶2，中警状态的个数比为0∶4∶5。由此可以看出，2005年相对于2001年生态安全指数下降的比较快，中警个数增至4个，警情恶化明显；2010年相对于2005年，气候变化指数出现中警，其它9个因子的警情没有发生变化，但是它们的生态安全指数仍呈下降趋势，与近些年洞庭湖区气候变化异常和生态系统遭受人为干扰加深的现实相符[20]。

（2）动态预警。相对于2001年，2005年生态安全综合指数下降了0.06，进入恶化趋势和速度预警状态。其中，生态结构与功能和生态胁迫指数分别下降了0.042和0.078，生态结构与功能出现了恶化趋势预警，生态胁迫出现了恶化趋势预警和恶化速度预警；高生态组分重要值等6个因素同时出现了恶化趋势预警和恶化速度预警，其中低生态组分覆盖率、水土流失率和区域开发指数下降最快，均达0.1以上；湖泊湿地面积比例和人口密度出现了恶化趋势预警，其它2个因素未出现警情。相对于2005年，2010年生态安全综合指数下降0.022，进入恶化趋势预警状态。其中，生态结构与功能和生态胁迫指数分别下降0.02和0.021，均出现了恶化趋势预警；除生态组分活力指数以外，其它9个因素均出现了恶化趋势预警，并且气候变化指数和区域开发指数出现了恶化速度预警。相对于2010年，2015年生态安全综合指数下降0.009，尚未进入恶化趋势和速度预警状态。其中，生态胁迫指数下降0.024，出现了恶化趋势预警，气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数出现恶化趋势预警，其它6个因素均未出现警情。分析表明，从2001年到2015年，洞庭湖区生态安全警情呈现不同程度的恶化趋势，尤其是气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数一直处于恶化趋势预警状态，可以看出气候变化异常和人类社会经济活动对生态系统的胁迫作用明显。因此，应及时调整土地利用类型和改变利用方式，控制人口增长和提高人口素质，合理布局开发，优化产业结构，继续推进“退耕还林还草”、“退田还湖平垸”等生态治理和恢复措施，降低生态环境压力。

5 结论与讨论

（1）2001年、2005年和2010年3个时相的洞庭湖区生态安全等级均属一般，且呈下降趋势；生态结构与功能的安全等级属于较好，生态胁迫的安全等级属于一般，但是两者的安全指数均呈现明显下降趋势；10个评价因子中有9个因子的安全指数呈现下降趋势，可见生态的可持续性受到挑战。造成这种现象的主要原因是区域开发进程加快，人类不合理的土地利用类型和利用方式，加之气候的异常变化，构成了湖区生态危害。

（2）从静态上来看，洞庭湖区生态安全处于轻警状态，尚未出现重警状况，生态胁迫和生态结构与功能分别处于轻警和较安全状态；但3个时相的各个因素层的警情差异明显，警情恶化最明显的是低生态组分覆盖率、气候变化指数、水土流失率和区域开发指数。从动态上来看，洞庭湖区生态安全2005年相对于2001年进入恶化趋势和速度预警；2010年相对于2005年进入恶化趋势预警；预测2015年不会进入恶化趋势和速度预警。综合来看，气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数一直处于恶化趋势预警状态，表明洞庭湖区气候异常变化与人类社会经济活动对生态系统的胁迫作用明显，是导致生态安全警情变化的最直接驱动因素。

（3）采用层次模糊综合评价模型对洞庭湖区生态安全进行评价，并利用状态预警和动态预警模型进行预警分析，能够客观地反映和预测出洞庭湖区的生态环境状况。这种方法适应面广、科学可行，但由于洞庭湖区生态系统复杂，生态安全的影响因素较多，从长时间尺度、多评价指标和更适宜的评价和预警方法去研究生态安全，将具有更为重大的影响力和现实意义,成为课题进一步深入研究的方向。

[1] 邹长新, 沈渭寿. 生态安全研究进展[J]. 农村生态环境, 2003,19(1): 56-59.

[2] 陈 星, 周成虎. 生态安全: 国内外研究综述[J]. 地理科学进展, 2005, 24(6): 8-20.

[3] 崔胜辉, 洪华生, 黄云凤, 等. 生态安全研究进展[J]. 生态学报, 2005, 25(4): 861-868.

[4] 杨时民, 李玉文, 吕玉哲. 扎龙湿地生态安全评价指标体系研究[J]. 林业科学, 2006, 42(5):127-132.

[5] 王 耕, 王 利, 吴 伟. 区域生态安全概念及评价体系的再认识[J]. 生态学报, 2007, 27(4): 1627-1637.

[6] 何 琼, 孙世群, 吴开亚, 等. 区域生态安全评价的AHP赋权方法研究[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版,2004,27(4):433-437.

[7] 廖 利, 张 璐, 邹 茜. 区域生态安全评价方法研究——以温州瓯海区为例[J]. 华中科技大学学报：自然科学版, 2006,23(3): 16-19.

[8] 高长波, 陈新庚, 韦朝海, 等. 熵权模糊综合评价法在城市生态安全评价中的应用[J]. 应用生态学报,2006,17(10):1923-1927.

[9] 左 伟, 王 桥, 王文杰, 等. 区域生态安全综合评价模型分析[J]. 地理科学, 2005, 25(2): 209-214.

[10] 毛旭鹏, 陈彩虹, 郭 霞, 等. 基于PSR模型的长株潭地区森林生态安全动态评价[J]. 中南林业科技大学学报, 2012,32(6): 83-86.

[11] 吴开亚, 张礼兵, 金菊良, 等. 基于属性识别模型的巢湖流域生态安全评价[J]. 生态学杂志, 2007, 26(5): 759-764.

[12] 王韩民. 生态安全系统评价与预警研究[J]. 环境保护, 2003,(11): 30-34.

[13] 沈渭寿, 张 慧, 邹长新, 等. 区域生态承载力与生态安全研究[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2010.

[14] 湖南省委省政府. 将环洞庭湖生态经济圈建设上升为国家战略[N]. 长沙晚报, 2012-3-7.

[15] 许联芳, 王克林, 刘新平, 等. 洞庭湖区农业生态安全评价[J]. 水土保持学报, 2006, 20(2): 183-187.

[16] 朱玉林, 李明杰, 侯茂章, 等. 环洞庭湖区农业生态系统能值演变趋势研究[J]. 中南林业科技大学学报,2012,32(7):133-140.

[17] 谢春花, 王克林,陈洪松,等. 土地利用变化对洞庭湖区生态系统服务价值的影响[J]. 长江流域资源与环境,2006,15(2):191-194.

[18] 尹少华, 安消云. 基于可持续发展的洞庭湖流域生态足迹评价研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2011, 31(6): 107-110.

[19] 窦鸿身, 姜加虎. 洞庭湖[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2000.

[20] 颜永盛. 洞庭湖发展论坛文集[C]//关于洞庭湖生态安全问题的研究与建议[M]. 长沙: 湖南大学出版社, 2010.

[21] 中国科学院可持续发展战略研究组. 中国可持续发展战略报告[M]. 北京: 科学出版社, 2008.

[22] 刘明华, 董贵华. RS和GIS支持下的秦皇岛地区生态系统健康评价[J]. 地理研究, 2006, 25(5): 930-938.

[23] 国家环境保护部. 生态环境状况评价技术规范（试行）HJ/T192-2006[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2006.

[24] 李际平, 黄山如, 李立辉, 等. 林业系统工程基础[M]. 长沙:国防科技大学出版社, 2006.

Forewarning and evaluation of ecological security in Dongting lake region

XIONG Jian-xin, PENG Bao-fa, CHEN Duan-lv, WANG Ya-li
(Resources Environment and Tourism College, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China)

Evaluation and forewarning of ecological security are important bases to determine ecosystem sustainable loadsupporting and formulate preventive measures. By using the hierarchy fuzzy comprehensive evaluation model, the ecological security of Dongting lake region from 2001 to 2010 was to evaluated, and by adopting state warning and dynamic warning model, the forewarning analysis for the region was conducted. The results show (1)The ecological security level of Dongting lake region in three time phases belonged to the general level, and showed a gradually decreasing trend, the aggregate indexes of ecological security were between 0.4 and 0.6.(2) Statically, the ecological security level of Dongting lake region in three time phases were in lower alert state, but the alert situations among the factor layers has signif i cant differences, of them, the low ecological component coverage, lake wetland area ratio, climate change index, soil and water wastage rate and regional development index worsened most obviously, and were in medium alert state.(3) Dynamically, the ecological security index in 2005 compared to in 2001 dropped by 0.06, and entered the trend of worsening and speed warning state; that in 2010 compared to in 2005 declined 0.022, entered the trend of worsening warning state; 2015 compared to 2010 fell 0.009, didn’t enter the trend of worsening and speed warning state; the climate change index, soil and water wastage rate, population density and regional development index have been in a worsening trend alert status. (4) The double stress actions of human social and economic activities and abnormal climate changes to the Dongting lake region ecosystem were obvious and enhanced constantly, which are the most direct driving factors causing the ecological security deterioration.

ecological security; evaluation; forewarning; hierarchical fuzzy comprehensive model; Dongting lake region

S718.5

A

1673-923X(2013)10-0114-06

2013-03-04

教育部人文社科规划基金项目 (12YJAZH166、12YJAZH146)；湖南省哲学社会科学基金项目 (11JD53)；湖南省科技厅计划项目（2011NK3047）

熊建新（1970-），男，湖南常德人，副教授，硕士，主要从事区域可持续发展和学科教学论的教学科研工作；

E-mail：xjx1108@163.com

[本文编校：吴 彬]