基于格网的东营市生态安全评价与时空变化分析

刘 娜，常 军，吕怀峰

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

基于格网的东营市生态安全评价与时空变化分析

刘 娜，常 军，吕怀峰

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

以东营市为研究区，依据PSR(压力-状态-响应)系统框架概念模型，建立生态安全评价指标体系，基于格网技术，以200m×200m格网尺度，对东营市2005年、2009年和2013年生态安全状态进行了评价，实现生态安全等级的可视化表达，对生态安全评价结果进行了时空变化分析，并对其生态安全现状成因进行了探索。研究结果表明：东营市生态安全空间分布规律明显，沿海地区生态安全情况普遍低于内陆地区；从时间上看，从2005～2013年，东营市生态安全状态优于临界安全土地面积不断增长，低于临界安全土地面积先增加后减少，临界安全土地面积不断减少。

生态安全评价；格网；时空变化；东营市

1 引言

随着人类社会经济活动的发展，对资源的需求日益增多，也对自然生态环境造成了严重破坏，生态安全问题也越来越受到关注[1]。生态安全是指人类在生产、生活和健康等方面不受生态破坏与环境污染等影响的保障程度，即生态系统的健康和完整程度[2]。近年来，对区域性生态安全状态进行评价已成为研究的热点[3～7]，其中格网GIS方法的应用，大大提高了研究结果的精度。

2009年国务院正式批复《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》，将黄河三角洲生态发展正式上升为国家战略，东营市作为黄河三角洲的中心地区，对其生态安全问题的研究更不容忽视。但目前对东营市生态安全方面的研究主要集中在县级尺度[8～10]，尚未突破行政区的限制。本文采用生态安全指数法，结合格网GIS技术，基于200 m×200 m格网，对东营市2005年、2009年和2013年生态安全状态进行评价，并分别从时间和空间两方面分析东营市生态安全状态变化特征，探索生态安全变化成因，旨在为东营市生态环境保护与政府决策提供数据参考与理论支持。

2 研究区概况与数据源

东营市位于山东省北部黄河三角洲地区，地理坐标为北纬36°55′～38°10′，东经118°07′～119°10′(图1)。东、北临渤海，西与滨州市相邻，南部与淄博市、潍坊市接壤。研究区属温带大陆性气候，四季分明，年平均降水量555.9 mm，多集中在夏季。整体地势平坦，最高海拔与最低海拔相差27 m。全市土壤质量较差，以潮土与盐土为主，约占总体土壤面积的94%。东营矿产资源丰富，主要有石油、天然气、煤等。海岸线全长412.67 km，易发生风暴潮灾、土壤侵蚀和土壤盐渍化等自然灾害。

图1 研究区位置

本文所涉及数据包括自然资源统计数据、社会经济统计数据、遥感影像数据等。统计数据主要来源于2006年、2010年和2014年出版的《东营市统计年鉴》[11～13]，东营市县级市区统计年鉴与公报。遥感数据主要来源于中国科学院遥感与数字地球研究所共享平台。

3 研究方法

3.1 生态安全指标体系构建

东营市属石油工业型城市，通过调查东营市自然资源、生态环境和社会经济发展情况，结合东营市自身发展特点和前人研究成果[3-7,14]选用PSR(压力-状态-响应)系统框架概念模型[15,16]建立评价指标体系。指标体系的遴选基于科学性、代表性、整体性和可操作性等原则，具体指标详见表1。其中，系统压力指标6个，系统状态指标12个，系统响应指标6个。

确定指标权重的方法较多，主要包括主观方法与客观方法，但各有利弊[17]。为提高指标权重的准确性与可信度，本文结合层次分析法和变异系数法，先分别求取指标主观权重与客观权重，再加权求和得最终权重(表1)。

表1 东营市生态安全评价指标体系与权重

3.2 统计数据标准化与格网空间化

不同指标之间量纲不同，因此无法直接利用原始数据进行生态安全指数计算，需对指标数据进行标准化处理，使指标数据均分布在[0,1]范围之内，正效应指标与负效应指标归一化公式分别为公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中，Xij与Xij′分别为第i个指标第j个网格归一化值与原始数据值，max|Xij′|与min|Xij′|分别为第i个指标第j个网格原始数据最大和最小值。

格网GIS将不同范围的区域按照确定尺度划分为大小相同的网格，把每个网格作为独立的研究数据单元[17]。本文以东营市为研究区，在前人研究的基础上，查阅相关资料文献[18,19]，参考左伟等[20]关于中尺度生态评价格网尺度选择标准，结合东营市当地数据情况，以200 m×200 m标准格网为研究尺度，将统计数据等进行格网化转换。其中很多统计数据均与土地利用数据有关，如人口密度主要分布在建设用地上；绿地面积主要集中在城镇区域；废水、废气、固体废渣的排放主要集中在工矿用地附近；土壤有机质与土壤质地主要与耕地有关。根据以上原理利用ArcGIS，通过密度转换，将所有数据表达在200 m×200 m标准格网上。

3.3 生态安全指数与等级划分

以加权综合平均为理论基础的生态安全指数法广泛应用于区域的生态安全评价[4,15]，其计算公式为

(3)

式中ESI为生态安全指数，Wi为第i个指标的权重，Ci为第i个指标的标准化值。生态安全指数可以从定量的角度对每个格网区域的生态安全进行评价，而对生态安全进行定性描述则需要对生态安全指数进行等级划分。通过咨询专家并总结前人经验[4～6,21]，结合东营市自身区域特点，将生态安全指数划分为7个等级，具体临界标准见表2。

4 生态安全时空变化特征分析

本文根据以上确定的生态安全指标体系和权重，基于ArcGIS平台实现生态安全指数的格网化。并按照制定的生态安全指数分级阈值，分别将2005年、2009年和2013年生态安全格网结果实现空间可视化分级显示，突破了原有行政界线的限制，结果如图2。同时对不同年份不同生态安全等级区域面积进行统计，统计结果如表3所示。

表2 生态安全指数等级划分

通过以上结果可以发现，随着时间的变化，东营市整体生态安全朝着较好的方向发展，生态安全状态优于临界安全的土地面积不断增大，其中一般安全土地面积增幅最大，由2005年的149.97km2增加到2013年的3 134.08km2；临界安全土地面积不断减少，大部分转变为一般安全与较安全状态；2005～2013年，生态安全状态为不安全、较不安全和一般不安全的土地面积先增大后减少。主要原因是2005年东营市经济的高速增长，主要还是依赖石油工业的高投入、高消耗、高污染的粗放式增长方式，导致区域生态环境质量下降；随着时间推移，特别是2009年制定《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》制定后，当地政府大力提倡节约集约型经济发展模式，东营市环境与经济发展的协调程度不断提高，生态环境不断改善。进入到2013年后，东营作为黄河三角洲高效生态区的主战场，将高效生态区与生态建设有机结合，逐渐建立循环经济产业体系，从而使得东营市生态安全不断提高，风险不断降低。

从空间上整体来看，东营市沿海地区生态安全性较差，内陆生态安全性较高。主要原因是黄河三角洲沿海地区成陆时间较短，生态环境较为脆弱；其次，沿海地带自然灾害频发，受寒潮、风暴潮的影响较大；除此之外，东营沿海地区，在河口区、垦利县和东营区境内分布着大量的盐碱地，在一定程度上也加大了生态风险，导致生态安全性降低。

表3 东营市2005、2009和2013年不同安全等级土地面积统计 km2

5 结语

(1)2005年、2009年和2013年中，东营市生态安全状态整体呈良性发展，生态安全状态优于临界安全土地面积不断提高，低于临界安全土地面积先增加后减少，这主要得益于东营市政府大力发展高效生态经济，使得生态经济与生态环境协调发展；从空间上看，东营市生态安全状态由沿海向内陆安全性不断降低，主要原因是沿海地区成陆时间较晚，生态环境较为脆弱。

(2)本文基于格网GIS技术评价东营市生态安全情况，突破了行政区的界限限制，使研究尺度缩小到200m×200m网格，呈现了各行政区生态安全内部差异，可为东营市生态保护提供理论支持与参考。另外本文在参考前人研究成果基础上，结合研究区现状制定的生态安全指标仍不尽完全，还有待进一步的探讨和研究。

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Evaluation and Temporal-Spatial VariationAnalysis of Ecological Security in Dongying City Based on the Grid

Liu Na, Chang Jun, Lü Huaifeng

(CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Taking the Dongying City as the research area and based on the PSR (pressure-state- response) system framework conceptual model, the article establishes an evaluation index system for ecological security.Based on grid technology, the article evaluatesthe ecological security of Dongying City in 2005, 2009 and 2013 by 200 meter grid scale. In addition, the article achieves the visualization of ecological security classification, and at the same time,the article analyzes the temporal and spatial variation characteristics of ecological security and explores the causes of ecological security status. The results of the analysis show that the spatial distribution of ecological security in Dongying is obvious, and the ecological security status of inland areas is generally superior to the coastal areas; From theperspective time, from 2005 to 2013, the area of the land which is better than critical safetyis increasingwhilethe area of the land that is below critical safetyincreases first but then reduces, and the area of critical safetylanddecreases gradually.

ecological security evaluation; grid; temporal-spatial variation;Dongying City

2015-10-30

山东省自然科学基金项目(编号：ZR2012DM009)资助

刘 娜(1991—)，女，山东青岛人，山东师范大学地理与环境学院硕士研究生。

常 军(1975—)，男，山东枣庄人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事遥感与GIS应用研究。

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1674-9944(2015)12-0004-04