基于GIS-PSR的青藏高原河湟谷地城市生态安全测度及时空格局——以海东市为例

蒋贵彦 运迎霞 任利剑/ JIANG Guiyan, YUN Yingxia, REN Lijian

城市化对自然生态系统产生了深远的影响，不同的空间尺度有不同的自然条件，不同的自然条件又决定着不同的城市生态安全水平（龚建周 等，2009）。城市地域生态系统的空间分异与人类活动、经济建设等空间地域特征决定了城市生态安全的空间格局特征（王耕 等，2005；WU J G et al.，2000；ZHANG L Q，et al.，2004；YOUNG C H，et al.，2001），城市生态安全评价是解决城市生态安全问题的关键（秦晓楠 等，2014；Kullenberg G et al.，2002；高长波 等，2006）。随着《国家新型城镇化发展规划2014～2020》，“丝绸之路经济带”、《西部大开发“十三五”规划》的提出，西部城市产业和经济规模的扩张对生态环境的压力日益增大，自然资源和生态环境对城市发展的约束作用也越来越大，难以应对“一带一路”、新型城镇化发展中城市综合安全需求。现有研究文献在理论与实践上做了大量的研究工作（杜忠潮 等，2009；Evans，2010；Farhan，2012），在实证研究方面主要集中在全国和东部发达地区沿海城市（王耕 等，2015）、资源城市（王耕 等，2010）、山地城市（吴晓 等，2014）、民族地区贫困城市（张钦礼 等，2016）、城市群（杨天荣 等，2017），而对于生态地位比较重要且具有特殊性的多民族、处于新型城镇化进程中的西部高原城市生态安全的关注非常有限。

青海省海东市作为青藏高原最年轻的地级城市，是兰西经济带和国家丝绸之路经济带的重要城市群的核心地区，在青藏高原发挥着重要的凝聚和带动作用。随着国家新型城镇化综合试点工作的开展，海东市迎来了新型城镇化发展的新时期。然而，由于海东市地处青海高原东部，青藏高原与黄土高原的过渡地带，面临生态环境脆弱、人口生态压力大等一系列制约因素（邹新华 等，2013；曾永年 等，2011；曾永年 等，2014），境内有回族、土族、撒拉族等世居少数民族，集生态功能区、民族地区和贫困地区为一体，由于经济的快速发展，城市建设给地区生态环境带来很大威胁。因此，海东市生态安全的综合评估和比较分析，对青藏高原城市生态安全与社会经济协调发展以及青海高原东部城市的生态文明建设、城市生态规划具有十分重要的现实意义。

1 研究区概况

海东市位于青海省东北部，是第三批国家新型城镇化综合试点地区之一，也是兰西经济区的重要支点和青海省经济社会发展的重要增长极。海东市地理坐标为 35°25.9'－ 37°05'N，100°41.5'－103°04'E，面积1.304万km2，属半干旱大陆性气候，高寒、干旱，太阳辐射强，昼夜温差大，海拔在1650～4754m之间。现辖两区四县，即乐都区、平安区、民和回族土族自治县、互助土族自治县、化隆回族自治县和循化撒拉族自治县（图1）。

2013年，海东市总人口170.34万人，较2003年提高了15%，全市2013年GDP为337.02万元，是2003年的5.8倍，人均GDP为23653.00元，是2003年的6.3倍。随着青海省“四区两带一线”经济发展布局的推进，城市人口和经济规模不断扩张，区域生态风险持续增加（赵丹阳 等，2016），因此，高原地区的生态安全与城市建设问题成为高原城市规划的重点。

2 数据来源与评价方法

2.1 数据选取

研究基础数据包括遥感影像数据和社会经济统计数据两部分。遥感数据为2003年、2008年及2013年Landsat TM卫星影像，分辨率为30m×30m，高程、坡度数据来源于地理空间数据云 ；社会经济统计数据来源于2003～2013年间《青海省统计年鉴》《西宁统计年鉴》《国民经济与社会发展统计公报》及城市总体规划等。以海东市6个区县的自然环境和社会经济发展两方面20种栅格数据为基础数据，建立栅格大小为30m的生态安全评价指标空间数据库。由于数据采集的限制，为了能最大程度地保持原始数据信息，个别缺失数据根据采用线性内插的方式进行补充，并与周边县域进行对比，防止出现异常值。

2.2 生态安全评价指标体系构建

根据地理现象的地带性及生态环境的区域特点，必须考虑研究区域的特殊性（张艳芳 等，2005；何艳冰 等，2016），但是由于高原城市区域经济发展滞后，生态安全评估指标的选择具有较大的局限性，因此，本文依据系统性、空间性、实用性以及数据获取可能性等原则，在广泛研究国内外城市生态评价指标体系基础上（赵静静 等，2016；张家其 等，2014；赵在绪 等，2014；李辉 等，2015；曾振 等，2014），在空间信息技术和社会经济统计数据支持下，确定20项因子作为评价指标，建立P-S-R（压力－状态－响应）框架指标体系，指标构成如下：

（1）压力指标（P）

海东市的生态压力主要来自于城市在发展过程中对生态环境的挑战。东部的河湟谷地是人类活动较为频繁的区域，是青海省城镇化最高的地区，因此压力指标选择人口密度、人均GDP、城镇化率、人均耕地面积、人均住房面积、路网密度、单位GDP的SO2排放量、单位面积化肥施用量8个指标。

（2）状态指标（S）

地形作为构成地理环境的基本要素，是城市生态环境的重要影响因子，本文以DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）为数据源，提取坡度和海拔来表征区域自然环境对城市生态安全的影响；植被是生态系统的最重要组成部分，采用NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数）和植被盖度作为生态安全评价的必要参数；海东市所处的河湟谷地集中了全省81%的耕地资源（熊曙昕，2006），因此，本文用有效灌溉面积占耕地的比重、人均粮食占有量来反映其资源环境状态。

（3）响应指标（R）

考虑到数据的可获得性，主要选取了6个指标来反映人们对城市生态安全的保护意识及投资和保障体系的投入。包括：每千人拥有在校学生数、每千人拥有的卫生技术人员、环保投资占GDP比、第三产业占GDP的比例、建成区绿化覆盖率、人均公共绿地面积。

本研究权重确定采用AHP－熵权法相结合，赋予不同的权重值（表1）。由于高原生态安全对地形坡度、海拔等自然环境因子的依赖性，在赋予权重方面将资源环境状态指标给予较高权重，使生态安全实际情况更符合高原地区特殊性。

2.3 生态安全主要评价因子/模型计算过程

海东市生态安全主要评价因子计算采用AHP－熵权法来确定评价体系中各个指标的权重，其计算方法如下：

（1）数据标准化处理

假定评价指标j的理想值为x · j，其大小因评价指标性质不同而异。对于正向指标，x · j越大越好，记为 x · jmax；对于负向指标，x · j越小越好，记为 x · jmin；正向指标：x'ij= xij /x · jmax；负向指标：x'ij= x ·jmin/xij。

图1 海东市地理位置示意

表 1 基于P-S-R模型的海东市生态安全评价体系与指标权重

将数据归一化处理：

由此得数据的标准化矩阵：

（2）定义熵

在有m个指标、n个被评价对象的评估问题中，第i个指标的熵计算公式为：

（3）定义熵权

定义了第i个指标的熵之后，可得到第i个指标的熵权：

（4）综合权重Ui的确定

Ui=(Fi+Wi) / 2 ，式中：Fi为层次分析法权重，Wi为熵权法权重。

（5）研究区生态安全评价

用综合加权平均法（WCA），生态安全单指标数学模型为：Vi=Xi· Ui，式中：Vi为城市生态安全单项指标安全值；Xi为单项指标的安全指数；Ui为指标的权重。

生态安全综合数学模型为：V= ∑ Xi· Ui，式中：V 为生态综合安全值；n 为评价指标总个数，其他同上。

2.4 生态安全动态度

用生态安全动态度表示一定时期内生态安全指数的变化幅度，公式为：

式中：S为生态安全动态度，Sa、Sb为研究初期和末期的生态安全指数，Tb-Ta表示生态安全变化的时间间隔。

2.5 生态安全等级划分

结合研究区的实际情况，在参考相关研究成果的基础上，按自然间断点分级法（Jenks'natural breaks）将生态安全分为5个等级，指标值越高，安全等级越高，生态环境越好，越能满足人类生存发展需求；反之，说明该区域生态环境越恶劣，人类生存发展面临问题越多。

3 结果与分析

基于ArcGIS平台对评价指标进行处理，将指标的空间图层进行叠加分析，生成栅格（grid） 文件格式；利用地统计学分析方法，计算出实验变异函数，并运用球状模型进行拟合检验，采用克里金（Kriging）插值法进行空间插值，通过查询符合条件的栅格（Raster Calculator），根据上述指标体系和P-S-R模型框架的支持下，进行加权求和计算得出2003年、2008年和2013年3个时段海东市生态安全空间分布结果，即各指标生态安全指数，得到的指标值分别对应某一等级的生态安全等级，生态安全等级由低到高为低安全区（T≤0.45）、较低安全区（0.45＜T≤0.50）、中等安全区（0.50＜T≤0.55）、较高安全区（0.55＜T≤0.60）、高安全区（T＞0.60）。

3.1 生态安全时空格局演化

对2003年、2008年、2013年的生态安全进行时空格局分析，生成整个研究区3个时段的生态安全空间格局与演化（图2）。

从整体看，2003年研究区生态安全呈现南北优、东西劣的基本特征，内部呈现东部高、西部低的态势，其中，东北、西南地区最优；2013年生态环境明显好转，但内部差异性增大，西部地区生态环境改善的速度明显高于东部。这10年间变化最明显的是集中串联着沿湟水河发展带上的3个城镇，分别是主中心乐都区、副中心平安区、次中心民和县，这里聚集了最丰富的生态元素。由于快速城市化和人口增长，建设用地面积扩张，该地区景观类型发生了较大的变化，生态安全变化剧烈，但随着农牧民退耕还林（草）、大南山绿化、三北防护林、天然林保护、湟水流域生态建设等环境工程的实施，环境保护措施的提出和对环境保护资金的投入，2003～2013年期间，该区域生态安全状况不断提升；研究区东北、西南多数地区海拔较高，经济基础薄弱，但是在植被覆盖率、NDVI指数等方面有一定的优势，分布有国家级北山森林公园地质公园、马阴山牧场、国家级孟达自然保护区等，生态安全状况较好。

表2 海东市不同时期生态安全等级面积及比例

对各生态安全等级不同时期对应的面积进行统计和分析表明，研究区各个时期各级生态安全面积变化趋势不一（表2）。

根据表2显示，2003～2013年间研究区不同类型等级面积均有不同程度的变化：低等级区域、较低等级区域经历先上升后下降的趋势，10年间净增加288.73 km2，占海东市总面积的2.21%；较低等级区域净减少了1666.3 km2，占海东市总面积的12.78%；较高等级区域经历先下降后上升的趋势，10年间净增加了685.75 km2，占海东市总面积的5.26%；中等级及高等级区域的生态安全稳步上升，分别增加了520.64 km2和45.66 km2，分别占海东市总面积的3.99%和0.35%。从以上分析可以看出，海东市在近10年期间，生态安全状况整体呈上升趋势。

3.2 各县生态安全综合测度及动态度分析

根据上述公式分别计算6个区县的生态安全综合指数、安全指数变化值与生态安全动态度。由表3、表4可知，在2003～2013年间，海东市各区县生态安全综合指数均有不同程度的升高，由于各区县的自然条件、经济发展现状、区域发展方式的不同，各县域的生态安全改善程度存在很大差异（张玉泽 等，2015；邵佳 等，2016）。

表3 基于PSR模型的海东市各县不同时期生态安全综合指数

表4 海东市各区县生态安全变化值与动态度

2003～2013 年间生态安全变化最明显的是平安区，生态安全等级由低上升为较高，生态安全指数由2003年的0.4490上升至2013年为0.5809，变化值为0.1319，生态安全动态度为5.87%，为全区最高。这主要是因为随着西宁都市圈规划、东部城镇群规划的相继实施，平安区相继开始平东工业集中区、临空综合经济区、平安物流园区、平安古驿园、高原富硒特色农业示范区、绿源生态园六大园区的建设，区域性的交通设施发展建设较快，城镇绿化覆盖率达27.80%，城镇化率达到46.50%，并相继获得“全国文明县城”和“省级园林县城”称号。该地区在这10年内通过各种手段响应和解决环境问题的效果明显，逐步实现了环境与经济的协调发展。

2003～2013 年期间生态安全指数最低的是民和县，处于低－较低等级，生态环境压力较大，2003～2008年变化值为-0.0775，2008～2013年变化值为0.0321，在后5年生态安全状况有所缓解。民和县处于兰西经济带上的区位中心，但西宁、兰州对其辐射带动作用较弱，故在承接西宁、兰州的产业转移时并不占优势，被边缘化。另外，工业生产给民和的生态环境带来的负面影响较大，民和县一直以高耗能、高排放企业居多，其中2009年单位GDP工业SO2排放量分别是青海和全国的1.1倍和2.3倍，单位GDP能耗为青海省单位GDP能耗的2.22倍，单位GDP粉尘排放量分别是青海和全国的5.5倍和22.7倍，单位GDP工业烟尘排放量分别是青海和全国的2.5倍和7.0倍，产业发展给环境造成巨大压力，生态效益差。

乐都区在10年期间生态安全稳步增长，生态安全等级由中等上升为较高，2008～2013年变化值为全区第二，生态安全动态度为2.09%，高于2003～2008年，这说明乐都区后5年经济发展与生态环境状况的协调度较高。乐都区位于海东市所辖六县的地理中心，随着青海东部城市群的区域格局和发展条件的变化，其区位优势日益明显。该地区海拔低，气候条件优越，人口数量也居海东市之首，是青海省重要的历史文化、旅游服务型城镇及蔬菜生产基地，随着兰西高速公路的通车和109国道过境，乐都区将成为兰西经济带上的新增长极和经济台地。因此，依托经济、人口与城市化、区位交通、环境支撑等方面的优势，该区的经济发展状态和资源、环境保护状态较稳定，朝着生态健康的方向发展。

互助县、化隆县、循化县生态安全等级较高，其中互助县是海东市生态安全最优的地区，2003～2013年期间生态安全状况较稳定，处于较高－高等级，变化值为0.0299，排名第三。互助县是青海重要的农业基地，拥有北山国家森林公园和南门峡林场，全县森林覆盖率为34%，居海东市第一。化隆县、循化县生态安全上升幅度较小，处于高－较高等级，生态安全动态度分别为0.04%、0.06%，两县是黄河上游重要的节点城镇，其中化隆县群科镇被列入沿黄城镇经济带的重点镇，依托地方特色农牧产品为对象的食品加工业以及以坎布拉国家森林公园和地质公园为核心资源的旅游业，已成为化隆县经济发展的优势。此外，化隆县的“拉面经济”已经在全国形成规模，在沿黄经济带上临近城镇的GDP总量比重位居首位；循化县境内山高沟深，水利资源丰富，有孟达国家级自然保护区，旅游资源丰富，且人为活动对地区的开发利用少。化隆县和循化县人均GDP、居民消费水平、城市化率等指标都较落后，但在单位GDP工业SO2排放量、植被盖度、人均公共绿地面积比例等方面有一定优势，这使得其生态安全等级较高。

4 结论与讨论

本文基于GIS-PSR模型框架，以海东市三期Landsat TM影像和地区社会经济统计数据为数据源，构建了基于30m栅格尺度的生态安全评价指标体系，通过定量分析揭示了海东市的生态安全状况及时空演变，结果显示近10年海东市生态安全状况总体呈上升趋势，这表明该时期内海东市在社会经济发展的同时，生态环境整体状况逐步好转，该结论与近年来生态环境发展趋势相符，该分析也为地区城市规划、土地利用规划以及环境保护规划提供了有力支撑。

通过对海东市各区县的综合分析，可以看出研究区内中部城镇中心区城市快速扩张导致生态安全指数较低，但由于城市规划趋于合理化使得东西方向上的平安区、乐都区生态安全状况趋向好转，两区的规划对生态安全总体发挥了很大的正作用，但在推进新型城镇化建设过程中，区域生态安全风险仍然存在，今后要积极推进县域经济结构调整和产业升级（张宇 等，2017），提高区域生态安全等级的升值空间。

对于生态安全波动较大的县域，应按照PSR模型中压力、状态及响应指标来调控生态安全水平，通过建设重点镇的环境基础设施，解决生态压力问题，通过改善区域资源环境状态、实施生态县的建设，提高区域的环境质量及环境承载力，通过提高技术、科研水平，加强生态工业和服务业的发展，提升群众的环保意识来增加社会环境的响应水平。

城市生态安全是一个动态变化系统，本文所提出的结果为青海东部河湟谷地城镇生态规划起到一定的积极指导作用。今后有待结合青海新型城镇化的阶段性发展对其进行后续跟踪研究，以及对乡镇或村镇等微观区域进行相关的分析工作，使研究结论更有针对性和实践指导意义。

注释

① 数据来源：http：//www.gscloud.cn/.