基于DPSIR-EES模型的京津冀国土空间生态安全评价及空间相关性分析

李强，安子琪，魏建飞

（首都经济贸易大学 城市经济与公共管理学院 土地资源管理系，北京 100070）

生态安全由生态系统自身的稳定性与生态系统对人类社会可持续发展的支撑性构成[1]，其强调生态系统动态演变过程中的整体性和系统性[2]，着眼于山水林田湖草沙等自然资源要素的保护修复与社会经济发展需要的协调统一[3]，在我国加强国家安全体系和能力建设中具有举足轻重的战略地位。在当前构建国土空间规划体系的大背景下，生态安全研究更应从环境、经济、社会等多维视角出发，注重在山水林田湖草沙生命共同体理论指导下的系统性评价[4-5]。党的十九大报告中提出优化国土空间开发保护格局、构建国家生态安全屏障，并强调二者互相依存且密不可分[6]。因此，以国土空间生态安全为研究对象并对其进行科学评价，能够及时掌握国土空间规划背景下生态文明建设的真实状况，从而为国土空间用途管制和生态环境管理与决策提供科学依据[7]。

构建评价指标体系是生态安全研究领域的重中之重[8]，学术界关于生态安全评价问题开展了大量的研究且取得了丰富的研究成果。在研究方法上，普遍使用的是基于“压力—状态—响应”（Pressure-State-Responce，PSR）或类似的多维度评价指标体系[9-12]，这些维度一般包括生态环境、社会经济、土地利用变化[13]等，该方法能够细致地分析与描述系统内部各因素之间的互相关系[14]。例如，吕广斌等[15]基于生态系统具有环境、经济、社会复合系统属性的理念，有机结合DPSIR 模型和EES 模型优点，采用DPSIREES 模型合理分析了重庆市土地生态安全整体变化状况。除此之外，还有基于特定要素指标的生态足迹法[16-17]、DEA 模型、马尔可夫模型等，但这些方法过度简化了支撑生态安全的生态系统层面的特征；在研究内容上，生态安全评价的对象一般是农业[18]、土地[19]、森林[20]、流域[21]等单一特定要素，缺少对国土空间生态安全的综合评价研究；在研究尺度上，当前研究尺度以省域[22-23]、市域[24]和城市群[25]等大尺度为主，以县域为研究单元的小尺度研究较少。在当前县域国土空间规划背景下，对县域国土空间生态安全进行定量评价显得尤为重要。京津冀地区北起燕山山脉，西到太行山区，东至渤海之滨，南据华北平原，不仅是我国经济发展格局的前沿阵地之一[26-27]，还对我国生态系统安全产生重大影响[28]。然而该区长期以来对资源不合理的开发利用造成了空气质量下降、草场退化、土地沙化、河流断流和湿地萎缩等一系列生态环境问题[29]，严重威胁我国高质量背景下经济社会发展[30]。

基于此，本文以县域视角构建DPSIR-EES 京津冀国土空间生态安全复合评价体系，对指标进行赋权后测度2010 年、2015 年、2020 年199 个区县的国土空间生态安全水平值，在此基础上结合ArcGIS、Geoda 空间分析模型对其时空演变规律和空间相关性进行可视化分析，以期反映京津冀地区国土空间生态环境真实状况，从而为国土空间用途管制和生态环境管理与决策提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 基于DPSIR-EES模型的国土空间生态安全评价指标体系构建

本研究在评价指标体系方面，结合DPSIR（Driver-Pressure-State-Impact-Responce）概念模型和EES 框架模型形成DPSIR-EES 复合模型来构建评价指标体系。该模型由驱动力（D）、压力（P）、状态（S）、影响（I）、响应（R）五个子系统构成，并从环境（E）、经济（E）、社会（S）等角度出发选取指标来解释人类活动与生态环境变化间的因果关系[31]。在充分借鉴已有研究成果[32-34]的基础上，考虑京津冀地区生态环境特点与社会经济实际情况，选取评价指标时基于科学性、代表性、可获取性等原则并强调所选指标与国土空间生态安全的相关性，本文选取了生态用地占比、产水模数、PM2.5浓度、能源消费碳排放量、工业增加值区域主要污染物排放强度等共计22项指标（表1）。因各项指标的计量单位并不统一，所以先进行了标准化处理，再采用熵值法求权重。因该方法常见，本研究不在此单列其计算公式。

表1 基于DPSIR-EES模型的京津冀国土空间生态安全评价指标体系

1.2 空间分析方法

1.2.1 空间分异格局——自然断点法

自然断点法运用了聚类思想，即让每一组数据内部的相似性最大，而外部组与组之间的相异性最大。同时，自然断点法还会兼顾每一组之间要素的范围和个数尽量相近。因此，本文选用该方法分析京津冀国土空间生态安全水平的空间分异格局。

1.2.2 空间集聚格局——探索性空间数据分析方法

本文运用全局相关分析和局部相关分析进行空间相关分析。在全局相关分析中，最常用的统计量就是全局Moran’s I 指数（全局莫兰指数），它主要是用来描述所有的空间单元在整个区域上与周边地区的平均关联程度，计算公式如下：

1.3 数据来源

基于上述评价指标体系收集了2010 年、2015 年、2020 年京津冀地区199 个县域的数据，数据处理以变更后的行政区划为准。社会经济数据来源于《中国城市统计年鉴》《中国县域统计年鉴》《1%人口抽样调查主要数据公报》《环境状况公报》、各区县的国民经济和社会发展统计公报、水资源公报以及政府工作报告等；碳排放量数据参考《各种能源折标准煤及碳排放参考系数》求解得到；遥感数据和DEM 数据均来源于中国科学院资源环境数据中心，空间分辨率为30 m×30 m；土地利用栅格面积成分数据通过解译2010 年、2015 年和2020年三期遥感数据获取，土地分类标准参照最新《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）。

2 结果分析

2.1 国土空间生态安全时序变动分析

基于上述理念和方法，运用ArcGIS 自然断点法将京津冀地区199 个区县的国土空间生态安全水平划分为五个等级（图1）。通过测算得知，2010 年国土空间生态安全水平处于0.045 4～0.399 5 之间，2015 年提升至0.053 7～0.433 0 之间，2020 年处于0.052 2～0.426 8 之间，国土空间生态安全整体水平偏低但总体呈现上升趋势。具体来看，2010—2015 年京津冀国土空间生态安全水平大幅上升，这主要受国土空间生态系统影响和响应所致，2012 年党的十八大以来我国生态文明建设不断推进，绿色生态环境体系成为社会经济高质量发展的有效途径，京津冀地区作为大气污染和风沙污染防治的先锋地，国家财政支持倾斜加上植树造林、污染防治、产业结构调整等一系列政策的深入，京津冀人均GDP 增加、绿色用地面积增加、人均水资源量增加、GDP 能耗减少、污染物排放和碳排放量减少，推动了国土空间生态安全整体状况的改善，但由于北京、天津、河北各区县之间社会经济条件差距较大，使得2010—2015 年国土空间生态安全状况差异明显。2015—2020 年京津冀国土空间生态安全水平在上升的同时缩小了内部差距，这主要是因为《京津冀协同发展规划纲要》的实施使得京津冀三地在产业协同、交通一体化、污染联防联控等领域的协同不断深化，这些举措使得京津冀各区县在经济指标、环境指标、社会指标上的差距大幅度缩小，取得了阶段性成效，2015—2020 年国土空间生态安全状况整体提升且差距缩小。

图1 2010年、2015年、2020年京津冀国土空间生态安全指数

2.2 国土空间生态安全空间特征及演进分析

从空间维度上看，京津冀199 个研究单元的国土空间生态安全水平存在明显的空间分布差异。处于高值的研究单元的分布数量较少，主要分布于燕山南北地区、太行山东侧以及渤海湾围海造田工程一带；低值区分布数量较多，位于南部河北平原一带形成大面积低值塌陷区，总体来看京津冀地区国土空间生态安全水平有待提高。

研究区内国土空间生态安全水平呈现“北部高南部低、西部高东部低”的空间格局，这与中国科学院地理科学与资源研究所的研究结论一致[35]。研究区内呈现双核心高值区，一处核心高值区为北京市的东城区和西城区，另一处核心高值区为天津市的滨海新区和河北省的曹妃甸区。如图1 所示，2010 年，京津冀地区国土空间生态安全水平处于低值和较低值等级的区县数量多且分布广，低值和较低值区县的空间聚集程度高。高值、较高值区县集中分布在燕山南北以及渤海湾沿岸，太行山东侧一带也有零星分布，京津冀地区国土空间生态安全水平差距较明显。2015 年，高低等级区间进一步分化，以围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县为代表的承德市和以涞水县、涿州市为代表的保定市等级提升明显，但北京市的房山区、通州区、大兴区、丰台区国土空间生态安全等级出现退化现象。2020 年，低值和较低值等级的区县数量有所减少，张家口市、北京市、天津市的安全等级区县数量连片增加且辐射带动作用强，京津冀国土空间生态安全高值区呈现向南部扩散态势，整体水平差异缩小。

2.3 国土空间生态安全的空间相关性分析

本文进一步探究京津冀各县域国土空间生态安全水平是否存在空间上的关联性。运用GeoDA 软件计算京津冀地区国土空间生态安全的全局Moran’s I 指数（图2、图3、图4），结果显示：2010 年、2015 年、2020 年的全局Moran’s I 指数分别为0.529、0.538、0.512，均通过0.001 显著性水平检验，这表明京津冀地区国土空间生态安全水平呈现高度空间正自相关性，即距离较近的区县之间国土空间生态安全水平相似性高，整个京津冀地区存在明显的正的空间聚集现象。从图2、图3、图4中散点的象限分布可知，显著H-H区和显著L-L区占主导地位且H-H区数量更多，这表明高值聚集效应更为显著，空间聚集程度逐年增加，即距离较近的区县之间国土空间生态安全水平相似性逐年增加。

图2 2010年京津冀县域国土空间生态安全空间自相关散点图

图3 2015年京津冀县域国土空间生态安全空间自相关散点图

图4 2020年京津冀县域国土空间生态安全空间自相关散点图

在全局自相关分析的基础上计算199 个区县的局部Moran’s I 指数，通过对比得到，高高聚集（H-H）和低低聚集（L-L）的县域数量占绝对优势，高低集聚（H-L）和低高集聚（L-H）的县域数量几乎为0，这说明京津冀地区各区县之间在国土空间生态安全水平上存在较为显著的极化现象。由表2 可知，显著H-H区在2010 年主要分布于北京市、天津市的核心市区一带，其中，北京市占高高聚集（H-H）区县总数的47%，天津市占高高聚集（H-H）区县总数的42%，说明研究区各区县差异较大且极化现象显著。这些区域经济和政治地理位置优越，把握战略机遇大规模地开展生态环境建设与治理，引导自然资源的合理开发与利用，因而国土空间生态安全水平高。2015 年承德市依托良好的生态环境质量在各个区县率先开展生态文明建设，在扩大生态用地面积、增加人均水资源量的同时减少能源消耗与污染排放，因此出现连篇显著H-H区，国土空间生态安全水平大幅度提高。2020年高高聚集（H-H）区面积连片扩大，数量也增加到27 个，增幅为29%。京津冀县域国土空间生态安全水平提升可能是因为2017 年发布的《京津冀协同发展规划纲要》明确划定出了四个功能区，推进了生态文明和国家产业转型战略实施，促进了生态环境质量的恢复与提升。同时，显著H-H区向西边方向的张家口市扩散。在京津冀协同发展的大背景下，张家口市在“河北省新两翼建设”和《国家主体功能区划》中均作为生态保护的重点区域，与此同时也是“国家山水林田湖生态保护修复”的试点区域。更为重要的是，张家口市2022 年冬奥会的申办更加促进了其各区县建立合理的生态安全格局，保障其生态环境支撑和水源涵养的功能得以实现，以成为我国生态型市域的典型区域。

显著L-L区稳定分布在保定市、邢台市、沧州市、邯郸市、衡水市以及雄安新区。2015 年显著L-L区数量增长至49 个，且石家庄市东部受周边地区低值辐射影响也出现了连片显著L-L区。2020 年显著L-L区数量减少为46 个，分布范围大体稳定不变。这些地区位于研究区域的南部和东部，人力资源和土地等自然资源相对充足，均属于“非首都功能疏解”的产业转移承接地区，因此许多重化工业及其他高污染、高耗能的制造业在这些地区落户。由于缺少技术、缺少资本，管制政策又相对宽松，环境污染程度加剧，导致国土空间生态安全水平在这些地区相对较低。总体来看，显著L-L区应该立即采取措施改善国土空间生态安全水平，需要加大生态恢复的扶持力度，不断完善生态环境保障体系，以实现国土空间生态安全水平持续提升。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）京津冀县域国土空间生态安全整体水平较低且区县之间差异较大，需要京津冀三地多部门联合，促进各地产业转型升级以期实现绿色可持续发展目标。从时间演变来看，京津冀县域国土空间生态安全状况呈现改善趋势。从空间上来看，京津冀199 个区县国土空间生态安全水平存在显著的差异性，空间分布特征呈现为双核心高值区，其中一个核心高值区位于北京市的东城区和西城区，另一个核心高值区连片分布于天津市的滨海新区和河北省的曹妃甸区。研究区内整体呈现“北部高南部低、西部高东部低”的分布格局。其中高值区和较高值区的地区包括北京市和天津市的中心城区、以密云区和怀柔区为主的北京市山区、张家口市和承德市的大部分地区、以曹妃甸区和滨海新区为主的渤海湾围海造田工程区以及太行山东侧一带；低值和较低值区等级的县域分布在以石家庄市、衡水市、邢台市、保定市、沧州市、邯郸市和雄安新区为主的南部河北平原地区，这些地区需要国家在生态文明战略和产业转型战略实施过程中加强对其生态环境建设的重视。

（2）从空间相关性看，京津冀地区国土空间生态安全呈现正的空间聚集效应但极化现象较为显著。高高聚集（H-H）和低低聚集（L-L）的县域数量占绝对优势，这说明京津冀地区各区县之间在国土空间生态安全上存在较为显著的极化现象。显著H-H区主要分布于北京市、天津市、承德市以及张家口市一带且产生溢出效应，向南部不断扩散；显著L-L区稳定分布在保定市、邢台市、沧州市、邯郸市、衡水市以及雄安新区一带。

3.2 讨论

本文得出的国土空间生态安全水平高值区和较高值区与《京津冀协同发展规划纲要》中划定的西北部生态涵养区、东部滨海发展区的分布范围一致。高值区和较高值区包括以密云区和怀柔区为主的北京市山区、张家口市和承德市的大部分地区、以曹妃甸区和滨海新区为主的渤海湾围海造田工程区以及太行山东侧一带，这些地区不仅生态本底优势较强且政策支持度较高，因此国土空间生态安全水平较高。低值和较低值区县分布在以石家庄市、衡水市、邢台市、保定市、沧州市、邯郸市和雄安新区为主的南部河北平原地区，分布范围与《京津冀协同发展规划纲要》中划定的南部功能扩展区大体一致。这些地区生态环境状况较差、环境污染压力大，主要面临着水资源短缺与水体污染、大气污染、绿色空间分布不均、生态服务功能不足等问题，因此国土空间生态安全水平较低。

在国土空间规划的大背景下，切实提升生态环境质量守护绿水青山、保障生态安全是践行生态文明建设、实现可持续发展的重要途径。京津冀地区国土空间生态安全水平较低的区县大部分承接的是重化工业及其他高污染、高耗能的制造业。政府应加大对这些地区的资金与技术支持，加强相关政策管制，减少能源消耗与污染排放来缓解环境污染程度，最终实现京津冀协同绿色可持续发展。本研究仍有不足之处，由于数据获取存在一定的局限性，仅测算了三期的国土空间生态安全水平。此外，在评价国土空间生态安全的指标中缺少国家政策这项指标，寻找量化国家政策的合适方式是下一步的研究方向。