长江中游地区水生态安全时空演化特征及障碍因素研究

关键词：水生态安全；ＰＳＲ 模型；障碍度模型；优化路径；长江中游

中图分类号：Ｆ２０５；ＴＶ２１３．９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１６

引用格式：吕添贵，李锐，邱蓉，等．长江中游地区水生态安全时空演化特征及障碍因素研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（６）：９６－１０２．

随着我国城市化与工业化进程的加快，在资源开发利用、人口规模扩张等过程中产生的水生态安全问题日益凸显［１－２］ 。水资源对于维持生态系统健康和生物多样性等具有重要作用。近年来北京、郑州等发生的严重内涝，给区域社会经济发展带来极大损失，同时严重影响区域水生态安全。科学测度区域水生态安全演变规律，对于构建区域水生态安全屏障具有重要作用。

国内外学者围绕区域水生态安全进行了诸多研究，在概念层面，从环境科学、生态学、安全科学等方面对水生态安全进行了辨析［３－８］ ；在研究尺度方面涵盖国家、流域等，其研究方向从以独立自然历程为基础的单要素评估逐渐转变为考量社会经济与生态环境效益的综合评估［９］ ；在模型构建方面，创建了耦合景观生态学和数字地面模型等的水生态安全评价模型；在评价方法方面包括景观格局分析法、生态足迹法、聚类分析法、物元分析法等［１０－１１］ 。综上，已有研究围绕区域水生态安全测度等进行了系统研究，但长江中游地区水生态安全评价方面还相对缺乏。鉴于此，本文以长江中游地区为研究对象，基于压力－状态－响应模型构建水生态安全评价指标体系，探析长江中游地区水生态安全时空演化特征，并采用障碍度模型诊断水生态安全影响因素，进而提出水生态安全优化路径，以期为长江中游地区水生态安全屏障构建提供依据。

１研究区概况与研究框架

１．１研究区概况

长江中游地区包含江西、湖北、湖南等省的３１ 个地级市［１２］ ，是长江经济带的重要组成部分。研究区属于亚热带季风气候区，区域内地势平坦，大多为平原，拥有洞庭湖、鄱阳湖和武汉东湖等众多湖泊水系，水资源较为丰富。近年来随着长江中游地区的大力开发与城市化和工业化等，以及气候变化所导致的旱涝交替胁迫，研究区水环境污染、碳排放量超标和土地污染等问题阻碍了长江中游地区的绿色可持续发展。

１．２研究框架

压力－状态－响应模型（ＰＳＲ 模型）能够对水生态安全状况进行有效评估，较为直观反映出人与水环境之间的相互作用关系，为解决环境问题提供有效的数据支撑，是目前自然环境研究中应用较广的模型之一［１３－１６］ 。在长江中游地区建设中，城市生产生活废水排放量增加，导致生态环境遭到破坏，水生态环境质量降低，为此，构建长江中游地区压力－状态－响应水生态安全评价框架，见图１。

２评价指标及研究方法

２．１评价指标选取

结合长江中游地区水生态环境与社会经济发展状况，构建水生态安全评价指标体系［１７］ ，见表１。

１）压力因素。压力是社会经济发展对水生态安全产生的直接负面影响。其中：城镇生活污水排放量、工业二氧化碳排放量体现城市化带来的环境保护压力，人口密度和人均ＧＤＰ 表征人口增加、经济发展以及环境污染对水生态环境造成的影响，农用化肥施用折纯量、农用塑料薄膜使用量及农药施用量表征在土地开发和土地利用过程中释放的污染物对水生态环境的影响。

２）状态因素。状态表征当前生态环境下水资源的现实状态。基于生产、生活、生态用水３ 个层面选取人均水资源量、农业用水总量、工业用水总量、生态用水量４ 个指标表征，其中：人均水资源量衡量生活用水状态，农业用水总量和工业用水总量表征水生态环境系统提供生产用水的功能状态，生态用水量体现生态用水和生态系统调节等状态。

３）响应因素。响应体现人类对生态环境状态的应对水平。其中：污水处理率衡量环境治理响应，科学技术支出表示经济上对环境治理的响应，固定资产投资额表示企业通过优化自身生产经营结构对水污染进行控制的行动。

２．２研究方法

２．２．１水生态安全综合指数计算

１）数据标准化。为消除不同评价指标间量纲和数量级的差异，采用极差标准化方法对评价指标进行标准化处理［１８－１９］ 。正向指标：

２．２．２水生态安全等级划分

结合长江中游地区各市水资源实际情况，以等距法为分类方法，将长江中游地区水生态安全状况划分为不安全、临界安全、基本安全、安全４ 个等级［２０－２１］ ，其对应的水生态安全综合指数分别为≤０．２５、（０．２５，０．５０］、（０．５０，０．７５］、＞０．７５。水生态安全水平和水生态安全综合指数正相关。水生态安全综合指数越接近于１ 的市水生态安全水平越高。

２．２．３障碍度模型

水生态安全评价需要仔细分析其影响因素，并评估各指标的障碍度，以确定水生态安全主要影响因素。为此，构建水生态安全障碍度模型，诊断长江中游地区水生态安全障碍因子，并采用指标贡献度（Ｍ_ｉ）、指标偏离度（Ｓ_ｉ）和指标障碍度（Ｎ_ｉ）３ 个指标按照障碍度的高低确定各因子是否有主从关系，及其对水生态安全的影响程度［２２－２４］ 。

２．３数据来源

研究数据主要来源于２０１１—２０２０年湖北、湖南和江西省的统计年鉴，各市的国民经济和社会发展统计公报、水资源公报，以及《中国城市统计年鉴》。

３计算结果与分析

３．１水生态安全评价结果

３．１．１水生态安全时间演化特征

长江中游各省水生态安全综合指数大多保持在临界安全等级，但水生态安全综合指数呈上升态势，城市群水生态安全综合指数均值从２０１１年的０．３４８３增大到２０２０年的０．４３４０，见表２。然而，在２０１８年，多地市水生态安全综合指数出现波动，主要受压力、状态下降影响。长江中游城市化快速发展影响水生态安全，而随着水生态环境建设的不断推进，长江中游各省水生态安全水平有所提升。

３．１．２水生态安全空间演化特征

为揭示长江中游地区水生态安全的空间差异，选取２０１１年、２０１６年、２０２０ 年，基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２软件进行可视化处理。由图２ 可知，长江中游地区水生态安全状况在空间上存在差异。

２０１１年，长江中游各市水生态安全等级大多为临界安全，仅长沙为基本安全，而天门、潜江、鄂州、鹰潭为不安全等级。究其原因，长江中游各市正处于城镇化和工业化高速发展时期，随之产生了水生态安全问题，因而２０１１年长江中游地区水生态安全水平普遍不高，有较大提升空间。

２０１６年，武汉、岳阳、娄底、南昌、株洲水生态安全等级演变为基本安全等级。武汉等大幅度降低农用塑料薄膜使用量，提出“农药减量化”和提高污水处理率等举措，提高了水生态安全水平，因此转变基本安全等级。其他市也对“大力推进生态文明建设”这一决策作出响应，形成了长株潭城市群循环经济试验区、武汉都市圈和鄱阳湖生态经济区等绿色低碳发展战略，提升了区域水生态安全水平。

２０２０年，长沙、武汉水生态安全等级提升为安全，其他市水生态安全综合指数也有所增大。究其原因，虽然长沙、武汉人口密度、城市污水排放量处于全域前三，但相对于其他市其经济快速发展，科学技术支出较高，固定资产投资额处于较高水平且农用化肥施用折纯量、农用塑料薄膜使用量和农药施用量较少，因此其水生态安全等级较高。

同时，萍乡、九江、吉安、宜春等地处江西省五大河流域和鄱阳湖流域，可以充分利用河谷平原的地理资源和区位优势提升水生态安全水平，尤其是城镇人口增长和区位优势凸显促进区域投资，但各地市农用化肥施用折纯量、农用塑料薄膜使用量和农药施用量均处于全省高位，对水生态安全产生明显影响。

综上，水生态安全综合指数增大，水生态安全水平有所提高，这在一定程度上得益于响应系统的作用。然而，很多市仍处于临界安全等级，距离基本安全等级还有很大差距。

３．１．３水生态安全全局自相关分析

基于ＡｒｃＧＩＳ１０．２ 软件进行全局自相关分析，测度全局莫兰指数，结果见表３。莫兰指数为０． ０２５ ～０．２８９，大多通过Ｐ 值（概率）为１％的显著性检验，相应的Ｚ 值（标准差的倍数）呈现一定聚焦与离散特征，表明长江中游地区水生态安全空间正相关。２０２０年全局莫兰指数减小，为１０ａ 内最小值，空间相关性与之前相比有所减弱。

３．１．４水生态安全局部自相关分析

为了进一步探究长江中游地区水生态安全的局部空间自相关特征，采用局部莫兰指数进行长江中游地区水生态安全局部空间自相关分析。２０１１年、２０１６年和２０２０年长江中游地区水生态安全ＬＩＳＡ 集聚图见图３。

２０１１年，长沙、湘潭、株洲和衡阳为高高集聚区。湖南省水生态基础较好，科学技术投入较大，水生态环境治理能力较强。受东南部沿海气候影响，亚热带季风气候带来的降水量和空气湿度能够保证足够的水汽输送，同时植被覆盖率较高、生态环境状态良好。

２０１６年，区域间高高集聚区减少为湖南省湘潭和衡阳。该地区受传统资源开发模式影响，如株洲市粗放开发资源，使生态环境受到了较大影响。此外，潜江承接污染产业转移，但未获得合理的生态环境补偿，由高低集聚区转变为不显著。可见，从粗放低效发展模式转变为集约绿色发展是区域水生态安全水平提升重要方向。南昌水生态安全集聚效应一直呈不显著特征，表明其对其他地区的空间带动效应不明显。

２０２０年，湘潭工业发展程度较高，２０１１—２０２０年工业发展水平显著高于周边其他市的，湘潭能源消耗量巨大，污水排放量较大，水生态安全水平较低，地区间出现低高集聚现象。

３．２水生态安全障碍度诊断

３．２．１因素层障碍度诊断

由表４可知，２０１１—２０２０年长江中游地区压力、状态、响应障碍度均值分别为３．５１％、４８．３４％、４８．１６％，影响长江中游地区水生态安全的因素层障碍度综合排序：状态＞响应＞压力，即起制约作用的影响因素为响应和状态。

３．２．２指标层障碍度诊断

将典型年份（２０１１年、２０１６年、２０２０年）障碍度排名靠前的指标作为其主要障碍因素，包括科学技术支出、生态用水量、人均水资源量、固定资产投资额、工业用水总量、农业用水总量［２５］ ，其障碍度见表５。科学技术支出障碍度最大，与第一产业关联的农业用水总量的障碍度排名也比较靠前，表明第一产业发展模式和城市化对水生态安全有较大影响。在状态因素中，人均水资源量障碍度较大，是影响长江中游地区水生态安全的重要因素，表明日常用水方式对水生态安全产生显著影响。此外，固定资产投资额对生态安全的影响相对靠前，表明城镇化投资抑制了长江中游城市群水生态安全水平。

３．３长江中游地区水生态安全优化路径

为实现长江中游地区水生态安全新格局，结合水生态文明建设成果和地域资源条件，提升区域水生态安全水平，见图４。

１）引导人口向中小城市流动，承接劳动密集型产业。利用长沙、武汉等大型城市的吸引联动作用，将工业生产和服务行业作为未来增加就业人员岗位的保障，引导人口流向中小城市，化解人口增长对水生态安全所造成的压力。此外，提高对湖北等水生态安全较低的城市政策的支持力度，推进劳动密集型产业转移，大力支持流动人口就近工作。

２）加大科学技术投入，实现工业绿色转型。首先，确定清洁能源主导地位，推动新能源进一步替代石化能源，成为生产生活中的主导能源；其次，提高传统能源利用效率，积极推进电力系统数字化和智能化建设；最后，充分发挥安徽等地关于污水处理排放技术的创新优势，减少日常工业污水排放量。同时，创建绿色发展工业转型升级示范园区，给予土地、租金、税收、技术等政策优惠，吸引行业内应用绿色资源较为出色的企业入驻，从而以点带面，实现工业绿色转型。

３）推动区域农业高质量发展，实现农业经济与水生态效益均衡发展。长江中游地区位于我国主要的粮食生产区，要实现鄱阳湖、洞庭湖水生态安全综合指数稳定提高，应延伸打造绿色农业产业链，与生态旅游产业相结合，通过观光农业和采摘园等，促进当地特色农业产业发展，实现农业经济与水生态效益平衡。

４）积极响应水生态环境治理政策，提高生产领域水资源环境绩效。政府应积极运用其职能，增加武汉城市群、鄱阳湖城市群水生态环境治理资金，加大监督治理力度，提升水环境治理所占经济比重，以提升生产领域水资源环境绩效，实现水环境治理保护与社会经济协同发展［２６－２７］ 。

４结论

基于长江中游地区３１ 个地级市指标数据，运用ＰＳＲ模型和障碍度模型等，综合评价了２０１１—２０２０年水生态安全等级空间差异特征及其障碍度。长江中游地区水生态安全综合指数由２０１１ 年的０．３４８ ３增大到２０２０年的０．４３４０，总体呈上升态势。但长江中游地区水生态安全水平大多接近临界安全等级，距离基本安全等级还有很大差距。长江中游地区水生态安全水平影响因素综合排序为状态＞响应＞压力，相应的障碍度均值分别为４８．３４％、４８．１６％、３．５１％，受生态用水量、人均水资源量、工业用水总量等的综合影响。长江中游地区水生态安全空间正相关，在区域内呈现集聚分布的特点，其中湖南省中南部地区具有高高集聚特征、武汉市具有低低集聚特征。

未来应引导人口流向中小城市、加大科学技术投入、实现农业经济和水生态效益均衡发展等，重构区域水生态安全格局。