基于GIS可视化统计分析的汉江流域生态安全格局研究

【摘 要】生态安全的研究日益受到重视，生态足迹分析方法，因具有定量化研究区域内的自然资源消费和指标在不同区域间具有可比性等特点，可以作为研究区域生态安全的有效手段之一。本研究参照生态足迹的方法，构建了生态性消费指标，探讨了汉江流域各县市的生态性消费的压力，和生态安全的区域内部分异。较好地揭示和表达了流域内部生态安全的空间分异特征，可以作为探讨该流域生态安全的有益补充。

【关键词】生态安全；生态足迹；汉江流域

0 引言

生态安全目前并没有明确的概念，通常可以理解为一个国家或地区生存和发展所需的生态环境处于不受或少受破坏与威胁的状态[1]，生态安全所表征的是一种存在于人类与其生存和发展环境之间的和谐共生的关系，及不受胁迫的状态，其最终落脚点是人类安全[2]。由于流域生态安全对流域的社会稳定和经济发展有着重要的影响，因此明确流域生态安全问题，对与区域的生态环境保护和社会经济发展具有重要意义[3]。流域的生态安全受到多种因素的影响和制约，既包括自然的因素，也包括人为的影响。对流域生态安全进行评价，不同的学者基于特定的研究尝试了不同的方法，但大体可以概括为两种，一是类在景观尺度上基于景观的空间格局指数的评价[4]；一类是基于土地利用/土地覆盖（LUCC）构建生态安全综合指数的乘数模型来进行评价，其框架常参照联合国经济开发署（OECD）建立的压力-状态-响应（Pressure-State-Response，即P-S-R）框架模型[5]。然而，适用于区域和流域生态安全评价的生态模型则并不多。生态足迹法因其能够较好地将生态学原理和数学模型、资源承载力相结合，以此来分析某地区的资源和能源生态性消费，并与其所拥有的资源和能源相比较，从而判断其生态性消费是否处于生态承载力的范围之内及其安全性，同时由于其引入了均衡因子和产量因子，使得不同地区间的研究结果具有一定的可比性，因此是作为生态安全评价中一种原理简单、方法明确的具有生命力的评价方法[2，6，7]。

生态足迹是指，现有的生活水平下人类占用的能提供资源或消纳废物的、具有生态生产力的地域空间[8]。生态足迹分析法引入了“生态生产性土地”这一概念为各类自然资本提供了统一的度量基础，所谓生态生产性土地这一概念是指具有生态生产能力的土地或水体[9]。在这一概念的基础上可以将全球表面的生态生产性土地分为六类，即：化石能源用地、可耕地、牧草地、森林、建成地、水面。生态足迹分析法通过划分消费项目，计算人均年消费量，并将其消费量折算为人均占用的生态生产性用地的面积，再通过相应的均衡因子将人均占用的各类生态生产性土地汇总为区域总的生态足迹，以此来衡量某一区域内人口的生态性消费。

在生态足迹分析中通过引入了生态生产性面积的概念，实现对自然资源的统一性描述，把人类社会经济发展与土地使用联系起来，并引入均衡因子和生产力系数，进一步实现各国各个地区各类生态生产性土地面积的可比性和可加性，此方法在是目前较为科学、并简单易行的生态模型[6]。然而传统生态足迹方法，也存在着许多不足和缺陷，传统的生态足迹方法评价模型的静态性、贸易调整方法上的缺陷、生态足迹帐户涵盖不全、参数取值的片面性、忽略不同类型土地在功能上的兼容性、忽略社会经济因素对土地生产力的影响等[10-12]，广为学者们所诟病，对此相关学者进行了相应的探讨和模型的改进[13]。自从生态足迹分析方法被引入我国，相关的学者已经开展了大量相关的的理论和实证研究[12-13]。已有学者将其应用于区域和流域生态安全评价的尝试[14，15]。

1 本研究的思路和目标

汉江流域人口密集，人类活动集中度大，已经对区域生态演变构成巨大压力，流域的生态安全日益引起人们的关注。本文在选择汉江流域（湖北范围内）作为研究区域，参照生态足迹的方法构建生态性消费指标，并综合统计学分析方法和GIS可视化分析方法，探究研究区的生态安全空间差异和分布特征，为相关研究决策和决策研究提供参考。

2 研究方法和数据处理

2.1 资料来源

本研究采用的人口、居民食品消费量等统计资料来源于《湖北统计年鉴（2014）》，《湖北农村统计年鉴（2014）》，《中国县市社会经济统计年鉴（2014）》等统计资料；所用研究区边界及行政界限等图件来源于1：100万《长江流域地图册》。

2.2 数据处理与计算

传统的生态足迹方法由于在国能的地区间和城市尺度的研究上，缺乏类似于国家尺度的贸易类型和数量的统计，使得在该尺度上的研究中很难进行合理地贸易调整[11]。因此本研究综合进行了统计资料和研究目标的分析，以生态足迹理论为基础，比照生态足迹方法，在全省人均消费量的指标基础上选取了12种生态性食品消费量综合构建了生态性消费量的指标。这里只讨论生态性生物资源的消费，并未将能源消费纳入讨论范围。具体而言，就是依据全省年人均消费（原始数据为乡村居民）的12种食品消费量（kg），除以世界平均生产力（kg/ha），将其对生物生态性消费量转化为提供这些消费需要的生态生产性土地面积（ha）。然后再通过均衡因子加以汇总，并乘以行政区内的年末人口数量，由此得到县市总生态足迹（ha）。并以此为基础，求取单位土地面积上的生态足迹压力。并对求得的指标进行了基于最大距离法聚类分析（见图1）和GIS空间可视化表达与分析（见图2）。

表1 2013年湖北省农民人均主要食品消费量

注：因统计数据在统计上缺少湖北省城市居民主要食品消费量的数据，所以通过综合湖北省城乡居民收入差别和消费特点，将湖北省城镇居民的主要食品消费量按照农村居民的1.5倍计算.

表2 均衡因子及汇总农民人均生态足迹消费

注：均衡因子的选取引自世界各国生态足迹计算研究报告，受数据收集所限结合本研究的特点，本研究不讨论基于产量因子与生态承载力.

表3 县市地均生态性消费压力

注：为了数据表示和分析的方便需要，将生态性消费压力在总的生态足迹除以行政区面积的基础上乘以104，这并不妨碍本研究的结论.

2.3 结果与分析

图1 汉江流域各县市地均生态消费压力聚类结果

从表3可以看出，汉江流域各县市对生态性土地的需求压力呈现明显的差异，为了进一步研究这种差异，通过用统计软件R软件对生态性消费压力指标进行聚类分析（聚类结果见图1）。从聚类结果可以更加清晰地看出，汉江流域各县市的生态压力区域差异明显。武汉市的地均生态性消费压力8.59994，显著高于整个区域其它县市。处于中等水平的县市分别为老河口市、枣阳市、襄阳区、襄樊市辖区、荆门市辖区、应城市、天门市、汉川市、潜江市、仙桃市等县市。受到较小地均生态性消费压力的县市为谷城县、南漳县、保康县、房县、宜城县、神农架林区、钟祥市、京山县等县市。通过GIS的可视化表达（见图2），更加可以看出各个县市的这种生态消费压力在空间上差异。地均压力较小的地区为中部和西北部地区，而武汉市及其周边的潜江、仙桃等县市，人口众多，人口密度大，所受的生态消费压力较大。结合相关学者对该区域的土地利用双向动态变化度和土地利用强度的研究[16]，也可以看出武汉、仙桃等地，在这种压力胁迫之下，不断提高对区域内的土地利用强度，其生态安全的格局在空间上与本研究有较强的一致性。

图2 汉江流域地均生态消费压力分异

3 结论与讨论

研究表明，汉江流域各县市由于各自的发展状况、资源禀赋和人口压力不同，所受到的生态性消费的压力也有着较大差异。并在空间上呈现出特定的分布格局。研究区域的生态消费压力，并将其差异性在用GIS的可视化手段在空间上加以定位和表达，有利于针对性地制定相应的政策，为维护流域生态安全提供政策参考，促进流域的社会经济和生态系统健康、协调、可持续发展。

本研究通过使用全省统一的生态性产品的人均消费量作为讨论的基础，一定程度上克服了传统的生态足迹方法在研究不同发达程度地区在消费结构上的差异，因为贫困地区的消费能力和水平比较低，反而得出越贫困的地区，其发展越合乎可持续的要求的结论。

通过聚类分析，探讨了流域能不同地区之间在生态性产品消费的压力上的关系，并在空间上阐释了这种分异规律。从而为具体的政策措施的制定，提供更加确定的执行政策措施的空间定位参考。

由于受到数据收集的限制，本研究并未量化流域内各县市的生态承载力的差异，而是采取了统一的单位行政区面积上的生态消费进行讨论，不能够很好地刻画各个县市实际自然资源禀赋上的差别，而可能对生态消费压力产生的不同响应。此外，流域的生态安全受到多种因素的影响和制约，就汉江流域而言，除了生态性消费的直接压力之外，还受到土地利用与覆盖变化、南水北调中线工程引起的流域的水资源异动等因素的影响。因此，本研究只是从自然资源消费的空间测度这个侧面来探讨了流域生态安全，有待进一步深化。

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