基于DPSIR模型的湖南省生态安全评价及安全格局分析

朱莲莲，谢永宏，宋冰冰，李峰，傅晓华，陈心胜，邓正苗

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室/洞庭湖湿地生态系统观测研究站，湖南 长沙 410125；2.中国科学院大学，北京 100049；3.湖南省环境检测中心站，湖南 长沙，410019）

基于DPSIR模型的湖南省生态安全评价及安全格局分析

朱莲莲1,2，谢永宏1*，宋冰冰3，李峰1，傅晓华1，陈心胜1，邓正苗1

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室/洞庭湖湿地生态系统观测研究站，湖南 长沙 410125；2.中国科学院大学，北京 100049；3.湖南省环境检测中心站，湖南 长沙，410019）

运用驱动力—压力—状态—影响—响应（DPSIR）模型，通过构建湖南省生态安全指标评价体系，系统研究了1989-2012年间湖南省各区域生态安全状况，探讨诱发其变化的各种因子及其相互作用机制。结果表明，湖南省生态安全状况整体呈现从安全状态降为轻度预警状态的趋势，生态安全指数由0.550降至0.420，其中驱动力指数由0.140降至0.052，压力指数由0.204降至0.007，状态指数由0.092降至0.044，影响指数由0.074上升至0.220，响应指数由0.057上升至0.098。就安全格局而言，处于轻度预警状态的城市比例增大，13个城市中处于轻度预警状态的城市达9个，湘中、湘南与湘西地区生态安全度要高于长株潭地区与湘北平原湖区。生态安全状况的变化是自然与人为因素双重作用的结果，城市扩张、工农业污染、自然灾害及对资源不合理的开发是影响湖南省生态安全的关键性因素。因此，针对当前生态安全现状，从城市规划，耕地保护，经济结构调整和矿山管理4个方面提出了提升该区域生态安全的对策。

生态安全指数；生态安全等级；安全格局；DPSIR模型；湖南省

随着社会与经济的发展、人类对环境造成的压力不断增大以致生态承载能力失衡，并对社会经济发展构成严重威胁。生态安全问题也因此引起地学、资源与环境科学及生态学等专业的科学家们的广泛关注[1]，成为21世纪人类实现社会可持续发展所面临的一个新主题。生态安全是人类在生产、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，包括饮用水与食物安全、空气质量与绿色环境等基本要素[2]。生态安全是可持续发展的核心和基础，而可持续发展是建立在社会、经济、人口、资源、环境相互协调和共同发展的基础上的一种发展，因此生态安全也是涉及到人口、资源、环境、经济、社会等多因素的一种复合系统结构的安全。

对生态安全的研究可包括不同的尺度，如自然生态方面从个体、种群到生态系统，人类生态方面从个人、社区、地方到国家[3]。目前，国内外生态安全评价涉及的领域比较广泛，方法和侧重点也有所不同。解雪峰等[1]以与乡镇结合的小流域为评价单元，利用“压力—状态—响应”模型、生态安全度模型和RS与GIS技术，结合流域生态系统的结构和功能，选取18项评价指标，建立流域生态安全评价指标体系，揭示东阳江流域生态安全的空间分布规律。金相灿等[4]针对目前我国湖泊存在的主要生态安全问题，同时考虑流域人类活动对湖泊的影响，阐述了对湖泊生态系统及湖泊生态安全的深层认识和理解，并在此基础上建立了“4+1”湖泊生态安全评估方法框架。黄辉玲等[5]在诠释土地生态安全概念的基础上，基于“经济—环境—社会”模式和层次分析法构建土地生态安全评价指标体系，采用物元分析法对中国土地生态安全进行评价。王耕等[6]采用区域能值密度计算辽河15个城市2001-2012年间生态承载力与生态足迹的变化，并借助GIS技术平台探索辽河流域内生态安全及生态赤字时空演变趋势。不同研究方法与研究目的，考虑因素均不一样，其选取指标都存在差异性。

湖南省气候湿润，光热充足，农业生产历史悠久，是我国南方重要的农产品生产基地。但长期以来，由于滥伐滥垦、围湖造田及矿产开发等人类活动影响，湖南省生态环境安全度降低，成为自然灾害的频发区和重灾区，尤以20世纪90年代连续爆发的几次特大洪灾最为典型，严重影响了人民群众生活和社会经济的可持续发展，并直接威胁到长江流域生态系统安全[7-10]。因此，对湖南省生态安全状况进行综合评价对于保护长江流域生态环境十分必要。本文基于湖南省生态安全现状，参考已有研究数据，结合区域经济社会发展实际，运用DPSIR模型从生态系统的驱动力、压力、状态、影响及响应5个方面，分析近20余年来湖南省生态安全状态在时间和空间尺度上的变化，探究诱发其变化的各种因子及其相互作用机制，试图为制定湖南省生态安全的决策提供科学依据。

1 DPSIR模型

DPSIR框架模型是由PSR模型演变而来[11-12]，1993年由欧洲环境署（EEA）首次提出（图1）[13]。DPSIR模型能够揭示环境与人类活动的因果关系，其结构清晰，简单明了，为人类活动，资源，环境与可持续发展研究及其评价提供一个基本框架，具有较强的系统性。该模型自提出以来，得到了广泛应用[14-16]。

图1 DPSIR概念模型Fig. 1 DPSIR conceptual model

2 研究方法

2.1 研究区概况

本研究以湖南省地理区域为研究对象，研究区域选择湖南省13个地级市（注：湘西自治州由于数据不足，未做评价）。该区域东、南、西三面环山，中部丘岗起伏，北部湖盆平原展开，形成了朝东北开口的不对称马蹄形地形，海拔在100-500 m的土地面积占总面积45.8%。该区域地处中亚热带季风气候区，四季分明，光热充足，近40年来平均降雨量1 427 mm，雨热同期，气候类型多样。降水的年内、年际变化以及空间差异较大。

2.2 生态安全评价指标体系的构建

在湖南省生态安全评价体系中，需构建生态安全指数（ESI）来定量描述生态安全状况。在指标选取方面遵循指标选取的科学性、代表性、整体性及可操作性原则，结合湖南省的社会经济发展状况、生态环境变化特征，基于DPSIR（压力—驱动力—状态—影响—响应）概念框架，将生态安全评价指标划分为目标层、因子层、指标层3个等级层次。目标层以生态安全综合指数为总目标，用来表示湖南省生态安全总态势；准则层分别是生态安全驱动力、生态安全压力、生态安全状态、生态安全影响和生态安全响应；指标层由可直接度量的各指标构成，是整个指标体系最基本的层面。评价指标的选择依据所评价的生态系统的完整性和稳定性、服务功能的可持续性，还包括生命支持系统对社会经济及人类健康的作用。所选择的指标既要反映生态系统结构、功能和过程，又能反映生态安全的评价标准相对性和人类社会发展特征[14,17]。

根据上述原则驱动力子系统主要选取对生态环境变化具有驱动作用的人类社会发展指标如人口自然增长率、城镇化水平、GDP增长率等指标；压力子系统主要选取对于生态环境造成破坏、污染的指标如农业化肥使用量、农村用电量、工业总产值、人口密度等指标；状态子系统主要选取表征生态环境现有承载力指标如水库水容量、有效灌溉面积、耕地面积、受灾面积等指标；影响子系统主要选取生态环境所处的状态对人类社会经济、产业结构影响的指标如单位面积粮食产量、农林牧渔产值、农民人均收入、人均GDP、人口死亡率等指标；响应子系统主要选取人类改善生态环境所做的措施指标如绿化覆盖率、农业人口占总人口比例、第三产业占GDP比例、水土流失治理率等指标。从五个子系统中选取比较有代表性的指标，再通过查阅近年来关于生态安全评价与可持续发展的文献，选取国内外学者使用频率较高的指标，最后结合湖南省各市的实际情况增减部分指标[7-9,18-19]。

2.3 数据来源

本研究以湖南省13个地级市（长沙市，株洲市，湘潭市，衡阳市，益阳市，岳阳市，永州市，张家界市，郴州市，怀化市，娄底市，邵阳市，常德市）为评价对象，对应分析1989-2012年各市生态安全状况。本研究数据来源于1989-2012年《中国经济社会发展统计数据库》（http://tongji.cnki.nct/ bricf/result.aspx）、1989-2012年《湖南省统计年鉴》以及湖南省各市统计公报。

2.4 数据处理

2.4.1 数据标准化处理 评价指标体系中的各项参评因子由于系数间的量纲不统一，所以没有可比性。因此必须对数据进行标准化处理[18-19]。本研究主要采用极差标准化方法对各指标数据进行标准化处理，各项指标与生态安全指数之间存在正负影响关系，正向指标计算方法为：

负向指标计算方法为：

式中：Xi为评价因子实测值；Xmax为评价因子实测最大值；Xmin为评价因子实测最小值；Ki为标准化之后的指标值。

2.4.2 权重确定 本文采用熵权法确定各指标权重[20]。生态安全评价指标体系中，某一指标值的变异程度越大，说明其提供的信息量越多，在生态安全评价中所起的作用越大，其权重值也应越大。在此基础上参照相关文献确定指标权重[9,16,21]。

表1 湖南省生态安全评价指标体系Table 1 Eco-security assessment index system of Hunan Province

2.4.3 评价指标的计算 综合各因子关系的分析，进一步建立生态安全指数模型。由于驱动力因子、压力因子及影响因子与生态安全指数呈负相关，状态因子、响应因子与生态安全指数呈正相关，所以拟采用如下生态安全指数模型：

驱动力指数（D）、压力指数（P）、状态指数（S）、影响指数（I）和响应指数（R）则分别采用以下计算方法：

其中：ESI为生态安全指数，其范围为0-1，用来表示生态安全程度的高低，其值越大，表示该地区的生态环境质量越好，生态环境越安全；其值越小，表示该地区生态环境水平低，生态环境越不安全。其中Ki是指标i标准化后的值，Wi为指标i的权重，表示各指标对生态安全指数的主要因子的相对重要性；n为评价指标的个数。

2.4.4 评价指数分级标准 综合国内外生态安全等级划分方法，并借鉴其他相关研究[16,18,21-22]，将生态安全指数值（ESI）与生态安全水平等级作出关联，划定生态安全水平的分级临界值，将生态安全水平进行分级（表2）。

表2 生态安全评价指数分级标准Table 2 Classification of the eco-security assessment index

3 结果与分析

3.1 生态安全指数变化

1989-2012年湖南省生态安全指数处于安全与轻度预警的临界状态，总体上呈波动式下降的趋势（图2）。1989-1991年间生态安全指数呈窄幅增加趋势，但在1991-1993年间下降幅度较大，由0.54降到0.498，1993-2000年则呈窄幅波动式上升趋势，8年间湖南省生态安全指数由0.493上升至0.548，但2000年之后呈下降趋势，2011年已降至0.42，在2011-2012年安全指数有上升的趋势。24年间，1991年的生态安全指数最高，为0.55，处于安全状态，2011年最低，为0.42，处于轻度预警状态。1989-2012年生态安全指数的变化表明湖南省生态安全已经由于经济社会发展影响，发生变化，由安全状态变为轻度预警状态。工农业污染负荷越来越大，人口数目的增加，以及土地的不合理利用等可能是造成这一变化的主要原因。相关部门可以通过加大环境治理的投入，在发展经济的同时重视生态环境保护。

图2 湖南省生态安全指数动态变化Fig. 2 Dynamic variation of eco-security index in Hunan Province

3.2 生态安全因子变化分析

1989-2012年驱动力指数整体呈下降趋势，由0.142下降至0.052，其降幅达63%，其间可分三个阶段（图3）：1989-1993年为波动性下降阶段，这一阶段城市化水平与GDP增长率均呈上升趋势，其中城市化水平由14.25%上升到18.85%，GDP由3.6%上升至12.4%。人口自然增长率有所波动，这是造成这一阶段驱动力指数波动性下降的原因。1993-1999年间驱动力指数呈波动性上升趋势，这一时期城市化水平提高，由18.85%增至29.57%；人口自然增长率呈下降趋势，由6.95%降至4.6%。GDP增长率呈现波动性变化，这一时期人口自然增长率与GDP增长率为主导因素。1999年以后，驱动力指数呈持续性下降趋势，由于2010年以后，GDP增长率有所下降，驱动力指数有略微上升的趋势。说明随着城市化水平的提高，人们生活水平提高的同时，生态需求在逐渐加大，对生态安全的贡献减小。

图3 湖南省各生态安全因子变化Fig. 3 Changes of eco-security indices in Hunan Province

压力指数1989-2012年间一直呈明显下降趋势，其降幅高达96%，到2012年其压力指数值已经接近于0（图3），这主要是由于近年来工农业的快速发展，工农业污染加剧造成的。自1989年到2012年，湖南省工业总产值由208亿元上升到28 629亿元，翻了130多倍，工业总产值增加的同时，污染也日益加剧。据调查，“四水”沿岸分布着2 000余家工厂，年污水排放量高达10×108t。这无疑对环境安全构成极大威胁。对农业而言，近年来，为提高农作物产量，湖南省化肥施用量由1989年的124.41×104t增加到249.11×104t，农药化肥施用量的加大[10,22]，造成土地污染日益严重，严重威胁生态环境安全。同时，其压力指数下降速率近年来有所增大（图3），表明湖南省生态环境压力形势日趋严峻。

1989-2012年间，状态指数整体呈下降趋势，24年间生态安全状态指数由0.092降至0.044，降幅高达50%（图3）。生态安全状态指数的降低意味着环境本底值的下降，人均可用环境容量的减少。该结果表明湖南省环境本底值一直呈显著下降趋势，这主要是由耕地面积大幅减少造成的。城市扩张导致建筑用地不断增加[23]，耕地面积锐减，24年间湖南省耕地面积减少近100万hm2，对生态安全有着极大影响。生态安全状态指数在1998年和2008年间突然降低（图3），这主要是自然灾害引起的，这两年的受灾面积分别达到384.9万hm2和447.4万hm2，对生态安全造成严重威胁[22]。

湖南省生态安全的影响指数呈波动式持续增长趋势，其值由0.071增至0.220，增幅达200%，而且影响指数的增长速率呈明显增加趋势（图3）。这与近年来人民生活水平不断提高，种植技术的发展以及新品种的引入使得单位面积的粮食产量提高，农林牧渔产值增加，使得人民经济收入有所增加有密切关系。

生态安全响应指数同影响指数变化趋势一致，整体呈波动增长趋势（图3），响应指数可分为2个阶段，1989-1997年阶段增长速率较高，1998-2012年阶段增长速率放缓。1989-2012年间，响应指数增幅为95%。响应指数的增加表明环境保护力度在不断加强，主要通过积极采取调整产业结构、提高第三产业比例、提高绿化覆盖率以及治理水土流失土地等措施来改善环境[24-25]。

3.3 生态安全指数空间分布格局

为更好的掌握湖南省生态安全指数的区域变化特征，分别以1998年洪灾与2003年三峡工程蓄水为时间节点，将其分为1989-1997年、1998-2002年和2003-2012年3个阶段，对该省13市生态安全进行空间格局分析（图4）。结果表明，仅有张家界市、益阳市、邵阳市和永州市的安全状况没有发生很大变化，生态安全指数均处于0.5-0.6之间，一直处于安全状态，其余9市均由较安全状态或安全状态转变为轻度预警状态。

1989-1997年13个市均处于安全以上等级，其中衡阳市和郴州市处于较安全等级，两市生态安全指数均在0.6以上。这一时期生态安全状况较好主要原因是人口密度相对较小，人口密度平均为284人/km2，比其他时期小16%。另外一个原因在于工业化水平较低，此段时期，全省工业总产值仅为208亿元，为2012年的1/130，人类对环境资源的开发较少，产生的污染较少，环境相对安全一些。

1998-2002年生态安全状况出现轻微恶化，其中常德市由安全状态转变为轻度预警状态，衡阳市由较安全状态变为安全状态，其他城市尚未有明显变化。常德市和衡阳市两市环境恶化主要是由于工业的快速发展引起的。如矿山开采，造成的植被破坏与环境污染[26-27]。常德市为我国有名的“非金属矿产之乡”，而衡阳则素有“有色金属之乡”之称，这一时期的矿产开采使得两城市工业总产值分别达到1 827亿元与1 640亿元。但经济增长的同时导致生态环境受到严重破坏，进而导致生态安全呈明显下降趋势。

图4 湖南省生态安全等级空间分布图Fig. 4 Spatial distribution pattern of eco-security level in Hunan Province

2003-2012年湖南省处于轻度预警状态的城市达9个，处于安全状态的城市仅有张家界市、邵阳市、永州市和益阳市。这一时期生态安全指数持续降低。这主要是城市化进程加速以及工业快速发展所造成的。这一时期湖南省城市化水平由31.7%上升到46.7%，工业总产值由2 611亿元增加至28 629亿元。工业的发展如矿产的开采造成植被严重破坏、植被覆盖率下降，同时开采过程导致土壤、水体污染程度加剧，再加上开采后缺乏相应的矿山恢复措施，导致此类城市生态环境严重恶化，威胁区域生态安全[27-28]。如郴州市近年来由于矿产及能源的不合理开发[28]，使得环境恶化较为严重，由较安全状态变为轻度预警状态。1989-2012年邵阳市、永州市、益阳市和张家界市4市均处于安全状态，这主要是由于4市森林覆盖率均高于50%，均获国家森林城市称号。同时，政府大力发展旅游产业，注重绿化等措施对于生态安全的维持也有很大影响。

4 结论与对策

基于DPSIR模型构建的湖南省生态安全评价指标体系涵盖了湖南省生态安全变化的整体概况，并且对各子系统间的逻辑关系进行了很好的阐述，可以为湖南省生态安全变化提供完整思路。以湖南省13个地级市为评价对象，并进行格局分析，可以揭示湖南省生态安全变化的区域特征。

从时间尺度来看，湖南省整体生态安全水平有所降低，安全状态也由较安全状态降为轻度预警状态，生态安全形势较为严峻。从子系统评价指数来看，驱动力指数，压力指数和状态指数均处于下降趋势，而影响指数与响应指数均处于上升趋势。生态安全指数变化趋势与驱动力指数变化趋势基本一致，说明生态安全指数的变化受驱动力因子影响较大。从分布格局来看，湖南省生态安全格局具有一定差异性，东部地区以及矿区环境恶化较为严重，这与当地经济发展模式有着很大关系，城市扩张，耕地减少，土地质量下降，工农业污染是造成湖南省生态安全指数降低的主要原因。评价结果基本符合湖南省经济发展实际，原因分析可为制定湖南省生态安全的决策提供科学依据。

根据上述分析，并结合湖南省实际情况，提出以下几点生态安全恢复对策：1）各地区应因地制宜，合理规划城市发展，改善城市运营模式，调整产业结构，着力发展绿色、环保、低碳型城市。2）制定合理的土地利用政策，加强耕地保护，提高耕地质量，减少土地污染[26]。严格控制耕地转为非耕地，控制建设用地面积。合理施用化肥农药，加大有机肥的使用，减少农业的面源污染。3）调整区域经济结构，减少工业污染。加快新型工业化进程，提高自主创新能力，推进工业结构优化升级，逐步实现工业结构的生态化转型，减轻工业“三废”排放量[27]。4）强化矿山管理，积极整治矿山环境。政府积极实施矿区治理、复垦和修复工程，关停不达标和重污染的矿山企业，全面复垦利用矿山开采毁损的土地，维护矿区生态环境[26-28]。

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（责任编辑：童成立）

Ecological security assessment and pattern analysis of Hunan Province based on DPSIR model

ZHU Lian-lian1,2, XIE Yong-hong1*, SONG Bing-bing3, LI Feng1, FU Xiao-hua1, CHEN Xin-sheng1, DENG Zheng-miao1
（1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Dongting Lake Station for Wetland Ecosystem Observation and Research, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; 3. Environmental Monitoring Center station of Hunan Province, Changsha, Hunan 410019, China）

Applying the model of driving forces - pressures - status - impacts - responses (DPSIR), this paper constructed an eco-security assessment index system to evaluate the eco-security situation of Hunan Province, to identify the influencing factors, and to explore the factor interaction mechanism. Results show that the eco-security status of Hunan Province downgraded from security status to mild warning status. The eco-security index decreased from 0.550 to 0.420, the driving force index dropped from 0.140 to 0.052, the pressure index dropped from 0.204 to 0.007, status index dropped from 0.092 to 0.044, the impact index increased from 0.074 to 0.220, and the response index increased from 0.057 to 0.098. As for the security patterns, the proportion of the cities under mild alert has been increasing and 9 cities were under mild alert. The eco-security degrees in the Centre Hunan, Southern Hunan and Western Hunan regions were much higher than those of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan regions and the northern plain lake areas. Urban expansion, industrial and agricultural pollution, natural disasters, and irrational exploitation and utilization of resources are key factors affecting the eco-security of Hunan Province. Finally, according to the current situation of ecological security in this area, to improve the eco-security of Hunan Province, this paper provides the following suggestions: to perfect urban planning, to enhance land protection, and to adjust the economic structure and management of mines. Key words：index of eco-security; ecological security level; regional distribution; DPSIR model; Hunan Province

XIE Yong-hong, E-mail: xyh@isa.ac.cn.

X171.1

A

1000-0275（2016）06-1084-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0105

朱莲莲, 谢永宏, 宋冰冰, 李峰, 傅晓华, 陈心胜, 邓正苗. 基于DPSIR模型的湖南省生态安全评价及安全格局分析[J]. 农业现代化研究, 2016, 37(6): 1084-1090.

Zhu L L, Xie Y H, Song B B, Li F, Fu X H, Chen X S, Deng Z M. Ecological security assessment and pattern analysis of Hunan Province based on DPSIR model[J]. Research of Agricultural Modernization, 2016, 37(6): 1084-1090.

国家科技支撑计划项目（2014BAC09B03）。

朱莲莲（1989-），女，硕士研究生，主要从事生态安全评价研究，E-mail: zhulianlian426@163.com；通讯作者：谢永宏（1973-），男，博士，研究员，博士生导师，主要从事生态学方面的研究，E-mail: xyh@isa.ac.cn。

2016-08-01，接受日期：2016-09-06

Foundation item: National Science and Technology Support Program of China (2014BAC09B03).

Received 1 August, 2016;Accepted 6 September, 2016