朱蓬丹

（湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081）

不斷發(fā)展的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化，在給人們的生活帶來(lái)向好巨變的同時(shí)，也帶來(lái)了諸如生態(tài)承載力降低、水土資源流失、濕地面積減少、自然災(zāi)害加劇等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，使人口、資源和環(huán)境之間的矛盾沖突成為全人類(lèi)所面臨的共同問(wèn)題［1］。湘鄉(xiāng)市是重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地，同時(shí)又具有重要生態(tài)服務(wù)價(jià)值，是空間管制研究頗具代表性的區(qū)域。隨著人口和城鎮(zhèn)化率的增長(zhǎng)，資源被無(wú)節(jié)制開(kāi)發(fā)利用，面臨著耕地質(zhì)量下降、耕地?cái)?shù)量減少、生態(tài)環(huán)境退化、人地關(guān)系緊張的困局，生態(tài)安全保障迫在眉睫。在此背景下，科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)安全水平，有利于緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾［2，3］，因此，如何科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)安全水平是構(gòu)建生態(tài)安全格局的重要前提，是進(jìn)行生態(tài)文明建設(shè)、保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題層出不窮，生態(tài)安全保護(hù)成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的新主題。1987年，生態(tài)安全由世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)首度提出，隨著研究發(fā)展不斷被賦予多重涵義，既屬于國(guó)家安全范疇［4］，也是人類(lèi)安全的一部分，是人類(lèi)生存環(huán)境在受到外界干擾下能維持自身生存發(fā)展的一種狀態(tài)［5-10］。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為生態(tài)安全是由自然環(huán)境安全、人類(lèi)安全和生物多樣性安全構(gòu)成，生態(tài)安全是在生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下才能得到保障［11-14］。2000年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》，首次將生態(tài)安全的概念引入中國(guó)，同年中國(guó)科學(xué)院將生態(tài)安全評(píng)價(jià)相關(guān)項(xiàng)目作為重大研究課題［15］，開(kāi)啟中國(guó)生態(tài)安全研究序章。目前生態(tài)安全主要包含兩層涵義：一是指生態(tài)環(huán)境具備滿足人類(lèi)持續(xù)發(fā)展需求的潛力［16］；二是指由生態(tài)環(huán)境基底影響的國(guó)家安全［17］。

近年來(lái)，生態(tài)安全評(píng)價(jià)已在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了較多研究［18-20］，內(nèi)容以模型方法研究及指標(biāo)體系構(gòu)建為主，且逐漸從定性研究轉(zhuǎn)為更加精準(zhǔn)的定量研究［21，22］。因此，本研究以湖南省湘鄉(xiāng)市為研究對(duì)象，在50 m柵格尺度上，引入智能建模工具隨機(jī)森林模型對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此全面了解湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平現(xiàn)狀，旨在為湘鄉(xiāng)市構(gòu)建科學(xué)合理的生態(tài)安全格局、制定切合實(shí)際的政策、優(yōu)化國(guó)土空間資源配置、改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面提供參考。

1 研究區(qū)概況

湘鄉(xiāng)市，居湖南省的中部偏東地區(qū)，地處湘中丘岡向湘江河谷的過(guò)渡帶，位于東經(jīng)111°59′40″—112°38′55″和北緯27°29′02″—28°03′45″，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，光熱充足。全市轄3鄉(xiāng)15鎮(zhèn)4個(gè)街道，土地總面積為19.67萬(wàn)hm2，境內(nèi)河流密布，水資源豐富，森林覆蓋率49.82%，是全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)市。2019年市域總?cè)丝诩s92.41萬(wàn)，人均土地資源0.22 hm2，人均耕地0.06 hm2。隨著湘鄉(xiāng)市進(jìn)入快速城市化和工業(yè)化階段，建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)張，人均耕地面積將進(jìn)一步減少，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用數(shù)據(jù)主要包括土地利用、土壤屬性、高程、植被歸一化指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)、道路分布、降雨量和氣溫等，主要來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等網(wǎng)站和資料。

3 研究方法

3.1 生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)合理的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全狀況的前提。本研究將生態(tài)安全定義為在受到外界干擾的情況下，仍然可以為人類(lèi)和各生物提供穩(wěn)定的生存環(huán)境和持續(xù)性的糧食供給。因此，在本研究中生態(tài)安全是由自然環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)共同影響的，即構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)包含自然因素和人類(lèi)活動(dòng)因素。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的獨(dú)立性、穩(wěn)定性、針對(duì)性及評(píng)價(jià)過(guò)程的可操作性等原則，結(jié)合湘鄉(xiāng)市生態(tài)環(huán)境存在的實(shí)際問(wèn)題及數(shù)據(jù)的可獲得性，從生態(tài)重要性、生態(tài)敏感性和生態(tài)阻力3個(gè)方面構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1）生態(tài)重要性指標(biāo)。本研究從人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的需求角度出發(fā)，基于湘鄉(xiāng)市的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)湘鄉(xiāng)市相關(guān)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)的收集與分析，結(jié)合相關(guān)研究［23，24］，確定湘鄉(xiāng)市關(guān)鍵的生態(tài)服務(wù)為水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)與糧食安全。本研究選取年均降雨量、生物多樣化、植被歸一化指數(shù)、土層厚度和糧食產(chǎn)量作為湘鄉(xiāng)市生態(tài)重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）生態(tài)敏感性指標(biāo)。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)是對(duì)現(xiàn)狀自然環(huán)境條件下潛在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題發(fā)生的難易程度和可能性大小進(jìn)行評(píng)定。本研究根據(jù)湘鄉(xiāng)市主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和歷年自然災(zāi)害發(fā)生情況選取地質(zhì)災(zāi)害、水土流失和石漠化3項(xiàng)威脅，綜合選取降雨量、地形起伏度、碳酸鹽出露面積比例、到河流距離、到公路距離、坡度、降雨侵蝕力、高程、土壤可蝕性和植被覆蓋度10項(xiàng)指標(biāo)作為生態(tài)敏感性指標(biāo)。

3）生態(tài)阻力指標(biāo)。生態(tài)阻力是指生態(tài)要素、功能與過(guò)程在空間流動(dòng)上的阻力大小，其主要受景觀類(lèi)型影響［25］。本研究從顯性阻力和隱性阻力兩個(gè)角度來(lái)選取生態(tài)阻力這一維度的指標(biāo)，顯性阻力選取土地利用類(lèi)型這一指標(biāo)，隱性阻力選取代表地貌條件的坡度因子和地形起伏度因子［26］。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本研究基于ArcGIS 10.2平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，坐標(biāo)設(shè)置為國(guó)家大地2000坐標(biāo)系，使用地圖代數(shù)功能對(duì)以上綜合14項(xiàng)指標(biāo)（圖1）進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化處理，生成柵格數(shù)據(jù)圖層，空間分辨率為50 m×50 m，湘鄉(xiāng)市共劃分為792 954個(gè)柵格單元。

圖1 各指標(biāo)分布特征

3.3 隨機(jī)森林算法

隨機(jī)森林作為一種新開(kāi)發(fā)的人工智能建模工具，可識(shí)別生態(tài)安全狀況。相較于GIS疊加分析，隨機(jī)森林算法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首先，其不受量綱限制，即無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其次，模型具有較高的準(zhǔn)確率，能夠基于有限的訓(xùn)練樣本，通過(guò)調(diào)整最優(yōu)參數(shù)以最小誤差實(shí)現(xiàn)較高的分類(lèi)準(zhǔn)確率，同時(shí)建立多個(gè)變量間的權(quán)重學(xué)習(xí)機(jī)制，在進(jìn)行復(fù)雜、非線性大系統(tǒng)內(nèi)某一屬性評(píng)價(jià)時(shí)可以很好地避免“過(guò)擬合”問(wèn)題［27］。此外，隨機(jī)森林模型在具有較高精準(zhǔn)度的同時(shí)，運(yùn)算速度快，且相對(duì)于低維數(shù)據(jù)或者小數(shù)據(jù)，在處理高維數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)更為優(yōu)異，可以隨機(jī)選取變量子集。

步驟1：通過(guò)重復(fù)非參數(shù)抽樣方法（bootstrap，以下簡(jiǎn)稱(chēng)bp）重復(fù)有放回地從原始訓(xùn)練集N中隨機(jī)選取n個(gè)訓(xùn)練樣本，每個(gè)bp樣本即為每棵分類(lèi)樹(shù)的全部訓(xùn)練數(shù)據(jù)，剩余未被bp抽取的樣本則被視為袋外數(shù)據(jù)，用以評(píng)估模型性能。

步驟2：每個(gè)bp樣本生成分類(lèi)樹(shù)。葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始分裂時(shí)，從M個(gè)特征中隨機(jī)選取m個(gè)特征(m≤K)，采用Gini算法從m個(gè)特征中選取Gini指數(shù)最小的特征作為分類(lèi)點(diǎn)進(jìn)行分裂，形成單棵分類(lèi)樹(shù)，這樣的分類(lèi)樹(shù)偏差低，能夠有效避免測(cè)試數(shù)據(jù)分類(lèi)的誤差。計(jì)算過(guò)程如下。

式中，pi為類(lèi)別Ci在樣本集N中出現(xiàn)的概率。

步驟3：將步驟2重復(fù)T次，最終形成T棵CART分類(lèi)樹(shù)。

步驟4：T棵分類(lèi)樹(shù)以簡(jiǎn)單投票的方法確定待測(cè)樣本的分類(lèi)結(jié)果，以最終票數(shù)最多的類(lèi)作為最終類(lèi)別。

最終分類(lèi)結(jié)果：

2）生態(tài)安全等級(jí)分類(lèi)樹(shù)。隨機(jī)森林模型的核心是由分類(lèi)樹(shù)對(duì)每一組指標(biāo)值進(jìn)行對(duì)應(yīng)的生態(tài)安全等級(jí)判定，這種分類(lèi)樹(shù)是由根節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)組成的分類(lèi)樹(shù)。每一顆分類(lèi)樹(shù)中，從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)的分類(lèi)路徑就是一種分類(lèi)判定規(guī)則，葉子節(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)級(jí)別。

自根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，到葉子節(jié)點(diǎn)的等級(jí)分類(lèi)樹(shù)的形成過(guò)程就是訓(xùn)練樣本，利用Bagging方法有放回地從具有N個(gè)樣本的總訓(xùn)練集中隨機(jī)抽取n個(gè)樣本組成單棵樹(shù)的訓(xùn)練集D1，同時(shí)隨機(jī)從全部指標(biāo)中選取部分指標(biāo)作為分類(lèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)D1進(jìn)行遞歸分割，所有分割方法都會(huì)對(duì)每個(gè)分類(lèi)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行分割，最終選取Gini指數(shù)最小的分類(lèi)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行分割，在此過(guò)程中不對(duì)分類(lèi)樹(shù)進(jìn)行剪枝，使其任意生長(zhǎng)。

3）特征重要性。隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型的特征重要性即生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)的指標(biāo)重要性。隨機(jī)森林可以對(duì)含有較多個(gè)特征的數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征篩選，選擇對(duì)分類(lèi)結(jié)果影響最大的部分特征，以此來(lái)縮減建立模型時(shí)的特征數(shù)，提高模型運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。特征重要性是指每一特征在隨機(jī)森林中的每棵分類(lèi)樹(shù)上所作貢獻(xiàn)的相對(duì)大小，通常使用基尼指數(shù)或者袋外數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率作為評(píng)估指標(biāo)來(lái)衡量。

4 生態(tài)安全評(píng)價(jià)過(guò)程

4.1 選取樣本

隨機(jī)森林模型是智能分類(lèi)模型，能夠通過(guò)對(duì)訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)以達(dá)到準(zhǔn)確分類(lèi)待測(cè)數(shù)據(jù)的目標(biāo)，因此，樣本選取是構(gòu)建隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵，樣本選取質(zhì)量決定了整體評(píng)價(jià)效果。隨機(jī)森林模型無(wú)需設(shè)定指標(biāo)權(quán)重和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但是樣本的選取需要遵循一定原則，即模型的權(quán)重與分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)是被樣本數(shù)據(jù)的選取規(guī)則所取代。

成功選取樣本之后需人為對(duì)樣本級(jí)別進(jìn)行判別，同時(shí)將樣本集分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本。湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全狀況將分為5級(jí)：極安全、較安全、中等安全、一般安全和不安全，樣本依據(jù)《湖南省生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃（2013—2030年）》、湘鄉(xiāng)市生態(tài)保護(hù)紅線、各級(jí)自然保護(hù)區(qū)、森林公園、濕地公園、生態(tài)公益林和歷年地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)位等綜合選取，并加以人工識(shí)別賦予樣本相應(yīng)的生態(tài)安全等級(jí)。本研究共選取5 000個(gè)樣本點(diǎn)，具體分布如圖2所示。

圖2 樣本點(diǎn)分布

4.2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)

本研究借助python語(yǔ)言平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)森林模型的構(gòu)建，選取5 000個(gè)樣本點(diǎn)作為樣本數(shù)據(jù)集N，各級(jí)別樣本分別為1 000個(gè)。首先，把樣本集N分別按75%和25%的比例隨機(jī)分成兩個(gè)子集N1和N2，然后，將其中的N2作為測(cè)試數(shù)據(jù)集Testi，N1作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集Traini，從而構(gòu)成訓(xùn)練測(cè)試集對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練與檢測(cè)。

4.3 優(yōu)化參數(shù)

在構(gòu)建隨機(jī)森林模型時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。在調(diào)整參數(shù)之前，對(duì)隨機(jī)森林模型中的random_state進(jìn)行調(diào)整，random_state控制的是生成森林的模式，保證程序每次運(yùn)行都分割相同的訓(xùn)練集和測(cè)試集。本研究設(shè)置random_state為0.5。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試將隨機(jī)森林模型的以下參數(shù)調(diào)整至最佳參數(shù)，其余參數(shù)均為默認(rèn)值。

1）分類(lèi)樹(shù)的個(gè)數(shù)。分類(lèi)樹(shù)數(shù)量越大模型效果越好，但達(dá)到一定程度時(shí)，精確性趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)設(shè)置不同分類(lèi)樹(shù)個(gè)數(shù)的模型運(yùn)行效果比較，將模型的分類(lèi)樹(shù)個(gè)數(shù)設(shè)為2 000個(gè)。

2）分類(lèi)樹(shù)最大深度。數(shù)據(jù)或者特征量少時(shí)可不設(shè)置，數(shù)據(jù)和特征多的情況下，可根據(jù)數(shù)據(jù)分布限定分類(lèi)樹(shù)最大深度。本研究基于數(shù)據(jù)和特征數(shù)量將分類(lèi)樹(shù)最大深度設(shè)置為20。

3）最小樣本數(shù)。該值限制子樹(shù)繼續(xù)劃分的條件，默認(rèn)值為2，樣本量不大的情況下無(wú)需修改。本研究根據(jù)樣本數(shù)據(jù)情況將最小樣本數(shù)調(diào)整為10。

4.4 精度評(píng)判

將訓(xùn)練集與測(cè)試集輸入隨機(jī)森林模型進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)模型訓(xùn)練與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，若滿足評(píng)估精度要求即可進(jìn)行下一步計(jì)算，若不滿足則需要對(duì)模型主要參數(shù)重新設(shè)定或重新選取樣本點(diǎn)，直到滿足評(píng)估精度要求后才能應(yīng)用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨機(jī)森林模型內(nèi)置了自評(píng)估功能，可不進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1，模型的訓(xùn)練精度為98.01%，測(cè)試精度為95.53%。模型精度已經(jīng)非常高，為避免模型過(guò)擬合問(wèn)題，本研究不進(jìn)行交叉驗(yàn)證來(lái)提升模型分類(lèi)精度。

表1 隨機(jī)森林模型訓(xùn)練和測(cè)試精度評(píng)估

4.5 特征重要性分析

本研究構(gòu)建的隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型是根據(jù)所有分類(lèi)節(jié)點(diǎn)的平均基尼減少值來(lái)計(jì)算各指標(biāo)重要性程度（表2），其中，生物多樣性、到河流距離、到公路距離和土地利用類(lèi)型重要度均超過(guò)7%，分別為31.48%、15.29%、8.83%、7.76%，4個(gè)指標(biāo)重要度之和高達(dá)63.36%，表明這4個(gè)特征對(duì)生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)程度最大。土層厚度、土壤可蝕性和石漠化程度是特征重要性最低的3個(gè)指標(biāo)，重要度均低于2%，分別為1.02%、0.44%、0.38%，表明其對(duì)生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)程度最小。其他7項(xiàng)指標(biāo)NDVI、地形起伏度、地質(zhì)災(zāi)害核密度、坡度、降雨量、糧食產(chǎn)量、土層厚度重要性程度分別為6.97%、6.65%、6.34%、6.27%、3.33%、2.87%、2.37%，其中，NDVI、地形起伏度、地質(zhì)災(zāi)害核密度和坡度較其余幾項(xiàng)指標(biāo)重要性程度更高，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)程度較大。

表2 湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全影響因子重要性程度

從指標(biāo)整體情況來(lái)看，生物多樣性、到公路距離、到河流距離、土地利用類(lèi)型、NDVI、地形起伏度、地質(zhì)災(zāi)害核密度和坡度這8項(xiàng)指標(biāo)特征重要度累計(jì)值占總數(shù)的89.59%，表明這些指標(biāo)是影響湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)的主要因子。其中，生物多樣性分布差異較大，對(duì)分類(lèi)結(jié)果的影響最為顯著，生物多樣性高值區(qū)基本對(duì)應(yīng)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果中的高水平區(qū)域。

5 湘鄉(xiāng)市整體生態(tài)安全狀況

隨機(jī)森林模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)檢驗(yàn)精度后，得到訓(xùn)練好的隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型，把湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)共786 750個(gè)待測(cè)點(diǎn)輸入模型，輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，并導(dǎo)入ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行分析。

采用GIS空間分析工具對(duì)湘鄉(xiāng)市不同生態(tài)安全水平的柵格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平空間格局具有空間分布不均的特點(diǎn)（圖3），西部、北部地區(qū)生態(tài)安全水平高于東部、南部地區(qū)，山區(qū)高于城區(qū)。

圖3 湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

如表3所示，①整個(gè)市域范圍內(nèi)處于極安全水平的柵格有14 011個(gè)，僅占總量的1.78%，主要位于水府廟國(guó)家級(jí)濕地公園和市級(jí)生態(tài)紅線范圍內(nèi)的林地，這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境基本未受干擾，具有相對(duì)完整的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，生物豐富度高，功能性強(qiáng)，自然災(zāi)害少，生態(tài)安全性高，與隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果相符合；②較安全水平的柵格占比為14.78%，主要位于湘鄉(xiāng)市生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)和褒忠山林場(chǎng)、東山林場(chǎng)等生態(tài)用地中，這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，較少受到破壞，人口稀疏、城鎮(zhèn)化水平低，人類(lèi)活動(dòng)和自然災(zāi)害干擾小，且一般干擾下可恢復(fù)，具有較高的生態(tài)安全性；③湘鄉(xiāng)市中等安全水平的柵格占比為24.26%，主要分布于公益林、少量水域和一些自然條件較好的耕地中，這部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到一定破壞，恢復(fù)能力有限，無(wú)法承受外界較大干擾，自然災(zāi)害發(fā)生較少，生態(tài)安全性屬中等水平；④一般安全水平的柵格占比為17.05%，主要分布在普通林地、一般耕地和部分建設(shè)用地中，處于這一水平的地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到較大破壞，受外界干擾后恢復(fù)困難，自然災(zāi)害多發(fā)，生態(tài)環(huán)境較差；⑤不安全水平的柵格占比為42.13%，主要分布在河網(wǎng)和交通路網(wǎng)密集、城鎮(zhèn)化水平高以及自然災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。這些地區(qū)極易受到外界較強(qiáng)干擾，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，難以恢復(fù)與重建，自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境惡劣，生態(tài)安全水平低。

表3 湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全等級(jí)柵格統(tǒng)計(jì)

綜上，湘鄉(xiāng)市中低生態(tài)安全水平的柵格數(shù)量為656 453個(gè)，占據(jù)總體柵格數(shù)量的83.44%，從整體上來(lái)看，湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平處于中低水平。湘鄉(xiāng)市處于極安全和較安全水平的柵格較少，占全市的16.56%，主要分布于湘鄉(xiāng)市四周低山丘陵區(qū)，這些區(qū)域林地、水域等生態(tài)用地較多，交通路網(wǎng)和河網(wǎng)相對(duì)較少，自然災(zāi)害發(fā)生頻率低，生態(tài)環(huán)境較為穩(wěn)定。而近主城區(qū)經(jīng)濟(jì)和交通較為發(fā)達(dá)，建設(shè)用地較多，生態(tài)安全性較低。所以，目前湘鄉(xiāng)市面臨的現(xiàn)狀問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)水平較高的城市區(qū)域和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)安全水平較低，不能維持本區(qū)域的生態(tài)需求，即經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生了矛盾?；诖耍驵l(xiāng)市亟需開(kāi)展生態(tài)文明建設(shè)，對(duì)生態(tài)用地進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)，以解決生態(tài)用地不足、人類(lèi)活動(dòng)與自然災(zāi)害干擾較多地區(qū)的生態(tài)安全問(wèn)題，提高區(qū)域整體生態(tài)安全水平。

6 小結(jié)及建議

6.1 小結(jié)

1）本研究構(gòu)建的隨機(jī)森林生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型，經(jīng)過(guò)樣本學(xué)習(xí)和測(cè)試樣本的分類(lèi)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林分類(lèi)模型具有較高準(zhǔn)確率。其中，模型的樣本訓(xùn)練精度為98.01%，測(cè)試精度為95.53%，且湘鄉(xiāng)市各級(jí)生態(tài)紅線與生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果吻合較好。

2）湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平格局具有空間分布不均的特點(diǎn)，整體呈生態(tài)安全水平西、北部地區(qū)高于東、南部地區(qū)，山區(qū)高于城區(qū)的特點(diǎn)。整體上，湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平處于中低水平，中低水平的柵格占比為84.33%。目前湘鄉(xiāng)市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾是生態(tài)用地較多、交通路網(wǎng)欠發(fā)達(dá)、生態(tài)環(huán)境較為穩(wěn)定的低山丘陵區(qū)生態(tài)安全性相對(duì)較高；湘鄉(xiāng)市城市化水平高、交通發(fā)達(dá)的地區(qū)，各類(lèi)建設(shè)用地不斷擴(kuò)展、生態(tài)空間被過(guò)度擠占，難以支撐該區(qū)域內(nèi)生態(tài)需求，生態(tài)安全性較低。

3）通過(guò)隨機(jī)森林模型對(duì)湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，結(jié)果表明，影響湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全水平的主要因子是生物多樣性、到公路距離、到河流距離和土地利用類(lèi)型。土層厚度、土壤可蝕性、石漠化程度等因子對(duì)生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)的重要性程度相對(duì)較低。

6.2 建議

1）完善生態(tài)保護(hù)政策。在推進(jìn)湘鄉(xiāng)市生態(tài)文明建設(shè)過(guò)程中，需要從政策層面上以強(qiáng)制的法律手段來(lái)確保生態(tài)文明建設(shè)的有序進(jìn)行。首先，在嚴(yán)格執(zhí)行《中華人民共和國(guó)土地管理法》《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國(guó)森林法》等法律法規(guī)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)修訂生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例、土地管理規(guī)定等地方性法規(guī)，健全湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全法律體系，用制度保護(hù)生態(tài)環(huán)境。其次，合理構(gòu)建決策管理機(jī)制，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)部門(mén)的職責(zé)進(jìn)行權(quán)責(zé)劃分，將綠色GDP計(jì)入年度績(jī)效考評(píng)中，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)管力度。

2）堅(jiān)持節(jié)約集約利用資源。將節(jié)約資源貫徹于資源的開(kāi)發(fā)利用全過(guò)程，鼓勵(lì)發(fā)展資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)。湘鄉(xiāng)市目前正不斷推進(jìn)城鄉(xiāng)生活垃圾無(wú)害化處理和資源綜合利用，開(kāi)展生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，對(duì)推進(jìn)兩型社會(huì)建設(shè)都具有十分重要的意義。鑒于此，湘鄉(xiāng)市首先應(yīng)該積極開(kāi)展環(huán)保民生項(xiàng)目，促進(jìn)市域資源循環(huán)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。第二，在實(shí)施生態(tài)保護(hù)與修復(fù)中，盡量以自然恢復(fù)力修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)本身是具有自然恢復(fù)能力的，對(duì)湘鄉(xiāng)市生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)，將具有生態(tài)恢復(fù)力的區(qū)域進(jìn)行自然修復(fù)，有利于節(jié)約生態(tài)保護(hù)成本。第三，在國(guó)土空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃中，節(jié)約、集約利用土地，減少對(duì)生態(tài)用地的占用，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

3）提高生態(tài)保護(hù)意識(shí)。保護(hù)生態(tài)環(huán)境首先要從樹(shù)立良好的生態(tài)保護(hù)意識(shí)開(kāi)始，必須踐行黨的十八大指出的樹(shù)立尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的生態(tài)文明理念。首先，要調(diào)動(dòng)社會(huì)各方面的力量，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)宣傳教育，使人們認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境問(wèn)題對(duì)人類(lèi)、自然界的重要性，培養(yǎng)人們保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感和使命感。其次，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)納入義務(wù)教育中，從讀書(shū)開(kāi)始學(xué)習(xí)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)知識(shí)，讓生態(tài)保護(hù)理念根植于每個(gè)人心中。最后，結(jié)合湘鄉(xiāng)市生態(tài)環(huán)境狀況，探索多種形式的教育方式。