吳正祥， 陳 雯， 高 亮， 段鵬飛

(1.南陽師范學(xué)院 鄉(xiāng)村振興研究院，河南 南陽 473061； 2.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450001；3.南陽師范學(xué)院 河南省副中心城市研究院，河南 南陽 473061)

生態(tài)安全(Ecological Security，ES)是指人類生產(chǎn)、生活的基本保障以及適應(yīng)環(huán)境變化的能力不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等威脅的狀態(tài)，它是國家安全體系的重要基石，也是維持經(jīng)濟社會與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)與前提[1-4].自20世紀以來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，植被衰減、土地退化，水土流失，大氣污染，生物多樣性銳減等生態(tài)問題日益凸顯，生態(tài)安全問題逐漸成為制約區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸，給當(dāng)?shù)厝藗兊纳钌a(chǎn)帶來嚴重威脅[5].當(dāng)前，生態(tài)安全正在成為可持續(xù)發(fā)展學(xué)科研究的熱點和焦點問題[6].生態(tài)安全評價是對區(qū)域生態(tài)安全程度進行分析、預(yù)測和評估，能為生態(tài)過程的調(diào)控提供依據(jù)，是生態(tài)安全研究的基礎(chǔ)和前提[7-8].開展區(qū)域生態(tài)安全評價，可精確掌握區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況與生態(tài)壓力，揭示區(qū)域經(jīng)濟活動與生態(tài)環(huán)境間關(guān)系[9].國內(nèi)外許多學(xué)者從內(nèi)容和方法上對生態(tài)安全問題進行了廣泛的研究[10-12].國外關(guān)于生態(tài)安全的研究主要集中于理論研究[13-14]、生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展[15]、生態(tài)安全預(yù)警[16]、環(huán)境可持續(xù)性[17-18]、區(qū)域環(huán)境管理[19]等方面，奠定了生態(tài)安全研究的理論基礎(chǔ).

南水北調(diào)中線工程是緩解京、津、冀等地區(qū)水資源衰退、生態(tài)環(huán)境惡化的重大生態(tài)工程.該工程的建設(shè)和跨流域調(diào)水也會改變周邊地區(qū)土地利用和土地覆被狀況，對生態(tài)環(huán)境的負面影響主要集中在水源地[20]，因此水源地的生態(tài)安全狀況受到全社會的高度關(guān)注.研究水源區(qū)生態(tài)安全狀況，對于保障水源區(qū)生態(tài)安全和供水安全，實現(xiàn)調(diào)水區(qū)域可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要.

目前，我國學(xué)者從不同視角對南水北調(diào)工程水源區(qū)生態(tài)安全進行了研究，由于人們對生態(tài)安全的認識不足，在評價指標(biāo)體系和研究方法上還沒有形成共識，指標(biāo)體系缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準且考慮的方面仍不夠全面，評價方法過于簡單，且多為宏觀和靜態(tài)研究，這使得區(qū)域政府對未來環(huán)保政策的走向很難把握[21].科學(xué)地測度及評價地區(qū)的生態(tài)安全水平是關(guān)鍵[22]，其重點在于指標(biāo)體系的構(gòu)建[23].目前關(guān)于南水北調(diào)水源地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的研究較少，隨著污染種類的增多，原有的評價體系，不但考慮的因子跟不上污染的現(xiàn)狀，而且還忽略了水源地自身的脆弱性以及周圍環(huán)境對水源地安全的影響，不能全面地反映水源地的生態(tài)安全狀況.本文在國內(nèi)外已有的研究基礎(chǔ)上，基于PSR模型，提出了一套較為完整的區(qū)域生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，為南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全評價提供科學(xué)依據(jù)和決策參考.

1 南水北調(diào)中線工程水源地基本情況

1.1 研究區(qū)概況

南陽市位于河南省西南部(東經(jīng)110°58′～113°49′，北緯32°17′～33°48′)、豫鄂陜?nèi)〗唤缣?，是南水北調(diào)中線工程水源地和渠首所在地，轄1市2區(qū)10縣，總面積約為2.65萬km2.該地東西北三面環(huán)山，地貌類型復(fù)雜多樣，丘陵、山區(qū)、平原各占三分之一.地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，屬典型的季風(fēng)大陸半濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫14.4～15.7 ℃；年降水量703.6～1173.4 mm，自東南向西北遞減.區(qū)域內(nèi)河流眾多，分屬長江、淮河、黃河三大水系，長度在100千米以上的河流有10條，主要河流有丹江、唐河、白河、淮河、湍河、刁河、鸛河等.南陽市水資源總量70.35億立方米，水儲量及人均水量均居河南省第一位.土地利用主要以耕地為主，其次為林地，其他各類用地面積相對較小.2020年末，全市GDP達到3566.77億元人民幣，年末總?cè)丝跒?238.00萬人，城鎮(zhèn)化率達到50.59%.

1.2 數(shù)據(jù)來源

南陽市行政區(qū)劃邊界數(shù)據(jù)、1980—2020年8個時點的土地利用柵格數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，空間分辨率為30 m×30 m.該數(shù)據(jù)把土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地(包含城鄉(xiāng)、工礦、居民用地)和未利用地6個一級類型.統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《2020年南陽市統(tǒng)計年鑒》《2021年河南省統(tǒng)計年鑒》.

1.3 方法模型

1.3.1 地學(xué)信息圖譜

以研究區(qū)1980年和2020年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取圖譜的空間單元是30 m×30 m的網(wǎng)格單元，在ArcGIS10.7軟件中進行柵格數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)疊加運算，運算公式為[24]：

M=100A+B

式中：A和B分別為前期和后期土地利用類型的編碼；M為研究時段內(nèi)土地利用變化類型的編碼.A和B的編碼：10為耕地，20為林地，30為草地，40為水域，50為居民地，60為未利用地；M的編碼：比如1020是表示由耕地轉(zhuǎn)化為林地的土地類型；根據(jù)運算結(jié)果，最終合成研究區(qū)不同時段的土地利用變化圖譜.

1.3.2 PSR模型

本文使用被廣泛運用的PSR模型構(gòu)建評價指標(biāo)體系.PSR框架模型包含3個相互聯(lián)系的系統(tǒng)，其中：壓力指標(biāo)指人類活動對生態(tài)系統(tǒng)造成的直接壓力因素，如人口、經(jīng)濟、環(huán)境等方面的壓力；狀態(tài)指標(biāo)指在人類活動壓力下資源環(huán)境所處的狀態(tài)，例如資源、環(huán)境等方面的狀態(tài)；響應(yīng)指標(biāo)指人類應(yīng)對各類環(huán)境問題時所采取的應(yīng)對方式，它隨著社會的進步而處于變化之中.

2 水源地生態(tài)安全分析

2.1 土地利用變化

2020年南陽市土地利用主要以耕地為主，其次為林地，其他土地利用類型面積相對較小.為進一步說明問題，利用土地利用數(shù)據(jù)，對研究區(qū)2020年地類面積進行統(tǒng)計(表1).表1顯示，2020年耕地、林地、草地、水域、居民地及未利用土地面積分別為14603 km2、7145 km2、1822 km2、899 km2、2005 km2、3 km2，研究區(qū)主要以耕地和林地為主，草地、水域、建設(shè)用地及未利用土地占比較小.

為深入了解研究區(qū)40年來的土地利用狀況，對1980—2020年研究區(qū)地類面積進行統(tǒng)計.如表1所示，1980—2020年間，土地利用主要以耕地為主，其次為林地，草地、水域未利用土地面積相對較小.整個期間耕地面積均超過研究區(qū)總面積的55%，而林地面積占研究區(qū)總面積的比例在25%至30%之間，面積起伏不大，說明林業(yè)資源保護較好.

表1顯示，除2000年增大外，耕地面積整體上不斷減小的趨勢，40年間面積減小了608 km2；林地面積除1995年有所增加，整體來講，起伏不大，40年間減小22 km2；草地面積變化較小，增加了25 km2；水域面積增加了191 km2；居民地面積一直處于增加的狀態(tài)，40年間增加了411 km2；未利用土地增加了3 km2.充分說明40年來不同地類處于轉(zhuǎn)換狀態(tài).

土地利用分布空間演變受到自然因素和人為因素活動的強烈影響，在各種因素的共同驅(qū)動下，不同土地利用類型在空間上不斷進行轉(zhuǎn)換，從而使土地利用處于動態(tài)演變中.為了深入探究1980—2020年研究區(qū)土地利用的轉(zhuǎn)換特征，利用ArcGIS建立1980—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，該時段土地利用空間轉(zhuǎn)移進行分析.

表1 1980—2020年土地利用面積變化 單位：km2

表2顯示，1980—2020年間，研究區(qū)不同土地利用類型面積均都發(fā)生了變化，但在程度上存在差別.期間，南陽市耕地和林地、草地、水域、居民地間分別轉(zhuǎn)換了270 km2、181 km2、211 km2、971 km2；林地和耕地、草地、水域、居民地、未利用地分別轉(zhuǎn)換了253 km2、184 km2、30 km2、14 km2、3 km2；草地、耕地、林地、草地和居民地間分別轉(zhuǎn)換了121 km2、184 km2、18 km2、23 km2；水域和耕地、林地、草地、居民地間分別轉(zhuǎn)換了59 km2、6 km2、4 km2、4 km2；居民地和耕地、林地、草地、水域間分別轉(zhuǎn)換了592 km2、3 km2、1 km2、5 km2；1980年不存在未利用地.以上分析表明，除未利用土地外，其他地類間轉(zhuǎn)換都比較劇烈.

表2 1980—2020年南陽市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

改革開放以來，隨著研究區(qū)人口的不斷增長，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的不斷推進，研究區(qū)為加強生態(tài)保護，實施了退耕還林/還草/還湖政策，耕地面積處于不斷萎縮狀態(tài).在國家政策和引水調(diào)水工程的綜合作用下，研究區(qū)水域總面積增大，40年間增加了191 km2.

2.2 生態(tài)安全問題及潛在風(fēng)險

隨著南陽市社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及南水北調(diào)中線工程水源地向京、津、華北地區(qū)調(diào)水量的增大，南陽市存在的人地矛盾加劇、水質(zhì)惡化、農(nóng)藥化肥過度利用、生活/生產(chǎn)所產(chǎn)生的污水及垃圾、水土流失等問題日益突出，直接影響到該地區(qū)的生態(tài)安全.

2.2.1 人地矛盾

1980—2020年，南陽市總?cè)丝趶?50.10萬人增加到1238.00萬人，總?cè)丝谠黾恿?87.90萬人；城市化率由1980年的6.26%增長到2020年的50.59%.在該期間內(nèi)，研究區(qū)耕地利用面積從15211 km2減少到14603 km2，共減少了608 km2.一方面，由于人口的增加，對糧食的需求量隨之增加，需要不斷地開墾荒地增加耕地數(shù)量，來滿足人們對糧食的需求，致使研究區(qū)坡耕地面積較大，最終導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降；另一方面，隨著人口的不斷增長和城市化率的不斷提高，居民點面積的不斷擴張，以及公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，必然占用更多的土地，尤其是優(yōu)質(zhì)農(nóng)用地.土地承載力不斷增大，對水源地生態(tài)安全也造成巨大壓力.

2.2.2 水資源及水質(zhì)

相關(guān)研究表明，南陽市人均水資源占有量為658.88 m3，僅為全國同期人均水資源占有量的31.38%，為世界同期人均水資源占有量的8.79%，屬于水資源匱乏地區(qū).南陽市連續(xù)多年出現(xiàn)水資源生態(tài)赤字或接近赤字，水資源總體上還處于不可持續(xù)使用狀態(tài)[25].根據(jù)鄭會琴的研究成果，2016—2020年研究區(qū)的主要河流中，丹江由Ⅰ類水質(zhì)退化到2020年的Ⅲ類；淮河、湍河水質(zhì)由Ⅱ類退化為Ⅲ類;2020年老鸛河部分河段的水質(zhì)有所下降，為Ⅲ類.20世紀80年代以來，地下水超采問題突出，隨著工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，水污染也有所加劇.伴隨著地下水的過量開采，地下水動態(tài)平衡遭到破壞，地下水位持續(xù)下降，唐河縣及新野縣等多地形成地下漏斗區(qū)[26].

2.2.3 農(nóng)藥化肥過度使用

為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用農(nóng)藥、化肥.《2020年南陽市統(tǒng)計年鑒》顯示，2019年研究區(qū)農(nóng)用化肥施用量達762346噸，農(nóng)藥施用量達14621噸，品種多為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等.農(nóng)藥、化肥的過度使用，不僅會造成耕地質(zhì)量下降，其殘留部分還會通過各種形式滲透到地表水和地下水中.相關(guān)研究表明，僅丹江口水庫附近4縣每年化肥、農(nóng)藥對庫區(qū)總磷超標(biāo)的貢獻率超過75%；化肥、農(nóng)藥的殘留物進入土壤，或者隨徑流進入河流或水庫，最終導(dǎo)致土壤污染和水質(zhì)污染[27].

2.2.4 生活污水、垃圾

隨著生活水平的提高,近年來排放的生活垃圾以及生活污水呈現(xiàn)逐步增加的趨勢.然而,由于長期的生活習(xí)慣以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后等諸多原因,導(dǎo)致垃圾清運系統(tǒng)及排水系統(tǒng)不夠完善，尤其是農(nóng)村，據(jù)調(diào)查，生活污水未經(jīng)處理而直接排放到村頭溝渠,進而進入河道的現(xiàn)象普遍存在.一遇到暴雨,這些生活污水會四處流淌,污染地表水,或經(jīng)土壤滲透,污染地下水.

2.2.5 工業(yè)污染

由于研究區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，重工業(yè)比重較大.水源地工業(yè)污染主要是造紙、化工、制藥等行業(yè)，廢水是主要污染源.受資金、技術(shù)等因素的制約，處理設(shè)施穩(wěn)定達標(biāo)率不高[27]，甚至存在部分企業(yè)存在偷排污染物現(xiàn)象.這些污水、垃圾等污染物進入河道，造成環(huán)境污染.

2.2.6 水土流失

研究區(qū)處于北亞熱帶和暖溫帶的過渡帶，生態(tài)脆弱、地形復(fù)雜，暴雨集中且強度大，雨水下滲有限，容易沖刷侵蝕地表；耕地過度利用、耕作方式粗放；山區(qū)過度放牧、導(dǎo)致植被屢遭破壞；山區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)、居民水保意識差等原因?qū)е卵芯繀^(qū)水土流失嚴重，2019年水土流失面積達12043 km2，占研究區(qū)總面積的45.48%.統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1990年以來水土流失治理面積占水土流失面積比重呈下降趨勢[27].水土流失最終導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，耕地質(zhì)量下降，水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)變差.

3 生態(tài)安全評價體系的構(gòu)建

3.1 構(gòu)建原則

(1)系統(tǒng)全面性原則.所選取的指標(biāo)均能夠體現(xiàn)生態(tài)安全的某一側(cè)面特征，各指標(biāo)之間相互獨立又相互聯(lián)系，總體上可以全面、客觀、精準地反映研究區(qū)的生態(tài)安全狀況.(2)可量可行性原則.所選擇的指標(biāo)具有可測量或可間接計量的特性，各指標(biāo)值在不同時期統(tǒng)計口徑一致，且易于分析計算.當(dāng)前無法采集或者無法全面采集的指標(biāo)，應(yīng)避免選入指標(biāo)體系中.(3)主題相關(guān)性原則.指標(biāo)選取應(yīng)突出重點性和代表性，避免面面俱到，即選取的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)重點體現(xiàn)不同時期生態(tài)安全的可對比性及生態(tài)安全提升的可能性，避免指標(biāo)復(fù)雜化.(4)敏感性與穩(wěn)定性兼顧原則.指標(biāo)選取應(yīng)兼顧敏感性與穩(wěn)定性原則，以客觀反映各因子綜合作用下的生態(tài)安全特征.

3.2 構(gòu)建思路

南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建時同時考慮了目標(biāo)要求、研究區(qū)特點以及指標(biāo)選擇原則.目標(biāo)要求方面首先要落實國家戰(zhàn)略對水源地生態(tài)功能定的要求，其次從水源地生態(tài)現(xiàn)狀特征及主要問題入手，借鑒相關(guān)成果，初步構(gòu)成生態(tài)安全指標(biāo)體系.最后，通過專家咨詢，提出了適合南水北調(diào)中線工程水源地的生態(tài)安全評價指標(biāo)體系.

3.3 指標(biāo)篩選及說明

生態(tài)安全的內(nèi)涵在不斷與時俱進，新的內(nèi)容也在不斷添加.盡管目前生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建方面已取得豐富的成果，但由于地域差異大，不同區(qū)域生態(tài)安全影響因素存在差別，所以生態(tài)安全評價指標(biāo)的篩選標(biāo)準不統(tǒng)一，不同指標(biāo)之間的歸類也未取得共識[18].鑒于研究區(qū)地形條件和南水北調(diào)中線工程水源地的獨特性，利用已有評價指標(biāo)體系構(gòu)建的成果，無法客觀、科學(xué)、合理地反映研究區(qū)生態(tài)安全狀況.所以在選取評價指標(biāo)時，既要考慮到南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全具有生態(tài)安全一般屬性的同時，還具有人地關(guān)系矛盾突出、水質(zhì)惡化、農(nóng)藥化肥過度使用、工農(nóng)業(yè)污染及水土流失等特點，還要考慮到研究區(qū)域尺度的影響.因此，指標(biāo)選取要同時考慮到基礎(chǔ)性指標(biāo)和獨特性指標(biāo)，選取最有代表性且適于研究區(qū)特點的指標(biāo).

圖1 南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建的技術(shù)路線

在南水北調(diào)中線工程水源地，人類從水源區(qū)中獲取生產(chǎn)和生活所需的各種資源，同時通過生產(chǎn)、生活、消費等環(huán)節(jié)向環(huán)境排放廢棄物，造成面源污染、點源污染，改變著研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境，變化了的生態(tài)環(huán)境又反過來制約著人類社會的發(fā)展，環(huán)保對策又會改變?nèi)祟惖倪M一步活動.如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成了人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)關(guān)系.課題組內(nèi)部進行了多次專家組討，結(jié)合南水北調(diào)中線工程水源地的環(huán)境特征和社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，分別從人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會等方面進行細化指標(biāo)選取，構(gòu)建了基于PSR框架的南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系.

第一，壓力指標(biāo)(P).主要用于反映人類生產(chǎn)、生活活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾和破壞.壓力的產(chǎn)生與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度和人口結(jié)構(gòu)指標(biāo)有密切關(guān)系.反映一定時期內(nèi)研究區(qū)資源的利用強度和環(huán)境的破壞程度，以及今后區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的變化趨勢.本研究選取的壓力指標(biāo)主要包括以下部分:人口壓力、經(jīng)濟發(fā)展壓力、資源壓力、環(huán)境壓力.

第二，狀態(tài)指標(biāo)(S).主要是指研究區(qū)生態(tài)環(huán)境在一定時期內(nèi)的狀態(tài)和變化趨勢，展示其結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性，主要包括資源、環(huán)境狀況等.本研究選取的狀態(tài)指標(biāo)主要包括以下部分:資源環(huán)境狀態(tài)、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顟B(tài).

第三，響應(yīng)指標(biāo)(R).人類活動對環(huán)境造成一定干擾，給生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來壓力，為緩解資源壓力、改善環(huán)境、維持生態(tài)平衡，采取一系列管理措施，從政府、公眾等不同層次出發(fā)，主要包括以下方面:社會經(jīng)濟響應(yīng)、環(huán)境治理響應(yīng).

表3 PSR模型指標(biāo)體系

續(xù)表3

4 結(jié)語

生態(tài)安全關(guān)系著國家治理體系和國家治理現(xiàn)代化的推進，關(guān)系著能否順利建立系統(tǒng)完整的生態(tài)文明制度體系.本文首先對南水北調(diào)中線工程水源地40年來土地利用變化進行探究，并從人地矛盾、水資源及水質(zhì)、農(nóng)藥化肥過度使用、生活污水、垃圾、工業(yè)污染、水土流失等方面對研究區(qū)生態(tài)安全潛在風(fēng)險進行探索.在此基礎(chǔ)上，遵循國家相關(guān)政策，借鑒相關(guān)研究成果，結(jié)合研究區(qū)實際，提出了能夠表征南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全的指標(biāo)體系構(gòu)建原則及思路，采用“驅(qū)動力—壓力—響應(yīng)”模型構(gòu)建了南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，對揭示南水北調(diào)中線工程水源地面臨的潛在生態(tài)環(huán)境問題、保障水源區(qū)生態(tài)安全和供水安全、實現(xiàn)調(diào)水區(qū)域可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要.對守護綠水青山藍天、建設(shè)人與自然和諧共生的美麗中國具有重大意義.