艾媛巧　朱红梅　谭雪兰

摘要：基于2007—2016年长沙市统计数据，从长沙市生态安全面临的外部环境压力、城市扩张与经济发展状态、社会与生态响应3个方面选取了20个指标构建了长沙市生态安全评价体系，并从指标关联度与贡献度角度对影响生态安全的主要因素进行了分析。结果表明，近10年来，长沙市生态安全值年际变化有波动，整体呈好转趋势;与生态安全关联度高的主要有人均GDP、城市化水平、生活垃圾无害处理量、城市居民人均可支配收入等;各年影响生态安全的主要贡献指标虽有差异，但主要集中在以人均城市园林绿地面积、工业粉尘去除量等为主指标中。由此提出了重视绿地建设与污染治理、提高资源利用效率、以人為本、增强居民生态安全保护参与感等对策建议。

关键词：生态安全;城市用地扩张;灰色关联度分析;贡献度分析;长沙市

中图分类号：X826         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）11-0056-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.013           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Comprehensive evaluation of urban ecological security in Changsha city from the perspective of index correlation degree and contribution degree

AI Yuan-qiao，ZHU Hong-mei，TAN Xue-lan

（College of Resources & Environment，Hunan Agricultural University，Changsha 410000，China）

Abstract： Based on the statistical data of Changsha city from 2007 to 2016， 20 indicators were selected to construct the evaluation system of ecological security in Changsha from three aspects， including the pressure of ecological security， the status of urban expansion and economic development， and the social and ecological response. The main factors affecting ecological security were analyzed from the angle of correlation degree and contribution degree. The results showed that， in the last ten years， the ecological safety value of Changsha city fluctuated year by year and showed a trend of improvement as a whole. There were some indexes with high correlation with ecological security， such as per capita GDP， urbanization level， harmless disposal capacity of domestic waste， etc. Although there were differences in the main contribution indexes affecting ecological security in each year， they were mainly concentrated the per capita urban green space area and industrial dust removal， etc. Therefore， some countermeasures and suggestions were put forward， such as attaching importance to green land construction and pollution control， improving resource utilization efficiency， people-oriented， and enhancing the participation of residents in the protection of ecological security.

Key words： ecological security; urban land expansion; grey relational analysis; contribution analysis; Changsha city

城市化符合当前中国社会经济发展的需要，高速聚集的产业和人口能为发展中的城市带来强大的活力，但也对城市用地面积和城市生态环境提出了更大的挑战[1-3]。生态安全作为城市可持续发展的重要保证，日益受到国内外学者的高度关注，现有研究主要有以下几个特点：对城市生态安全定义与生态安全评价模型的研究，目前已建立的主要有PSR、DSR、DPSIR等模型[4-6];针对城市生态安全评价对象，主要集中在大城市、城市群、流域及生态脆弱地区城市[7-11]，鲜有关注特征不突出的中小型城市以及生态安全状态表现良好的地区;针对生态安全评价方法的研究，涉及众多学科领域，主要有BP神经网络法、主成分分析法、物元模型法、生态足迹法等在内的多种方法，“3S”技术也逐渐被引入生态安全评价研究中[12-18]。

鉴于当前城市用地扩张与生态安全的形势及社会发展和生态环境保护的需要，本研究将关注点放在当前研究较少的二线城市，以长沙市为研究区域，从城市用地扩张和生态环境保护两个方面综合考虑，借助压力-状态-响应（P-S-R）模型，定量评价城市用地扩张对生态安全的影响，并通过灰色关联度模型与贡献度模型找出影响城市生态安全的主要因素，以期为城市扩张与城市生态安全实现持续协调发展提供科学支撑。

1  研究区概况与研究方法

1.1  研究区概况

长沙市位于湖南省东部偏北，湘江下游和长沙盆地西缘。长沙市东西长约230 km，南北宽约88 km，2016年长沙市区面积2 150.90 km2，建成区面积374.64 km2。长沙市是全国“两型社会”建设综合配套改革试验区，是长株潭一体化战略中的桥头堡。截至2016年，长沙市常住人口为764.52万人，城镇化率75.99%，地区生产总值9 356.91亿元。2007—2016年，长沙市市区全年用电量增加2.8倍;工业废气排放量一度从293.35亿标m3增加到1 021.98亿标m3;固体废弃物产生量从107.3万t增加到141.3万t，峰值曾达到183.6万t。经济快速发展，城市化大步向前迈进的同时，也对该地区生态环境造成了极大的压力[13]。因此，对近年来长沙市的生态安全状况进行评估具有必要性与典型性。

1.2  研究方法

1.2.1  指标体系构建  P-S-R模型着重考虑人类与环境之间的相互作用关系，是生态安全评价中常用的一种模型。遵循科学性、动态性、数据可获得性等原则，结合长沙市实际情况，并参考已有相关研究成果[9，19，20]，从外部环境压力、城市扩张与经济发展状态、社会与生态响应3个方面考虑，选取了20个指标构建长沙市生态安全评价指标体系（表1），其中x3、x4、x6、x8、x9、x10为逆向指标，其余为正向指标。

1.2.2  指标标准化  对各指标数据进行标准化处理以实现不同量纲指标之间及指标内部的可比性。计算方法：

正向指标：

Yij=（1）

逆向指标：

Yij=  （2）

式中，xij表示第i年第j项指标的变量值;

minj（xij）和maxj（xij）分别表示第j项指标数列的最小值和最大值;Yij表示第i年第j项指标的变量值的标准化值。

1.2.3  生态安全值的计算  权重主要表征各指标对于某一评价对象的重要程度。本研究采用熵值法进行指标权重赋值，作為一种客观赋权法，熵值法弱化了主观因素对赋权结果带来的影响[19]。

主要计算过程：

在指标的标准化基础上，计算第i年第j项指标值的比重Zij：

Zij=    （3）

计算第j项指标的信息熵ej：

ej= -kZijlnZij  （4）

式中，k=1/lnm，m为总评价年数;如果Zij为0，则用0.000 01代替计算。

计算第j项指标的权重wj：

wj=  （5）

式中，dj=1-ej，表示信息熵冗余度;n为总指标数。

在确定指标权重的基础上，计算第i年的生态安全值Si：

Si=wjYij  （6）

1.2.4  灰色关联度分析  采用灰色关联度分析法衡量生态安全值与各指标之间的关联程度，通过量化各指标对生态安全的影响程度，找出影响研究区域生态安全的主要因素。灰色关联度分析法基本思路：①确定参考数列与比较数列;②对原始数据矩阵进行标准化处理;③计算灰色关联系数;④计算灰色关联度;⑤对灰色关联度进行排序，关联度越大，说明该指标影响程度也越大。

灰色关联系数计算公式：

L[x0（k），xi（k）]= （7）

式中，L[x0（k），xi（k）]为灰色关联系数;Δmin和Δmax分别为各时刻x0和xi的最小绝对差值和最大绝对差值;ρ为分辨系数，取值范围在[0，1]，一般情况下取值0.5。

灰色关联度计算公式如下：

γ（x0，xi）=L[x0（k），xi（k）]   （8）

式中，γ（x0，xi）为参考数列与比较数列的关联度;m为总评价年数。

一般认为，当0<γ（x0，xi）≤0.35时，关联度低;0.35<γ（x0，xi）≤0.65时，关联度中等;0.65<γ（x0，xi）≤0.85时，关联度高;0.85<γ（x0，xi）≤1时，关联度极高[9]。

1.2.5  指标贡献度计算  通过计算历年各指标的贡献度（Gj），分析影响各年度生态安全值的主要贡献指标，计算公式[20]：

Gj=×100%  （9）

2  结果与分析

2.1  生态安全值变化趋势分析

以长沙市为研究区域，以2007—2016年为研究时段，各评价指标的原始数据来源于2008—2017年《长沙统计年鉴》以及2007—2016年《长沙市国民经济和社会发展统计公报》。

生态安全等级一般可划分为5个等级[19，21]，见表2。

根据公式（1）至公式（6）对指标数据进行处理，并依据生态安全等级划分标准对结果进行划分，结果见表3。由表3可知，长沙市2007—2016年生态安全状况年际变化有小幅度波动，总体呈显著上升趋势。

10年间，长沙市生态安全状态的变化大致可以分为3个阶段：

第一阶段，较不安全状态阶段（2007—2008年）。在此期间，生态安全值介于0.343～0.345，生态安全状况有微小下滑。截至2008年底，长沙市成为“两型社会”综合配套改革试验区仅一年，各项社会事业皆处于起步阶段，对于社会经济和生态环境如何实现均衡发展尚在摸索。2007—2008年，长沙市人均GDP增长约17 000元，市区面积由556.33 km2扩张至954.55 km2，工业废气排放量增加近1.8倍，工业粉尘排放量达到10年内最高值13.48万t。与此同时，政府在生态安全建设方面也采取了一定措施，期间长沙市人均城市园林绿地面积由8.66 m2增加至11.68 m2，生活垃圾无害化处理量与工业粉尘去除量均有所提高。

第二阶段，一般安全状态阶段（2009—2013年）。这一阶段长达5年，占据本研究时段的半数时间，其生态安全值介于0.426～0.592，呈小波浪式上升趋势，在2011年时达到最大值0.592，随后两年有所下滑，但整体较之上一阶段生态安全状况有明显的改善，这有赖于长沙市政府在生态建设方面采取的一系列积极措施。长沙市积极谋划和推进“两型社会”建设和改革，在重点领域和关键环节的改革上不断取得新进展。①全面铺开全市生态创建工作，区域生态环境得到改善提升。一是完善大气污染监控和防治机制建设，自2011年起长沙市工业粉尘排放量持续3年低于2万t，最低时仅排放1.2万t;二是着眼于流域环境治理，推进沿江风光带及湿地公园建设;三是完善森林生态补偿机制，不断加强生态建设和绿心保护。人均城市园林绿地面积实现连续5年增长，截至2013年已达13.31 m2。②实施环境经济政策，城区开征生活垃圾处理费，专款用于城市生活垃圾无害化资源化处理，其中2012年生活垃圾无害化处理量达169.4万t，较2007年的85.6万t增加近1倍。5年间，工业固体废弃物综合利用率保持在90%左右，最高值达99.73%。

第三阶段，较安全状态阶段（2014—2016年）。3年间，长沙市生态安全状态更进一步，生态安全值介于0.631～0.684，年际变化平稳。这一阶段生态环境状态保持稳步提升的趋势是多方面因素作用的结果，包括创新绿色建筑推广机制，推进全国节约集约用地综合标准化试点，健全大气污染防治机制和能源节约机制，建立黄标车淘汰机制，开展环境联合执法试点等。推进三年造绿大行动，新增绿地600 hm2，拆墙透绿开放绿地208.47万m2，长沙市2016年人均城市园林绿地面积达14.62 m2。工业粉尘排放量逐年下降，在2016年达到过去10年内最低值，仅0.69万t，生活垃圾无害化处理量达10年内最高值，为215万t。

综合来看，虽然城市的扩张与发展不可避免地對生态资源环境产生了胁迫效应，但是由于政府采取措施积极改善，逐步探索出了城市扩张与生态建设和谐发展的道路。尽管在个别年份出现了生态安全值回落的情况，但幅度都不大，并未阻断2007—2016年长沙市生态安全状况整体好转趋势，长沙市资源环境状态在研究期内呈现稳步提高的态势。

2.2  生态安全值与各指标之间的关联度分析

运用灰色关联分析模型，通过公式（7）和公式（8）计算出各指标与生态安全值之间的关联度，并对结果由大到小排序以获得影响长沙市生态安全的主要因素，结果如表4所示。研究期内研究区域生态安全值与各指标的关联度为0.522～0.834，结合关联度划分标准可知，其关联度处于中高级水平，可见两者内部联系紧密。

由表4可见，各指标与生态安全值的关联度排在前十位的依次是人均GDP、城市化水平、生活垃圾无害处理量、城市居民人均可支配收入、市区面积、人均城市园林绿地面积、人均日生活用水量、工业粉尘排放量、固定资产投资占GDP比重、市区人口密度。其中长沙市生态安全值与人均GDP、城市化水平、生活垃圾无害处理量、城市居民人均可支配收入的关联程度最高，关联度均达到了0.8以上，表明当地经济与社会的发展压力与人们对更高生活水平的要求是胁迫本区域生态安全的主要驱动因素，加大环境污染治理力度、提高居民收入水平是保障当地生态环境质量的有效途径。市区面积、人均城市园林绿地面积、人均日生活用水量、工业粉尘排放量、固定资产投资占GDP比重、市区人口密度对研究区域生态安全的影响次之，关联度为0.695～0.792，表明加大城市园林绿地建设投入力度，控制市区人口密度有利于提高城市生态环境质量，而人们生产生活中资源消耗的提高与污染物的排放会加重生态安全危机，应倡导节能减排、节约资源的生产与消费观念。

2.3  各指标对生态安全值的贡献度分析

结合指标贡献度模型，通过公式（9）计算出各个指标的年度贡献度，选择每年对生态安全值贡献度最大的两个指标作为主要的贡献指标，结果如表5所示。由表5可知，各年份对生态安全值贡献度排在第一的指标是x15、x17、x20，即第三产业占GDP比重、人均城市园林绿地面积、工业粉尘去除量，其中人均城市园林绿地面积排第一的年份占到8次之多，这与实际情况也是非常吻合的，城市绿地面积的多少对生态安全举足轻重。综合来看，加强城市园林绿地建设和绿心保护是保障城市生态安全的重中之重，同时控制污染物的排放，加大对污染的治理力度，节约使用能源与资源，调整合理的产业结构，保持适度人口规模与增长率有利于提高研究区域的生态环境质量。

3  小结与讨论

第一，长沙市2007—2016年生态安全状况总体呈显著上升趋势，年际间有小幅度波动，2016年已达到较安全状态;第二，从各指标与生态安全值的关联度角度来看，人均GDP、城市化水平、生活垃圾无害处理量、城市居民人均可支配收入与研究区域生态安全值的关联程度最高，关联度均达到了0.8以上;第三，从指标贡献度角度分析，人均城市园林绿地面积对生态安全值的贡献度最大，同时工业粉尘去除量、人均日生活用水量、人均粮食产量、人口自然增长率等指标的贡献度也不容忽视。

虽然长沙市生态安全状态趋好，但资源环境压力并未完全解除，尤其是长沙市城市化水平日益增加，居民生活用水量较高，人均耕地面积与人均粮食产量不断减少，都是影响资源环境压力的重要因素。因此，应从以下5个方面提高长沙市生态环境质量：第一，加大园林绿地建设与污染治理投资力度;第二，珍惜资源，节约能源，提高水资源的利用效率;第三，合理利用土地，切实保护耕地;第四，保持适度人口规模与增长率，促进人口与环境良性发展;第五，以人为本，提高居民收入水平与生活幸福感，增强居民生态安全保护参与感。

与同类研究相比，本研究明确指出影响城市生态安全状态的主要因素，并倡议今后保障长沙市城市生态安全还应从社会与生态响应入手。对长沙市更小行政单元生态安全状况做出评价，并找出其具体影响因素，可为长沙市各级政府更有针对性地改善本地区生态安全状况提供依据，是今后研究的重要方向。未来将进一步收集与丰富相关资料，完善生态安全评价指标体系，以符合对长沙市各区（市）县的生态安全状况研究的需要，并期待在后续工作中对长沙市生态安全的发展趋势做出预测。

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