基于PSR模型的南水北调中线工程水源地生态安全评价指标体系构建

吴正祥， 陈 雯， 高 亮， 段鹏飞

(1.南阳师范学院 乡村振兴研究院，河南 南阳 473061； 2.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450001；3.南阳师范学院 河南省副中心城市研究院，河南 南阳 473061)

生态安全(Ecological Security，ES)是指人类生产、生活的基本保障以及适应环境变化的能力不受生态破坏与环境污染等威胁的状态，它是国家安全体系的重要基石，也是维持经济社会与生态可持续发展的重要基础与前提[1-4].自20世纪以来，随着社会经济的高速发展，植被衰减、土地退化，水土流失，大气污染，生物多样性锐减等生态问题日益凸显，生态安全问题逐渐成为制约区域经济社会高质量发展的瓶颈，给当地人们的生活生产带来严重威胁[5].当前，生态安全正在成为可持续发展学科研究的热点和焦点问题[6].生态安全评价是对区域生态安全程度进行分析、预测和评估，能为生态过程的调控提供依据，是生态安全研究的基础和前提[7-8].开展区域生态安全评价，可精确掌握区域生态环境状况与生态压力，揭示区域经济活动与生态环境间关系[9].国内外许多学者从内容和方法上对生态安全问题进行了广泛的研究[10-12].国外关于生态安全的研究主要集中于理论研究[13-14]、生态系统持续健康发展[15]、生态安全预警[16]、环境可持续性[17-18]、区域环境管理[19]等方面，奠定了生态安全研究的理论基础.

南水北调中线工程是缓解京、津、冀等地区水资源衰退、生态环境恶化的重大生态工程.该工程的建设和跨流域调水也会改变周边地区土地利用和土地覆被状况，对生态环境的负面影响主要集中在水源地[20]，因此水源地的生态安全状况受到全社会的高度关注.研究水源区生态安全状况，对于保障水源区生态安全和供水安全，实现调水区域可持续高质量发展至关重要.

目前，我国学者从不同视角对南水北调工程水源区生态安全进行了研究，由于人们对生态安全的认识不足，在评价指标体系和研究方法上还没有形成共识，指标体系缺乏统一的标准且考虑的方面仍不够全面，评价方法过于简单，且多为宏观和静态研究，这使得区域政府对未来环保政策的走向很难把握[21].科学地测度及评价地区的生态安全水平是关键[22]，其重点在于指标体系的构建[23].目前关于南水北调水源地生态安全评价指标体系的研究较少，随着污染种类的增多，原有的评价体系，不但考虑的因子跟不上污染的现状，而且还忽略了水源地自身的脆弱性以及周围环境对水源地安全的影响，不能全面地反映水源地的生态安全状况.本文在国内外已有的研究基础上，基于PSR模型，提出了一套较为完整的区域生态安全评价指标体系，为南水北调中线工程水源地生态安全评价提供科学依据和决策参考.

1 南水北调中线工程水源地基本情况

1.1 研究区概况

南阳市位于河南省西南部(东经110°58′～113°49′，北纬32°17′～33°48′)、豫鄂陕三省交界处，是南水北调中线工程水源地和渠首所在地，辖1市2区10县，总面积约为2.65万km2.该地东西北三面环山，地貌类型复杂多样，丘陵、山区、平原各占三分之一.地处北亚热带向暖温带过渡地带，属典型的季风大陆半湿润气候，四季分明，年平均气温14.4～15.7 ℃；年降水量703.6～1173.4 mm，自东南向西北递减.区域内河流众多，分属长江、淮河、黄河三大水系，长度在100千米以上的河流有10条，主要河流有丹江、唐河、白河、淮河、湍河、刁河、鹳河等.南阳市水资源总量70.35亿立方米，水储量及人均水量均居河南省第一位.土地利用主要以耕地为主，其次为林地，其他各类用地面积相对较小.2020年末，全市GDP达到3566.77亿元人民币，年末总人口为1238.00万人，城镇化率达到50.59%.

1.2 数据来源

南阳市行政区划边界数据、1980—2020年8个时点的土地利用栅格数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)，空间分辨率为30 m×30 m.该数据把土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、居民地(包含城乡、工矿、居民用地)和未利用地6个一级类型.统计数据来源于《2020年南阳市统计年鉴》《2021年河南省统计年鉴》.

1.3 方法模型

1.3.1 地学信息图谱

以研究区1980年和2020年土地利用数据为基础，选取图谱的空间单元是30 m×30 m的网格单元，在ArcGIS10.7软件中进行栅格数据的地图代数叠加运算，运算公式为[24]：

M=100A+B

式中：A和B分别为前期和后期土地利用类型的编码；M为研究时段内土地利用变化类型的编码.A和B的编码：10为耕地，20为林地，30为草地，40为水域，50为居民地，60为未利用地；M的编码：比如1020是表示由耕地转化为林地的土地类型；根据运算结果，最终合成研究区不同时段的土地利用变化图谱.

1.3.2 PSR模型

本文使用被广泛运用的PSR模型构建评价指标体系.PSR框架模型包含3个相互联系的系统，其中：压力指标指人类活动对生态系统造成的直接压力因素，如人口、经济、环境等方面的压力；状态指标指在人类活动压力下资源环境所处的状态，例如资源、环境等方面的状态；响应指标指人类应对各类环境问题时所采取的应对方式，它随着社会的进步而处于变化之中.

2 水源地生态安全分析

2.1 土地利用变化

2020年南阳市土地利用主要以耕地为主，其次为林地，其他土地利用类型面积相对较小.为进一步说明问题，利用土地利用数据，对研究区2020年地类面积进行统计(表1).表1显示，2020年耕地、林地、草地、水域、居民地及未利用土地面积分别为14603 km2、7145 km2、1822 km2、899 km2、2005 km2、3 km2，研究区主要以耕地和林地为主，草地、水域、建设用地及未利用土地占比较小.

为深入了解研究区40年来的土地利用状况，对1980—2020年研究区地类面积进行统计.如表1所示，1980—2020年间，土地利用主要以耕地为主，其次为林地，草地、水域未利用土地面积相对较小.整个期间耕地面积均超过研究区总面积的55%，而林地面积占研究区总面积的比例在25%至30%之间，面积起伏不大，说明林业资源保护较好.

表1显示，除2000年增大外，耕地面积整体上不断减小的趋势，40年间面积减小了608 km2；林地面积除1995年有所增加，整体来讲，起伏不大，40年间减小22 km2；草地面积变化较小，增加了25 km2；水域面积增加了191 km2；居民地面积一直处于增加的状态，40年间增加了411 km2；未利用土地增加了3 km2.充分说明40年来不同地类处于转换状态.

土地利用分布空间演变受到自然因素和人为因素活动的强烈影响，在各种因素的共同驱动下，不同土地利用类型在空间上不断进行转换，从而使土地利用处于动态演变中.为了深入探究1980—2020年研究区土地利用的转换特征，利用ArcGIS建立1980—2020年土地利用转移矩阵，该时段土地利用空间转移进行分析.

表1 1980—2020年土地利用面积变化 单位：km2

表2显示，1980—2020年间，研究区不同土地利用类型面积均都发生了变化，但在程度上存在差别.期间，南阳市耕地和林地、草地、水域、居民地间分别转换了270 km2、181 km2、211 km2、971 km2；林地和耕地、草地、水域、居民地、未利用地分别转换了253 km2、184 km2、30 km2、14 km2、3 km2；草地、耕地、林地、草地和居民地间分别转换了121 km2、184 km2、18 km2、23 km2；水域和耕地、林地、草地、居民地间分别转换了59 km2、6 km2、4 km2、4 km2；居民地和耕地、林地、草地、水域间分别转换了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，其他地类间转换都比较剧烈.

表2 1980—2020年南阳市土地利用转移矩阵 单位：km2

改革开放以来，随着研究区人口的不断增长，工业化、城镇化的不断推进，研究区为加强生态保护，实施了退耕还林/还草/还湖政策，耕地面积处于不断萎缩状态.在国家政策和引水调水工程的综合作用下，研究区水域总面积增大，40年间增加了191 km2.

2.2 生态安全问题及潜在风险

随着南阳市社会经济的不断发展以及南水北调中线工程水源地向京、津、华北地区调水量的增大，南阳市存在的人地矛盾加剧、水质恶化、农药化肥过度利用、生活/生产所产生的污水及垃圾、水土流失等问题日益突出，直接影响到该地区的生态安全.

2.2.1 人地矛盾

1980—2020年，南阳市总人口从850.10万人增加到1238.00万人，总人口增加了387.90万人；城市化率由1980年的6.26%增长到2020年的50.59%.在该期间内，研究区耕地利用面积从15211 km2减少到14603 km2，共减少了608 km2.一方面，由于人口的增加，对粮食的需求量随之增加，需要不断地开垦荒地增加耕地数量，来满足人们对粮食的需求，致使研究区坡耕地面积较大，最终导致耕地质量下降；另一方面，随着人口的不断增长和城市化率的不断提高，居民点面积的不断扩张，以及公共基础设施不断完善，必然占用更多的土地，尤其是优质农用地.土地承载力不断增大，对水源地生态安全也造成巨大压力.

2.2.2 水资源及水质

相关研究表明，南阳市人均水资源占有量为658.88 m3，仅为全国同期人均水资源占有量的31.38%，为世界同期人均水资源占有量的8.79%，属于水资源匮乏地区.南阳市连续多年出现水资源生态赤字或接近赤字，水资源总体上还处于不可持续使用状态[25].根据郑会琴的研究成果，2016—2020年研究区的主要河流中，丹江由Ⅰ类水质退化到2020年的Ⅲ类；淮河、湍河水质由Ⅱ类退化为Ⅲ类;2020年老鹳河部分河段的水质有所下降，为Ⅲ类.20世纪80年代以来，地下水超采问题突出，随着工农业和城镇化的不断发展，水污染也有所加剧.伴随着地下水的过量开采，地下水动态平衡遭到破坏，地下水位持续下降，唐河县及新野县等多地形成地下漏斗区[26].

2.2.3 农药化肥过度使用

为提高农作物产量，农户在农业生产中大量使用农药、化肥.《2020年南阳市统计年鉴》显示，2019年研究区农用化肥施用量达762346吨，农药施用量达14621吨，品种多为杀虫剂、杀菌剂、除草剂等.农药、化肥的过度使用，不仅会造成耕地质量下降，其残留部分还会通过各种形式渗透到地表水和地下水中.相关研究表明，仅丹江口水库附近4县每年化肥、农药对库区总磷超标的贡献率超过75%；化肥、农药的残留物进入土壤，或者随径流进入河流或水库，最终导致土壤污染和水质污染[27].

2.2.4 生活污水、垃圾

随着生活水平的提高,近年来排放的生活垃圾以及生活污水呈现逐步增加的趋势.然而,由于长期的生活习惯以及基础设施建设落后等诸多原因,导致垃圾清运系统及排水系统不够完善，尤其是农村，据调查，生活污水未经处理而直接排放到村头沟渠,进而进入河道的现象普遍存在.一遇到暴雨,这些生活污水会四处流淌,污染地表水,或经土壤渗透,污染地下水.

2.2.5 工业污染

由于研究区工业结构不合理，重工业比重较大.水源地工业污染主要是造纸、化工、制药等行业，废水是主要污染源.受资金、技术等因素的制约，处理设施稳定达标率不高[27]，甚至存在部分企业存在偷排污染物现象.这些污水、垃圾等污染物进入河道，造成环境污染.

2.2.6 水土流失

研究区处于北亚热带和暖温带的过渡带，生态脆弱、地形复杂，暴雨集中且强度大，雨水下渗有限，容易冲刷侵蚀地表；耕地过度利用、耕作方式粗放；山区过度放牧、导致植被屡遭破坏；山区矿产资源开发、居民水保意识差等原因导致研究区水土流失严重，2019年水土流失面积达12043 km2，占研究区总面积的45.48%.统计数据显示，1990年以来水土流失治理面积占水土流失面积比重呈下降趋势[27].水土流失最终导致土壤养分流失，耕地质量下降，水体富营养化，水质变差.

3 生态安全评价体系的构建

3.1 构建原则

(1)系统全面性原则.所选取的指标均能够体现生态安全的某一侧面特征，各指标之间相互独立又相互联系，总体上可以全面、客观、精准地反映研究区的生态安全状况.(2)可量可行性原则.所选择的指标具有可测量或可间接计量的特性，各指标值在不同时期统计口径一致，且易于分析计算.当前无法采集或者无法全面采集的指标，应避免选入指标体系中.(3)主题相关性原则.指标选取应突出重点性和代表性，避免面面俱到，即选取的指标应当重点体现不同时期生态安全的可对比性及生态安全提升的可能性，避免指标复杂化.(4)敏感性与稳定性兼顾原则.指标选取应兼顾敏感性与稳定性原则，以客观反映各因子综合作用下的生态安全特征.

3.2 构建思路

南水北调中线工程水源地生态安全评价指标体系构建时同时考虑了目标要求、研究区特点以及指标选择原则.目标要求方面首先要落实国家战略对水源地生态功能定的要求，其次从水源地生态现状特征及主要问题入手，借鉴相关成果，初步构成生态安全指标体系.最后，通过专家咨询，提出了适合南水北调中线工程水源地的生态安全评价指标体系.

3.3 指标筛选及说明

生态安全的内涵在不断与时俱进，新的内容也在不断添加.尽管目前生态安全评价指标体系构建方面已取得丰富的成果，但由于地域差异大，不同区域生态安全影响因素存在差别，所以生态安全评价指标的筛选标准不统一，不同指标之间的归类也未取得共识[18].鉴于研究区地形条件和南水北调中线工程水源地的独特性，利用已有评价指标体系构建的成果，无法客观、科学、合理地反映研究区生态安全状况.所以在选取评价指标时，既要考虑到南水北调中线工程水源地生态安全具有生态安全一般属性的同时，还具有人地关系矛盾突出、水质恶化、农药化肥过度使用、工农业污染及水土流失等特点，还要考虑到研究区域尺度的影响.因此，指标选取要同时考虑到基础性指标和独特性指标，选取最有代表性且适于研究区特点的指标.

图1 南水北调中线工程水源地生态安全评价指标体系构建的技术路线

在南水北调中线工程水源地，人类从水源区中获取生产和生活所需的各种资源，同时通过生产、生活、消费等环节向环境排放废弃物，造成面源污染、点源污染，改变着研究区的生态环境，变化了的生态环境又反过来制约着人类社会的发展，环保对策又会改变人类的进一步活动.如此循环往复，构成了人类社会经济系统与生态环境系统之间的压力—状态—响应关系.课题组内部进行了多次专家组讨，结合南水北调中线工程水源地的环境特征和社会经济发展状况，分别从人口、资源、环境、经济、社会等方面进行细化指标选取，构建了基于PSR框架的南水北调中线工程水源地生态安全评价指标体系.

第一，压力指标(P).主要用于反映人类生产、生活活动对生态系统产生的干扰和破坏.压力的产生与区域经济发展程度和人口结构指标有密切关系.反映一定时期内研究区资源的利用强度和环境的破坏程度，以及今后区域经济发展的变化趋势.本研究选取的压力指标主要包括以下部分:人口压力、经济发展压力、资源压力、环境压力.

第二，状态指标(S).主要是指研究区生态环境在一定时期内的状态和变化趋势，展示其结构、功能和稳定性，主要包括资源、环境状况等.本研究选取的状态指标主要包括以下部分:资源环境状态、经济发展状态.

第三，响应指标(R).人类活动对环境造成一定干扰，给生态系统的稳定带来压力，为缓解资源压力、改善环境、维持生态平衡，采取一系列管理措施，从政府、公众等不同层次出发，主要包括以下方面:社会经济响应、环境治理响应.

表3 PSR模型指标体系

续表3

4 结语

生态安全关系着国家治理体系和国家治理现代化的推进，关系着能否顺利建立系统完整的生态文明制度体系.本文首先对南水北调中线工程水源地40年来土地利用变化进行探究，并从人地矛盾、水资源及水质、农药化肥过度使用、生活污水、垃圾、工业污染、水土流失等方面对研究区生态安全潜在风险进行探索.在此基础上，遵循国家相关政策，借鉴相关研究成果，结合研究区实际，提出了能够表征南水北调中线工程水源地生态安全的指标体系构建原则及思路，采用“驱动力—压力—响应”模型构建了南水北调中线工程水源地生态安全评价指标体系，对揭示南水北调中线工程水源地面临的潜在生态环境问题、保障水源区生态安全和供水安全、实现调水区域可持续高质量发展至关重要.对守护绿水青山蓝天、建设人与自然和谐共生的美丽中国具有重大意义.