Spatio-temporal evolution of ecological security pattern and its influencing factors in Tianshan-Pamir region

天山-帕米尔地区(34°18′26″~45°24′08″N，73°27′58″~96°27′36″E)地处准噶尔盆地南部、帕米尔高原东部、塔里木盆地西南缘，包含新疆维吾尔自治区中部和西南部地区，涵盖了4个地级市、13个县级市、34个县、5个自治县，合计56个行政单元，研究区面积约74.38×10⁴ km²。该区域属温带大陆性气候，干旱少雨，由于自然条件的制约，各区域受人类活动的影响程度有所差异^[18]。然而由于旅游业的兴起、工业的发展、政策以及社会人文条件等因素的改变，生态环境也随之受到一定影响，放牧等活动使得草地退化，荒漠化加剧^[19]，导致区域内生态安全度降低。天山-帕米尔地区所在的天山北坡经济带，属于新疆社会经济发展的增长极，在国家“一带一路”建设中具有重要的战略地位。天山-帕米尔地区2018年人口为1 551.27万人，区域生产总值为10 300.57亿元。

涉及的社会经济、人口、生态建设、环境保护等数据，主要通过《新疆维吾尔自治区统计年鉴》、新疆维吾尔自治区《国民经济和社会发展统计公报》等提供的数据计算获得，选取1990、2000、2010、2018年的数据。所需的1∶10万土地利用矢量数据集，包含6个大类(耕地、林地、草地、湿地、人工表面、其他)，分类体系参考土地覆盖分类系统(LCCS)和联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)分类体系，与中国土地覆被数据集所用分类体系一致^[20]。采用分区分层的决策树法，结合土地覆被实际变化，借助e-Cognition遥感解译软件和人工解译等完成，通过样点验证最终精度达93%。

运用极差标准化对数据进行常规预处理。将选取的指标依据对环境的影响划分为正向和负向，正向指标值越大越好，负向指标值越小越好。计算公式为：

式(1)~(2)中：Z_i、Y_i为标准化后该项指标(X_i)在i时段的正向评价指标和负向评价指标；X_i为i时段的指标值；X_min、X_max为X_i的最小值和最大值。

生态环境质量受到自然和人文2个方面的影响，因此，评价区域生态环境应综合考虑环境、资源、人口、社会经济等多方面的因素。PSR模型的研究思路为人类对生态环境会造成一定的“压力”，在这种“压力”下自然环境发生改变并呈现相应的“状态”，当产生不利的状况时，社会通过政策、法规以及行为规范等做出“响应”。

天山-帕米尔地区是西北干旱区典型的生态脆弱区，以绿洲农业为主，旅游资源丰富，因此在生态安全评价指标选取方面更加侧重人口、旅游收入、耕地用肥等指标。借鉴已有研究成果基础^[21−26]，遵循天山-帕米尔地区的区域特点、数据的可获取性以及科学性等原则，共选取20个指标(表1)。

目前熵权法、层次分析法以及Delphi法等为常用的赋值方法，为有效地克服专家打分的主观性，本研究采用熵权法对指标进行赋值，根据信息量的大小来确定权重，以避免人为因素带来的误差。具体公式为：

式(3)~(4)中：$ {H_i} $为第$ i $个指标的信息熵；$ {W_i} $为第$ i $个指标的熵权；$ {X_{ij}} $为第$ i $个指标下第j个样本的指标占比；$ m $为评价指标总数；n为研究单元数量。

综合指数法在生态安全的评价中应运最为广泛且成熟，因此采用综合指数法计算天山-帕米尔地区的生态安全综合指数，计算公式如下：

式(5)中：E_Si为第$ i $研究单元的生态安全综合值；$ {W_j} $为第$ j $个指标的熵权；$ {P_{ij}} $为第$ i $研究单元第$ j $项指标标准化后的指标值；$ m $为指标的数量。

为对比反映区域内生态安全的状态和差异，采用自然断裂点法(Jenks)将天山-帕米尔地区区域生态安全划分为5个分级^[24−25]。但若每个时期的分类标准不同，则无法比较分析^[26]。因此，1990、2000、2010、2018年均采用1990年的分级标准(表2)。

地理探测器用于探测空间分异性，是揭示其驱动因子的一种新的统计学方法，共包括4个因子探测器^[27−29]。本研究运用因子探测器来分析20个因子(X)在多大程度上揭示了生态安全的空间分异性(Y)。其表达式为^[28−29]：

式(6)中：$ h = 1, \cdot \cdot \cdot $，L；L为变量Y或因子X的分类或分层；$ {N_h} $、$ N $分别为层$ h $和全区单元数，$ \sigma _h^2 $为层$ h $的方差、$ {\sigma ^2} $为全区$ Y $值的方差。q为因子X对变量Y的解释度，取值范围为[0, 1]，值越大说明分异性越明显，解释力就越强，反之则越小。

通过计算生态安全综合指数，得到天山-帕米尔地区生态安全时空格局分布图(图1)。从空间上来看，1990年大部分地区生态安全等级处于临界安全及以下，2000年生态安全综合指数略微上升；2010年区域综合指数最高，生态状况最好，生态环境状况改善最为明显，主要发生在帕米尔高原地区；2018年研究区西部地区的生态安全综合值有所下降，其他地区则较稳定。不同行政单元间生态安全等级在空间上的表现差异较大，但由于天山-帕米尔地区的地形地貌并未发生大尺度的变化，因此地区生态安全的分布格局并没有发生明显变化。

Figure 1.  Spatio-temporal pattern of ecological security in Tianshan-Pamir region

从时间序列上看，1990—2000年研究区处于较安全级的面积增加，临界安全及以上的面积占70%，这说明1990—2000年天山-帕米尔地区生态安全状况在改善；至2010年临界安全及以上的面积占比达80%，处于较安全等级的面积增加约1.5倍，生态环境质量改善尤为明显；2010—2018年安全级面积增加，但较不安全级的面积呈明显的增加趋势，表明2010—2018年生态环境有恶化的趋势(图2)。28 a间，天山-帕米尔地区生态安全的临界安全级及以上的安全级面积占比始终在60%以上，表明生态安全状况总体上处于安全状态，但城市化、工业化、绿洲扩张以及旅游业的发展等行为给生态环境带来的压力不可避免，也存在一些生态破坏的现象。

Figure 2.  Area statistic of classification by ecological security index in Tianshan-Pamir region

天山-帕米尔地区总体区域生态安全处于临界安全以及较安全状态，全区域平均生态安全综合值变化可分为2个阶段(表3)：第1阶段为1990—2010年，区域平均生态安全综合值上升；第2阶段为2010年以后，全区域平均生态安全综合值略微下降。整体来看，从1990—2018年，天山-帕米尔地区总体区域生态安全呈缓慢上升趋势。

从3个子系统来说，对区域生态安全的贡献具有明显的规律性，从大到小依次为响应、压力、状态(图3)。1990—2018年，生态安全压力指数呈现出上升—下降—上升的波动变化特征，说明人类活动对生态安全的压力有所上升，经济社会发展的同时忽略了环境保护与治理；生态安全状态指数的变化趋势与生态安全压力指数相似，但状态指数的变化相较于压力指数的变化则相对稳定，表明天山-帕米尔地区生态环境状态对压力的变化反映敏感；而生态安全响应指数则呈现出下降—上升—下降的变化特征，这与国家和地方政府增加了产业结构调整和生态环境保护力度有关。

Figure 3.  Dynamic changes of subsystems in Tianshan-Pamir region

天山-帕米尔地区生态安全在空间上呈现不同的表现力，为进一步探究其影响因素，采用地理探测器来识别关键影响因子^[30]。选取q＞0.2的因素作为主导影响因子，得到天山-帕米尔地区生态安全q变化(表4)。结果显示：国内游客数量增长率、人均水资源量、原煤消耗、旅游收入占GDP比例、拥有卫生技术人员数等5个因子对天山-帕米尔地区生态安全的影响较为稳定，这与天山-帕米尔地区旅游业的兴起、工业的发展以及社会人文条件的改善有关。对天山-帕米尔地区生态安全变化产生影响的因子中，压力层占3个，状态层占3个，响应层占4个，表明社会响应对生态安全的影响较大，且对生态安全的提高也最为重要，因此，要更加重视响应反映的速度以及响应建设的牢固程度，这对天山-帕米尔地区生态安全的提升将起到重要的作用。

天山-帕米尔地区生态环境的变化是自然和人为因子相互作用的结果，这与前人的研究结论一致^[31−32]。其中研究区内的博乐市、精河县、温泉县、塔什库尔干塔吉克自治县（以下简称“塔县”）作为中国新疆干旱区的典型代表城市，生态系统具有脆弱性和敏感性。但在1990—2018年，这些市(县)的生态安全状况都发生了较大转变(图4)，其中博乐市、精河县、温泉县、塔县生态安全状态全部呈现上升趋势，生态安全状态改善显著。从3个子系统变化趋势来看，对生态安全的贡献从大到小依次为响应、状态、压力，与全区域的趋势有所不同。2000年以来，在国家政策方针的指引以及生态文明建设的大力推进下，对环境、医疗卫生、水利工程等投入开始增加，城镇化水平不断提高，第三产业占比逐步提高，自然保护区数量增加，管理力度加强，响应能力的提高缓解了人类活动对环境的压力，从而提高了生态安全等级。

Figure 4.  Dynamic change trend of ecological security

本研究显示：不同行政单元间生态安全等级在空间上的表现差异较大，但由于天山-帕米尔地区的地形地貌并未发生大尺度的变化，因此地区生态安全的分布格局并没有发生明显变化。从时间序列上看，天山-帕米尔地区生态安全的临界安全级及以上的面积占比始终在60%以上，表明生态安全总体上处于安全状态；从生态安全指数动态变化分析来看，1990—2018年天山-帕米尔地区区域生态安全总体呈缓慢上升趋势。基于地理探测器方法的分析结果显示：天山-帕米尔地区生态安全在空间上呈现不同的表现力，国内游客数量增长率、人均水资源量、原煤消耗、旅游收入占GDP比例、拥有卫生技术人员数等5个因子对天山-帕米尔地区生态安全的影响较为稳定，主要受到天山-帕米尔地区旅游业的兴起、工业的发展以及社会人文条件的改善等影响。

1990—2018年，天山-帕米尔地区生态安全总体上处于安全状态，且呈缓慢上升趋势。为进一步提升天山-帕米尔地区的生态安全，构建生态文明理念下的生态安全格局，要结合当前生态文明建设进程及区域生态与资源本底状况，应继续深入贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的理念，在水资源利用红线、生态环境红线等“无形之手”和国家土地政策“有形之手”的共同作用下，维持耕地扩张在可控范围^[15−16]；加强统筹山水林田湖草沙系统治理，推进以国家公园为主体的自然保护地体系建设^[19]；合理有序发展区域内旅游业，完善相关的政策法规，减轻因旅游业发展而带来的生态压力；建立生态环境监测体系，对工业排放的废弃物等进行实时监测和定期评价；加大生态环保的投资力度，引导资源型城市的转型，以绿色、可持续发展产业代替^[18]；将生态文明建设的理念融入经济建设、文化建设和社会建设中，实现天山-帕米尔地区的可持续发展。