侯磊，盧江蓉，梁啟斌，王琛

（西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224）

高原湖泊因獨特的自然地理特征及發(fā)育成因，具有流域面積小、補給水源有限、換水周期長、環(huán)境容量小、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點，同時高原湖泊也是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體[1-2]。云南省湖泊眾多，且分布廣泛，承載著云南省多樣的生態(tài)系統(tǒng)和壯麗的自然景觀，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全狀態(tài)是云南省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的命脈所在[3]。科學(xué)評價云南省湖泊生態(tài)安全對于掌握生態(tài)安全現(xiàn)狀、剖析關(guān)鍵影響因素、找準(zhǔn)改善現(xiàn)狀途徑等具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，學(xué)者針對湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全評價開展了不少研究，包括人類活動對湖泊產(chǎn)生的環(huán)境影響評價、基于遙感（RS）或地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)的水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和湖泊流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價，以及基于模型或調(diào)查的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康與安全評估[4-9]。研究通過統(tǒng)計年鑒查詢、現(xiàn)場調(diào)查與實測等方法收集反映湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全狀況的生態(tài)因子，包括理化指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)和社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，然后通過主觀、客觀或主客觀相結(jié)合的方法確定各因子權(quán)重，建立完整的評價指標(biāo)體系[10]。朱泓等[7]基于遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）對滇中五湖流域1988—2018 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測與評價，揭示了湖泊流域環(huán)境質(zhì)量變化的時空特征，但因影像不連續(xù)，未進(jìn)行RSEI年際變化規(guī)律的分析，同時也未能對導(dǎo)致變化的因素進(jìn)行定量描述。

模型框架的使用為湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全評價提供了系統(tǒng)和定量的分析方法，在綜合分析環(huán)境問題和社會問題的關(guān)系后，歐洲環(huán)境署在1999 年提出將“驅(qū)動力”和“影響”加入到壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型中，形成了驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)（Drivers–Pressures–States–Impacts–Responses，DPSIR）模型[11]，用于研究社會經(jīng)濟(jì)活動與環(huán)境間的因果關(guān)系[12-15]。之后，DPSIR 模型廣泛應(yīng)用于湖泊流域生態(tài)評價和分析，如DE WIT 等[16]對法國南部沿海淺水湖泊的生態(tài)恢復(fù)程度評價，BALKANLOU 等[17]對伊朗的Urmia 湖泊流域退化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時空動態(tài)評價，以及ZHANG 等[18]對內(nèi)陸湖的生態(tài)安全評價；同時也有研究關(guān)注特定指標(biāo)，如針對水中有色可溶性有機(jī)物或抗生素而進(jìn)行的地表水體生態(tài)風(fēng)險評價[19-20]。此外，該模型還用于粵港澳大灣區(qū)海岸帶生態(tài)安全評價[21]、湖泊濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和健康評價[22-25]，但對高原湖泊生態(tài)安全的連續(xù)時間序列評價鮮有報道。

為此，本研究以九大高原湖泊狀況代表云南省湖泊狀況，基于DPSIR模型框架構(gòu)建云南省湖泊生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，通過公報、統(tǒng)計年鑒和規(guī)劃數(shù)據(jù)定量評估2009—2018 年云南省湖泊生態(tài)安全狀態(tài)，分析驅(qū)動因素和政策響應(yīng)的動態(tài)變化過程，以期為高原湖泊生態(tài)安全評價、驅(qū)動力和政策響應(yīng)分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省湖泊總面積約1 100 km2，總?cè)萘考s300億m3，面積大于1 km2的湖泊共有30 余個，其中大于30 km2的有9個，即九大高原湖泊（簡稱“九湖”），包括滇池、陽宗海、洱海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、程海、瀘沽湖和異龍湖[26]。2018 年九湖的湖泊總面積和容量分別為1 020 km2和293億m3，分別占云南省湖泊面積和容量的92.73%和97.67%[27]，九湖在水量上能夠較好地代表云南省湖泊。九湖在云南省的位置分布較廣（圖1），涉及包括昆明在內(nèi)的5 個地（州、市）的17 個縣（市、區(qū)），流域總?cè)丝诩s占云南省總?cè)丝诘?0%[28]。九湖水質(zhì)跨度大，包括了多個級別，如水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3822—2002）Ⅰ類的撫仙湖和瀘沽湖，達(dá)到Ⅲ類的洱海和陽宗海，達(dá)到Ⅳ類的滇池草海、滇池外海和程海，以及處于Ⅴ類或劣Ⅴ類的杞麓湖、異龍湖和星云湖[29]。此外，九湖流域是云南省的風(fēng)景名勝區(qū)和糧食主產(chǎn)區(qū)，匯集了全省70%以上的大中型企業(yè)[30]，每年創(chuàng)造的國內(nèi)生產(chǎn)總值占全省總量的1/3以上[31]。

圖1 云南九大高原湖泊位置分布圖Figure 1 Location and distribution of nine plateau lakes in Yunnan Province

無論是從湖泊面積、分布位置、流域人口來看，還是就湖水水質(zhì)、湖泊流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素而言，九湖均能較好地反映云南省湖泊狀況。因此，本研究以九湖的生態(tài)安全狀況代表云南省湖泊總體生態(tài)安全狀態(tài)，并基于DPSIR 模型開展生態(tài)安全評價和分析，具有較好的科學(xué)性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選用指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)來源于2009—2018年《云南省環(huán)境狀況公報》《云南省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《云南省水資源公報》，以及九湖的“十一五”“十二五”和“十三五”規(guī)劃等。

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建與評價

1.3.1 基于DPSIR模型的云南省湖泊生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

基于DPSIR模型框架和湖泊生態(tài)安全的內(nèi)涵，根據(jù)當(dāng)前云南省湖泊生態(tài)面臨的主要問題，綜合考慮國家和云南省政府對湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，遵照系統(tǒng)性、科學(xué)性、代表性、可操作性相結(jié)合的原則[32]，將云南省湖泊生態(tài)安全劃分為驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)5個項目層，參考文獻(xiàn)[18，21-22]，結(jié)合云南省湖泊的具體情況，選取16 個反映云南省湖泊生態(tài)安全的特征因子，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，如表1 所示。其中，驅(qū)動力層選取反映人口增加、農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展等驅(qū)動環(huán)境問題發(fā)生的指標(biāo)；壓力層選取反映水資源消耗、污染物排放等減小環(huán)境容量的指標(biāo)；狀態(tài)層選取反映湖泊水體有機(jī)碳、氮、磷等污染物濃度的指標(biāo)；影響層選取反映云南省湖泊水體主要污染——富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)；響應(yīng)層指標(biāo)的選取反映了湖泊及流域治理財政投資力度、流域污染源控制力度、上游水土流失控制力度以及保護(hù)區(qū)建設(shè)成果等。響應(yīng)層全為正向指標(biāo)，其余4 個項目層則全為負(fù)向指標(biāo)，正向（負(fù)向）指標(biāo)表示指標(biāo)數(shù)值越大（?。瑢瓷鷳B(tài)安全的正向貢獻(xiàn)越大。

該指標(biāo)體系中，驅(qū)動力層、壓力層和響應(yīng)層采用云南省數(shù)據(jù)，而狀態(tài)層和影響層采用九湖數(shù)據(jù)。每一個指標(biāo)的當(dāng)年數(shù)值為該指標(biāo)對應(yīng)的九個湖泊數(shù)值加權(quán)平均值，以湖泊污染負(fù)荷占總污染負(fù)荷的比值作為權(quán)重，如表2 所示。其中，流域人口和湖泊容量使用2015 年數(shù)據(jù)，滇池按照水域面積占比算得草海和外海權(quán)重分別為0.010 5 和0.288 6。眾所周知，流域人口數(shù)量與污染排放量正相關(guān)，湖泊容量越大，其環(huán)境容量也越大，因此，本研究使用單位湖泊容量承載的人口數(shù)表示湖泊的污染負(fù)荷。

表2 九大湖泊污染負(fù)荷及權(quán)重分配Table 2 Pollution load and weight distribution of the nine lakes inYunnan Province

1.3.2 評價指標(biāo)隸屬度計算

因指標(biāo)量綱差異，各指標(biāo)數(shù)值大小對湖泊生態(tài)安全指數(shù)的貢獻(xiàn)不同，需要借助2 個類型的隸屬度分段函數(shù)將指標(biāo)數(shù)值（x）轉(zhuǎn)化為隸屬度（M）。正向和負(fù)向指標(biāo)分別使用公式（1）和（2）所示的隸屬度函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。參考文獻(xiàn)[18，22]報道的方法，將各指標(biāo)10 年內(nèi)數(shù)值由小到大排列，再平均分為5 段。第1、2 段和第4、5 段分段節(jié)點數(shù)值分別作為下限值（L）和上限值（U）的取值，L和U的中點數(shù)值則作為基準(zhǔn)值（B）的取值，具體取值如表1 所示。確定反映湖泊水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)值時，L、B和U值分別選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）對應(yīng)指標(biāo)的Ⅰ類、Ⅲ類和Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

表1 云南省湖泊生態(tài)安全評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of lake ecological security in Yunnan Province

1.3.3 權(quán)重確定

采用層次分析（主觀）和主成分分析（客觀）相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重。先使用層次分析法對項目層進(jìn)行兩兩比較，判斷各因素間的相對重要性，建立判斷矩陣，經(jīng)過層次排序后得到項目層權(quán)重值（Wp），其與濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[22]、湖泊生態(tài)安全評價的結(jié)果相似[18]，狀態(tài)層權(quán)重占比為40%左右。每一個項目層下的指標(biāo)，對10 年數(shù)值進(jìn)行主成分分析，得到各指標(biāo)的公因子方差，計算各指標(biāo)公因子方差占公因子方差總和的百分?jǐn)?shù)，確定為指標(biāo)層權(quán)重（Wi）。最后將項目層權(quán)重與指標(biāo)層權(quán)重相乘，得到每一個指標(biāo)的歸一化權(quán)重（Wn），見表3。

表3 云南省湖泊生態(tài)安全評價指標(biāo)權(quán)重值Table 3 The weight value of evaluation index of lake ecological security in Yunnan Province

1.3.4 湖泊生態(tài)安全指數(shù)的計算和分級

根據(jù)指標(biāo)屬性利用公式（1）、（2）將指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)化為隸屬度，再分別利用公式（3）、（4）計算各年目標(biāo)層指數(shù)（LEIo）和項目層指數(shù)（LEIp），其中LEIo為云南省湖泊生態(tài)安全指數(shù)。

式中：16 為所有指標(biāo)個數(shù)；a為每個項目層下設(shè)的指標(biāo)個數(shù)。LEIo和LEIp的取值范圍均為[0，1]，數(shù)值越大表示湖泊生態(tài)安全狀況越好，反之風(fēng)險越高。結(jié)合湖泊生態(tài)安全現(xiàn)狀并參考相關(guān)研究，將云南省湖泊生態(tài)安全狀態(tài)劃分為5個等級（表4）[18，21-22]。

表4 湖泊生態(tài)安全等級劃分Table 4 The levels of lake ecological security

2 結(jié)果與討論

2.1 云南省湖泊生態(tài)安全評價結(jié)果

基于建立的湖泊生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，計算得到2009—2018 年間云南省湖泊生態(tài)安全指數(shù)，變化情況如圖2a 所示。由圖可知，云南省湖泊生態(tài)安全指數(shù)呈先下降后上升的趨勢，由2009 年的0.251 下降至2011 年的最低值0.153，隨后逐漸上升，在2018 年升至最大值0.422。對應(yīng)的云南省湖泊生態(tài)安全等級經(jīng)歷了3 個類型，由Ⅳ級（較危險）經(jīng)Ⅴ級（危險）向Ⅲ級（預(yù)警）轉(zhuǎn)變，2014—2018年呈現(xiàn)穩(wěn)步變好趨勢。

圖2 云南省湖泊生態(tài)安全指數(shù)年際變化Figure 2 Inter-annual changes of lake ecological security index in Yunnan Province

研究結(jié)果與近年來關(guān)于九湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況或流域景觀生態(tài)風(fēng)險的評價結(jié)果一致。朱泓等[7]使用RSEI 模型評價滇中五大湖泊的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)2018 年流域整體狀況欠佳，但近10 年變化趨勢為持續(xù)向好，與本研究結(jié)果一致，但因影像選取間隔為10 年，無法洞察2008—2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化又好轉(zhuǎn)的趨勢。張紅葉等[33]應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法定量評價2009 年洱海流域湖泊，結(jié)果顯示生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)為較差；劉培等[34]應(yīng)用PSR框架模型評價2013 年異龍湖流域濕地，結(jié)果顯示生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)為脆弱；王濤等[35]基于Landsat 數(shù)據(jù)評價1985—2015 年杞麓湖流域，發(fā)現(xiàn)景觀生態(tài)風(fēng)險呈惡化趨勢。這些研究結(jié)果均顯示2009—2015 年云南省湖泊生態(tài)安全狀況出現(xiàn)過低谷，與本研究得到的2011年生態(tài)安全指數(shù)最低的結(jié)果一致。

云南省湖泊生態(tài)安全項目層指數(shù)變化情況如圖2b所示，DPSIR框架下的驅(qū)動力層、壓力層、狀態(tài)層和影響層指數(shù)與生態(tài)安全指數(shù)表現(xiàn)出一致的變化趨勢，先下降后上升，2011 年附近達(dá)最低值，而響應(yīng)層指數(shù)表現(xiàn)出明顯且持續(xù)向好的變化趨勢，由2009 年的0.100 持續(xù)升高至2018 年的1.000。驅(qū)動力層指數(shù)值相對較高，范圍為0.428～0.621，狀態(tài)層和影響層指數(shù)值相對較低，范圍在0.100～0.300 之間，壓力層和響應(yīng)層指數(shù)跨度最大，由0.100變化至1.000。狀態(tài)層和影響層權(quán)重累加得0.735 9，對生態(tài)安全指數(shù)的貢獻(xiàn)最大，而九湖中污染負(fù)荷高的湖泊權(quán)重大，如滇池、星云湖、杞麓湖和異龍湖，這些湖泊水體的化學(xué)需氧量、總氮及富營養(yǎng)化指數(shù)在研究時間范圍內(nèi)均處于較差水平，導(dǎo)致狀態(tài)層及影響層指數(shù)偏低。

2.2 DPSIR項目層間關(guān)系與驅(qū)動機(jī)制分析

為進(jìn)一步分析項目層對生態(tài)安全指數(shù)的貢獻(xiàn)及各項目層間的關(guān)系，對項目層指數(shù)間及其與生態(tài)安全指數(shù)的兩兩組合進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示驅(qū)動力層與響應(yīng)層、壓力層與其他項目層間的相關(guān)性均不顯著（P>0.05），其余兩兩組合的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分布情況如圖3a 所示。由圖可知，生態(tài)安全指數(shù)與壓力層相關(guān)性不顯著（P>0.05），而與其他項目層均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。壓力層與除驅(qū)動力層以外的項目層相關(guān)性均不顯著（P>0.05），其他項目層兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

項目層間及其與生態(tài)安全指數(shù)的相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)了云南省湖泊生態(tài)安全項目層指標(biāo)間的相互作用。如果按照DPSIR框架項目層間作用的邏輯關(guān)系（如圖3b 紅色箭頭所示），流域人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來資源消耗與污染排放量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致流域水體污染物濃度升高，富營養(yǎng)化程度加重，治理措施強(qiáng)度提高，那么所有項目層間及各項目層與生態(tài)安全指數(shù)間均應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系。壓力層表現(xiàn)出與其他項目層不同的相關(guān)關(guān)系可能是壓力層指標(biāo)對響應(yīng)層指標(biāo)調(diào)控作用（圖3b綠色箭頭）的反應(yīng)最弱，或壓力層指標(biāo)最難控制。2011年后，壓力層指數(shù)是所有項目層指數(shù)中數(shù)值最低的，主要原因是化學(xué)需氧量和氨氮的排放量在2009 年分別為27.31 萬t 和1.90 萬t，2011 年分別增長至55.47萬t和5.93萬t，之后逐年遞減，2018年分別降為45.57萬t和5.06萬t，但仍遠(yuǎn)高于起始排放量，由此導(dǎo)致壓力層指數(shù)自2011年后一直處于較低水平。

圖3 云南省湖泊生態(tài)安全的項目層間關(guān)系Figure 3 The inter-project level relationship of lake ecological security in Yunnan Province

云南省2009 年GDP 達(dá)6 169.75 億元，而后連續(xù)4年GDP同比增長超過12%[36]，進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期。九湖流域開發(fā)力度加大，城鎮(zhèn)人口增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展等因素導(dǎo)致污染物排放量急劇增加，在2011年甚至出現(xiàn)翻倍情況，入湖污染負(fù)荷提高，滇池、杞麓湖、星云湖和異龍湖水體富營養(yǎng)化程度在2009—2013 年持續(xù)惡化，在DPSIR 各項目層上均為最低值，導(dǎo)致云南省湖泊生態(tài)安全狀況在2011 年出現(xiàn)低谷，諸多學(xué)者通過其他評價方法也得到了類似的結(jié)果[33-35]。然而，2014—2018 年響應(yīng)層指數(shù)的持續(xù)升高反映出政府多層面調(diào)節(jié)措施實施力度的不斷加大?！对颇鲜窠?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中提出，云南省需要以“調(diào)優(yōu)一產(chǎn)、調(diào)強(qiáng)二產(chǎn)、調(diào)快三產(chǎn)”為產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，同時要加大環(huán)境保護(hù)和治理力度，建立工業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染防控體系。此外，云南省政府2012 年工作報告提出，按照“一湖一策”部署，抓好以滇池為重點的九大高原湖泊水污染綜合防治工作。在針對九湖流域水污染防治的具體規(guī)劃中，《滇池流域水污染防治規(guī)劃（2011—2015年）》推動了截污治污、生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境監(jiān)管三大類型九大類別工程項目，全面改善了湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，確保湖泊生態(tài)安全。驅(qū)動力層產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使得壓力層污染物排放量逐年降低，進(jìn)一步結(jié)合修建環(huán)保公共設(shè)施、提高城鎮(zhèn)污水處理率、增加林地面積、開展?jié)竦鼗謴?fù)與保護(hù)區(qū)建立等全面提升湖泊流域環(huán)境容量的措施，降低狀態(tài)層湖泊水體有機(jī)碳、氮和磷污染物濃度，改善影響層湖泊水體富營養(yǎng)化狀況，多項舉措的持續(xù)推行，使得2014—2018 年云南省湖泊生態(tài)安全狀態(tài)持續(xù)向好。綜上所述，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、截污治污、生態(tài)恢復(fù)等政策調(diào)控舉措在維持云南省湖泊生態(tài)安全方面發(fā)揮積極作用。

3 結(jié)論

（1）云南省湖泊生態(tài)安全指數(shù)在2009—2018 年間呈現(xiàn)先下降再上升的變化趨勢，2011 年達(dá)到最低值0.153，其生態(tài)安全等級經(jīng)歷了3 個類型，由Ⅳ級（較危險）經(jīng)Ⅴ級（危險）向Ⅲ級（預(yù)警）轉(zhuǎn)變，2014—2018年呈現(xiàn)穩(wěn)步向好趨勢。

（2）DPSIR 框架下云南省湖泊生態(tài)安全各項目層指數(shù)與生態(tài)安全指數(shù)表現(xiàn)出一致的變化趨勢，響應(yīng)層指數(shù)變化最明顯且逐年持續(xù)升高。對生態(tài)安全指數(shù)貢獻(xiàn)最大的狀態(tài)層和影響層指數(shù)數(shù)值偏低，反映出九湖中污染負(fù)荷較高的湖泊水體化學(xué)需氧量、總氮含量及富營養(yǎng)化指數(shù)是限制因素。

（3）云南省湖泊化學(xué)需氧量和氨氮排放量調(diào)控難度最大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、截污治污、生態(tài)恢復(fù)等政策調(diào)控舉措在維持湖泊生態(tài)安全方面發(fā)揮了積極作用。