劉 勤，王宏衛(wèi)，貢 璐

（新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

生態(tài)安全作為國家安全的重要組成部分和基礎(chǔ)平臺，日益成為經(jīng)濟社會發(fā)展的制約性因素。當前，生態(tài)環(huán)境和資源退化引發(fā)的生態(tài)安全研究已成為可持續(xù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域［1－3］。開展生態(tài)安全評價成為促進社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化的一項重要任務(wù)。對生態(tài)安全的研究起源于20世紀90年代，國內(nèi)外學(xué)者以城市、土地、綠洲、草原、濕地等生態(tài)系統(tǒng)為對象對生態(tài)安全進行了深入研究［4－8］。我國學(xué)者［9－12］對生態(tài)安全的概念、內(nèi)涵、意義及相關(guān)理論和方法開展了綜合研究，并提出通過協(xié)調(diào)需要和限制之間的矛盾以實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目標，為區(qū)域環(huán)境管理、決策提供科學(xué)的依據(jù)。新疆渭庫河綠洲是塔里木盆地中北部典型的扇形平原綠洲，特殊的地理環(huán)境決定了該綠洲生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。強烈的人類擾動加之原本脆弱的生態(tài)環(huán)境引起了綠洲生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的強烈響應(yīng)，草場退化、土地沙化、土壤鹽漬化、植被破壞和生物多樣性銳減等問題日益嚴重［13］。近年來，該綠洲的社會經(jīng)濟發(fā)展水平大幅提高，進一步研究并協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，促進綠洲生態(tài)安全良性發(fā)展顯得尤為必要。

本文選取渭庫綠洲為樣區(qū)，構(gòu)建生態(tài)安全評價指標體系和預(yù)測模型，結(jié)合自然、經(jīng)濟、社會三個方面的生態(tài)安全指標數(shù)據(jù)，根據(jù)主成分分析法計算出1995—2011年間渭庫綠洲生態(tài)安全綜合評價值，利用因子載荷矩陣對生態(tài)安全驅(qū)動機制進行闡釋；運用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測該綠洲2012—2016年間的生態(tài)安全綜合評價值。通過計算分析，評價該綠洲生態(tài)安全狀態(tài)及演變趨勢，把握不同時期的主要影響因素并提出合理化建議。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

渭干河—庫車河綠洲位于天山山脈南麓，塔里木盆地的北部，地理坐標為東經(jīng)81°28′30″—84°05′06″，北緯39°29′51″—42°38′01″，海拔1 500～2 000m，行政區(qū)域包括庫車、新和、沙雅三縣，南北長約322km，東西長約194km，土地總面積5.24萬km2，其中，綠洲面積0.560 4萬km2，僅占總面積的10.7%。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懶耘瘻貛夂?，干旱少雨，蒸發(fā)強，溫差大，年平均氣溫為10.5～14.4℃，年均降水量46.4～64.5mm，年均蒸發(fā)量2 000.7～2 092.0mm。至2011年末，綠洲內(nèi)共有人口89.75萬，非農(nóng)人口占28.36%，實現(xiàn)國民生產(chǎn)總值95.96億元，人均生產(chǎn)總值17 492元。綠洲內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，是新疆的主要棉產(chǎn)區(qū)和阿克蘇地區(qū)最大的灌溉區(qū)［13］，在我國西北干旱區(qū)綠洲中具有一定代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中的數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計年鑒》、《新疆統(tǒng)計50年》及相關(guān)政府網(wǎng)站公布的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。根據(jù)數(shù)據(jù)的可收集性和分析過程的可操作性，適當整理指標體系數(shù)據(jù)后，遴選出渭庫綠洲1995—2011年的3個層次共計32個生態(tài)安全指標及數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 評價指標體系的建立

生態(tài)安全指標體系的建立應(yīng)充分體現(xiàn)生態(tài)安全的現(xiàn)狀與水平，精確反映自然、經(jīng)濟、社會之間的關(guān)系。評價指標具有地域性和復(fù)雜性，依據(jù)科學(xué)性、完整性、實用性、可操作性原則［14］，從可持續(xù)發(fā)展的角度綜合考慮影響渭庫河綠洲生態(tài)安全的主要因素，構(gòu)建生態(tài)安全評價指標體系。本文參考若干生態(tài)安全研究成果［5，15－18］，結(jié)合干旱區(qū)綠洲的實際特點及相關(guān)文獻，最終確定基于自然生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)、社會生態(tài)系統(tǒng)三個一級指標的32個二級指標，以便進行生態(tài)環(huán)境綜合評價的量化分析，詳見表1。

表1 生態(tài)安全綜合評價指標體系

2.2 主成分分析法

采用主成分分析法確定生態(tài)安全評價指標權(quán)重。主成分分析法是一種數(shù)學(xué)降維方法，可以將多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互無關(guān)的綜合指標以代替原指標的絕大部分信息，克服了評價人主觀賦權(quán)的影響，提高了評價的客觀性，處理可信度高［19］。計算步驟為：

（1）原始數(shù)據(jù)標準化。為消除變量指標性質(zhì)不同的差異，對逆向指標采用倒數(shù)法作正向化處理后，對原始數(shù)據(jù)作標準化處理，計算公式為：

（2）計算樣本矩陣的相關(guān)系數(shù)矩陣。

（3）對應(yīng)于相關(guān)系數(shù)矩陣R，解求特征方程│R－λi│＝0的p個非負特征值λ1＞λ2＞…λp≥0，對應(yīng)特征值λi的相應(yīng)特征向量為C（i）＝（C，…）（i＝1，2，…，p），并且滿足

（4）選擇特征值大于1的m（m＜p）個主成分。選取前m 個因子Z1，Z2，…，Zm為前1，2，…，m 個主成分。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

BP網(wǎng)絡(luò)是對非線性可微分函數(shù)進行權(quán)值訓(xùn)練的多層前向網(wǎng)絡(luò)。通過計算網(wǎng)絡(luò)的實際輸出與期望輸出的誤差，采用誤差梯度下降的學(xué)習算法，對學(xué)習矩陣進行有導(dǎo)師的訓(xùn)練，實現(xiàn)預(yù)測值的最優(yōu)逼近，在預(yù)測預(yù)報、分類及評價等方面最為適用［20］。本文在建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型時，采用包括輸入層、隱含層和輸出層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓撲結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

其主要步驟概括為：（1）選取初始值W，指定網(wǎng)絡(luò)只有一個輸出y，任意節(jié)點i的輸出為Oi，并有N個樣本（xk，yk）（k＝1，2，3，…，N），對某一輸入xk，網(wǎng)絡(luò)輸出yk節(jié)點i的輸出為Oik，節(jié)點j的輸入為netjk（2）設(shè)有M層，且M 層僅為輸出節(jié)點，正向計算k樣本的輸出Oik，節(jié)點輸入netjk和網(wǎng)絡(luò)實際輸出＾yk。（3）對各層從M 到2反向計算。（4）對同一節(jié)點j∈M利用網(wǎng)絡(luò)期望輸出和實際輸出，計算誤差函數(shù)對輸出層的各神經(jīng)元的偏導(dǎo)數(shù)，直至收斂；（5）修正權(quán)重，μ＞0，其中

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析下的生態(tài)安全驅(qū)動機制

利用標準化后的數(shù)據(jù)得出變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，經(jīng)統(tǒng)計，矩陣中絕對值大于0.3的元素占81.05%，表明各變量間相關(guān)性較大，適合主成分分析。通過SPSS 17.0軟件進行分析，得到特征值及貢獻率、主成分得分系數(shù)和旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣。計算結(jié)果表明，前五個主成分的特征值均大于1，包含原有32個指標的90.427%的信息。因此，提取前5個主成分代表影響生態(tài)安全評價值的大部分信息。

表2 主成分特征值及方差貢獻率

圖2 旋轉(zhuǎn)后的各主成分載荷

由圖2可以看出，林地面積比例、草地面積比例、水體面積比例、耕地面積比例、GDP總值、一二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均GDP、農(nóng)民人均純收入、地方財政收入、全社會固定投資、總?cè)丝?、非農(nóng)人口比重、人口密度、農(nóng)業(yè)機械總動力、郵電業(yè)務(wù)總量等指標是第一主成分中的主要因子，可歸納為社會經(jīng)濟發(fā)展水平因子；鹽漬化面積比例、糧食產(chǎn)量、高中以上人口比例等是第二主成分中的主要因子，可以歸納為農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿σ蜃?；人均公園綠地面積、人均生活用水量、人均道路面積等是第三主成分中的關(guān)鍵因子，可以歸納為社會發(fā)展?jié)摿σ蜃?；濕度、地下水深度等是第四主成分中的關(guān)鍵因子，河流徑流、污水排放量等是第五主成分中的關(guān)鍵因子，二者綜合歸納為水資源因子。

在5個主成分中，第一主成分貢獻率高達61.241%，是第二主成分的4.37倍，分別是第三、第四、第五主成分的8.95倍、12.00倍、19.01倍，反映出該地區(qū)的生態(tài)安全的變化趨勢主要依靠第一主成分。在第一主成分中，52.631%的指標為經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)指標，各指標載荷均較大，由此可見，經(jīng)濟發(fā)展對地區(qū)生態(tài)安全起主導(dǎo)作用。經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，一方面為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來壓力，同時經(jīng)濟的發(fā)展也帶動了先進的生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)，促進了綠洲的發(fā)展，而該綠洲的經(jīng)濟發(fā)展帶來的綜合效益在很大程度上體現(xiàn)為經(jīng)濟效益 。第二主成分貢獻率為14.021%，鹽漬化面積比例、糧食產(chǎn)量載荷系數(shù)最高，分別為－0.784和0.705。渭庫綠洲鹽漬化問題嚴重，鹽漬土面積已達50%以上，其中嚴重鹽漬化面積達30%［21］，鹽漬化的科學(xué)防治和管理對改善地區(qū)土地生產(chǎn)力和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有重要意義。第三主成分貢獻率為6.842%，主要反映社會發(fā)展?jié)摿σ蜃?。綠洲的發(fā)展和進步，要不斷完善城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)公共服務(wù)體系建設(shè)，在加大對城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的同時，注重城鎮(zhèn)居民園林、休憩場所和設(shè)施的建設(shè)；加強城鄉(xiāng)道路建設(shè)和居民生活用水供給，以提高人居生活環(huán)境質(zhì)量和社會服務(wù)能力，推動綠洲的發(fā)展。第四主成分的貢獻率為5.102%，第五主成分的貢獻率為3.221%，二者反映了綠洲發(fā)展對水的強烈依存關(guān)系。研究區(qū)地處西北干旱區(qū)綠洲，水資源是綠洲發(fā)展的命脈所在，合理高效地利用水資源為該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟社會發(fā)展提供了可持續(xù)性。

3.2 主成分分析下的生態(tài)安全綜合指數(shù)評價

根據(jù)輸出的主成分得分系數(shù)矩陣，可以建立各主成分的得分函數(shù)：

對1995—2011的生態(tài)安全狀況進行綜合評價，采用因子加權(quán)總分的方法，將5個主成分的的方差貢獻率作為其權(quán)重系數(shù)，得到該綠洲生態(tài)安全綜合評價指數(shù) （F）模 型 為：F＝0.6124F1＋0.1402F2＋0.0684F3＋0.0510F4＋0.0322F5，計算1995—2011年生態(tài)安全綜合評價指數(shù)和各主成分得分，反映研究區(qū)域生態(tài)安全的狀況。

由圖3可以看出，渭庫綠洲1995—2011年生態(tài)安全綜合評價值在微小的波動中總體呈現(xiàn)增長趨勢。從1995年的－0.678 0上升為2011年的1.353 5，年平均增長0.127 0。1995—1998年綜合得分變化不大，在－0.5～－0.7之間浮動，1999年和2000年綜合得分分別下降0.079 3和0.019 9。第一主成分得分與綜合評價值的變化趨勢最為接近，1995—1998年第一主成分的分值變化不大，在－0.6～－0.7之間浮動，2006年以后，第一主成分得分大于0，年平均增長0.452 2。2011年第一主成分得分最高，為2.361 1。第二主成分得分在1995—2000年間不斷增長，2005—2011年間呈現(xiàn)下降趨勢。其中，1995年得分最低，為－1.620 2，2002年得分最高，為1.421 1。第三主成分得分波動比較大，2007年得分最高，為1.781 4，2010年的分最低，為－1.871 7。第四主成分得分2003—2009年呈現(xiàn)上升趨勢，并于2009年達到最大，為1.635 7，2002年達到最高值2.511 1，2003年以后得分呈下降趨勢，在2007年降至－0.910。第五主成分得分在1995—2002年間呈下降趨勢，2002—2004年明顯上升，并于2004年達到最大，為2.200 0。2005年以后得分減少，年均減少0.271 1。

圖3 各主成分得分和生態(tài)安全綜合得分

3.3 生態(tài)安全評價標準的確定

生態(tài)安全綜合評價指數(shù)的確定是一個復(fù)雜的過程，不同的處理方法得到的結(jié)果不同。對生態(tài)安全評價結(jié)果的分等需要因地制宜，不能一概而論，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的劃分標準。本文參考國內(nèi)相關(guān)研究，同時結(jié)合渭庫河綠洲自然、經(jīng)濟、社會現(xiàn)狀，依據(jù)該綠洲17a的生態(tài)安全綜合評價值建立渭庫綠洲生態(tài)安全綜合評價標準（表3）。

表3 渭庫河綠洲生態(tài)安全評判標準

由以上評判標準可以得出1995—2011年渭庫綠洲生態(tài)安全水平：1995—2001年為四級，處于不安全水平；2002—2003年為三級，處于臨界安全水平；2004—2007年為二級，處于較安全水平；2008—2011年為一級，處于安全水平。1995—2011年間生態(tài)安全水平由不安全向安全逐漸上升。在2000年之前，生態(tài)安全水平較低，變化幅度較小，處于較不安全的穩(wěn)定期。2008年后，生態(tài)安全達到安全狀態(tài)。

3.4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)安全綜合評價值預(yù)測

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，構(gòu)造三層BP網(wǎng)絡(luò)（即含一個隱藏層）。為了保證所建立并已經(jīng)收斂的BP網(wǎng)絡(luò)符合研究要求，經(jīng)反復(fù)試驗和比較分析，最終確定8－4－1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。其中，訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)定為：誤差0.000 01，隱含層神經(jīng)元數(shù)4個，最小訓(xùn)練速率0.9，動態(tài)參數(shù)0.85，Sigmoid 參數(shù)0.9，最大迭代次數(shù)1 000次。第187次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)收斂，樣本擬合誤差為3.3439E－5（表4）。

表4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)安全訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果

以訓(xùn)練樣點的實際測量值為橫坐標，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測值為縱坐標做出散點圖（圖4）。從圖中可以看出，圖中各散點在45°方向上接近一條直線，預(yù)測值接近實際測量值，擬合程度為0.999 8。

以最佳參數(shù)完成研究區(qū)各年份生態(tài)安全綜合指數(shù)的預(yù)測后，得到對訓(xùn)練樣點的預(yù)測值，2012—2016年渭庫綠洲生態(tài)安全綜合評價值分別為1.477 1，1.519 3，1.604 4，1.657 3，1.692 9，呈增長態(tài)勢，平均每年增長0.054 0。

圖4 訓(xùn)練樣本的實際測量值與BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值

4 結(jié)論

（1）渭庫綠洲是我國典型的西北干旱區(qū)綠洲，對該綠洲生態(tài)安全的綜合評價表明整個綠洲生態(tài)向著良好方向發(fā)展，1995—2011年綠洲生態(tài)安全水平逐步提高，社會經(jīng)濟有了巨大發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、固定投資總額、政府財政收入等均有了大幅度增加，但是在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，也應(yīng)注重提高農(nóng)業(yè)科技水平，優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)體系，高效合理地利用資源，加強對林地、草地和水域的保護，優(yōu)化農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和勞動生產(chǎn)率，以達到人與自然的和諧相處。

（2）通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對該流域2012—2016年的生態(tài)安全綜合評價值作出預(yù)測，表明該流域在未來五年內(nèi)生態(tài)安全依然處于安全狀態(tài)。近年來，該地區(qū)的發(fā)展引起了一系列土地鹽堿化、沙漠化、肥力下降等問題。在發(fā)展中應(yīng)把握好人與自然的微妙關(guān)系，尋找人類不斷增長的需求與干旱區(qū)綠洲脆弱的生態(tài)環(huán)境之間的平衡點，以達到該流域長期持續(xù)的發(fā)展。

（3）生態(tài)安全是一個宏觀的概念，現(xiàn)有的32個指標顯然無法全面反映整個綠洲社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全，對于指標的選取以及數(shù)據(jù)上的缺陷，計算及預(yù)測結(jié)果會受到一定的限制。在主成分分析中，因子結(jié)構(gòu)尚需進一步完善，因子的驅(qū)動作用與機制尚需結(jié)合當?shù)亻_發(fā)政策與新疆發(fā)展戰(zhàn)略做進一步分析。評價結(jié)果的評判標準受主觀影響較大；BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本有限，雖然預(yù)測計算擬合度高、精度好，但是否會對預(yù)測值的準確程度產(chǎn)生影響，還需要今后對照實際情況進行驗證。

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