安輝 郝漢舟 魏華 陳銳凱

摘要：城市生態(tài)系統(tǒng)作為一種高度人工化的自然-社會-經(jīng)濟復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)，強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)能維持對人類的服務(wù)功能以及人類自身健康及社會經(jīng)濟健康不受損害。以湖北省咸寧市為例，采用聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署（OECD）的PSR模型框架，從資源環(huán)境壓力、資源環(huán)境狀態(tài)、人文環(huán)境響應(yīng)3個方面建立健康診斷指標(biāo)體系，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，以灰色模型GM（1，1）預(yù)測咸寧市各指標(biāo)的變化。研究結(jié)果表明：①對咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)診斷，結(jié)果顯示在2015年，咸寧市生態(tài)健康診斷預(yù)警指標(biāo)體系32個指標(biāo)中將沒有巨警（紅燈），重警（黃燈）主要是經(jīng)濟發(fā)展壓力所屬指標(biāo)即人均污水排放量、人均工業(yè)廢氣排放量。②整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，從巨警（0.85）轉(zhuǎn)向輕警（0.17），顯示咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體好轉(zhuǎn)。在要素層的3個子系統(tǒng)中，壓力子系統(tǒng)指標(biāo)逐步加大，到2015年將為重警（0.66）。其余兩個子系統(tǒng)到2015年將得到較好改善，對支持咸寧市生態(tài)健康整體好轉(zhuǎn)發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng);健康診斷;預(yù)警;PSR模型;咸寧市

中圖分類號： S153.6;F595 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0480-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.057

Early Warning and Health Diagnosis of Xianning Ecosystem

AN Huia，HAO Han-zhoua，b，WEI Huaa，b，CHEN Rui-kaia

（a.Resources and Environment College;b. Land and Water Resources Research Center of the Middle Yangtze River， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100， Hubei ?， China）

Abstract：Urban ecosystem is highly artificial in nature - social - economic complex ecosystems. Emphasizing the ecological system can maintain the service functions on health of human beings， the society and economy. Taking Xianning City as an example， PSR model framework of the use of the United Nations Department for Economic Cooperation Development （OECD） was used to establish a healthy diagnostic indicator system from the pressure of state resources and the environment， human environment. AHP was used to determine index weights. Gray model GM （1，1） was used to predict changes of each index in Xianning City. The results showed that in 2015， 32 indicators of ecological health diagnosis in Xianning city was not giant warning（red）. Heavy warning（yellow） was mainly an indicator of pressure of economic development， water emissions per capita and per capita industrial emissions. From 2004 to 2015， integrated ecosystem health index of Xianning had a decreasing trend， turning to light warning（0.17） from the giant warning（0.85）， indicating overall improvement of Xianning in ecosystem health. In three subsystems of element layer， the pressure subsystem indicators gradually increased to the most important warning （0.66） in 2015. The remaining two subsystems will be improved in 2015. The general improvement of the ecological health of Xianning City had a positive role.

Key words： ecosystems; health diagnosis; early warning; PSR model; Xianning City

生態(tài)系統(tǒng)健康概念的提出可追溯到20世紀40年代，美國著名生態(tài)學(xué)家、土地學(xué)家AldoLeopold于1941年提出了土地健康（Land health）的概念[1]。周文華等[2]提出城市生態(tài)系統(tǒng)健康（Urban ecosystan health）是指系統(tǒng)內(nèi)人類生產(chǎn)生活通過與周圍環(huán)境、各群落之問進行的物質(zhì)和能量交換所形成持續(xù)的良性循環(huán)，以及城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)人類種群的健康。

Spiegel等[3]采用驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-響應(yīng)（DPSEEA）模型對古巴首都哈瓦那城市生態(tài)系統(tǒng)健康進行了評價。聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署（OECD）于1994年建立PSR（Pressure-state-response）模型[4]、UNCSD于1996年建立DSR（Driving force-state-response）模型[5]。歐洲環(huán)境署（EEA）1998年提出了DPSIR（driving force-pressure-state-exposure-effect-action）模型[6]。Polsky 等[7]受美國公共空間計劃整合框架的啟示，發(fā)展了基于“暴露-敏感-適應(yīng)”的VSD 評價整合模型（Vulnerability scoping diagram）。牛文元運用系統(tǒng)學(xué)的方法，把人口控制、資源消耗、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)變化、政府管理能力等結(jié)合起來，建立了DSP指標(biāo)（Degree of sustainable development）。魏婷等[8]利用突變級數(shù)法對廈門市生態(tài)系統(tǒng)健康進行了定量評估和趨勢分析。劉耀彬[9]認為城市化與資源環(huán)境概念內(nèi)涵復(fù)雜，具有層次性，在PSR框架的基礎(chǔ)上，提出了城市化與資源環(huán)境相互作用的擴張EPSR模型（Extended pressure-state-response）。此外，物元可拓模型法[10]、屬性綜合評價法[11]和主成分投影法[12]等在城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究中也得到了應(yīng)用。

本研究在對咸寧市生態(tài)系統(tǒng)基本狀況進行綜合分析的基礎(chǔ)上，利用層次分析建立咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，進行診斷預(yù)警，結(jié)合實際全面分析造成咸寧市生態(tài)系統(tǒng)破壞的主要原因，診斷咸寧市生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況及變化趨勢，評價污染壓力對咸寧市生態(tài)系統(tǒng)的影響，為咸寧市綠色發(fā)展提供科學(xué)決策。

1 ?研究區(qū)概況

咸寧市位于湖北省東南部，素有“湖北南大門”之稱，是武漢城市圈“8+1”的成員城市之一，與湖南省、江西省接壤，地理位置跨東經(jīng)113°32′-114°58′，北緯29°02′-30°19′。下轄1市1區(qū)4縣，分別是赤壁市、咸安區(qū)、通城縣、通山縣、嘉魚縣、崇陽縣。

2 ?研究方法及指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 ?模型構(gòu)建

本研究采用PSR概念模型。在PSR框架內(nèi)，環(huán)境問題可以表述為3個不同但又相互聯(lián)系的指標(biāo)類型[13]：狀態(tài)指標(biāo)用以衡量由于人類行為而導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)的變化;壓力指標(biāo)則反過來表明生態(tài)環(huán)境惡化的原因;響應(yīng)指標(biāo)則顯示社會為減輕環(huán)境污染和資源破壞所做的努力。根據(jù)PSR概念模型，從資源環(huán)境壓力、資源環(huán)境狀態(tài)、人文環(huán)境響應(yīng)等方面選取反映城市生態(tài)系統(tǒng)健康的相應(yīng)指標(biāo)（表1）。

上述指標(biāo)體系中的數(shù)據(jù)由2004～2010年《咸寧市統(tǒng)計年鑒》直接查得。對于部分無法直接得到的數(shù)據(jù)，借鑒已有的數(shù)據(jù)，采用替代方法近似對指標(biāo)賦值。為了消除數(shù)據(jù)的量級以及量綱的不同，選擇下式的方法對數(shù)據(jù)進行規(guī)范處理，公式如下：

xij=■ ? ? ?（1）

式中，i為年份，j為指標(biāo)序號;xij為指標(biāo)數(shù)據(jù)。在本研究中，診斷預(yù)警警限界定是值越大警情越重（表2）。為統(tǒng)一指標(biāo)的方向，對于指標(biāo)值越大，對生態(tài)環(huán)境健康越有利的指標(biāo)要進行變向處理，變向處理的公式為：

xij=■ ? ? （2）

2.2 ?權(quán)重的確定

本研究采用層次分析法與專家調(diào)查法相結(jié)合的方法[15]。各指標(biāo)的權(quán)重確定步驟如下：

1）專家打分：根據(jù)咸寧市生態(tài)健康指標(biāo)體系表1建立專家評分表，用成對比較法和1～9尺度。分值分布為1～9，最高分為9，表示最重要，最小值為1，表示最不重要。

2）確定特征向量;對每一成對比較陣計算最大特征根和特征向量，作一致性檢驗。本研究中利用DPS數(shù)據(jù)處理軟件得到最大特征根及特征向量。一致性檢驗公式為：

CI=■ ? ? （3）

式中，λ為DPS軟件計算的最大特征根，n為n階陣的階數(shù)（指標(biāo)個數(shù)）。一致性比率CR，CR=CI/RI，RI可以根據(jù)n查Saaty表。當(dāng)CR<0.1時，通過一致性檢驗。

3）確定權(quán)重：利用上面計算的特征向量，進行歸一化處理，得到權(quán)重。其計算的指標(biāo)權(quán)重值如表1。

4）根據(jù)權(quán)重系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)體系，通過逐層的矩陣運算方法，構(gòu)造綜合目標(biāo)函數(shù)：

F（x）=■βjxj ? ?（4）

式中，βj為各層的權(quán)重系數(shù)，xj標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)，F(xiàn)（x）為目標(biāo)函數(shù)，n為某一層次中指標(biāo)個數(shù)。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)與診斷預(yù)警警限比較，作出預(yù)警判斷。

2.3 ?評價標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)警分級

在對指標(biāo)進行預(yù)警判斷，分為巨警、重警、中警、輕警、無警5個級別，其判斷標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)相關(guān)的科研結(jié)論及文獻報道。其5個級別的劃分見表2。采用層次分析法，對2004～2015年咸寧市生態(tài)系統(tǒng)進行健康診斷，具體警限見表3。

2.4 ?灰色預(yù)測

灰色系統(tǒng)理論于20世紀80年代創(chuàng)立?；疑A(yù)測是對系統(tǒng)行為特征值的發(fā)展變化進行的預(yù)測，對既含有已知信息又含有不確定信息的系統(tǒng)進行的預(yù)測，也就是對在一定范圍內(nèi)變化的、與時間序列有關(guān)的灰色過程進行預(yù)測。在DPS軟件GM（1，1）模型支持下對2015年咸寧市各項指標(biāo)進行預(yù)測。

3 ?結(jié)果和討論

3.1 ?各分指標(biāo)的診斷預(yù)警

對照咸寧市生態(tài)健康預(yù)警指標(biāo)界限表2，對 2015年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行預(yù)診斷，其結(jié)果如表3。32個指標(biāo)層中，沒有巨警（紅燈）;重警（黃燈）有2個指標(biāo)，分別是C8（人均污水排放量）、C9（人均工業(yè)廢氣排放量）。在2004～2010年中，人均污水排放量、人均工業(yè)廢氣排放量最小值分別為30.5 t/人、6 172.6標(biāo)m3/人，顯示咸寧市在這個指標(biāo)方面有待改善。中警（藍燈）有7個指標(biāo)，分別是C4（人均林地面積）、C5（GDP增長率）、C7（人均用水量）、C11（城市化率）、C12（人口自然增長）、C14（水土流失面積/土地面積）、C18（恩格爾系數(shù)）。在以后的評估中，GDP增長率和城市化率兩個指標(biāo)方面建議根據(jù)中國的實際情況加以改進。輕警（淺藍燈）有7個指標(biāo)，分別是C3（畜均草地面積）、C19（萬人科技人員數(shù)）、C21（第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重）、C24（環(huán)境保護宣傳教育普及率）、C27（科技投入強度）、C31（環(huán)保投資投入強度）、C32（教育投入強度）。從以上結(jié)果可以看出重警主要是經(jīng)濟發(fā)展壓力（B2）所屬指標(biāo)，反映了經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境造成的壓力。

3.2 ?目標(biāo)層——整體分析

對咸寧市生態(tài)健康診斷預(yù)警，是基于對目標(biāo)層H的層次分析法的結(jié)果的判斷。咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康診斷結(jié)果如圖1所示。整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，從巨警（0.85）轉(zhuǎn)向輕警（0.17）。咸寧市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)2004年至2005年略有下降，2005年到2006年呈小幅度增長趨勢，2007年后又出現(xiàn)下降趨勢。結(jié)果顯示從2006年以后咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康得到逐步改善。

3.3 ?準(zhǔn)則層——子系統(tǒng)分析

3.3.1 ?壓力子系統(tǒng) ?咸寧市生態(tài)系統(tǒng)壓力子系統(tǒng)健康診斷預(yù)警結(jié)果如圖2，咸寧市壓力子系統(tǒng)從2004年到2008年呈穩(wěn)步上升趨勢，到2008年達到第一高峰0.48，為中警。2008年到2010年有所下降。但是2010年以后壓力值明顯增長，表明壓力不斷增大，預(yù)測2015年壓力指標(biāo)為0.66，為重警，顯示咸寧市隨著經(jīng)濟發(fā)展，咸寧市生態(tài)系統(tǒng)壓力將越來越大。

在壓力子系統(tǒng)中包括資源豐裕度、經(jīng)濟發(fā)展壓力和人類活動強度3個具體指標(biāo)（圖3）。3個指標(biāo)中經(jīng)濟發(fā)展壓力和人類活動強度呈現(xiàn)增長趨勢。經(jīng)濟發(fā)展壓力和人類活動強度到2015年呈現(xiàn)巨警（0.85）和重警（0.64）。資源豐裕度呈現(xiàn)波動趨勢，在2008年達到0.77（重警）后逐步減小，到2015年為0.41（中警）。資源豐裕度這種變化與資源開發(fā)及技術(shù)進步提高資源使用效率有關(guān)。經(jīng)濟壓力呈上升趨勢，人類活動強度呈上升趨勢，表明未來幾年咸寧市如果不采取相應(yīng)措施，經(jīng)濟壓力將會越來愈大，人類活動強度愈來愈強。

3.3.2 ?狀態(tài)子系統(tǒng) ?咸寧市生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)子系統(tǒng)健康診斷預(yù)警結(jié)果如圖4。從2004年到2015年逐步下降。從2004年的0.83（巨警）將降低到2015年的0.24（輕警）。說明咸寧市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、經(jīng)濟發(fā)展水平、人口健康狀況整體在向好的方向發(fā)展。近年來咸寧市政府加大了環(huán)境治理力度，打造生態(tài)城市、人類宜居城市，加大了對污染物的治理，并對一些高污染企業(yè)進行整改，提高企業(yè)的治污積極性，有效推進污染總量控制工作，使生態(tài)狀況有了明顯好轉(zhuǎn)。

咸寧市生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)子系統(tǒng)包括人口健康狀況、經(jīng)濟發(fā)展水平和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量3個方面，其診斷預(yù)警結(jié)果如圖5所示。從圖可知，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2007年、2015年有所升高，其余兩個指標(biāo)值整體來講是逐步降低的。經(jīng)濟發(fā)展和人口健康到2015年呈現(xiàn)無警狀況，生態(tài)環(huán)境在2015年為中警狀況。

3.3.3 ?響應(yīng)子系統(tǒng) ?咸寧市生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)子系統(tǒng)健康診斷預(yù)警結(jié)果如圖6所示。從2006年到2015年將持續(xù)穩(wěn)步下降，其中2010年后下降更明顯。響應(yīng)子系統(tǒng)反映了社會和個體對環(huán)境污染和資源消耗所采取的對策和措施。響應(yīng)子系統(tǒng)指標(biāo)值的降低，反映了居民環(huán)保意識的提高以及政府在政策、環(huán)保投入等方面的努力。

咸寧市生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)子系統(tǒng)包括政策與管理水平、環(huán)境保護力度兩個方面。其診斷預(yù)警結(jié)果如圖7所示。從圖中可知，兩個要素層指標(biāo)逐步減小，到2010年為中警，但是到2015年將為無警狀況，顯示隨著生態(tài)文明建設(shè)的越來越被重視，咸寧市生態(tài)城市建設(shè)將得到逐步落實，所采取的環(huán)境保護力度也在加大。

4 ?結(jié)論

本研究采用PSR模型框架，用層次分析法確定各指標(biāo)及各層次的權(quán)重。采用灰色模型GM（1，1），對咸寧市2015年各指標(biāo)進行了預(yù)測。對各指標(biāo)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較來進行咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)診斷。經(jīng)過分析計算得到以下結(jié)論：

1）對咸寧市生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)診斷，結(jié)果顯示在2015年，咸寧市生態(tài)健康診斷預(yù)警指標(biāo)體系32個指標(biāo)中將沒有巨警（紅燈），重警（黃燈）主要是經(jīng)濟發(fā)展壓力（B2）所屬指標(biāo)即人均污水排放量、人均工業(yè)廢氣排放量，反映了經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境造成的壓力。

2）整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，從巨警（0.85）轉(zhuǎn)向輕警（0.17）。咸寧市壓力子系統(tǒng)從2004年到2008年呈穩(wěn)步上升趨勢，預(yù)測2015年壓力指標(biāo)為0.66，為重警。咸寧市生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)子系統(tǒng)2004年到2015年逐步下降。從2004年的0.83（巨警）降低到2015年的0.24（輕警）。咸寧市生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)子系統(tǒng)從2006年到2015年呈持續(xù)穩(wěn)步下降趨勢，其中2010年后下降更加明顯。

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