周路林，汪桂生，于偉宣，童 城

(安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽淮南 232001)

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基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型的區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)研究

——以湖北省恩施州為例

周路林，汪桂生*，于偉宣，童 城

(安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽淮南 232001)

[目的]定量評估區(qū)域生態(tài)安全的基本態(tài)勢和變動(dòng)特征。[方法]以人類活動(dòng)擾動(dòng)較大的湖北省恩施州為例，采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(P-S-R)模型，結(jié)合區(qū)域自然環(huán)境、生態(tài)問題、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平等方面，遴選人口密度、公路密度、人均GDP、人均耕地面積、第三產(chǎn)業(yè)比重等16個(gè)指標(biāo)，采用變異系數(shù)法和熵權(quán)法2種客觀權(quán)重賦權(quán)法分別對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，通過綜合評價(jià)法對恩施州各縣市的生態(tài)安全進(jìn)行評定。[結(jié)果]恩施州的生態(tài)安全度大多處于預(yù)警狀態(tài)，其中建始縣的生態(tài)安全狀況較好，恩施市與巴東縣的生態(tài)安全狀況較差。[結(jié)論]當(dāng)?shù)乜筛鶕?jù)自身實(shí)際情況，綜合科技、教育投入等多方面考慮，采取切實(shí)、有效的方法以改善該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。

恩施州；P-S-R模型；熵權(quán)法；變異系數(shù)法；生態(tài)安全

生態(tài)安全是指一個(gè)國家或人類社會(huì)生存和發(fā)展所需的生態(tài)環(huán)境處于不受或少受破壞與威脅的狀態(tài)，使生物與環(huán)境、生物與生物、人類與地球生態(tài)系統(tǒng)之間保持正常的功能與結(jié)構(gòu)[1]。恩施州水資源豐富，生物多樣性好，植被覆蓋率高，屬于湖北省乃至全國重要的生態(tài)功能區(qū)，但是其自身的地質(zhì)地貌特征決定了該區(qū)生態(tài)環(huán)境具有較高的脆弱性，一旦被破壞就難以恢復(fù)。近年來，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展以及工業(yè)化的逐步展開，區(qū)域的生態(tài)環(huán)境日趨惡化，環(huán)境問題逐步暴露出來，生態(tài)形勢不容樂觀，主要表現(xiàn)為植被減少導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，城市化、工業(yè)化和大型項(xiàng)目占用土地造成耕地面積減少以及工業(yè)廢棄物、生活垃圾等致使環(huán)境污染嚴(yán)重等[2]。為了評價(jià)恩施地區(qū)宏觀生態(tài)安全及為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考，國內(nèi)外學(xué)者對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行了較多研究。如詹麗等[3]從人為干擾和環(huán)境影響2個(gè)方面出發(fā)遴選14個(gè)指標(biāo)，采用變異系數(shù)法對該地區(qū)的生態(tài)安全穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；張家其等[4]通過灰色關(guān)聯(lián)模型對該地區(qū)的生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)。然而，這些研究僅使用了單獨(dú)一種客觀權(quán)重確定方法，無法評估權(quán)重確定的不確定性。為此，筆者在既有研究基礎(chǔ)上采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(P-S-R)模型指標(biāo)體系，基于變異系數(shù)法與熵權(quán)法2種客觀評價(jià)法對各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，通過對比分析2種客觀權(quán)重賦權(quán)法對各指標(biāo)所賦的權(quán)重，取2種客觀賦權(quán)法的綜合權(quán)重作為各指標(biāo)的最終權(quán)重，避免因賦權(quán)方法不同而導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果的差別及單一方法帶來的不確定性，采用綜合評價(jià)模型對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)，以期為區(qū)域發(fā)展政策的制定提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況恩施州地跨108°23′12″～110°38′08″E，29°07′10″～31°24′13″N，位于湖北省西部，地處云貴高原東延武陵山余脈與大巴山之間，轄恩施、利川2市及建始、巴東、宣恩、來鳳、咸豐、鶴峰6 縣(圖1)。州域東西最寬220km，南北最長260km，總面積24 061.25km2；總?cè)丝?97.61萬；森林覆蓋率近70%。恩施州屬亞熱帶山地濕潤氣候，自然環(huán)境隨海拔不同垂直差異明顯[3]；少日照，多秋雨，河谷冬暖，垂直差異明顯[5]。全州耕地面積約為3 800km2，坡地多、平地少，旱地多、水田少，總體質(zhì)量較低，沒有一級地[6]。目前，該區(qū)域面臨水土流失與石漠化、干旱與洪澇、崩塌、滑坡、泥石流、居民生活、旅游發(fā)展、工業(yè)發(fā)展所造成的生活污染和固體廢棄物、廢水污染以及工程建設(shè)所造成的生態(tài)破壞等嚴(yán)重的環(huán)境問題[5，7]。

圖1 恩施州地形圖Fig.1　The topographic map of Enshi Autonomous Prefecture

1.2數(shù)據(jù)來源研究區(qū)域內(nèi)各縣市人口數(shù)、天氣優(yōu)良天數(shù)比率、用水普及率、全州總面積等社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料源于2010年《恩施州統(tǒng)計(jì)年鑒》、《恩施州國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，由湖北統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站獲得(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。恩施州各縣市邊界的矢量數(shù)據(jù)等國家基礎(chǔ)地理信息、恩施州數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。

1.3評價(jià)方法

1.3.1評價(jià)指標(biāo)體系的確定。采用由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment)所建立的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response，P-S-R)評價(jià)體系[4，8-9]。在P-S-R框架內(nèi)，環(huán)境問題可以表述為3 個(gè)不同但又相互聯(lián)系的指標(biāo)類型：壓力(Pressure)指標(biāo)反映人類活動(dòng)給環(huán)境造成的負(fù)荷；狀態(tài)(State)指標(biāo)表征環(huán)境質(zhì)量、自然資源與生態(tài)系統(tǒng)的狀況；響應(yīng)(Response)指標(biāo)表征人類面臨環(huán)境問題所采取的對策與措施[9-10]。從P-S-R模型出發(fā)，遵循科學(xué)性、完備性、針對性、可比性和可操作性的原則[11]，著眼于對區(qū)域生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面的影響，達(dá)到自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)之間協(xié)調(diào)的目的及考慮到與目前各種評價(jià)方法相適應(yīng)，建立指標(biāo)體系[12]。該研究從自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中遴選出人口密度、人均耕地面積、第三產(chǎn)業(yè)比重等16個(gè)指標(biāo)，并對此進(jìn)行類型劃分，將指標(biāo)歸類到壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)大類下，建立生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

1.3.2指標(biāo)數(shù)據(jù)的無量綱化處理。由于研究中所涉及的各指標(biāo)間的量綱不統(tǒng)一，缺乏可比性。因此，需要運(yùn)用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理。指標(biāo)的無量綱化處理的主要數(shù)學(xué)模型如下[13]：

(1)

(2)

式中，xmin為該項(xiàng)指標(biāo)的最小值，xmax為該項(xiàng)指標(biāo)的最大值。

表1恩施州生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

Table 1The index system of ecological security evaluation in Enshi Autonomous Prefecture

項(xiàng)目Item類型Type指標(biāo)層Indexlayer指標(biāo)層代碼Codeofindexlayer研究區(qū)生態(tài)安全指數(shù)Eco-logicalsecuri-tyindexofre-searchregion壓力人口密度(人/km2)公路密度(km/km2)人均GDP(萬元/人)單位面積農(nóng)藥使用量(kg/km2)單位面積化肥使用量(kg/km2)A1A2A3A4A5狀態(tài)人均耕地面積(人/km2)B1空氣優(yōu)良天數(shù)百分率(%)B2坡耕地百分比(%)B3每萬人擁有床位數(shù)B4用水普及率(%)B5有效灌溉面積占耕地比重(%)B6響應(yīng)第三產(chǎn)業(yè)比重(%)C1環(huán)境保護(hù)投入占GDP比重(%)C2建成區(qū)綠化覆蓋率(%)C3科教支出占GDP比重(%)C4生活垃圾處理率(%)C5

1.3.3指標(biāo)權(quán)重的確定。確定各評價(jià)因素在生態(tài)安全評價(jià)中所起作用的大小或重要程度(權(quán)重)有多種方法，大致可分為主觀和客觀兩大類。其中主觀權(quán)重法主要是由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主觀判斷而得，如專家調(diào)查法、層次分析法(AHP)[14-15]。這類方法需要大量的調(diào)查樣本或?qū)＜抑R為依據(jù)，否則會(huì)影響評價(jià)的真實(shí)度?？陀^賦權(quán)法是直接根據(jù)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)確定權(quán)重的方法，如數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、熵值法、變異系數(shù)法等[14-15]?？陀^權(quán)重法從數(shù)據(jù)自身出發(fā)來確定權(quán)重，避免了人的主觀判斷，在生態(tài)評價(jià)方面具有一定優(yōu)勢。為此，該研究采用客觀權(quán)重法進(jìn)行權(quán)重的確定，由于不同方法可能導(dǎo)致不同評價(jià)結(jié)果，因此采用熵值法和變異系數(shù)法2種客觀權(quán)重方法分別進(jìn)行權(quán)重的確定和對比分析，以判定評價(jià)的可信度。

1.3.3.1熵權(quán)法。在信息論中，熵值越大，表示評價(jià)指標(biāo)的值相差越小，則該指標(biāo)的權(quán)重較??；反之，某項(xiàng)指標(biāo)的值相差較大時(shí)，則熵值較小，該指標(biāo)的權(quán)重較大[16]。

j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)評價(jià)對象的指標(biāo)值的比重為fij，計(jì)算方法為：

(3)

Hj為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，計(jì)算方法為：

(4)

當(dāng)fij=0時(shí)，fijlnfij=0。

計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為wj，計(jì)算方法為：

(5)

1.3.3.2變異系數(shù)法。根據(jù)數(shù)據(jù)自身差異大小來確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)取值差異越大的指標(biāo)，也就是越難以實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，這樣的指標(biāo)更能反映被評價(jià)單位的差距[3]。

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)Qj：

(6)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj：

wj=Oj/∑Oj

(7)

1.3.4綜合評價(jià)。綜合評價(jià)是在指標(biāo)值規(guī)范化和指標(biāo)權(quán)重確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[17]。根據(jù)獲得的權(quán)重和選取指標(biāo)的數(shù)據(jù)，采用基于線性綜合加權(quán)法模型構(gòu)造的區(qū)域生態(tài)安全度綜合指數(shù)EQ來對恩施地區(qū)的生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)。其評價(jià)模型為：

(8)

式中，EQ表示生態(tài)安全度，EQ∈[0,1];wij為各指標(biāo)的綜合權(quán)重；yij為各指標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2　結(jié)果與分析

根據(jù)所選各指標(biāo)的權(quán)重及相關(guān)評價(jià)模型得到恩施州各市縣2010 年生態(tài)安全綜合指數(shù)及壓力—狀態(tài)—響應(yīng)指數(shù)(表2)。由表2可知，采用2種評價(jià)方法，各縣市的生態(tài)安全綜合指數(shù)排序基本不變、結(jié)果相近，且各縣市生態(tài)安全指數(shù)差異很小，不同方法評價(jià)結(jié)果表明客觀評價(jià)法具有較好的一致性和可靠性，可以在一定程度上客觀反映區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全現(xiàn)狀。從壓力方面看，宣恩和鶴峰2個(gè)縣的壓力指數(shù)最大，利川市最?。粡臓顟B(tài)方面看，各個(gè)地區(qū)的差異較小，表明各地的資源稟賦量相對均勻；從響應(yīng)方面看，利川、建始、來鳳3個(gè)地區(qū)指數(shù)較大，表明這些地區(qū)積極應(yīng)對環(huán)境問題，如加大科教、環(huán)保投入，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重大，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型較好，積極響應(yīng)政府號召退耕還林還草，城區(qū)綠化覆蓋率普遍較高。

表2　2010年恩施州各市縣壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指數(shù)及綜合指數(shù)

表3　生態(tài)安全分級

表4恩施州各市縣的生態(tài)安全綜合指數(shù)

Table 4Ecological security comprehensive index in different counties and cities of Enshi Autonomous Prefecture

編號Code市縣Countiesandcities生態(tài)安全綜合指數(shù)Comprehensiveindexofecologicalsecurity①恩施0.372②利川0.440③建始0.642④巴東0.376⑤宣恩0.506⑥咸豐0.523⑦來鳳0.486⑧鶴峰0.450

為了進(jìn)一步對生態(tài)安全進(jìn)行等級劃分，在參考相關(guān)科研成果的基礎(chǔ)上[18]，通過咨詢有關(guān)方面的專家以及結(jié)合該研究的計(jì)算結(jié)果，采用等距法[17]將生態(tài)安全綜合指數(shù)劃分為5個(gè)等級，設(shè)計(jì)恩施州生態(tài)安全分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)，以期最大程度客觀反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的差異。鑒于利用2種賦權(quán)方法得到的結(jié)果接近，研究中取2種評價(jià)方法的熵權(quán)和的均值作為綜合權(quán)值對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全進(jìn)行評價(jià)的最終結(jié)果(表4)。從表4可以看出，恩施州的生態(tài)安全度大體處于預(yù)警狀態(tài)下，各市縣的生態(tài)安全指數(shù)按大小排序依次為建始、咸豐、宣恩、來鳳、鶴峰、利川、巴東、恩施。其中建始縣的生態(tài)安全綜合指數(shù)最高，為0.642，生態(tài)安全狀況為良好，生態(tài)安全度為較安全。這與當(dāng)?shù)卣e極對環(huán)境問題作出及時(shí)應(yīng)對是分不開的，建始縣的響應(yīng)綜合指數(shù)為0.310，遠(yuǎn)大于其他市縣，同時(shí)建始縣的第三產(chǎn)業(yè)比重占總GDP的60.7%，科教投入也相對較大，占總GDP的7.41%，建成區(qū)綠化覆蓋面積大、人口素質(zhì)較高等均有效地維護(hù)了生態(tài)環(huán)境的良性狀況，恩施市與巴東縣人均耕地面積少、有效灌溉的耕地所占比重低、多坡地、城市綠化率低、人民生活貧困、環(huán)保意識不強(qiáng)、交通等基礎(chǔ)設(shè)施落后等均導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全狀況較差，其生態(tài)安全度處于危險(xiǎn)狀態(tài)，建議當(dāng)?shù)卣哟蟓h(huán)境保護(hù)的投入，加快實(shí)施產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，落實(shí)

科學(xué)發(fā)展觀，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善。其他市縣的生態(tài)安全狀況為一般，生態(tài)安全度處于預(yù)警狀態(tài)，建議當(dāng)?shù)卣扇∠嚓P(guān)措施改善環(huán)境，如加大環(huán)境保護(hù)、科技、交通、教育的投入，加速城市化進(jìn)程，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況。

3　結(jié)論與討論

該研究采用P-S-R評價(jià)模型遴選出16個(gè)指標(biāo)，利用熵權(quán)法與變異系數(shù)法2種客觀賦權(quán)法對所選指標(biāo)進(jìn)行確權(quán)。采用綜合評價(jià)模型計(jì)算出恩施州各市縣的生態(tài)安全綜合指數(shù)，對各市縣生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)。經(jīng)評價(jià)發(fā)現(xiàn)恩施州的生態(tài)安全度大致處于預(yù)警狀態(tài)，其中建始縣的生態(tài)安全狀況較好，恩施市、巴東縣的生態(tài)安全較差，應(yīng)采取相關(guān)措施改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)恩施州面臨的主要環(huán)境問題有水土流失嚴(yán)重、人均耕地面積少、環(huán)境污染嚴(yán)重、人均收入低、生活經(jīng)濟(jì)困難等，建議當(dāng)?shù)卣钊胴瀼芈鋵?shí)科學(xué)發(fā)展觀，堅(jiān)持退耕還林還草，加大對教育、科技、環(huán)境保護(hù)、交通等的投資力度，切實(shí)改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，真正做到全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的人與自然和諧發(fā)展。

變異系數(shù)法與熵權(quán)法均比較客觀，但是其難以代表決策者的主觀意識，更為系統(tǒng)的賦權(quán)方法還有待深入研究。

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RegionalEcologicalSecurityEvaluationBasedonPressure-Status-ResponseModel—ACaseofEnshiAutonomousPrefectureinHubeiProvince

ZHOULu-lin,WANGGui-sheng*,YUWei-xuanetal

(SchoolofSurveyingandMapping,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001)

[Objective]Toquantitativelyevaluatethebasicsituationandchangingcharacteristicsofregionalecologicalsecurity. [Method]WithEnshiAutonomousPrefectureinHubeiProvinceasacase,Pressure-Status-Response(P-S-R)Modelwasadopted.Combingwiththeaspectsofregionalnaturalenvironment,ecologicalproblem,economicandsocialdevelopmentlevel,weselected16indexesofpopulationdensity,roaddensity,GDPpercapita,cultivatedlandpercapita,proportionofthetertiaryindustryandsoon.Twoobjectiveweightingmethods(coefficientofvariationmethod,entropyweightmethod)wereusedtoempowertheindexes.ComprehensiveevaluationmethodwasusedtoevaluatetheecologicalsecurityindifferentcountiesandcitiesofEnshiAutonomousPrefecture. [Result]TheecologicalsecuritydegreeofEnshiAutonomousPrefecturewasmainlyinanearlywarningstate.Amongthem,JianshiCountyhadrelativelygoodecologicalsecuritystatus;whileEnshiCityandBadongCountyhadrelativelypoorecologicalsecurity. [Conclusion]Accordingtotheirownlocalsituation,effectivemethodsshouldbeadoptedtoimprovetheecologicalenvironmentoftheregion,basedonthecomprehensiveconsiderationofdifferentaspects,suchasincreasinginputinscience,technologyandeducation.

EnshiAutonomousPrefecture;P-S-Rmodel;Entropymethod;Variationcoefficientmethod;Ecologicalsecurity

省級大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510361338)。

周路林(1994- )，男，江西瑞昌人，本科生，專業(yè)：地理信息科學(xué)。*通迅作者，講師，博士，從事遙感應(yīng)用研究。

2016-05-25

S181

A

0517-6611(2016)18-065-03