■ 余文波/蔡海生

（1.江西農業(yè)大學，南昌 3300452；2.江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，南昌 330045；3.南昌市鄱陽湖生態(tài)重點實驗室，江西 南昌 330045）

區(qū)域生態(tài)安全預警評價研究進展

■ 余文波/蔡海生

（1.江西農業(yè)大學，南昌 3300452；2.江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，南昌 330045；3.南昌市鄱陽湖生態(tài)重點實驗室，江西 南昌 330045）

開展區(qū)域生態(tài)安全預警評價，不僅對區(qū)域的社會、經濟可持續(xù)發(fā)展有促進作用，還對建設美麗中國具有重大意義。文章對區(qū)域生態(tài)安全預警評價的發(fā)展歷程、生態(tài)安全預警評價的特征、評價體系進行了介紹分析，在此基礎上剖析了區(qū)域生態(tài)安全預警評價方法，以及物元分析模型、懲罰變權模型、RBF神經網絡模型三種預警評價模型優(yōu)勢及其主要特征，并對當前研究不足及未來研究趨勢進行了簡要評述。

區(qū)域生態(tài)安全；預警評價；評價體系；評價方法；評價模型

0 引言

生態(tài)安全是一個十分復雜的問題，關系到地球上所有生物的生存狀況。人類活動以及資源利用的不合理，帶來了生態(tài)脆弱、沙塵暴、霧霾等問題，嚴重阻礙了社會經濟的發(fā)展，因此，當今社會各界對生態(tài)問題研究越來越關注，對生態(tài)安全、生態(tài)安全預警、生態(tài)脆弱性、生態(tài)脆弱度的關注度越來越高[1]。對區(qū)域生態(tài)安全預警概念及區(qū)域生態(tài)安全預警評價進行科學分析，對科學認識生態(tài)安全的內涵、評價方法、發(fā)展研究趨勢，提出區(qū)域生態(tài)安全預警評價研究相關建議，促進美麗中國的建設和區(qū)域特色綠色發(fā)展具有重要的現實意義。

1 區(qū)域生態(tài)安全預警評價

1.1 區(qū)域生態(tài)安全預警概念

生態(tài)安全的概念是在20世紀70年代由美國學者提出，20世紀末，社會經濟的發(fā)展，人們對資源的索取加快，人地矛盾、環(huán)境，生態(tài)安全問題日益嚴峻，引起不少學者的關注，生態(tài)安全問題成為社會學、生態(tài)學、土地科學等研究熱點之一[2]。黨的十八大提出了經濟、政治、文化、社會、生態(tài)文明建設“五位一體”的戰(zhàn)略總布局，進一步明確了生態(tài)文明在當代的重要性；2014年，生態(tài)安全成為我國國家總體安全的重要部分，同時也是生態(tài)綠色發(fā)展理念的內在要求。目前，學術界對生態(tài)安全還沒有統(tǒng)一的定論。蔡俊煌[3]認為生態(tài)安全是指改善和優(yōu)化人與自然、人與社會、人與人的關系，是建設人類社會整體生態(tài)治理機制和良好生態(tài)環(huán)境之總和，是實現人類安全和經濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎和保障。鮑文沁[4]從生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)與人類關系來定義：生態(tài)系統(tǒng)自身是安全的，能維持自身穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展；生態(tài)系統(tǒng)對于人類是安全的，在實現自身系統(tǒng)良性運轉前提下，滿足人類生存發(fā)展的訴求，并為經濟社會可持續(xù)發(fā)展提供良好的支撐能力。

預警一般是指對危機與危險狀況的一種信息警報或警告的預測[5]。預警理論的研究最早來源于軍事，19世紀末西方經濟學家對經濟預警和區(qū)域綜合預警進行了研究，我國學者是在20世紀末才逐漸進入這一領域，并延伸至從生態(tài)環(huán)境預警到土地生態(tài)預警再到產業(yè)、煤礦、食品安全等眾多領域。21世紀初，伴隨著生態(tài)安全研究的發(fā)展，生態(tài)安全預警也飛速發(fā)展。生態(tài)安全預警是在生態(tài)安全的基礎上提出的。董偉[6]等認為生態(tài)安全預警是在自然生態(tài)變化規(guī)律和人類活動對生態(tài)環(huán)境的作用基礎上，演變出對可能出現的各種警情的預防和糾正功能，并對同質性警源導致的事故具有免疫功能的自組織體制，從而達到人對自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)化利用的目的。

隨著區(qū)位論的產生及其發(fā)展，相關研究人員開始利用區(qū)域分析結合數學方法，對區(qū)域要素進行概括、歸納、演繹、模擬。人口、資源、環(huán)境及區(qū)域發(fā)展問題越來越被人們重視，使區(qū)域分析更加普遍和重要。區(qū)域生態(tài)安全預警研究就是綜合了生態(tài)學、社會學、土地科學、地理學、經濟學等眾多學科的理論研究。重點是針對人類活動對自然環(huán)境的影響程度進行評價，并對未來該區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全性進行預測，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和有效調控提供決策依據，服務于區(qū)域生態(tài)安全。

1.2 生態(tài)安全預警評價的特征

(1)生態(tài)安全預警的動態(tài)性。區(qū)域內的生態(tài)安全隨著區(qū)域內環(huán)境的變化而呈現出動態(tài)的變化，包括人類活動、區(qū)域內生態(tài)環(huán)境因子的變化，以及社會經濟的發(fā)展影響生態(tài)安全的變化，由安全到相對安全乃至不安全；或通過采取生態(tài)修復、補償、整治等措施，緩解環(huán)境破壞，變不安全為安全。生態(tài)安全預警就是要在預測基礎上，對未來區(qū)域一段時間的生態(tài)安全進行監(jiān)測，使區(qū)域生態(tài)環(huán)境朝著良性方向發(fā)展。

表1 區(qū)域生態(tài)安全預警研究對象分類

(2)生態(tài)安全預警的相對性。安全是相對而言的，世界上沒有絕對的安全。生態(tài)安全包括很多因素，其對生態(tài)安全及社會經濟發(fā)展的影響程度不一樣。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的眾多因子都是在不斷變化發(fā)展的，其在這一段時間內是安全的，但可能隨著人類活動及客觀環(huán)境的變化，變?yōu)椴话踩?，因此，生態(tài)安全預警具有相對性。

(3)生態(tài)安全預警具有調控性。生態(tài)安全問題的原因有人為和自然因素，其中人為因素是內因。生態(tài)安全是隨著人類的活動而逐漸出現的，并在工業(yè)化文明中由于人為干擾強度的加大而突出惡化。生態(tài)環(huán)境一方面通過自我調節(jié)和自組織能力進行自我恢復，另一方面也能通過改變人類活動使生態(tài)系統(tǒng)恢復到原來的狀態(tài)。人為調控修復程度遠遠大于環(huán)境的自我調節(jié)，通過預測實現防范于未然，達到“天人合一”。

(4)生態(tài)安全預警具有長期性。生態(tài)環(huán)境問題一旦形成，對社會經濟及環(huán)境的危害往往持續(xù)很多年，治理需要花費很大的物力財力，如霧霾、沙塵暴、河流的污染、水土流失等，生態(tài)安全問題的解決并不是一時的，而是長期的攻堅戰(zhàn)。區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的各子系統(tǒng)都是長期變化的，對生態(tài)安全的預警同樣具有長期性，并且預測警情之后，還要以可持續(xù)發(fā)展理念來分析、調控，從而實現區(qū)域的生態(tài)綠色發(fā)展。

1.3 區(qū)域研究對象

目前我國學者對區(qū)域生態(tài)安全預警評價關注度越來越高，逐漸從土地生態(tài)安全預警評價延伸到旅游、公路路域環(huán)境、農田、水環(huán)境、濕地、自然風景區(qū)等方面。學者們的研究對象主要有兩類：一是以行政區(qū)劃為研究對象，二是以生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，如表1所示。

對于生態(tài)安全預警研究區(qū)域及對象研究，主要集中在行政區(qū)劃及生態(tài)系統(tǒng)方面，也有涉及生態(tài)經濟區(qū)及自然風景區(qū)，研究尺度相對來說較廣：主要集中在省域、市域、土地等方面的生態(tài)安全預警研究中，對生態(tài)系統(tǒng)中的其他組成要素的研究相對來說較匱乏。今后研究重點應該趨于區(qū)域內的各子生態(tài)系統(tǒng)的時序分析到時序、空間格局分析為主，了解區(qū)域內生態(tài)安全的動態(tài)發(fā)展趨勢，促進區(qū)域可持續(xù)健康發(fā)展。

2 評價體系、標準和等級劃分

區(qū)域生態(tài)安全預警評價包括動態(tài)評價與靜態(tài)評價。動態(tài)評價的預警指標體系構建是在收集和整理區(qū)域生態(tài)安全影響因素時間、空間序列數據基礎上，根據研究區(qū)域生態(tài)安全預警研究的目標、原則和特征，合理地選擇和識別能夠達到生態(tài)安全預警研究要求的預警影響因子指標，建立系統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)安全預警指標體系，為開展區(qū)域生態(tài)安全警情分析提供必要基礎，為預警研究提供信息依據。

2.1 基本步驟和流程

區(qū)域生態(tài)安全預警評價的基本步驟是：①根據本研究區(qū)域的特點制定生態(tài)安全預警指標體系和評價標準；②運用評價方法對指標權重進行確定，并得出預測值；③用數理模型對預測值進行分析；④提出今后區(qū)域生態(tài)安全預警調控的重點方向及對策。

區(qū)域生態(tài)安全預警評價研究基本流程如圖1所示。

圖1 區(qū)域生態(tài)安全預警評價流程圖

2.2 評價體系

2.2.1 壓力—響應—狀態(tài)（P-S-R）

壓力—響應—狀態(tài)模型（P-S-R）是由聯合國經濟合作開發(fā)署在20世紀80年代末提出的，強調經濟、社會、生態(tài)三者之間的關系，在此基礎上衍生發(fā)展出了DPSIR和DPSR模型。該模型既考慮到人類活動和自然經濟環(huán)境，強調人類活動對自然經濟環(huán)境的影響，從生態(tài)安全壓力因素、生態(tài)安全狀態(tài)因素、生態(tài)安全響應因素三個方面來建立指標體系。

余敦等[25]從壓力—狀態(tài)—社會響應3方面構建了鄱陽湖生態(tài)經濟區(qū)土地生態(tài)安全預警指標體系，建立了20個評價指標，運用物元模型對其2001—2008年的土地生態(tài)安全警情進行分析研究。張利等[26]基于PSR模型，選用了8個指標構建了濱?？焖俪鞘谢貐^(qū)土地生態(tài)安全評價指標體系，借助遙感數據和GIS方法和分類樹方法對曹妃甸新區(qū)未來土地生態(tài)安全進行預警分析研究。朱衛(wèi)紅等[19]基于PSR模型，構建了圖們江流域濕地的生態(tài)環(huán)境生態(tài)安全評價指標體系，綜合運用層次分析法和綜合評價法得到安全值，運用灰色預測對該區(qū)域進行了土地生態(tài)安全預測研究。

PSR模型反映了狀態(tài)、壓力與響應之間的相互作用，生態(tài)安全狀態(tài)指標用來衡量人類活動導致的生態(tài)系統(tǒng)的變化；生態(tài)安全壓力指標用以表明土地生態(tài)環(huán)境惡化的原因；生態(tài)安全響應指標反映社會為生態(tài)環(huán)境問題而做的努力。在該框架模型中，生態(tài)安全及環(huán)境問題被表述為3種不同但又相互聯系的指標類型，反映了區(qū)域生態(tài)安全各指標之間的聯系及相互作用[27]。

2.2.2“自然—經濟—社會”

1981年，馬世俊提出“社會—經濟—自然復合生態(tài)系統(tǒng)”，劉靜鵬等[28]根據太行山區(qū)的特點，從自然—經濟—社會—生態(tài)四方面構建預警指標體系分析其生態(tài)安全狀況的時空特點，為河北的山區(qū)開發(fā)和發(fā)展提出了理論依據。

任何生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)都包括自然、經濟、社會三方面，從這三方面構建評價體系，簡單明了，易于操作，但是不能體現、把握指標間的聯系。

2.2.3“狀態(tài)—脅迫—免疫”( State-Danger-Immunity，SDI)

張強[29]認為，影響區(qū)域生態(tài)安全的主要因素包括生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、生態(tài)安全脅迫和生態(tài)風險免疫功能3個方面，并以此來構建陜西省生態(tài)安全預警指標體系。宮繼萍[30]基于“狀態(tài)—脅迫—免疫”構建了甘肅省動態(tài)預警模型，建立了含25個指標的評價體系對區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全進行研究。

狀態(tài)是指生態(tài)環(huán)境的本來模樣，脅迫是人類對生態(tài)環(huán)境造成的破壞及存在的問題，免疫是通過采取手段增強、提高生態(tài)環(huán)境抵抗風險的能力。SDI指標體系模型能很好地體現自然環(huán)境、人類活動對環(huán)境造成的影響以及人類為美好生態(tài)環(huán)境做出的努力，并且反映了指標間的因果關系。

2.3 評價標準及等級劃分

在警情分析之前首先要建立預警評價指標標準和劃定預警警戒線，為決策者確定生態(tài)安全的發(fā)展定位和手段提供依據。參考國家環(huán)境安全評估報告及學者們的研究[31]，區(qū)域生態(tài)安全預警標準可劃分為五個等級：無警、輕警、中警、重警、巨警，如表2所示。

表2 區(qū)域生態(tài)安全預警評價標準

表3 生態(tài)安全預警評價方法及實例

3 區(qū)域生態(tài)安全預警評價方法及模型

3.1 評價方法

區(qū)域生態(tài)安全預警評價常見的方法有層次分析法、主成分分析法、模糊綜合評價法、BP神經網絡法，部分方法在某些程度上存在客觀性不強，受到評價者主觀人為因素的影響，不能夠反映出研究區(qū)域生態(tài)安全的層次性、動態(tài)性、空間性、可持續(xù)性等劣勢?？傮w而言各評價方法均有其優(yōu)點，同時也有其局限性，要充分結合區(qū)域的特點選擇適宜的預警評價方法及模型，發(fā)揮其優(yōu)勢。表3列舉了各種生態(tài)安全預警評價模型及方法的特點。

3.2 評價模型

3.2.1 物元分析模型

物元分析模型的主要步驟為：①根據研究區(qū)域概況及特點明確生態(tài)安全物元；②指標體系建立及指標標準化；③按等級確定生態(tài)安全預警經典域及物元矩陣；④關聯函數和關聯度；⑤警情等級、綜合關聯度及結果分析。

趙宏波等[41]基于P-S-R模型等構建生態(tài)安全預警指標體系，綜合運用變權—物元分析法對吉林省老工業(yè)基地1991—2011年的生態(tài)安全預警等級進行了測度。陶曉燕等[42]將物元分析和模糊概念模型結合起來，采用熵權法得到指標權重，建立了城市土地生態(tài)安全預警評價模型，對重慶市1998—2011年的城市土地生態(tài)安全狀況進行了實證研究。

物元分析通過函數關系關聯出各子系統(tǒng)之間的聯系，解決了單項評價指標之間不相容性的問題，能夠系統(tǒng)概括出各個子系統(tǒng)的全部信息，對生態(tài)安全預警等級和未來預測值都有很好的判斷，充分體現了生態(tài)安全預警評價的動態(tài)性[25]。

3.2.2 懲罰變權模型

懲罰變權模型是在區(qū)域生態(tài)安全預警指標體系、指標標準化及評價等級標準的基礎上，通過預測方法預測指標的未來數值，確定各指標因素的權重，并制定懲罰規(guī)則，對低于某一懲罰水平因子的權重進行調整，從而制定出相應時期各因子的“變權”，最后通過數字模型得出綜合評價數值。

吳冠岑等[43]將變權理論引入土地生態(tài)安全預警研究，結合層次分析法得到基礎權和預警指標值的動態(tài)發(fā)展趨勢，構建了土地生態(tài)安全預警的懲罰型變權模型，使評價結果更符合預警評價的動態(tài)性。郭永奇等[44]在變權理論的基礎上，結合熵值法得到靜態(tài)權重和預警指標值的動態(tài)發(fā)展趨勢，基于懲罰變權模型對農地生態(tài)安全進行了預警評價實證研究。

變權理論能準確分析指標權重之間的變化規(guī)律，并不考慮各指標因素之間的影響，但能使預警評價更富有動態(tài)性。懲罰變權模型對研究者的專業(yè)性及技術性要求較高，可廣泛運用于各區(qū)域生態(tài)安全預警評價，但是仍存在改進之處：靜態(tài)權重的計算依賴于基礎權重向量，權重的確定方法應該使用更加客觀的方法；各個區(qū)域的生態(tài)安全預警影響因素大不相同，需要從客觀實際出發(fā)，結合方法對模型進行改進，以適應當地的具體情況。

3.2.3 RBF神經網絡模型

RBF神經網絡是J.Moody和C.Darken在20世紀80年代提出的一種以函數逼近理論為基礎的三層前饋網絡，具有逼近能力強、學習速度快、網絡結構簡單等優(yōu)點，可以以任意精度逼近任意的非線性函數，有輸入層、隱含層和輸出層三層網絡結構[45]。

RBF模型應用于生態(tài)安全預警評價模型中的思路是：首先在構建區(qū)域指標體系的基礎上建立預測模型，數據標準化處理并對相關系數和均方根誤差檢驗；其次進行區(qū)域警度等級劃分；最后是時間序列模型運用及結果分析。徐美等[46]用PSR模型構建指標體系，運用RBF模型對湖南省1996—2015年的土地生態(tài)安全進行了警情狀態(tài)分析和演變趨勢分析，并提出預警調控的重點方向。陳美婷等[8]基于PSR模型構建了廣東省土地生態(tài)安全預警評價指標體系，綜合運用RBF模型和熵權法對廣東省2000—2016年的土地生態(tài)安全進行評價和預測，同時分析每一階段的警情，并在此基礎上提出今后區(qū)域的預警調控重點。

RBF模型在預警評價中不多，其優(yōu)點是自學簡單、具有唯一最佳逼近的特性、分類能力好、模擬度高，因此有很大的應用空間；但是理論及實際應用還需要不斷完善，需要與其他方法結合起來，使其更客觀并不斷接近區(qū)域實際。

4 結語

生態(tài)安全預警評價是在生態(tài)安全評價的基礎上發(fā)展而來。現有的生態(tài)安全評價研究主要是對研究區(qū)域過去十幾年的空間變化動態(tài)評價或現狀的靜態(tài)評價，而評價應包括過去、現在和未來3個方面，尤其要關注現狀評價與未來預測。在當今資源更加緊缺和匱乏的情形下，更加注重現狀和未來的生態(tài)安全預警評價，可為可持續(xù)利用及發(fā)展提供強有力的理論支撐。

(1)在生態(tài)安全預警評價的基礎上，建立區(qū)域生態(tài)安全監(jiān)測、決策調控體系，能及時獲得區(qū)域生態(tài)現狀及未來的變化趨勢，并做出預防或及時的應對措施，通過調控促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境向人地和諧的方向發(fā)展。

(2)加強生態(tài)安全預警理論和框架研究。目前我國學者對生態(tài)安全預警的定義還未統(tǒng)一，科學地界定生態(tài)安全預警的概念及本質特征，既體現了生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展的觀念，又是建立美麗中國的題中之義。應從研究區(qū)域的特征分析入手，把握區(qū)域發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的特點，深入研究生態(tài)安全預警評價理論和模型方法，加強警情分析及調控，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

(3)將3S技術與數學模型結合應用到生態(tài)安全預警評價體系，構建空間預警評價模型，通過空間數據的時空格局分析加上區(qū)域生態(tài)因子的時間序列分析，既是預警評價模型的創(chuàng)新，也是今后研究發(fā)展的主要趨勢。

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Advances in Early Warning Assessment of Regional Ecological Security

YU Wenbo, CAI Haisheng
(1.Jiangxi Agricultural University, Nanchang 3300452, China; 2.Key Laboratory of Agricultural Resources and Ecology in Poyang Lake Basin of Jiangxi Province, Nanchang 330045, China; 3.Nanchang Ecology Key Laboratory of Poyang Lake, Nanchang 330045, China)

It is of great signi fi cance to carry out regional ecological security early warning evaluation not only to promote the regional social and economic sustainable development, but also to construct the beautiful China.This paper introduces the research progress, characters and system of the regional ecological security early-warning evaluation.The evaluation methods are analyzed brie fl y, especially the advantages and main features of the matter-element analysis model, the penalty variable weights model and the RBF neural nestwork model.Besides, the current research shortcomings and the future trends are brie fl y reviewed in the paper.

regional ecological security; early warning evaluation; evaluation system; evaluation method; evaluation model

F407.1；F062.1

：A

：1672-6995（2017）03-0052-07

2016-09-09；

2016-10-19

國家自然科學基金項目（31660140）；江西省重大科技項目（20143ACF60011）；江西省自然科學基金（20161BAB204180）；江西省科技支撐計劃（20133BBF60011）；江西省教育廳科技項目（GJJ12218）

余文波（1992-），男，湖北省咸寧市人，江西農業(yè)大學碩士研究生，研究方向：土地生態(tài)、土地經濟。