趙敏敏,何志斌,藺鵬飛,韓雙寶,王思源,*

1 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,保定 071051 2 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站, 蘭州 730000

生態(tài)安全這一思想最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代的土地功能與土地健康評(píng)價(jià)當(dāng)中,其概念構(gòu)筑在環(huán)境安全的理論基礎(chǔ)之上[1]。1989年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(International Institute for Applied Systems Analysis,IASA)在闡釋全球生態(tài)環(huán)境問(wèn)題時(shí)首次提出“生態(tài)安全”這一概念[2]。隨著生態(tài)安全理論框架的日趨成熟,這一概念愈加明確：生態(tài)安全指一個(gè)區(qū)域內(nèi)維持人類生存與發(fā)展所需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)處于少受甚至不受威脅的狀態(tài),使生態(tài)環(huán)境既能滿足人類與生物群落生存與發(fā)展的需要,又能保證生態(tài)環(huán)境本身的生態(tài)過(guò)程不受損害,使其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)處在可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)[3]。由此可見(jiàn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全有著緊密聯(lián)系,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全相結(jié)合,有助于為生態(tài)環(huán)境管理提供依據(jù)[4]。

傳統(tǒng)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究一般從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能角度去構(gòu)建指標(biāo)體系,而將人類視為外部要素不加以考慮[5]。然而在現(xiàn)實(shí)情況中,人類早已成為生態(tài)安全格局中不可或缺的部分[6]?；谝陨锨樾?生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為耦合人類與其周圍生物與非生物環(huán)境的有效紐帶,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性成為人類直觀感知生態(tài)是否安全的直接途徑[7-9]。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的融入為生態(tài)安全評(píng)估提供了正向的工具,將人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求與生態(tài)系統(tǒng)所能提供相應(yīng)服務(wù)的能力進(jìn)行耦合,成為目前生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的新視角[10-11]。

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)同時(shí)考慮生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行與人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。彭保發(fā)等[10]通過(guò)辨識(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給水平與需求熱點(diǎn),綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傳輸網(wǎng)絡(luò),基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)模型[12-13]構(gòu)建了耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)機(jī)制。在該機(jī)制中,人類活動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)因子,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的獲取強(qiáng)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成壓力,改變了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傳輸能力也受到影響,最終生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量對(duì)此作出響應(yīng)。該框架能夠評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的流量、穩(wěn)定性與可持續(xù)性,有助于揭示人類活動(dòng)和生態(tài)安全之間的相互作用,可以作為生態(tài)安全評(píng)價(jià)的基本框架。

黑河流域是中國(guó)第二大內(nèi)陸河流域,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,黑河中游綠洲的耕地和建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,相應(yīng)的林地、草地不斷萎縮[14-15]。黑河中游的綠洲擴(kuò)張影響了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與傳輸,進(jìn)一步影響了區(qū)域的生態(tài)安全格局。針對(duì)黑河中游的綠洲擴(kuò)張情景,基于耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的PSR模型框架[10],構(gòu)建了黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,評(píng)估區(qū)域生態(tài)安全變化,為制定生態(tài)管理策略、支撐生態(tài)管理權(quán)衡與決策等提供了支撐[16]。

1 研究區(qū)概況

本文擬選擇典型荒漠-綠洲黑河中游為研究區(qū),黑河中游位于河西走廊中段,南部為祁連山脈,北部緊鄰合黎、龍首兩山脈(97°20′—102°12′ E,38°28′—39°50′ N),主要包括甘肅省張掖市的甘州區(qū)、高臺(tái)縣及臨澤縣(圖1)。本區(qū)域海拔介于1252—3609 m之間,大部分屬于黑河的山前沖洪積扇,水分條件相對(duì)較好,形成了獨(dú)特的荒漠-綠洲景觀。黑河中游受大陸性氣候和青藏高原的共同影響,屬中溫帶甘-蒙氣候區(qū),年平均氣溫介于-1.1—9.5 ℃之間。由于遠(yuǎn)離水汽輸送通道,該處大部分地區(qū)年均降水量小于200 mm,年均蒸發(fā)量超過(guò)1600 mm。黑河中游緊鄰荒漠,土壤類型以荒漠土與灰漠土為主(主要分布在綠洲和荒漠過(guò)渡地帶)。黑河中游生長(zhǎng)的天然植被主要為耐旱、耐鹽堿的喬木、小灌木與半灌木等。中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)則具有顯著的人工綠洲特征,植被以人工灌溉栽培農(nóng)作物和防風(fēng)沙的行道林木等為主。該區(qū)域長(zhǎng)期受到人類生產(chǎn)生活的影響和改造,區(qū)域生態(tài)安全、用水調(diào)配和環(huán)境保護(hù)等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的問(wèn)題始終較為突出。作為我國(guó)生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地區(qū)之一,黑河中游成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)區(qū)域[17]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of the study area

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法

構(gòu)建PSR指標(biāo)體系。PSR模型包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與指標(biāo)層3個(gè)部分：目標(biāo)層即為區(qū)域生態(tài)安全,準(zhǔn)則層包括壓力、狀態(tài)及響應(yīng)3個(gè)部分,指標(biāo)層則為指標(biāo)體系中的各個(gè)具體指標(biāo)。在參考相關(guān)研究[10,18-20]的基礎(chǔ)上,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論構(gòu)建了黑河中游生態(tài)安全PSR指標(biāo)體系：壓力指標(biāo)表示生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的原因,側(cè)重描述外界對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾及人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的獲取強(qiáng)度[10],例如伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地下水等資源的過(guò)度消耗所導(dǎo)致的生態(tài)退化問(wèn)題,本文從社會(huì)發(fā)展、環(huán)境污染、資源消耗等方面展開(kāi)指標(biāo)遴選：其中社會(huì)發(fā)展側(cè)重于描述人口增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力,環(huán)境污染側(cè)重于描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所造成的污染,資源消耗側(cè)重于描述區(qū)域生產(chǎn)生活對(duì)水資源的消耗程度；狀態(tài)指標(biāo)主要表示在各種壓力狀態(tài)下,生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)與功能,如景觀指數(shù)、景觀類型等所發(fā)生的變化；響應(yīng)指標(biāo)則主要表示經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)所采取的應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的具體措施：其中經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)側(cè)重描述通過(guò)增加第三產(chǎn)業(yè)比重從而減少資源需求等措施,社會(huì)系統(tǒng)描述政府及農(nóng)戶采取節(jié)水灌溉、轉(zhuǎn)移勞動(dòng)力等降低資源消耗的措施,生態(tài)系統(tǒng)則根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化反映生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)狀況。同時(shí)依據(jù)科學(xué)性、可操作性、代表性、全面性及可比性等原則,構(gòu)建了PSR指標(biāo)體系(圖2)。

圖2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架Fig.2 Pressure-State-Response framework based on ecosystem services theory

指標(biāo)無(wú)量綱化。由于各個(gè)指標(biāo)量級(jí)不同,因此本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法[19]對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,對(duì)于正向指標(biāo)：

Xij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)：

Xij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中,Xij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；xij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的值；maxxj與minxj為第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)賦權(quán)是生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的重要內(nèi)容,指標(biāo)賦權(quán)法包括主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法,其中熵值法是一種常用的客觀賦權(quán)法。熵是一種對(duì)不確定性的定量,信息量越大,不確定性越小,熵值也越小。一般而言,指標(biāo)離散程度高,熵值就大,反之亦然。本文采用熵權(quán)法[21]對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值,通過(guò)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的特征比重、熵值,進(jìn)而確定各指標(biāo)權(quán)重：

(3)

(4)

(5)

式中,m為研究期；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)；Sij為指標(biāo)的特征比重；ej為指標(biāo)熵值；wj為指標(biāo)權(quán)重。

計(jì)算生態(tài)安全指數(shù)。生態(tài)安全指數(shù)表征研究區(qū)在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)方面的生態(tài)安全水平,指數(shù)越高,則生態(tài)安全水平越高,本文采用綜合指數(shù)法計(jì)算生態(tài)安全指數(shù),計(jì)算公式如下[18]：

(6)

(7)

式中,ESIi為P(壓力)、S(狀態(tài))、R(響應(yīng))3個(gè)層次的生態(tài)安全指數(shù)；ESI為生態(tài)安全綜合指數(shù)；Xij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；wj為第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

障礙因子識(shí)別。障礙度模型可以識(shí)別出對(duì)生態(tài)安全產(chǎn)生障礙的主要影響因子,障礙度計(jì)算公式如下[6]：

Fi=wi×(1-Xi)

(8)

式中,Fi為指標(biāo)的障礙度,wi為指標(biāo)的權(quán)重,Xi為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.1.2其他評(píng)價(jià)方法

景觀格局指數(shù)。景觀格局指數(shù)是計(jì)算生態(tài)安全指數(shù)的重要指標(biāo),選取景觀破碎度和景觀多樣性指標(biāo)衡量生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),計(jì)算公式如下[22-24]：

C=N/A

(9)

式中,C為景觀破碎度,N為斑塊數(shù)；A為總面積。

(10)

式中,H為景觀多樣性,Pi為景觀類型i所占面積的比例,m為景觀類型總數(shù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算方法。采用效益轉(zhuǎn)移法[25]評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,該方法通過(guò)定義每種土地利用/覆蓋類型所對(duì)應(yīng)的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并將其分別乘以每種土地利用/覆蓋的面積來(lái)估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。由于該方法不是所用到的主要方法,因此不對(duì)其加以展開(kāi),具體方法見(jiàn)謝高地等[25]的文章(已根據(jù)研究區(qū)氣候、經(jīng)濟(jì)等實(shí)際情況,對(duì)謝高地等[25]提出的中國(guó)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量進(jìn)行了區(qū)域校正)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.2.1農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)

圖3 農(nóng)戶問(wèn)卷村落分布圖Fig.3 Village distribution of questionnaire investigation

基于參與式農(nóng)村評(píng)估法,對(duì)黑河中游干流流經(jīng)區(qū)域(張掖市甘州區(qū)、臨澤縣及高臺(tái)縣)進(jìn)行了半結(jié)構(gòu)式農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查。首先于2018年7月對(duì)3個(gè)區(qū)縣的節(jié)水政策進(jìn)行了初步了解,并對(duì)農(nóng)戶的生計(jì)方式及對(duì)節(jié)水政策的感知進(jìn)行了初步調(diào)查,在此基礎(chǔ)上明確了問(wèn)卷調(diào)查的主體內(nèi)容。2018年10月開(kāi)展了張掖市甘州區(qū)、臨澤縣及高臺(tái)縣農(nóng)戶對(duì)節(jié)水政策的適應(yīng)與感知調(diào)查,問(wèn)卷主要通過(guò)對(duì)比節(jié)水政策前后生計(jì)策略的轉(zhuǎn)變分析農(nóng)戶對(duì)節(jié)水政策的適應(yīng)策略,并通過(guò)農(nóng)戶對(duì)節(jié)水政策的感知調(diào)查評(píng)估現(xiàn)行政策的合理性,為下一步政策的改進(jìn)提供借鑒。正式調(diào)研覆蓋3個(gè)區(qū)、縣共計(jì)77個(gè)行政村(圖3),取得問(wèn)卷276份,其中包含有效問(wèn)卷259份。通過(guò)將有效問(wèn)卷輸入Excel中實(shí)現(xiàn)問(wèn)卷數(shù)據(jù)電子化,運(yùn)用SPSS等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析,遴選出生態(tài)安全評(píng)價(jià)所需指標(biāo),并為生態(tài)安全對(duì)策與建議的提出提供了基礎(chǔ)。

2.2.2其他數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)、土壤保持?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2001—2015年張掖市統(tǒng)計(jì)年鑒、全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編等；水利數(shù)據(jù)主要來(lái)源于甘肅省水資源公報(bào)；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)；中國(guó)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量來(lái)自謝高地等[25]的文章。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源是維系黑河中游綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,水分充足則綠洲擴(kuò)張,水分短缺則綠洲萎縮,總之水資源的數(shù)量與質(zhì)量決定了綠洲規(guī)模的大小[26-27]。其次,土壤是農(nóng)業(yè)活動(dòng)的基石,雖然黑河流域擁有廣袤的土地面積,但是土地沙化、土壤質(zhì)量退化等問(wèn)題突出,直接影響了土地生產(chǎn)力水平,限制了干旱區(qū)人類生存空間的拓展[28]。因此,黑河中游水土資源的演變對(duì)區(qū)域生態(tài)安全維持有至關(guān)重要的作用,本文即以水土資源為側(cè)重點(diǎn),構(gòu)建了黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：由于中游人類活動(dòng)頻繁,因此壓力系統(tǒng)主要考慮社會(huì)發(fā)展、環(huán)境污染及資源消耗所產(chǎn)生的壓力；狀態(tài)指標(biāo)仍側(cè)重描述生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)與功能；響應(yīng)指標(biāo)則遴選了能夠表征經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)策略的指標(biāo),并在參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-20]的基礎(chǔ)上構(gòu)建黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1：

表1 黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 PSR評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)公式(1)—(5)計(jì)算了黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由表2,在黑河中游生態(tài)安全指標(biāo)體系中,高效節(jié)水灌溉面積的權(quán)重最高,近年來(lái)為保障國(guó)家西部生態(tài)屏障的安全,黑河中游實(shí)施了大規(guī)模高效節(jié)水項(xiàng)目,2001—2015年高效節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)了55.17%,因此該指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的影響程度最高；其次,生態(tài)用水量的權(quán)重為0.0617,在生態(tài)脆弱的黑河中游地區(qū),生態(tài)用水量的多少與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性高度相關(guān),因此生態(tài)用水量的權(quán)重較高；此外,地下水開(kāi)采率與第三產(chǎn)業(yè)比重的權(quán)重均高于0.60,表明其對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的影響程度也較高。

3.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(6)及表2計(jì)算了黑河中游生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)(圖4),結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[18,29]與研究區(qū)實(shí)際情況,建立生態(tài)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)。結(jié)果表明：2001—2015年黑河中游壓力指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)：2001年壓力指數(shù)為0.2615,2008年降為0.1644,2015年進(jìn)一步降為0.0569。該指數(shù)越來(lái)越小,表明生態(tài)系統(tǒng)所面臨壓力越來(lái)越大,壓力指數(shù)對(duì)生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率越來(lái)越低；2001—2015年?duì)顟B(tài)指數(shù)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)：2001年?duì)顟B(tài)指數(shù)為0.1082,2008年增至0.1313,2015年降至0.1236；2001—2015年響應(yīng)指數(shù)越來(lái)越高：2001年響應(yīng)指數(shù)為0.0051,2008年增至0.1590,2015年高達(dá)0.4083,響應(yīng)指數(shù)增長(zhǎng)表明經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)采取了相應(yīng)策略應(yīng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

表2 黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值與權(quán)重

表3 生態(tài)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)公式(7)計(jì)算了黑河中游生態(tài)安全綜合指數(shù)(圖4),結(jié)果表明2001年生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.3748,壓力指數(shù)對(duì)綜合指數(shù)貢獻(xiàn)率最高,表明此時(shí)生態(tài)系統(tǒng)面臨壓力最??；2008年生態(tài)安全綜合指數(shù)增至0.4548,壓力、狀態(tài)與響應(yīng)指數(shù)的貢獻(xiàn)率均為30%左右,表明此時(shí)生態(tài)系統(tǒng)面臨壓力有所增長(zhǎng),同時(shí)開(kāi)始采取積極措施提高生態(tài)安全水平；2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)進(jìn)一步增長(zhǎng)至0.5888,響應(yīng)指數(shù)貢獻(xiàn)率最高,表明經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)采取了一系列措施顯著提高生態(tài)安全水平。根據(jù)表3,2001年生態(tài)安全等級(jí)為“較不安全”,2008年生態(tài)安全等級(jí)升為“臨界安全”,雖然2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)增加,但生態(tài)安全等級(jí)仍處于“臨界安全”狀態(tài)。

圖4 黑河中游生態(tài)安全變化趨勢(shì)Fig.4 Trends of ecological security in the middle reaches of the Heihe River

3.4 障礙因子診斷

根據(jù)公式(8)計(jì)算了各個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的障礙度,列出了2001、2008、2015年障礙度最高的5個(gè)因子(表4),結(jié)果表明2001年影響生態(tài)安全的障礙因子主要是響應(yīng)層指標(biāo),高效節(jié)水灌溉面積是最主要的障礙因子,其次是生態(tài)用水量；2008年影響生態(tài)安全的障礙因子主要是響應(yīng)層和壓力層指標(biāo),高效節(jié)水灌溉面積仍然是障礙度最高的因子；2015年影響生態(tài)安全的障礙因子主要是壓力層指標(biāo),隨著人類生產(chǎn)生活對(duì)水資源的需求增長(zhǎng),地下水開(kāi)采率的障礙度最高,化肥施用量也對(duì)生態(tài)安全產(chǎn)生了顯著影響。以上表明隨著響應(yīng)水平的提高,2001—2015年障礙因子逐漸由響應(yīng)層指標(biāo)轉(zhuǎn)為壓力層指標(biāo),降低水資源消耗量和環(huán)境污染水平成為提高生態(tài)安全水平的重要途徑。

表4 黑河中游生態(tài)安全障礙因子識(shí)別

4 討論與建議

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全格局間的內(nèi)在聯(lián)系,根據(jù)人類社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)間以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)為紐帶形成的反饋機(jī)制,構(gòu)建了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的PSR模型。一方面為生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供綜合的量化指標(biāo)體系提供了邏輯基礎(chǔ),拓展了人們?cè)谏鷳B(tài)安全評(píng)估方法領(lǐng)域的研究視野；另一方面該模型耦合了人類活動(dòng)與區(qū)域生態(tài)安全,利于深入理解黑河中游生態(tài)安全維持機(jī)制,拓展人們對(duì)生態(tài)安全評(píng)價(jià)、生態(tài)安全維持與提高的認(rèn)識(shí)。

黑河中游是流域生產(chǎn)生活的主要承載區(qū),具有較高的農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度。近年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)面臨的環(huán)境污染和資源消耗問(wèn)題越來(lái)越大：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥、農(nóng)藥、薄膜施用量顯著增長(zhǎng),2001—2015年化肥施用量增長(zhǎng)22.84%；此外,生產(chǎn)生活對(duì)水資源的需求量越來(lái)越高,2001—2015年地下水開(kāi)采量增長(zhǎng)一倍有余,隨著生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力越來(lái)越大,壓力指數(shù)持續(xù)降低。在人類活動(dòng)干擾下,中游綠洲生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能略有降低,植被退化、景觀破碎度增加,雖然在濕地保護(hù)工程實(shí)施背景下,水域面積有所增長(zhǎng),但狀態(tài)指數(shù)仍呈現(xiàn)微弱的降低趨勢(shì)。與此同時(shí),經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)采取了相應(yīng)策略應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題：隨著綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展及技術(shù)水平的提高,政府對(duì)高效節(jié)水灌溉工程投入越來(lái)越大,2001—2015年高效節(jié)水灌溉面積增長(zhǎng)了55.17%,在一定程度上改善了缺水狀況。2001—2015年GDP增長(zhǎng)四倍有余,經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)和勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移,濕地保護(hù)工程的實(shí)施也促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng),響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),是生態(tài)安全水平提高的主要原因。

總體來(lái)看,水資源是制約黑河中游綠洲發(fā)展的命脈,水資源豐富與否決定了綠洲規(guī)模的大小。與水資源利用相關(guān)的節(jié)水灌溉面積、生態(tài)需水量、地下水開(kāi)采率等均是影響區(qū)域生態(tài)安全程度較高的因子。維持區(qū)域水資源供應(yīng)平衡,實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用是提高該區(qū)域生態(tài)安全水平的核心。在較短時(shí)間尺度上,水資源供應(yīng)格局呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì),因此,應(yīng)從降低水資源消耗量、提高水資源利用效率角度入手提高區(qū)域生態(tài)安全水平。基于生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合農(nóng)戶調(diào)查問(wèn)卷,提出了以下提高生態(tài)安全水平的建議：

(1)堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先。黑河中游綠洲是全國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地,2001—2015年黑河中游耕地面積增長(zhǎng)20.40%?；牡亻_(kāi)墾、亂砍濫伐導(dǎo)致植被退化,2001—2015年林地、草地面積分別減少19.97%、3.68%。此外,耕地?cái)U(kuò)張及大水漫灌加劇了水資源消耗,2001—2015年地下水開(kāi)采量增加,超越了生態(tài)系統(tǒng)的承載力,影響了區(qū)域生態(tài)安全。因此,為實(shí)現(xiàn)黑河中游生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,必須堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先原則,恢復(fù)與重建黑河中游退化生態(tài)系統(tǒng),保障天然綠洲與人工綠洲協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2)調(diào)整種植和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。2015年黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)用水量占比高達(dá)90%以上,但農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比不足30%,水資源投入產(chǎn)出比例較低。因此,首先需降低高耗水作物比例,在發(fā)展制種玉米的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展大田反季蔬菜、花卉和釀酒葡萄種植等,構(gòu)建“節(jié)水型與高效益”的新型農(nóng)業(yè)體系。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示雖然2001—2015年經(jīng)濟(jì)作物種植比例有所提升,但農(nóng)戶認(rèn)為溫室成本較高,提高相關(guān)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、加大扶持力度有助于提高農(nóng)戶調(diào)整種植結(jié)構(gòu)的積極性。此外,應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè),提高水資源利用效率。

(3)發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)。2001—2015年張掖市微灌和低壓管灌面積分別增長(zhǎng)34767 hm2和43100 hm2,是生態(tài)安全水平增長(zhǎng)的重要原因,但仍存在覆蓋率低、節(jié)水工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低等問(wèn)題。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示,高達(dá)40.96%的農(nóng)戶認(rèn)為滴灌等節(jié)水設(shè)施灌溉效果差,導(dǎo)致糧食減產(chǎn),收入降低。而且農(nóng)戶認(rèn)為滴灌水量過(guò)小,耕地表層土壤干旱,加重了風(fēng)沙危害,以上因素影響了農(nóng)戶參與節(jié)水灌溉的積極性。因此,發(fā)展適于研究區(qū)的高效節(jié)水技術(shù),實(shí)現(xiàn)節(jié)水、增收雙贏才能真正提高節(jié)水灌溉效益,解決水資源短缺問(wèn)題。

(4)提高公眾生態(tài)保護(hù)意識(shí)。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示69.65%的農(nóng)戶認(rèn)為研究區(qū)水資源不短缺,84.05%的農(nóng)戶認(rèn)為水資源污染不嚴(yán)重,76.34%的農(nóng)戶認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展比生態(tài)保護(hù)更重要,表明農(nóng)戶對(duì)水資源短缺、農(nóng)業(yè)面源污染了解較少,生態(tài)保護(hù)意識(shí)淡薄。雖然86.82%的農(nóng)戶注意節(jié)約用水,但主要原因是農(nóng)戶認(rèn)為水資源費(fèi)用定價(jià)高,農(nóng)戶傾向通過(guò)節(jié)約用水減少開(kāi)支,而非自發(fā)節(jié)水行為。因此,亟需加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)宣傳,提高公眾水資源節(jié)約和保護(hù)意識(shí),實(shí)現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

本文運(yùn)用熵值法對(duì)PSR模型的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,該方法根據(jù)各指標(biāo)所提供信息量大小來(lái)確定權(quán)重,克服了主觀賦值法存在的評(píng)價(jià)結(jié)果不穩(wěn)定的現(xiàn)象,在一定程度上提高了評(píng)價(jià)質(zhì)量[20,30]。但是PSR模型在指標(biāo)遴選方面存在一定程度的重疊問(wèn)題：以評(píng)價(jià)大城市生態(tài)安全為例,壓力層常選指標(biāo)為表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)獲取強(qiáng)度的“總?cè)丝凇?而狀態(tài)層常選指標(biāo)為表征生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“林地面積”。實(shí)際上人口數(shù)量增長(zhǎng)越快,城市擴(kuò)張對(duì)林地的侵占程度也越高,因此“總?cè)丝凇迸c“林地面積”存在重復(fù)性,導(dǎo)致生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差,降低了將評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境管理中的可行性。因此,如何科學(xué)遴選獨(dú)立的PSR指標(biāo)體系將是下一步生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文基于PSR模型,耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論,構(gòu)建了黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：其中壓力指標(biāo)主要表征生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的原因,即外界對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所造成壓力及人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的獲取強(qiáng)度；狀態(tài)指標(biāo)主要表征在各種壓力狀態(tài)下,生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)與功能所發(fā)生的變化；響應(yīng)指標(biāo)則主要表征經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)所采取的應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的具體措施。

黑河中游生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明：2001—2015年化肥施用量與灌溉用水增加導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)所面臨壓力越來(lái)越大,但由于經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)采取了相應(yīng)策略應(yīng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,黑河中游綠洲生態(tài)安全水平略有提高,生態(tài)安全綜合指數(shù)由0.3748增至0.5888,生態(tài)安全等級(jí)由“較不安全”達(dá)到“臨界安全”狀態(tài)。

雖然黑河中游生態(tài)安全呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì),但2015年生態(tài)安全等級(jí)仍處于“臨界安全”狀態(tài),且穩(wěn)定性較差,因此黑河中游生態(tài)安全水平有待進(jìn)一步提高。在以上研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果,圍繞干旱區(qū)綠洲發(fā)展命脈—水資源的可持續(xù)利用提出了堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先、調(diào)整種植和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)、提高公眾生態(tài)保護(hù)意識(shí)等提高研究區(qū)生態(tài)安全水平的相關(guān)對(duì)策與建議。