張明軒

（哈爾濱師范大學地理科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

目前我國正處于城市快速發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境在為人們提供各種需求的同時也在面臨諸如空氣污染、水資源減少、固體廢棄物增加、資源承載力加劇等挑戰(zhàn)，這些都在制約城市發(fā)展。如何在滿足人類日益發(fā)展需求的同時又不損害生態(tài)系統(tǒng)的安全是我們最值得探討的問題。因此生態(tài)安全的研究對于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的研究意義，能明確城市發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)發(fā)展趨勢，因地制宜的為城市發(fā)展提供可行性意見，全方位帶動城市高質量發(fā)展。

生態(tài)安全已經(jīng)成為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和土地集約化利用的重點研究領域。國內將生態(tài)安全評價與時空格局演變［1-2］、影響因素［3］、耦合協(xié)調［4-5］、動態(tài)預警［6］、障礙因子［7-8］等相結合，綜合評價生態(tài)安全。在指標體系的選取上常采用壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型［7］和驅動力-狀態(tài)-響應（DSR）模型等。常用的分析方法有AHP層次分析法［9］、主成分分析法［10］、DPSIR模型分析［8,11］、空間變異系數(shù)法［11］等對生態(tài)安全進行綜合分析，擴大生態(tài)安全的研究方法和層次。

國外對于生態(tài)安全的研究起步較早，1989年國際應用系統(tǒng)分析研究所首先提出生態(tài)安全是指生態(tài)遭受壓力卻不受威脅的狀態(tài)［12］。隨后生態(tài)安全的研究逐漸系統(tǒng)化，研究層次逐漸深入，評估模型在最初的壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型［13］基礎上又建立新的DPSIR模型深入研究海洋［14］、綠色基礎設施［15］、濕地［16］等生態(tài)環(huán)境的生態(tài)安全，深入與可持續(xù)發(fā)展的聯(lián)系［17-18］，生態(tài)安全是整個人類安全體系的重要基礎，是人類生存的基石。了解生態(tài)安全狀況，是作出避免生態(tài)災害決策的關鍵。

但大多數(shù)學者關注的是生態(tài)與土地和環(huán)境的相互制約，主要涉及對生態(tài)安全、土地利用的評價?，F(xiàn)有的生態(tài)安全機制和信息服務系統(tǒng)的基礎研究，在解決生態(tài)安全問題的能力上還處于初級階段。本文基于哈爾濱城市發(fā)展現(xiàn)狀，應用PSR-TOPSIS模型對生態(tài)安全進行綜合測度，并用障礙度模型計算出主要致脆因子，使決策者能夠更好地了解生態(tài)安全，制定政策以實現(xiàn)環(huán)境質量的提高，為當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境維護和城市可持續(xù)發(fā)展提供對策。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域哈爾濱市為黑龍江省省會，總面積53 186 km2，占黑龍江省面積的11.2%，地處松嫩平原，地勢平坦，冬長夏短，降水主要集中在6—9月。煤炭型資源城市，生態(tài)環(huán)境面臨較大考驗，2018年，城市環(huán)境空氣質量達標天數(shù)85.6 d，水環(huán)境檢測斷面數(shù)46，II類水質斷面比例僅占6.5%，市區(qū)工業(yè)廢氣排放量4.892 6×1011m3，占廢氣排放量的88.63%；全市工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量為490.4 t，垃圾處理方式主要以焚燒和填埋為主，也會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于2009—2018年《黑龍江統(tǒng)計年鑒》和《哈爾濱統(tǒng)計年鑒》，選取人口密度、土地生產(chǎn)力、污水利用率、固體廢棄物綜合利用率等指標，部分數(shù)據(jù)需要通過計算得出，缺失數(shù)據(jù)通過插值法計算補全。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

對哈爾濱市生態(tài)安全的評價需要考慮環(huán)境、生態(tài)、自然環(huán)境與人類的關系等多方因素的共同作用，構建科學合理的指標體系是研究的關鍵。本文基于哈爾濱市發(fā)展現(xiàn)狀，從壓力、狀態(tài)、響應，三個維度選取合適的指標，分別反映哈爾濱市生態(tài)安全所承受的壓力、人類活動對區(qū)域造成的影響，以及針對性的開展應對措施，提升生態(tài)安全的能力（表1）。文中在參考現(xiàn)有文獻的基礎上［18-19］，遵循指標可獲取性原則，結合哈爾濱市生態(tài)安全特征，構建評價指標體系，按照熵值法的步驟確定了各評價指標的權重（表2）。其中“+”、“－”表示指標的正負屬性。

表1 生態(tài)安全評價指標體系Table 1 Evaluation index system of ecological security

2.2 計算指標權重-熵值法

根據(jù)各指標對總體評價的貢獻度差異性，選取熵值法確定各指標在評價體系中的權重。假設選取n個年份的數(shù)據(jù)作為研究樣本，設計m個評價指標體系，kij表示第i個年份的第j個評價指標體系（i=1，2,3,......n,j=1,2,3.....m）

（1）正負指標的無量綱化

對于正向指標：

對于逆向指標：

（2）計算第j個評價指標在第i個年份所占比重

（3）計算第j項評價指標的熵值：

（4）定義評價指標的權重

2.3 TOPSIS法評價模型

TOPSIS法是一種常用的綜合評價方法，充分利用原始數(shù)據(jù)指標評價方案之間的差距。貼近度取值在0和1之間，值越接近于1，評價指標越接近于最優(yōu)水平。

(1)建立權重規(guī)范化矩陣

通過計算權重規(guī)格化值，建立關于權重規(guī)范化值的權重規(guī)范化矩陣。

i=1,2,...,m;j=1,2,...,n.

建立權重規(guī)范化矩陣

Vij=Wj×Rij,i=1,2,...,m,j=1,2,...,n.

（2）確定正負理想解

根據(jù)權重規(guī)范化確定正負理想解

正理想解:y+={maxi Vij|i=1，2，3，…，m}

負理想解:y-={mini Vij|i=1，2，3，…，m}

maxi Vij和mini Vij為加權規(guī)范化矩陣最大值和最小值。

（3）計算距離尺度

計算指標貼近度

用貼近度表示城市生態(tài)安全指數(shù)，C*i越大，表示城市生態(tài)安全越接近最優(yōu)狀態(tài)。結合研究區(qū)現(xiàn)狀，參考生態(tài)安全等級劃分的相關文獻［6-9］，將生態(tài)安全劃為五個等級（表2）貼近度越接近于1，表示城市生態(tài)越穩(wěn)定，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力強。

表2 生態(tài)安全評價等級劃分Table 2 Classification of ecological security assessment grades

2.4 障礙度模型

障礙度的分析可以對區(qū)域生態(tài)發(fā)展進行病理診斷，對主要障礙因子進行評價和提煉，有利于城市針對性的開展治理措施。

Lij為單項指標的標準化值，通過極值標準化法獲得；Iij為指標偏離度，單指標對總目標的權重；Fij為因子貢獻；Mij為單項指標對生態(tài)安全的影響程度；Nij為準則層的障礙度。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)安全綜合狀況評價

從圖1可以看出，2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全水平整體上變化不顯著，處于穩(wěn)步發(fā)展階段，貼近度變化的極值由2009年的0.305變化到極大值為2017年份0.711，總的變化跨度為0.406。整體安全等級也由較不安全向較安全等級過渡。2015年以后生態(tài)安全評價值顯著上升，2015—2016年整體上升0.181，這兩年生態(tài)安全指數(shù)處于基本安全或較安全級別。

圖1 生態(tài)安全綜合指數(shù)Fig.1 Ecological security composite index

由圖2可以看出，S+i值總體上呈下降趨勢，由2009年的0.451下降至2018年的0.217下降了0.234，逐漸接近正理想。值總體上呈現(xiàn)與變化趨勢相反的上升方向，由2009年的0.198上升到2018年的0.472，上升了0.274，逐漸偏離了負理想值。通過生態(tài)安全綜合變化指數(shù)來看，哈爾濱市生態(tài)安全演變可以分為三個階段。第一階段為2009—2015年的小幅上升階段，趨勢較不穩(wěn)定，整體處于較不安全水平，研究期間內生態(tài)安全指數(shù)極值變化水平為0.153，變化幅度不明顯。即使綠化覆蓋率和人均公園綠地面積較高，但早期農(nóng)耕發(fā)展破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，城市空氣污染物等排放較高，水污染物和空氣污染較嚴重，造成了生態(tài)環(huán)境的破壞；第二階段為2015—2017年快速發(fā)展階段，城市生態(tài)安全綜合指數(shù)快速上升，由2015年0.458上升到0.711，年均增長12.65%，生態(tài)安全水平躍升到較安全階段；研究期間內，哈爾濱市人口密度減少，人口的減少削弱了對環(huán)境的壓力，以及對資源和環(huán)境的需求，這個階段城市廢水和廢氣排放量也相對減少，這些內在因素都是生態(tài)安全水平提高的驅動因素；第三階段為2017—2018年波動變化階段，2016年SO2排放26217t，但2017年排放量高達35 398 t，工業(yè)污染加劇，使哈爾濱市生態(tài)環(huán)境發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。伴隨《哈爾濱市環(huán)境總體規(guī)劃》（2017—2030年）的編制，環(huán)境空間分區(qū)管控和生態(tài)紅線的設置和管控，都促使哈爾濱市向更好的發(fā)展趨勢邁進，保障城市環(huán)境安全，維護生態(tài)系統(tǒng)健康。

圖2 哈爾濱市生態(tài)安全發(fā)展趨勢Fig.2 Development trend of Land ecological security and in Harbin

3.2 生態(tài)安全子系統(tǒng)分析

基于綜合分析哈爾濱市生態(tài)安全的基礎上，運用TOPSIS得出安全各子系統(tǒng)的發(fā)展狀況。2009—2018年間，哈爾濱市生態(tài)安全各子系統(tǒng)隨時間變化趨勢較不平穩(wěn)（圖3）。

圖3 生態(tài)安全各自系統(tǒng)指數(shù)Fig.3 Respective system indexes of ecological security

3.2.1 生態(tài)安全壓力子系統(tǒng)

哈爾濱市生態(tài)安全壓力子系統(tǒng)2011—2015年測度值都在0.35以下，較多階段處于不安全水平，早期哈爾濱城市發(fā)展廢氣和廢水等排放數(shù)量較大，年排放量造成嚴重的環(huán)境污染，影響生態(tài)安全的提高，過大的人口密度加劇了土地承載壓力。2015年以后壓力系統(tǒng)貼近度逐步提高，2018年貼近度增高0.737，生態(tài)安全水平得到良好發(fā)展，污染物等對生態(tài)壓力的作用較弱，環(huán)境得到很大提升。總體上看，哈爾濱市自2009—2018年生態(tài)壓力貼近度呈現(xiàn)上升的發(fā)展態(tài)勢。研究表明，生態(tài)環(huán)境的治理和產(chǎn)業(yè)轉型是實現(xiàn)生態(tài)安全的良好途徑之一，而生態(tài)安全水平的提高又是可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)良保障。

3.2.2 生態(tài)安全狀態(tài)子系統(tǒng)

生態(tài)安全子系統(tǒng)發(fā)展較不平穩(wěn)，總體與壓力系統(tǒng)發(fā)展趨勢相反，在2010—2011年間存在很大一個躍升階段，這年土壤生產(chǎn)力上升幅度較大，糧食產(chǎn)量較高，土地利用率較高，貼近度從0.209增加到0.899，逐漸突破安全等級。但2010年以后狀態(tài)子系統(tǒng)貼近度逐漸下降，這與建成區(qū)綠化覆蓋率和人均公園綠地面積的減少以及土地生產(chǎn)力的下降有關，狀態(tài)層面的停滯不前甚至下降趨勢都是哈爾濱市生態(tài)安全提升的主要障礙。

3.2.3 生態(tài)安全響應子系統(tǒng)

區(qū)別于生態(tài)安全壓力和狀態(tài)子系統(tǒng)，響應子系統(tǒng)在十年間增幅最為明顯，幾乎都處于穩(wěn)步上升階段，生態(tài)系統(tǒng)安全水平也由不安全躍升到安全水平。由最初的0.066躍升到2018年的0.818，研究時期內，哈爾濱市對污染物的處理水平一直在提高，工業(yè)固體廢棄物水平由76.3%提高到87.2%，污水處理率和垃圾無害化處理率等提高到90%以上，政策的出臺實施加強對生態(tài)環(huán)境提高的保護力度。緩解壓力層帶給城市的污染，保障了人民生產(chǎn)、生活、生態(tài)的綜合提高、提升居住和生活環(huán)境的同時帶動了整個哈爾濱市生態(tài)安全水平的良好發(fā)展。

3.3 生態(tài)安全障礙因子分析

由表3可知，壓力、狀態(tài)、響應準則層對生態(tài)安全的障礙度貢獻程度差異明顯。壓力層障礙度先上升后下降，狀態(tài)層障礙度與響應層障礙度都存在不同程度變化。壓力層障礙度一直是研究期間內最大的障礙因素，障礙度的值基本都在40%以上，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，變化差異顯著，2014年占總障礙度的82.54%，到了2018年卻只占到了總障礙度的44.16%，最大障礙度與最小障礙度之間相差38.38%。主要是生態(tài)文明理念的提出，讓人們對生態(tài)環(huán)境的重視日益加強，產(chǎn)業(yè)轉型等措施使污染物排放減少，削弱了壓力層面對生態(tài)環(huán)境的破壞。狀態(tài)層障礙度在波動中上升，到了2018年，逐漸縮小與壓力層障礙度的差距，成為僅次于壓力層，位于第二貢獻度的準則層，綠化和公園面積的減弱都加劇了環(huán)境壓力，狀態(tài)層障礙度逐漸上升。響應層與狀態(tài)層一直是障礙度第二或者第三的位置，2014年后，響應層障礙度穩(wěn)居第三位置，成為障礙度貢獻最小的準則層。與障礙度第二名和第一名差距在30%左右，隨著城市的發(fā)展和科學技術的不斷進步，污水處理率、垃圾無害化處理率能力日益加強，到了2018年，處理水平都在90%以上。

表3 2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全準則層指標障礙度Table 3 Indicator obstacle degree of Harbin Ecological security criterion layer from 2009 to 2018

表4 2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全指標層主要障礙因子障礙度Table 4 Obstacle degrees of major obstacle factors in Harbin ecological security indicator layer from 2009 to 2018

指標層因子較多，本研究主要選取了貢獻度位于前三的三個貢獻因子作為具體分析對象。2009—2018年，人口密度D2和人均耕地面積D5位于障礙度首位，2016年障礙度開始向市區(qū)區(qū)域環(huán)境噪聲平均等效聲級值D3、建成區(qū)綠化覆蓋率D6轉移，D2、D5退出主要障礙因素層面。早期人口密度過大，人均耕地面積減少，過大的人口數(shù)量致使環(huán)境承載力加劇，生態(tài)環(huán)境遭受打擊，但研究后期，哈爾濱市開始注重生態(tài)環(huán)境的改善，人口密度和人均耕地面積得到了有效控制，但對城市綠化基礎設施的改造不強，綠化覆蓋率減小，由最初的39%減小到35%，下降了4%，綠化環(huán)境治理不強。工業(yè)SO2排放量D1、土壤生產(chǎn)力D8、污水處理率D9、一般工業(yè)固體廢物綜合利用率D11障礙度逐漸上升，印證了哈爾濱市在生態(tài)環(huán)境治理方面力度加強，整體生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)也有所上升。

總體哈爾濱市生態(tài)安全障礙因子由壓力層面向狀態(tài)和響應層面過渡，這說明阻礙生態(tài)安全的主要因子隨著城市發(fā)展在不斷變化，今后在生態(tài)環(huán)境的治理上應有所側重，維護主要發(fā)展優(yōu)勢，積極治理發(fā)展的主要障礙因子，因地治理發(fā)展生態(tài)，促進城市可持續(xù)發(fā)展。

4 結論

本研究基于PSR（壓力-狀態(tài)-響應）模型構建哈爾濱市生態(tài)安全評價指標體系，通過計算得出如下結論：

（1）哈爾濱市生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)小幅波動，在研究期間內總體發(fā)展態(tài)勢良好，由較不安全上升到較安全等級。發(fā)展過程主要為小幅度變化階段（2009—2014年）、快速上升階段（2014—2016年）、波動發(fā)展階段（2016—2018年）。

（2）各子要素層發(fā)展不平衡，壓力子系統(tǒng)發(fā)展趨勢較不平穩(wěn)，響應子系統(tǒng)上升趨勢明顯，幅度較大，狀態(tài)子系統(tǒng)有下降趨勢。

（3）哈爾濱市生態(tài)安全障礙因子隨著城市和生態(tài)發(fā)展，各層面對障礙度的貢獻不同，壓力層面影響逐漸減弱，狀態(tài)層障礙度逐漸上，響應子系統(tǒng)障礙度最小這一結果與生態(tài)安全TOPSIS得到的貼近度所體現(xiàn)發(fā)展一致。綠化率覆蓋率、固體廢棄物綜合利用率等指標障礙度逐漸上升，哈爾濱市應重點治理發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)，保障生態(tài)安全的提升。