邵月花, 楊調調, 談存峰

(甘肅農業(yè)大學 財經學院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著社會經濟的快速發(fā)展，人類活動強度大、自然資源開發(fā)利用不合理等多重壓力的存在，對生態(tài)環(huán)境資源產生了巨大影響，嚴重威脅流域生態(tài)安全，制約了生態(tài)—社會—經濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，國外學者Quigley[2]以哥倫比亞流域為例構建生態(tài)安全評價體系；Decamps[3]將生態(tài)安全理論拓展到河流污染研究；Atkin[4]，Span[5]分別利用DPSIR模型研究不同尺度、不同領域的生態(tài)安全狀況。隨著生態(tài)安全體系的不斷完善，國內在流域生態(tài)安全研究方面也涌現了大量的案例。艾克旦·依薩克[6]運用PSR(壓力、狀態(tài)、響應)模型分析阿克蘇流域綠洲生態(tài)安全變化趨勢；蘇迎慶等[7]對2006—2018年汾河流域土地生態(tài)安全預警測度及時空格局演變進行研究；黃蕊等[8]通建立BP神經網絡分析中國流域規(guī)劃環(huán)評成效和不足。研究證明流域環(huán)境破壞嚴重、生物多樣性保護功能降低[9]，水土流失風險加大、自然生態(tài)系統(tǒng)退化[10]，城鎮(zhèn)擴張和農業(yè)生產對土壤侵蝕和水質污染作用強烈[11-12]。

渭河干流甘肅段作為“古絲綢之路”的重要樞紐區(qū)，經濟發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化水平屆于甘肅省前列，生態(tài)安全狀況受到廣大學者的關注[13]。然而，關于渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價的方法多為定性評價法，評價體系多圍繞水質指標展開，缺乏對陸域指標的設立和評價。鑒于此，本文在指標選取時不僅關注水體本身，而且充分考慮陸域生態(tài)要素的變化對流域生態(tài)環(huán)境的影響，通過DPSIR模型構建渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價體系對2010—2019年的生態(tài)安全格局進行定量評價，以期為該流域生態(tài)文明建設提供理論支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河干流甘肅段位于104°00′—108°45′E，34°12′—36°10′N之間，南北寬165 km，東西長270 km，總面積約為2.58×104km2，其74%的面積屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，是渭河泥沙的主要來源區(qū)。當今，由于社會經濟的快速發(fā)展，人們對生態(tài)的破壞愈加嚴重，已嚴重影響到該流域的生態(tài)安全，對渭河干流區(qū)內經濟、社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅。

1.2 數據來源與處理

本文選用指標的原始數據來源于2011—2020年的《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《甘肅農村年鑒》《甘肅發(fā)展年鑒》《甘肅省水資源公報》《國民經濟發(fā)展公報》《定西統(tǒng)計年鑒》和《天水經濟年鑒》。通過隸屬度分段函數(Mj)將指標原始數值進行標準化處理，正向、負向指標分別利用公式(1)—(2)進行轉化：

(1)

(2)

式中：Mj為指標Xj轉化后的隸屬度,即標準化值;L為下限值,是研究期間將指標數值從小到大排序再平均分成5段后,第1,2段的節(jié)點數值;U為上限值,是研究期間將指標數值從小到大排序再平均分成5段后,第4,5段的節(jié)點數值;B為基準值,是L和U的中點數值。

1.3 研究方法

1.3.1 DPSIR模型 DPSIR模型分為驅動力(D)、壓力(P)、狀態(tài)(S)、影響(I)和響應(R)5個方面，能夠反映經濟發(fā)展、人類社會活動和生態(tài)環(huán)境之間的相互作用，是目前應用最為廣泛的評價指標體系[14]。根據渭河干流甘肅段生態(tài)環(huán)境面臨的主要問題，從社會、經濟、資源與環(huán)境方面選取反映驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應的評價指標并構建評價體系(表1)。其中，驅動力是促進流域生態(tài)安全系統(tǒng)變化最原始、最關鍵的指標，主要是社會經濟發(fā)展方面的指標，如人口增長率和經濟增長率；壓力指人類直接作用于流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)使其產生變化的力，如污染物排放和其他減小環(huán)境容量的指標；狀態(tài)是在驅動力和壓力的共同作用下流域生態(tài)系統(tǒng)功能的現實狀況，包括植被覆蓋率、水產品供給能力和水源地水質達標率；影響是流域生態(tài)退化、環(huán)境惡化所造成的影響，主要有荒漠化程度和成災面積；響應指當地居民為保護流域生態(tài)安全做出的反應，如提高農業(yè)用水利用率和城鎮(zhèn)污水處理率、建設自然保護區(qū)、增加環(huán)境治理投資力度等。

1.3.2 評價指標權重的確定 采用層次分析法和主成分分析法相結合的方法確定指標權重。首先利用層次分析法對項目層間的兩兩組合進行比較，判斷各指標間的相對重要程度，構造判斷矩陣，進行層次單、總排序和一致性檢驗得到項目層權重值(Wp)；其次利用主成分分析法對研究期間每個項目層下的各個指標提取公因子方差，計算得到每個指標的公因子方差在所有指標公因子方差中的比重，即為指標層權重(Wi)；最后將項目層權重與指標層權重相乘，得到每一個指標的歸一化權重(Wn)(見表1)。

表1 渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價指標體系及權重

1.3.3 綜合評價值和評價等級的確定 采用綜合指數(E)來評價渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況：

(3)

(4)

式中：EO為渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數;Ep為渭河干流甘肅段項目層(驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應)指數;Wnj為第j個指標的歸一化權重;Wij為第j個指標的權重;Mj為第j個指標的標準化值;α為指標個數(α=21);n為每一個項目層下的指標個數。

綜合流域生態(tài)安全現狀并參考相關研究[15]，將渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況劃分為5個等級：0.8

1.3.4 障礙度模型 引入障礙度模型(Oj)分析影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全的主要障礙因子：

(5)

式中：Oj為障礙度,表示第j個指標對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的影響程度;Mj為第j個指標的標準化值;Wnj為第j指標的歸一化權重;α為指標個數(α=21)。

2 結果與分析

2.1 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價

從權重計算結果來看(表1)，項目層中驅動力權重(0.290)和壓力權重(0.224)最大，其次為響應權重(0.174)、狀態(tài)權重(0.172)和影響權重(0.140)，說明驅動力和壓力對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的貢獻最大。從單項指標的歸一化權重來看，人口增長率權重(0.161)和經濟增長率權重(0.130)最大，其次為植被覆蓋率權重(0.071)、農業(yè)用水利用率權重(0.058)，說明人為保護對提高渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況具有較大的作用，且流域本身的生態(tài)系統(tǒng)功能對其未來生態(tài)安全發(fā)展具有重要的導向作用。

2.1.1 渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數分析 依據公式(3)計算得到2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(圖1)。由圖1可知，渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數雖在研究期間總體均不高，但先降低后逐步向好的趨勢明顯： ①由2010年的0.26下降至2011年的0.25，流域生態(tài)安全始終保持在Ⅳ(較危險)等級，說明渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況不容樂觀； ②在2012—2019年，流域生態(tài)安全綜合指數持續(xù)上升，生態(tài)安全狀況也由Ⅴ(危險)先向Ⅳ(較危險)再向Ⅲ(預警)轉變，表明渭河干流甘肅段現階段生態(tài)安全狀況雖較為嚴重，但前景樂觀，必須不斷采取積極有效的治理措施來改善流域的生態(tài)安全狀況。

圖1 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價結果

根據不同時期渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況，可進一步將其生態(tài)安全趨勢劃分為4個階段： ①2010—2011年，Ⅳ(較危險)等級緩慢下降，生態(tài)安全狀況略有降低； ②2012—2014年，Ⅴ(危險)等級穩(wěn)定上升，生態(tài)安全狀態(tài)略微改善，說明2012年生態(tài)文明建設事業(yè)已取得初步成效； ③2015—2017年，Ⅳ(較危險)等級持續(xù)上升，生態(tài)安全恢復態(tài)勢良好； ④2018—2019年，Ⅲ(預警)等級快速上升，生態(tài)安全穩(wěn)步變好趨勢明顯，尤其是在2015年以后。

2.1.2 渭河干流甘肅段項目層指數分析 依據公式(4)分別計算2010—2019年渭河干流甘肅段項目層(驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應)指數，具體結果見表2。驅動力指數在研究期間呈波動下降趨勢，由2010年的0.51波動下降到2019年的0.43，年均減少率為1.57%，說明驅動力中的各項指標對渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況的貢獻度在逐年減小。壓力指數在研究期間總體呈波動下降趨勢。由2010年的0.02波動下降到2019年的0.01，年均減少率為5%，可見在研究期間當地不合理的開發(fā)利用活動有所減少，對流域生態(tài)安全造成的負面影響不斷下降，在一定程度上制約了資源浪費和環(huán)境惡化，促進了流域的可持續(xù)發(fā)展；但壓力中權重較大的指標對流域生態(tài)環(huán)境的破壞依舊嚴重，如化肥施用量、畜禽養(yǎng)殖量、固體廢物排放量和農膜使用量等，建議流域積極采用合理的耕作方式和先進的養(yǎng)護技術，盡量減少化肥、農膜的使用，增加有機肥，保持土壤肥力；同時應合理規(guī)劃當地的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，嚴格禁、限養(yǎng)區(qū)管理，減少糞污及生活垃圾等固體廢物的排放。

表2 2010—2019年渭河干流甘肅段項目層(驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應)指數的變化

狀態(tài)指數在研究期間以2016年為節(jié)點，呈現先波動上升再緩慢下降的趨勢： ①在2010—2016年期間，狀態(tài)指數由2010年的0.35波動上升到2016年的0.90，達到最大值，年均增長率為21.92%，表明該時期內流域積極采取封山育林等措施進行林地養(yǎng)護，提高植被覆蓋率，同時不斷加強生態(tài)治理和修復力度，積極促進水質的改善，從而為渭河干流甘肅段生態(tài)安全局面的形成提供保障； ②在2016—2019年，狀態(tài)指數由2016年的0.90減少至2019年的0.76，年均減少率為3.89%，一定程度上說明在2016年后生態(tài)環(huán)保措施實施效果較不明顯，主要原因是措施實施不到位或先前模式已不適用于當前階段，警示我們必須在保障原有措施的基礎上不斷創(chuàng)新提高流域生態(tài)安全水平的新措施。影響指數整體呈波動下降趨勢，由2010年的0.22下降到2019年的0.09，年均減少率為5.91%，在一定程度上反映出渭河干流甘肅段人均資源存量狀況有所緩解。響應指數在研究期間呈波動上升趨勢，由2010年的0.38波動上升到2019年的0.44，年均增長率為1.58%，說明流域在研究期間通過增加生態(tài)治理資金投入，促使自然保護區(qū)面積增加，不斷提高了農業(yè)用水利用率和城鎮(zhèn)污水處理率，加快了渭河流域甘肅段生態(tài)安全狀況的改善。

2.2 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全影響因素分析

利用公式(5)計算得到2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全指標障礙度(表3)。由表3可知，障礙度數值排在前5位的是X1(人口增長率)、X2(經濟增長率)、X11(植被覆蓋率)、X19(城鎮(zhèn)污水處理率)、X18(農業(yè)用水利用率)，說明人口擴張和經濟快速發(fā)展是直接影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況發(fā)生變化的最主要因素；障礙度數值排在最后2位的是X9(畜禽養(yǎng)殖量)、X10(農膜使用量)，主要原因：相較于其他障礙因子而言，研究區(qū)的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化程度較高且當地的倒茬輪作制度較完善?？偟膩碚f，在影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況的前5位障礙指標中，驅動力(X1，X2)和響應(X18，X19)各占兩個指標，說明驅動力和響應對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的影響明顯。因此，在今后的發(fā)展中，研究區(qū)應注重控制人口增長，堅持經濟發(fā)展和生態(tài)文明建設并重，保證經濟、政治、文化、生態(tài)環(huán)境四者的有機統(tǒng)一，進一步推動經濟與生態(tài)的和諧發(fā)展；同時，應加強基礎設施建設，關注當地的污水處理和農業(yè)用水利用情況，完善居民的排污渠道，推動滴灌、微灌和地面灌等灌水技術的發(fā)展。

表3 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全指標及障礙度

3 結 論

(1) 2010—2019年，渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數呈先降后升的趨勢：先由2010年的0.26下降到2011年的0.25，再由2012年的0.14上升到2019年的0.58，其生態(tài)安全等級也由Ⅳ(較危險)經Ⅴ(危險)先向Ⅳ(較危險)再向Ⅲ(預警)轉變。整體而言，研究區(qū)生態(tài)安全狀況不斷變好，尤其是2015—2019年呈現穩(wěn)步變好趨勢。

(2) 渭河干流甘肅段生態(tài)安全項目層指數變化幅度較小。驅動力、壓力和影響指數在研究期間都呈波動下降趨勢；狀態(tài)和響應指數在研究期間呈波動上升趨勢，說明渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況雖得到一定的改善，但未來的生態(tài)保護與建設任務依舊艱巨。

(3) 通過障礙度計算得知人口增長率、經濟增長率、植被覆蓋率、城鎮(zhèn)污水處理率和農業(yè)用水利用率是影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全的主要障礙因子。