基于壓力-狀態-響應模型的區域生態安全評價研究
——以湖北省恩施州為例

周路林，汪桂生，于偉宣，童 城

(安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 232001)

?

基于壓力-狀態-響應模型的區域生態安全評價研究

——以湖北省恩施州為例

周路林，汪桂生*，于偉宣，童 城

(安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 232001)

[目的]定量評估區域生態安全的基本態勢和變動特征。[方法]以人類活動擾動較大的湖北省恩施州為例，采用壓力-狀態-響應(P-S-R)模型，結合區域自然環境、生態問題、經濟社會發展水平等方面，遴選人口密度、公路密度、人均GDP、人均耕地面積、第三產業比重等16個指標，采用變異系數法和熵權法2種客觀權重賦權法分別對各個指標進行賦權，通過綜合評價法對恩施州各縣市的生態安全進行評定。[結果]恩施州的生態安全度大多處于預警狀態，其中建始縣的生態安全狀況較好，恩施市與巴東縣的生態安全狀況較差。[結論]當地可根據自身實際情況，綜合科技、教育投入等多方面考慮，采取切實、有效的方法以改善該區域的生態環境。

恩施州；P-S-R模型；熵權法；變異系數法；生態安全

生態安全是指一個國家或人類社會生存和發展所需的生態環境處于不受或少受破壞與威脅的狀態，使生物與環境、生物與生物、人類與地球生態系統之間保持正常的功能與結構[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功能區，但是其自身的地質地貌特征決定了該區生態環境具有較高的脆弱性，一旦被破壞就難以恢復。近年來，隨著當地經濟社會的不斷發展以及工業化的逐步展開，區域的生態環境日趨惡化，環境問題逐步暴露出來，生態形勢不容樂觀，主要表現為植被減少導致水土流失嚴重，城市化、工業化和大型項目占用土地造成耕地面積減少以及工業廢棄物、生活垃圾等致使環境污染嚴重等[2]。為了評價恩施地區宏觀生態安全及為區域可持續發展提供科學參考，國內外學者對該地區的生態環境問題進行了較多研究。如詹麗等[3]從人為干擾和環境影響2個方面出發遴選14個指標，采用變異系數法對該地區的生態安全穩定性進行了研究；張家其等[4]通過灰色關聯模型對該地區的生態安全進行評價。然而，這些研究僅使用了單獨一種客觀權重確定方法，無法評估權重確定的不確定性。為此，筆者在既有研究基礎上采用壓力-狀態-響應(P-S-R)模型指標體系，基于變異系數法與熵權法2種客觀評價法對各指標進行賦權，通過對比分析2種客觀權重賦權法對各指標所賦的權重，取2種客觀賦權法的綜合權重作為各指標的最終權重，避免因賦權方法不同而導致評價結果的差別及單一方法帶來的不確定性，采用綜合評價模型對該地區的生態環境進行評價，以期為區域發展政策的制定提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區概況恩施州地跨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；總人口397.61萬；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，總體質量較低，沒有一級地[6]。目前，該區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、旅游發展、工業發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所造成的生態破壞等嚴重的環境問題[5，7]。

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

1.2數據來源研究區域內各縣市人口數、天氣優良天數比率、用水普及率、全州總面積等社會統計資料源于2010年《恩施州統計年鑒》、《恩施州國民經濟和社會發展統計公報》，由湖北統計局官方網站獲得(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。恩施州各縣市邊界的矢量數據等國家基礎地理信息、恩施州數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據網(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。

1.3評價方法

1.3.1評價指標體系的確定。采用由聯合國經濟合作開發署(OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment)所建立的壓力-狀態-響應(Pressure-State-Response，P-S-R)評價體系[4，8-9]。在P-S-R框架內，環境問題可以表述為3 個不同但又相互聯系的指標類型：壓力(Pressure)指標反映人類活動給環境造成的負荷；狀態(State)指標表征環境質量、自然資源與生態系統的狀況；響應(Response)指標表征人類面臨環境問題所采取的對策與措施[9-10]。從P-S-R模型出發，遵循科學性、完備性、針對性、可比性和可操作性的原則[11]，著眼于對區域生態環境、經濟和社會方面的影響，達到自然、經濟和社會之間協調的目的及考慮到與目前各種評價方法相適應，建立指標體系[12]。該研究從自然、社會經濟等領域中遴選出人口密度、人均耕地面積、第三產業比重等16個指標，并對此進行類型劃分，將指標歸類到壓力、狀態和響應3個大類下，建立生態安全評價指標體系(表1)。

1.3.2指標數據的無量綱化處理。由于研究中所涉及的各指標間的量綱不統一，缺乏可比性。因此，需要運用極差標準化法對指標進行無量綱處理。指標的無量綱化處理的主要數學模型如下[13]：

(1)

(2)

式中，xmin為該項指標的最小值，xmax為該項指標的最大值。

表1恩施州生態安全評價指標體系

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

項目Item類型Type指標層Indexlayer指標層代碼Codeofindexlayer研究區生態安全指數Eco-logicalsecuri-tyindexofre-searchregion壓力人口密度(人/km2)公路密度(km/km2)人均GDP(萬元/人)單位面積農藥使用量(kg/km2)單位面積化肥使用量(kg/km2)A1A2A3A4A5狀態人均耕地面積(人/km2)B1空氣優良天數百分率(%)B2坡耕地百分比(%)B3每萬人擁有床位數B4用水普及率(%)B5有效灌溉面積占耕地比重(%)B6響應第三產業比重(%)C1環境保護投入占GDP比重(%)C2建成區綠化覆蓋率(%)C3科教支出占GDP比重(%)C4生活垃圾處理率(%)C5

1.3.3指標權重的確定。確定各評價因素在生態安全評價中所起作用的大小或重要程度(權重)有多種方法，大致可分為主觀和客觀兩大類。其中主觀權重法主要是由專家根據經驗主觀判斷而得，如專家調查法、層次分析法(AHP)[14-15]。這類方法需要大量的調查樣本或專家知識為依據，否則會影響評價的真實度。客觀賦權法是直接根據數據分布特點確定權重的方法，如數理統計法、數據包絡分析法、熵值法、變異系數法等[14-15]?？陀^權重法從數據自身出發來確定權重，避免了人的主觀判斷，在生態評價方面具有一定優勢。為此，該研究采用客觀權重法進行權重的確定，由于不同方法可能導致不同評價結果，因此采用熵值法和變異系數法2種客觀權重方法分別進行權重的確定和對比分析，以判定評價的可信度。

1.3.3.1熵權法。在信息論中，熵值越大，表示評價指標的值相差越小，則該指標的權重較??；反之，某項指標的值相差較大時，則熵值較小，該指標的權重較大[16]。

j項指標下第i個評價對象的指標值的比重為fij，計算方法為：

(3)

Hj為第j項指標的熵值，計算方法為：

(4)

當fij=0時，fijlnfij=0。

計算第j個指標的熵權為wj，計算方法為：

(5)

1.3.3.2變異系數法。根據數據自身差異大小來確定指標權重。指標取值差異越大的指標，也就是越難以實現的指標，這樣的指標更能反映被評價單位的差距[3]。

計算第j項指標的變異系數Qj：

(6)

計算第j項指標的權重wj：

wj=Oj/∑Oj

(7)

1.3.4綜合評價。綜合評價是在指標值規范化和指標權重確定的基礎上進行的[17]。根據獲得的權重和選取指標的數據，采用基于線性綜合加權法模型構造的區域生態安全度綜合指數EQ來對恩施地區的生態安全進行評價。其評價模型為：

(8)

式中，EQ表示生態安全度，EQ∈[0,1];wij為各指標的綜合權重；yij為各指標準化后的值。

2　結果與分析

根據所選各指標的權重及相關評價模型得到恩施州各市縣2010 年生態安全綜合指數及壓力—狀態—響應指數(表2)。由表2可知，采用2種評價方法，各縣市的生態安全綜合指數排序基本不變、結果相近，且各縣市生態安全指數差異很小，不同方法評價結果表明客觀評價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域內生態安全現狀。從壓力方面看，宣恩和鶴峰2個縣的壓力指數最大，利川市最小；從狀態方面看，各個地區的差異較小，表明各地的資源稟賦量相對均勻；從響應方面看，利川、建始、來鳳3個地區指數較大，表明這些地區積極應對環境問題，如加大科教、環保投入，第三產業占GDP比重大，產業轉型較好，積極響應政府號召退耕還林還草，城區綠化覆蓋率普遍較高。

表2　2010年恩施州各市縣壓力-狀態-響應指數及綜合指數

表3　生態安全分級

表4恩施州各市縣的生態安全綜合指數

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

編號Code市縣Countiesandcities生態安全綜合指數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

為了進一步對生態安全進行等級劃分，在參考相關科研成果的基礎上[18]，通過咨詢有關方面的專家以及結合該研究的計算結果，采用等距法[17]將生態安全綜合指數劃分為5個等級，設計恩施州生態安全分級標準(表3)，以期最大程度客觀反映區域生態環境狀況的差異。鑒于利用2種賦權方法得到的結果接近，研究中取2種評價方法的熵權和的均值作為綜合權值對當地的生態安全進行評價的最終結果(表4)。從表4可以看出，恩施州的生態安全度大體處于預警狀態下，各市縣的生態安全指數按大小排序依次為建始、咸豐、宣恩、來鳳、鶴峰、利川、巴東、恩施。其中建始縣的生態安全綜合指數最高，為0.642，生態安全狀況為良好，生態安全度為較安全。這與當地政府積極對環境問題作出及時應對是分不開的，建始縣的響應綜合指數為0.310，遠大于其他市縣，同時建始縣的第三產業比重占總GDP的60.7%，科教投入也相對較大，占總GDP的7.41%，建成區綠化覆蓋面積大、人口素質較高等均有效地維護了生態環境的良性狀況，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、環保意識不強、交通等基礎設施落后等均導致當地生態安全狀況較差，其生態安全度處于危險狀態，建議當地政府加大環境保護的投入，加快實施產業的轉型升級，落實

科學發展觀，促進當地生態環境的改善。其他市縣的生態安全狀況為一般，生態安全度處于預警狀態，建議當地政府采取相關措施改善環境，如加大環境保護、科技、交通、教育的投入，加速城市化進程，以科學發展觀為指導，改善當地環境狀況。

3　結論與討論

該研究采用P-S-R評價模型遴選出16個指標，利用熵權法與變異系數法2種客觀賦權法對所選指標進行確權。采用綜合評價模型計算出恩施州各市縣的生態安全綜合指數，對各市縣生態安全進行評價。經評價發現恩施州的生態安全度大致處于預警狀態，其中建始縣的生態安全狀況較好，恩施市、巴東縣的生態安全較差，應采取相關措施改善當地的生態環境。研究發現恩施州面臨的主要環境問題有水土流失嚴重、人均耕地面積少、環境污染嚴重、人均收入低、生活經濟困難等，建議當地政府深入貫徹落實科學發展觀，堅持退耕還林還草，加大對教育、科技、環境保護、交通等的投資力度，切實改善當地的生態環境，真正做到全面協調可持續的人與自然和諧發展。

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

[1] 陳星，周成虎.生態安全：國內外研究綜述[J].地理科學進展，2005，24(6)：8-20.

[2] 呂春建.保護恩施州生態環境的對策研究[J] 恩施州黨校學報，2006(2)：28-30.

[3] 詹麗，張小月，黃蓉.鄂西南地區生態穩定性評價研究：以恩施自治州為例[J].湖北農業科學，2015，54(4)：1002-1006.

[4] 張家其，吳宜進，葛詠，等.基于灰色關聯模型的貧困地區生態安全綜合評價：以恩施貧困地區為例[J].地理研究，2014，33(8)：1457-1466.

[5] 楊世松，程伯禹.鄂西南巖溶石山地區人居環境容量探討[J].水文地質工程地質，2001(5)：35-39.

[6] 恩施州地方志編篡委員會.恩施州志(1983-2003)[M].武漢：湖北人民出版社，2013.

[7] 岳琳，王瑤.恩施市環境質量現狀分析及污染治理措施[J].現代商貿工業，2007，19(4)：18-19.

[8] 李翔，張家其.貧困山區生態安全動態評價：以湖北省恩施自治州地區為例[J].安徽農業科學，2013，41(32)：12692-12695，12710.

[9] 左偉，王橋.區域生態安全評價指標與標準研究[J].地理學與國土研究，2002，18(1)：61-67.

[10] JERRY M S，MARIANO B，ANNALEE Y.Developing ecosystem health indicators in Centro Habana：A community-basedapproach[J].Ecosystem-health，2001，7(1)：15-26.

[11] 葉亞平，劉魯君.中國省域生態環境質量評價指標體系研究[J].環境科學研究，2002，13(13)：33-36.

[12] 魏興萍.基于PSR 模型的三峽庫區重慶段生態安全動態評價[J].地理科學研究，2014，29(9)：1095-1099.

[13] 高長波，陳新庚，韋朝海，等.廣東省生態安全狀態及趨勢定量評價[J].生態學報，2006，26(7)：2191-2197.

[14] 梁杰, 侯志偉. AHP法專家調查法與神經網絡相結合的綜合定權方法[J].系統工程理論與實踐, 2001(3): 59- 63．

[15] 陶菊春,吳建民.綜合加權評分法的綜合權重確定新探[J].系統工程理論與實踐,2001(8):43-48.

[16] 鄒志紅，孫靖南，任廣平.模糊評價因子的熵權法賦權及其在水質評價中的應用[J].環境科學學報，2005，25(4)：552-556.

[17] 鄒長新，沈渭濤.生態安全研究進展[J].農村生態環境，2003，19(1)：56-59.

[18] 曾翠萍，邱慧珍，張文明，等.基于P-S-R模型的慶陽市的生態安全評價[J].干旱區資源與環境，2010，24(12)：67-72.

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

省級大學生創業創新訓練項目(201510361338)。

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

2016-05-25

S181

A

0517-6611(2016)18-065-03