基于物元模型的高寒草原生態安全評價
——以天祝牧區為例

徐海鵬，焦亞鵬，張紅艷，齊 鵬

(1.蘭州大學 草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020； 2.甘肅農業大學 資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

生態安全一詞最早起源于20世紀40年代的土地健康及土地功能評價，近年來其研究得到國內外學者的廣泛關注[1-2]。而草原生態安全關乎人類的生存環境與可持續發展[3]，草原不僅是發展畜牧業的物質基礎，也是地球上重要的陸地生態系統之一，發揮著極為重要的生態和生產功能[4-6]。我國草原面積廣闊，且主要分布在北方，但近年來受全球氣候變化和人為干擾等因素的影響，我國草原生態系統退化現象十分嚴重[7-8]。草原生態系統是牧區的主體生態系統，其生態安全狀況必將影響到整個牧區的生態安全[9-10]。

目前，有關草原生態安全的評價研究主要有兩個途徑，首先利用熵權法、綜合指數評價和模糊綜合評價方法對草原生態安全進行研究[9-11]；其次，利用GIS結合模糊綜合評價方法進行草原生態安全的評價，研究草原生態安全格局差異分布[12-13]。上述各方法的缺陷是無法得出單因子的生態安全水平，會遺漏評價指標間的分異信息。而物元模型以可拓撲數學為依據，無丟失地綜合各種因素的全部信息，有效解決復雜的不相容問題[10]，從單指標因子以及總體上去評價草原生態安全分級狀況。目前，物元模型在土地生態安全評價方面應用較多，方法已經趨向成熟[14-15]，但在草原生態安全評價中報道較少。張錦華等[16]將基于信息熵的模糊物元模型應用于天然草地的綜合評價，并利用灰色關聯度法進行對比檢驗，二者評價結果基本一致。潘竟虎[17]將熵權物元可拓撲模型應用到黑河流域生態安全評價，說明物元模型可以用于生態系統安全評價。高寒草原是青藏高原典型的生態環境脆弱區，其生態安全的評價至關重要。嘗試將物元模型應用到高寒草原生態安全評價中，構建適合于高寒草原生態安全的評價指標體系，進一步探索草原生態安全的評價方法，以期為高寒草原生態安全的定量化評價和研究提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

天祝藏族自治縣地處祁連山東緣、甘肅省中部，地理位置E 102°07′～103°46′，N 36°31′～37°55′。海拔高度2 040～4 874 m，屬于高寒半干旱氣候，長冬無夏，年均日照時數2 500～2 700 h，年均氣溫-8～4℃且年較差小、日較差大，降水多集中在7～8月，約占全年降水的37%，年均降水量265～632 mm，且年際變化大，自20世紀80年代年降水量逐年減少，年均蒸發量1 200～1 700 mm，是甘肅河西地區的純牧業縣之一[11]。該地區草原類型以高寒草原為主，受自然和人類活動雙重因素的影響，加之對草地的自然粗放式經營，草畜矛盾突出，草原退化逐漸加劇[18-19]，草原生產能力和效益降低，成為制約當地畜牧業發展的主導因素。

1.2 研究方法

1.2.1 基于熵權法的各評價指標權重的確定 數據指標的無量綱化處理，對于越大越優型指標：

(1)

對于越小越優型指標：

(2)

式中：fi為指標標準化后的實際評價值，Xmax、Xmin、Xi分別表示評價指標i的最大值、最小值和實際值。

權重確定：(1)計算熵值

在有m個指標，n個被評價對象的評價問題中，將第i個指標的熵值定義為Ei。

(3)

(2)計算指標的差異性系數 將第i個指標的差異系數定義為ei，則差異系數：

ei=1-Ei；i=1,2,…,m

(4)

(3)確定指標權重 將第i個指標的權重定義為wi，則權重的計算：

(5)

1.2.2 草原生態系統安全評價的物元模型 (1)確定草原生態安全物元 草原生態安全N，草原生態安全特征C和特征值v共同構成草原生態安全物元R[20]。若草原生態安全N以n個特征值C1,C2,…,Cn以及相應的量值v1,v2,…,vn描述：

(6)

(2)確定經典域與節域物元矩陣 草原生態安全的經典域物元矩陣為：

(7)

式中：Roj表示經典域物元，Noj表示所劃分草原生態安全的第j個評價等級，j=(1,2,…,n)；Ci表示第i個評價指標；(aojn,bojn)表示對應評價等級j的量值范圍，即經典域。

草原生態安全的節域物元矩陣表示為：

(8)

式中：Rp表示節域物元；Cn(apn,bpn)表示節域物元關于特征值Cn的量值范圍；p表示草原生態安全的全體等級。

(3)確定待評物元

把待評對象Nx的物元表示為Rx

(9)

(4)確定關聯函數并計算關聯度 將草原生態安全指標關聯函數k(x)定義為：

(10)

式中：X，X0，Xp分別表示待評草原生態安全物元的量值、經典域物元的量值范圍以及節域物元的量值范圍。ρ(X,X0)表示點X與x0=[a0,b0]的距離，ρ(X,Xp)表示點X與xp=[ap,bp]的距離。

(5)計算綜合關聯度并確定評價等級

待評對象Nx關于等級j的綜合關聯度Kj(Nx)為：

(11)

式中：Kj(Nx)表示待評對象Nx關于等級j的綜合關聯度；kj(xj)表示待評對象Nx關于等級j的單指標關聯度j=(1,2,…,m)；ai表示各指標的權重。若

kij=max[kj(xi)],j=1,2,…,n

(12)

則待評對象第i個指標屬于草原生態安全標準等級j；

Kjx=max[Kj(Nx)],j=1,2,…,n

(13)

則待評對象Nx屬于草原生態安全標準等級j

關聯度數值k(x)在實數軸上的大小表示待評對象隸屬于草原生態安全水平某一標準的程度，物元模型的關聯度將邏輯值從模糊數學的[0,1]拓展到(-∞,+∞)后，可以反映更多的分異信息，代表了更為豐富的內涵；當k(x)≥1.0時，表示待評對象超過標準對象上限，當數值越大時開發潛力越大；當0≤k(x)<1.0時，表示待評對象符合標準對象的要求，當數值越大時越接近標準上限；當-1.0≤k(x)<0時，表示待評對象不符合標準對象要求，但具備轉化為標準對象的條件，當數值越大時越容易轉化；當k(x)<-1時，表示待評對象不符合標準對象要求，又不具備轉化成標準對象的條件[14]。

1.3 數據來源

研究的基礎數據主要來源于《中國畜牧業年鑒—統計資料》(2007～2014年)、《武威統計年鑒》(2007～2014年)、中國氣象數據網(http://data.cma.cn/site/index.html)以及天祝縣畜牧局調研資料，最后從基礎數據中整理出研究所需要的本底數據。

2 結果與分析

2.1 高寒草原生態安全評價指標體系及其權重

研究在認真界定草原生態安全概念的基礎上[3,21]，根據各指標數據的可操作性和可獲得性為原則，充分考慮高寒草原生態安全各評價因子的相互關系，利用經濟合作組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)提出的針對生態環境質量評價指標體系設計的P-S-R(壓力-狀態-響應)模型[22]，構建高寒草原生態安全評價指標體系(表1)。該體系由3個具有因果關系的評價指標體系構成，其中，壓力指標主要是人類活動對生態環境造成的不利影響，狀態指標是生態環境對人類活動做出的反應，而響應指標是人類對所產生的環境問題采取的一系列措施。

采用熵權法確定各評價指標體系的權重。首先根據無量綱化計算公式(1)和(2)，得到天祝牧區2007～2014年草原生態安全評價指標數據標準化處理結果，然后根據計算熵權法的公式(3)，(4)和(5)，計算得到天祝牧區高寒草原生態安全各評價指標的權重(表1)，其中壓力指標體系所占權重最大，狀態和響應指標體系所占權重較小，說明壓力指標體系在牧區草原生態安全評價中發揮著重要作用。

表1 天祝牧區高寒草原生態安全評價指標及權重Table 1 The evaluation index and its weight of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area

注：“-”表示指標數據直接查閱資料獲得

2.2 基于物元模型的高寒草原生態安全評價

2.2.1 草原生態安全評價經典域、節域的確定 經典域值的確定主要參考國家環保總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》標準、全國平均水平、武威平均水平以及相關文獻的研究結果[15,17]，最終將天祝牧區高寒草原生態安全劃分為N01(安全)、N02(較安全)、N03(稍不安全)、N04(不安全)、N05(極不安全)5級，并以此來建立物元模型的經典域R01、R02、R03、R04、R05和節域Rp。

2.2.2 草原生態安全待評物元的確定 以2007,2010和2013年為代表實例，根據各評價指標的具體量值，天祝牧區2007、2010和2013年高寒草原生態安全評價的待判物元矩陣表示為R2007，R2010和R2013：

2.2.3 草原生態安全評價結果 根據草原生態安全的待判物元的具體量值，計算得到天祝牧區2007～2014年各評價指標對應的關聯度及評價等級(表2)。從單項指標評價結果分析，在所構建的高寒草原生態安全評價的12個指標中，影響天祝牧區高寒草原生態安全的主要因素有兩大類，促進因素和干擾因素。干擾因素主要包括人口自然增長率、草原退化率、超載率、人口密度、人均水資源量、人均草原面積、牧業總產值、牧業從業人員比重、草原圍欄面積等9個因素，影響最為嚴重的是草原退化率和超載率，多年一直呈現“極不安全”的狀態，這些因素主要與壓力性狀有關，是制約天祝牧區高寒草原生態安全提高的主要因素。其次是牧業從業人員比重，2007～2014年一直呈現不安全的狀態，牧業總產值和草原圍欄面積隨著時間序列變化均向“較安全”的方向發展。

綜合評價結果表明，2007～2014年天祝牧區高寒草原生態安全均處于“安全”狀態，但是各年份的綜合關聯度均介于(-1,0)，說明2007～2014年天祝牧區高寒草原生態安全水平不符合評價等級的標準目標要求，但存在向標準經典域和目標轉化的條件(表3)。從2007～2014年草原生態安全級別的數值可以看出，K1N2012>K1N2011>K1N2014>K1N2013>K1N2010>K1N2009>K1N2007，說明2011年和2012年的天祝牧區高寒草原生態安全更接近標準上限，其草原生態安全程度較其他年份高，更具備向標準等級范圍轉化的潛力。

表3 2007～2014年天祝牧區高寒草原生態安全綜合評價結果Table 3 The evaluation results of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area from 2007 to 2014

3 討論

牧區在維護生態安全和促進區域經濟發展方面發揮著重要作用[23]。草原生態系統是牧區的主體生態系統，是牧區可持續發展的重要保障，其安全與否直接影響到牧區經濟的發展。研究發現制約天祝牧區高寒草原生態安全的主要因素為草原退化率和超載率，多年一直呈現“極不安全”的狀態，這與賈艷紅等[9]利用熵權法對甘肅牧區草原生態安全的評價結果趨同，說明超載率和草原退化率是影響天祝牧區高寒草原生態安全壓力的主要因素，而傳統的原料型畜牧業的發展模式可能是導致該牧區超載過牧的主要原因[10]。2007～2014年，農牧民人均純收入由“不安全”逐漸轉為“安全”，牧業總產值由“極不安全”逐漸發展為“較安全”，說明天祝牧區農牧民的生活水平進一步提高，與國家提出的草原補獎政策的實施密切相關，促進了牧區經濟的發展。草原圍欄面積作為人為施加的措施，隨著時間序列的變化，呈現出由“不安全”向“較安全”的發展趨勢，說明政策引導及人為的措施對于保障草原生態安全發揮著重要的作用。物元模型綜合評價結果表明：天祝牧區高寒草原生態安全2007～2014年呈現“安全”狀態，總體發展良好，但是個別指標評價等級仍不樂觀，存在較大的分異，天祝牧區2007～2014年高寒草原生態安全綜合關聯度均不符合標準對象的要求，說明該牧區高寒草原生態系統十分脆弱，易受到外界條件的干擾且敏感度高，仍存在惡化的風險。

牧區經濟貧困落后與草原生態安全之間存在著互為因果、互相強化的惡性循環關系[23]。天祝屬于純牧業縣，在經濟的發展過程中應該考慮其草原生態環境，首先應該加強控制實際的載畜量，降低超載率，防止退化草原的持續惡化，同時還應注重草原牧區科教事業的發展[23]，提高該區域農牧民的受教育水平。鑒于天祝牧區高寒草原生態安全的敏感性和脆弱性，在未來的發展中各級政府尤其要重視該地區草原生態安全，制定相關政策保障該地區高寒草原的生態安全。

4 結論

天祝牧區高寒草原生態安全2007～2014年呈現“安全”的狀態，總體發展良好，但部分指標回落，超載率和草原退化率是制約該牧區高寒草原生態安全的主要因子。利用物元模型評價得出的天祝牧區高寒草原生態安全結果與實際客觀情況較為吻合，說明該評價方法在高寒草原生態安全的評級中具有一定的應用價值。但是物元模型在高寒草原生態安全評價的研究較少，所以模型中量值范圍的確定及模型的普適性仍需深入分析和研究。