基于PSR模型的生態文明示范區生態安全評價及其障礙診斷

呂添貴, 孔安妮, 汪 立

(1.江西財經大學 旅游與城市管理學院, 南昌 330013; 2.江西財經大學 生態文明研究院, 南昌 330013)

隨著我國工業化與城鎮化進程的不斷推進，水土資源開發利用強度加劇、人口規模不斷擴大和居民消費日益提升，這些都對區域生態安全形成了潛在威脅。生態安全作為在不削弱自然儲備基礎上，一個社會的資源環境系統足以滿足經濟社會發展需求的狀態，其以生態環境系統為研究對象，旨在分析評價人類活動與生態環境系統兩者的交互作用及其影響[1-2]。當前我國正處于推進國家生態文明建設示范區的新階段，如何合理評價生態文明示范區生態安全狀態，促進區域的生態文明建設的有序推進已成為當前研究熱點[3-5]。

目前，關于區域生態安全問題研究已受到諸多關注，學者們從不同角度進行探討。在研究尺度上，主要以國家、行政區域、流域生態以及特定類型生態系統為對象，探討不同尺度下生態安全評價與仿真模擬研究；在研究視角層面，則由單一化要素的自然評價向社會—經濟—生態為整體轉變；在模型選擇上，建立了包含數學、景觀生態學及數字地面等模式；在理論框架層面，包含PSR，DPSIR，DPSIRM等；而評價方法則包含景觀格局分析法、數字生態安全法、生態足跡法等[6-7]；在研究工具上則包括聚類分析法、物元分析法、GIS法分析法等[8-9]。綜上所述，已有研究在區域生態安全評價尺度、方法、理論框架等的研究極大地豐富了生態安全評價研究，為后續生態安全評價及其診斷影響因素奠定了良好基礎。但縱觀已有研究，當前生態安全評價多以不同尺度為研究范疇，而以生態文明示范區為研究對象的生態安全評價相對較少，由此容易導致研究結論的現實指導意義不足等。江西省作為生態文明建設先行示范區，也是我國創建生態文明建設試點的重要組成部分。隨著江西省新型城鎮化和工業化進程的推進，生態文明先行示范區的區域生態安全矛盾日漸凸顯，評價區域生態安全已成為實現生態文明建設不可回避的現實需求，探討其時空演化過程更具代表性。鑒于此，本研究在分析生態文明建設示范區基礎上，以江西省為研究對象，嘗試通過構建PSR框架構建生態安全評價指標體系，探索生態文明建設示范區生態安全時空演化，通過障礙度模型診斷生態安全影響因素并提出優化路徑，旨在為其他生態文明示范區生態安全評價提供借鑒。

1 研究區概況與研究框架

1.1 研究區概況

江西省位于中國東南部，長江中下游南岸，地處北緯24°29′14″—30°04′41″，東經113°34′36″—118°28′58″，多屬山地丘陵地區，生態環境良好，森林覆蓋率高達63.10%，境內降水充沛且氣候溫暖，屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，且河流湖泊眾多，擁有贛江、撫河、信江、修河、饒河五大河流及我國第一大淡水湖鄱陽湖，具有得天獨厚的自然生態環境。然而，由于城鎮化工業化發展與自然地理條件因素的綜合作用，區域內自然植被退化、水土流失嚴重、境內輕度以上水力侵蝕面積仍達2.45萬km2，水土流失嚴重抑制了江西省的農業發展，成為制約其社會經濟可持續發展的重要因素。尤其是2018年國務院批準《江西省生態文明先行示范區建設實施方案》，標志著江西省生態文明先行示范區上升為國家戰略。江西省作為生態文明示范區，2018年末常住人口4 666萬人，其中城鎮人口2 679萬人，城鎮化率達57.40%，研究區域處于快速城鎮化發展階段。值得注意的是，江西省作為重要的糧食出口區域，區域內綠色農產品、有機食品發展優勢突出，其水土流失、生態環境脆弱現象嚴重，呈現出對等級優良生態環境的需求同生態環境脆弱現狀的矛盾，為此，如何將生態優勢轉變為發展優勢為全國生態文明建設積累經驗和提供示范，評價生態文明示范區生態安全并診斷其影響因素，已成為構建生態文明示范區生態安全格局的必然選擇[10-11]。

1.2 研究框架

生態文明示范區作為協調生態環境保護與城市化建設重要區域，良好生態環境是生態文明建設的重要組成部分。而“壓力—狀態—響應”PSR(Pressure-State-Response)作為環境質量評價學科中生態系統健康評價的重要模型，可體現人與環境兩者之間的相互作用關系。為此，在生態文明示范區建設過程中，城市化建設從自然環境中獲取生存與發展所需資源同時，又向生態系統排放廢棄物，從而改變了自然生態系統質量，而自然環境狀態的變化又反過來影響人類的社會經濟活動和福利，并通過行為規制做出反饋，如此構建了生態文明示范區“壓力—狀態—響應”循環模式(圖1)。

圖1 基于PSR模型生態文明示范區生態安全分析框架

在該框架體系中，人類活動的壓力方面通過狀態指標為響應方面提供信息，而生態系統服務管理部門則通過響應采取措施緩解壓力，為此構成了壓力—狀態—響應多重多因素對生態文明示范區生態系統破壞、保護和反饋的全過程。其中，壓力指標表征生態文明示范區社會和經濟活動對自然環境的作用，如城鎮化、工業化發展引起的土地利用覆被變化產生環境破壞和擾動；狀態指標表征特定時間階段的環境狀態和環境變化情況，包括生態系統與自然環境現狀、人類的生活質量和健康狀況等；響應指標指社會和個人如何行動來減輕、阻止、恢復和預防人類活動對環境的負面影響。尤其是，通過構建人與生態環境相互作用關系模型來進行生態安全評價，即人類通過開發利用自然資源以及能源保證自身社會經濟的發展和生活水平的提升，由此生態文明示范區生態環境需承擔人類社會發展帶來的壓力，生態環境系統在原有狀態的基礎上做出反饋，重新反饋于社會經濟發展過程，與此同時人類對生態環境系統的反饋，利用科技、政策手段提出積極響應[12-14]。

2 指標選取與研究方法

2.1 指標選取與數據來源

2.1.1 指標選取 本文結合生態文明示范區生態環境以及社會經濟發展現狀，采用可綜合多方面指標PSR模型構建生態安全評價指標體系[15]，基于圖1理論分析框架，考慮到江西省作為生態文明示范區實際、數據可獲性及其相關研究，選取了16個評價因子(表1)。

表1 生態文明示范區生態安全評價因子及其權重

(1) 壓力因子。驅動壓力源于社會經濟發展對資源環境脅迫與影響，其中，城鎮化率表征城市化與工業化驅動所帶來的社會經濟發展壓力；人口密度以及人口自然增長率則衡量人口壓力，共同表征人口、社會經濟發展、環境破壞對于生態環境產生負荷；單位土地面積施用化肥量及單位土地面積農藥使用量表示土地開發利用污染造成的環境壓力。

(2) 狀態因子。狀態則表征生態環境下現實狀態，其中，人均水資源量衡量生態環境系統持水功能狀態；第一產業占GDP比重表征生態環境系統提供農產品功能狀態；單位GDP能耗表示生態文明示范區生態環境系統資源消耗狀態；森林覆蓋率表示生態環境系統氣候調節等功能的狀態；建設用地面積比重則表征生態文明示范區土地資源利用狀態；單位工業產值耗水量表示系統內水資源利用狀態，共同表示能源資源、水資源、土地利用程度以及產業發展的系統狀態。

(3) 響應因子。響應則體現對生態環境狀態的應對水平，其中，工業固體廢物利用率衡量節約資源控制污染響應；而生態環境耗水比重則衡量環境治理響應；固定資產投資比重和人均GDP表示生態環境系統治理的經濟響應；第三產業占GDP比重表示優化產業結構控制污染的積極行動，共同表征生態文明視域下從經濟響應、污染控制和產業優化等對恢復、改善生態環境以及防止環境退化采取的行動[16-20]。

2.1.2 數據來源 水資源數據主要來自《江西省統計年鑒(2010—2019年)》、江西省各地市《國民經濟和社會發展統計公報(2010—2019年)》、《江西省水資源公報(2010—2019年)》；社會經濟發展數據源于《江西省統計年鑒(2010—2019年)》、江西省各地市《國民經濟和社會發展統計公報》和《中國城市統計年鑒(2010—2019年)》等[21-22]。

2.2 研究方法

2.2.1 指標權重計算 生態文明示范區生態安全評價是一個系統工程，生態安全指標權重診斷采用主客觀相結合方法，可以更加真實表明生態文明示范區生態安全狀況。其中，熵權法可根據各個指標信息量的多少確定權重，能夠更客觀地表明各個指標在評價中的重要性[23-24]。而生態安全主觀計算方法則采用層次分析法，基于“目標層—因素層—指標層”判斷生態安全指標的相對權重。為此，在AHP層次分析法確定權重基礎上，將主觀性較大的層次分析法與客觀性強的熵權法結合起來，相互彌補得到最終權重，基于熵權法與層次分析法同等重要，通過平均加權計算得出[25]。具體見表1。

(1) 數據標準化處理。對于生態文明示范區的n個市m個指標構成的原始矩陣X，采用極差標準化法：

對于正向指標采用公式：

(1)

對于負向指標采用公式：

(2)

第j個市第i個評價指標xij得到標準化數據為rij，構成標準化矩陣R={rij}m×n

(2) 定義熵以及熵權。共n個市m個指標的情況下，第i個評價指標定義熵Pi為：

(3)

(4)

其中，當fij=0，則fijlnfij=0。

得到第i個指標的定義熵，其定義熵權wi為：

(5)

2.2.2 生態安全等級劃分 在參考現有研究的基礎上[7,17-18]，結合生態文明示范區的江西省實際生態安全情況，采用等距法將江西省生態安全劃分為不安全、臨界安全、基本安全和安全4個等級(表2)。其中，生態安全得分為0～1，計算結果越接近于1，表示該地區的生態環境質量越好；結果越接近于0，表示該區域生態安全水平越低。

表2 生態文明示范區生態安全評價等級

2.2.3 障礙因素診斷模型 生態安全評價目的在于識別差距及其未來改善方向，需要評估單個指標以及因素層的障礙程度，進而診斷其障礙因素。為此，本研究引入指標貢獻度(Mi)、指標偏離度(Si)和指標障礙度(Ni)，建立生態安全障礙因素診斷模型，診斷生態文明示范區生態安全障礙因子[26-28]，根據生態安全水平的障礙因子提出相應的生態安全策略。

(6)

式中：Ni為指標障礙度；Mi為指標貢獻度，值為熵權法修正后指標層第i項指標綜合權重；Si為指標偏離度；Xi為第i項指標歸一化值，Si=1-Xi。

3 結果與分析

3.1 生態安全評價結果

3.1.1 生態安全整體演化 由表3可知，研究期內江西省生態安全綜合得分均值從2009年的0.364 5增加到2018年的0.443 1，年均增加0.007 8，尤其是作為生態文明示范區建設后，江西省總體呈穩步上升趨勢。然而，多個地市生態安全綜合得分在2014—2016年出現波動，主要壓力安全及狀態安全兩部分略有下降。相應的是，2009—2018年，在過去10年間南昌市、景德鎮以及新余市其生態安全等級均處于基本安全等級Ⅲ，雖然安全等級無明顯波動，但其生態安全得分總體呈現穩步上升態勢。

表3 2009-2018年江西省生態安全時空演化

與此同時，萍鄉、九江、贛州、吉安、宜春、撫州生態安全等級均保持在臨界安全等級(Ⅱ)，生態安全得分呈現上升態勢。此外，鷹潭市及上饒市生態安全等級上升明顯，鷹潭市從臨界安全等級向基本安全等級過渡，上饒市從不安全等級向臨界安全等級過渡，且2017年后生態安全得分逐步提高且處于歷史較好水平。由此可知，江西省作為生態文明示范區，各地市在城市化工業化等高強度土地利用活動中對生態環境造成了脅迫，而隨著江西省生態文明建設規劃的不斷推進，各地區生態環境保護水平在逐步提升優化。

3.1.2 生態安全局部演化 由表4可知，作為生態文明示范區生態安全等級整體演化過程。(1) 生態壓力演化。2009—2018年，各地市多呈現先下滑后上漲趨勢，一方面由于農藥使用量以及化肥施用量呈現先增加后減少態勢，一方面隨著社會的發展城鎮化水平的提升呈現逐年放緩趨勢，與此同時負載人口壓力雖仍逐年增加，但增幅在逐年下降；(2) 生態狀態演化。2009—2018年，除景德鎮市、萍鄉市生態安全狀態得分略有下滑以及新余市呈現先上漲后下滑態勢，由于社會經濟科技的快速發展，生產結構的快速變化，促使單位GDP能耗以及單位工業產值耗水量等不斷縮減，對于生態環境影響程度逐年降低，使得多地市狀態得分呈現良好態勢，因此，其余9個地市均呈現逐漸增長趨勢；(3) 生態響應。2009—2018年，江西省11個地市其生態安全響應得分均呈現明顯上升趨勢，響應得分均增長為原來的兩倍左右，說明各地市對其生態安全問題作出了積極回應。各地市社會經濟響應效果顯著，廢物利用率以及固定資產投資逐年提升。與此同時，第三產業比重和人均GDP增長幅度較大，促進了生態環境安全的提升。

表4 2009-2018年江西省各地市生態安全等級演化

基于生態文明示范區生態安全評價分值，將評價區域劃分為不同類型。一是生態經濟發展協調區，該區域生態安全等級為Ⅲ級，主要分布在南昌市、景德鎮市和新余市，這些地區經濟發展水平均位于江西省前列，雖然城鎮化率相對較高且經濟發展較為迅速，但其產業結構的協調較完善，污染性較低，并且資源利用效率較高。二是生態經濟改善區，該類型區域生態安全處于Ⅱ級，主要集中在鷹潭市、萍鄉市，雖脫離了臨界安全等級，但仍位于基本安全等級初級階段，近年來單位GDP能耗顯著下降、固體廢物利用率較高，且其經濟發展迅速，因此逐步穩定在基本安全等級；三是生態安全脆弱區，該區域主要集中在九江市、贛州市、吉安市、宜春市、撫州市以及上饒市，該區域主要位于江西省的五大流域以及鄱陽湖流域，河谷平原的區位優勢顯著，人口城鎮聚集及其高速增長促使開發利用強度加大，但其經濟發展水平并未顯著提升，其城鎮及經濟發展階段促使其對生態環境造成影響。

3.1.3 生態安全空間演化 由圖2可知，作為生態文明示范區的江西省在生態安全空間上也存在差異。其中，南昌市作為江西省省會，其生態安全狀況在全省范圍內相對較好，年均變化值為0.014 8，雖城鎮化率全省最高，且森林覆蓋率處于全省較低水平，但相對于其他地市經濟發展迅速，第三產業占比高，固體廢物利用率處于較高水平且第一產業占比少，且其位于鄱陽湖平原自然資源稟賦，因此其生態狀況較好。其次，景德鎮市地處江西邊緣地帶，境內多山地且森林覆蓋率高，水資源豐富，新余市地處江西中部，相較其他地市地勢平坦且不與外省接壤，森林植被覆蓋率低同時平坦地勢促進城鎮的發展，并且其經濟發展水平位于江西省前列，但其第三產業占比處于全省較高水平且第一產業占比較低，因此其生態安全處于較高水平。

圖2 江西省生態安全時空分布

此外，鷹潭市、萍鄉市生態安全等級處于中等水平，其中鷹潭市近年來單位GDP能耗顯著下降、固體廢物利用率較高，且其經濟發展迅速，因此鷹潭市在近年擠進省域基本安全等級(Ⅲ)。而萍鄉、九江、贛州、吉安、宜春、撫州多位于江西省5大流域以及鄱陽湖流域，其河谷平原的區位優勢顯著。其人口城鎮的高速增長、集聚促使開發利用強度加大，但其經濟發展水平并未顯著提升，且各地市第一產業占比均處于全省高位，其城鎮及經濟發展階段促使其對生態環境造成影響。值得注意的是，上饒市經濟發展位于較低水平從不安全等級向臨界安全等級過渡，且2017年后生態安全得分逐步穩定在歷史較好水平(圖2)。綜上，選取生態文明示范區典型年份(2009年、2013年和2018年)可知，各地市生態安全水平總體有所提升，且近年其生態安全得分基本穩步上升，但生態安全等級各地市差距較大，介于臨界安全等級(Ⅱ)的地市較多，距離基本安全等級(Ⅲ)狀態仍有較大差距，達到安全等級(Ⅳ)仍需較長時間。

3.2 生態安全障礙度診斷

3.2.1 因素層障礙度診斷 由表5可知，依據障礙診斷模型，2009—2018年生態文明示范區的壓力、狀態和響應障礙度均值分為36.552%，33.595%，39.851%，因此，影響生態文明示范區生態安全的因素層指標障礙度的綜合排序：響應因素>壓力因素>狀態因素。因此，對于生態文明示范區的江西省生態安全水平提升起制約作用主要是響應安全和壓力安全，從兩方面入手，促使其生態狀況的改善，同時該區域生態安全建設響應在很大程度上提高了江西省各個地市生態水平。

3.2.2 指標層障礙度診斷 選取典型年份2009年、2013年、2018年各因素進行障礙度排序，將指標層障礙度位于前6位作為識別主要障礙因子(表6)。生態文明示范區生態安全障礙因素為：城鎮建設用地面積比重、人均GDP、生態環境耗水量、城鎮化水平、第一產業占GDP比重以及單位土地面積農藥使用量。其中，一是壓力安全系統中城鎮化水平障礙度位于前列，并且與第一產業相關的障礙因子第一產業占GDP比重、單位土地面積農藥使用量以及單位土地面積施用化肥量等因素障礙度排名均比較靠前，表征第一產業的發展模式及其城鎮化粗放過快發展對于生態安全水平的抑制作用明顯；二是狀態安全系統中建設用地面積比重障礙度高居不下，成為抑制江西省各地市生態安全水平提升的首要障礙因子，表示城鎮用地快速擴張對其生態環境具有顯著影響；三是響應安全系統中人均GDP障礙度近年來略有下調，表示生態安全經濟響應程度有所提升，但是，生態環境耗水量比重障礙度排序靠前，表征在生態環境保護響應方面仍有較大不足。

表5 2009-2018年江西省生態安全因素層障礙度演變 %

表6 江西省生態安全評價指標障礙度及其排序 %

3.3 生態文明示范區生態安全優化路徑

根據生態安全障礙度結果，要重構生態文明示范區生態安全格局，還應結合生態文明建設進程及其地域資源稟賦，以提升區域社會經濟生態安全水平。

3.3.1 存量用地再開發，實現城鎮建設用地集約節約 由于城鎮建設用地面積所占比重是抑制江西省地市生態安全水平提升的首要障礙因子，導致生態環境保護與經濟發展不相協調，進而造成自然資源環境被嚴重破壞的后果。一是統籌社會經濟發展與生態環境保護。二是土地利用方式從增量擴充向存量挖潛轉換來協調城鎮化發展方式[29]，以此推動江西省各個地市立體空間的利用，促進土地集約節約利用以此跨越城鎮建設用地占比這一生態安全障礙因素。

3.3.2 推動區域農業高質量發展，實現農業社會經濟生態三效益平衡 江西省作為生態文明示范區的同時也是我國主要糧食主產區，與第一產業相關度較高的第一產業占GDP比重、單位土地面積農藥使用量和單位土地面積施用化肥量等因素障礙度排名均比較靠前。要實現江西省綠色農產品均衡發展，一方面應延伸形成綠色產業、有機食品生態友好型產業鏈；另一方面，結合國家級贛江新區中、東部特色小鎮以及生態旅游業規劃發展，在生態文明示范區內推進觀光農業、采摘園特色農業產業等，促使生態文明示范區形成農業社會生態經濟均衡發展目標。

3.3.3 強化生態環境經濟政策治理響應，提升生產領域資源環境績效 江西省其污染治理投資較為滯后，治理工業污染的資金投入、生態環境保護、經濟政策響應相對不足，生態環境耗水量比重、人均GDP障礙度排序均比較靠前，對生態安全水平的抑制作用較顯著。因此，應該積極發揮政府職能，通過增加環境治理投入資金以及強化治理力度，提高生態環境治理投資占GDP比重以促進生產領域資源環境績效的提升，實現生態環境治理保護與經濟發展同步發展。

4 結 論

(1) 作為生態文明示范區的江西省生態安全水平總體有所提升，且近年其生態安全得分呈穩步上升態勢，尤其是在納入生態文明示范區以后，江西省生態安全水平顯著提升，但生態安全等級各地市差距較大，介于臨界安全等級(Ⅱ)的地市較多，距離基本安全等級(Ⅲ)狀態仍有較大差距，要達到安全狀態等級(Ⅳ)仍需較長時間。

(2) 影響生態文明示范區生態安全的因素層障礙度綜合排序分別是響應因素>壓力因素>狀態因素，且江西省生態安全水平提升主要受到城鎮建設用地面積比重、生態環境耗水量、城鎮化水平、第一產業占GDP比重以及單位土地面積農藥使用量等因素的制約。

(3) 生態文明示范區生態安全還應從存量建設用地再開發、農業社會經濟生態效應均衡發展及其提升生態環境經濟政策治理響應出發，以實現區域生態安全重構。

值得注意的是，盡管本研究應用熵權法與層次分析法相結合，提高結果可行性，但囿于數據可獲得性，在指標體系方面未能體現生態文明示范區文化因素；此外，在研究對象上，江西省作為生態文明示范區的同時，也是我國重要的糧食主產區，探討兩者因素共同疊加如何影響生態安全水平，也是未來研究方向之一。