基于壓力-狀態-響應模型的黑河中游張掖市生態安全評價

趙敏敏,何志斌,藺鵬飛,韓雙寶,王思源,*

1 中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,保定 071051 2 中國科學院西北生態環境資源研究院中國生態系統研究網絡臨澤內陸河流域研究站, 蘭州 730000

生態安全這一思想最早出現于20世紀40年代的土地功能與土地健康評價當中,其概念構筑在環境安全的理論基礎之上[1]。1989年國際應用系統分析研究所(International Institute for Applied Systems Analysis,IASA)在闡釋全球生態環境問題時首次提出“生態安全”這一概念[2]。隨著生態安全理論框架的日趨成熟,這一概念愈加明確：生態安全指一個區域內維持人類生存與發展所需的生態系統服務處于少受甚至不受威脅的狀態,使生態環境既能滿足人類與生物群落生存與發展的需要,又能保證生態環境本身的生態過程不受損害,使其與社會經濟處在可持續發展的狀態[3]。由此可見,生態系統服務與生態安全有著緊密聯系,將生態系統服務與生態安全相結合,有助于為生態環境管理提供依據[4]。

傳統的生態安全評價研究一般從生態系統的結構和功能角度去構建指標體系,而將人類視為外部要素不加以考慮[5]。然而在現實情況中,人類早已成為生態安全格局中不可或缺的部分[6]。基于以上情形,生態系統服務成為耦合人類與其周圍生物與非生物環境的有效紐帶,生態系統服務的可持續性成為人類直觀感知生態是否安全的直接途徑[7-9]。因此,生態系統服務理論的融入為生態安全評估提供了正向的工具,將人類對生態系統服務的需求與生態系統所能提供相應服務的能力進行耦合,成為目前生態安全評價中的新視角[10-11]。

基于生態系統服務理論構建生態安全評價指標體系應同時考慮生態系統正常運行與人類社會的可持續發展[3]。彭保發等[10]通過辨識生態系統服務的供給水平與需求熱點,綜合考慮生態系統服務的傳輸網絡,基于壓力-狀態-響應(Pressure-State-Response,PSR)模型[12-13]構建了耦合生態系統服務的生態安全評價機制。在該機制中,人類活動作為驅動因子,對生態系統服務的獲取強度對生態系統造成壓力,改變了生態系統的結構與功能,生態系統服務的傳輸能力也受到影響,最終生態系統服務流量對此作出響應。該框架能夠評價生態系統服務傳輸網絡的流量、穩定性與可持續性,有助于揭示人類活動和生態安全之間的相互作用,可以作為生態安全評價的基本框架。

黑河流域是中國第二大內陸河流域,隨著經濟社會的快速發展,黑河中游綠洲的耕地和建設用地不斷擴張,相應的林地、草地不斷萎縮[14-15]。黑河中游的綠洲擴張影響了生態系統服務的供給與傳輸,進一步影響了區域的生態安全格局。針對黑河中游的綠洲擴張情景,基于耦合生態系統服務理論的PSR模型框架[10],構建了黑河中游生態安全評價指標體系,評估區域生態安全變化,為制定生態管理策略、支撐生態管理權衡與決策等提供了支撐[16]。

1 研究區概況

本文擬選擇典型荒漠-綠洲黑河中游為研究區,黑河中游位于河西走廊中段,南部為祁連山脈,北部緊鄰合黎、龍首兩山脈(97°20′—102°12′ E,38°28′—39°50′ N),主要包括甘肅省張掖市的甘州區、高臺縣及臨澤縣(圖1)。本區域海拔介于1252—3609 m之間,大部分屬于黑河的山前沖洪積扇,水分條件相對較好,形成了獨特的荒漠-綠洲景觀。黑河中游受大陸性氣候和青藏高原的共同影響,屬中溫帶甘-蒙氣候區,年平均氣溫介于-1.1—9.5 ℃之間。由于遠離水汽輸送通道,該處大部分地區年均降水量小于200 mm,年均蒸發量超過1600 mm。黑河中游緊鄰荒漠,土壤類型以荒漠土與灰漠土為主(主要分布在綠洲和荒漠過渡地帶)。黑河中游生長的天然植被主要為耐旱、耐鹽堿的喬木、小灌木與半灌木等。中游綠洲農業區則具有顯著的人工綠洲特征,植被以人工灌溉栽培農作物和防風沙的行道林木等為主。該區域長期受到人類生產生活的影響和改造,區域生態安全、用水調配和環境保護等關乎國計民生的問題始終較為突出。作為我國生態環境比較脆弱的地區之一,黑河中游成為諸多學者關注的焦點區域[17]。

圖1 研究區概況Fig.1 Location of the study area

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1生態安全評價方法

構建PSR指標體系。PSR模型包括目標層、準則層與指標層3個部分：目標層即為區域生態安全,準則層包括壓力、狀態及響應3個部分,指標層則為指標體系中的各個具體指標。在參考相關研究[10,18-20]的基礎上,基于生態系統服務理論構建了黑河中游生態安全PSR指標體系：壓力指標表示生態環境出現問題的原因,側重描述外界對生態系統的干擾及人類對生態系統服務的獲取強度[10],例如伴隨著經濟發展對地下水等資源的過度消耗所導致的生態退化問題,本文從社會發展、環境污染、資源消耗等方面展開指標遴選：其中社會發展側重于描述人口增長及經濟發展對生態系統所產生的壓力,環境污染側重于描述農業生產活動對生態系統所造成的污染,資源消耗側重于描述區域生產生活對水資源的消耗程度；狀態指標主要表示在各種壓力狀態下,生態系統當前的結構與功能,如景觀指數、景觀類型等所發生的變化；響應指標則主要表示經濟系統、社會系統及生態系統所采取的應對生態環境變化的具體措施：其中經濟系統側重描述通過增加第三產業比重從而減少資源需求等措施,社會系統描述政府及農戶采取節水灌溉、轉移勞動力等降低資源消耗的措施,生態系統則根據生態系統服務價值變化反映生態系統的響應狀況。同時依據科學性、可操作性、代表性、全面性及可比性等原則,構建了PSR指標體系(圖2)。

圖2 基于生態系統服務理論的壓力-狀態-響應框架Fig.2 Pressure-State-Response framework based on ecosystem services theory

指標無量綱化。由于各個指標量級不同,因此本文采用極差標準化方法[19]對指標進行無量綱化處理,對于正向指標：

Xij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

對于負向指標：

Xij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中,Xij為指標標準化值；xij為第i年第j個指標的值；maxxj與minxj為第j個指標的最大值和最小值。

確定指標權重。指標賦權是生態安全評價中的重要內容,指標賦權法包括主觀賦權法與客觀賦權法,其中熵值法是一種常用的客觀賦權法。熵是一種對不確定性的定量,信息量越大,不確定性越小,熵值也越小。一般而言,指標離散程度高,熵值就大,反之亦然。本文采用熵權法[21]對指標權重進行賦值,通過計算各個指標的特征比重、熵值,進而確定各指標權重：

(3)

(4)

(5)

式中,m為研究期；n為指標個數；Sij為指標的特征比重；ej為指標熵值；wj為指標權重。

計算生態安全指數。生態安全指數表征研究區在壓力、狀態、響應方面的生態安全水平,指數越高,則生態安全水平越高,本文采用綜合指數法計算生態安全指數,計算公式如下[18]：

(6)

(7)

式中,ESIi為P(壓力)、S(狀態)、R(響應)3個層次的生態安全指數；ESI為生態安全綜合指數；Xij為指標標準化值；wj為第j項指標權重。

障礙因子識別。障礙度模型可以識別出對生態安全產生障礙的主要影響因子,障礙度計算公式如下[6]：

Fi=wi×(1-Xi)

(8)

式中,Fi為指標的障礙度,wi為指標的權重,Xi為指標的標準化值。

2.1.2其他評價方法

景觀格局指數。景觀格局指數是計算生態安全指數的重要指標,選取景觀破碎度和景觀多樣性指標衡量生態系統狀態,計算公式如下[22-24]：

C=N/A

(9)

式中,C為景觀破碎度,N為斑塊數；A為總面積。

(10)

式中,H為景觀多樣性,Pi為景觀類型i所占面積的比例,m為景觀類型總數。

生態系統服務價值核算方法。采用效益轉移法[25]評估生態系統服務價值,該方法通過定義每種土地利用/覆蓋類型所對應的單位面積生態系統服務價值,并將其分別乘以每種土地利用/覆蓋的面積來估算生態系統服務價值。由于該方法不是所用到的主要方法,因此不對其加以展開,具體方法見謝高地等[25]的文章(已根據研究區氣候、經濟等實際情況,對謝高地等[25]提出的中國單位面積生態系統服務價值當量進行了區域校正)。

2.2 數據來源

2.2.1農戶調查數據

圖3 農戶問卷村落分布圖Fig.3 Village distribution of questionnaire investigation

基于參與式農村評估法,對黑河中游干流流經區域(張掖市甘州區、臨澤縣及高臺縣)進行了半結構式農戶問卷調查。首先于2018年7月對3個區縣的節水政策進行了初步了解,并對農戶的生計方式及對節水政策的感知進行了初步調查,在此基礎上明確了問卷調查的主體內容。2018年10月開展了張掖市甘州區、臨澤縣及高臺縣農戶對節水政策的適應與感知調查,問卷主要通過對比節水政策前后生計策略的轉變分析農戶對節水政策的適應策略,并通過農戶對節水政策的感知調查評估現行政策的合理性,為下一步政策的改進提供借鑒。正式調研覆蓋3個區、縣共計77個行政村(圖3),取得問卷276份,其中包含有效問卷259份。通過將有效問卷輸入Excel中實現問卷數據電子化,運用SPSS等軟件對數據進行了統計與分析,遴選出生態安全評價所需指標,并為生態安全對策與建議的提出提供了基礎。

2.2.2其他數據

氣象數據、土壤保持數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心；經濟數據來源于2001—2015年張掖市統計年鑒、全國農產品成本收益資料匯編等；水利數據主要來源于甘肅省水資源公報；土地利用數據來自地理國情監測云平臺；中國單位面積生態系統服務價值當量來自謝高地等[25]的文章。

3 結果與分析

3.1 黑河中游生態安全評價指標體系構建

水資源是維系黑河中游綠洲生態系統穩定與社會經濟發展的命脈,水分充足則綠洲擴張,水分短缺則綠洲萎縮,總之水資源的數量與質量決定了綠洲規模的大小[26-27]。其次,土壤是農業活動的基石,雖然黑河流域擁有廣袤的土地面積,但是土地沙化、土壤質量退化等問題突出,直接影響了土地生產力水平,限制了干旱區人類生存空間的拓展[28]。因此,黑河中游水土資源的演變對區域生態安全維持有至關重要的作用,本文即以水土資源為側重點,構建了黑河中游生態安全評價指標體系：由于中游人類活動頻繁,因此壓力系統主要考慮社會發展、環境污染及資源消耗所產生的壓力；狀態指標仍側重描述生態系統當前的結構與功能；響應指標則遴選了能夠表征經濟-社會-生態復合系統的應對策略的指標,并在參考相關文獻[18-20]的基礎上構建黑河中游生態安全評價指標體系見表1：

表1 黑河中游生態安全評價指標體系

3.2 PSR評價指標權重的確定

根據公式(1)—(5)計算了黑河中游生態安全評價指標的權重。由表2,在黑河中游生態安全指標體系中,高效節水灌溉面積的權重最高,近年來為保障國家西部生態屏障的安全,黑河中游實施了大規模高效節水項目,2001—2015年高效節水灌溉面積增長了55.17%,因此該指標對生態安全的影響程度最高；其次,生態用水量的權重為0.0617,在生態脆弱的黑河中游地區,生態用水量的多少與生態系統的穩定性高度相關,因此生態用水量的權重較高；此外,地下水開采率與第三產業比重的權重均高于0.60,表明其對區域生態安全的影響程度也較高。

3.3 生態安全評價

根據公式(6)及表2計算了黑河中游生態安全壓力、狀態、響應指數(圖4),結合相關文獻[18,29]與研究區實際情況,建立生態安全等級劃分標準(表3)。結果表明：2001—2015年黑河中游壓力指數呈現波動下降趨勢：2001年壓力指數為0.2615,2008年降為0.1644,2015年進一步降為0.0569。該指數越來越小,表明生態系統所面臨壓力越來越大,壓力指數對生態安全的貢獻率越來越低；2001—2015年狀態指數呈現先增長后減少的趨勢：2001年狀態指數為0.1082,2008年增至0.1313,2015年降至0.1236；2001—2015年響應指數越來越高：2001年響應指數為0.0051,2008年增至0.1590,2015年高達0.4083,響應指數增長表明經濟-社會-生態復合系統采取了相應策略應對區域生態環境問題。

表2 黑河中游生態安全評價指標熵值與權重

表3 生態安全等級劃分標準

根據公式(7)計算了黑河中游生態安全綜合指數(圖4),結果表明2001年生態安全綜合指數為0.3748,壓力指數對綜合指數貢獻率最高,表明此時生態系統面臨壓力最小；2008年生態安全綜合指數增至0.4548,壓力、狀態與響應指數的貢獻率均為30%左右,表明此時生態系統面臨壓力有所增長,同時開始采取積極措施提高生態安全水平；2015年生態安全綜合指數進一步增長至0.5888,響應指數貢獻率最高,表明經濟-社會-生態復合系統采取了一系列措施顯著提高生態安全水平。根據表3,2001年生態安全等級為“較不安全”,2008年生態安全等級升為“臨界安全”,雖然2015年生態安全綜合指數增加,但生態安全等級仍處于“臨界安全”狀態。

圖4 黑河中游生態安全變化趨勢Fig.4 Trends of ecological security in the middle reaches of the Heihe River

3.4 障礙因子診斷

根據公式(8)計算了各個指標對生態安全的障礙度,列出了2001、2008、2015年障礙度最高的5個因子(表4),結果表明2001年影響生態安全的障礙因子主要是響應層指標,高效節水灌溉面積是最主要的障礙因子,其次是生態用水量；2008年影響生態安全的障礙因子主要是響應層和壓力層指標,高效節水灌溉面積仍然是障礙度最高的因子；2015年影響生態安全的障礙因子主要是壓力層指標,隨著人類生產生活對水資源的需求增長,地下水開采率的障礙度最高,化肥施用量也對生態安全產生了顯著影響。以上表明隨著響應水平的提高,2001—2015年障礙因子逐漸由響應層指標轉為壓力層指標,降低水資源消耗量和環境污染水平成為提高生態安全水平的重要途徑。

表4 黑河中游生態安全障礙因子識別

4 討論與建議

基于生態系統服務與生態安全格局間的內在聯系,根據人類社會與生態系統間以生態系統服務流動為紐帶形成的反饋機制,構建了基于生態系統服務理論的PSR模型。一方面為生態安全評價提供綜合的量化指標體系提供了邏輯基礎,拓展了人們在生態安全評估方法領域的研究視野；另一方面該模型耦合了人類活動與區域生態安全,利于深入理解黑河中游生態安全維持機制,拓展人們對生態安全評價、生態安全維持與提高的認識。

黑河中游是流域生產生活的主要承載區,具有較高的農業活動強度。近年來生態系統面臨的環境污染和資源消耗問題越來越大：農業生產過程中化肥、農藥、薄膜施用量顯著增長,2001—2015年化肥施用量增長22.84%；此外,生產生活對水資源的需求量越來越高,2001—2015年地下水開采量增長一倍有余,隨著生態系統面臨的壓力越來越大,壓力指數持續降低。在人類活動干擾下,中游綠洲生態系統結構和功能略有降低,植被退化、景觀破碎度增加,雖然在濕地保護工程實施背景下,水域面積有所增長,但狀態指數仍呈現微弱的降低趨勢。與此同時,經濟-社會-生態復合系統采取了相應策略應對生態環境問題：隨著綠洲經濟發展及技術水平的提高,政府對高效節水灌溉工程投入越來越大,2001—2015年高效節水灌溉面積增長了55.17%,在一定程度上改善了缺水狀況。2001—2015年GDP增長四倍有余,經濟發展促進了產業和勞動力轉移,濕地保護工程的實施也促進生態系統服務價值增長,響應指數呈現增長趨勢,是生態安全水平提高的主要原因。

總體來看,水資源是制約黑河中游綠洲發展的命脈,水資源豐富與否決定了綠洲規模的大小。與水資源利用相關的節水灌溉面積、生態需水量、地下水開采率等均是影響區域生態安全程度較高的因子。維持區域水資源供應平衡,實現水資源可持續利用是提高該區域生態安全水平的核心。在較短時間尺度上,水資源供應格局呈現穩定趨勢,因此,應從降低水資源消耗量、提高水資源利用效率角度入手提高區域生態安全水平。基于生態安全評價結果,結合農戶調查問卷,提出了以下提高生態安全水平的建議：

(1)堅持生態保護優先。黑河中游綠洲是全國重要的商品糧生產基地,2001—2015年黑河中游耕地面積增長20.40%。荒地開墾、亂砍濫伐導致植被退化,2001—2015年林地、草地面積分別減少19.97%、3.68%。此外,耕地擴張及大水漫灌加劇了水資源消耗,2001—2015年地下水開采量增加,超越了生態系統的承載力,影響了區域生態安全。因此,為實現黑河中游生態經濟可持續發展,必須堅持生態保護優先原則,恢復與重建黑河中游退化生態系統,保障天然綠洲與人工綠洲協調發展。

(2)調整種植和產業結構。2015年黑河中游綠洲農業用水量占比高達90%以上,但農業產值占比不足30%,水資源投入產出比例較低。因此,首先需降低高耗水作物比例,在發展制種玉米的基礎上,進一步發展大田反季蔬菜、花卉和釀酒葡萄種植等,構建“節水型與高效益”的新型農業體系。問卷調查結果顯示雖然2001—2015年經濟作物種植比例有所提升,但農戶認為溫室成本較高,提高相關補貼標準、加大扶持力度有助于提高農戶調整種植結構的積極性。此外,應進一步推進產業結構優化,發展生態產業,提高水資源利用效率。

(3)發展高效節水灌溉技術。2001—2015年張掖市微灌和低壓管灌面積分別增長34767 hm2和43100 hm2,是生態安全水平增長的重要原因,但仍存在覆蓋率低、節水工程建設標準低等問題。問卷調查結果顯示,高達40.96%的農戶認為滴灌等節水設施灌溉效果差,導致糧食減產,收入降低。而且農戶認為滴灌水量過小,耕地表層土壤干旱,加重了風沙危害,以上因素影響了農戶參與節水灌溉的積極性。因此,發展適于研究區的高效節水技術,實現節水、增收雙贏才能真正提高節水灌溉效益,解決水資源短缺問題。

(4)提高公眾生態保護意識。問卷調查結果顯示69.65%的農戶認為研究區水資源不短缺,84.05%的農戶認為水資源污染不嚴重,76.34%的農戶認為經濟發展比生態保護更重要,表明農戶對水資源短缺、農業面源污染了解較少,生態保護意識淡薄。雖然86.82%的農戶注意節約用水,但主要原因是農戶認為水資源費用定價高,農戶傾向通過節約用水減少開支,而非自發節水行為。因此,亟需加強生態保護宣傳,提高公眾水資源節約和保護意識,實現生態經濟可持續發展。

本文運用熵值法對PSR模型的指標權重進行計算,該方法根據各指標所提供信息量大小來確定權重,克服了主觀賦值法存在的評價結果不穩定的現象,在一定程度上提高了評價質量[20,30]。但是PSR模型在指標遴選方面存在一定程度的重疊問題：以評價大城市生態安全為例,壓力層常選指標為表征生態系統服務獲取強度的“總人口”,而狀態層常選指標為表征生態系統結構的“林地面積”。實際上人口數量增長越快,城市擴張對林地的侵占程度也越高,因此“總人口”與“林地面積”存在重復性,導致生態安全評價結果出現偏差,降低了將評價結果應用于生態環境管理中的可行性。因此,如何科學遴選獨立的PSR指標體系將是下一步生態安全評價研究的重點。

5 結論

本文基于PSR模型,耦合生態系統服務理論,構建了黑河中游生態安全評價指標體系：其中壓力指標主要表征生態環境出現問題的原因,即外界對生態系統所造成壓力及人類對生態系統服務的獲取強度；狀態指標主要表征在各種壓力狀態下,生態系統當前的結構與功能所發生的變化；響應指標則主要表征經濟系統、社會系統及生態系統所采取的應對生態環境變化的具體措施。

黑河中游生態安全評價結果表明：2001—2015年化肥施用量與灌溉用水增加導致生態系統所面臨壓力越來越大,但由于經濟-社會-生態復合系統采取了相應策略應對區域生態環境問題,黑河中游綠洲生態安全水平略有提高,生態安全綜合指數由0.3748增至0.5888,生態安全等級由“較不安全”達到“臨界安全”狀態。

雖然黑河中游生態安全呈現波動增長趨勢,但2015年生態安全等級仍處于“臨界安全”狀態,且穩定性較差,因此黑河中游生態安全水平有待進一步提高。在以上研究的基礎上,結合問卷調查結果,圍繞干旱區綠洲發展命脈—水資源的可持續利用提出了堅持生態保護優先、調整種植和產業結構、發展高效節水灌溉技術、提高公眾生態保護意識等提高研究區生態安全水平的相關對策與建議。