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寧夏市域生態(tài)安全動態(tài)評價(jià)及預(yù)測

2014-02-11 16:32:48郭永杰米文寶
水土保持研究 2014年2期
關(guān)鍵詞:生態(tài)評價(jià)模型

郭永杰,米文寶,2,趙 瑩,鄭 芳

(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021)

自1989年國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所提出生態(tài)安全概念以來[1-2],學(xué)者們對生態(tài)安全進(jìn)行了系列的理論以及實(shí)證研究。研究涉及的對象眾多:蒙曉等[3]對寶雞市的城市生態(tài)安全進(jìn)行了綜合評價(jià),并就其未來10a的發(fā)展進(jìn)行了動態(tài)預(yù)測;鄧楚雄等[4]研究了上海市農(nóng)業(yè)的生態(tài)安全發(fā)展,分析了影響農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的主要障礙因素;孫彩歌等[5]利用遙感影像分析東江流域近20a的生態(tài)安全時(shí)空變化;此外,部分學(xué)者也對草原[6]、土地[7-9]、濕地[10]等對象的生態(tài)安全進(jìn)行了定量評價(jià)。在構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系的過程中因采用的模型不同而表現(xiàn)出差異性:楊春紅等[11]基于PSR模型研究了汕頭市土地生態(tài)安全的發(fā)展趨勢;楊俊等[12]則使用DPSRC模型構(gòu)建指標(biāo)體系,結(jié)合地信和遙感技術(shù)分析大連市生態(tài)安全的空間分異;張繼權(quán)等[13]在評價(jià)吉林省白山市的生態(tài)安全時(shí)采用DPSIR模型構(gòu)造指標(biāo)體系;DSR模型、DPSEEA模型在研究過程中也得到廣泛應(yīng)用[14];其中PSR模型從人類與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā)對生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分類,具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性[15],所以本文使用該模型進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)。寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,進(jìn)行生態(tài)安全的定量評價(jià)有利于和諧自然、經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)的關(guān)系,促進(jìn)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此,本文使用PSR模型構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系,結(jié)合熵值法對寧夏5個(gè)地級市的生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價(jià),最后運(yùn)用GM(1,1)模型對其未來的生態(tài)安全趨勢進(jìn)行預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)處在中國西部的黃河上游地區(qū),位于北緯35°14′—39°23′,東經(jīng)104°17′—107°39′,是我國五大省級自治區(qū)之一。寧夏包括五個(gè)地級市,分別為銀川市、吳忠市、石嘴山市、中衛(wèi)市、固原市。根據(jù)第六次全國人口普查統(tǒng)計(jì),全區(qū)常住人口數(shù)約為630.14萬人。研究區(qū)地處我國半干旱與干旱區(qū)的過渡地帶,以年降水量200mm和400mm等值線為界,可以劃分為三大地理單元:北部屬于干旱區(qū),中部屬于半干旱區(qū),南端六盤山屬于半濕潤區(qū)。南北相距約456km,東西相距約250km,總面積約為5.19萬km2。寧夏周圍有毛烏素沙地,烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠三大沙漠,生態(tài)環(huán)境脆弱,是我國西部生態(tài)安全建設(shè)的重要屏障。

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

2.1.1 指標(biāo)體系 PSR模型由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同提出,具體由壓力體系、狀態(tài)體系和響應(yīng)體系三部分組成。結(jié)合寧夏自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀,并借鑒相關(guān)學(xué)者的研究成果[16-17],本文構(gòu)建由目標(biāo)層、項(xiàng)目層、因素層、指標(biāo)層構(gòu)成的合計(jì)20項(xiàng)指標(biāo):目標(biāo)層(A)為生態(tài)安全度;項(xiàng)目層(B)由生態(tài)安全壓力(B1)、生態(tài)安全狀態(tài)(B2)和生態(tài)安全響應(yīng)(B3)組成;生態(tài)安全壓力(B1)反映人類活動對自然、經(jīng)濟(jì)、社會帶來的壓力,具體包括人文社會壓力(C1)、資源壓力(C2)和環(huán)境壓力(C3);生態(tài)安全狀態(tài)(B2)反映了資源(C4)、環(huán)境(C5)等的發(fā)展現(xiàn)狀;生態(tài)安全響應(yīng)(B3)則顯示了人類面對問題采取的措施,具體包括人文社會響應(yīng)(C6)、環(huán)境響應(yīng)(C7)、經(jīng)濟(jì)政策響應(yīng)(C8);指標(biāo)層(D)則是體現(xiàn)因素層各種壓力、狀態(tài)和響應(yīng)的具體指標(biāo),是整個(gè)指標(biāo)體系最基礎(chǔ)的部分(表1)。

表1 寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 數(shù)據(jù)來源 本文所涉及的指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2012)、《寧夏水資源公報(bào)》(2005—2011)、《寧夏環(huán)境狀況公報(bào)》(2005—2011)、銀川市統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2011)、石嘴山市統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2011)、吳忠市統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2011)、固原市統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2011)、中衛(wèi)市統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2011)、以及寧夏國土部門和林業(yè)部門的相關(guān)資料、國研網(wǎng)寧夏分區(qū)造林面積(2005—2011)。

2.2 研究方法

2.2.1 綜合指數(shù)法 熵的概念來源于熱力學(xué),是統(tǒng)計(jì)物理中描述分子運(yùn)動無序狀態(tài)的量度。1948年Claude E.Shannon將其引入信息論(信息熵)中,作為系統(tǒng)無序程度(或系統(tǒng)中數(shù)值離散程度)的一種度量[18-19]。指標(biāo)的信息熵越小,表明其離散程度越大,提供的信息量越多,權(quán)重也越大。反之,信息熵越大,表明其離散程度越小,提供的信息量越少,權(quán)重也越小[20]。利用信息熵確定權(quán)重的具體步驟[21-23]:

(1)構(gòu)造判斷矩陣,假設(shè)存在n個(gè)指標(biāo),m個(gè)研究對象,則可以構(gòu)造一個(gè)m行n列的原始矩陣。對于本文而言,m取值為5,相當(dāng)于寧夏5個(gè)地級市:銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市;n取值為20,相當(dāng)于數(shù)據(jù)分析過程中選取的20項(xiàng)指標(biāo)。

(2)矩陣歸一化為了方便數(shù)據(jù)的分析與處理,需要對原始矩陣進(jìn)行無量綱化。無量綱化的方法有很多,文中采用的是極差法。

正向指標(biāo)的計(jì)算公式為:

逆向指標(biāo)的計(jì)算公式為:

式中:xij,Xij——第i年第j個(gè)指標(biāo)的原值和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;xjmax,xjmin——Xij所在序列的最小值和最大值。

式中,k>0,ej≥0,此處k=1/lnm,使0≤ej≤1。

通過計(jì)算,2005—2011年寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 指標(biāo)體系權(quán)重

(7)計(jì)算生態(tài)安全度Zi:

其中,Zi∈(0,1)。Zi越大,說明生態(tài)安全度越高,反之越低。

2.2.2 GM(1,1)預(yù)測 GM(1,1)表示一階、一個(gè)變量的微分方程,是灰色系統(tǒng)理論中常用的預(yù)測模型[24]。具體的建模過程如下[25-27]:

設(shè)存在原始數(shù)據(jù)序列X(0):

(1)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累加生成,得到新數(shù)列X(1):

(2)構(gòu)建累加矩陣B和常數(shù)項(xiàng)向量Y

則GM(1,1)模型的白化微分方程為:

(3)利用最小二乘法求解模型參數(shù)a,b:

(4)求解時(shí)間響應(yīng)函數(shù):

(5)對上式進(jìn)行累減還原,得到原始數(shù)列x(0)的時(shí)間響應(yīng)函數(shù):

2.3 生態(tài)安全分級

參考相關(guān)學(xué)者的研究[28-29],結(jié)合專家的咨詢意見,設(shè)計(jì)生態(tài)安全度分級表,共分為5個(gè)等級(表3)。

表3 寧夏生態(tài)安全分級

3 結(jié)果與分析

運(yùn)用上述綜合指數(shù)法和GM(1,1)模型分別計(jì)算出2005—2011年期間、2012—2018年寧夏各市生態(tài)安全度的實(shí)際值和預(yù)測值,本研究還利用Excel直線圖(圖1)更加直觀顯示生態(tài)安全度的演變趨勢。

3.1 寧夏各市生態(tài)安全度的現(xiàn)狀分析

3.1.1 生態(tài)安全度的時(shí)間演變分析 圖1左半部分顯示,從整體上看,2005—2011年期間,固原市的生態(tài)安全狀況處在臨界安全的范圍內(nèi)。除固原市外,其他地區(qū)的生態(tài)安全狀況均處于不安全、很不安全的級別。除銀川市之外,石嘴山市、吳忠市、固原市以及中衛(wèi)市的生態(tài)安全度均呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。

圖1 2005-2018年寧夏各市生態(tài)安全度變化趨勢

銀川市的生態(tài)安全度在2005—2011年期間從0.278下降到0.201,幾乎每年都會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象;一方面,隨著銀川地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人口日益集聚,需水量持續(xù)增加,這都對本區(qū)域的生態(tài)安全造成很大的壓力;另一方面,寧東能源化工基地的建設(shè)以及大規(guī)模生產(chǎn),為銀川的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),但是發(fā)展工業(yè)的同時(shí)必然會帶來“三廢”的產(chǎn)生,這會為本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。固原市的生態(tài)安全度在此期間呈波動上升趨勢,圖1左半部分可明顯看出,其上升幅度比其它四個(gè)地級市的幅度要大:固原地處寧夏南部黃土丘陵區(qū),原本是生態(tài)脆弱地區(qū),在寧夏主體功能區(qū)規(guī)劃中,大部分被劃定為限制開發(fā)和禁止開發(fā)區(qū)域[30],隨著近些年此區(qū)域退耕還林還草、生態(tài)移民、生態(tài)補(bǔ)償?shù)纫幌盗猩鷳B(tài)工程的實(shí)施,取得了顯著的效果,大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),增加人均收入,注重環(huán)境保護(hù)等措施都為此區(qū)域生態(tài)安全度的持續(xù)上升提供了動力。石嘴山市、吳忠市和中衛(wèi)市的生態(tài)安全度在圖1中十分接近,并且發(fā)展趨勢也十分相似,均在小幅度的波動中上升,但吳忠市的生態(tài)安全狀況一直處在很不安全的級別。

3.1.2 生態(tài)安全度的空間分異分析 總體上看,寧夏各市的生態(tài)安全度大致表現(xiàn)出固原市>銀川市>石嘴山市>中衛(wèi)市>吳忠市,其中中衛(wèi)市、吳忠市生態(tài)安全度的相對位置在2008年、2009年兩年出現(xiàn)了變動,其余三市的位置均穩(wěn)定。意味著寧夏南部(固原市)、北部(銀川市,石嘴山市)的生態(tài)安全形式較好;而中部地區(qū)(中衛(wèi)市,吳忠市)的生態(tài)安全度偏低,生態(tài)問題嚴(yán)重,主要是由于其處于中部干旱風(fēng)沙帶,降水稀少、荒漠化嚴(yán)重。

圖2反映了2005—2011年期間寧夏生態(tài)安全度的變化幅度,據(jù)此可以將其內(nèi)部劃分為三個(gè)類型。第一個(gè)類型為固原市和石嘴山市,生態(tài)安全度表現(xiàn)出上升趨勢,增長幅度均在0.02以上,具體分別為0.0294 ,0.0282 ;第二類為吳忠市和中衛(wèi)市,生態(tài)安全度雖然表現(xiàn)出上升趨勢但增長幅度介于0.01~0.02之間,具體分別為0.0137 ,0.0136 ;第三類為銀川市,生態(tài)安全度呈現(xiàn)下降趨勢,具體為-0.0770 。

圖2 2005-2011年寧夏各市生態(tài)安全變化

3.2 寧夏各市生態(tài)安全度的預(yù)測分析

圖1右半部分預(yù)測了2012—2018年期間寧夏各市的生態(tài)安全度發(fā)展趨勢。從時(shí)間尺度上看,除了銀川市之外,石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市的生態(tài)安全度仍表現(xiàn)出上升趨勢,表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉(zhuǎn)的跡象。圖1右半部分直觀顯示,銀川市的生態(tài)安全度一直呈下降趨勢,生態(tài)安全等級將從Ⅱ級逐漸下降到Ⅰ級,應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)問題的解決力度;固原市一直處于臨界安全狀態(tài)并且呈現(xiàn)出持續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢;中衛(wèi)市的生態(tài)安全問題突出,始終處于Ⅰ級的范圍內(nèi);此外,石嘴山市和吳忠市的生態(tài)安全度水平相近,發(fā)展趨勢都十分平緩。

從空間尺度上看,五市的生態(tài)安全格局發(fā)生了變化。2012年生態(tài)安全度呈現(xiàn)出固原市>銀川市>石嘴山市>吳忠市>中衛(wèi)市的空間特征,由于銀川市生態(tài)安全度的持續(xù)下降,從2013年開始轉(zhuǎn)變?yōu)楣淘校臼焐绞校俱y川市>吳忠市>中衛(wèi)市的特征。此外,對比2005—2011年的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),除了銀川市生態(tài)安全的相對位置發(fā)生變化以外,吳忠市的生態(tài)安全度開始穩(wěn)步高出中衛(wèi)市。圖3顯示了2012—2018年各市預(yù)測數(shù)據(jù)的變化幅度:固原市的生態(tài)安全度不斷上升,增長幅度為0.0923 ;石嘴山市和吳忠市的生態(tài)安全度雖然同樣在上升,但幅度不及固原市,具體分別為0.0211 ,0.0084 ;中衛(wèi)市和銀川市的生態(tài)安全度在下降,增長幅度分別為-0.0170 ,-0.0732 。

圖3 2011-2018年寧夏各市生態(tài)安全變化

4 結(jié)論

(1)2005—2011年期間,除銀川市之外,石嘴山市、吳忠市、固原市以及中衛(wèi)市的生態(tài)安全度均呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。固原市上升幅度(0.0294 )最大,依次為石嘴山市(0.0282 )、吳忠市(0.0137 )、中衛(wèi)市(0.0136 )、銀川市(-0.0770 )。生態(tài)安全度整體表現(xiàn)出寧夏南部(固原市)>北部(銀川市,石嘴山市)>中部(吳忠市,中衛(wèi)市)的空間特征。

(2)根據(jù)GM(1,1)模型的預(yù)測結(jié)果可得出:銀川市不容樂觀,生態(tài)安全度一直呈下降趨勢,石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市的生態(tài)安全度仍表現(xiàn)出上升趨勢,表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉(zhuǎn)的跡象,而銀川市應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)問題的解決力度。固原市生態(tài)安全度的上升幅度(0.0923 )仍然最大,其次為石嘴山市(0.0211 )、吳忠市(0.0084 )、銀川市(-0.0732 )、中衛(wèi)市(-0.0170 )。生態(tài)安全度也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣淘校臼焐绞校俱y川市>吳忠市>中衛(wèi)市的空間分布特征。

隨著生態(tài)文明建設(shè)的提出,以及寧夏內(nèi)陸開放型經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)的建立,寧夏繼西部大開發(fā)又迎來了一次生態(tài)建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)遇。在寧夏主體功能區(qū)劃定的背景下,探討本地區(qū)各市生態(tài)安全,對寧夏地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和內(nèi)陸開放型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有益的參考。文章在不同時(shí)間尺度下研究不同空間尺度的生態(tài)安全,并進(jìn)行對比分析,用寧夏五個(gè)地級市最近7a的數(shù)據(jù)研究各區(qū)生態(tài)安全度,體現(xiàn)出寧夏各市生態(tài)安全現(xiàn)狀,探究影響寧夏各市生態(tài)安全建設(shè)的主要因素,結(jié)果符合寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全建設(shè)的基本情況。最后利用GM(1,1)模型進(jìn)行了7a的預(yù)測,清晰地展現(xiàn)出寧夏地區(qū)各市未來生態(tài)安全的趨勢及變化。

生態(tài)安全是一個(gè)綜合復(fù)雜的系統(tǒng),隨著社會人文、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等不斷變化,生態(tài)安全的形勢也會變化,需長時(shí)間的觀測、研究。對寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全度的計(jì)算應(yīng)拉長時(shí)間序列,評價(jià)結(jié)果會更客觀、合理。利用GM(1,1)模型進(jìn)行預(yù)測結(jié)果具有一定的預(yù)見性,但時(shí)間尺度越大,預(yù)測結(jié)果也就越不精準(zhǔn),在以后對本地區(qū)生態(tài)安全研究中應(yīng)改進(jìn)方法,盡量減少誤差,使評價(jià)和預(yù)測結(jié)果更具參考價(jià)值。

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