咸寧市生態系統健康診斷預警研究

安輝 郝漢舟 魏華 陳銳凱

摘要：城市生態系統作為一種高度人工化的自然-社會-經濟復合的生態系統，強調生態系統能維持對人類的服務功能以及人類自身健康及社會經濟健康不受損害。以湖北省咸寧市為例，采用聯合國經濟合作開發署（OECD）的PSR模型框架，從資源環境壓力、資源環境狀態、人文環境響應3個方面建立健康診斷指標體系，采用層次分析法確定指標權重，以灰色模型GM（1，1）預測咸寧市各指標的變化。研究結果表明：①對咸寧市生態系統健康指標診斷，結果顯示在2015年，咸寧市生態健康診斷預警指標體系32個指標中將沒有巨警（紅燈），重警（黃燈）主要是經濟發展壓力所屬指標即人均污水排放量、人均工業廢氣排放量。②整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態系統綜合健康指數呈現減小的趨勢，從巨警（0.85）轉向輕警（0.17），顯示咸寧市生態系統健康狀況整體好轉。在要素層的3個子系統中，壓力子系統指標逐步加大，到2015年將為重警（0.66）。其余兩個子系統到2015年將得到較好改善，對支持咸寧市生態健康整體好轉發揮了積極作用。

關鍵詞：生態系統;健康診斷;預警;PSR模型;咸寧市

中圖分類號： S153.6;F595 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0480-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.057

Early Warning and Health Diagnosis of Xianning Ecosystem

AN Huia，HAO Han-zhoua，b，WEI Huaa，b，CHEN Rui-kaia

（a.Resources and Environment College;b. Land and Water Resources Research Center of the Middle Yangtze River， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100， Hubei ?， China）

Abstract：Urban ecosystem is highly artificial in nature - social - economic complex ecosystems. Emphasizing the ecological system can maintain the service functions on health of human beings， the society and economy. Taking Xianning City as an example， PSR model framework of the use of the United Nations Department for Economic Cooperation Development （OECD） was used to establish a healthy diagnostic indicator system from the pressure of state resources and the environment， human environment. AHP was used to determine index weights. Gray model GM （1，1） was used to predict changes of each index in Xianning City. The results showed that in 2015， 32 indicators of ecological health diagnosis in Xianning city was not giant warning（red）. Heavy warning（yellow） was mainly an indicator of pressure of economic development， water emissions per capita and per capita industrial emissions. From 2004 to 2015， integrated ecosystem health index of Xianning had a decreasing trend， turning to light warning（0.17） from the giant warning（0.85）， indicating overall improvement of Xianning in ecosystem health. In three subsystems of element layer， the pressure subsystem indicators gradually increased to the most important warning （0.66） in 2015. The remaining two subsystems will be improved in 2015. The general improvement of the ecological health of Xianning City had a positive role.

Key words： ecosystems; health diagnosis; early warning; PSR model; Xianning City

生態系統健康概念的提出可追溯到20世紀40年代，美國著名生態學家、土地學家AldoLeopold于1941年提出了土地健康（Land health）的概念[1]。周文華等[2]提出城市生態系統健康（Urban ecosystan health）是指系統內人類生產生活通過與周圍環境、各群落之問進行的物質和能量交換所形成持續的良性循環，以及城市生態系統內人類種群的健康。

Spiegel等[3]采用驅動力-壓力-狀態-暴露-影響-響應（DPSEEA）模型對古巴首都哈瓦那城市生態系統健康進行了評價。聯合國經濟合作開發署（OECD）于1994年建立PSR（Pressure-state-response）模型[4]、UNCSD于1996年建立DSR（Driving force-state-response）模型[5]。歐洲環境署（EEA）1998年提出了DPSIR（driving force-pressure-state-exposure-effect-action）模型[6]。Polsky 等[7]受美國公共空間計劃整合框架的啟示，發展了基于“暴露-敏感-適應”的VSD 評價整合模型（Vulnerability scoping diagram）。牛文元運用系統學的方法，把人口控制、資源消耗、生態環境質量的動態變化、政府管理能力等結合起來，建立了DSP指標（Degree of sustainable development）。魏婷等[8]利用突變級數法對廈門市生態系統健康進行了定量評估和趨勢分析。劉耀彬[9]認為城市化與資源環境概念內涵復雜，具有層次性，在PSR框架的基礎上，提出了城市化與資源環境相互作用的擴張EPSR模型（Extended pressure-state-response）。此外，物元可拓模型法[10]、屬性綜合評價法[11]和主成分投影法[12]等在城市生態系統健康研究中也得到了應用。

本研究在對咸寧市生態系統基本狀況進行綜合分析的基礎上，利用層次分析建立咸寧市生態系統健康評價體系，進行診斷預警，結合實際全面分析造成咸寧市生態系統破壞的主要原因，診斷咸寧市生態系統的健康狀況及變化趨勢，評價污染壓力對咸寧市生態系統的影響，為咸寧市綠色發展提供科學決策。

1 ?研究區概況

咸寧市位于湖北省東南部，素有“湖北南大門”之稱，是武漢城市圈“8+1”的成員城市之一，與湖南省、江西省接壤，地理位置跨東經113°32′-114°58′，北緯29°02′-30°19′。下轄1市1區4縣，分別是赤壁市、咸安區、通城縣、通山縣、嘉魚縣、崇陽縣。

2 ?研究方法及指標體系構建

2.1 ?模型構建

本研究采用PSR概念模型。在PSR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[13]：狀態指標用以衡量由于人類行為而導致的生態系統的變化;壓力指標則反過來表明生態環境惡化的原因;響應指標則顯示社會為減輕環境污染和資源破壞所做的努力。根據PSR概念模型，從資源環境壓力、資源環境狀態、人文環境響應等方面選取反映城市生態系統健康的相應指標（表1）。

上述指標體系中的數據由2004～2010年《咸寧市統計年鑒》直接查得。對于部分無法直接得到的數據，借鑒已有的數據，采用替代方法近似對指標賦值。為了消除數據的量級以及量綱的不同，選擇下式的方法對數據進行規范處理，公式如下：

xij=■ ? ? ?（1）

式中，i為年份，j為指標序號;xij為指標數據。在本研究中，診斷預警警限界定是值越大警情越重（表2）。為統一指標的方向，對于指標值越大，對生態環境健康越有利的指標要進行變向處理，變向處理的公式為：

xij=■ ? ? （2）

2.2 ?權重的確定

本研究采用層次分析法與專家調查法相結合的方法[15]。各指標的權重確定步驟如下：

1）專家打分：根據咸寧市生態健康指標體系表1建立專家評分表，用成對比較法和1～9尺度。分值分布為1～9，最高分為9，表示最重要，最小值為1，表示最不重要。

2）確定特征向量;對每一成對比較陣計算最大特征根和特征向量，作一致性檢驗。本研究中利用DPS數據處理軟件得到最大特征根及特征向量。一致性檢驗公式為：

CI=■ ? ? （3）

式中，λ為DPS軟件計算的最大特征根，n為n階陣的階數（指標個數）。一致性比率CR，CR=CI/RI，RI可以根據n查Saaty表。當CR<0.1時，通過一致性檢驗。

3）確定權重：利用上面計算的特征向量，進行歸一化處理，得到權重。其計算的指標權重值如表1。

4）根據權重系數及標準化的指標體系，通過逐層的矩陣運算方法，構造綜合目標函數：

F（x）=■βjxj ? ?（4）

式中，βj為各層的權重系數，xj標準化的指標，F（x）為目標函數，n為某一層次中指標個數。根據目標函數與診斷預警警限比較，作出預警判斷。

2.3 ?評價標準及預警分級

在對指標進行預警判斷，分為巨警、重警、中警、輕警、無警5個級別，其判斷標準是根據相關的科研結論及文獻報道。其5個級別的劃分見表2。采用層次分析法，對2004～2015年咸寧市生態系統進行健康診斷，具體警限見表3。

2.4 ?灰色預測

灰色系統理論于20世紀80年代創立。灰色預測是對系統行為特征值的發展變化進行的預測，對既含有已知信息又含有不確定信息的系統進行的預測，也就是對在一定范圍內變化的、與時間序列有關的灰色過程進行預測。在DPS軟件GM（1，1）模型支持下對2015年咸寧市各項指標進行預測。

3 ?結果和討論

3.1 ?各分指標的診斷預警

對照咸寧市生態健康預警指標界限表2，對 2015年的生態系統健康狀況進行預診斷，其結果如表3。32個指標層中，沒有巨警（紅燈）;重警（黃燈）有2個指標，分別是C8（人均污水排放量）、C9（人均工業廢氣排放量）。在2004～2010年中，人均污水排放量、人均工業廢氣排放量最小值分別為30.5 t/人、6 172.6標m3/人，顯示咸寧市在這個指標方面有待改善。中警（藍燈）有7個指標，分別是C4（人均林地面積）、C5（GDP增長率）、C7（人均用水量）、C11（城市化率）、C12（人口自然增長）、C14（水土流失面積/土地面積）、C18（恩格爾系數）。在以后的評估中，GDP增長率和城市化率兩個指標方面建議根據中國的實際情況加以改進。輕警（淺藍燈）有7個指標，分別是C3（畜均草地面積）、C19（萬人科技人員數）、C21（第三產業占GDP比重）、C24（環境保護宣傳教育普及率）、C27（科技投入強度）、C31（環保投資投入強度）、C32（教育投入強度）。從以上結果可以看出重警主要是經濟發展壓力（B2）所屬指標，反映了經濟發展對環境造成的壓力。

3.2 ?目標層——整體分析

對咸寧市生態健康診斷預警，是基于對目標層H的層次分析法的結果的判斷。咸寧市生態系統健康診斷結果如圖1所示。整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態系統綜合健康指數呈現減小的趨勢，從巨警（0.85）轉向輕警（0.17）。咸寧市生態系統綜合健康指數2004年至2005年略有下降，2005年到2006年呈小幅度增長趨勢，2007年后又出現下降趨勢。結果顯示從2006年以后咸寧市生態系統健康得到逐步改善。

3.3 ?準則層——子系統分析

3.3.1 ?壓力子系統 ?咸寧市生態系統壓力子系統健康診斷預警結果如圖2，咸寧市壓力子系統從2004年到2008年呈穩步上升趨勢，到2008年達到第一高峰0.48，為中警。2008年到2010年有所下降。但是2010年以后壓力值明顯增長，表明壓力不斷增大，預測2015年壓力指標為0.66，為重警，顯示咸寧市隨著經濟發展，咸寧市生態系統壓力將越來越大。

在壓力子系統中包括資源豐裕度、經濟發展壓力和人類活動強度3個具體指標（圖3）。3個指標中經濟發展壓力和人類活動強度呈現增長趨勢。經濟發展壓力和人類活動強度到2015年呈現巨警（0.85）和重警（0.64）。資源豐裕度呈現波動趨勢，在2008年達到0.77（重警）后逐步減小，到2015年為0.41（中警）。資源豐裕度這種變化與資源開發及技術進步提高資源使用效率有關。經濟壓力呈上升趨勢，人類活動強度呈上升趨勢，表明未來幾年咸寧市如果不采取相應措施，經濟壓力將會越來愈大，人類活動強度愈來愈強。

3.3.2 ?狀態子系統 ?咸寧市生態系統狀態子系統健康診斷預警結果如圖4。從2004年到2015年逐步下降。從2004年的0.83（巨警）將降低到2015年的0.24（輕警）。說明咸寧市生態環境質量、經濟發展水平、人口健康狀況整體在向好的方向發展。近年來咸寧市政府加大了環境治理力度，打造生態城市、人類宜居城市，加大了對污染物的治理，并對一些高污染企業進行整改，提高企業的治污積極性，有效推進污染總量控制工作，使生態狀況有了明顯好轉。

咸寧市生態系統狀態子系統包括人口健康狀況、經濟發展水平和生態環境質量3個方面，其診斷預警結果如圖5所示。從圖可知，生態環境質量在2007年、2015年有所升高，其余兩個指標值整體來講是逐步降低的。經濟發展和人口健康到2015年呈現無警狀況，生態環境在2015年為中警狀況。

3.3.3 ?響應子系統 ?咸寧市生態系統響應子系統健康診斷預警結果如圖6所示。從2006年到2015年將持續穩步下降，其中2010年后下降更明顯。響應子系統反映了社會和個體對環境污染和資源消耗所采取的對策和措施。響應子系統指標值的降低，反映了居民環保意識的提高以及政府在政策、環保投入等方面的努力。

咸寧市生態系統響應子系統包括政策與管理水平、環境保護力度兩個方面。其診斷預警結果如圖7所示。從圖中可知，兩個要素層指標逐步減小，到2010年為中警，但是到2015年將為無警狀況，顯示隨著生態文明建設的越來越被重視，咸寧市生態城市建設將得到逐步落實，所采取的環境保護力度也在加大。

4 ?結論

本研究采用PSR模型框架，用層次分析法確定各指標及各層次的權重。采用灰色模型GM（1，1），對咸寧市2015年各指標進行了預測。對各指標與相關標準比較來進行咸寧市生態系統健康指標診斷。經過分析計算得到以下結論：

1）對咸寧市生態系統健康指標診斷，結果顯示在2015年，咸寧市生態健康診斷預警指標體系32個指標中將沒有巨警（紅燈），重警（黃燈）主要是經濟發展壓力（B2）所屬指標即人均污水排放量、人均工業廢氣排放量，反映了經濟發展對環境造成的壓力。

2）整體來看，從2004年到2015年，咸寧市生態系統綜合健康指數呈現減小的趨勢，從巨警（0.85）轉向輕警（0.17）。咸寧市壓力子系統從2004年到2008年呈穩步上升趨勢，預測2015年壓力指標為0.66，為重警。咸寧市生態系統狀態子系統2004年到2015年逐步下降。從2004年的0.83（巨警）降低到2015年的0.24（輕警）。咸寧市生態系統響應子系統從2006年到2015年呈持續穩步下降趨勢，其中2010年后下降更加明顯。

參考文獻：

[1] Leopold A. The land-health concept and conservation[J]. For the Health of the Land： Previously Unpublished Essays and Other Writings， J. Baird Callicott and Eric T. Freyfogle， eds.（Washington： Island Press， 1999） p， 1999， 219.

[2] 周文華， 王如松. 基于熵權的北京城市生態系統健康模糊綜合評價[J]. 生態學報， 2005， 12（25）： 3244-3251.

[3] Spiegel J M， Bonet M， Yassi A， et al. Developing ecosystem health indicators in Centro Habana： a community‐based approach[J]. Ecosystem Health， 2001， 7（1）： 15-26.

[4] OECD （Organization of Economic Cooperation and Development） （1994） Environmental indicators. OECD core sets. OECD， Paris.

[5] United Nations. Dept. for Policy Coordination， Sustainable Development. Indicators of sustainable development： Framework and methodologies[M]. United Nations， 1996.

[6] European Environment Agency （EEA）. 1998. Identification of indicators for a transport and environment reporting system; final report. Office for Official Publications of the European

[7] Polsky C， Neff R， Yarnal B. Building comparable global change vulnerability assessments： the vulnerability scoping diagram[J]. Global Environmental Change， 2007， 17（3）： 472-485.

[8] 魏 ?婷，朱曉東，李楊帆，等.突變級數法在廈門城市生態安全評價中的應用[J].應用生態學報，2008，19（7）：1522-1528.

[9] 劉耀彬.城市化與資源環境相互關系的理論與實證研究[M].北京：中國財政經濟出版社，2007.

[10] 戴曉蘭，季 ?奎，呂 ?方，等.基于物元模型的城市生態健康評價[J].云南地理環境研究，2007，19（2）：58-63.

[11] 顏文濤，袁興中，邢 ?忠.基于屬性理論的城市生態系統健康評價[J].生態學雜志，2007，26（10）：1679-1684.

[12] 施 ?佩.主成分投影法在城市生態系統健康評價中的應用[J]. 浙江萬里學院學報，2008，21（5）：93-96.

[13] 史永亮，楊東峰，王如松，等.基于PSR模型的大豐市城市生態系統健康綜合評價[J].環境科學與技術，2008，31（2）：120-123.

[14] 王慧敏，仇 ?蕾.資源-環境-經濟復合系統診斷預警方法與應用[M].北京：科學出版社，2007.

[15] 李春暉，鄭小康，崔 ?嵬，等.衡水湖流域生態系統健康評價[J]. 地理研究，2008，27（3）：565-573.

[16] 中國科學院可持續發展研究組.中國可持續發展戰略報告[M].北京：科學出版社，2002.

[17] 劉 ?康，李團勝.生態規劃——理論、方法與應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[18] 張坤民，溫宗國，杜 ?斌，等.生態城市評估與指標體系[M].北京： 化學工業出版社，2003.