基于L-V共生模型的區域生態安全測度研究

吳艷霞, 姜錕, 馮蕊

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基于L-V共生模型的區域生態安全測度研究

吳艷霞1, 姜錕2, 馮蕊3 *

西安理工大學經濟與管理學院, 西安 710048

區域生態安全與區域可持續發展息息相關。根據共生理論, 構建社會經濟—自然L—V共生模型, 運用DPSIR模型對其基本指數和協同系數進行測算。為避免人為因素干擾, 測算中, 用聚類分析法、變異系數法以及熵權法建立指標體系并賦權重, 使整個測度過程定量化, 同時, 對該模型的穩定平衡點和協同系數進行動態分析, 確定出區域生態安全的判斷依據。將模型用于陜西省西安市進行實際應用, 結果表明: 目前西安市的生態安全狀況并不理想, 自然環境子系統所產生的環境問題制約著社會經濟子系統的發展。這一測度結果與西安市的實際情況相符合, 該模型在測度區域生態安全具體狀況方面具有實踐價值。

Lotka-Volterr; 共生模型; 區域生態安全; 測度

1 前言

隨著社會、經濟的發展, 人類對自然環境的干擾和破壞越來越嚴重, 生態安全問題越來越突出, 已威脅到人類的健康和發展。區域生態安全是實現區域可持續發展的基礎和核心, 而區域生態安全測度為區域生態環境管理、決策提供科學的依據。因此, 對區域生態安全測度研究就顯得尤為重要。

布朗于1977年首次提出了生態安全的概念[1], 后續學者從不同方面對其進行延伸和拓展。目前應用最廣的是國際應用系統分析研究所(IASA)提出的生態安全含義, 即生態安全是對人的生活、健康、基本權利、生活保障、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化能力等方面不受威脅的狀態表述, 是由自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全組成的復合系統[2]。當前學者們對區域生態安全的研究, 主要側重于區域生態安全評價[3-6], 分析區域生態安全的影響因素, 而對區域生態安全預警的研究相對較少。在研究方法上, 集中于指標體系法[7-10]和特征指數法[11,12]兩大類。指標體系法的各單項指標具有明確的生態意義, 便于分析導致生態安全問題的原因, 但是經過無量綱標準化處理和加權求和后, 所得到的綜合指標將失去生態安全的意義, 不便于運用。而且在指標選取和權重確定方法上主觀性較大。特征指數法(如生態足跡和能值法等)剛好相反, 優點是具有總體生態安全的意義, 但將單項指標轉化為特征指數時, 指標失去了自身的生態意義, 不便于原因分析。

為解決上述問題, 本文建立了社會經濟—自然L-V共生模型。該模型將指標體系法與特征指數法進行耦合, 實現了兩種方法的優勢互補, 同時使整個測度過程定量化, 避免人為因素的影響。另外, 根據該模型的穩定條件, 求解系統穩定平衡點, 從而對區域生態安全狀況進行有效測度。

2 社會經濟-自然L-V共生模型構建

2.1 L-V共生模型選擇原因

區域生態安全是人與環境復合系統保障由于自然因素和人類活動或二者共同作用而產生的生態安全隱患對人類生態安全空間不構成威脅的狀態或演變趨勢的可能性[13]。人與環境復合系統由經濟子系統、社會子系統和自然環境子系統構成。王儉[14]等學者的研究表明: 自然環境子系統為人類社會經濟的生存和發展提供物質資源, 是一切生命生存的載體, 是復合系統中的生產者; 經濟子系統的發展需要從自然環境子系統中獲取資源, 并為社會子系統的發展提供經濟基礎, 是社會子系統的生產者和自然環境子系統的消費者; 社會子系統是人類及其自身活動所形成的非物質性生產的組合, 是經濟、自然環境子系統的消費者。社會、經濟子系統都需要從自然環境子系統中獲取資源, 所以在研究過程中將兩個子系統看作一個系統, 即社會經濟子系統。

在復合系統中, 社會經濟子系統的發展需要從自然環境子系統中獲取資源, 同時將污染物排放到自然環境子系統中, 對自然環境子系統的發展產生抑制作用; 社會經濟中的科技、教育發展會促進自然環境子系統的發展, 對其產生促進作用。自然環境子系統發展不良, 會產生各種自然災害, 抑制社會經濟子系統的發展, 其自然資源的提供也會促進社會經濟子系統的發展。可見, 社會經濟子系統與自然環境子系統存在著對自然資源占有的競爭共生關系。這符合生態位理論, 即在生物種群中, 每種生物都有其特定的生存領域和作用, 面臨物種之間的競爭關系, 任意物種只有在占據了自身特有的生態位的情況下, 才能在自然環境中生存下去[15]。已有學者將兩物種種群的種間共生關系的微分方程動態系統模型(Lotka-Volterra模型, 以下簡稱L-V模型)用于森林生態安全的研究中[16][17]。因此, 本文選擇L-V模型來研究區域的生態安全測度問題。

2.2 模型構建

根據L-V模型原理[18,19]以及上述分析, 在人與環境復合生態系統中, 社會經濟子系統與自然環境子系統之間既有競爭產生的抑制作用, 也有合作共生產生的促進作用。社會經濟—自然的共生模型可用以下公式表示:

3 社會經濟-自然L-V模型協同系數及基本指數測算

3.1 協同系數的測算

為測算協同系數, 本文將公式(2.1)(2.2)進行離散化處理[16], 離散化時間變量取年份。假定第年前后, 環境容量、協同系數為常數, 則公式(2.1)(2.2)可變為:

(3.1)

式中, 各符號均為第年、年、年的數值, 其含義與公式(2.1)(2.2)相同。

3.2 基本指數的測算

3.2.1 DPSIR模型分析

目前生態安全指標體系建立的模型有PSR、DSR、DPSR、PSIR、DPSIR等[20-22]。通過對生態安全的機理進行分析, 選擇DPSIR(驅動力Driving force、壓力Pressure、狀態State、影響Impact、響應Response)模型來構建生態安全指標體系。并在張智光[16]研究的基礎上, 分析出DPSIR模型內部因素之間的關系以及與生態安全之間的關系如圖1所示。

圖1中, 社會經濟驅動力與社會經濟壓力反映了社會經濟子系統對自然資源的需求。驅動力傾向于對自然資源狀態的改善, 壓力反映了社會經濟對自然資源的破壞, 且二者都能反映區域的社會經濟發展水平。本文將其組合起來, 構建社會經濟發展水平估算指標體系。資源與環境狀態表示在社會經濟的驅動和壓力下, 自然資源與環境的狀態, 該指標可以直接衡量生態環境容量; 人類響應表示人類為降低自然生態系統受到的損害而做出的積極響應, 其效果可以減輕社會經濟對資源環境狀態的壓力, 為生態恢復提供條件。資源與環境狀態和人類響應都與生態容量有關, 因此用這兩類指標來估算環境容量。生態影響表示在社會經濟發展需求下自然環境表現出來的狀態?？梢杂迷撝笜斯浪闵鷳B水平。

圖1 DPSIR模型內部及與區域生態安全之間的關系圖

3.2.2 基于DPSIR模型的指標體系建立

本文借鑒相關學者指標體系建立方法[23-26], 建立區域社會經濟發展、環境容量以及生態水平的指標體系。具體步驟如下:

首先, 以聯合國可持續發展委員會、世界銀行、中國科學院等權威機構發布的生態安全評價經典、高頻指標為基礎, 梳理生態安全相關文獻, 按照DPSIR模型結構, 海選指標。

其次, 根據代表性原則、可行性原則和可觀測性原則對上述指標進行初選, 選出具有代表性、含義清晰且能夠被獲取的指標。

再次, 運用R聚類分析法將同一因素下, 信息含量相同的指標聚為一類; 用變異系數法選取同一類中信息含量最大的指標。具體計算原理如下:

（1）R聚類分析

a. 選擇聚類方法

通過離差平方和法對指標數據進行聚類。

離差平方和聚類的具體步驟:

b.聚類數目合理性的判定

(2)變異系數分析

變異系數是衡量一組數據中各觀測值之間離散程度的統計量, 可以用來反映指標在生態安全評價中的鑒別能力。其公式為:

變異系數越大, 表明該指標的鑒別能力越強, 信息含量越大, 其對生態安全的影響越大, 應當保留; 反之, 則應當刪除。

最后, 對得到的指標進行合理性判斷。判斷原理如下:

指標體系合理性判定標準: 用30%以下的指標反映95%以上的原始信息, 則認為指標體系構建合理[24]。

3.2.3 指標權重的確定

（1）數據標準化。

在計算指標熵值前, 先對指標的原始數據進行標準化處理, 其原理如下:

當指標為正向指標(即指標值越大越好)時,

當指標為逆向指標(即指標值越小越好)時,

（2）計算各指標熵值。

(3)確定各評價指標權重。

3.2.4 基本指數的估算

4 基于社會經濟—自然L-V模型區域生態安全判斷依據

區域復合生態系統越穩定, 該區域的生態安全狀況越理想。本文通過對社會經濟—自然L-V模型的穩定性進行分析, 來判斷區域生態安全狀況。

綜上所述, 得到區域生態安全的判斷依據如表1所示。

5 實證研究

本文以陜西省西安市為例, 對其生態安全狀況進行測度。數據來源于《西安統計年鑒》(2011年—2015年)、《陜西統計年鑒》(2011年—2015年)、《中國統計年鑒》(2011年—2015年)、《中國環境統計年鑒》(2011年—2015年)。

5.1 基本指數測算

5.1.1 指標體系建立及權重確定

(1)指標體系建立

本文在權威機構發布的經典、高頻指標基礎上, 梳理相關文獻, 海選出60個指標; 依據有關原則進行初選, 選出20個指標; 根據R聚類和變異系數法原理, 用spss17.0對指標進行定量篩選, 得到15個指標(如表2所示)。

對上述構建的指標體系進行合理性判斷:

即: 15/60*100%=25%(<30%)的指標反映了99.9%(>95%)的信息, 則該指標體系合理。

(2)指標權重的確定

根據熵權法的計算原理, 對上述指標進行權重確定, 得到各指標權重如表3所示。

5.1.2 基本指數測算

根據公式(3.8)和公式(3.9), 對各指標原始數據進行標準化處理, 結果如表4所示。

由公式(3.13)可得2010年到2014年, 環境容量指數、社會經濟發展水平指數以及自然生態水平指數的結果如表5所示。

5.2 協同系數測算及結果分析

表1 區域生態安全判斷依據

表2 指標體系

表3 指標權重

表4 各指標標準化結果

表5 2011年-2014年基本指數結果

表6 協同系數

上述對西安市生態安全的測度結果與西安市的實際情況相符合, 說明本文構建的區域生態安全測度模型具有實際應用價值。

6 結論

(1)通過構建社會經濟—自然L-V共生模型, 耦合指標體系法和特征指數法, 既能得到具有明確生態安全含義的特征指數, 又能體現出各單項指標自身的生態意義, 便于決策者理解和運用。

(2)為區域生態安全的測度提供了一種科學化和定量化的方法。運用DPSIR概念模型, 分析該概念模型內部因素與區域生態安全的關系, 并結合聚類分析法和變異系數法原理, 建立區域生態安全指標體系, 用熵權法原理對其權重進行確定, 避免了人為干擾的影響。對社會經濟—自然L-V共生模型的穩定性進行動態分析, 將區域生態安全狀況分為健康區、亞健康區、風險區、高風險區以及危險區五個區域, 確定了區域生態安全與否的判斷標準。

(3)對西安市的生態安全進行測度, 可得, 近年來西安市的生態安全狀況并不理想。2010—2014年雖然對自然環境的保護意識加強, 但自然環境問題依舊制約著社會經濟的發展。西安市為旅游城市, 其經濟增長主要依靠第二產業和第三產業。由于環境問題的影響, 西安市第二產業發展相對緩慢, 應該調整產業結構, 推動產業創新。第三產業是西安市生產總值的主要來源, 該產業的發展帶來了不少環境問題, 需要對第三產業中的各行各業加強監管, 不斷完善相關規章管理制度, 促進第三產業規范化、有序化發展, 減少城市生活垃圾的產生。

[1] 黃寶強, 劉青, 胡振鵬, 等. 生態安全評價研究述評[J]. 長江流域資源與環境, 2012, 25(S2): 74–78.

[2] RAPPORT D J, HILDEN M. An evolving role for ecological indicators: From documenting ecological conditions to monitoring drivers and policy responses[J]. Ecological Indicators, 2013, 28(4): 10–15.

[3] 郭閩, 黃鵬, 何天友, 等. 基于PSR模型的城市生態安全動態評價——以福建省三明市為例[J]. 福建農林大學學報: 自然科學版, 2015, 44(1): 90–95.

[4] 鄭曉梅, 于瀚祥, 計雪晴, 等. 基于P-S-R的莊河市生態安全評價[J]. 國土與自然資源研究, 2015, (2): 63-66.

[5] 黃鵬, 郭閩, 夏思穎, 等. 龍巖市區域生態安全評價研究[J]. 河南科技學院學報: 自然科學版, 2015, 43(3): 36–41.

[6] HAN B, LIU H, WANG R, et al. Urban ecological security assessment for cities in the Beijing–Tianjin–Hebei metro-politan region based on fuzzy and entropy methods[J]. Ecological Modelling, 2015, 318:217–225.

[7] 李輝, 李建龍, 楊悅, 等. 蘇州地區近10年城市生態安全度的系統定量分析及其管控對策[J]. 天津農業科學, 2015, 21(2): 68–75.

[8] 秦曉楠, 盧小麗. 基于BP-DEMATEL模型的沿海城市生態安全系統影響因素研究[J]. 管理評論, 2015, 27(5).

[9] QIN M, CHENG J, ZHANG P, et al. Research on ecological safety and utilization pattern on the lower reaches wetland of the yellow river in kaifeng city[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10(1): 2654–2658.

[10] LI H, LV M, YE S. The research and practice of ecological safety evaluation methods(I) evaluation index and model[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 11(1): 1204–1210.

[11] 杜忠潮, 李志霞. 基于生態足跡模型的旅游地生態安全評價研究—以咸陽市為例[J]. 西北師范大學學報(自然科學版), 2011, 47(3): 110–115.

[12]代穩, 張關竹, 秦趣, 等. 基于生態足跡模型的水資源生態安全評價研究[J]. 環境科學與技術, 2013, (12): 228–233.

[13] 王耕, 王利, 吳偉. 區域生態安全概念及評價體系的再認識[J]. 生態學報, 2007, 27(4): 1627–1637.

[14] 王儉, 韓婧男, 胡成, 等. 城市復合生態系統共生模型及應用研究[J]. 中國人口資源與環境, 2012, (S2): 291–296.

[15] 田增瑞, 趙天強, 常焙筌. VC和PE產業鏈的競爭共生模型及其穩定性研究[J]. 復旦學報(自然科學版), 2016, 55(1): 1–7.

[16] 張智光. 林業生態安全的共生耦合測度模型與判據[J]. 中國人口: 資源與環境, 2014, 24(8): 90–99.

[17] 陳巖, 張智光, 謝煜, 等. 中國省域林業生態安全格局的預警性測度——生態與產業共生的視角[J]. 農林經濟管理學報, 2015, 14(5): 480–489.

[18] 洪愛梅. 江蘇省海陸產業系統協同共生發展研究[J]. 科技與管理, 2016, 18(2).

[19] FARIA T. Stability and extinction for lotka-volterra systems with infinite delay[J]. Journal of Dynamics & Differential Equations, 2010, 22(2): 299–324.

[20] 石丹丹, 董曉峰, 劉星光. 基于PSR模型的蘭州市生態安全評價[J]. 資源開發與市場, 2015, 31(8): 956–958.

[21] 秦曉楠, 盧小麗. 沿海城市生態安全作用機理及系統仿真研究[J]. 中國人口·資源與環境, 2014, 24(2): 60–68.

[22] 盧小麗, 秦曉楠. 沿海城市生態安全系統結構及穩定性研究[J]. 系統工程理論與實踐, 2015, (9): 2433–2441.

[23] 趙宇哲, 劉芳. 生態港口評價指標體系的構建—基于R聚類、變異系數與專家經驗的分析[J]. 科研管理, 2015, (2): 124–132.

[24] 石寶峰, 遲國泰. 基于信息含量最大的綠色產業評價指標篩選模型及應用[J]. 系統工程理論與實踐, 2014, (7): 1799–1810.

[25] 周知, 遲國泰, 章穗. 基于次約束的區縣科學發展評價及其實證[J]. 系統工程學報, 2014, 29(2).

[26] 張昆, 遲國泰. 基于相關分析—粗糙集理論的生態評價指標體系構建[J]. 系統工程學報, 2012, 27(1): 119–128.

[27] 章穗, 張梅, 遲國泰. 基于熵權法的科學技術評價模型及其實證研究[J]. 管理學報, 2010, 7(1): 34–42.

Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model

WU Yanxia1, JIANG Kun2, FENG Rui3 *

School of Economics and Management, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

The regional ecological security is closely related to the sustainable development of the region. In this paper, the principle of Lotka-Volterra symbiosis theory is applied to construct the social economy and natural L-V symbiosis model. We use DPSIR model to calculate the basic index and the synergy coefficient.In order to avoid human interference, we usecluster analysis method, variation coefficient method and entropy weight method to establish index system and assign weights to quantify the whole process of the measurement. At the same time, the dynamic analysis of stable equilibrium point and synergistic coefficient of the model is carried out to determine the basis for judging the ecological security of the region. The above model is used to measure the ecological security of Xi'an. The results demonstrate that the ecological security of Xi'anat present is not ideal,and the environmental problems produced by the natural environment subsystem restrict the development of the social and economic subsystems.The measurement is consistent with the reality of Xi'an, and the model has practical value in measuring the specific situation of ecological security in region.

Lotka-Volterra symbiosis model; regionalecological security; measurement

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.021

X24

A

1008-8873(2018)04-168-10

2017-03-23;

2017-06-05

陜西省展研究軟科學研究項目: 榆林沙漠生態城市群建設研究(2014KRM92); 陜西省普通高校哲學社會科學特色學科建設項目: 社會經濟系統管理與政策研究(10570702140); 陜西省教育廳科研重點項目: 陜西省科技型企業創新生態系統構建與運行機制研究(2018118)。

吳艷霞(1964—), 女, 碩士研究生導師, 研究方向區域經濟與技術經濟, E-mail.2214861742@qq.com.

馮蕊(1990—), 女, 碩士研究生, 研究方向區域經濟, E-mail. fengrui1216@163.com.

吳艷霞, 姜錕, 馮蕊. 基于L-V共生模型的區域生態安全測度研究[J]. 生態科學, 2018, 37(4): 168-177.

WU Yanxia, JIANG Kun, FENG Rui. Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 168-177.