基于物元模型的嘉峪關市生態安全評價

齊鵬, 王曉嬌, 樊偉, 焦亞鵬, 王雅芝

基于物元模型的嘉峪關市生態安全評價

齊鵬1, 王曉嬌2, *, 樊偉1, 焦亞鵬1, 王雅芝1

1. 甘肅農業大學資源與環境學院, 蘭州 730070 2. 甘肅農業大學管理學院, 蘭州 730070

生態安全評價對生態脆弱區和經濟落后區發展綠色經濟有重要意義, 亦可為城市生態文明建設提供科學參考。以嘉峪關市為例, 采用DPSIR模型和層次分析法構建嘉峪關市生態安全評價體系, 通過物元分析法對嘉峪關市2010—2018年的生態安全狀況進行了綜合評價。結果表明: (1)2010—2018年嘉峪關市生態安全等級逐步上升, 其生態安全等級從“不安全”上升到“較安全”。(2)人均水資源量、環境空氣質量優良率、人均耕地面積、第一、二產業增長率、環境保護投資、森林覆蓋率等指標是影響嘉峪關市生態安全水平進一步提升的制約因素。(3)嘉峪關市生態安全水平雖逐步好轉, 但生態安全水平總體不高, 還需在鞏固現有成果的基礎上, 進一步加大生態文明建設的力度。該結論可為嘉峪關市發展綠色經濟、建設生態文明提供理論依據。

生態安全; 物元模型; 層次分析法; DPSIR模型; 嘉峪關市

0 前言

生態安全是指一個國家或人類社會生存和發展所需的生態環境處于不受或少受資源和生態環境制約與威脅的狀態, 即指生態系統的完整性和健康的整體水平[1–2]。“一帶一路”發展戰略的提出, 為我國西北地區城市的發展帶來了新機遇, 面對西北地區生態安全問題的日益加劇, 綠色發展和生態環境保護成為“一帶一路”建設的重要命題; 生態安全屏障構建是國家生態文明建設和生態環境保護不可或缺的戰略舉措, 西北地區作為我國主要的江河發源地, 是全國重要的生態安全屏障, 對保障國家生態安全具有重要作用。但隨著現代工業化進程的不斷推進, 如水土流失、草場退化、土壤沙漠化、濕地破壞、溫室效應、臭氧層空洞等生態安全問題日益突出, 生態安全作為人與自然和諧統一發展的焦點, 是人類社會發展的重要基礎和前提保障, 解決生態安全問題迫在眉睫[3-4]。

目前生態安全評價研究的關鍵環節是建立科學的評價標準與指標體系, 相關學者從省級尺度、地市級尺度以及生態敏感區等不同尺度對生態安全狀況開展了大量研究[5-8]。李悅[9]等構建基于PSR模型的評價體系, 運用綜合指數法對青島市濕地生態安全進行評價; 張松男[10]等采用PSR模型建立評價指標體系, 基于物元模型對四平市的生態安全進行評價; 匡麗華[11]等運用改進的TOPSIS法對耕地系統進行安全評價, 并對影響耕地系統生態安全的障礙因子進行分析; 榮慧芳[12]等運用熵權物元模型對皖江城市帶的土地生態安全及影響因子進行了分析。總體來看, 在評價方法方面大多運用綜合指數法、TOPSIS法、物元模型等研究方法, 評價指標體系的構建大多以PSR(壓力-狀態-響應)、DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應)等模型為主[13-15]。但由于研究區域和視角的不同, 以上研究仍存在一些不足, 如: 研究區域大多集中在東部, 對西北地區的研究較少; DPSIR模型是PSR和DSR模型的發展與補充, 但目前在生態安全評價領域的應用較少。物元模型能夠有效處理指標間不相容的問題, 可以將復雜問題抽象為形象化模型, 并能以定量的數值表示生態安全水平, 可以更準確的反映事物的實際情況[16-18]。

“一帶一路”發展戰略的提出, 為絲綢之路沿線城市的發展帶來了新的機遇。嘉峪關市自古以來就是絲綢之路的重要節點, 同時也是河西祁連山內陸河生態安全屏障區的重要組成部分, 嘉峪關市作為西北地區一座新興的工業城市, 其特殊的自然狀況決定了其生態環境較為脆弱和敏感, 目前對嘉峪關市的生態安全評價的研究較少。鑒于此, 本文在充分考慮DPSIR模型優勢的基礎上, 結合研究區域的實際情況構建了嘉峪關市生態安全評價指標體系, 運用物元分析法和層次分析法對嘉峪關市2010—2018年生態安全進行綜合評價, 并對單項指標進行分析, 探究制約嘉峪關市生態安全水平提升的影響因素, 以期為嘉峪關市推動綠色發展提供相關建議, 并對絲綢之路其他城市的生態文明建設提供科學參考。

1 研究區概況

嘉峪關市(98°17′E, 39°47′N)位于甘肅省西北部, 河西走廊的中部, 城市的中西部多為戈壁, 是市區和工業區所在地, 東南、東北為綠洲農業區, 是古絲綢之路的交通要道。嘉峪關市是依托“酒泉鋼鐵公司”的建設而新興的工業旅游城市, 是我國內地通往新疆、中亞的咽喉要道, 新亞歐大陸橋上的中轉重鎮。嘉峪關市境內地勢平坦, 土地類型多樣, 年均氣溫在6.7 ℃—7.7 ℃之間, 年日照時數3000.2 h, 全年無霜期130 d, 屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候。討賴河橫穿嘉峪關市境內, 年均徑流量6.58×107m3, 地下水年凈儲量7.32×107m3。森林覆蓋率13.1%, 城市建成區綠化覆蓋率為38.8%, 自然環境嚴酷、植物覆蓋度低、生態環境脆弱。截止2018年末, 嘉峪關實現生產總值299.62億元, 三次產業結構為1.3: 61.1: 37.6; 常住人口25.2萬人, 其中城鎮人口23.6萬人, 城鎮化率為93.65%。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究的數據主要來自于《甘肅統計年鑒》(2011—2018)、《嘉峪關市統計年鑒》(2011—2018)以及嘉峪關市國民經濟和社會發展統計公報(2010—2018)等。因考慮到數據的可得性以及資料的局限性, 本文選擇了17個指標進行分析, 其中部分指標可直接從統計年鑒中查到, 其余指標則根據已有數據計算得到。

2.2 研究方法

2.2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是作為衡量環境及可持續發展而開發出來的一種評價指標體系概念模型, 它能夠反映出生態環境與人類活動的因果關系, 為生態安全評價與可持續發展研究提供一個基本框架[19-21]。本文基于DSPIR模型結合研究區域的具體情況構建嘉峪關市生態安全評價指標體系, 綜合相關研究成果[22-26], 選取17項反映生態安全評價主要特征的因子作為具體評價指標。

2.2.2 層次分析法確定指標權重

層次分析法是將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統, 進而將目標分解成多指標的若干層次, 并在此基礎上將定性分析轉化成定量計算。該方法把定性方法與定量方法結合起來, 利用較少的定量信息把多目標、多準則的復雜決策問題化為多層次單目標問題[27-28]。本文根據層次分析法確定嘉峪關市各評價指標權重, 結果見表1。

2.2.3 生態安全評價的物元模型

物元分析是由我國蔡文教授提出的一種數據分析方法, 可以將復雜問題抽象為形象化模型, 并以定量的數值表示評價結果, 從而能夠較客觀的反映事物質量的綜合水平, 現已廣泛應用在環境質量評價、農業資源評價、土地適宜性評價以及土地生態安全評價等方面[29-33]。利用物元模型進行評價嘉峪關市生態安全評價的具體步驟如下:

(1)確定嘉峪關市生態安全物元。將生態安全、特征向量和特征量值以有序三元組()作為描述生態安全水平的生態安全現狀物元。則生態安全物元R表示為:

(2)確定經典域與節域物元矩陣。生態安全的經典域物元矩陣可表示為:

生態安全的節域物元矩陣可表示為:

表1 嘉峪關市生態安全評價指標權重

(4)關聯函數及關聯度的確定。根據可拓集合的關聯函數, 各評估指標關于各類別等級的關聯度為:

其中:

則待評對象第指標屬于生態安全標準等級。

3 結果與分析

3.1 基于物元模型的嘉峪關市生態安全評價

3.1.1 嘉峪關市生態安全評價經典域、節域的確定

3.1.2 嘉峪關市生態安全待評物元的確定

3.2 嘉峪關市生態安全時間變化分析

3.2.1 嘉峪關市綜合關聯度及安全等級確定

將嘉峪關市2010—2018年待評物元的具體數據輸入物元模型, 根據公式(1)—(10), 即可計算出嘉峪關市2010—2018年生態安全評價綜合關聯度(表2)以及各評價指標對應的關聯度(表3)。由表2可以看出, 嘉峪關市2010—2018年的生態安全等級總體上從“不安全”到“較安全”逐漸轉化, 呈現上升趨勢, 表明嘉峪關市生態安全狀況在逐步改善。9年間嘉峪關市綜合關聯度處于[-1,0], 表明期間嘉峪關市生態安全水平不符合相對應評價等級標準對象要求, 但具備轉化為該等級標準對象的條件。

2010—2012年嘉峪關市安全等級由“不安全”上升到“較不安全”, 且-1＜K4(2011)＜K4(2012)＜0, 表明2012年嘉峪關市生態安全狀況較2011年有所改善, 生態安全水平轉化為相應等級標準對象的能力逐漸增強; 2013—2015年安全等級從“臨界安全”提升到“較安全”, -1＜K3(2013)＜K3(2014)＜0, 說明嘉峪關市對生態環境的治理成效顯著; 由2016—2018年綜合關聯度可以看出, K2(2018)＜K2(2017), 這一時期嘉峪關市生態安全水平雖處于“較安全”, 但生態安全水平向相應等級標準對象轉化的能力逐漸有所減弱, 因此嘉峪關市生態安全水平仍有向低水平轉化的可能。

3.2.2 綜合關聯度變化分析

如圖1所示, 2010—2012年嘉峪關市生態安全等級雖有所上升但仍處于較低等級, 這與當時嘉峪關市的政策是息息相關的。“十二五”規劃前期, 嘉峪關市全面貫徹省委“四抓三支撐”總體工作思路和區域發展戰略, 以加快轉變經濟發展方式為主線, 以優化產業結構為重點, 著力推動經濟社會跨越發展, 這一時期嘉峪關市第二產業所占比重上升, 第一、三產業所占比重下降, 呈現出“工業獨大”的局面, 經濟結構過于單一, 這一時期嘉峪關市的生態問題比較嚴重, 因此生態安全等級處于“不安全-較不安全”。

2013—2018年嘉峪關市生態安全等級處于“臨界安全-較安全”水平, 可見嘉峪關市生態安全水平穩步提升。這是因為“十二五”后期, 嘉峪關市意識到了生態保護的重要性, 除了繼續鞏固工業的主體地位外, 嘉峪關市以落實環保目標責任制為抓手, 加強環境監管, 強化污染治理, 著力解決制約經濟和環境協調發展的突出問題, 注重走綠色發展之路, 在發展經濟的同時更重視生態文明建設, 環境質量保持良好。截止2018年, 嘉峪關市城市污水集中處理率96%, 城市生活垃圾無害化處理率100%, 三次產業結構比例為1.3: 61.1: 37.6, 嘉峪關市第一、三產業所占比重上升, 第二產業所占比重下降, 第二產業一直都是作為嘉峪關市經濟增長的支柱產業, 但隨著嘉峪關市產業結構的優化調整, 第三產業比重的上升, 其第二產業的經濟增長速度逐漸減慢, 因此要在保持經濟持續快速發展的同時降低單位GDP能耗、提高環境質量任重道遠。

總體來看, 2010—2018年嘉峪關市生態安全等級逐漸向“較安全”水平提升（表2）。2010—2012年綜合關聯度由-0.332提升至-0.287, 安全等級由“不安全”上升到“較不安全”, 表明期間嘉峪關市生態安全等級具備轉化為相應等級標準對象的條件, 且轉化能力逐漸增強, 但由于生態文明建設剛起步, 這一時期嘉峪關市生態安全水平仍處于“不安全”; 2013—2018年綜合關聯度由-0.308降至-0.342, 安全等級由“臨界安全”提升至“較安全”, 說明隨著“一帶一路”戰略的實施以及生態文明建設力度的加大, 嘉峪關市生態安全狀況逐漸好轉, 但其生態安全等級轉化為相應等級標準對象的能力有所下降, 表明嘉峪關市生態安全總體狀況依然存在變差的風險。

表2 嘉峪關市綜合關聯度和評價級別

圖1 嘉峪關市生態安全評價綜合關聯度及變化趨勢

Figure 1 Comprehensive correlation and change trend of ecological safety evaluation in Jiayuguan City

3.2.3 嘉峪關市生態安全影響因子分析

制約嘉峪關市生態安全水平提升的因素主要有11個指標（表3）。人均水資源量由較安全下降到較不安全, 第一產業增長率、第二產業增長率由安全下降到不安全, 環境空氣質量優良率由臨界安全下降至較不安全, 這4個指標的生態安全水平不斷惡化。人均耕地面積、人均林地面積均一直處于不安全等級, 森林覆蓋率、環境保護投資一直處于較不安全等級, 這4個指標生態安全水平均一直處于不安全等級。水資源利用率、固定資產投資、第三產業增長率分別從較不安全等級上升為較安全、臨界安全、安全等級。表明嘉峪關市還需提升環境保護意識, 積極推進大氣污染防治工作, 此外加大在環境保護方面的投資, 提升該區域的生態安全水平。

嘉峪關市的人口自然增長率、城市化率、城鎮居民恩格爾系數、農村居民恩格爾系數、人均GDP、污水處理率等指標均呈現不同程度的上升趨勢, 并且出現跨等級好轉趨勢, 說明嘉峪關市的生態安全水平得益于這些指標的支撐作用。人口自然增長率雖一直處于較安全水平, 但嘉峪關市人口在2013年急劇增加, 人口增多同樣帶來了一些生態問題, 其人均耕地面積和人均林地面積處于不安全等級, 成為影響生態安全的制約因素; 城鎮居民恩格爾系數、人均GDP上升到安全等級, 說明嘉峪關市居民的生活水平顯著提高。污水處理率由較不安全上升到安全等級水平, 這是因為嘉峪關市制定了《嘉峪關市2013年主要污染物減排計劃》, 通過強化結構減排、工程減排和管理減排, 嚴格控制污染物增量, 至2018年, 嘉峪關市城市污水集中處理率96%, 說明嘉峪關市的污染物減排計劃取得了較好的成果, 使污水的處理率有所提升, 但是工業型城市的生態環境對“三廢”的影響較為敏感, 因此嘉峪關市還需控制“三廢”的排放, 提高生態安全水平。

總體來看, 2010—2012年嘉峪關市生態文明建設剛起步, 處于探索階段且對環境保護投資較少, 并且嘉峪關市的生態環境非常脆弱, 社會活動對生態環境影響很大, 可以看到嘉峪關市2010—2012年的生態安全等級處于低水平。2013—2018年嘉峪關市加大了生態文明建設的力度, 這一時期嘉峪關市加強基礎設施建設, 加大園林綠化力度, 不斷優化產業結構, 堅持轉型跨越發展戰略, 嘉峪關市生態安全水平呈現良好的發展態勢。隨著“一帶一路”和國家生態安全屏障戰略的提出與實施, 河西走廊開展生態生態環境保護與綜合治理工程, 并重點實施封山育林、濕地保護、沙漠化土地治理等生態工程, 生態環境得到有效改善, 嘉峪關市生態安全水平顯著提升。

4 結論與建議

4.1 結論

本文基于DPSIR模型構建嘉峪關市生態安全評價體系, 運用層次分析法和物元模型對嘉峪關市2010—2018年生態安全狀況進行評價分析。主要得到以下結論:

(1)嘉峪關市生態安全整體上呈現出“不安全”到“臨界安全”的上升趨勢, 2010—2012年生態安全水平較低, 2013—2018年生態安全水平良好且增速平穩, 并有向更好等級發展的趨勢。“十二五”后期, 嘉峪關市開始重視生態保護, 其生態安全水平隨著產業結構的優化和調整, 大力推進生態文明建設而表現出良好的發展趨勢。

(2)制約嘉峪關市生態安全水平進一步提升的環境因素主要包括人均水資源量、環境空氣質量優良率、人均耕地面積、人均林地面積、森林覆蓋率; 制約嘉峪關市生態安全等級提升的經濟因素主要包括第一產業增長率、第二產業增長率、環境保護投資。

表3 嘉峪關市生態安全評價指標等級關聯度評價結果

(4)自2013年起, 嘉峪關市生態安全等級達到“臨界安全”水平, 其生態安全水平雖有所好轉, 但整體生態安全狀況仍有待提高。

4.2 建議

基于以上研究結論, 對嘉峪關市存在的生態安全問題提出以下幾點建議:

(1)加強生態環境建設, 加強污染防治工作。政府下一階段工作的重點應合理配置水資源, 加強地下水管理與保護, 并加大對空氣污染物排放的監管力度; 此外, 嚴格保護耕地和林地、合理調整土地利用結構, 加大城市綠化、提高森林覆蓋率。

(2)調整優化產業結構, 增強生態文明建設的支撐力。今后要立足于嘉峪關的地域特點, 強化第一、二、三產業合理配置, 降低能耗, 提高資源利用率; 此外加大在環境保護方面的投資, 保障該區域的生態安全。

(3)扎實推進生態文明建設, 走綠色發展之路。嘉峪關市的生態文明建設還需進一步加大工作力度, 完善綠色產業體系, 促進生態與經濟協調發展, 努力將嘉峪關市建設成為資源節約型、環境友好型城市。

(4)嘗試將物元分析法運用到生態脆弱區的生態安全評價中, 通過對各評價指標量化處理, 比較全面、客觀的反映了嘉峪關市生態安全狀況。但評價指標的選擇、經典域以及節域范圍的界定等問題還有待進一步研究。

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Evaluation of ecological security in Jiayuguan City based on Matter Element Model

QI Peng1, WANG Xiaojiao2, *, FAN Wei1, JIAO Yapeng1, WANG Yazhi1

1. College of Resources and Environment Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Evaluation of ecological security is of great significance to developgreen economy in ecological fragile andbackward areas, which also can provide a scientific reference for theecological civilization. This research constructed ecological security evaluation system based on DPSIR model and analytic hierarchy process, and comprehensively evaluated the ecological security status from 2010 to 2018 through matter-element analysis method in Jiayuguan City. The results showed that: (1) The ecological security level of Jiayuguan City had gradually increased from 2010 to 2018, and its ecological security level had risen from “unsafe” to “safer”. (2) Per capita water resources, excellent rate of ambient air quality,per capita arable land area,growth rate of the primary and secondary industries, environmental protection investment, and forest coverage ratewere the key factors that affected ecological security in Jiayuguan City.(3) Although the ecological security level of Jiayuguan City was improved, the overall level of ecological security was relatively poor. Therefore, it is necessary to further strengthen the construction of ecological civilization on the basis of consolidating existing achievements. The results can provide a theoretical basis for Jiayuguan City to develop a green economy and ecological civilization construction.

ecological security; Matter Element Model; analytic hierarchy process; DPSIR model; Jiayuguan City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.032

齊鵬, 王曉嬌, 樊偉, 等. 基于物元模型的嘉峪關市生態安全評價[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 259–267.

QI Peng, WANG Xiaojiao, FAN Wei, et al. Evaluation of ecological security in Jiayuguan City based on Matter Element Model[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 259–267.

X826

A

1008-8873(2020)04-259-09

2019-08-14;

2019-12-11

省社科聯和甘肅社會科學學術活動基金會項目(19ZZ12); 甘肅省社科項目規劃(14YB053); 甘肅農業大學學科建設基金(GSAU-STS-1706)

齊鵬(1979—)，男, 甘肅武威人, 博士, 副教授, 主要從事生態學研究, E-mail:gsauqip@163.com

王曉嬌, 女, 在讀博士, 講師, 主要從事土地生態學研究, E-mail: 42321946@qq.com