基于DPSIR-EES模型的旅游型城鎮生態安全評價研究

石 丹,關婧文,劉吉平

吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 四平 136000

生態安全是指區域內生態系統的完整情況和健康水平,其本質在于強調生態系統的自身結構是否受到破壞,同時強調生態系統對人類生活所提供的服務是否得到滿足[1],即區域內自然生態環境狀況能夠維系其經濟、社會可持續發展時,這種狀態下生態處于安全水平,反之則處于不安全水平[2]。隨經濟、社會發展進入縱深階段,旅游業在國民經濟中的比重越來越大,旅游型城鎮建設日趨成熟,但在加快發展過程中粗放式、無節制地開發,使得旅游型城鎮生態環境保護形勢十分嚴峻,已經逼近旅游型城鎮生態安全承載力閾值,資源環境持續惡化與生態系統可持續發展的目標不相符[3],嚴重影響旅游型城鎮生態系統的自我完整性及可持續發展,還威脅其生態安全[4],如何實現旅游型城鎮發展與資源環境的全面脫鉤是現階段亟待解決的重要問題,生態安全問題引發業界對旅游型城鎮生態安全和環境保護的理性思考。對于生態安全的研究,大多數學者主要集中在生態安全的概念和內涵[5]、評價指標模型[6]和格局構建與優化[7]等方面的研究,評價方法涉及模糊分析法[8]、層次分析法[9]、TOPSIS法[10]、灰色聚類分析法[11]等,指標構建主要選取PSR模型[12-13]、DPSIR模型[14- 16]、EES模型[17]等。研究尺度大多為省域[18]、市域[19]或區域[20],研究分析方法主要集中在生態足跡法[21]、正態云模型[22]、ARIMA模型[23]、物元模型[24-27]、GIS技術[28- 29]等。

對于旅游型城鎮生態安全評價分析而言,仍存在以下三點問題亟待解決：(1)現有研究針對生態安全研究領域,大多數采用中、大尺度,雖從不同角度豐富和完善了生態安全的研究體系,但缺乏通過從單一旅游型城鎮小尺度視角進行生態安全評價分析;(2)大部分生態安全評價體系多以單一模型構建為主,其只能反映各子系統間的相互關系,不能更好地實現各子系統內部相互作用關系;(3)多數生態安全評價模型僅考慮各評價指標之間的相互影響,未考慮各評價指標因素間具有不相容性且存在交叉作用,忽視評價過程中信息屏蔽和主觀性等問題。針對上述問題,基于區域可持續發展理論,運用DPSIR-EES復合模型進一步完善生態安全評價指標體系,以二道白河鎮為例,通過熵值法和均方差決策法對數據進行處理并賦權,引入物元分析模型,評價2010—2019年生態安全水平,分析各指標之間的生態安全水平變化趨勢,以期更好地實現二道白河鎮生態系統可持續發展,對其自身及同類型旅游型城鎮改善生態安全環境質量、促進生態系統良性循環、實現經濟社會環境可持續發展具有指導意義。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

二道白河鎮位于吉林省東南部,地理位置處于東經127°53′—128°34′、北緯42°01′—42°48′之間,地處長白山腳下,使得二道白河鎮旅游業發展獨具優勢[30]：(1)境內林地面積272883hm2,森林覆蓋率達94%,擁有豐富的森林資源;(2)境內除長白山外,地勢開闊、起伏較小,草原面積12342hm2,適合人類開展各類活動;(3)區域內有120余種植物種類,其中30多種樹種屬于經濟價值高的種類,具有豐富的自然生態資源。獨特的地理位置和豐富自然生態資源為二道白河鎮的生態環境發展奠定了良好的基礎,同時為該區域生態環境建設發揮了極其重要的作用。

1.2 數據來源

生態安全評價指標可分為原始指標數據以及構建指標數據,選擇2010—2019年作為研究期。原始指標數據主要通過查閱《中國區域經濟統計年鑒(2011—2020年)》、《吉林統計年鑒(2011—2020年)》、《長白山保護開發區年鑒(2014—2019年)》,其中個別數據來源于以下三個方面：(1)《延邊年鑒(2011—2015年)》、《延吉年鑒(2011—2019年)》;(2)吉林省延邊州、安圖縣市(州)旅游局、統計局等官方網站;(3)吉林省國民經濟和社會發展統計公報和安圖縣、長白山保護區其他相關政府網站等有關旅游業發展的政府工作報告。構建指標數據通過原始指標數據復合計算得出,例如人均生產總值=生產總值/人口數。對于個別缺失數據,根據已有數據通過算法計算進行合理性賦值。

2 旅游型城鎮生態安全物元評價模型

2.1 DPSIR-EES生態安全評價模型框架

由“驅動力(D)、壓力(P)、狀態(S)、影響(I)、響應(R)”五個方面所構成的DPSIR模型[14- 16],用于表達影響生態安全整個系統各因素之間的信息耦合關系;由“環境(E)、經濟(E)、社會(S)”三個層面所構成的EES模型[17],用于描述整個人類活動系統中各屬性之間的協同關系。DPSIR模型能夠較好地反映生態各系統之間的因果影響,但無法實現各系統內部的分析;EES模型能夠較好地反應生態系統內部復合屬性,進行系統內部結構分析,但無法反映系統內因果關系。利用兩個單項模型的優點實現有機結合,形成DPSIR-EES模型(圖1),將各要素有機結合,能更清晰地反映之間相互作用關系。

圖1 二道白河鎮生態安全評價DPSIR-EES模型框架Fig.1 DPSIR-EES model framework for ecological security assessment in Erdaobaihe town

2.2 DPSIR-EES生態安全評價指標體系構建

初步選取45項具體評價指標,為保證指標體系的科學性,參考SDGs(可持續發展目標指標)[31]、EPI(環境績效評估指標)[32]以及綜合相關研究成果[2- 3,9,16,25- 27],運用SPSS22.0和Delphi法進行主成分分析和因子分析,最終確定36個指標(表1)。明確各指標屬性,分為效益型(+)或成本型(-),結合熵權法和均方差決策法綜合計算得出更為精確的綜合權重(Ci)。

表1 二道白河鎮生態安全評價指標體系

2.3 生態安全物元分析模型

2.3.1確定生態安全評價物元

旅游型城鎮生態安全N,生態安全特征w和特征量值v共同構成生態安全物元。假設生態安全N中有多個特征值則表示為：

式中,R為生態安全的n維物元,可表示為R=(N,w,v)。

對于二道白河鎮生態安全綜合性評價物元表示為：

對于二道白河鎮生態安全準則層評價,如驅動力環境層面ED1生態安全水平評價的物元表示為：

2.3.2確定經典域、節域

旅游型城鎮生態安全的經典域物元Roj=(Noj,Wi,Vo),其矩陣表示為：

式中,Roj為生態安全經典域物元,Noj為第j個生態安全評價等級,Wi為第i個生態安全評價指標,(aoji,boji)為生態安全對應評價等級j的量值范圍,即旅游型城鎮生態安全評價經典域。

旅游型城鎮生態安全的節域物元Rp=(Np,Wn,Vp),其矩陣表示為：

式中,Rp為生態安全節域物元,Np為生態安全評價等級,(apn,bpn)為生態安全節域物元對應Wn的取值范圍,即旅游型城鎮生態安全評價節域。

旅游型城鎮生態安全待評價對象Nx的物元可表示為RX=(N,W,V),其矩陣表示為：

2.3.3確定評價指標關聯度函數及關聯度

旅游型城鎮生態安全關聯函數K(x)數值表示評價對象與某一標準范圍的符合程度,物元模型的邏輯值從模糊數學的[0,1]取值范圍擴展到(-∞, +∞)實數軸,在實數軸上的數值表示評價對象與某標準范圍的隸屬程度：K(x)<-1,則表示被評價對象不符合標準對象的要求且不具備轉化對標準對象的條件;-1≤K(x)<0,則表示被評價對象不符合標準對象的要求,但具備轉化為標準對象的條件;0≤K(x)<1,則表示被評價對象符合標準對象的要求,數值越大則表示越接近標準上限;K(x)≥1,則表示被評價對象超過標準對象的要求上限,數值越大則表示具有越大的開發潛力[26- 27,33- 35]。

旅游型城鎮生態安全評價指標關聯度函數K(x)表示為：

其中實變函數距離表示為：

式中,ρ(X,Xo)為點X與有界區間Xo=[ao,bo]的距離,ρ(X,Xp)為點X與對應節域的有界區間Xp=[ap,bp]的距離,X、Xo、Xp為旅游型城鎮生態安全評價物元的量值、經典域及節域物元量值范圍。

2.3.4計算綜合關聯度并確定評價等級

旅游型城鎮生態安全待評價對象Nx關于等級j的綜合關聯度Kj(Nx)表示為：

式中,Kj(xi)為各評價等級水平,Ci為第i個指標的權重。確定評價對象歸屬等級標準采用最大值原則Kj=maxKj(Nx),則可評定評價對象Nx屬于對應評價等級標準j級。

2.4 生態安全評價經典域、節域的確定

確定經典域是物元評價的基礎,依據生態安全綜合屬性,參照國家環保總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》標準值、國際通行標準、全國及區域平均水平及同類相關指標等標準值,參考相關研究[2- 6,26-27,30- 35],將二道白河生態安全等級分為五個等級：Ⅴ級(安全)、Ⅳ級(較安全)、Ⅲ級(臨界安全)、Ⅱ級(較不安全)、Ⅰ級(不安全)。評價主要標準從以下方面選取：(1)國際、國家、地方所規定的標準,如ED1、EP1、EI1、ER1等與生態環境質量標準為主要統計指標,采取對應標準值劃分等級;(2)類比同類標準,如ED2、SD3、EP2、SP3、ES1、ES2、SS3、EI2、SI3、ER2、SR3等與經濟發展、社會生活為主要統計指標,參考國內外具有良好特色的同類區域現狀值作為標準值或趨勢值外推設定“Ⅴ級(安全)”,并以國內外同類區域現狀較劣值或國際公認的警戒線指標設定“Ⅰ級(不安全)”,最后綜合二道白河鎮實際情況,得出該區域生態安全評價經典域復合物元量值范圍以及節域物元量值范圍評價標準(見表2),通過關聯度函數計算判斷待評價對象所屬等級。

表2 二道白河鎮生態安全評價經典域及節域量值范圍

3 旅游型城鎮生態安全物元分析結果

3.1 生態安全評價指標及綜合關聯度分析

計算得2010—2019年二道白河鎮生態安全評價指標關聯度(表3)及綜合關聯度(表4)結果以及對應安全等級。

從表3可知,在2010—2019年ED11、ED21、EP11、EP22、SP32、ES11、ES12、ES21、ES22、SS31、EI11、EI22、ER13、ER21、SR31均呈現出不同程度的從Ⅰ級(不安全)向Ⅴ級(安全)逐年轉化的上升趨勢,說明以上指標對于二道白河鎮生態安全水平的提升具有積極作用。而ED13、EP21、SP31、SI31、ER11、ER22在2019年仍處于Ⅰ級(不安全)、Ⅱ級(較不安全)或Ⅲ級(臨界安全)水平,且呈現明顯波動變化,其中EP21、SP31、ER22呈現逐年下降的趨勢,已成為制約二道白河鎮生態安全進一步提升的主要因素。

表3 2010—2019年二道白河鎮生態安全評價指標關聯度

由表4看出,2010—2019年生態安全等級呈現逐年遞增轉化且接近向Ⅴ級(安全)的趨勢,由2010年向Ⅰ級(不安全)轉化發展至2019年向Ⅴ級(安全)轉化,其中2018年已達到Ⅴ級(安全)。劃分為四個階段：(1)2010—2012年：關聯度量值kj(w2012)

表4 2010—2019年二道白河鎮生態安全綜合關聯度比較

綜上,自2016年二道白河鎮的生態安全水平向Ⅳ級(較安全)、Ⅴ級(安全)轉化,整體生態安全等級不斷上升且趨安全等級發展,為了使二道白河鎮生態安全水平日后發展過程中處于穩定的Ⅴ級(安全),需針對制約因素及時合理調整,制定相應政策措施。

3.2 生態安全各層面影響要素變化分析

同理可計算出二道白河鎮2010—2019年按DPSIR-EES層面的各年間綜合關聯度(圖2)。由圖2可知,除EP2在2010年為Ⅴ級(安全)外,其余層面關聯度量值等級均為Ⅰ級(不安全),具體結果：(1)EP1、ES1、ES2、EI1關聯度量值,按照Ⅰ級(不安全)—Ⅱ級(較不安全)—Ⅲ級(臨界安全)—Ⅳ級(較安全)—的趨勢逐年發展;(2)EP2在2010年為Ⅴ級(安全),2011年降至Ⅰ級(不安全)—2012年至2014年提升至Ⅱ級(較不安全)—2015年、2016年回降至Ⅰ級(不安全)—2017年提升至Ⅲ級(臨界安全)—2018、2019年升回Ⅴ級(安全),呈現明顯的波動;(3)SP3、ER1在2015年第一次達到Ⅴ級(安全),此外SP3在2017、2019年達到Ⅴ級(安全)、2018年降至Ⅰ級(不安全),而ER1則在2018、2019年再次達到Ⅴ級(安全);(4)除上述層面外,其余層面各年間變化均呈現上下一至兩級波動變化趨勢。

圖2 2010—2019年二道白河鎮生態安全DPSIR-EES評價結果 Fig.2 DPSIR-EES evaluation results of ecological security in Erdaobaihe town from 2010 to 2019

無論從DPSIR層面或EES層面分析,2010—2019年二道白河鎮生態安全水平均大致呈現出從Ⅰ級(不安全)向Ⅴ級(安全)逐年轉化的上升趨勢。從DPSIR層面看,驅動力(D)、狀態(S)層面生態安全水平在2019年處于Ⅴ級(安全),其余層面在2019年均處于向Ⅴ級(安全)轉化水平;影響(I)層面的關聯度量值明顯低于其余四個層面,除2010—2012年外均<0,說明一直處于轉化水平,是影響二道白河鎮生態安全水平基于DPSIR層面不斷提升的制約因素。從EES層面看,環境(E)在2019年處于Ⅴ級(安全),其余層面在2018年處于Ⅴ級(安全),但在2019年處于向Ⅴ級轉化水平;社會(S)層面的關聯度量值明顯低于其余兩個層面,除2012、2018年外均<0,說明一直處于轉化水平,是影響二道白河鎮生態安全水平基于EES層面不斷提升的制約因素。

表5 2010—2019年二道白河鎮生態安全評價DPSIR的等級比較

表6 2010—2019年二道白河鎮生態安全評價EES的等級比較

4 結論與討論

4.1 結論

(1)物元分析法將研究問題概括為關聯或不關聯并進行轉化處理,能更為清晰地揭示當中分異信息。將旅游型城鎮生態安全特征及特征量值作為物元,對評價對象進行量化處理,結合二道白河鎮實際狀況及相關指標標準得到經典域、節域,建立物元評價模型,借助熵權法和均方差法得出綜合權重,計算出生態安全關聯度量值及對應等級,克服評價過程中主觀人為影響,提高生態安全評價的精度。

(2)基于DPSIR-EES層面,結合物元分析模型對2010—2019年二道白河鎮生態安全進行評價,結果表明：2010—2013年二道白河鎮生態安全水平較差,其中GDP增長率、社會保障建設水平、節能環保力度等三項指標影響最為突出,自2010年處于安全級后呈現逐年下降趨勢,但在2016年后二道白河鎮的各項政策與措施發揮顯著作用,生態安全水平逐年向安全水平轉化。基于DPSIR-EES評價指標體系進行各層面要素變化分析,經濟壓力(EP2)層面的波動變化趨勢明顯,影響(I)層面、社會(S)層面已成為二道白河鎮生態安全進一步提升的制約因素。

(3)綜合DPSIR-EES-物元分析,二道白河鎮下一階段的工作重點：第一,應不斷提升經濟發展水平,同時重視GDP增長率的變化情況以及人均可支配收入水平;第二,注重人民生活水平質量的提升以及社會保障體系的建設,重視環境開發與保護,實現環境、經濟、社會和諧發展;第三,政府積極采取響應措施彌補由于生產、生活行為的消極影響給生態環境系統帶來的壓力,目前應加強節約資源和能源、加大節能環保力度、推進清潔生產和循環經濟等,從根本上降低區域生態環境壓力,才能保證二道白河鎮生態安全邁向更高的水平。

4.2 討論

引入物元分析模型對旅游型城鎮生態安全進行評價,基本實現分異及綜合指標評價信息的目的。但物元模型要求必須確定評價的經典域及節域,而目前較多標準和準則中僅有標準等級值,而并非對應標準等級的量值范圍,因此對于旅游型城鎮生態安全評價經典域和節域的界定等問題還有待進一步研究和探討。同時,生態系統的動態平衡往往由內力和外力共同確定,對于旅游型城鎮而言,空間范圍尺度明顯差別于區域層面(大尺度或中等尺度),致使其難以構成一個完整的生態系統,在探究過程中更多的考慮內力影響,對于外力的影響分析僅做表面探究,還有待進一步深挖。另外,由于旅游產業邊界模糊,綜合交叉所涉及的內容復雜,以旅游業為主導產業的旅游型城鎮研究過程中很難將因單一原因造成生態環境破壞、環境污染等數據一一剝離,致使指標體系設定和數據統計工作難度加大,這將是日后研究與旅游相關的生態安全需面臨的挑戰。