基于PSFR模型的江西省東江流域生態安全評估研究

劉慧麗，查東平，馮明雷，萬 瑩

(江西省生態環境科學研究與規劃院，江西 南昌 330077)

20 世紀80 年代以來，隨著生態惡化和環境問題日益突出，生態安全問題研究引起了地學、生態學以及資源與環境科學等專業學者的廣泛關注[1-9]。生態安全評估逐漸成為生態系統以及區域環境管理的熱點問題，但何為“生態安全”，國內外不同學者尚未達成統一認識，對生態安全定義認識不同，所選擇的評估框架和方法也不同，相繼提出了一系列定量與定性的評估方法，從短期到長期的時間尺度和從地方到區域的空間尺度上等[10-13]。 評價方法主要有生態模型法、數學模型法、景觀生態模型法和數字地面模型法[14-18]，評價指標體系主要為多因子綜合評價模型，如“壓力-狀態-響應”模型(PSR，1994)、“驅動力-狀態-響應”模型(DSR，1996)、“驅動力-壓力-狀態-暴露-影響-響應”模型(DPSEEA，1996)、“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”模型(DPSIR，1998)[19-22]。 其中針對河流生態系統健康安全評價主要包括綜合指數評價方法、生態模型方法、景觀生態學方法、生態承載力分析法和經濟評價方法等。 國際上主要運用的河流健康評價模型主要有2 類:一類模糊評價法如RIVPACS、AUSRIVAS 等，另一類綜合健康指數法有IBI、RCE等。

近年來，中國在河流健康評價方法和評價指標體系的研究上也有所進展。 Karr[2]最早以魚類為研究對象，建立了采用IBI評價河流健康狀況的方法。此后該方法不斷完善，評價對象從冷水性溪流擴展到暖水性溪流、湖泊、河流、河口、濕地等不同類型的水體[23-27]。 國內學者車越、吳阿娜等[15-17]通過理化參數、生物指標、形態結構、水文特征和河岸帶狀況等5 個一級指標和17 個二級指標對上海市河流進行了健康評價。 傅春等[28]通過基于層次分析的撫河撫州段河流健康綜合評價，從撫河的自然形態狀況、生態環境狀況和社會服務狀況三方面特征，選取具有代表性的定量與定性相結合的21 個指標作為評價體系的指標，通過參考現有標準規范并結合專家評判確定評價標準，客觀地綜合對撫河段生態安全狀況進行評估。 解雪峰等[29]利用PSR模型和RS 和GIS 技術，選取18 項評價指標，揭示東陽江流域生態安全的空間分布規律。 張遠等[11]研究中提出的流域水生態安全評估方法充分考慮流域完整性和整體性，篩選應用頻率較高的指標，增加生態系統服務功能等方面的指標，較科學、全面地反映生態安全的現實狀況。

目前現有研究中指標體系中，學者對生態安全的認知提出相應的評估指標和評估因子，在因子選取上人為主觀因素占比較大，主要依賴于學者自身的判斷和經驗獲取，并未能全面客觀反映復雜生態系統的服務功能及生態風險狀況，安全評估結果存在一定局限性。 本文在前人研究成果的基礎上構建并優化了東江流域生態安全評估體系，構建了目標層、方案層、因素層和指標層組成的四層指標體系，涵蓋生態環境壓力、生態系統健康、生態服務功能和生態風險等4 項專項指標17 個評估要素39 個評估指標，對評價指標進行了本地優化校準，遠優于現有研究提出的17 ～21 個指標的評估體系，為全面診斷流域生態環境問題提供了科學支撐，推動了東江全流域尺度生態完整性和生態風險控制精細化管理。

1 研究區選擇與生態安全評估方法

1.1 研究區概況

東江是珠江流域第三大水系，發源于贛州市尋烏縣椏髻缽，在江西省境內流經安遠、尋烏和定南縣3 縣，主要包括尋烏水和定南水兩大水系，主河長127 km，源頭區域東西寬110 km，南北長95.5 km，流域面積約3 510 km2，約占東江全流域面積的10%，年平均徑流量29.21 億m3，占東江年平均徑流量的12%。 流域以山地、丘陵為主，屬亞熱帶季風氣候，多年平均降雨量為1 753 mm，區內植被類型屬中國東南部原生型常綠葉針葉林、針闊混交林及闊葉林。 東江流域是一個集森林、濕地、草地于一體的復雜生態系統，是流域沿岸、珠三角和香港等地的重要飲用水水源地，其水質好壞直接關系區域可持續發展，是名副其實的“生命水”“政治水”“經濟水”，在中國生態安全戰略格局中起了非常重要的地位。 本文選擇江西省東江流域作為研究對象，在2017 年對東江流域進行生態安全調查，以與鄉鎮結合的定南水和尋烏水小流域為評估單元，構建流域生態安全評估體系并進行流域生態安全評估，研究方法具有代表性和典型性，為下一步生態環境保護方案制定提供科學依據。 江西省東江流域研究位置及范圍見圖1。

圖1 江西省東江流域研究范圍

1.2 評估指標體系建立

生態安全的評估是一項艱巨而復雜的工作，要立足于安全，從安全的廣度、深度入手，從安全的角度上進行。 基于備選評估指標體系，進一步篩選能夠反映江河生態安全狀況的關鍵指標，并以此為依據進行江河生態安全綜合評估。 依據數據可得性、指標獨立性、顯著性及指示性原則，基于多元統計理論，通過主成分分析識別指標對江河生態系統特征貢獻率，通過相關分析識別指標之間的相關性，篩選具有代表性和獨立性指標。 最后結合江河實際情況，根據專家經驗判斷確定評估指標。 利用Statistica軟件或SPSS 軟件實現，具體思路與步驟為:①基于指標數據，利用專家經驗，分析指標與江河生態系統以及人類干擾程度的關系，將不敏感指標或者具有歧義的指標篩除；②將指標數據標準化，利用主成分分析方法(PCA)對指標進行統計分析，根據提取主成分個數累計方差超過70%的原則，通過最大方差旋轉法(Varimax)，經因子載荷矩陣旋轉后選擇載荷值大于0.6 的指標作為下一步待篩選指標；③對上述步驟篩選后余下的指標進行正態分布檢驗，然后對符合正態分布的候選指標采用Pearson相關分析，不符合正態分布的候選指標采用Spearman 相關分析。 根據顯著性水平確定各指標間信息重疊程度，并根據專家經驗判斷識別具有代表性的獨立性指標。

通過以上分析，按照層次分析法(AHP)的思想建立一個多層次的目標-指標體系，指標篩選后得到圖2 所示的指標體系結構。 本研究構建了目標層、方案層、因素層和指標層組成的四層指標體系，包括1 個目標層、4 個方案層、17 個因素層和39 個指標層，對各項進行加權求和法計算指標分值，并根據分值確定分等級歸類。 根據所處東江流域的特點，將影響東江流域生態安全的因素分為壓力、狀態、功能及風險4 項方案層，以人口壓力、土地利用壓力、水資源利用壓力、城鎮污染和農村面面源排放壓力以及流域外部壓力等6 項指標為壓力方案層，以水質綜合狀況、物理棲息地綜合狀況、水生生物綜合狀況等3 項指標作為狀態方案層，以飲用水服務、水源涵養、水環境凈化、生物多樣性、水產品供給和保護區等6 項指標作為功能方案層，以突發風險和累積風險等2 項指標作為風險方案層，共同構建東江流域生態安全調查評估指標體系。 東江流域生態安全評估指標體系結構見圖2。

圖2 東江流域生態安全評估指標體系結構

1.3 計算模型及權重確定

1.3.1 計算方法

選擇加權求和法作為模型基本算法[10]。

a)方案層用式(1)計算:

式中 Bi——第i個方案層的計算結果；xij——第i個方案層的第j個指標值；wj——第i個方案層的第j個指標的權重。

b)目標層即生態安全指數(ESI)用式(2)計算，其結果是一個0 ～100 之間的數值:

式中 ESI——生態安全指數；Bi——第i個方案層的值。

1.3.2 權重確定

基于重新篩選后的評估指標體系，需要重新確定指標權重，即判斷矩陣，采用專家咨詢的方法進行評判。 根據AHP方法可得出每個專家的評價指標權重，4 類專項指標權重均為0.25。 根據東江流域的特點，在江河生態系統健康評估專項水生生物綜合狀況(B3)將形成著生藻類(B3-1)、大型底棲動物(B3-2)、魚類(B3-3)、水生植物(B3-4)等4 方面指標，權重分別為0.20、0.30、0.30 和0.20；由于東江流域所在尋烏縣稀土礦山開采面積較大，氨氮超標的風險較大，因此在生態風險專項累積風險(D2)中增加礦山非金屬氨氮類指標評價，將有毒有害有機物類(D2-1)、重金屬類(D2-2)和礦山非金屬氨氮類(D2-3)的權重分別調整為0.3、0.2、0.5，其他權重不變。 東江流域生態安全評估指標權重見表1。

表1 東江流域生態安全評估指標權重

1.4 綜合評估

參照2016 年水利部等部門聯合發布的《江河生態安全調查與評估技術指南》[10]，應用“壓力-狀態-功能-風險(PSFR)”模型，將社會經濟活動對江河生態系統壓力評估、江河水生態系統狀態評估、江河生態系統服務功能評估、江河生態系統風險評估結果的分值進行求和平均，最終得出江河生態安全指數(ESI)，評估當前江河生態安全狀況(分5個等級:安全、較安全、一般安全、不安全和很不安全)。

式中 Ej——第j個分項指標的分值；wji——第j個分項指標中第i個評估指標的權重；Vji——第j個分項指標中第i個評估指標的分值；n——第j個分項指標中評估指標的個數。

以江河生態安全指數對東江流域生態安全狀況進行評估，評價標準見表2。

表2 江河生態安全評估標準[10]

續表1 東江流域生態安全評估指標權重

2 東江流域生態安全評估結果

2.1 評估結論

依據流域內各相關部門所掌握的各項指標數據，補充調查流域內主要河流斷面水質和水生生態數據，將層次分析法(AHP)結合利用RS 和GIS 技術應用“壓力-狀態-功能-風險(PSFR)”模型應用在江西省東江流域，對定南水控制單元、尋烏水控制單元以及東江流域各項指標進行單項評估，并將社會經濟活動對江河生態系統壓力評估、江河水生態系統狀態評估、江河生態系統服務功能評估、江河生態系統風險評估的分值結果進行求和平均，最終得出江西省東江流域江河生態安全指數(ESI)為74.80 分(其中定南水贛州市控制單元ESI為75.83分，尋烏水贛州市控制單元為74.49 分)，對照評估標準，東江流域總體處于較安全級別。 東江流域生態安全綜合評估各分項評估結果見圖3。

圖3 江西省東江流域生態安全各項評估分值

控制單元及流域總體生態環境壓力、生態系統健康、生態服務功能及生態風險的綜合評估結果見表3，建立4 坐標的雷達見圖4。

圖4 江西省東江流域生態安全評估雷達示意

表3 江西東江流域生態安全綜合評估結果

2.2 評估結果分析與問題診斷

根據評價結果可知，當前江西省東江流域內水質狀況總體良好，但由于流域內稀土礦物開采、臍橙種植、工業園區建設等生產活動影響，流域水環境風險相對較高。 據調查，東江流域年農藥施用量為1 320.16 t，流域農業用地面積為834.20 km2，單位農業用地面積農藥施用量為15.83 kg/(hm2·a)，值小于20 kg/(hm2·a)，評價等級為五級，說明流域內農藥施用量過高，面源污染較嚴重，隨著經濟社會的快速發展，流域水環境、水資源和水生態與流域內社會經濟發展的矛盾將日益突出。

據調查評價，東江流域濕地覆蓋率為1.11%，森林覆蓋率70.31%，草地覆蓋率1.22%，水源涵養指數25.35%，評分值為51.29 分，評分等級為三級。 主要原因為東江流域屬多山地區，位于武夷山南端余脈與南嶺東端余脈交錯地帶，屬亞熱帶南端，是一個以山地、丘陵為主的地區，濕地面積較小，在部分地區(尋烏水贛州市控制單元內的文峰鄉)礦山開發等人類活動明顯，侵占了濕地。 外來入侵植物數量有增多趨勢，其中鳳眼蓮(水葫蘆)傳播速度尤為迅速，在流域范圍內因水電站隔離而形成的緩流水體中大片繁殖，嚴重干擾生態環境。 外來物種一年蓬、薇甘菊、三裂葉豚草、刺莧、小白酒菊、香附子等也逐漸出現在江西省東江流域。

據調查評價，東江流域閘壩數量為87 個，河流長度557.72 km，利用連通性指數計算得出江西省東江流域連通性指數為15.6，評價等級為五級，梯級電站大壩阻隔了江河的連通性，改變了河道的水文條件，導致東江流域魚類資源變動很大。 主要表現為魚類資源明顯下降，漁獲物的種類組成也發生相應變化，青、草、鰱、鳙、鯪等經濟魚類在漁獲物中比例下降，稀有種類的缺失，如白甲魚等，相反經濟價值較低的中小型魚類的數量卻逐漸上升。 主要原因為流域內修建梯級水電站導致魚群孵化區受淹，四大家魚產卵場逐漸消失，既破壞了魚類的產卵場，又堵截了洄游性、半洄游性魚類上溯產卵的通道，使急流產卵的青、草、鰱、鯪等因產卵的生態條件不能滿足，影響了魚類繁殖，品種數量受到嚴重的影響而逐漸消亡；此外，外來入侵齊氏羅非魚(Coptodon zillii)也有增多趨勢，這也將成為魚類種質資源保護面臨的重大問題之一。

根據東江流域的生態安全評估結果發現東江流域的生態健康受損癥狀，并建立受損原因診斷矩陣，結合矩陣和安全評估指標得分篩選出江河生態安全受損原因清單。 東江流域的生態健康受損原因診斷矩陣見表4，由表4 可知受損癥狀主要體現在物理棲息地質量、魚類完整性、水生植物完整性和水源涵養功能等方面，主要環境壓力來源是農業面源污染(果業種植源污染)、水利工程影響、物理棲息地破壞、水源涵養功能不足、自然保護區級別低。 從診斷矩陣可知影響最廣泛的因素是濕地面積比，其次是農業面源污染、水利工程、連通性影響相當，水源涵養指數影響最小。 因此，流域農業面源污染、連通性是流域最優先治理目標，其次是增加濕地面積，加強生態恢復。

表4 東江流域的生態健康受損原因診斷矩陣

續表4 東江流域的生態健康受損原因診斷矩陣

3 結論

本文將層次分析法(AHP)和“壓力-狀態-功能-風險(PSFR)”模型為理論基礎，以ESI評價模型為主線，構建了以“人類活動壓力、生態系統健康、生態服務功能和生態風險”(PEEE)為框架的4個層次的流域生態安全綜合評價指標體系，并以江西省東江流域為例，對東江流域定南水、尋烏水控制單元以及東江流域進行生態安全評估。 主要結論和展望如下。

a)通過評估可知江西省東江流域總體屬于安全范疇，其中定南水贛州市控制單元大于尋烏水贛州市控制單元，均處于較安全狀態，定南水略好于尋烏水，但均存在流域水系不連通、水環境質量不能穩定達標，水生生物資源和多樣性減少等問題，問題的主要成因是人為干擾活動強烈，流域河段水工建筑密度過高，廢棄礦山徑流和果園開發面源污染隱患，重要生境面積退化，濕地面積退化，流域生態服務功能減弱等成因。 針對人為因素造成的環境污染，應從生態保護、生態修復、水資源保護與水資源利用配置4 方面進一步加強流域綜合治理和生態修復，從而提高整個流域生態健康狀態，最終形成良性的生態安全格局。

b)東江流域是江西省著名的“稀土之鄉”和“臍橙之鄉”，流域內稀土礦山開采、臍橙種植面積較大，因此在生態風險專項累積風險中增加針對礦山開采特點的氨氮類指標，在生態環境壓力專項土地利用分項耕地面積中增加園地面積指標，進行了本地特色化創新，設定的指標體系對其他流域生態風險控制精細化管理具有一定的借鑒意義。

c)以定南水和尋烏水小流域疊合鄉鎮行政邊界作為評價單元，通過GIS 空間分析功能，結合環境監測數據和社會經濟數據，能夠較好的探討東江流域內部的生態安全空間分布規律，評估結果方便針對不同小流域存在的問題制定針對性的治理和保護方案，加強流域生態安全評估成果應用。

d)針對江河生態安全評估有助于研究學者和管理者整體把握流域生態系統安全狀態，評估框中加入生態安全風險方案層有助于管理者在風險預警方面有很好的探索，對流域內河流的安全管理有一定的指導意義，在今后的指標設置及權重占比中，應進一步加強深入研究，在數據獲取模型的建立和決策制定提供更可靠的依據，推動江河生態安全評估體系的完善和流域生態安全管理的健康發展。