基于DPSIR模型的廣州市生態承載力安全預警評價體系構建

李明杰 張 捷 朱玉林 楊 燦

（1.廣州華商學院,廣東 廣州 511300；2.中南林業科技大學,湖南 長沙 410004；3.華商經濟社會研究院,廣東 廣州 511300）

1 研究背景

中國共產黨第十八次全國代表大會提出了經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設、生態文明建設“五位一體”的總體戰略布局，明確了生態文明建設在當代的重要性；2017年9月中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》；在中國共產黨第十九次全國代表大會上，習近平總書記再次強調要“加快生態文明體制改革，建設美麗中國”。

隨著城市化和工業化進程的加快推進，廣州作為超大型城市不可避免地出現了人口增長過快、環境污染、生態破壞、資源枯竭、交通擁堵等一系列社會環境問題，城市生態承載力面臨重大考驗，廣州未來發展的關鍵問題已是資源約束和環境壓力。因此，本文選取廣州為研究對象開展生態承載力安全預警評價研究，基于“驅動力—壓力—狀態—影響—響應”模型（DPSIR模型），嘗試構建一個集實時監測、數據搜集、定量評估、動態預測、分級預警、適時發布、綜合調控于一體的廣州市生態承載力評價、預警與調控理論系統，不僅為廣州市生態管理政策制定提供依據，而且對其他城市也有一定參考及推廣價值。

1.1 國外研究進展

國外學者關于“生態承載力”的研究始于20世紀20年代，1972年《聯合國人類環境宣言》發表后，這一方面的研究開始進入活躍期，取得了豐碩的成果。這一階段的研究主要圍繞以下幾個方面來展開。

1.1.1 生態承載力概念的界定

承載力，原為物理力學中的一個概念，學者Park和Burges（1921）最早從種群數量角度出發，首次將這一概念引入生態學領域。在此基礎上，Holing（1973）提出了較為規范的“生態承載力”概念，他認為“生態承載力是生態系統抵抗外部干擾，維持原有生態結構和生態功能以及相對穩定性的能力”。隨著經濟社會的不斷發展，人口、環境和資源等問題日益突出，基于不同需求和側重點的承載力研究應運而生，如人口承載力、資源承載力和環境承載力等概念相繼產生[1-5]。

1.1.2 生態承載力評價方法的完善

隨著生態承載力理論的逐漸成熟，生態承載力評價方法也越來越多。這些方法以定量研究和靜態研究為主，所使用的評價方法和模型主要包括自然植被NPP法、能值分析模型、生態足跡理論等[6-8]。

此外，國外學者還采用種群數量Logistic法、資源供需平衡法及狀態空間法等方法對生態承載力進行了建設性研究[9-11]。然而，在生態承載力安全預警評價與調控方面，盡管西方國家的預警理論有較為完善的概念體系和系統的操作方法，但整體上安全預警評價及調控在生態承載力研究中的應用仍很少有專門報道。

1.1.3 生態承載力評價研究空間尺度的擴展

從國外研究來看，生態承載力評價研究空間尺度的擴展呈現出從小尺度、小空間轉變到大尺度、大空間的狀態。小尺度、小空間評價主要適用于群落、景觀、流域和市（縣）等微觀生態系統，有助于深入細致地探討系統生態承載力的影響機理；而大尺度、大空間評價研究則主要用于國家、區域生態承載力評價，決策者可從宏觀和整體上把握生態承載力狀況，并制定出明確的宏觀管理策略。但總體來看，國外關于生態承載力評價的研究主要是基于自然生態系統來開展，基于城市這一尺度所開展的研究并不多。

1.2 國內研究進展

國內關于生態承載力的研究始于20世紀90年代，研究以跟隨式為主，但在二十多年的時間內取得了可喜的進展。

1.2.1 生態承載力概念的進一步界定

隨著20世紀80年代可持續發展理論的提出，生態承載力研究開始與可持續發展、生態文明建設結合起來。這為生態承載力研究提出了新的視角，促使國內學者對承載力的內涵和要素做出更全面的思考，從“自然—經濟—社會—人”層面探討資源、環境承載力同人口、經濟發展相協調的問題。因此，雖然目前對城市生態承載力并沒有一個統一的定義，但人們普遍認為城市生態承載力應是在特定時期，在城市這一特定區域內，生態系統的自我維持、自我調節、自我發展的能力，以及資源與環境子系統所能承載的人口數量，維持生態、經濟、社會可持續發展的能力[12-14]。

1.2.2 城市生態承載力評價方法的完善

關于城市生態承載力評價方法，國內學者主要是運用數學模型進行定量評價的方式對城市生態承載力進行研究。具體來講，除了借鑒上述能值分析模型[15-16]、生態足跡理論[17-19]、狀態空間法[20]等對城市生態承載力進行評價外，“胡煥庸線”理論[21-22]、綜合指數法[23]、層次分析法[24]、模糊綜合法[25-26]、灰色加權關聯度法[27-29]等均有運用。

1.2.3 城市生態承載力評價指標體系的發展

定量評價方法一般是在構建評價指標體系的基礎之上開展的，國內關于這一方面的研究經歷了從單指標到多指標、從簡單到復雜、從部分到綜合的發展演變歷程。在當前研究中，國內學者構建的指標體系大致包括以下三類：一是基于“自然—社會—經濟”人工復合生態系統理論從自然、社會、經濟三方面構建指標體系[30]；二是基于聯合國環境規劃署等部門提出的理論從壓力、狀態和響應三方面構建指標體系[31]；三是基于聯合國可持續發展委員會提出的驅動力、狀態和響應三方面構建指標體系[32]。

1.3 國內外研究中的不足

綜觀國內外城市生態承載力的相關研究，取得了不少成果，其研究方法和結論等對本文的研究具有重要參考和啟發。但仍然存在一些不足：一是有關生態承載力現狀評價的成果較多，但基于演變趨勢的預測預警及調控的研究則不多；二是城市生態承載力評價及預警的指標和方法有待完善；三是城市生態承載力預警與調控研究的理論體系尚待構建；四是尚未形成全面、系統、深入的城市生態承載力安全預警與調控研究成果。

2 研究對象和研究模型

2.1 研究對象

廣州，簡稱“穗”，別稱羊城、花城，是廣東省省會，廣東省政治、經濟、科技、教育和文化中心，國家中心城市、超大城市，國務院批復確定的中國重要的中心城市、國際商貿中心和綜合交通樞紐。廣州地處中國南部，位于珠江三角洲北緣，瀕臨南海，是國家綜合性門戶城市，首批沿海開放城市，是中國通往世界的南大門，粵港澳大灣區、泛珠江三角洲經濟區的中心城市以及“一帶一路”的樞紐城市。

截至2017年年末，廣州區域面積為7 434.4平方公里，地區生產總值（GDP）達21 503.15億元，常住人口1 449.84萬人，常住人口城鎮化率86.14%，城鎮居民人均可支配收入55 400元。近些年來，廣州認真學習貫徹習近平總書記視察廣東重要講話精神，按照深化改革開放、推動高質量發展的要求，深入推進供給側結構性改革，加快產業轉型升級，大力發展新經濟，培育新動能。在環境保護方面，堅持以“改善環境質量、保障環境安全”為核心，大力推進中央環保督察問題整改，推動大氣、水、土壤環境質量持續向好。2017年全年，廣州環境空氣質量優良天數有294天，達標天數比例為80.5%；PM2.5年均濃度為35μg/m3，在國家中心城市中率先達到國家二級標準；二氧化硫平均濃度為12μg/m3，同比持平；二氧化氮平均濃度為52μg/m3，同比上升13%；城市集中式飲用水水源地水質達標率穩定保持在100%。

2.2 研究模型

DPSIR模型是在經濟合作和發展組織（OECD）與聯合國環境規劃署（UNWP）提出的PSR模型的基礎上發展演化而來，由歐洲環境署（EEA）在1993年首次提出。在生態環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型包括驅動力（Driving Force）、壓力（Pressure）、狀態（State）、影響（Impact）、響應（Response）五大方面。

該模型中，“驅動力”是引起生態系統資源與環境變化的內在原因，主要是指社會經濟活動中的內在動力與發展趨勢；“壓力”是人類生產、生活與需求獲取對周邊資源、環境的影響，是引起資源環境變化的直接原因；“狀態”是區域資源與環境在上述“驅動力”和“壓力”之下所呈現出的各種狀況，是上述兩大因素共同作用與影響的結果；“影響”是系統所處的各種狀態對區域資源、環境、經濟、社會及人類健康的反饋結果與影響程度；“響應”是指人類為促進區域社會經濟可持續發展所采取的積極調控措施[33-34]。

DPSIR模型是用于衡量與評價城市生態承載力的重要模型，該模型從系統論角度分析人與生態系統的相互作用，是判斷生態系統狀態和生態問題因果關系的有效工具，是綜合分析和描述生態問題及其與經濟社會發展關系的常用模型，具有綜合性、整體性、系統性、靈活性等優點[35]。

基于DPSIR模型，借鑒《廣東省生態文明建設考核目標體系》和《廣東省綠色發展指標體系》，遵循指標體系構建的基本原則——全面性、代表性、層次性、科學性、可比性和可操作性原則，在參考前人研究成果的基礎上，本文構建了廣州市生態承載力安全預警評價指標體系，如表1所示。

表1 廣州市生態承載力安全預警評價指標體系

3 研究過程

3.1 數據來源

本文收集了2008—2017年10年間廣州市生承載力安全預警評價上述各指標的原始數據，數據主要來源于2009—2018年發布的《中國城市統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《廣東統計年鑒》《廣州統計年鑒》《廣州市國民經濟和社會發展統計公報》《廣州市環境統計公報》《廣州市水資源公報》等。

3.2 指標安全標準值的確定

指標安全標準值的確定是生態承載力安全預警評價、警度分析的前提和基礎。參考國內外相關專家、學者的相關研究成果，本文在確定上述各指標安全標準值時主要采取了如下方法。

（1）國際、國內標準值法。對國際、國內或相關行業已經制定或頒布具體標準的指標，按相關標準確定指標的安全標準值。如常住人口密度、人口自然增長率、萬元GDP能耗、萬元GDP電耗、萬元GDP水耗、單位面積工業廢氣排放量、單位面積工業煙粉塵排放量、單位面積一般工業固體廢物產生量等指標的安全標準值參考相關的國際標準和國內的《國家生態文明建設試點示范區指標（試行）》《生態縣、生態市、生態省建設指標（修訂稿）》及《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）來確定。

（2）相對值法。這類指標的安全標準值要根據廣州市經濟發展水平、區域生態文明建設發展目標、人民對美好生活的向往等加以確定。如人均地區生產總值、地區生產總值增長率、森林覆蓋率、城鎮居民人均可支配收入、科學技術支出占財政支出的比重、教育支出占財政支出的比重等指標的安全標準值就是按照這一方法確定的。

（3）借鑒值法。這類沒有具體標準可參考的指標，一方面可以通過借鑒有關研究已經判定的城市生態承載力預警評價安全標準值來確定；另一方面也可以通過咨詢有關城市經濟學、環境經濟學領域的專家學者來綜合確定。如對外貿易系數、城市人均水資源量、城市人均建設用地面積、城市人均道路面積、每萬人擁有公共汽車數、每萬人口在校大學生數等指標的安全標準值主要通過這種方法來確定。

依據以上三種方法所確定的廣州市生態承載力安全預警評價指標安全標準值如表2所示。

表2 廣州市生態承載力安全預警評價指標安全標準值

3.3 原始數據的歸一化處理

原始數據收集到以后，一方面由于各指標的量綱不同，另一方面各指標的指標性質也不同（既有正指標又有逆指標），這樣的指標是不具有可比性的，如果直接進行計算和評價分析，結果就會出現較大的偏差。因此，這些原始數據是不能直接進行計算匯總、評價分析的。所以，在對廣州市生態承載力安全預警評價之前，首要對這些原始數據進行歸一化處理，使得各指標數據趨于合理，從而保證安全預警評價的順利進行，使得評價結果更加直觀和準確。

因此，對原始數據的歸一化處理就包括對原始數據的無量綱化處理和逆指標的正向化處理，從而消除原始數據在量綱和指標性質上的差別。本文對原始數據進行歸一化處理過程所采用的方法如下：

在上述兩個公式中，xij（i=1,2,3,…,10;j=1,2,3,…,40）是第i年第j個評價指標的原始數據；xij′則是第i年第j個指標進行歸一化處理后的值；Sj則是在表2中所確定的第j個評價指標的安全標準值。經過上述處理方法，所有指標的數值都可以全部轉化為[0，100]范圍內的數值。

3.4 安全預警評價綜合指數的計算

計算城市生態承載力安全預警評價綜合指數的方法有很多，具體包括層次分析法、模糊綜合評判法、因子分析法、灰色加權關聯度法等，而本文在計算廣州市生態承載力安全預警評價綜合指數時采用的方法為熵權法。

在信息論中，信息是對所在系統有序程度的一種度量，熵則是對系統無序程度的一種度量。二者絕對值相等，方向相反。如果某一指標的信息熵越小，則該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起的作用理應越大，權重就應該越高。熵權法是一種客觀賦權方法。在具體使用過程中，熵權法根據各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權，通過熵權對各指標的權重進行修正，從而得出較為客觀的指標權重。運用熵權法計算廣州市生態承載力安全預警評價綜合指數過程如下。

（1）計算第i個年份第j項指標值的比重pij，pij的計算公式為

（2）計算信息熵Ej的值，Ej的計算公式為：

（3）計算信息熵冗余度Dj的值，Dj的計算公式為：

（4）計算各指標的權重Wj的值，Wj的計算公式為：

由上述過程計算出的各指標的權重如表3所示。

表3 廣州市生態承載力安全預警評價指標權重

（5）計算第i個年份第j項指標的得分sij，sij的計算公式為：

（6）計算各年份綜合指數得分Si，Si的計算公式為：

由上述計算過程得到的2008—2017年廣州市生態承載力安全預警評價綜合指數得分以及五個子系統指數得分情況如表4和圖1所示。

圖1 廣州市生態承載力安全預警子系統指數得分（2008—2017年）

表4 廣州市生態承載力安全預警評價綜合指數得分（2008—2017年）

3.5 廣州市生態承載力安全預警警度的判定

根據人類活動對資源、環境的影響程度，人與生態系統的協調關系以及城市生態系統所受到的破壞程度，參考國內外相關專家學者的已有成果，本文在判定廣州市生態承載力安全預警警度時以表5為依據。

表5 廣州市生態承載力安全預警警度判定標準

4 廣州市生態承載力安全狀況分析

4.1 綜合指數分析

從表4和圖2可以看出，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警綜合指數得分呈現出不斷上升的趨勢（除2010年有一定波動，但是波動不大），得分由2008年的47.28上升到了2017年的82.23，上升幅度較大（需要特別指出的是2016年數值上升最大，由前一年份的66.54上升到了78.63），總體幅度為73.92%。

圖2 廣州市生態承載力安全預警綜合指數得分（2008—2017年）

而與之對應，在統計期間內，安全預警警度為“高警”的年份有兩個，即2008年和2010年，2009年、2011年、2012年、2013年、2014年和2015年六個年份的警度為“中警”，2016年、2017年兩個年份的警度為“輕警”，總體來看安全預警警度由“高警”轉變為“輕警”，總體趨勢向好。

4.2 驅動力指數分析

從圖1和圖3來看，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警驅動力指數得分大多數年份波動較大，總體呈現下降的趨勢，但下降幅度并不是很大。該得分由2008年的16.37下降到2017年的13.83，下降幅度為15.55%。

圖3 廣州市生態承載力安全預警驅動力指數得分（2008—2017年）

驅動力指數得分之所以呈現出下降趨勢，是因為隨著廣州社會經濟的不斷發展，廣州市常住人口數量不斷增長，常住人口密度由2008年的1 370人/平方公里增長到2017年的1 950人/平方公里，與之相伴隨的還有人口自然增長率和城市率的提高。這些因素都在一定程度上會使得廣州市生態承載力下降。

而之所以在2010年出現最低點，除了上述因素外，還因為廣州市經濟一直保持高速增長，在統計期間內，地區生產總值增長率在2010年達到了最高，為17.52%，城市經濟的高速發展需要消耗大量的自然資源，過快的經濟增長會降低城市的可持續發展能力。

4.3 壓力指數分析

從圖1和圖4來看，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警壓力指數得分呈現出明顯上升的趨勢，并且上升幅度較大，該得分數值由2008年的最低點13.06上升到2017年的33.73（統計期間內的次高點），2017年的得分數值是2008年的近2.58倍，壓力指數得分增長幅度在五個子系統中是最大的。

圖4 廣州市生態承載力安全預警壓力指數得分（2008—2017年）

壓力指數得分增長幅度之所以如此之大，是因為近些年來隨著生態文明建設目標考核體系不斷完善，全民生態意識不斷加強，人們在生產、生活中越來越注意自身活動對資源和環境的影響，節約資源、保護環境成為一種行為習慣，無論是萬元GDP能耗、萬元GDP電耗、萬元GDP水耗、居民生活人均用水量，還是單位面積工業廢水排放量、單位面積工業廢氣排放量、單位面積二氧化硫排放量、單位面積工業煙粉塵排放量、單位面積一般工業固體廢物產生量等壓力指標，無一不是在顯著下降，人類活動對城市生態系統的負面影響越來越小。

4.4 狀態指數分析

從圖1和圖5來看，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警狀態指數得分同樣呈現出上升趨勢，該得分數值由2008年的5.52上升到2017年的6.65。在統計期限內，總體來看該指數得分在五個子系統得分中是最低的（有9個年份），在統計的10年間該指數得分的增長幅度也不大。

圖5 廣州市生態承載力安全預警狀態指數得分（2008—2017年）

這是因為該指數得分反映的是城市生態系統在上述“驅動力”和“壓力”之下所呈現出的各種狀況，是上述兩大因素共同作用與影響的結果。這表明長期以來廣州市經濟社會的高速發展以及人類生產、生活活動的大量開展，對生態系統已經造成了一定程度的破壞，而城市生態系統是最脆弱、穩定性最容易被破壞的，一經破壞，在短時間內很難得到恢復。對于具體指標來講，比如城市人均水資源量、城市人均建設用地面積、城市人均道路面積、建成區綠化率、森林覆蓋率等，雖然政府和廣大市民在節能減排、節約土地、污染治理和植樹造林等方面做了很大努力，但對這些指標的改善卻并不大。特別是城市人均水資源量這一指標，不但沒有得到改善，反而在惡化，該指標由2008年的912立方米/人下降到了2017年的530立方米/人，下降幅度高達382立方米/人，與之相似的還有城市人均建設用地面積等指標也在下降。

4.5 影響指數分析

從圖1和圖6來看，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警影響指數得分同樣呈現出上升的趨勢，該得分數值由2008年的6.37上升到2017年的17.19。總體來看雖然在2008—2012年間該指數得分分值較低，但2013年、2017年該指數得分對綜合指數得分的貢獻僅次于壓力指數得分。并且在統計期間內，該指數得分的增長幅度是較大的，增長了169.86%，年均增長近17%。

圖6 廣州市生態承載力安全預警影響指數得分（2008—2017年）

這說明近些年來廣州市生態環境治理對經濟、社會都產生了正向影響，取得了顯著成效。從單項指標來看，市區二氧化硫年日平均值由2008年的0.046 mg/m3下降到2017年的0.012 mg/m3；市區可吸入顆粒平均濃度由2008年的0.071毫克/立方米下降到2017年的0.052 mg/m3；特別是酸雨頻率由2008年的77.8%下降到2017年的12.70%。

4.6 響應指數分析

從圖1和圖7來看，2008—2017年廣州市生態承載力安全預警響應指數得分同樣呈上升趨勢，該得分數值由2008年的5.96上升到2017年的10.83。總體來看該指數得分在五個子系統得分中是較低的，大部分年份（9個）該指數得分僅略高于狀態指數得分，甚至在2011年，該指數得分僅為4.67，是最低的。

圖7 廣州市生態承載力安全預警響應指數得分（2008—2017年）

這是因為隨著《廣州市城市環境總體規劃（2014—2030年）》《廣州市環境保護條例》以及《廣州市大氣污染防治規定》等一系列規章條例的出臺，以及《廣州市生態文明建設考核目標體系》和《廣州市綠色發展指標體系》的制定，政府和廣大市民在生態建設與環境保護方面采取了很多積極調控措施。城市污水處理廠集中處理率由2008年的61.83%上升到了2017年的95%，城市生活垃圾無害化處理率由2008年的88.2%上升到2017年的96.5%，科學技術支出占財政支出的比重由2008年的3.68%上升到2017年的7.83%，教育支出占財政支出的比重由2008年的13.45%上升到2017年的18.50%。總體上，在響應子系統方面，政府和廣大市民等利益主體對改善廣州市生態承載力做出了較為積極的響應，效果還是比較理想的，但也存在著進步小、響應的滯后和調控的有所側重等問題。可以預見的是，隨著地方財政實力的不斷增強和生態城市建設步伐的不斷加快，全面、穩定、有效的調控會使得相應子系統指數得分穩步提升。

5 結論與建議

5.1 結論

本文基于DPSIR概念模型構建了廣州市生態承載力安全預警評價指標體系，利用熵權法對廣州市生態承載力開展了安全預警評價，并對研究期間內各年份廣州市生態承載力安全預警警度進行了分析。研究結果包括以下幾點。

（1）從總體來看，10年間廣州市生態承載力安全預警綜合指數得分呈現出不斷上升的趨勢；廣州市生態承載力安全預警警度呈現“重警—中警—輕警”的變化趨勢。城市生態承載力得到了提高，發展勢頭良好。

（2）從五個子系統來看，除了驅動力子系統指數得分略有下降外，壓力、影響和響應子系統指數得分上升明顯。這說明近些年來廣州市加強生態環境保護與綜合治理、加大節能減排力度、完善自然生態保護等相關政策法規的實施效果是明顯的。

（3）從五個子系統指數得分對綜合指數得分的貢獻來看，它們的貢獻是不同的，壓力子系統對綜合指數得分的貢獻要遠遠超過另外四個子系統。2017年驅動力、壓力、狀態、影響和響應五個子系統指數得分占綜合指數得分的比重依次為16.82%、41.02%、8.09%、20.91%和13.17%。比較來看，驅動力、狀態、影響和響應子系統還具有廣闊的提升空間。因此，未來在提升廣州市生態承載力時，應注重五大子系統間的協同發展。

5.2 建議

本文通過對廣州市生態承載力安全預警評價和安全預警警度分析，為未來廣州市改善自身生態承載力提供了一定參考，為制定相關環境政策提供了依據，并提出以下改善廣州市生態承載力的對策。

（1）壓力子系統對廣州市生態承載力安全預警綜合指數得分的貢獻最大，因此需繼續鼓勵技術創新，推廣清潔生產，大力實施節能減排，發展綠色經濟。進一步降低萬元GDP能耗、萬元GDP電耗、萬元GDP水耗、居民生活人均用水量以及單位面積工業廢水排放量、工業廢氣排放量、二氧化硫排放量、工業煙粉塵排放量、一般工業固體廢物產生量等。

（2）加強生態環保立法，啟動《廣州市環境保護條例》重新制定工作，實施最嚴格的環境保護制度。健全生態環境保護經濟政策體系，加強資金保障，重點投向水、氣、土等環境污染綜合治理，重大環境基礎設施建設等項目，提高科學技術支出占財政支出的比重以及教育支出占財政支出的比重。

（3）不斷地增強社會公眾的環保意識、生態意識和參與意識，樹立適度消費、節約資源的生活理念，形成健康、文明、科學的生活方式。大力創建節約型機關及綠色家庭、綠色學校和綠色社區，開展綠色出行、垃圾分類處理，讓人們自覺踐行低碳生活方式，減少生活污染物排放。