宁夏市域生态安全动态评价及预测

2014-02-11郭永杰米文宝

水土保持研究 2014年2期

郭永杰，米文宝，2，赵莹，郑芳

（1.宁夏大学资源环境学院，银川 750021；2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021）

自1989年国际应用系统分析研究所提出生态安全概念以来［1－2］，学者们对生态安全进行了系列的理论以及实证研究。研究涉及的对象众多:蒙晓等［3］对宝鸡市的城市生态安全进行了综合评价，并就其未来10a的发展进行了动态预测；邓楚雄等［4］研究了上海市农业的生态安全发展，分析了影响农业生态安全的主要障碍因素；孙彩歌等［5］利用遥感影像分析东江流域近20a的生态安全时空变化；此外，部分学者也对草原［6］、土地［7－9］、湿地［10］等对象的生态安全进行了定量评价。在构建生态安全指标体系的过程中因采用的模型不同而表现出差异性:杨春红等［11］基于PSR模型研究了汕头市土地生态安全的发展趋势；杨俊等［12］则使用DPSRC模型构建指标体系，结合地信和遥感技术分析大连市生态安全的空间分异；张继权等［13］在评价吉林省白山市的生态安全时采用DPSIR模型构造指标体系；DSR模型、DPSEEA模型在研究过程中也得到广泛应用［14］；其中PSR模型从人类与生态系统的相互作用与影响出发对生态指标进行分类，具有较强的系统性［15］，所以本文使用该模型进行生态安全评价。宁夏地区生态环境脆弱，进行生态安全的定量评价有利于和谐自然、经济、社会系统的关系，促进地区的可持续发展。鉴于此，本文使用PSR模型构建生态安全指标体系，结合熵值法对宁夏5个地级市的生态安全进行综合评价，最后运用GM（1，1）模型对其未来的生态安全趋势进行预测。

1 研究区概况

宁夏回族自治区处在中国西部的黄河上游地区，位于北纬35°14′—39°23′，东经104°17′—107°39′，是我国五大省级自治区之一。宁夏包括五个地级市，分别为银川市、吴忠市、石嘴山市、中卫市、固原市。根据第六次全国人口普查统计，全区常住人口数约为630.14万人。研究区地处我国半干旱与干旱区的过渡地带，以年降水量200mm和400mm等值线为界，可以划分为三大地理单元:北部属于干旱区，中部属于半干旱区，南端六盘山属于半湿润区。南北相距约456km，东西相距约250km，总面积约为5.19万km2。宁夏周围有毛乌素沙地，乌兰布和沙漠和腾格里沙漠三大沙漠，生态环境脆弱，是我国西部生态安全建设的重要屏障。

2 研究数据与研究方法

2.1 研究数据

2.1.1 指标体系 PSR模型由经济合作与发展组织与联合国环境规划署（UNEP）共同提出，具体由压力体系、状态体系和响应体系三部分组成。结合宁夏自然环境和经济发展现状，并借鉴相关学者的研究成果［16－17］，本文构建由目标层、项目层、因素层、指标层构成的合计20项指标:目标层（A）为生态安全度；项目层（B）由生态安全压力（B1）、生态安全状态（B2）和生态安全响应（B3）组成；生态安全压力（B1）反映人类活动对自然、经济、社会带来的压力，具体包括人文社会压力（C1）、资源压力（C2）和环境压力（C3）；生态安全状态（B2）反映了资源（C4）、环境（C5）等的发展现状；生态安全响应（B3）则显示了人类面对问题采取的措施，具体包括人文社会响应（C6）、环境响应（C7）、经济政策响应（C8）；指标层（D）则是体现因素层各种压力、状态和响应的具体指标，是整个指标体系最基础的部分（表1）。

表1 宁夏地区各市生态安全评价指标体系

2.1.2 数据来源本文所涉及的指标数据来源于《宁夏统计年鉴》（2006—2012）、《宁夏水资源公报》（2005—2011）、《宁夏环境状况公报》（2005—2011）、银川市统计公报（2005—2011）、石嘴山市统计公报（2005—2011）、吴忠市统计公报（2005—2011）、固原市统计公报（2005—2011）、中卫市统计公报（2005—2011）、以及宁夏国土部门和林业部门的相关资料、国研网宁夏分区造林面积（2005—2011）。

2.2 研究方法

2.2.1 综合指数法熵的概念来源于热力学，是统计物理中描述分子运动无序状态的量度。1948年Claude E.Shannon将其引入信息论（信息熵）中，作为系统无序程度（或系统中数值离散程度）的一种度量［18－19］。指标的信息熵越小，表明其离散程度越大，提供的信息量越多，权重也越大。反之，信息熵越大，表明其离散程度越小，提供的信息量越少，权重也越小［20］。利用信息熵确定权重的具体步骤［21－23］:

（1）构造判断矩阵，假设存在n个指标，m个研究对象，则可以构造一个m行n列的原始矩阵。对于本文而言，m取值为5，相当于宁夏5个地级市:银川市、石嘴山市、吴忠市、固原市、中卫市；n取值为20，相当于数据分析过程中选取的20项指标。

（2）矩阵归一化为了方便数据的分析与处理，需要对原始矩阵进行无量纲化。无量纲化的方法有很多，文中采用的是极差法。

正向指标的计算公式为:

逆向指标的计算公式为:

式中:xij，Xij——第i年第j个指标的原值和标准化后的数值；xjmax，xjmin——Xij所在序列的最小值和最大值。

式中，k＞0，ej≥0，此处k＝1／lnm，使0≤ej≤1。

通过计算，2005—2011年宁夏地区各市生态安全评价指标权重计算结果详见表2。

表2 指标体系权重

（7）计算生态安全度Zi:

其中，Zi∈（0，1）。Zi越大，说明生态安全度越高，反之越低。

2.2.2 GM（1，1）预测 GM（1，1）表示一阶、一个变量的微分方程，是灰色系统理论中常用的预测模型［24］。具体的建模过程如下［25－27］:

设存在原始数据序列X（0）:

（1）对原始数据进行一次累加生成，得到新数列X（1）:

（2）构建累加矩阵B和常数项向量Y

则GM（1，1）模型的白化微分方程为:

（3）利用最小二乘法求解模型参数a，b:

（4）求解时间响应函数:

（5）对上式进行累减还原，得到原始数列x（0）的时间响应函数:

2.3 生态安全分级

参考相关学者的研究［28－29］，结合专家的咨询意见，设计生态安全度分级表，共分为5个等级（表3）。

表3 宁夏生态安全分级

3 结果与分析

运用上述综合指数法和GM（1，1）模型分别计算出2005—2011年期间、2012—2018年宁夏各市生态安全度的实际值和预测值，本研究还利用Excel直线图（图1）更加直观显示生态安全度的演变趋势。

3.1 宁夏各市生态安全度的现状分析

3.1.1 生态安全度的时间演变分析图1左半部分显示，从整体上看，2005—2011年期间，固原市的生态安全状况处在临界安全的范围内。除固原市外，其他地区的生态安全状况均处于不安全、很不安全的级别。除银川市之外，石嘴山市、吴忠市、固原市以及中卫市的生态安全度均呈现出波动上升的趋势。

图1 2005－2018年宁夏各市生态安全度变化趋势

银川市的生态安全度在2005—2011年期间从0.278下降到0.201，几乎每年都会出现下降的现象；一方面，随着银川地区社会经济的快速发展，人口日益集聚，需水量持续增加，这都对本区域的生态安全造成很大的压力；另一方面，宁东能源化工基地的建设以及大规模生产，为银川的国民经济发展做出了巨大贡献，但是发展工业的同时必然会带来“三废”的产生，这会为本区域的生态环境产生不利影响。固原市的生态安全度在此期间呈波动上升趋势，图1左半部分可明显看出，其上升幅度比其它四个地级市的幅度要大:固原地处宁夏南部黄土丘陵区，原本是生态脆弱地区，在宁夏主体功能区规划中，大部分被划定为限制开发和禁止开发区域［30］，随着近些年此区域退耕还林还草、生态移民、生态补偿等一系列生态工程的实施，取得了显著的效果，大力发展第三产业，增加人均收入，注重环境保护等措施都为此区域生态安全度的持续上升提供了动力。石嘴山市、吴忠市和中卫市的生态安全度在图1中十分接近，并且发展趋势也十分相似，均在小幅度的波动中上升，但吴忠市的生态安全状况一直处在很不安全的级别。

3.1.2 生态安全度的空间分异分析总体上看，宁夏各市的生态安全度大致表现出固原市＞银川市＞石嘴山市＞中卫市＞吴忠市，其中中卫市、吴忠市生态安全度的相对位置在2008年、2009年两年出现了变动，其余三市的位置均稳定。意味着宁夏南部（固原市）、北部（银川市，石嘴山市）的生态安全形式较好；而中部地区（中卫市，吴忠市）的生态安全度偏低，生态问题严重，主要是由于其处于中部干旱风沙带，降水稀少、荒漠化严重。

图2反映了2005—2011年期间宁夏生态安全度的变化幅度，据此可以将其内部划分为三个类型。第一个类型为固原市和石嘴山市，生态安全度表现出上升趋势，增长幅度均在0.02以上，具体分别为0.0294 ，0.0282 ；第二类为吴忠市和中卫市，生态安全度虽然表现出上升趋势但增长幅度介于0.01～0.02之间，具体分别为0.0137 ，0.0136 ；第三类为银川市，生态安全度呈现下降趋势，具体为－0.0770 。

图2 2005－2011年宁夏各市生态安全变化

3.2 宁夏各市生态安全度的预测分析

图1右半部分预测了2012—2018年期间宁夏各市的生态安全度发展趋势。从时间尺度上看，除了银川市之外，石嘴山市、吴忠市、固原市、中卫市的生态安全度仍表现出上升趋势，表明宁夏整体的生态安全状况有逐渐好转的迹象。图1右半部分直观显示，银川市的生态安全度一直呈下降趋势，生态安全等级将从Ⅱ级逐渐下降到Ⅰ级，应继续加强生态问题的解决力度；固原市一直处于临界安全状态并且呈现出持续好转的趋势；中卫市的生态安全问题突出，始终处于Ⅰ级的范围内；此外，石嘴山市和吴忠市的生态安全度水平相近，发展趋势都十分平缓。

从空间尺度上看，五市的生态安全格局发生了变化。2012年生态安全度呈现出固原市＞银川市＞石嘴山市＞吴忠市＞中卫市的空间特征，由于银川市生态安全度的持续下降，从2013年开始转变为固原市＞石嘴山市＞银川市＞吴忠市＞中卫市的特征。此外，对比2005—2011年的数据不难发现，除了银川市生态安全的相对位置发生变化以外，吴忠市的生态安全度开始稳步高出中卫市。图3显示了2012—2018年各市预测数据的变化幅度:固原市的生态安全度不断上升，增长幅度为0.0923 ；石嘴山市和吴忠市的生态安全度虽然同样在上升，但幅度不及固原市，具体分别为0.0211 ，0.0084 ；中卫市和银川市的生态安全度在下降，增长幅度分别为－0.0170 ，－0.0732 。

图3 2011－2018年宁夏各市生态安全变化

4 结论

（1）2005—2011年期间，除银川市之外，石嘴山市、吴忠市、固原市以及中卫市的生态安全度均呈现出波动上升的趋势。固原市上升幅度（0.0294 ）最大，依次为石嘴山市（0.0282 ）、吴忠市（0.0137 ）、中卫市（0.0136 ）、银川市（－0.0770 ）。生态安全度整体表现出宁夏南部（固原市）＞北部（银川市，石嘴山市）＞中部（吴忠市，中卫市）的空间特征。

（2）根据GM（1，1）模型的预测结果可得出:银川市不容乐观，生态安全度一直呈下降趋势，石嘴山市、吴忠市、固原市、中卫市的生态安全度仍表现出上升趋势，表明宁夏整体的生态安全状况有逐渐好转的迹象，而银川市应继续加强生态问题的解决力度。固原市生态安全度的上升幅度（0.0923 ）仍然最大，其次为石嘴山市（0.0211 ）、吴忠市（0.0084 ）、银川市（－0.0732 ）、中卫市（－0.0170 ）。生态安全度也逐渐转变为固原市＞石嘴山市＞银川市＞吴忠市＞中卫市的空间分布特征。

随着生态文明建设的提出，以及宁夏内陆开放型经济试验区的建立，宁夏继西部大开发又迎来了一次生态建设和社会经济发展的机遇。在宁夏主体功能区划定的背景下，探讨本地区各市生态安全，对宁夏地区生态文明建设和内陆开放型经济的发展提供有益的参考。文章在不同时间尺度下研究不同空间尺度的生态安全，并进行对比分析，用宁夏五个地级市最近7a的数据研究各区生态安全度，体现出宁夏各市生态安全现状，探究影响宁夏各市生态安全建设的主要因素，结果符合宁夏地区各市生态安全建设的基本情况。最后利用GM（1，1）模型进行了7a的预测，清晰地展现出宁夏地区各市未来生态安全的趋势及变化。

生态安全是一个综合复杂的系统，随着社会人文、资源、环境、经济等不断变化，生态安全的形势也会变化，需长时间的观测、研究。对宁夏地区各市生态安全度的计算应拉长时间序列，评价结果会更客观、合理。利用GM（1，1）模型进行预测结果具有一定的预见性，但时间尺度越大，预测结果也就越不精准，在以后对本地区生态安全研究中应改进方法，尽量减少误差，使评价和预测结果更具参考价值。

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