基于PSR模型的甘肃黄河流域生态安全研究*

2015-01-17宋玲玲李宗杰康飞龙魏雅倩

西部林业科学 2015年2期

宋玲玲，田青，李宗杰，康飞龙，魏雅倩

(甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070)

生态安全是能够维持和保障人类社会可持续发展，同时不损害和威胁生态系统本身健康和完整性的生态系统状态，是人与自然生态环境达到高度和谐的状态。生态安全是自然经济社会的共同安全。当前，生态安全或者环境安全已经引起了国际社会的高度关注，环境退化及其可能引起的冲突，被视为非传统的重大安全威胁之一，生态安全与国防安全、经济安全同等重要，都是国家安全的重要基石。生态安全被认为是人类社会可持续发展的核心和基础，也是国家安全和社会稳定的一个重要组成部分［1～2］。近年来，国内外有关生态安全的研究已有很多，但绝大多数研究主要集中在土地资源的生态安全评价、景观结构的生态安全分析以及生态风险评价和生态系统健康评价等方面，而从水土保持的角度出发来研究区域生态安全的案例目前并不多。本项目从水土保持的角度入手，以甘肃黄河流域为例，运用26年水土保持措施动态，系统分析了研究区的水土保持与生态安全格局与分区评价，以期为甘肃黄河流域的生态环境建设提供参考依据［2～6］。

1 研究区概况

黄河发源于青海省青藏高原的巴颜喀拉山脉北麓的卡日曲，呈“几”字形，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东9省 (区)注入渤海。黄河干流及其支流流经甘肃省中东部7个地区约50个县 (市)，主河道全长915．5 km，流域面积 13．7×104km2，占全流域面积的18．2%。甘肃境内的黄河流域地处甘肃中部和东部，省内流域面积14．45×104km2，有黄河干流、洮河、湟水、渭河、泾河、北洛河6大水系。黄河流域历来在甘肃的经济发展中有着特殊的地位和作用，但是，黄河流域生态环境日益恶化，水资源短缺、土地沙化、水土流失、大气污染等突出问题已严重制约着区域经济的发展。新中国成立以来，黄河流域的水土保持工作从未间断过，投入不断增加，积累了不少经验，也取得了不少成绩。

2 研究方法

2.1 研究区生态安全评价指标体系

建立完善的指标体系是客观准确评价生态系统的基础。生态安全评价指标的选择不仅考虑了研究区农业生态系统的环境状态，还反映了对研究区生态安全有潜在影响的重要水土保持因素的变化，着重体现出基于水土保持的区域农业生态安全评价特征。因此在建立甘肃黄河流域生态安全评价指标体系时，遵循了科学性、客观性、系统全面性、相对独立性、可操作性、可比性和针对性等原则［7］。参考生态系统安全评价的相关文献［8～13］，结合研究区1986-2011年度水土保持治理实施情况、农业资源现状及农村经济发展的趋势，从影响农业与农业发展的主要因素分析入手，选取生态环境压力指标、生态环境状态指标、生态环境响应指标3个方面12个评价指标，构建了甘肃黄河流域生态安全指标体系 (图1)。

图1 生态安全评价指标体系Fig．1 The ecological security evaluation system

生态环境压力指标包括人均耕地面积、单位面积耕地化肥施用量、单位面积耕地农药施用量、自然灾害成灾面积比例。人均耕地面积用每个农业人口占有耕地面积表示，其值越低，对生态环境的压力就越大;单位面积耕地化肥施用量、单位面积耕地农药施用量以每公顷耕地所使用的化肥、农药量表示，表明农业生产自身对生态环境的压力，在一定范围内，数值越大，对生态环境的压力越大;自然灾害成灾面积比是成灾面积与受灾面积的比值，说明农业受灾程度，其值越大，对生态环境的压力越大。生态环境状态指标包括水土流失治理面积比、水保林面积、人工种草面积、封山育林面积、封山育草面积。生态环境响应指标包括水保措施投入、人均粮食产量、单位面积农业产值，反映了研究区水土保持的成效以及开发利用资源所取得的成就。指标体系的各指标数值取自1986-2011年甘肃省统计年鉴和农村年鉴［14～15］。

2.2 数据处理与分析方法

2．2．1 评价指标数据标准化处理

从本研究选取的1986-2011年的各指标的数据来看，各指标原始数据间量纲不同且各指标间数据量级存在明显的差异，在使用上述指标前，需要对原始数据进行标准化处理。首先采用极值法对各指标数据进行处理，使每个指标介于［0，1］之间。考虑到每个指标对系统的影响存在差异，有些指标数值越大，系统发展程度越好，有些则是指标数值越小，系统发展程度越好，前者即是所谓的正作用指标，后者则是负作用指标。由于不同的评价指标数据性质不同，具有不同的量纲，为了消除量纲不同带来的不可评价性，在评价前对原始数据采用归一法进行标准化处理，计算公式为，，式中，Pij为归一化值;Xi为实际值;Xmax，Xmin分别为实际最大值和实际最小值。公式①表示的意义是，归一化值越大，生态安全程度越高，即越大越安全型。公式②表示归一化值越小，生态安全程度越高，即越小越安全型。

2．2．2 评价指标权重确定

均方差赋值法是一种客观赋值法，其权重是由各指标在评价单位中的实际数据形成，它不依赖于人的主观判断，客观性较强。因此，本研究采用均方差赋值法，对甘肃黄河流域生态安全进行了客观的综合评价。

表1 生态安全综合评价指标权重Tab．1 The weight of ecological security evaluation index

式中，S为生态安全度，Ai(i=1，2，3…，12)为指标集，Pij为方案集对指标集的属性值，即归一值，首先根据公式①和②计算各评价指标的归一化值Pij，其次计算标准化后的各指标Ai的均值P、变异系数ξ和方案集Gj的均方差VAi，得出各指标的权重Wi，Q为贡献率，Hn(n=1，2，3)为各指标值，最后根据公式③得出甘肃黄河流域生态安全度数值。

3 结果与分析

3.1 三大指标贡献率分析

根据三大指标贡献率 (图2)可以看出，26年间，研究区生态安全指标中生态压力指标贡献率在逐渐减少，这主要有两方面原因，一是与全球气候变暖引起的气候日趋干暖以及生态环境灾害频度增加有关。甘肃黄河流域地处西北干旱区，降雨量小，蒸发量大，自然灾害较为频繁，这些因素都严重地影响了地区生态环境的安全指标［16］;二是与人口增加、土地资源的相对紧缺以及当地居民对土地资源不合理的开发利用有关。生态安全指标中的环境状态指标安全指数呈现逐年增加的趋势，这主要与居民环境意识提高，研究区水土保持建设力度逐年加大并逐渐取得成效有关。1986-2011年研究区生态安全指标中生态环境响应指标安全指数亦呈现逐年增加的趋势，在三大指标中，状态指标平均贡献率为37．28%，响应指标平均贡献率为21．43%，压力指标的变化趋势最明显，对生态安全指数的相对贡献率也最大，平均贡献率达到41．66%。这主要与26年来，特别是退耕还林还草工程实施以来，研究区的植被面积不断扩大，水土流失治理效益显著有关，当然也离不开政府水土保持资金投入比率的不断加大以及农村经济发展速度持续增长。

图2 三大指标对生态安全的贡献率Fig．2 The contribution rate of three indicators of ecological security

表2 甘肃黄河流域生态安全度分级基准Tab．2 Benchmarks of ecological security classification in Gansu Province

3.2 生态安全综合评价值分析

3．2．1 生态安全值限定

采用相对指标法，参考其他分级指标，结合目前研究区水土保持现状以及生态环境状况，把安全度取值范围 (0～1)划分为5个区间，对应5个等级，并对系统特征进行描述 (表2)。

3．2．2 生态安全评价

根据甘肃黄河流域生态安全度分级标准，全流域1986-2003年生态安全等级处于风险态 (Ⅳ级)，生态安全度变化范围为0．31～0．48，1990年生态安全度处于最低状态 (0．31)。从1986-2003年生态安全度总体呈现增加的趋势，但在这一时期，全流域的土地生态系统服务功能严重退化，农业生态环境受到较大的破坏，系统结构破坏较大，受外界干扰后恢复困难，土壤肥力低，治理困难，生态灾害较多。2004-2010年生态安全等级处于敏感态 (0．5～0．66)，处于第Ⅲ级，这一时期生态安全度也大体呈增加趋势，在2009年达到0．66，2010年略有降低 (0．64)。这一时期土地生态系统服务功能已有退化，农业生态环境受到干扰，受干扰后系统结构已恶化，但尚能维持基本功能，土壤肥力降低，植被覆盖率降低，生态问题显著，生态灾害时有发生。直到2011年全流域的生态安全等级处于较安全态，生态安全度达到0．70。土地生态系统服务功能较为完善，农业生态环境很少受到破坏，系统结构基本完整，功能较强，土壤肥力较强，植被覆盖率较高，农业产值高，土地利用程度高，生态问题不显著。表3的数据显示，26年来全流域的生态安全程度的总体变化态势为从风险态向较安全态转变，生态安全度由1986年的0．36到2011年的0．70，全流域的生态安全变化表现为总体趋势逐渐好转 (表3)。

表3 1986-2011年生态安全度表Tab．3 Ecological security degree from 1986 to 2011

4 讨论

根据研究结果并结合甘肃黄河流域水土保持与农村社会经济发展的实际情况，分析影响该流域生态安全的主要原因，一是该流域地处西北干旱区，水资源严重匮乏、降水少 (年平均降水量为368～500．7 mm)［17］且集中在 6-9 月份、植被覆盖率低、水土流失严重 (土壤侵蚀模数为4 079～5 479 t/km2)［17］，水土流失面积达 11．25 × 104km2［17］，土地退化加剧、土地荒漠化持续扩展等自然因素威胁着该流域的生态安全;二是甘肃黄河流域的生态安全与研究区的地质、地貌、土壤等密切相关，极易发生水土流失，更有甚者会造成山洪或者滑坡泥石流;三是甘肃黄河流域的生态安全与人类对环境的不合理开发利用有关。随着人类社会经济活动对环境影响的强度和广度日益加大，大量垦种坡地，滥伐林木，毁林毁草造田，蚕食林地草地，草原超载过牧，以及工程建设缺乏应有的处理措施等一系列人为活动，破坏了自然生态系统自身的平衡。本研究显示，1986-2011年人均耕地面积由每人3．42 ×10-2km2下降为1．92 ×10-2km2，表明人均占有耕地逐年下降，造成人均耕地生态安全贡献指数降低。在生产方式未得到大的技术创新改造的情况下，人口与粮食矛盾尖锐，开荒、开山种地、牧场超载、乱采滥伐等不合理的人类活动加剧，导致植被破坏、土地污染、水土流失和土地退化。由以上分析得出，制约甘肃黄河流域生态安全水平提升的主要因素有人均粮食产量、人均耕地面积，还有生产方式的粗放型，这些因素应是今后生态环境保护调控的重点。

5 结论

(1)1986-2011年研究区生态安全指标中生态环境响应指标安全指数呈现逐年增加的趋势，在三大指标中，状态指标平均贡献率为37．28%，响应指标平均贡献率为21．43%，压力指标的变化趋势最明显，对生态安全指数的相对贡献率也最大，平均贡献率达到41．66%。这主要与26年来，特别是退耕还林还草工程实施以来，研究区的植被面积不断扩大，水土流失治理效益显著有关，当然也离不开政府水土保持资金投入比率的不断加大以及农村经济发展速度持续增长．

(2)1986-2011年甘肃黄河流域的生态安全总体水平呈逐步上升趋势，26年来研究区的生态安全程度的总体变化态势为从风险态向较安全态转变，生态安全度由1986年的0．36增加到2011年的0．70，增加了49%。

(3)26年间甘肃黄河流域的平均生态安全度为0．46，整体上研究区的生态安全度处于Ⅳ等级，安全状态处于风险态。所以对甘肃黄河流域的生态治理刻不容缓，应该在当前的基础之上加大治理力度，从根本上确保区域的生态安全。

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