咸宁市生态系统健康诊断预警研究

安辉 郝汉舟 魏华 陈锐凯

摘要：城市生态系统作为一种高度人工化的自然-社会-经济复合的生态系统，强调生态系统能维持对人类的服务功能以及人类自身健康及社会经济健康不受损害。以湖北省咸宁市为例，采用联合国经济合作开发署（OECD）的PSR模型框架，从资源环境压力、资源环境状态、人文环境响应3个方面建立健康诊断指标体系，采用层次分析法确定指标权重，以灰色模型GM（1，1）预测咸宁市各指标的变化。研究结果表明：①对咸宁市生态系统健康指标诊断，结果显示在2015年，咸宁市生态健康诊断预警指标体系32个指标中将没有巨警（红灯），重警（黄灯）主要是经济发展压力所属指标即人均污水排放量、人均工业废气排放量。②整体来看，从2004年到2015年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（0.85）转向轻警（0.17），显示咸宁市生态系统健康状况整体好转。在要素层的3个子系统中，压力子系统指标逐步加大，到2015年将为重警（0.66）。其余两个子系统到2015年将得到较好改善，对支持咸宁市生态健康整体好转发挥了积极作用。

关键词：生态系统;健康诊断;预警;PSR模型;咸宁市

中图分类号： S153.6;F595        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）02-0480-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.057

Early Warning and Health Diagnosis of Xianning Ecosystem

AN Huia，HAO Han-zhoua，b，WEI Huaa，b，CHEN Rui-kaia

（a.Resources and Environment College;b. Land and Water Resources Research Center of the Middle Yangtze River， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100， Hubei  ， China）

Abstract：Urban ecosystem is highly artificial in nature - social - economic complex ecosystems. Emphasizing the ecological system can maintain the service functions on health of human beings， the society and economy. Taking Xianning City as an example， PSR model framework of the use of the United Nations Department for Economic Cooperation Development （OECD） was used to establish a healthy diagnostic indicator system from the pressure of state resources and the environment， human environment. AHP was used to determine index weights. Gray model GM （1，1） was used to predict changes of each index in Xianning City. The results showed that in 2015， 32 indicators of ecological health diagnosis in Xianning city was not giant warning（red）. Heavy warning（yellow） was mainly an indicator of pressure of economic development， water emissions per capita and per capita industrial emissions. From 2004 to 2015， integrated ecosystem health index of Xianning had a decreasing trend， turning to light warning（0.17） from the giant warning（0.85）， indicating overall improvement of Xianning in ecosystem health. In three subsystems of element layer， the pressure subsystem indicators gradually increased to the most important warning （0.66） in 2015. The remaining two subsystems will be improved in 2015. The general improvement of the ecological health of Xianning City had a positive role.

Key words： ecosystems; health diagnosis; early warning; PSR model; Xianning City

生态系统健康概念的提出可追溯到20世纪40年代，美国著名生态学家、土地学家AldoLeopold于1941年提出了土地健康（Land health）的概念[1]。周文华等[2]提出城市生态系统健康（Urban ecosystan health）是指系统内人类生产生活通过与周围环境、各群落之问进行的物质和能量交换所形成持续的良性循环，以及城市生态系统内人类种群的健康。

Spiegel等[3]采用驱动力-压力-状态-暴露-影响-响应（DPSEEA）模型对古巴首都哈瓦那城市生态系统健康进行了评价。联合国经济合作开发署（OECD）于1994年建立PSR（Pressure-state-response）模型[4]、UNCSD于1996年建立DSR（Driving force-state-response）模型[5]。欧洲环境署（EEA）1998年提出了DPSIR（driving force-pressure-state-exposure-effect-action）模型[6]。Polsky 等[7]受美国公共空间计划整合框架的启示，发展了基于“暴露-敏感-适应”的VSD 评价整合模型（Vulnerability scoping diagram）。牛文元运用系统学的方法，把人口控制、资源消耗、生态环境质量的动态变化、政府管理能力等结合起来，建立了DSP指标（Degree of sustainable development）。魏婷等[8]利用突变级数法对厦门市生态系统健康进行了定量评估和趋势分析。刘耀彬[9]认为城市化与资源环境概念内涵复杂，具有层次性，在PSR框架的基础上，提出了城市化与资源环境相互作用的扩张EPSR模型（Extended pressure-state-response）。此外，物元可拓模型法[10]、属性综合评价法[11]和主成分投影法[12]等在城市生态系统健康研究中也得到了应用。

本研究在对咸宁市生态系统基本状况进行综合分析的基础上，利用层次分析建立咸宁市生态系统健康评价体系，进行诊断预警，结合实际全面分析造成咸宁市生态系统破坏的主要原因，诊断咸宁市生态系统的健康状况及变化趋势，评价污染压力对咸宁市生态系统的影响，为咸宁市绿色发展提供科学决策。

1  研究区概况

咸宁市位于湖北省东南部，素有“湖北南大门”之称，是武汉城市圈“8+1”的成员城市之一，与湖南省、江西省接壤，地理位置跨东经113°32′-114°58′，北纬29°02′-30°19′。下辖1市1区4县，分别是赤壁市、咸安区、通城县、通山县、嘉鱼县、崇阳县。

2  研究方法及指标体系构建

2.1  模型构建

本研究采用PSR概念模型。在PSR框架内，环境问题可以表述为3个不同但又相互联系的指标类型[13]：状态指标用以衡量由于人类行为而导致的生态系统的变化;压力指标则反过来表明生态环境恶化的原因;响应指标则显示社会为减轻环境污染和资源破坏所做的努力。根据PSR概念模型，从资源环境压力、资源环境状态、人文环境响应等方面选取反映城市生态系统健康的相应指标（表1）。

上述指标体系中的数据由2004～2010年《咸宁市统计年鉴》直接查得。对于部分无法直接得到的数据，借鉴已有的数据，采用替代方法近似对指标赋值。为了消除数据的量级以及量纲的不同，选择下式的方法对数据进行规范处理，公式如下：

xij=■      （1）

式中，i为年份，j为指标序号;xij为指标数据。在本研究中，诊断预警警限界定是值越大警情越重（表2）。为统一指标的方向，对于指标值越大，对生态环境健康越有利的指标要进行变向处理，变向处理的公式为：

xij=■     （2）

2.2  权重的确定

本研究采用层次分析法与专家调查法相结合的方法[15]。各指标的权重确定步骤如下：

1）专家打分：根据咸宁市生态健康指标体系表1建立专家评分表，用成对比较法和1～9尺度。分值分布为1～9，最高分为9，表示最重要，最小值为1，表示最不重要。

2）确定特征向量;对每一成对比较阵计算最大特征根和特征向量，作一致性检验。本研究中利用DPS数据处理软件得到最大特征根及特征向量。一致性检验公式为：

CI=■     （3）

式中，λ为DPS软件计算的最大特征根，n为n阶阵的阶数（指标个数）。一致性比率CR，CR=CI/RI，RI可以根据n查Saaty表。当CR<0.1时，通过一致性检验。

3）确定权重：利用上面计算的特征向量，进行归一化处理，得到权重。其计算的指标权重值如表1。

4）根据权重系数及标准化的指标体系，通过逐层的矩阵运算方法，构造综合目标函数：

F（x）=■βjxj    （4）

式中，βj为各层的权重系数，xj标准化的指标，F（x）为目标函数，n为某一层次中指标个数。根据目标函数与诊断预警警限比较，作出预警判断。

2.3  评价标准及预警分级

在对指标进行预警判断，分为巨警、重警、中警、轻警、无警5个级别，其判断标准是根据相关的科研结论及文献报道。其5个级别的划分见表2。采用层次分析法，对2004～2015年咸宁市生态系统进行健康诊断，具体警限见表3。

2.4  灰色预测

灰色系统理论于20世纪80年代创立。灰色预测是对系统行为特征值的发展变化进行的预测，对既含有已知信息又含有不确定信息的系统进行的预测，也就是对在一定范围内变化的、与时间序列有关的灰色过程进行预测。在DPS软件GM（1，1）模型支持下对2015年咸宁市各项指标进行预测。

3  结果和讨论

3.1  各分指标的诊断预警

对照咸宁市生态健康预警指标界限表2，对 2015年的生态系统健康状况进行预诊断，其结果如表3。32个指标层中，没有巨警（红灯）;重警（黄灯）有2个指标，分别是C8（人均污水排放量）、C9（人均工业废气排放量）。在2004～2010年中，人均污水排放量、人均工业废气排放量最小值分别为30.5 t/人、6 172.6标m3/人，显示咸宁市在这个指标方面有待改善。中警（蓝灯）有7个指标，分别是C4（人均林地面积）、C5（GDP增长率）、C7（人均用水量）、C11（城市化率）、C12（人口自然增长）、C14（水土流失面积/土地面积）、C18（恩格尔系数）。在以后的评估中，GDP增长率和城市化率两个指标方面建议根据中国的实际情况加以改进。轻警（浅蓝灯）有7个指标，分别是C3（畜均草地面积）、C19（万人科技人员数）、C21（第三产业占GDP比重）、C24（环境保护宣传教育普及率）、C27（科技投入强度）、C31（环保投资投入强度）、C32（教育投入强度）。从以上结果可以看出重警主要是经济发展压力（B2）所属指标，反映了经济发展对环境造成的压力。

3.2  目标层——整体分析

对咸宁市生态健康诊断预警，是基于对目标层H的层次分析法的结果的判断。咸宁市生态系统健康诊断结果如图1所示。整体来看，从2004年到2015年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（0.85）转向轻警（0.17）。咸宁市生态系统综合健康指数2004年至2005年略有下降，2005年到2006年呈小幅度增长趋势，2007年后又出现下降趋势。结果显示从2006年以后咸宁市生态系统健康得到逐步改善。

3.3  准则层——子系统分析

3.3.1  压力子系统  咸宁市生态系统压力子系统健康诊断预警结果如图2，咸宁市压力子系统从2004年到2008年呈稳步上升趋势，到2008年达到第一高峰0.48，为中警。2008年到2010年有所下降。但是2010年以后压力值明显增长，表明压力不断增大，预测2015年压力指标为0.66，为重警，显示咸宁市随着经济发展，咸宁市生态系统压力将越来越大。

在压力子系统中包括资源丰裕度、经济发展压力和人类活动强度3个具体指标（图3）。3个指标中经济发展压力和人类活动强度呈现增长趋势。经济发展压力和人类活动强度到2015年呈现巨警（0.85）和重警（0.64）。资源丰裕度呈现波动趋势，在2008年达到0.77（重警）后逐步减小，到2015年为0.41（中警）。资源丰裕度这种变化与资源开发及技术进步提高资源使用效率有关。经济压力呈上升趋势，人类活动强度呈上升趋势，表明未来几年咸宁市如果不采取相应措施，经济压力将会越来愈大，人类活动强度愈来愈强。

3.3.2  状态子系统  咸宁市生态系统状态子系统健康诊断预警结果如图4。从2004年到2015年逐步下降。从2004年的0.83（巨警）将降低到2015年的0.24（轻警）。说明咸宁市生态环境质量、经济发展水平、人口健康状况整体在向好的方向发展。近年来咸宁市政府加大了环境治理力度，打造生态城市、人类宜居城市，加大了对污染物的治理，并对一些高污染企业进行整改，提高企业的治污积极性，有效推进污染总量控制工作，使生态状况有了明显好转。

咸宁市生态系统状态子系统包括人口健康状况、经济发展水平和生态环境质量3个方面，其诊断预警结果如图5所示。从图可知，生态环境质量在2007年、2015年有所升高，其余两个指标值整体来讲是逐步降低的。经济发展和人口健康到2015年呈现无警状况，生态环境在2015年为中警状况。

3.3.3  响应子系统  咸宁市生态系统响应子系统健康诊断预警结果如图6所示。从2006年到2015年将持续稳步下降，其中2010年后下降更明显。响应子系统反映了社会和个体对环境污染和资源消耗所采取的对策和措施。响应子系统指标值的降低，反映了居民环保意识的提高以及政府在政策、环保投入等方面的努力。

咸宁市生态系统响应子系统包括政策与管理水平、环境保护力度两个方面。其诊断预警结果如图7所示。从图中可知，两个要素层指标逐步减小，到2010年为中警，但是到2015年将为无警状况，显示随着生态文明建设的越来越被重视，咸宁市生态城市建设将得到逐步落实，所采取的环境保护力度也在加大。

4  结论

本研究采用PSR模型框架，用层次分析法确定各指标及各层次的权重。采用灰色模型GM（1，1），对咸宁市2015年各指标进行了预测。对各指标与相关标准比较来进行咸宁市生态系统健康指标诊断。经过分析计算得到以下结论：

1）对咸宁市生态系统健康指标诊断，结果显示在2015年，咸宁市生态健康诊断预警指标体系32个指标中将没有巨警（红灯），重警（黄灯）主要是经济发展压力（B2）所属指标即人均污水排放量、人均工业废气排放量，反映了经济发展对环境造成的压力。

2）整体来看，从2004年到2015年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（0.85）转向轻警（0.17）。咸宁市压力子系统从2004年到2008年呈稳步上升趋势，预测2015年压力指标为0.66，为重警。咸宁市生态系统状态子系统2004年到2015年逐步下降。从2004年的0.83（巨警）降低到2015年的0.24（轻警）。咸宁市生态系统响应子系统从2006年到2015年呈持续稳步下降趋势，其中2010年后下降更加明显。

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