基于L-V共生模型的区域生态安全测度研究

吴艳霞, 姜锟, 冯蕊



基于L-V共生模型的区域生态安全测度研究

吴艳霞1, 姜锟2, 冯蕊3 *

西安理工大学经济与管理学院, 西安 710048

区域生态安全与区域可持续发展息息相关。根据共生理论, 构建社会经济—自然L—V共生模型, 运用DPSIR模型对其基本指数和协同系数进行测算。为避免人为因素干扰, 测算中, 用聚类分析法、变异系数法以及熵权法建立指标体系并赋权重, 使整个测度过程定量化, 同时, 对该模型的稳定平衡点和协同系数进行动态分析, 确定出区域生态安全的判断依据。将模型用于陕西省西安市进行实际应用, 结果表明: 目前西安市的生态安全状况并不理想, 自然环境子系统所产生的环境问题制约着社会经济子系统的发展。这一测度结果与西安市的实际情况相符合, 该模型在测度区域生态安全具体状况方面具有实践价值。

Lotka-Volterr; 共生模型; 区域生态安全; 测度

1 前言

随着社会、经济的发展, 人类对自然环境的干扰和破坏越来越严重, 生态安全问题越来越突出, 已威胁到人类的健康和发展。区域生态安全是实现区域可持续发展的基础和核心, 而区域生态安全测度为区域生态环境管理、决策提供科学的依据。因此, 对区域生态安全测度研究就显得尤为重要。

布朗于1977年首次提出了生态安全的概念[1], 后续学者从不同方面对其进行延伸和拓展。目前应用最广的是国际应用系统分析研究所(IASA)提出的生态安全含义, 即生态安全是对人的生活、健康、基本权利、生活保障、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化能力等方面不受威胁的状态表述, 是由自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全组成的复合系统[2]。当前学者们对区域生态安全的研究, 主要侧重于区域生态安全评价[3-6], 分析区域生态安全的影响因素, 而对区域生态安全预警的研究相对较少。在研究方法上, 集中于指标体系法[7-10]和特征指数法[11,12]两大类。指标体系法的各单项指标具有明确的生态意义, 便于分析导致生态安全问题的原因, 但是经过无量纲标准化处理和加权求和后, 所得到的综合指标将失去生态安全的意义, 不便于运用。而且在指标选取和权重确定方法上主观性较大。特征指数法(如生态足迹和能值法等)刚好相反, 优点是具有总体生态安全的意义, 但将单项指标转化为特征指数时, 指标失去了自身的生态意义, 不便于原因分析。

为解决上述问题, 本文建立了社会经济—自然L-V共生模型。该模型将指标体系法与特征指数法进行耦合, 实现了两种方法的优势互补, 同时使整个测度过程定量化, 避免人为因素的影响。另外, 根据该模型的稳定条件, 求解系统稳定平衡点, 从而对区域生态安全状况进行有效测度。

2 社会经济-自然L-V共生模型构建

2.1 L-V共生模型选择原因

区域生态安全是人与环境复合系统保障由于自然因素和人类活动或二者共同作用而产生的生态安全隐患对人类生态安全空间不构成威胁的状态或演变趋势的可能性[13]。人与环境复合系统由经济子系统、社会子系统和自然环境子系统构成。王俭[14]等学者的研究表明: 自然环境子系统为人类社会经济的生存和发展提供物质资源, 是一切生命生存的载体, 是复合系统中的生产者; 经济子系统的发展需要从自然环境子系统中获取资源, 并为社会子系统的发展提供经济基础, 是社会子系统的生产者和自然环境子系统的消费者; 社会子系统是人类及其自身活动所形成的非物质性生产的组合, 是经济、自然环境子系统的消费者。社会、经济子系统都需要从自然环境子系统中获取资源, 所以在研究过程中将两个子系统看作一个系统, 即社会经济子系统。

在复合系统中, 社会经济子系统的发展需要从自然环境子系统中获取资源, 同时将污染物排放到自然环境子系统中, 对自然环境子系统的发展产生抑制作用; 社会经济中的科技、教育发展会促进自然环境子系统的发展, 对其产生促进作用。自然环境子系统发展不良, 会产生各种自然灾害, 抑制社会经济子系统的发展, 其自然资源的提供也会促进社会经济子系统的发展。可见, 社会经济子系统与自然环境子系统存在着对自然资源占有的竞争共生关系。这符合生态位理论, 即在生物种群中, 每种生物都有其特定的生存领域和作用, 面临物种之间的竞争关系, 任意物种只有在占据了自身特有的生态位的情况下, 才能在自然环境中生存下去[15]。已有学者将两物种种群的种间共生关系的微分方程动态系统模型(Lotka-Volterra模型, 以下简称L-V模型)用于森林生态安全的研究中[16][17]。因此, 本文选择L-V模型来研究区域的生态安全测度问题。

2.2 模型构建

根据L-V模型原理[18,19]以及上述分析, 在人与环境复合生态系统中, 社会经济子系统与自然环境子系统之间既有竞争产生的抑制作用, 也有合作共生产生的促进作用。社会经济—自然的共生模型可用以下公式表示:

3 社会经济-自然L-V模型协同系数及基本指数测算

3.1 协同系数的测算

为测算协同系数, 本文将公式(2.1)(2.2)进行离散化处理[16], 离散化时间变量取年份。假定第年前后, 环境容量、协同系数为常数, 则公式(2.1)(2.2)可变为:

(3.1)

式中, 各符号均为第年、年、年的数值, 其含义与公式(2.1)(2.2)相同。

3.2 基本指数的测算

3.2.1 DPSIR模型分析

目前生态安全指标体系建立的模型有PSR、DSR、DPSR、PSIR、DPSIR等[20-22]。通过对生态安全的机理进行分析, 选择DPSIR(驱动力Driving force、压力Pressure、状态State、影响Impact、响应Response)模型来构建生态安全指标体系。并在张智光[16]研究的基础上, 分析出DPSIR模型内部因素之间的关系以及与生态安全之间的关系如图1所示。

图1中, 社会经济驱动力与社会经济压力反映了社会经济子系统对自然资源的需求。驱动力倾向于对自然资源状态的改善, 压力反映了社会经济对自然资源的破坏, 且二者都能反映区域的社会经济发展水平。本文将其组合起来, 构建社会经济发展水平估算指标体系。资源与环境状态表示在社会经济的驱动和压力下, 自然资源与环境的状态, 该指标可以直接衡量生态环境容量; 人类响应表示人类为降低自然生态系统受到的损害而做出的积极响应, 其效果可以减轻社会经济对资源环境状态的压力, 为生态恢复提供条件。资源与环境状态和人类响应都与生态容量有关, 因此用这两类指标来估算环境容量。生态影响表示在社会经济发展需求下自然环境表现出来的状态。可以用该指标估算生态水平。

图1 DPSIR模型内部及与区域生态安全之间的关系图

3.2.2 基于DPSIR模型的指标体系建立

本文借鉴相关学者指标体系建立方法[23-26], 建立区域社会经济发展、环境容量以及生态水平的指标体系。具体步骤如下:

首先, 以联合国可持续发展委员会、世界银行、中国科学院等权威机构发布的生态安全评价经典、高频指标为基础, 梳理生态安全相关文献, 按照DPSIR模型结构, 海选指标。

其次, 根据代表性原则、可行性原则和可观测性原则对上述指标进行初选, 选出具有代表性、含义清晰且能够被获取的指标。

再次, 运用R聚类分析法将同一因素下, 信息含量相同的指标聚为一类; 用变异系数法选取同一类中信息含量最大的指标。具体计算原理如下:

（1）R聚类分析

a. 选择聚类方法

通过离差平方和法对指标数据进行聚类。

离差平方和聚类的具体步骤:

b.聚类数目合理性的判定

(2)变异系数分析

变异系数是衡量一组数据中各观测值之间离散程度的统计量, 可以用来反映指标在生态安全评价中的鉴别能力。其公式为:

变异系数越大, 表明该指标的鉴别能力越强, 信息含量越大, 其对生态安全的影响越大, 应当保留; 反之, 则应当删除。

最后, 对得到的指标进行合理性判断。判断原理如下:

指标体系合理性判定标准: 用30%以下的指标反映95%以上的原始信息, 则认为指标体系构建合理[24]。

3.2.3 指标权重的确定

（1）数据标准化。

在计算指标熵值前, 先对指标的原始数据进行标准化处理, 其原理如下:

当指标为正向指标(即指标值越大越好)时,

当指标为逆向指标(即指标值越小越好)时,

（2）计算各指标熵值。

(3)确定各评价指标权重。

3.2.4 基本指数的估算

4 基于社会经济—自然L-V模型区域生态安全判断依据

区域复合生态系统越稳定, 该区域的生态安全状况越理想。本文通过对社会经济—自然L-V模型的稳定性进行分析, 来判断区域生态安全状况。

综上所述, 得到区域生态安全的判断依据如表1所示。

5 实证研究

本文以陕西省西安市为例, 对其生态安全状况进行测度。数据来源于《西安统计年鉴》(2011年—2015年)、《陕西统计年鉴》(2011年—2015年)、《中国统计年鉴》(2011年—2015年)、《中国环境统计年鉴》(2011年—2015年)。

5.1 基本指数测算

5.1.1 指标体系建立及权重确定

(1)指标体系建立

本文在权威机构发布的经典、高频指标基础上, 梳理相关文献, 海选出60个指标; 依据有关原则进行初选, 选出20个指标; 根据R聚类和变异系数法原理, 用spss17.0对指标进行定量筛选, 得到15个指标(如表2所示)。

对上述构建的指标体系进行合理性判断:

即: 15/60*100%=25%(<30%)的指标反映了99.9%(>95%)的信息, 则该指标体系合理。

(2)指标权重的确定

根据熵权法的计算原理, 对上述指标进行权重确定, 得到各指标权重如表3所示。

5.1.2 基本指数测算

根据公式(3.8)和公式(3.9), 对各指标原始数据进行标准化处理, 结果如表4所示。

由公式(3.13)可得2010年到2014年, 环境容量指数、社会经济发展水平指数以及自然生态水平指数的结果如表5所示。

5.2 协同系数测算及结果分析

表1 区域生态安全判断依据

表2 指标体系

表3 指标权重

表4 各指标标准化结果

表5 2011年-2014年基本指数结果

表6 协同系数

上述对西安市生态安全的测度结果与西安市的实际情况相符合, 说明本文构建的区域生态安全测度模型具有实际应用价值。

6 结论

(1)通过构建社会经济—自然L-V共生模型, 耦合指标体系法和特征指数法, 既能得到具有明确生态安全含义的特征指数, 又能体现出各单项指标自身的生态意义, 便于决策者理解和运用。

(2)为区域生态安全的测度提供了一种科学化和定量化的方法。运用DPSIR概念模型, 分析该概念模型内部因素与区域生态安全的关系, 并结合聚类分析法和变异系数法原理, 建立区域生态安全指标体系, 用熵权法原理对其权重进行确定, 避免了人为干扰的影响。对社会经济—自然L-V共生模型的稳定性进行动态分析, 将区域生态安全状况分为健康区、亚健康区、风险区、高风险区以及危险区五个区域, 确定了区域生态安全与否的判断标准。

(3)对西安市的生态安全进行测度, 可得, 近年来西安市的生态安全状况并不理想。2010—2014年虽然对自然环境的保护意识加强, 但自然环境问题依旧制约着社会经济的发展。西安市为旅游城市, 其经济增长主要依靠第二产业和第三产业。由于环境问题的影响, 西安市第二产业发展相对缓慢, 应该调整产业结构, 推动产业创新。第三产业是西安市生产总值的主要来源, 该产业的发展带来了不少环境问题, 需要对第三产业中的各行各业加强监管, 不断完善相关规章管理制度, 促进第三产业规范化、有序化发展, 减少城市生活垃圾的产生。

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Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model

WU Yanxia1, JIANG Kun2, FENG Rui3 *

School of Economics and Management, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

The regional ecological security is closely related to the sustainable development of the region. In this paper, the principle of Lotka-Volterra symbiosis theory is applied to construct the social economy and natural L-V symbiosis model. We use DPSIR model to calculate the basic index and the synergy coefficient.In order to avoid human interference, we usecluster analysis method, variation coefficient method and entropy weight method to establish index system and assign weights to quantify the whole process of the measurement. At the same time, the dynamic analysis of stable equilibrium point and synergistic coefficient of the model is carried out to determine the basis for judging the ecological security of the region. The above model is used to measure the ecological security of Xi'an. The results demonstrate that the ecological security of Xi'anat present is not ideal,and the environmental problems produced by the natural environment subsystem restrict the development of the social and economic subsystems.The measurement is consistent with the reality of Xi'an, and the model has practical value in measuring the specific situation of ecological security in region.

Lotka-Volterra symbiosis model; regionalecological security; measurement

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.021

X24

A

1008-8873(2018)04-168-10

2017-03-23;

2017-06-05

陕西省展研究软科学研究项目: 榆林沙漠生态城市群建设研究(2014KRM92); 陕西省普通高校哲学社会科学特色学科建设项目: 社会经济系统管理与政策研究(10570702140); 陕西省教育厅科研重点项目: 陕西省科技型企业创新生态系统构建与运行机制研究(2018118)。

吴艳霞(1964—), 女, 硕士研究生导师, 研究方向区域经济与技术经济, E-mail.2214861742@qq.com.

冯蕊(1990—), 女, 硕士研究生, 研究方向区域经济, E-mail. fengrui1216@163.com.

吴艳霞, 姜锟, 冯蕊. 基于L-V共生模型的区域生态安全测度研究[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 168-177.

WU Yanxia, JIANG Kun, FENG Rui. Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 168-177.