国内外生态安全评价研究进展

蔡懿苒

（安徽省林业科学研究院，合肥 230031）

生态安全是指由自然、经济和社会等组成的复合生态系统在受到外界的压力破坏或损害时，系统所具有的功能仍能满足人类发展需求、维持社会可持续发展的一种状态。生态安全评价方面的研究目前仍处于探索阶段，由于生态系统类型不同、研究目的不同及学科背景存在差异等原因，评价过程中选用的指标体系、评价方法也不尽相同。本文通过梳理和探讨国内外生态安全研究进展，初步了解和把握生态安全评价的研究情况，并提供全面的研究现状，以找出目前生态安全评价研究存在的问题与不足之处。

1 国外生态安全评价研究进展

1989年，国际应用系统分析研究所（IIASA）首次提出了“生态安全”的概念，揭开了生态安全研究的序幕。2000年，联合国召开了生态变化、稳定的社会秩序和文化会议，明确了生态安全是国家乃至国际安全的重要组成部分。这标志着生态安全在全世界范围内得到重视。生态安全评价（ESA）是生态安全研究的核心问题，国外的生态安全评价研究由生态系统健康评价（ESHA）和生态风险评价（ERA）发展而来，研究内容主要集中在生态系统健康评价和生态风险评价，专门针对ESA的研究较少。国外关于生态安全的研究深度主要在全球和国家层面，研究内容也集中在生态安全和国家安全与可持续发展等宏观问题的内在关系，对于特定区域或对象的研究较少。

1.1 生态系统健康评价研究

20世纪70年代，生态系统健康的概念被首次提出，随后相关的研究也逐渐发展起来，不同类型生态系统的健康评价、评级方法以及指标体系成为研究的重点。生态系统健康是指生态系统有无病患反应，是否稳定且可持续发展。即生态系统随着时间的进程或在外界胁迫下，是否能保持活力并且能维持其组织及自主性或恢复初始状态的能力。

1985年，Rapport等提出以生态系统危险症状作为生态系统非健康状态的指标[1]。1998年，Rapport等提出了包括生物多样性、土壤生态健康等13个因素的评价指标体系，同时改进了评价公式并计算了生态系统的健康度[2]。1999年，Whitford等以美国德克萨斯州西部森林生态系统为研究对象，指出抵抗力和恢复力可以作为生态系统健康评价的重要指标[3]。同年，Costanza等从生态系统可持续发展的角度出发，提出了包含系统活力、系统结构以及恢复力三大类指标的评价模型[4]；Aguilar构建了包括经济社会指标、化学物理性指标以及生态学指标三大类指标的评价指标体系[5]。2000年，美国国家环境保护局（EPA）联合有关单位对美国华盛顿的生态系统健康进行了综合评价，探讨了各种外部干扰对城市生态系统的影响[6]。2004年，Howard等指出让生态系统健康成为学校课程的重要组成部分，并提出生态系统健康进一步发展的模型，旨在为生态系统健康教育开发必要的技能，将生态系统健康扩展到学习的早期和后期阶段，提高生态系统健康意识，形成跨学科且持续的生态系统健康的主流计划[7]。2005年，Xu F.L.等使用生态系统健康指数方法（EHIM）评价湖泊生态系统健康水平，表明EHIM是一个可靠、结果直观的相对简单的方法，可以广泛地用于定量评估和生态系统健康状态比较[8]。2009年，Su M.R.等采用集对分析（SPA）评价了多个城市的生态系统健康水平[9]。2017年，Kaboré等通过群落分类学和功能组成探索生物评估潜力，以布基纳法索境内半干旱溪流为研究对象进行生态系统健康评估[10]。

由研究发展历程可见，生态系统健康方面的研究由最初的仅以单一因素——生态系统危险症状作为评价指标来评价生态系统健康与否，逐渐发展到以多个因素建立不同生态系统的评价指标体系，并逐渐探索出较为成熟的生态系统健康指数方法用以定量评价多种生态系统健康水平。目前生态系统健康的评价指标体系包括活力、恢复力、组织结构、维持生态系统服务、管理的选择、减少投入、对相邻系统的危害和人类健康影响8个方面，生态系统健康评价方法EHIM得到广泛应用，集中于对生态系统的活力、组织结构和恢复力的研究，分别以测量、网络分析和模拟模型进行量化，研究指标和方法应用于自然系统、社会经济和人类健康等方面，进行生态系统健康评价。

1.2 生态风险评价研究

20世纪80年代末期，随着环境管理和目标的改变，生态风险评价因能为环境风险管理提供技术支持和合理依据而成为研究的热点。生态风险评价是指调查生态系统及其组分的风险源，预测风险出现的概率及其可能出现的负面效果，并据此提出相应的舒缓措施。

1988年，美国国家环境保护局（EPA）在“生态风险评价方法概述”中详细综述了当时较为成熟的评价方法，随后于1992年提出了“生态风险评价大纲”，首次对风险暴露值、暴露——响应关系等概念进行了系统论述的同时提出了相应的研究方法，成为今后生态风险评价的基础[11]。随后美国国立研究院（NRC）、水环境研究基金会（WERF）等著名的环保机构也相继提出了不同的评价指标体系。

1999年，Steven等采用综合水生系统模型（CASM）选用恢复力、组织结构、管理水平和人类健康等参数，在加拿大温哥华针对重金属对河流、湖泊和水库造成的生态风险进行了综合评价[12]。2001年，Bertollo针对意大利加尔达湖流域的生态问题，通过风险识别确定评价标准及等级，构建了水生态系统、湿地生态系统、森林生态系统等不同系统的生态风险评价指标体系[13]。2002年，Villa等在梳理了有关生态风险评价概念、理论和方法研究成果的基础上，借助南太平洋应用地学委员会（SOPAC）的生态风险评价计划，建立了包含52个要素的评价指标体系，该体系可用于国家及地区间的对比研究[14]。2007年，Pollino等将贝叶斯网络（BN）应用到流域的生态风险评估中，验证了其适用性[15]。2018年，Nicholas等提出卫星遥感适合监测生态系统变化状况，可以提供长期数据集，并提出应在概念性生态系统模型的帮助下使用卫星遥感[16]。

在生态风险评价研究的发展历程中，生态风险评价融合了多个方面的参数，同时形成了不同类型生态系统的生态风险评价指标体系，生态风险评价指标的获取方式及监测技术也在不断更新。

1.3 生态安全评价研究

生态安全评价是在一定时间范围内，根据自然生态因子与社会、经济因子的相互作用关系，按照一定的标准，对生态环境影响因子及生态系统整体进行的安全状况评估。

1990年，国际经济合作与发展组织（OECD）在生态环境指标研究项目中，创造性地提出了“压力—状态—响应”（PSR）框架模型，该模型被广泛应用于生态安全评价研究[17]。1992年，联合国可持续发展委员会（UNCSD）又提出了“驱动力—状态—响应”（DSR）概念模型，更加重视驱动力（Driving force）的作用。随后，欧洲环境局（EEA）在PSR模型的基础上添加了驱动力和影响两大类指标构成了“驱动力—压力—状态—影响—响应”（DPSIR）框架模型。2001年，Quigley等从生态安全的角度建立了区域尺度上的安全评价指标体系对哥伦比亚河流域的生态安全性进行评估[18]。2007年，Huang Q等基于生态足迹的理论和方法，构建了生态足迹压力指数（EFPI）以及区域生态安全的等级制度的概念和模型，以分析区域生态安全，并针对性的提出了维护区域生态安全的建议和措施[19]。2013年，Susan等通过澳大利亚河流生物评估系统（AUSRIVAS）的研究案例，对水生生物进行监测，建立了生物评估和生态安全评价之间的联系[20]。

由生态安全评价模型的研究历程可见，大部分生态安全评价指标体系的构建都是基于PSR模型，这也是目前研究过程中普适性最高且应用最为广泛的研究模型。但不可否认，衍生的DPSIR模型更加全面，目前DPSIR模型在实际应用中虽不及PSR模型应用范围广，但在区域生态安全评价等方面崭露头角，由该模型构建的不同生态系统的生态安全评价指标体系也需要深入研究。

2 国内生态安全评价研究进展

国内生态安全评价的研究以2000年为分水岭，之前的研究主要是围绕生态环境评价展开的。进入21世纪，随着中科院“国家生态安全的监测、评价与预警系统”重大研究项目的实施，我国生态安全评价研究取得了快速发展，研究成果主要表现在生态安全评价指标体系和评价方法两个方面。

2.1 生态安全评价指标体系研究

目前，我国生态安全评价已呈现出以空间尺度为主，对象属性为辅，城市区域为核心，湖泊、流域等全面展开的研究格局。应当指出，目前国家层次的研究起步较晚，已发表的文献相对较少。

国家生态安全评价指标体系方面。2001年，王韩民等认为生态安全是国家安全的重要组成部分，采用PSR模型对我国的生态安全进行了比较分析并提出了对策措施，这是国内首次提出国家生态安全的概念[21]。2010年，任中起以生态安全是由指标模块和地区模块相耦合的思想为指导，在组合了国家生态安全评价指标体系的基础上，计算出了国家和地区生态安全总指数[22]。在探索和研究国家生态安全评价研究的过程中，逐渐形成了囊括生态社会指标、生态经济指标和生态环境指标三个元素的国家生态安全评价指标体系。

区域生态安全评价指标体系方面。2003年，左伟等利用PSR模型分目标层、准则层和指标层三个层次提出了包括27个指标的区域生态系统安全评价指标，为区域生态安全评价和管理提供了有力的技术支持[23]。2008年，邱微、熊鹰等对黑龙江省和湖南省的生态安全评价指标开展了研究[24-25]。在区域生态安全评价指标体系构建过程中，需要结合区域环境特点及社会、经济发展状况，涵盖自然生态环境、生态灾害、环境污染、经济社会条件四个内容。

城市生态安全评价指标体系方面。2009年，朱丽华等基于PSR模型从发展压力、环境状况和社会响应三个方面构建了城市生态安全评价指标体系，并对深圳市2002～2006年的生态安全进行了研究[26]。2017年，伍阳等根据“自然—经济—社会”三个子系统将34个城市生态安全评价指标划分为9个二级指标，建立城市生态安全评价指标体系，并分析了京津沪渝4个直辖市及其各子系统的生态安全等级[27]。在城市生态安全评价指标体系构建过程中，主要以压力、驱动力、状态、响应为基础，涵盖自然、经济和社会三个系统。自然系统方面包括组织结构和恢复能力两部分；经济系统除了组织结构和恢复能力，还包括了发展能力；社会系统除了经济系统囊括的三个部分，增加了人群健康方面的内容。

湖泊和流域生态安全评价指标体系方面。2012年，李玉照以金沙江流域为研究对象，基于改进的DPSIR模型提出包含5类指标的流域生态安全指标体系，涵盖了包括人均GDP、污染物排放量、土壤侵蚀模数、林草覆盖率等在内的59个指标，较为全面地反映了流域的生态安全现状[28]。2016年，彭斌等以桂江流域水生态为例进行评价，初步建立了包含水生生物、水文情形、水质状况及河流形态结构等四大评价要素的广西河流水生态安全评价指标体系[29]。在湖泊和流域生态安全评价指标体系构建过程中，湖泊方面从湖泊富营养化（植物生长和湖泊状态）、湖泊萎缩（流域人文及水文参数）及水污染（重金属、有机物、废水排放压力）三方面进行构建。河流方面指标体系主要包含河流水文状况、水质状况、河流形态结构三大要素，其中河流水文状况评价指标采用全年流量偏离率、汛期和非汛期的生态流量保证度进行评价；河流水质状况评价指标采用全年水功能区水质达标率或水质综合污染指数进行评价；河流形态结构评价指标采用河道蜿蜒度、河道渠化度、河流廊道连通性、防洪安全指数和河岸带状况进行评价。

近几年国内关于生态安全评价指标体系的研究层出不穷，评价因子也从单一的生态因子评价发展为多因子综合评价，指标体系大多基于PSR、AHP以及生态足迹模型进行构建，基于DPSIR模型的研究相对较少，到目前为止国内尚未建立权威的有关生态安全的指标体系。在实际应用中，应根据研究对象的特点，综合考虑各指标体系的适用范围和优缺点，构建科学合理的评价指标体系。

2.2 生态安全评价方法研究

随着科学技术的进步，生态安全评价方法也在借鉴数学、生态学、计算机学等相关学科研究成果的基础上，取得了快速发展。

基于数学模型的评价方法，因其模型发展相对成熟，被首先引入到生态安全评价。2010年，黄辉玲等运用物元分析方法构建土地生态安全评价的综合评判模型，并以河北省为例进行了实证研究，表明物元模型能够揭示单个评价指标的分异信息，适用于土地生态安全评价[30]。2011年，郑雯等运用突变模型计算各个指标的生态安全隶属度具体值，可对各个层次上的不同指标进行定量对比[31]。2012年，孙奇奇等利用主成分分析法对哈尔滨市的生态安全评价进行了研究[32]。不少学者在综合分析上述各单一数学模型优缺点的基础上对各方法进行优化复合，建立了各种复杂的综合评价模型。2011年，刘永强选用综合指数法、生态足迹法、物元分析法，从多角度、选用多方法对无锡市土地生态安全进行评价[33]。2018年，王鹏等综合运用熵权法、PSR模型、综合指数法、地理探测器和GM(1，1)预测模型等方法对区域土地生态安全、安全等级以及影响土地生态安全的主要因子进行评价研究，并对宁夏自治区青铜峡市未来9年的土地生态安全状况进行预测[34]。

随着生态学研究的发展，生态足迹模型被逐渐应用到生态安全评价研究中，并显示出其独特的优越性。2013年，黄海等利用生态足迹法进行土地生态安全评价研究，提出了土地生态压力指数的概念，通过实例研究表明该方法是科学合理的[35]。2016年，杨青等采用能值—生态足迹模型，对辽宁省2003—2012年生态安全状况进行时间序列的定量分析与评价，并采用灰色动力学模型预测其动态变化趋势[36]，该模型克服了传统生态足迹模型存在的部分缺陷，计算结果能够更真实地反映研究区域的生态安全状况。2017年，许典舟等利用生态足迹理论从时间和空间维度对安徽省土地生态安全状况开展了生态安全评价研究[37]。

此外，景观生态学法因其可以将生态安全评价、预测和预警有机结合构成完整的评价体系而逐渐成为生态安全评价的有力手段。2012年，郝彩莲等在承德市武烈河流域景观格局分析的基础上，采用破碎度、分离度、优势度等景观格局指数和景观类型脆弱度为评价指标研究流域景观生态安全[38]。2017年，李健飞从景观生态学角度出发，并借助于遥感、地理信息技术和全球定位等技术，对珠海市四期遥感影像进行解译，计算景观格局指数进而进行生态安全状态评估[39]。

随着计算机技术和空间科学技术的飞速发展，生态安全评价与其相结合衍生出了多种评价模型。2005年，贾艳红将格网GIS技术引入生态安全评价领域进行了格网GIS理论研究的探索，并以内蒙古草原为例进行实证研究，表明该方法是可行的[40]。2008年，曲衍波等综合利用DEM、TM以及各种调查数据，采用GIS栅格对山区的生态安全进行了综合评价，评价结果直观准确且具有较强的可比性[41]。2017年，欧定华等以成都市龙泉驿区为研究区，在GIS空间分析方法中嵌入综合评价指数模型，评价研究区生态安全空间状况，在此基础上集成RBF神经网络和克里格插值法，提出一种生态安全空间变化预测方法,对2015～2028年研究区生态安全空间变化进行预测[42]。

3 结论与展望

由于不同生态系统之间的差异性，生态安全评价研究目前存在的主要问题是无法建立通用的评价指标体系，不同生态系统的生态安全评价工作可能由于选用的模型、选取的指标、选择的方法不同而造成评价结果存在差异。

表1 生态安全评价研究方法一览表

在选用模型方面，每个准则层都代表了不同的阶段和过程，包含不同的要素指标，准则层的选择一定程度上影响生态安全总体水平，即总目标层的最终结果。在选用模型阶段，不仅需要考虑评价模型的科学性，也要考虑其可操作性。

在构建生态安全评价指标体系方面，可从广义生态安全的角度进行探索，采用普适的模型并探索更加全面的模型，利用文献研究、频度统计以及专家咨询等多种方法，构建适合评价对象的生态安全评价指标体系，包括指标体系模型的选择、指标的筛选以及评价等级的确定。从已有的文献研究和国际权威机构的界定指标中筛选出具有科学性、综合性、代表性、可比性以及可操作性的生态安全评价指标体系，以实现指标体系的定量化；在指标权重的确定方面可采用集中方法组合赋权的方式，以克服主客观赋权法各自存在的缺点，既可充分考虑专家的知识和经验，消除信息熵的负面影响，又可减少赋权中的主观随意性影响，使评价结果更加客观。

生态安全评价方法的研究已涉及到数学、生态学、计算机学以及GIS等多学科领域，研究思路较为清晰，研究成果层出不穷，但在具体的应用中存在许多不足，有些方法仍处于探索阶段。因此，在今后的研究及应用中，应依据取长补短的原则并结合研究对象的特征有针对性地选用评价方法，如何合理地应用抽象的模型去评价复杂且多样的生态系统已成为近年来生态安全评价研究的热点。