基于物元模型的嘉峪关市生态安全评价

齐鹏, 王晓娇, 樊伟, 焦亚鹏, 王雅芝

基于物元模型的嘉峪关市生态安全评价

齐鹏1, 王晓娇2, *, 樊伟1, 焦亚鹏1, 王雅芝1

1. 甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070 2. 甘肃农业大学管理学院, 兰州 730070

生态安全评价对生态脆弱区和经济落后区发展绿色经济有重要意义, 亦可为城市生态文明建设提供科学参考。以嘉峪关市为例, 采用DPSIR模型和层次分析法构建嘉峪关市生态安全评价体系, 通过物元分析法对嘉峪关市2010—2018年的生态安全状况进行了综合评价。结果表明: (1)2010—2018年嘉峪关市生态安全等级逐步上升, 其生态安全等级从“不安全”上升到“较安全”。(2)人均水资源量、环境空气质量优良率、人均耕地面积、第一、二产业增长率、环境保护投资、森林覆盖率等指标是影响嘉峪关市生态安全水平进一步提升的制约因素。(3)嘉峪关市生态安全水平虽逐步好转, 但生态安全水平总体不高, 还需在巩固现有成果的基础上, 进一步加大生态文明建设的力度。该结论可为嘉峪关市发展绿色经济、建设生态文明提供理论依据。

生态安全; 物元模型; 层次分析法; DPSIR模型; 嘉峪关市

0 前言

生态安全是指一个国家或人类社会生存和发展所需的生态环境处于不受或少受资源和生态环境制约与威胁的状态, 即指生态系统的完整性和健康的整体水平[1–2]。“一带一路”发展战略的提出, 为我国西北地区城市的发展带来了新机遇, 面对西北地区生态安全问题的日益加剧, 绿色发展和生态环境保护成为“一带一路”建设的重要命题; 生态安全屏障构建是国家生态文明建设和生态环境保护不可或缺的战略举措, 西北地区作为我国主要的江河发源地, 是全国重要的生态安全屏障, 对保障国家生态安全具有重要作用。但随着现代工业化进程的不断推进, 如水土流失、草场退化、土壤沙漠化、湿地破坏、温室效应、臭氧层空洞等生态安全问题日益突出, 生态安全作为人与自然和谐统一发展的焦点, 是人类社会发展的重要基础和前提保障, 解决生态安全问题迫在眉睫[3-4]。

目前生态安全评价研究的关键环节是建立科学的评价标准与指标体系, 相关学者从省级尺度、地市级尺度以及生态敏感区等不同尺度对生态安全状况开展了大量研究[5-8]。李悦[9]等构建基于PSR模型的评价体系, 运用综合指数法对青岛市湿地生态安全进行评价; 张松男[10]等采用PSR模型建立评价指标体系, 基于物元模型对四平市的生态安全进行评价; 匡丽华[11]等运用改进的TOPSIS法对耕地系统进行安全评价, 并对影响耕地系统生态安全的障碍因子进行分析; 荣慧芳[12]等运用熵权物元模型对皖江城市带的土地生态安全及影响因子进行了分析。总体来看, 在评价方法方面大多运用综合指数法、TOPSIS法、物元模型等研究方法, 评价指标体系的构建大多以PSR(压力-状态-响应)、DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)等模型为主[13-15]。但由于研究区域和视角的不同, 以上研究仍存在一些不足, 如: 研究区域大多集中在东部, 对西北地区的研究较少; DPSIR模型是PSR和DSR模型的发展与补充, 但目前在生态安全评价领域的应用较少。物元模型能够有效处理指标间不相容的问题, 可以将复杂问题抽象为形象化模型, 并能以定量的数值表示生态安全水平, 可以更准确的反映事物的实际情况[16-18]。

“一带一路”发展战略的提出, 为丝绸之路沿线城市的发展带来了新的机遇。嘉峪关市自古以来就是丝绸之路的重要节点, 同时也是河西祁连山内陆河生态安全屏障区的重要组成部分, 嘉峪关市作为西北地区一座新兴的工业城市, 其特殊的自然状况决定了其生态环境较为脆弱和敏感, 目前对嘉峪关市的生态安全评价的研究较少。鉴于此, 本文在充分考虑DPSIR模型优势的基础上, 结合研究区域的实际情况构建了嘉峪关市生态安全评价指标体系, 运用物元分析法和层次分析法对嘉峪关市2010—2018年生态安全进行综合评价, 并对单项指标进行分析, 探究制约嘉峪关市生态安全水平提升的影响因素, 以期为嘉峪关市推动绿色发展提供相关建议, 并对丝绸之路其他城市的生态文明建设提供科学参考。

1 研究区概况

嘉峪关市(98°17′E, 39°47′N)位于甘肃省西北部, 河西走廊的中部, 城市的中西部多为戈壁, 是市区和工业区所在地, 东南、东北为绿洲农业区, 是古丝绸之路的交通要道。嘉峪关市是依托“酒泉钢铁公司”的建设而新兴的工业旅游城市, 是我国内地通往新疆、中亚的咽喉要道, 新亚欧大陆桥上的中转重镇。嘉峪关市境内地势平坦, 土地类型多样, 年均气温在6.7 ℃—7.7 ℃之间, 年日照时数3000.2 h, 全年无霜期130 d, 属典型的温带大陆性荒漠气候。讨赖河横穿嘉峪关市境内, 年均径流量6.58×107m3, 地下水年净储量7.32×107m3。森林覆盖率13.1%, 城市建成区绿化覆盖率为38.8%, 自然环境严酷、植物覆盖度低、生态环境脆弱。截止2018年末, 嘉峪关实现生产总值299.62亿元, 三次产业结构为1.3: 61.1: 37.6; 常住人口25.2万人, 其中城镇人口23.6万人, 城镇化率为93.65%。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究的数据主要来自于《甘肃统计年鉴》(2011—2018)、《嘉峪关市统计年鉴》(2011—2018)以及嘉峪关市国民经济和社会发展统计公报(2010—2018)等。因考虑到数据的可得性以及资料的局限性, 本文选择了17个指标进行分析, 其中部分指标可直接从统计年鉴中查到, 其余指标则根据已有数据计算得到。

2.2 研究方法

2.2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是作为衡量环境及可持续发展而开发出来的一种评价指标体系概念模型, 它能够反映出生态环境与人类活动的因果关系, 为生态安全评价与可持续发展研究提供一个基本框架[19-21]。本文基于DSPIR模型结合研究区域的具体情况构建嘉峪关市生态安全评价指标体系, 综合相关研究成果[22-26], 选取17项反映生态安全评价主要特征的因子作为具体评价指标。

2.2.2 层次分析法确定指标权重

层次分析法是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统, 进而将目标分解成多指标的若干层次, 并在此基础上将定性分析转化成定量计算。该方法把定性方法与定量方法结合起来, 利用较少的定量信息把多目标、多准则的复杂决策问题化为多层次单目标问题[27-28]。本文根据层次分析法确定嘉峪关市各评价指标权重, 结果见表1。

2.2.3 生态安全评价的物元模型

物元分析是由我国蔡文教授提出的一种数据分析方法, 可以将复杂问题抽象为形象化模型, 并以定量的数值表示评价结果, 从而能够较客观的反映事物质量的综合水平, 现已广泛应用在环境质量评价、农业资源评价、土地适宜性评价以及土地生态安全评价等方面[29-33]。利用物元模型进行评价嘉峪关市生态安全评价的具体步骤如下:

(1)确定嘉峪关市生态安全物元。将生态安全、特征向量和特征量值以有序三元组()作为描述生态安全水平的生态安全现状物元。则生态安全物元R表示为:

(2)确定经典域与节域物元矩阵。生态安全的经典域物元矩阵可表示为:

生态安全的节域物元矩阵可表示为:

表1 嘉峪关市生态安全评价指标权重

(4)关联函数及关联度的确定。根据可拓集合的关联函数, 各评估指标关于各类别等级的关联度为:

其中:

则待评对象第指标属于生态安全标准等级。

3 结果与分析

3.1 基于物元模型的嘉峪关市生态安全评价

3.1.1 嘉峪关市生态安全评价经典域、节域的确定

3.1.2 嘉峪关市生态安全待评物元的确定

3.2 嘉峪关市生态安全时间变化分析

3.2.1 嘉峪关市综合关联度及安全等级确定

将嘉峪关市2010—2018年待评物元的具体数据输入物元模型, 根据公式(1)—(10), 即可计算出嘉峪关市2010—2018年生态安全评价综合关联度(表2)以及各评价指标对应的关联度(表3)。由表2可以看出, 嘉峪关市2010—2018年的生态安全等级总体上从“不安全”到“较安全”逐渐转化, 呈现上升趋势, 表明嘉峪关市生态安全状况在逐步改善。9年间嘉峪关市综合关联度处于[-1,0], 表明期间嘉峪关市生态安全水平不符合相对应评价等级标准对象要求, 但具备转化为该等级标准对象的条件。

2010—2012年嘉峪关市安全等级由“不安全”上升到“较不安全”, 且-1＜K4(2011)＜K4(2012)＜0, 表明2012年嘉峪关市生态安全状况较2011年有所改善, 生态安全水平转化为相应等级标准对象的能力逐渐增强; 2013—2015年安全等级从“临界安全”提升到“较安全”, -1＜K3(2013)＜K3(2014)＜0, 说明嘉峪关市对生态环境的治理成效显著; 由2016—2018年综合关联度可以看出, K2(2018)＜K2(2017), 这一时期嘉峪关市生态安全水平虽处于“较安全”, 但生态安全水平向相应等级标准对象转化的能力逐渐有所减弱, 因此嘉峪关市生态安全水平仍有向低水平转化的可能。

3.2.2 综合关联度变化分析

如图1所示, 2010—2012年嘉峪关市生态安全等级虽有所上升但仍处于较低等级, 这与当时嘉峪关市的政策是息息相关的。“十二五”规划前期, 嘉峪关市全面贯彻省委“四抓三支撑”总体工作思路和区域发展战略, 以加快转变经济发展方式为主线, 以优化产业结构为重点, 着力推动经济社会跨越发展, 这一时期嘉峪关市第二产业所占比重上升, 第一、三产业所占比重下降, 呈现出“工业独大”的局面, 经济结构过于单一, 这一时期嘉峪关市的生态问题比较严重, 因此生态安全等级处于“不安全-较不安全”。

2013—2018年嘉峪关市生态安全等级处于“临界安全-较安全”水平, 可见嘉峪关市生态安全水平稳步提升。这是因为“十二五”后期, 嘉峪关市意识到了生态保护的重要性, 除了继续巩固工业的主体地位外, 嘉峪关市以落实环保目标责任制为抓手, 加强环境监管, 强化污染治理, 着力解决制约经济和环境协调发展的突出问题, 注重走绿色发展之路, 在发展经济的同时更重视生态文明建设, 环境质量保持良好。截止2018年, 嘉峪关市城市污水集中处理率96%, 城市生活垃圾无害化处理率100%, 三次产业结构比例为1.3: 61.1: 37.6, 嘉峪关市第一、三产业所占比重上升, 第二产业所占比重下降, 第二产业一直都是作为嘉峪关市经济增长的支柱产业, 但随着嘉峪关市产业结构的优化调整, 第三产业比重的上升, 其第二产业的经济增长速度逐渐减慢, 因此要在保持经济持续快速发展的同时降低单位GDP能耗、提高环境质量任重道远。

总体来看, 2010—2018年嘉峪关市生态安全等级逐渐向“较安全”水平提升（表2）。2010—2012年综合关联度由-0.332提升至-0.287, 安全等级由“不安全”上升到“较不安全”, 表明期间嘉峪关市生态安全等级具备转化为相应等级标准对象的条件, 且转化能力逐渐增强, 但由于生态文明建设刚起步, 这一时期嘉峪关市生态安全水平仍处于“不安全”; 2013—2018年综合关联度由-0.308降至-0.342, 安全等级由“临界安全”提升至“较安全”, 说明随着“一带一路”战略的实施以及生态文明建设力度的加大, 嘉峪关市生态安全状况逐渐好转, 但其生态安全等级转化为相应等级标准对象的能力有所下降, 表明嘉峪关市生态安全总体状况依然存在变差的风险。

表2 嘉峪关市综合关联度和评价级别

图1 嘉峪关市生态安全评价综合关联度及变化趋势

Figure 1 Comprehensive correlation and change trend of ecological safety evaluation in Jiayuguan City

3.2.3 嘉峪关市生态安全影响因子分析

制约嘉峪关市生态安全水平提升的因素主要有11个指标（表3）。人均水资源量由较安全下降到较不安全, 第一产业增长率、第二产业增长率由安全下降到不安全, 环境空气质量优良率由临界安全下降至较不安全, 这4个指标的生态安全水平不断恶化。人均耕地面积、人均林地面积均一直处于不安全等级, 森林覆盖率、环境保护投资一直处于较不安全等级, 这4个指标生态安全水平均一直处于不安全等级。水资源利用率、固定资产投资、第三产业增长率分别从较不安全等级上升为较安全、临界安全、安全等级。表明嘉峪关市还需提升环境保护意识, 积极推进大气污染防治工作, 此外加大在环境保护方面的投资, 提升该区域的生态安全水平。

嘉峪关市的人口自然增长率、城市化率、城镇居民恩格尔系数、农村居民恩格尔系数、人均GDP、污水处理率等指标均呈现不同程度的上升趋势, 并且出现跨等级好转趋势, 说明嘉峪关市的生态安全水平得益于这些指标的支撑作用。人口自然增长率虽一直处于较安全水平, 但嘉峪关市人口在2013年急剧增加, 人口增多同样带来了一些生态问题, 其人均耕地面积和人均林地面积处于不安全等级, 成为影响生态安全的制约因素; 城镇居民恩格尔系数、人均GDP上升到安全等级, 说明嘉峪关市居民的生活水平显著提高。污水处理率由较不安全上升到安全等级水平, 这是因为嘉峪关市制定了《嘉峪关市2013年主要污染物减排计划》, 通过强化结构减排、工程减排和管理减排, 严格控制污染物增量, 至2018年, 嘉峪关市城市污水集中处理率96%, 说明嘉峪关市的污染物减排计划取得了较好的成果, 使污水的处理率有所提升, 但是工业型城市的生态环境对“三废”的影响较为敏感, 因此嘉峪关市还需控制“三废”的排放, 提高生态安全水平。

总体来看, 2010—2012年嘉峪关市生态文明建设刚起步, 处于探索阶段且对环境保护投资较少, 并且嘉峪关市的生态环境非常脆弱, 社会活动对生态环境影响很大, 可以看到嘉峪关市2010—2012年的生态安全等级处于低水平。2013—2018年嘉峪关市加大了生态文明建设的力度, 这一时期嘉峪关市加强基础设施建设, 加大园林绿化力度, 不断优化产业结构, 坚持转型跨越发展战略, 嘉峪关市生态安全水平呈现良好的发展态势。随着“一带一路”和国家生态安全屏障战略的提出与实施, 河西走廊开展生态生态环境保护与综合治理工程, 并重点实施封山育林、湿地保护、沙漠化土地治理等生态工程, 生态环境得到有效改善, 嘉峪关市生态安全水平显著提升。

4 结论与建议

4.1 结论

本文基于DPSIR模型构建嘉峪关市生态安全评价体系, 运用层次分析法和物元模型对嘉峪关市2010—2018年生态安全状况进行评价分析。主要得到以下结论:

(1)嘉峪关市生态安全整体上呈现出“不安全”到“临界安全”的上升趋势, 2010—2012年生态安全水平较低, 2013—2018年生态安全水平良好且增速平稳, 并有向更好等级发展的趋势。“十二五”后期, 嘉峪关市开始重视生态保护, 其生态安全水平随着产业结构的优化和调整, 大力推进生态文明建设而表现出良好的发展趋势。

(2)制约嘉峪关市生态安全水平进一步提升的环境因素主要包括人均水资源量、环境空气质量优良率、人均耕地面积、人均林地面积、森林覆盖率; 制约嘉峪关市生态安全等级提升的经济因素主要包括第一产业增长率、第二产业增长率、环境保护投资。

表3 嘉峪关市生态安全评价指标等级关联度评价结果

(4)自2013年起, 嘉峪关市生态安全等级达到“临界安全”水平, 其生态安全水平虽有所好转, 但整体生态安全状况仍有待提高。

4.2 建议

基于以上研究结论, 对嘉峪关市存在的生态安全问题提出以下几点建议:

(1)加强生态环境建设, 加强污染防治工作。政府下一阶段工作的重点应合理配置水资源, 加强地下水管理与保护, 并加大对空气污染物排放的监管力度; 此外, 严格保护耕地和林地、合理调整土地利用结构, 加大城市绿化、提高森林覆盖率。

(2)调整优化产业结构, 增强生态文明建设的支撑力。今后要立足于嘉峪关的地域特点, 强化第一、二、三产业合理配置, 降低能耗, 提高资源利用率; 此外加大在环境保护方面的投资, 保障该区域的生态安全。

(3)扎实推进生态文明建设, 走绿色发展之路。嘉峪关市的生态文明建设还需进一步加大工作力度, 完善绿色产业体系, 促进生态与经济协调发展, 努力将嘉峪关市建设成为资源节约型、环境友好型城市。

(4)尝试将物元分析法运用到生态脆弱区的生态安全评价中, 通过对各评价指标量化处理, 比较全面、客观的反映了嘉峪关市生态安全状况。但评价指标的选择、经典域以及节域范围的界定等问题还有待进一步研究。

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Evaluation of ecological security in Jiayuguan City based on Matter Element Model

QI Peng1, WANG Xiaojiao2, *, FAN Wei1, JIAO Yapeng1, WANG Yazhi1

1. College of Resources and Environment Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Evaluation of ecological security is of great significance to developgreen economy in ecological fragile andbackward areas, which also can provide a scientific reference for theecological civilization. This research constructed ecological security evaluation system based on DPSIR model and analytic hierarchy process, and comprehensively evaluated the ecological security status from 2010 to 2018 through matter-element analysis method in Jiayuguan City. The results showed that: (1) The ecological security level of Jiayuguan City had gradually increased from 2010 to 2018, and its ecological security level had risen from “unsafe” to “safer”. (2) Per capita water resources, excellent rate of ambient air quality,per capita arable land area,growth rate of the primary and secondary industries, environmental protection investment, and forest coverage ratewere the key factors that affected ecological security in Jiayuguan City.(3) Although the ecological security level of Jiayuguan City was improved, the overall level of ecological security was relatively poor. Therefore, it is necessary to further strengthen the construction of ecological civilization on the basis of consolidating existing achievements. The results can provide a theoretical basis for Jiayuguan City to develop a green economy and ecological civilization construction.

ecological security; Matter Element Model; analytic hierarchy process; DPSIR model; Jiayuguan City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.032

齐鹏, 王晓娇, 樊伟, 等. 基于物元模型的嘉峪关市生态安全评价[J]. 生态科学, 2020, 39(4): 259–267.

QI Peng, WANG Xiaojiao, FAN Wei, et al. Evaluation of ecological security in Jiayuguan City based on Matter Element Model[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 259–267.

X826

A

1008-8873(2020)04-259-09

2019-08-14;

2019-12-11

省社科联和甘肃社会科学学术活动基金会项目(19ZZ12); 甘肃省社科项目规划(14YB053); 甘肃农业大学学科建设基金(GSAU-STS-1706)

齐鹏(1979—)，男, 甘肃武威人, 博士, 副教授, 主要从事生态学研究, E-mail:gsauqip@163.com

王晓娇, 女, 在读博士, 讲师, 主要从事土地生态学研究, E-mail: 42321946@qq.com