基于DPSIR模型的广州市生态承载力安全预警评价体系构建

李明杰 张 捷 朱玉林 杨 灿

（1.广州华商学院,广东 广州 511300；2.中南林业科技大学,湖南 长沙 410004；3.华商经济社会研究院,广东 广州 511300）

1 研究背景

中国共产党第十八次全国代表大会提出了经济建设、政治建设、文化建设、社会建设、生态文明建设“五位一体”的总体战略布局，明确了生态文明建设在当代的重要性；2017年9月中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》；在中国共产党第十九次全国代表大会上，习近平总书记再次强调要“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”。

随着城市化和工业化进程的加快推进，广州作为超大型城市不可避免地出现了人口增长过快、环境污染、生态破坏、资源枯竭、交通拥堵等一系列社会环境问题，城市生态承载力面临重大考验，广州未来发展的关键问题已是资源约束和环境压力。因此，本文选取广州为研究对象开展生态承载力安全预警评价研究，基于“驱动力—压力—状态—影响—响应”模型（DPSIR模型），尝试构建一个集实时监测、数据搜集、定量评估、动态预测、分级预警、适时发布、综合调控于一体的广州市生态承载力评价、预警与调控理论系统，不仅为广州市生态管理政策制定提供依据，而且对其他城市也有一定参考及推广价值。

1.1 国外研究进展

国外学者关于“生态承载力”的研究始于20世纪20年代，1972年《联合国人类环境宣言》发表后，这一方面的研究开始进入活跃期，取得了丰硕的成果。这一阶段的研究主要围绕以下几个方面来展开。

1.1.1 生态承载力概念的界定

承载力，原为物理力学中的一个概念，学者Park和Burges（1921）最早从种群数量角度出发，首次将这一概念引入生态学领域。在此基础上，Holing（1973）提出了较为规范的“生态承载力”概念，他认为“生态承载力是生态系统抵抗外部干扰，维持原有生态结构和生态功能以及相对稳定性的能力”。随着经济社会的不断发展，人口、环境和资源等问题日益突出，基于不同需求和侧重点的承载力研究应运而生，如人口承载力、资源承载力和环境承载力等概念相继产生[1-5]。

1.1.2 生态承载力评价方法的完善

随着生态承载力理论的逐渐成熟，生态承载力评价方法也越来越多。这些方法以定量研究和静态研究为主，所使用的评价方法和模型主要包括自然植被NPP法、能值分析模型、生态足迹理论等[6-8]。

此外，国外学者还采用种群数量Logistic法、资源供需平衡法及状态空间法等方法对生态承载力进行了建设性研究[9-11]。然而，在生态承载力安全预警评价与调控方面，尽管西方国家的预警理论有较为完善的概念体系和系统的操作方法，但整体上安全预警评价及调控在生态承载力研究中的应用仍很少有专门报道。

1.1.3 生态承载力评价研究空间尺度的扩展

从国外研究来看，生态承载力评价研究空间尺度的扩展呈现出从小尺度、小空间转变到大尺度、大空间的状态。小尺度、小空间评价主要适用于群落、景观、流域和市（县）等微观生态系统，有助于深入细致地探讨系统生态承载力的影响机理；而大尺度、大空间评价研究则主要用于国家、区域生态承载力评价，决策者可从宏观和整体上把握生态承载力状况，并制定出明确的宏观管理策略。但总体来看，国外关于生态承载力评价的研究主要是基于自然生态系统来开展，基于城市这一尺度所开展的研究并不多。

1.2 国内研究进展

国内关于生态承载力的研究始于20世纪90年代，研究以跟随式为主，但在二十多年的时间内取得了可喜的进展。

1.2.1 生态承载力概念的进一步界定

随着20世纪80年代可持续发展理论的提出，生态承载力研究开始与可持续发展、生态文明建设结合起来。这为生态承载力研究提出了新的视角，促使国内学者对承载力的内涵和要素做出更全面的思考，从“自然—经济—社会—人”层面探讨资源、环境承载力同人口、经济发展相协调的问题。因此，虽然目前对城市生态承载力并没有一个统一的定义，但人们普遍认为城市生态承载力应是在特定时期，在城市这一特定区域内，生态系统的自我维持、自我调节、自我发展的能力，以及资源与环境子系统所能承载的人口数量，维持生态、经济、社会可持续发展的能力[12-14]。

1.2.2 城市生态承载力评价方法的完善

关于城市生态承载力评价方法，国内学者主要是运用数学模型进行定量评价的方式对城市生态承载力进行研究。具体来讲，除了借鉴上述能值分析模型[15-16]、生态足迹理论[17-19]、状态空间法[20]等对城市生态承载力进行评价外，“胡焕庸线”理论[21-22]、综合指数法[23]、层次分析法[24]、模糊综合法[25-26]、灰色加权关联度法[27-29]等均有运用。

1.2.3 城市生态承载力评价指标体系的发展

定量评价方法一般是在构建评价指标体系的基础之上开展的，国内关于这一方面的研究经历了从单指标到多指标、从简单到复杂、从部分到综合的发展演变历程。在当前研究中，国内学者构建的指标体系大致包括以下三类：一是基于“自然—社会—经济”人工复合生态系统理论从自然、社会、经济三方面构建指标体系[30]；二是基于联合国环境规划署等部门提出的理论从压力、状态和响应三方面构建指标体系[31]；三是基于联合国可持续发展委员会提出的驱动力、状态和响应三方面构建指标体系[32]。

1.3 国内外研究中的不足

综观国内外城市生态承载力的相关研究，取得了不少成果，其研究方法和结论等对本文的研究具有重要参考和启发。但仍然存在一些不足：一是有关生态承载力现状评价的成果较多，但基于演变趋势的预测预警及调控的研究则不多；二是城市生态承载力评价及预警的指标和方法有待完善；三是城市生态承载力预警与调控研究的理论体系尚待构建；四是尚未形成全面、系统、深入的城市生态承载力安全预警与调控研究成果。

2 研究对象和研究模型

2.1 研究对象

广州，简称“穗”，别称羊城、花城，是广东省省会，广东省政治、经济、科技、教育和文化中心，国家中心城市、超大城市，国务院批复确定的中国重要的中心城市、国际商贸中心和综合交通枢纽。广州地处中国南部，位于珠江三角洲北缘，濒临南海，是国家综合性门户城市，首批沿海开放城市，是中国通往世界的南大门，粤港澳大湾区、泛珠江三角洲经济区的中心城市以及“一带一路”的枢纽城市。

截至2017年年末，广州区域面积为7 434.4平方公里，地区生产总值（GDP）达21 503.15亿元，常住人口1 449.84万人，常住人口城镇化率86.14%，城镇居民人均可支配收入55 400元。近些年来，广州认真学习贯彻习近平总书记视察广东重要讲话精神，按照深化改革开放、推动高质量发展的要求，深入推进供给侧结构性改革，加快产业转型升级，大力发展新经济，培育新动能。在环境保护方面，坚持以“改善环境质量、保障环境安全”为核心，大力推进中央环保督察问题整改，推动大气、水、土壤环境质量持续向好。2017年全年，广州环境空气质量优良天数有294天，达标天数比例为80.5%；PM2.5年均浓度为35μg/m3，在国家中心城市中率先达到国家二级标准；二氧化硫平均浓度为12μg/m3，同比持平；二氧化氮平均浓度为52μg/m3，同比上升13%；城市集中式饮用水水源地水质达标率稳定保持在100%。

2.2 研究模型

DPSIR模型是在经济合作和发展组织（OECD）与联合国环境规划署（UNWP）提出的PSR模型的基础上发展演化而来，由欧洲环境署（EEA）在1993年首次提出。在生态环境系统中广泛使用的评价指标体系概念模型包括驱动力（Driving Force）、压力（Pressure）、状态（State）、影响（Impact）、响应（Response）五大方面。

该模型中，“驱动力”是引起生态系统资源与环境变化的内在原因，主要是指社会经济活动中的内在动力与发展趋势；“压力”是人类生产、生活与需求获取对周边资源、环境的影响，是引起资源环境变化的直接原因；“状态”是区域资源与环境在上述“驱动力”和“压力”之下所呈现出的各种状况，是上述两大因素共同作用与影响的结果；“影响”是系统所处的各种状态对区域资源、环境、经济、社会及人类健康的反馈结果与影响程度；“响应”是指人类为促进区域社会经济可持续发展所采取的积极调控措施[33-34]。

DPSIR模型是用于衡量与评价城市生态承载力的重要模型，该模型从系统论角度分析人与生态系统的相互作用，是判断生态系统状态和生态问题因果关系的有效工具，是综合分析和描述生态问题及其与经济社会发展关系的常用模型，具有综合性、整体性、系统性、灵活性等优点[35]。

基于DPSIR模型，借鉴《广东省生态文明建设考核目标体系》和《广东省绿色发展指标体系》，遵循指标体系构建的基本原则——全面性、代表性、层次性、科学性、可比性和可操作性原则，在参考前人研究成果的基础上，本文构建了广州市生态承载力安全预警评价指标体系，如表1所示。

表1 广州市生态承载力安全预警评价指标体系

3 研究过程

3.1 数据来源

本文收集了2008—2017年10年间广州市生承载力安全预警评价上述各指标的原始数据，数据主要来源于2009—2018年发布的《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《广东统计年鉴》《广州统计年鉴》《广州市国民经济和社会发展统计公报》《广州市环境统计公报》《广州市水资源公报》等。

3.2 指标安全标准值的确定

指标安全标准值的确定是生态承载力安全预警评价、警度分析的前提和基础。参考国内外相关专家、学者的相关研究成果，本文在确定上述各指标安全标准值时主要采取了如下方法。

（1）国际、国内标准值法。对国际、国内或相关行业已经制定或颁布具体标准的指标，按相关标准确定指标的安全标准值。如常住人口密度、人口自然增长率、万元GDP能耗、万元GDP电耗、万元GDP水耗、单位面积工业废气排放量、单位面积工业烟粉尘排放量、单位面积一般工业固体废物产生量等指标的安全标准值参考相关的国际标准和国内的《国家生态文明建设试点示范区指标（试行）》《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》及《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）来确定。

（2）相对值法。这类指标的安全标准值要根据广州市经济发展水平、区域生态文明建设发展目标、人民对美好生活的向往等加以确定。如人均地区生产总值、地区生产总值增长率、森林覆盖率、城镇居民人均可支配收入、科学技术支出占财政支出的比重、教育支出占财政支出的比重等指标的安全标准值就是按照这一方法确定的。

（3）借鉴值法。这类没有具体标准可参考的指标，一方面可以通过借鉴有关研究已经判定的城市生态承载力预警评价安全标准值来确定；另一方面也可以通过咨询有关城市经济学、环境经济学领域的专家学者来综合确定。如对外贸易系数、城市人均水资源量、城市人均建设用地面积、城市人均道路面积、每万人拥有公共汽车数、每万人口在校大学生数等指标的安全标准值主要通过这种方法来确定。

依据以上三种方法所确定的广州市生态承载力安全预警评价指标安全标准值如表2所示。

表2 广州市生态承载力安全预警评价指标安全标准值

3.3 原始数据的归一化处理

原始数据收集到以后，一方面由于各指标的量纲不同，另一方面各指标的指标性质也不同（既有正指标又有逆指标），这样的指标是不具有可比性的，如果直接进行计算和评价分析，结果就会出现较大的偏差。因此，这些原始数据是不能直接进行计算汇总、评价分析的。所以，在对广州市生态承载力安全预警评价之前，首要对这些原始数据进行归一化处理，使得各指标数据趋于合理，从而保证安全预警评价的顺利进行，使得评价结果更加直观和准确。

因此，对原始数据的归一化处理就包括对原始数据的无量纲化处理和逆指标的正向化处理，从而消除原始数据在量纲和指标性质上的差别。本文对原始数据进行归一化处理过程所采用的方法如下：

在上述两个公式中，xij（i=1,2,3,…,10;j=1,2,3,…,40）是第i年第j个评价指标的原始数据；xij′则是第i年第j个指标进行归一化处理后的值；Sj则是在表2中所确定的第j个评价指标的安全标准值。经过上述处理方法，所有指标的数值都可以全部转化为[0，100]范围内的数值。

3.4 安全预警评价综合指数的计算

计算城市生态承载力安全预警评价综合指数的方法有很多，具体包括层次分析法、模糊综合评判法、因子分析法、灰色加权关联度法等，而本文在计算广州市生态承载力安全预警评价综合指数时采用的方法为熵权法。

在信息论中，信息是对所在系统有序程度的一种度量，熵则是对系统无序程度的一种度量。二者绝对值相等，方向相反。如果某一指标的信息熵越小，则该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起的作用理应越大，权重就应该越高。熵权法是一种客观赋权方法。在具体使用过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得出较为客观的指标权重。运用熵权法计算广州市生态承载力安全预警评价综合指数过程如下。

（1）计算第i个年份第j项指标值的比重pij，pij的计算公式为

（2）计算信息熵Ej的值，Ej的计算公式为：

（3）计算信息熵冗余度Dj的值，Dj的计算公式为：

（4）计算各指标的权重Wj的值，Wj的计算公式为：

由上述过程计算出的各指标的权重如表3所示。

表3 广州市生态承载力安全预警评价指标权重

（5）计算第i个年份第j项指标的得分sij，sij的计算公式为：

（6）计算各年份综合指数得分Si，Si的计算公式为：

由上述计算过程得到的2008—2017年广州市生态承载力安全预警评价综合指数得分以及五个子系统指数得分情况如表4和图1所示。

图1 广州市生态承载力安全预警子系统指数得分（2008—2017年）

表4 广州市生态承载力安全预警评价综合指数得分（2008—2017年）

3.5 广州市生态承载力安全预警警度的判定

根据人类活动对资源、环境的影响程度，人与生态系统的协调关系以及城市生态系统所受到的破坏程度，参考国内外相关专家学者的已有成果，本文在判定广州市生态承载力安全预警警度时以表5为依据。

表5 广州市生态承载力安全预警警度判定标准

4 广州市生态承载力安全状况分析

4.1 综合指数分析

从表4和图2可以看出，2008—2017年广州市生态承载力安全预警综合指数得分呈现出不断上升的趋势（除2010年有一定波动，但是波动不大），得分由2008年的47.28上升到了2017年的82.23，上升幅度较大（需要特别指出的是2016年数值上升最大，由前一年份的66.54上升到了78.63），总体幅度为73.92%。

图2 广州市生态承载力安全预警综合指数得分（2008—2017年）

而与之对应，在统计期间内，安全预警警度为“高警”的年份有两个，即2008年和2010年，2009年、2011年、2012年、2013年、2014年和2015年六个年份的警度为“中警”，2016年、2017年两个年份的警度为“轻警”，总体来看安全预警警度由“高警”转变为“轻警”，总体趋势向好。

4.2 驱动力指数分析

从图1和图3来看，2008—2017年广州市生态承载力安全预警驱动力指数得分大多数年份波动较大，总体呈现下降的趋势，但下降幅度并不是很大。该得分由2008年的16.37下降到2017年的13.83，下降幅度为15.55%。

图3 广州市生态承载力安全预警驱动力指数得分（2008—2017年）

驱动力指数得分之所以呈现出下降趋势，是因为随着广州社会经济的不断发展，广州市常住人口数量不断增长，常住人口密度由2008年的1 370人/平方公里增长到2017年的1 950人/平方公里，与之相伴随的还有人口自然增长率和城市率的提高。这些因素都在一定程度上会使得广州市生态承载力下降。

而之所以在2010年出现最低点，除了上述因素外，还因为广州市经济一直保持高速增长，在统计期间内，地区生产总值增长率在2010年达到了最高，为17.52%，城市经济的高速发展需要消耗大量的自然资源，过快的经济增长会降低城市的可持续发展能力。

4.3 压力指数分析

从图1和图4来看，2008—2017年广州市生态承载力安全预警压力指数得分呈现出明显上升的趋势，并且上升幅度较大，该得分数值由2008年的最低点13.06上升到2017年的33.73（统计期间内的次高点），2017年的得分数值是2008年的近2.58倍，压力指数得分增长幅度在五个子系统中是最大的。

图4 广州市生态承载力安全预警压力指数得分（2008—2017年）

压力指数得分增长幅度之所以如此之大，是因为近些年来随着生态文明建设目标考核体系不断完善，全民生态意识不断加强，人们在生产、生活中越来越注意自身活动对资源和环境的影响，节约资源、保护环境成为一种行为习惯，无论是万元GDP能耗、万元GDP电耗、万元GDP水耗、居民生活人均用水量，还是单位面积工业废水排放量、单位面积工业废气排放量、单位面积二氧化硫排放量、单位面积工业烟粉尘排放量、单位面积一般工业固体废物产生量等压力指标，无一不是在显著下降，人类活动对城市生态系统的负面影响越来越小。

4.4 状态指数分析

从图1和图5来看，2008—2017年广州市生态承载力安全预警状态指数得分同样呈现出上升趋势，该得分数值由2008年的5.52上升到2017年的6.65。在统计期限内，总体来看该指数得分在五个子系统得分中是最低的（有9个年份），在统计的10年间该指数得分的增长幅度也不大。

图5 广州市生态承载力安全预警状态指数得分（2008—2017年）

这是因为该指数得分反映的是城市生态系统在上述“驱动力”和“压力”之下所呈现出的各种状况，是上述两大因素共同作用与影响的结果。这表明长期以来广州市经济社会的高速发展以及人类生产、生活活动的大量开展，对生态系统已经造成了一定程度的破坏，而城市生态系统是最脆弱、稳定性最容易被破坏的，一经破坏，在短时间内很难得到恢复。对于具体指标来讲，比如城市人均水资源量、城市人均建设用地面积、城市人均道路面积、建成区绿化率、森林覆盖率等，虽然政府和广大市民在节能减排、节约土地、污染治理和植树造林等方面做了很大努力，但对这些指标的改善却并不大。特别是城市人均水资源量这一指标，不但没有得到改善，反而在恶化，该指标由2008年的912立方米/人下降到了2017年的530立方米/人，下降幅度高达382立方米/人，与之相似的还有城市人均建设用地面积等指标也在下降。

4.5 影响指数分析

从图1和图6来看，2008—2017年广州市生态承载力安全预警影响指数得分同样呈现出上升的趋势，该得分数值由2008年的6.37上升到2017年的17.19。总体来看虽然在2008—2012年间该指数得分分值较低，但2013年、2017年该指数得分对综合指数得分的贡献仅次于压力指数得分。并且在统计期间内，该指数得分的增长幅度是较大的，增长了169.86%，年均增长近17%。

图6 广州市生态承载力安全预警影响指数得分（2008—2017年）

这说明近些年来广州市生态环境治理对经济、社会都产生了正向影响，取得了显著成效。从单项指标来看，市区二氧化硫年日平均值由2008年的0.046 mg/m3下降到2017年的0.012 mg/m3；市区可吸入颗粒平均浓度由2008年的0.071毫克/立方米下降到2017年的0.052 mg/m3；特别是酸雨频率由2008年的77.8%下降到2017年的12.70%。

4.6 响应指数分析

从图1和图7来看，2008—2017年广州市生态承载力安全预警响应指数得分同样呈上升趋势，该得分数值由2008年的5.96上升到2017年的10.83。总体来看该指数得分在五个子系统得分中是较低的，大部分年份（9个）该指数得分仅略高于状态指数得分，甚至在2011年，该指数得分仅为4.67，是最低的。

图7 广州市生态承载力安全预警响应指数得分（2008—2017年）

这是因为随着《广州市城市环境总体规划（2014—2030年）》《广州市环境保护条例》以及《广州市大气污染防治规定》等一系列规章条例的出台，以及《广州市生态文明建设考核目标体系》和《广州市绿色发展指标体系》的制定，政府和广大市民在生态建设与环境保护方面采取了很多积极调控措施。城市污水处理厂集中处理率由2008年的61.83%上升到了2017年的95%，城市生活垃圾无害化处理率由2008年的88.2%上升到2017年的96.5%，科学技术支出占财政支出的比重由2008年的3.68%上升到2017年的7.83%，教育支出占财政支出的比重由2008年的13.45%上升到2017年的18.50%。总体上，在响应子系统方面，政府和广大市民等利益主体对改善广州市生态承载力做出了较为积极的响应，效果还是比较理想的，但也存在着进步小、响应的滞后和调控的有所侧重等问题。可以预见的是，随着地方财政实力的不断增强和生态城市建设步伐的不断加快，全面、稳定、有效的调控会使得相应子系统指数得分稳步提升。

5 结论与建议

5.1 结论

本文基于DPSIR概念模型构建了广州市生态承载力安全预警评价指标体系，利用熵权法对广州市生态承载力开展了安全预警评价，并对研究期间内各年份广州市生态承载力安全预警警度进行了分析。研究结果包括以下几点。

（1）从总体来看，10年间广州市生态承载力安全预警综合指数得分呈现出不断上升的趋势；广州市生态承载力安全预警警度呈现“重警—中警—轻警”的变化趋势。城市生态承载力得到了提高，发展势头良好。

（2）从五个子系统来看，除了驱动力子系统指数得分略有下降外，压力、影响和响应子系统指数得分上升明显。这说明近些年来广州市加强生态环境保护与综合治理、加大节能减排力度、完善自然生态保护等相关政策法规的实施效果是明显的。

（3）从五个子系统指数得分对综合指数得分的贡献来看，它们的贡献是不同的，压力子系统对综合指数得分的贡献要远远超过另外四个子系统。2017年驱动力、压力、状态、影响和响应五个子系统指数得分占综合指数得分的比重依次为16.82%、41.02%、8.09%、20.91%和13.17%。比较来看，驱动力、状态、影响和响应子系统还具有广阔的提升空间。因此，未来在提升广州市生态承载力时，应注重五大子系统间的协同发展。

5.2 建议

本文通过对广州市生态承载力安全预警评价和安全预警警度分析，为未来广州市改善自身生态承载力提供了一定参考，为制定相关环境政策提供了依据，并提出以下改善广州市生态承载力的对策。

（1）压力子系统对广州市生态承载力安全预警综合指数得分的贡献最大，因此需继续鼓励技术创新，推广清洁生产，大力实施节能减排，发展绿色经济。进一步降低万元GDP能耗、万元GDP电耗、万元GDP水耗、居民生活人均用水量以及单位面积工业废水排放量、工业废气排放量、二氧化硫排放量、工业烟粉尘排放量、一般工业固体废物产生量等。

（2）加强生态环保立法，启动《广州市环境保护条例》重新制定工作，实施最严格的环境保护制度。健全生态环境保护经济政策体系，加强资金保障，重点投向水、气、土等环境污染综合治理，重大环境基础设施建设等项目，提高科学技术支出占财政支出的比重以及教育支出占财政支出的比重。

（3）不断地增强社会公众的环保意识、生态意识和参与意识，树立适度消费、节约资源的生活理念，形成健康、文明、科学的生活方式。大力创建节约型机关及绿色家庭、绿色学校和绿色社区，开展绿色出行、垃圾分类处理，让人们自觉践行低碳生活方式，减少生活污染物排放。