产业发展对生态安全影响的预警技术研究框架初探

牟雪洁，饶胜，张箫，王夏晖，黄金

（生态环境部环境规划院，北京 100012）

生态安全问题的提出与全球生态环境危机发生密不可分[1]，最早源于20世纪80年代的切尔诺贝利核电站事故引发的环境灾害，其次是90年代后日益凸显的跨越国界全球性环境公害[2]，这促使联合国及世界主要发达国家开始关注环境问题对全球人类生存发展构成的威胁，将环境问题列入安全范围加以考虑[3-4]，并提升到与传统安全相同的优先地位[5]。可以说，当前“生态安全”不仅仅是传统生态学的生态系统安全问题，早已成为国家安全的重要组成部分[6]，是一个国家与区域经济社会持续健康发展的重要基础和支撑。在生态安全评价或生态承载力评价基础上开展生态安全预警分析，对各类环境退化、生态破坏、资源损耗等问题进行早期预警和政策制定，对维护和保障区域生态安全具有重要现实意义[7]。

产业发展既是人类经济社会发展的必要条件和重要驱动力[8]，同时也是人类社会对自然生态环境造成巨大压力和负面影响的最直观表征。我国生态环境脆弱，近年来部分地区资源环境约束日益趋紧[9]、生态赤字高[10]、环境污染与生态退化等问题日益严重，生态安全面临巨大威胁[6]， 这从根本上看都是产业发展与区域生态承载能力的“错位”即不协调、不一致导致的[11]。如何科学评价和及时预警这些“错位”问题，并提出相应的解决策略和优化方案，成为当前生态承载力、生态安全预警研究的重点和难点问题。笔者在《产业发展与生态承载力一致性评价的理论与技术框架构建》[11]一文中探索回答了如何科学评价这些“错位”问题，本次研究则重点聚焦未来预警分析，即从优化生产空间、维护区域生态安全的角度出发，在深入梳理总结现有的生态安全预警理论与方法基础上，研究提出产业发展对生态安全影响预警的初步技术思路与框架，以期为国家和区域生态安全预警研究提供参考依据。

1 基本概念及关系辨析

1.1 生态安全

生态安全（ecological security）一词从有明确定义提出至今，大约有30多年的历史，但目前尚缺乏一个公认的概念定义。有的从自然生态系统对人类生存发展、生活与健康保障程度方面进行定义，属于对生态安全的广义理解。例如国际应用系统分析研究所（IASA）将生态安全定义为：在人的生活健康安乐基本权利、生活保障来源、必要的资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全[12]。肖笃宁等[12]将其定义为：人类在生产、生活和健康等方面不受生态破坏与环境污染等影响的保障程度，包括饮用水与食物安全、空气质量与绿色环境等基本要素。欧阳志云和郑华[13]将其定义为：生态环境条件与生态系统服务功能可以有效支撑经济发展和社会安定、保障人民生活和健康不受环境污染与生态破坏损害的状态与能力。

有的从生态系统自身健康的角度进行定义，属于对生态安全的狭义理解。一般指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统的结构是否受到破坏、生态功能是否受到损害[14]，是一个国家生存和发展所需的生态环境处于不受或少受迫害与威胁的状态[15]，也是生态系统完整性和健康的整体水平反映。

也有研究关注了自然生态系统对经济社会发展的支撑能力和人类社会对生态环境的需求，如曲格平先生[16]在《关注中国生态安全》一书中从两个方面对生态安全进行解释：一是防止生态环境退化对经济基础构成威胁，主要指环境质量状况和自然资源减少、退化削弱了经济可持续发展的支撑能力；二是防止环境破坏和自然资源短缺等问题引发人民群众的不满，特别是环境难民的大量产生，影响社会稳定。

综上所述，生态安全的本质仍是人的安全[6]，生态安全研究的最终目的是在维持自然生态系统结构与功能稳定的基础上，有效保障人类生存与健康发展。因此“生态安全”包含两重含义：一是从供体角度看，指生态系统自身是否安全，即自身结构与功能是否受到破坏；二是从受体角度看，指生态系统对于人类生存发展是否安全，即生态系统所提供的产品与服务是否满足人类的生存发展需要[17]。

1.2 生态安全预警

“预警”一词多是指在灾害或灾难、危险发生前，根据以往总结规律或观测到的可能前兆，发出紧急信号、报告危险情况，从而最大程度减轻危害及损失的行为[18]，可以理解为对危机或危险状态的一种预前警报或警告。狭义的预警仅指对自然资源或生态安全可能出现的衰竭或危机而建立的报警，而广义的预警则涵盖了对生态安全维护、防止危机发生的过程，从发现警情、分析警兆、寻找警源、判断警度以及采取正确的预警方法将警情排除的全过程预警[19]。

陈国阶和何锦峰[20]将生态环境预警定义为对人类活动造成的生态环境退化甚至恶化进行及时预报和警告。沈渭寿等[21]认为区域生态安全预警要以生态安全评价为基础，对某一特定时期（或时段）内的区域生态安全状态出现的恶化情况进行预报和预测。张琨等[22]结合已有研究，从生态、资源、环境三个方面定义生态安全预警，指对区域社会经济发展与生态保护的失调程度、资源开发强度超过生态承载力的程度、生态环境的恶化趋势等进行预测和警告。樊杰等[18]的定义强调了资源环境超载状况的监测评价，认为预警应是对承载力各构成要素及其组合变化规律的预言预判，对未来可能出现的危险进行报告，以避免或缩小因承载力临界超载或超载带来的损失。

综上所述，生态安全预警具有较强的前瞻性和警示性，是基于生态承载力和生态安全评价，对未来某一区域因人类经济社会发展等影响导致的资源能源消耗、生态系统退化、环境质量恶化等变化趋势的科学预测或预判，尤其是要确定资源、环境、生态等要素达到关键超载阈值的时间点与空间范围，以便尽早制定应对策略，有效遏制生态环境恶化趋势，维护国家和区域生态安全，保障人类经济社会可持续发展。

1.3 生态安全与生态承载力的关系

由于生态安全研究通常与生态承载力评价联系密切，因此有必要对二者的关系做进一步阐述。其中，生态承载力的概念在前期研究中做了梳理总结[11]，在此不再赘述。

首先，生态安全与生态承载力略有区别。从广义的概念定义来看，二者都是针对自然生态系统与人类社会系统间的相互作用开展研究，但研究的侧重点略有不同，实际上是对同一事物的不同表达。生态承载力更多是站在自然的角度考虑问题，强调一种能力，即自然生态系统自身调节能力及对人类社会发展的承受能力[23]，或者说生态系统提供服务功能、预防生态问题、保障区域生态安全的能力[24]，且这种承载能力具有客观性和有限性；而生态安全更多是站在人类的角度考虑问题，强调一种状态，即自然生态系统保持结构与功能稳定且保障人类生存与健康发展的状态，尤其是更加强调人类生存与发展的安全状态。因此，可以说生态承载力反映了自然对人类社会发展的支撑或保障能力，生态安全则反映了自然对人类社会发展的支撑或保障状态。

其次，生态安全与生态承载力紧密关联，二者根本目标一致，即都是为区域经济社会可持续发展服务。通过生态承载力评价可以初步判断区域生态承载状况（超载/临界/盈余），当某一区域生态承载力超载时，可能就会威胁区域生态安全，区域经济社会发展也将不可持续。因此，可以说生态承载力评价是开展生态安全预警的重要基础和依据，生态安全预警就是基于生态承载力和区域社会经济发展现状，采用恰当的模型对未来发展进行合理推测[22]。

2 现有预警思路与方法

目前来看，国外的生态安全预警研究主要集中在生态风险评价[25]、生态系统稳定性评价[26]等方面；国内的相关研究起步较晚，始于20世纪90年代后期，并在区域尺度、生态系统尺度探索开展了大量实证研究[7]。生态安全预警的模型方法较多，归纳起来主要以综合指标评价法为主，也有研究提出基于生态承载力评价、景观生态格局法、指示物种法等进行预警。生态安全预警的关键是确定生态阈值，近年来随着生态阈值理论研究的不断深化，基于生态阈值研究开展预警分析也得到广泛关注，是未来生态安全预警的重点和难点。本文主要对上述研究思路与方法进行总结分析，并探讨其适用性。

2.1 综合指标评价法

该方法应是目前应用最广泛的预警方法之一，通常采用综合指标体系构建和数学模型模拟预测相结合的方式进行；从研究对象来看，主要涉及林业[27-28]、农牧 业[29-30]、渔业[31]、工业[32]和城市[33-34]等各类发展区域，以及具有重要生态功能的区域[35-37]。其基本思路大致为：（1）基于“压力—状态—响应（PSR）”“自然—经济—社会”“状态—胁迫—免疫（SDI）”等概念模型构建综合预警评价指标体系[7]；（2）采用层次分析法、熵权法、特尔斐法、变权法等确定指标权重[32]；（3）按照一定原则确定各项指标的阈值、标准值或参照值，这是预警最为关键的一步，确定原则通常包括国际公认或国家、行业和地方标准、背景和本底标准、类比标准、文献研究 等[21,33]；（4）最后进行生态安全评价及预警分析，通常采用层次分析法、灰色关联法[34]、模糊综合评价法、物元分析[32]、可拓分析[35]等各类数学模型[7]进行综合指数计算，采用灰色预测模型[32]、神经网络模型[7,33]、系统动力学模型[27,36]等进行未来预测预警分析，通常将预警等级划分为无警（绿色）、轻警（蓝色）、中警（黄色）、重警（橙色）、巨警（红色）[7,18,32]。此外，也有研究在构建预警指标体系、确定指标阈值后，未进行指数综合，而是采取单项指标进行预警[38]。

该方法较适用于对区域生态安全状况的整体预警分析，并可结合区域实际情况，选取不同的指标体系和数学模型方法进行灵活运用，具有较强的可操作性。但其主要缺点是，评价及预警结果通常过于综合、概括，针对区域可持续发展提出的政策建议也过于宏观，实践指导意义不强；此外，预警的关键环节即指标阈值的确定过程较为简单、主观，未充分考虑自然生态系统的过程与演变机理。

2.2 景观生态格局法

景观生态格局法主要基于景观生态学原理，从生态系统格局与结构出发进行生态安全评价及预警分析。通过建立反映物种空间运动趋势阻力面来判断生物物种的空间安全格局[21]，这一阻力面可用最小累积阻力模型构建，即：

式中：MCR是最小累积阻力值；f为最小累积阻力与生态过程的正相关关系，Dij是物种从源j出发到达景观单元i的空间距离；Ri是景观i对某物种运动的阻力系数。

该方法的基本思路是，选取生态功能较强的景观类型作为生态安全格局的核心“源地”，结合区域本底特征和已有文献资料赋予不同景观要素阻力系数，利用GIS的空间分析工具计算景观生态阻力面和综合最小累积（费用）阻力面，最后采用一定的分级标准进行生态预警。例如，王让虎等[29]基于最小累积阻力模型构建了东北农牧交错带景观生态安全格局，并结合已有研究成果，对超过“底线安全格局”的生态核心区缓冲带、生态严重退化区和阻力极高区分别进行预警。

从景观生态格局法的基本原理看，该方法将生态结构作为生态安全研究的切入点，突出生态系统格局、结构对生物物种的影响，因此比较适用于人类活动对生物多样性影响预警分析，与产业发展进行直接关联的研究较少。其难点之处是不同物种在不同景观单元中穿越时的实际阻力值确定；不足之处是对不同景观阻力系数的分级赋值仍存在较强的主观性，且预警结果通常与景观类型高度相关，不能对真实、突出的生态问题做出预警。

2.3 指示物种法

指示物种法常用于水生态安全预警，主要是在长期生态监测基础上，筛选对生态环境退化较为敏感的指示物种作为预警候选物种；建立包括指示物种数量、群落结构、个体生理指标等描述水生态系统健康的综合评价指标，通过敏感指示物种综合评价结果，参照国际公认的清洁水体底栖动物指示生物即EPT物种及其耐污值，确定各断面的生态预警指示物种；最后按照警情的紧急程度、发展势态和可能造成的危害程度划分预警等级，一般指示生物预警以物种连续消失两年为警报（阈值）[40]。 例如，李中宇等[39]通过分析物种的种类、出现的频次、物种污染敏感性（耐污值），尝试提出了松花江干流以底栖动物为指示生物的水生态预警模式。

该方法是从水生态系统健康角度出发，在对水生生物进行长期监测的基础上实现的，能够较好地反映出环境污染对生物产生的综合效应，尤其是可以反映剂量小、长期作用产生的慢性毒性效应，目前已在国际国内水生态预警中得到广泛应用，但缺少与产业发展的直接关联性分析。其预警的最基础工作是开展长期生态本底调查和监测，建立特定区域、流域水生生物多样性本底数据库，同时要研究污染物对水生生物的毒理效应，进而为预警奠定数据与理论基础。

2.4 生态承载力评价

由于生态承载力评价与生态安全研究具有密切联系，因此目前也有在区域生态承载力评价基础上进行预警的理论与案例研究[18,24]，即将生态承载力预警等同于生态安全预警。例如，樊杰等[18]提出在资源环境承载能力监测评价基础上，结合各项评价指标的超载状况进行预警的技术思路。其中，评价指标阈值主要对标于理论值、国家质量标准值、国家管理控制量、历史时期变化幅度或速率等的偏离程度确定，各项指标评价结果分为3级，分别对应超载、临界超载和不超载；采取“短板效应”原理，将评价结果中任意一个指标超载、两个及以上指标临界超载的组合确定为超载类型，将任意一个指标临界超载的确定为临界超载类型，其余为不超载；针对超载类型开展过程评价，根据资源环境耗损加剧与趋缓程度，将超载区分为红色和橙色两个预警等级，将临界超载区分为黄色和蓝色两个预警等级。

徐卫华等[24]重点从生态系统承载力角度出发，提出了基于生态系统服务功能、生态退化的预警技术方法，并在京津冀地区开展了案例研究。其中，基于生态系统服务功能的预警指标包括水土流失指数、土地沙化指数、水源涵养功能指数、自然栖息地质量指数，指数阈值参照国家、行业标准或未退化生态系统指数值等确定。基于生态退化的预警主要采用已产生生态损害的土地面积比例作为预警指标，如水土流失、土地沙化、石漠化等，指标分级标准参照部门调查结果、行业标准、区域生态环境问题特征等综合确定。最后进行指数评价分级预警。

上述预警思路与方法通常较适用于区域整体生态安全预警，由于有效衔接了已有的生态承载力评价理论与模型方法，可以避免生态承载力评价与生态安全评价相互“割裂”的局面。不足之处是，部分指标阈值及预警标准的确定仍难以跳出主观性的弊端，不能很好地体现自然生态系统过程与机理。

2.5 生态阈值分析

预警的理论基础是可持续发展的增长极限理论，其中“极限”可以认为是承载能力的超载阈值[18]。生态安全预警的关键就是确定生态（安全）阈值，不管采取何种模型方法，只要明确各项指标的关键阈值或上限，就可以更准确地进行预警。

生态阈值来源于Holling[40]提出的生态系统多个稳态理论，最初定义为生态系统不同稳态之间变化的边 界[41-43]，随后研究发现，生态系统的非线性变化会对驱动力的微小变化做出剧烈响应，生态阈值所指对象从稳态的边界扩展到任何造成系统突变的驱动因素[43]。通常，按胁迫因子类型可将生态阈值分为生态系统自身要素阈值、气候变化胁迫阈值、人类活动胁迫阈值、生源要素胁迫阈值及多源要素胁迫阈值等[44]。这里重点对城市化、产业发展等人类活动胁迫阈值研究进行梳理总结，按照跨越阈值后产生的主要生态环境问题，分为生态退化阈值和环境污染阈值两大类。产业发展是人类活动的典型代表因子，因此也重点对农业、牧业、养殖业等不同产业发展的胁迫阈值研究进行了总结，如表1所示。

表1 与产业发展等人类活动相关的生态安全阈值研究案例

针对城市化、人类活动影响的阈值分析则具有一定的宏观性、间接性，如污染物阈值、斑块距离阈值、人口密度阈值、植被覆盖度阈值等。由于农业、牧业、渔业等第一产业为直接占有自然生态系统进行生产活动，因此针对上述产业发展的生态阈值研究较多，其中农业影响阈值主要涉及环境污染问题，如重金属污染、化肥施用量等；牧业主要涉及生态退化问题，如载畜量、鼠害等；渔业则主要关注可承载的最大养殖面积。

3 产业发展对生态安全影响预警技术框架

产业发展对区域生态环境造成的负面影响已毋庸置疑，通常直接占用型产业例如农业、渔业、畜牧业、采掘业、材料工业等，在实际发展过程中容易造成环境污染、生态系统退化等各类生态环境问题[11]。从概念定义来看，生态安全预警本质上仍是解决各类生态环境问题、减少这些问题对人类生存发展造成的威胁。因此，本文尝试从不同产业发展造成的各类生态环境问题出发，寻找预警的关键性指标，并结合已有预警思路和方法，提出产业发展对生态安全影响的预警技术框架。其基本思路如图1所示。

图1 产业发展对生态安全影响预警技术框架

首先，针对区域整体产业发展的生态安全影响预警，应与承载力评价结果进行有机衔接，同时结合不同区域发展定位、突出生态环境问题，选择适当的承载力评价及预测方法。针对资源消耗型（资源开发区）、环境污染型（城镇地区、农产品主产区）区域，参考樊杰等[18]的资源环境承载力预警思路，重点在资源环境承载力评价基础上，结合区域现状超载状况和未来动态预测，针对超载区域进行分级预警，将超载且恶化加剧区定义为极重警，将超载且恶化趋缓区定义为重警，将临界超载且恶化加剧的区域定义为中警，将临界超载且恶化趋缓的区域定义为轻警。针对生态破坏型（重点生态功能区、农产品主产区）区域，重点在生态系统承载力评价或生态阈值分析基础上，建立适宜的预警标准进行动态预警，如维持自然恢复能力、水土保持功能、防风固沙功能、生物多样性维护功能等不退化的关键生态阈值，包括一定的植被覆盖度、栖息地面积、干扰距离，以及指示生物健康阈值等。

其次，针对直接占用型产业发展的生态安全影响预警，可重点开展生态阈值研究，找到产业发展造成各类生态破坏、环境污染等的关键阈值范围，进而采用这些阈值标准进行动态预警。例如农业发展过程中的土壤污染阈值、化肥施用量阈值，畜牧业发展过程中的载畜量阈值，渔业发展过程中的养殖量阈值等。

受现有技术水平所限，目前的预警主要是针对各类生态环境问题开展，从概念定义角度出发，预警的主要目的实际上是减少生态环境问题对人类生存与健康发展造成的威胁，因此未来还需深入开展产业发展—生态环境问题—人体健康之间的影响与响应机制分析，提出基于人体健康角度的生态安全预警技术方法。

4 讨论

通常预警之前，首先要明确事件发生将对人类产生哪些以及多大程度的负面影响，进而结合实践经验确定预警标准、发布预警信号和防御指南，例如气象灾害预警、地质灾害预警、洪水灾害预警等。但受自然生态系统与人类社会系统的复杂性、动态性等特征影响，当前产业发展对生态安全预警的阈值标准仍较难明确，大多数研究或采用国际、国家或地方公认标准，或通过已有文献研究、横向对比等方法确定，未充分考虑自然生态系统的过程与演变机理，尤其是引发生态系统发生稳态转变的阈值，导致预警结果通常较为宏观综合，难以为生态系统管理提供精准的决策支撑。

初步总结，生态安全预警的阈值标准较难明确主要有三方面原因：

一是自然生态系统与产业发展系统自身具有复杂性、动态性。无论自然生态系统还是产业发展系统，都是由多个子系统相互作用构成的复杂动态系统，是长期动态发展变化的。产业发展系统受自然、经济、政治、文化等多种因素共同影响，在科技创新、技术进步等因素作用下，资源能源消耗、环境污染排放将大幅度下降；自然生态系统具有一定的自组织性和自我恢复能力，通过降低人为干扰、辅以人工修复措施，能够促进其承载能力的提高。

二是产业发展与生态安全之间的相互影响响应机制十分复杂。产业发展对生态安全的影响通常是基于生态环境状况评价进行量化，但从产业发展端到生态环境端具有十分复杂的相互作用链条和互动反馈机制，仅通过一些产业发展类、生态环境状况类指标只能明晰表象结果，对产业发展与生态安全两个子系统内组成要素之间的影响与响应过程机制缺乏深入探析，对不同产业发展造成生态安全影响的叠加效应、累积效应及程度也难以准确量化。

三是生态环境退化对人体健康的影响程度定量化较难。当前生态安全预警研究主要是针对生态环境恶化的状况及趋势进行预警，但从生态安全的概念定义来看，生态安全研究的核心问题是人类生存与健康发展问题，因而生态安全预警的关键也应是人类生存与健康发展的受威胁程度，从短期看是聚焦人类生命和财产安全的受威胁程度，如气象灾害预警也可以理解为广义的生态安全预警；从长期看是聚焦生态环境对人类生存与健康发展的支撑保障程度。而环境污染、生态退化等问题对人体健康的影响通常具有累积和滞后效应，因而存在较大不确定性，仍需要进行长期的科学研究和论证。此外，人类对一些生态环境问题仍缺少直观体会和深刻认识，例如生物多样性丧失问题，原因是生物多样性的很多潜在利用价值通常尚未被充分认识和挖掘，某一物种的灭绝对人类社会系统的直接影响也不如环境污染明显。

综上所述，建议未来应加强生态阈值理论与案例研究，明确不同人类胁迫因子对区域重要生态系统影响的关键阈值或关键阈值确定方法；深入开展产业发展与生态安全之间互动响应机制研究，科学量化不同产业发展对生态安全的影响程度；从人类生存与健康发展角度出发，深入开展生态环境退化对人体健康的影响研究，提出基于人体健康的生态安全预警技术方法体系，进一步深化生态安全预警理论体系，以便进行精准预警、提出定量化对策。