基于DPSIR模型的2003—2015年文山州生态安全动态评价

史小蓉 张 超 陈 棋 田湘云 刘 娇 张玉薇

（西南林业大学林学院，云南昆明 650233）

石漠化又称石质荒漠化，是荒漠化的一种，狭义的石漠化概念增加了人为干扰因素，细化了环境特征[1-2]，其概念为在南方湿润地区，在人类活动驱动下，流水浸蚀加剧，导致土地生产力下降，植被覆盖大幅减少，地表岩石裸露，逐渐呈现荒漠化景观的现象[3]。自20世纪90年代以来，石漠化问题逐渐成为研究热点，其研究重点主要集中于石漠化的内涵、形成过程、时空演变及其综合防治对策等方面。

1989年，国际应用系统分析研究所(IASA)探讨全球性生态安全检测系统问题时，首次提出生态安全的概念，拉开了对生态安全研究的序幕[4]。普遍为人们所接受的是：某一国家或区域，不受或少受各系统及组分间的威胁或破坏，呈现出整体健康与可持续发展状态的保障程度，反映了自然、经济和社会三大系统完整性和健康性的整体发展水平[5]。生态安全评价（ESA）是对生态系统完整性以及各种风险背景下维持其健康的可持续能力的识别与判断[6]，国外研究内容主要集中在生态系统健康及生态风险评价、研究深度主要是全球及国家安全与可持续发展等宏观问题，对于小特定区域或景观的研究较少[7]。国内对土地[8-9]、水域[10-11]、城市[12-13]、干旱地区[14-15]和矿区[16]研究较多，对石漠化研究则相对较少。国内学者对石漠化的研究，选择的指标评价模型由世界经济组织提出的PSR（压力-状态-响应）模型[17]发展到CSR（影响-状态-后果）模型[18]，再到使用最多、评价体系最全面的DPSIR（驱动力-压力-状态-影响-响应）模型[19-20]，同时从自然、经济、社会、环境、土地利用现状和景观格局特征等多方位建立石漠化生态安全评价指标体系。主要评价方法可归纳为主观评价法、客观评价法及主观与客观相结合的组合评价法3类。使用较多的为熵权法[21]、主成分分析法[22]、TOPSIS法[23]和物元分析法[24]计算生态安全评价综合指数，依据指数确定相应阈值进而界定安全等级。

文山壮族苗族自治州（以下简称文山州）地处云贵高原，生态环境脆弱，地表水土侵蚀严重，耕地面积不断减少，人地矛盾不断加剧，石漠化问题给当地带来一系列环境问题，已严重制约当地经济社会发展。故本研究采用熵权法及改进的TOPSIS法、结合DPSIR模型，对文山州2003—2015年安全状况进行动态评价，进而研究其内部生态环境变化趋势，为当地环境治理措施提供参考，对生态环境系统的平衡与发展具有重要意义。

1 研究区概况

文山壮族苗族自治州位于云南省东，地处103°35′～106°12′E，22°40′～ 24°48′N，位于低纬度高原季风气候带，气候类型多样，年均气温15.8～ 19.3℃，年均降雨量992～ 1329 mm，降水集中于5—10月，雨量充沛，但分布不均，山区、半山区占总面积的94.6%，加之海拔高低悬殊，固有“十里不同天”的立体气候特征。据2011年统计，全州岩溶面积占国土面积的53.4%，石漠化占国土面积的31.77%。截止2015年，全州有壮、苗等20余个少数民族，常住人口360.70万，其中少数民族人口208.85万，占总人口的57.90%。

2 材料与方法

2.1 数据收集与处理

收集文山州7县1市的数据，主要包括：1）来源于GEE平台的，已完成大气校正等预处理的文山州2003年、2009年、2015年的Landsat TM/OLI卫星遥感影像；2）来源于云南省统计年鉴、文山州统计年鉴及文山州各类政府工作报告的社会、经济、人口相关统计数据；3）来源于地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/）的空间分辨率为30 m的DEM数据。

结合《喀斯特地区植被恢复技术规程》（LY/T 1840—2020）[25]和相关研究成果，选取植被覆盖率（FVC）、基岩裸露率（NDRI）和坡度（Slope）3个因子[26-27]，将研究区分为非石漠化地区和石漠化地区2类。非石漠化地区的划分标准为植被覆盖率≥50%、基岩裸露＜30%及坡度＜8°，反之则为石漠化地区。

2.2 DPSIR模型及其指标体系构建

DPSIR是由欧洲环境署于1997年在PSR模型的基础上修正后提出[28]，系统分析了人与自然之间的相互作用关系并将体现环境系统的多个评价指标分为驱动力、压力、状态、影响、响应5个方面[29]。石漠化生态安全评价即对石漠化地区社会经济发展、人类资源开发和生态环境变化相互协调程度的评定。目前，生态安全评价指标的选取和建立缺乏统一的标准，参考以往学者的相关研究[30-31]，遵循综合性、数据可收集性、科学性和客观性原则针对文山州实际情况，建立文山州石漠化生态安全评价指标体系。将DPSIR模型分为目标层、准则层和指标层。准则层为驱动力、压力、状态、影响和响应五大体系；由经济、人口、自然环境和社会发展相关数据共22个指标组成指标层（表1）。驱动力系统是引发石漠化生态安全产生变化的内生因素，压力系统体现了石漠化地区在驱动力的作用下人们生存生活环境承受压力的变化，同时把压力通过状态系统表现出来，影响系统是由于受驱动力和压力胁迫呈现出的结果，采取的一系列改善措施和政策则归纳到响应系统中。

表1 文山州石漠化生态安全评价指标体系及权重Table 1 Evaluation index system and weight of ecological security of rocky desertification in Wenshan Prefecture

2.3 指标权重计算

1）数据标准化处理。为更好的对指标进行比较，采取归一化方法对数据进行无量纲化处理。数据分正向指标和负向指标，正向指标越大越好，负向指标则相反。归一化过程对不同性质的指标采用不同的计算方法，正向指标归一化和逆向指标归一化计算方法分别见式（1）～（2）。

式中：代表归一化后第i年的第j项指标值，Xij为原始指标值，Xmax与Xmin分别为原始指标中的最大值与最小值。

2）指标权重计算。为获得准确且客观的指标权重结果，在标准化处理的基础上，采用SPSSAU系统综合评价模块中的熵值法计算各指标的权重值（表2），该方法可以较好地规避主观判断造成的人为因素影响[32]。熵权法的计算方法可参考文献[33]。

表2 文山州生态安全评价指标熵权法计算结果Table 2 Entropy weight calculation results of ecological security evaluation index in Wenshan Prefecture

2.4 石漠化生态安全等级划分

1）建立正向化矩阵。

式中：m代表有m年，n代表有n个指标值，Zij为指标正向化矩阵，Wj为权重值。

2）确立正理想解和负理想解。分别将正向化指标中的最大值与最小值代表正理想解（Z+）、负理想解（Z-）。

3）计算理想解的欧氏距离。

式中：D+表示正理想解的欧氏距离，其值越小，表明石漠化生态越安全；D-表示负理想解的欧氏距离，其值越小，表明石漠化生态越不安全。

4）计算各评价对象与理想解的距离（Sj） 。

Sj介于0到1，其值越大，表明第i年石漠化地区生态状况越安全。5）安全等级划分。石漠化地区生态安全是指石漠化地区人们生存和生长所需的周围生态环境处于不受或少受毁坏与胁迫的状态[34]。结合文山州现状，参考相关研究成果[35-36]，以不等间距的方法将Sj划分为5个等级，以此评价文山州石漠化地区的生态安全状况（表3）。

表3 文山州石漠化生态安全评价等级标准Table 3 Evaluation grade standard of ecological security of rocky desertification in Wenshan Prefecture

3 结果与分析

3.1 石漠化生态安全状态综合分析

文山州各区域2003年、2009年、2015年石漠化生态安全等级计算结果见表4。由表4可知，DPSIR各评价系统安全指数均呈现上升趋势、石漠化生态安全指数由2003年的0.340上升到2015年的0.454，生态安全状况从“较不安全”向“临界安全”发展。虽然文山州石漠化生态安全等级指数变化较小，但从2003年到2015年，生态安全呈现出向更高等级转变趋势，单位耕地农机化水平、水体协调度、第三产业产值比重、当年造林面积及森林覆盖率5大指标都有所提高；同时，负向指标第一产业产值比重和石漠化面积大幅度降低，使得影响和响应2大系统指数得到较大上升。石漠化是文山州一直以来就存在的生态环境难题，2009年以来，文山州抓住国家扩大内需的机遇，加强实施“六大战略”和建设“四大基地”，不断发展城镇化、农业现代化、新型化工业及商贸物流等，不仅增加农村居民收入，也提高了当地农业机械化水平和单位面积粮食产量。同时，大面积种植核桃和油茶，不仅发展农业经济，亦改善了石漠化生态环境。

表4 文山州2003、2009、2015年石漠化生态安全状态Table 4 Ecological security status of rocky desertification in Wenshan Prefecture in 2003,2009 and 2015

3.2 各子系统生态安全状态分析

3.2.1 石漠化生态安全驱动力系统分析

文山州石漠化生态安全驱动力系统主要受文山州社会因素的影响，呈现出上升趋势，生态安全指数由2003年的0.482上升为2015年的0.534，期间的8个地区的平均人口自然增长率由7.49%下降为6.22%，占据较高权重的人均GDP和经济密度增长率分别为84.9%、77.7%。文山州实施“工业强市”战略，加强产业园区基础设施，引进多家化工、建筑和制药企业入驻文山。同时，为增加农民收入，鼓励农户种植烤烟、蔬菜、油茶及核桃等农副产品，大力推广种植三七，致力将文山三七打造成为中国驰名商标。这一系列措施大大提高了当地人民的经济发展水平，同时也促进了文山州石漠化生态安全向更好的方向变化。

3.2.2 石漠化生态安全压力系统分析

文山州石漠化生态安全压力系统呈现出先下降后又上升的变化趋势，压力生态安全指数由2003年的0.396下降到2009年的0.373，随后又上升为2015年的0.491。2006—2009年石漠化生态安全指数下降，主要是经济的快速发展致使环境遭到严重消耗，三七等特色农作物产业大面积发展致使化肥和农药需求量增加，平均化肥负荷从2003年的445.23 kg/hm2上升为2009年的592.09 kg/hm2，农药负荷从5.5 kg/hm2增加到12.60 kg/hm2。2009—2015年石漠化生态安全压力指数向上升趋势发展，是由于在此期间文山州实行农作物科学种植，逐渐重视农产品质量安全监管，加强蔬菜、水果农药残留检测，农药和化肥用量及其增长率都有所下降。同时，推广良种良法种植，努力提高粮食单产和复种指数，人均粮食产量从348.8 kg/人上升到439.8 kg/人，促进文山州石漠化压力系统生态安全指数上升。

3.2.3 石漠化生态安全状态系统分析

文山州石漠化生态安全状态系统在评价五大系统中指数都相对较低，由2003年仅有0.286发展到2015年的0.385，期间人均耕地面积略有降低，从0.07 hm2/人下降到0.06 hm2/人、大于25°坡度面积约占文山州国土面积的29%，石漠化生态安全由较不安全进步至2015年的不安全状态，但生态安全状况依旧不容乐观，说明“工业强市”战略的实施导致人均耕地面积减少，地形因素限制当地新型产业和城乡经济的发展，陡立的地形加上平均1320.8 mm的降水量为石漠化的形成增加了不利条件，导致石漠化生态安全状况没有得到较明显的改善。

3.2.4 石漠化生态安全影响系统分析

影响系统的石漠化生态安全指数在2003—2015年间从0.240上升至0.437，具有相对较大幅度上升，这得益于第二产业比重、农业机械化水平和单位粮食产量的上升，第一产业比重和石漠化面积占比的下降。文山州政府为开发新农村建设，每年为农户组织农机技术培训，并且设置相关农机购置专项补贴。由此，农业机械化水平从2003年的4.46 kW/hm2上升为2015年的10.24 kW/hm2。为稳定粮食种植面积及产量，文山州积极抓好粮食生产和努力开发冬季农业，一系列“三农”政策的实施，为改善文山州石漠化生态安全状况提供了有利条件，2003—2015年生态安全状况由不安全向临界安全状态改善。

3.2.5 石漠化生态安全响应系统分析

2003—2015年，响应系统中的第三产业比重、森林覆盖率、水土协调度和造林面积指标系数均有所增加。自2010年，文山州开始注重旅游业和服务行业发展，金融保险、电子商务、文化旅游等新兴服务业快速崛起。同时，不断建设各类生态旅游环线、乡村特色民族文化旅游产业和旅游小镇，让第三产业比重从2003年的29.56%发展到2015年的41.6%，促进了文山州产业结构优化升级，为石漠化生态安全提供了经济保障。文山州大力实施盘龙河等小流域坡耕地水土、各水库加固和退耕还林等重点生态工程，使得森林覆盖率和水土协调度越来越高，核桃、油茶和梨等经济林的推广也增加了当地的造林面积，说明文山州继续在为建设生态环境做努力，为生态安全改善提供了良好的环境及政策支持。

3.3 石漠化生态安全时序变化特征分析

文山州各州县石漠化生态安全状态见表5。由表5可知，文山州各县石漠化生态安全状态不容乐观，安全指数相对较低，但总体向更好的趋势发展。2003—2015年文山州、西畴县和富宁县3个区域呈现出先上升再下降的变化趋势，2003—2009年人均GDP、经济密度和第三产业比重大幅度提高，森林覆盖率、水土协调度提高使生态环境质量得到改善；2009—2015年，经济的快速发展给环境带来巨大压力，化肥、农药负荷急剧增加，造林面积相对减少，石漠化治理过程艰巨、见效慢等因素导致生态安全指数下降。砚山县、马关县和丘北县呈现出先下降后上升的变化趋势，这表明生态旅游的开发，使其石漠化面积减少、环境质量上升；农业灌溉和城乡基础设施建设提高了水体协调度。

表5 文山州各州县石漠化生态安全状态Table5 Ecological security statusof rocky desertification in various prefectures and counties of Wenshan Prefecture

麻栗坡县、广南县在2003—2015年期间分别呈持续上升和持续下降的发展趋势。这是因为麻栗坡县五大评价系统各年都呈上升趋势，在经济、社会和环境三方面均有所改善，发展较均衡。与此相反，广南县经济得到快速发展、人口数量增加和农药负荷远远超出8个区域的平均水平，严重威胁了当地的生态安全。造林面积和森林覆盖率有所增加，但未对环境质量的改善起到相应的作用。

3.4 石漠化生态安全空间分布特征分析

为更好地反映文山州石漠化生态安全变化状态，利用已得出的生态安全等级绘制文山州石漠化生态安全各县域等级分布图（图1）。由图1可知，文山州西北部经济发展较好的地区生态安全等级相对较高、临界安全等级占比逐年增加。2003年8个区域的石漠化生态安全平均指数值为0.389，麻栗坡县生态安全等级为Ⅴ级，占全州国土面积的4.76%，砚山县、文山州为Ⅲ级，占全州国土面积的24.54%；2009年，砚山县安全等级由Ⅲ级下降为Ⅳ级，富宁县由较不安全上升为临界安全，临界安全面积增加了1395 km2。2015年，文山州现代商贸及物流产业、“一县一品”电子商务营销和各类特色旅游的开发，带动了经济快速增长、生态环境得到治理。同时，人均收入和就业等社会问题得到缓解，生态安全等级得到相应的改善。

图1 文山州各县域石漠化生态安全等级分布Fig.1 Ecological security gradedistribution of rocky desertification in variouscountiesof Wenshan Prefecture

4 结论与讨论

以文山州7县1市为研究对象，基于（2003年、2009年、2015年）统计数据和矢量数据，对文山州生态安全状况进行相关分析，得出以下结论：

1）从经济、社会和自然环境角度共选取22个评价因子，权重排名前5位的指标分别为经济密度（0.0797）、农药负荷（0.0747）、当年造林面积（0.0702）、人均GDP（0.0684）、人均耕地面积（0.0572）。生态安全的优劣和生态环境、经济开发和社会发展息息相关。

2）文山州石漠化生态安全时间相关性结果显示：2003—2015年期间文山州石漠化生态安全状况不容乐观，生态安全等级最高为Ⅲ级；各评价系统生态安全指数相对均匀，指数由大到小依次为驱动力（0.512）、压力（0.420）、响应（0.391）、影响（0.329）、状态（0.326）。总体上看，生态安全状况呈现出逐渐变好的趋势；2003—2009年间生态安全指数发展缓慢，由0.340上升到0.380，2009—2015年上升较快，由0.380上升到0.454。

3）文山州石漠化生态安全空间相关性结果显示：2003年生态安全等级为Ⅴ级的面积占据国土面积的4.76%；生态安全等级为Ⅳ级的面积占比在2003—2006年期间从70.70%上升到73.75%，2015年下降为62.09%；临界安全面积占比逐年上升，由2003年的24.54%上升到2015年的37.91%。

借鉴已有的生态安全性评价指标体系，结合DPSIR模型与TOPSIS模型，在综合考虑文山州实际发展状况的基础上，选取相应评价因子构建指标体系，精准反映了石漠化地区生态系统内部各要素对当地生态安全状况的影响力度，用熵权法赋权各评价因子，更具有全面性和客观性，能更好地对结果进行解释。从时间和空间上对文山州石漠化发展状况进行相关性分析，能准确地掌握各地区的发展趋势，方便因地制宜提高生态安全等级。

沈杉[37]提出自然环境属于文山州石漠化形成的基础，主要因素是人为因素，石漠化与当地生态环境及经济发展间相互影响、相互制约，与本研究所持观点一致。经济密度、农药负荷、当年造林面积、人均GDP、人均耕地面积、单位耕地农机化水平、单位面积粮食产量及人均粮食产量指标权重均大于0.05，表明这些指标是文山州生态安全状况的主要影响因素，依据DPSIR模型，从驱动力、压力、响应、影响、状态五大系统出发，提高文山州石漠化地区生态安全等级，应注重文山州经济、自然和社会因素的均衡发展；大力实施植树造林，增加森林覆盖率；严守生态保护红线，缓解人地矛盾，增加水土协调度。

2012—2015年文山州被列入国家滇桂黔石漠化片区区域发展与扶贫攻坚规划，推进“森林文山”建设，继续加强防护林、公益林和防护建设及保护，不断注重造林绿化改造和水土流失治理，一系列相关政策和措施让石漠化生态安全不断改善。然而，由于文山州石漠化问题顽固且严重，人口增长和经济发展导致环境问题难以解决。石漠化综合治理始终是文山州重点生态工程建设之一。建议文山州、富宁县、砚山县加大矿山、石场开采的法律监管力度，尽量避免私挖滥采而造成山体滑坡和泥石流的发生；丘北县因开发旅游产业，流动人口较多、生活垃圾大量排放，应加大对生活垃圾的处理力度；广南县应落实生产厂区工业废水、废气污染源查处力度；西畴县、马关县及麻栗坡县应加大对水库等流域的治理力度，继续实施生态环境治理工程，减少滑坡、泥石流等灾害的发生。