生态安全评价与预警

生态安全评价与预警

自1989年asa首次提出生态安全概念以来，国内外科学家对生态安全概念的概念、生态安全与国家安全、可持续发展与全球化的相互关系进行了深入的研究。国外研究主要从宏观上围绕环境变化开展了生态的经验性、综合性以及内在关系的研究。国内关于生态安全的研究较短,但发展较快,已成为环境科学、地理学、生态学等相关学科研究的热点。专家与学者在生态安全评价体系构建、评价方法选择和评价模型构建等方面取得了一定研究成果,但对生态安全评价与预警的研究还相当薄弱。因此,对生态安全评价与预警进行研究,可以客观地反映人类社会经济活动对生态系统的干扰、预测及治理,促进区域可持续发展具有重要的现实意义和学术价值。洞庭湖区生态安全已成为学术界和各级政府最为关注的热点和重点。目前,湖南省委、省政府已经提出,在“十二五”期间将环洞庭湖区打造为国家级生态经济圈;学术界在洞庭湖区农业生态安全评价、生态系统能值演变和服务价值评估、生态足迹评价等方面进行了相应研究,而洞庭湖区的生态安全预警则鲜见报道。因此,对洞庭湖区生态安全进行预警分析,客观反映洞庭湖区生态系统运行与发展中的可持续性,为洞庭湖区生态、经济和社会可持续发展提供决策依据和参考价值。1研究区域与研究范围洞庭湖区地处长江中游荆江南岸,地跨湘、鄂两省,地理坐标约为28°44′N~29°35′N、111°53′E~113°05′E,介于长江东西不同景观生态的过渡地带,占据长江中下游最敏感又最脆弱的生态区位,大部分地区的海拔高度不到50m,土地面积的85%以上在湖南省辖境内。本文研究范围界定为岳阳、常德和益阳3个地级市的21个县市、区,其土地面积3.2×104km2,人口1.5×107,分别占湖南省的15%和21%以上。湖区属于典型的亚热带季风气候,处在东南季风与西南季风交错地带,年平均降雨量1200~1450mm,年平均气温16.5℃~17.0℃。河网密布,湘、资、沅、澧四水流经,水、土、生物等资源要素丰富。多年来,由于湖区自然环境的变迁和人类高强度持续开发利用,造成区域内湖泊湿地萎缩严重,水体富营养化日趋明显,水土流失、土地退化等生态环境问题突显,已成为制约洞庭湖区可持续发展的重要因素。2指标的选择和数据预处理2.1生态环境评价根据生态安全评价的整体性原则、层次性原则和区域性原则,参考中国科学院可持续发展指标体系,结合洞庭湖区自然和社会经济概况,运用层次分析法建立生态安全评价与预警指标体系(表1)。其中,高生态组分要素为林地、牧草地和沼泽地,重要值=(频度+密度+比例)/3×100,频度=林地、牧草地和沼泽地的样方数/总样方数,采用1km×1km的样方进行采样计算,密度=林地、牧草地和沼泽地的斑块数/总斑块数,比例=林地、牧草地和沼泽地的面积/土地总面积;低生态组分要素为沙地、裸岩、石砾地及其他未利用土地,覆盖率=(沙地面积+裸岩面积+石砾地面积+未利用土地面积)/土地总面积×100;生态组分活力指数为归一化植被指数(NDVI)的平均值,时间选择均为每年植被覆盖信息较好的夏秋季;生物丰度指数根据《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T192—2006)来确定,指数值=(0.35×林地+0.21×草地+0.28×湖泊湿地+0.11×耕地+0.04×建筑用地+0.01×未利用土地);气候变化指数=评价年平均气温-多年平均气温;景观破碎化指数=平均斑块数×(斑块数-1)/总面积;区域开发指数=(农田+居民点用地+工交建设用地)/土地总面积×100。生态安全评价因素等级采用五级制,结合专家打分,令评语集V={V1,V2,V3,V4,V5},分别代表{良好,较好,一般,较差,恶劣},由高到低表示生态安全程度,其限值如表1。2.2会经济指标数据利用ERDAS和ArcGIS软件对洞庭湖区2001~2010年遥感影像进行解译和信息处理,提取洞庭湖区各地类空间分布信息,涉及人类社会经济的指标数据主要通过统计年鉴、气象局、林业局等职能部门提供的数据获得。采用层次分析法,通过发放专家调查表,计算出权值,确立各评价因素的权重集W,结果为:因素层对准则层的权重集W21=(0.205,0.163,0.212,0.197,0.223),W22=(0.234,0.185,0.191,0.191,0.199),准则层对目标层的权重集W1=(0.50,0.50)。3模型和方法的研究3.1生态安全评价模块的建立层次模糊综合评价是建立在层次分析法和模糊数学理论基础上的一种预测和评价方法,特别适合解决既有模糊性、随机性,又有可确定性的实际问题。基于层次分析所确定的评价因素等级标准和权值,运用模糊数学原理,构建模糊评价矩阵,通过多层次的隶属函数运算,最终确定评价对象的所属等级。构建层次结构模型时,要求各层中所考虑的因素必须满足独立性,不存在依赖关系,评价模型为:B=W·R,式中,B为模糊评价集,“·”是模糊综合运算符,模糊数学中称为模糊算子,本文采取“乘与加算子”。为了能够对生态安全做出定量评价,把评语集定量化为V=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1)。利用2001~2010年数据,经过多层模糊计算,依次得到因素层、准则层和目标层的模糊评价集,最后采用J=BV算出生态安全综合指数,指数值越大,安全性越好。2015年J值采用时间序列(2001~2010)进行自回归预测。3.2应急模型(1)生态安全警情状态预警是根据生态安全综合评价所得到的生态安全综合指数界定其安全等级,据此对不良生态安全状态进行预警,它是一种对生态安全警情的静态描述与定位。其数学表述为:Y{J1<J(t)<J2}≥α,式中J(t)为生态安全指数值,参数Ji表示状态预警时生态安全等级的临界值,预警约束条件一般规定α=80%。生态安全综合指数与预警等级关系见表2,共分为五个警区,综合指数越高,表明生态系统的自我调节能力越强,生态状况越安全;反之越恶劣。(2)恶化趋势预警及恶化速度预警动态预警是指在具有一定时间跨度的不同时段内,生态安全状况即使尚未达到恶化或危害程度,但其动态变化状况发生了相对异常,需引起警戒的情况,包括恶化趋势预警和恶化速度预警。其数学表述为:恶化趋势预警(T):Y{J(T)<J(t),|J(T)-J(t)|>ΔJt}≥α,恶化速度预警(V):Y{J(T)<J(t),|J(T)-J(t)|/(T-t)>ΔJs}≥α。式中,J(T)和J(t)分别为不同预警时段的生态安全指数,ΔJt和ΔJs分别表示恶化趋势预警和恶化速度预警时生态安全指数值在时段Δt内变化速率的临界值,根据预警时间间隔、区域差异和环境管理要求分别确定为0.02和0.01,α=80%为预警约束条件。4结果和分析4.1生态安全指数下降,生态结构与功能安全性下降运用层次模糊综合评价模型计算的生态安全综合指数见图1。为了便于对比分析,选取研究时段中2001年、2005年和2010年3个典型年份的因素层模糊评价集R2(表3),准则层模糊评价集R1(表4)、目标层模糊评价集B(表5)及生态安全综合指数(表6)。由表6、图1可知:(1)从目标层来看,洞庭湖区2001年、2005年和2010年的生态安全综合指数分别为0.594、0.534和0.512,生态安全等级均属一般,且呈下降趋势,生态安全状况不容乐观,必须引起高度重视。(2)从准则层来看,2001~2010年生态结构与功能的安全等级属于较好,生态胁迫的安全等级属于一般,并且两者的安全指数均呈现明显下降趋势,分别由2001年的0.684和0.504下降为2010年的0.622和0.405。可见,洞庭湖区生态系统的结构遭受了破坏、功能日趋衰退,生态系统外界环境的胁迫作用正在不断加强,这与湖区工业化和城市化进程加速,以及人类不合理利用方式所造成的生态环境问题紧密相关。(3)从因素层来看,2001~2010年10个评价因子中没有出现恶劣等级,并且有生态组分活力指数呈现小幅上升,这与区域内实施“退耕还林还草”等措施有关;但是不容忽视的是其它9个因子的安全指数均呈现下降趋势,其中低生态组分覆盖率、水土流失率和区域开发指数等因子下降幅度较大,均达30%以上,验证了湖区社会经济活动对土地利用类型和利用方式不尽合理,水土流失和湖泊湿地功能退化等生态破坏现象仍然相当严重。同时,也说明所选取的指标具有代表性,计算方法可行。4.2恶化趋势预警在洞庭湖区2001~2010年生态安全评价的基础上,根据预警模型分别进行状态预警和动态预警分析,结果见表7。(1)状态预警。从目标层来看,2001年、2005年和2010年3个时相的生态安全处于轻警状态,尚未出现重警状况;从准则层来看,生态结构与功能处于较安全状态,生态胁迫处于轻警状态;从因素层来看,3个时相评价因素处于安全状态个数比为3∶2∶2,较安全状态个数比为1∶1∶1,轻警状态个数比为6∶3∶2,中警状态的个数比为0∶4∶5。由此可以看出,2005年相对于2001年生态安全指数下降的比较快,中警个数增至4个,警情恶化明显;2010年相对于2005年,气候变化指数出现中警,其它9个因子的警情没有发生变化,但是它们的生态安全指数仍呈下降趋势,与近些年洞庭湖区气候变化异常和生态系统遭受人为干扰加深的现实相符。(2)动态预警。相对于2001年,2005年生态安全综合指数下降了0.06,进入恶化趋势和速度预警状态。其中,生态结构与功能和生态胁迫指数分别下降了0.042和0.078,生态结构与功能出现了恶化趋势预警,生态胁迫出现了恶化趋势预警和恶化速度预警;高生态组分重要值等6个因素同时出现了恶化趋势预警和恶化速度预警,其中低生态组分覆盖率、水土流失率和区域开发指数下降最快,均达0.1以上;湖泊湿地面积比例和人口密度出现了恶化趋势预警,其它2个因素未出现警情。相对于2005年,2010年生态安全综合指数下降0.022,进入恶化趋势预警状态。其中,生态结构与功能和生态胁迫指数分别下降0.02和0.021,均出现了恶化趋势预警;除生态组分活力指数以外,其它9个因素均出现了恶化趋势预警,并且气候变化指数和区域开发指数出现了恶化速度预警。相对于2010年,2015年生态安全综合指数下降0.009,尚未进入恶化趋势和速度预警状态。其中,生态胁迫指数下降0.024,出现了恶化趋势预警,气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数出现恶化趋势预警,其它6个因素均未出现警情。分析表明,从2001年到2015年,洞庭湖区生态安全警情呈现不同程度的恶化趋势,尤其是气候变化指数、水土流失率、人口密度和区域开发指数一直处于恶化趋势预警状态,可以看出气候变化异常和人类社会经济活动对生态系统的胁迫作用明显。因此,应及时调整土地利用类型和改变利用方式,控制人口增长和提高人口素质,合理布局开发,优化产业结构,继续推进“退耕还林还草”、“退田还湖平垸”等生态治理和恢复措施,降低生态环境压力。5生态危害程度及警情状态(1)2001年、2005年和2010年3个时相的洞庭湖区生态安全等级均属一般,且呈下降趋势;生态结构与功能的安全等级属于较好,生态胁迫的安全等级属于一般,但是两者的安全指数均呈现明显下降趋势;10个评价因子中有9个因子的安全指数呈现下降趋势,可见生态的可持续性受到挑战。造成这种现象的主要原因是区域开发进程加快,人类不合理的土地利用类型和利用方式,加之气候的异常变化,构成了湖区生态危害。(2)从静态上来看,洞庭湖区生态安全处于轻警状态,尚未出现重警状况,生态胁迫和生态结构与功能分别处于轻警和较安全状态;但3个时相的各个因素层的警情差异明显,警情恶化最明显的是低生态组分覆盖率、气候变化指数、水土流失率和区域开发指数。从动态上来看,洞庭湖区生态安全2005年相对于2001年进入恶化趋势和速度预警;2010年相对于2005年进入恶化趋势预警;预测2015年不会进入恶化趋势和速度预警。综合来看,气候变化