基于物元模型的土地生态安全预警研究

基于物元模型的土地生态安全预警研究

生态安全是21世纪人类社会可持续发展的新课题。生态安全不仅是当前地学、资源与环境科学、也是生态学的前沿任务和主要的应用领域,同时也是国家安全和社会稳定的一个重要组成部分。保障国家和区域的生态安全,是生态保护的首要任务。生态系统状态的变化有一个从量变到质变的过程,为了确保生态安全,就必须对生态安全系统预警研究。生态安全预警作为生态安全研究和环境预警的研究内容,具有为环境整治和生态建设服务的科学功能和基础功能[2~4],是生态安全研究的一个重要方面。生态安全预警是随着可持续发展概念的提出而提出的,国际上自1975年建立全球环境监测系统(GEMS)开始,对生态安全预警研究与方法做了广泛地研究,其主要任务就是监测全球环境并对环境组成要素的状况进行定期评价、监测,实施比较、排序和预警。欧美国家和国际性组织分别从侧面开始对生态安全系统进行了单项和综合预警体系的研究。我国生态安全预警研究近年来迅速兴起并日益受到学术界的重视,主要是在生态环境预警方面进行了有益地、探索性的研究,从不同角度对生态预警的理论和方法做了深入地探讨,生态环境预警的理论也不断完善,方法和手段不断更新。目前生态预警已从单项预警发展到综合预警,从专题预警发展到区域预警[7~10]。这些成果为我国生态环境预警理论的发展和技术的应用奠定了基础。但预警在土地生态安全研究中的应用则很少有报道。位于长江中下游的鄱阳湖生态经济区,是我国重要的商品粮基地和江西省重要的经济发展区,其土地生态安全状况不仅对整个江西省鄱阳湖地区产生影响,而且对长江中下游地区产生影响。然而近年来,随着人类活动的加剧和对土地不合理的开发利用,直接威胁着江西省乃至整个长江中下游地区的社会经济可持续发展战略。而且这种变化或退化往往产生于人类作用于它之后,当其到达一定的程度时,就难以逆转,对土地生态安全造成威胁。土地生态安全预警可以起到防范于未然的作用,是维护土地生态安全并控制土地生态系统恶化的有效办法。因此,开展鄱阳湖生态经济区的土地生态安全预警研究,对于建设、维护和管理土地生态系统以及制定和实施区域社会经济、生态环境和土地的可持续利用都具有重要的理论意义和应用前景。为此,本文基于物元模型,构建了鄱阳湖生态经济区土地生态安全预警研究的指标体系,并对其土地生态安全的警情状况进行研究,旨在为土地生态安全预警提供另一种可行途径。1研究领域的总结和研究方法1.1江、鹰潭、东北部、东北部鄱阳湖生态经济区(27°30′~30°06′N,114°29′~117°42′E)地处长江中下游南岸、江西省北部,包括南昌、九江、鹰潭、抚州、景德镇、新余6个设区市和25个县(市),共31个县(市、区)(图1)。该区属典型的亚热带湿润性季风型气候,年均气温18℃,年均日照总辐射量为406.9~479.3kJ/km2,年均日照时数为1473.3~2077.5h,年均降水量1350~1900mm。2007年全区总人口为1977.61万,其中,城镇人口850.38万,乡村人口1127.23万。1.2学习方法1.2.1主成分分析法对于土地生态安全预警研究指标的选取,采用主成分分析方法。主成分分析法的计算步骤为:对样本数据进行标准化;计算相关矩阵;求特征值和特征向量;求主成分。1.2.2可持续发展“响应”PSR模型涵盖了3类指标,即自然生态系统的压力指标、状态指标以及社会响应指标。压力指标是指人类的社会经济活动给自然环境造成压力的因素,是影响可持续发展的“负效应”;状态指标能够反映当前自然环境系统所处的状态或趋势,是“压力”所产生的结果,也是“响应”所要达到的目的;响应指标体现了人们采取怎样的措施来消除或减轻对自然环境的负面效应,防止生态环境的恶化,从而达到可持续发展的目的。PSR模型的这3类指标之间具有非常清晰的因果关系,能够很好的反映人类活动、环境问题和政策措施之间的联系,且该模型系统性强、灵活性大、可操作性也强,是目前被普遍应用于生态环境评价研究的框架。1.2.3层次分析法的建立对于土地生态安全预警研究中评价指标权重的确定,采用层次分析法。层次分析法的主要步骤为:建立层次结构模型;构造判断矩阵;层次单排序和计算权重;一致性检验;层次总排序。1.2.4利用物元模型进行评价的主要步骤设事物的名称为M,它关于特征C的量值为X,以有序三元R=(M,C,X)组作为描述事物的基本元,简称物元。物元模型建立在可拓集合论和物元理论的基础上,通过关联函数反应评价单元属于某个级别的程度,抓住评价对象是一个高度模糊综合体的本质,大大提高评价的精度。利用物元模型进行评价的主要步骤为:确定待评价物元;确定待评价经典域;确定待评价节域;关联函数的定义;确定评价等级。1.3人口密度指标的构建在本研究所涉及到的20项土地生态预警指标中,指标可分为原始指标和构建指标两大类。原始指标如农民人均收入等是通过查阅2001~2008年江西省统计年鉴获得;通过原始指标复合计算得出构建指标,如人口密度=人口数/辖区面积。运用最大离差法对指标进行无纲标准化处理,在此基础上,选用综合指数法计算预警指标的综合值,然后再对土地生态安全警情进行分析。2建立土地生态安全应急指标体系2.1psr指标体系本研究首先从最初选取的36项鄱阳湖生态经济区土地生态预警指标中,通过主成分分析法,最后确定了20项指标(累积贡献率大于85%);在此基础上,从压力指标、状态指标、社会响应指标3方面构建了鄱阳湖生态经济区土地安全预警的PSR指标体系(表1)。该指标体系按照“三级叠加,逐层收敛,统一排序”的层次分析方法,包含了目标层、准则层(B),准则层(A)(包括土地生态压力、土地生态状态和土地生态响应)、指标层共3个层次,20项指标:目标层以鄱阳湖生态经济区土地生态安全为目标,总体反映土地生态安全的程度和水平;准则层分为准则层(A)和准则响应3个子系统,准则层(B)则进一步细化,将土地生态压力分解为人口压力、社会经济压力和环境压力,土地生态状态分解为土地利用情况和土地质量状况,土地生态响应分解为环境治理响应和经济改善响应;指标层为20项指标,是指标体系中最基本、最直接的层面。2.2评价指标的权重确定为了使评价结果能够客观、合理地反映鄱阳湖生态经济区的实际情况,采用层次分析法来确定各评价指标的权重(表1)。2.3土地生态安全预警标准选择应具有条件性在预警研究中,各个预警指标的实际值都需要与其标准值进行比较后才能标准化或规格化,因此,预警指标标准值的确定是划分警戒线的前提,也是区域土地生态安全预警警度确定的基础。预警指标标准值的确定既要考虑到土地生态环境的质量,又要反映人类活动以及区域土地生态系统服务功能的影响程度,为决策者确定发展目标和手段提供参考。参照国家标准、行业和地方规定的标准;区域的本底和背景标准;类比标准等来确定鄱阳湖生态经济区土地生态安全预警指标的标准值。鄱阳湖生态经济区土地生态安全预警指标的标准值见表1。3综合分析，广东生态经济区的土壤生态安全状况3.1土地生态安全警度规划在确定区域土地生态安全警度情况前,需要先确定警限,即划分预警警戒线。警戒线是用来表示研究区域警情严重程度的分界线,决策者可以以此为依据确定土地生态安全的发展目标和手段。通常情况下,区域的土地生态安全警度分为5种情况,即无警、轻警、中警、重警和巨警。根据这个警度判别标准,结合各项预警指标的标准值,并参照相关论文确定的警限值,判定鄱阳湖生态经济区土地生态安全预警警戒线,见表2所示。3.2综合指数的计算综合指数法,是指以一套合理的指标体系为基础,对其各项指标的标准值进行加权平均,计算出综合值,综合指数值越大,评价质量就越好。因此,在确定各预警指标的标准化值以及权重后,就可以计算综合指数,计算公式如下。式中:ESCV代表区域土地生态安全综合值;p(xi)代表各指标的标准化值;Wi代表各指标的权重值;n代表指标的项数;i=1,2,3,…n。经计算,鄱阳湖生态经济区土地生态安全综合值见表3。参考表2中所列出的土地生态安全警度判别标准,可以确定鄱阳湖生态经济区土地生态安全的警度级别(表3)。3.3区域综合指标经过计算分析可以看出,2001~2008年,鄱阳湖生态经济区土地生态安全的警情状况有5a处于中警状态,2a处于重警状态,只有1a处于轻警状态。2001~2008年鄱阳湖生态经济区土地生态安全综合值变化情况见图2。从图中可以看出,2001~2005年鄱阳湖生态经济区土地生态安全情况逐渐恶化,2006~2008年开始慢慢好转。2001年鄱阳湖生态经济区土地生态安全的警度级别属于轻警,其土地生态安全综合值为0.6645;2002年的警度级别属于中警,其综合值为0.5865;2003年的警度级别属于中警,其综合值为0.5238;2004年的警度级别属于中警,其综合值为0.4401;2005年的警度级别属于重警,其综合值为0.3772;2006年的警度级别属于重警,其综合值为0.3960;2007年的警度级别属于中警,其综合值为0.4405;2008年的警度级别属于中警,其综合值为0.4986。2001~2005年鄱阳湖生态经济区的土地生态警情从轻警转变为重警,土地生态环境恶化。具体从系统压力、系统状态和系统响应3个这子系统的值来看,压力值和状态值则逐渐减小,而响应值的变化不太明显,因此综合值逐渐减小。从具体的预警指标上看,这段时期内,鄱阳湖生态经济区的人口密度增大,人口压力又开始加重;单位面积耕地农药和化肥负荷重,自然灾害受灾面积比例加大,水土流失现象严重。由于城镇化步伐的加快,各项基础设施大量建设,农村企业快速发展,这一切带来了GDP的增长,人民生活水平的提高,但也同时对土地生态环境带来了负面影响,例如土壤侵蚀严重、水土流失面积扩大、土地退化现象显著、生物多样性减少等。与此同时,由于部门之间、单位之间经济利益以及其他多种原因,导致鄱阳湖在管理方面存在着诸多问题,如“各自为政”、“多头管理”,再加上鄱阳湖的管理在法制建设和执法力度方面还存在欠缺,致使鄱阳湖生态系统功能退化,却没有得到妥善治理。因此,2001~2005年鄱阳湖生态经济区土地生态安全综合值逐年下降,生态环境问题形势严峻。2006~2008年鄱阳湖生态经济区的土地生态警情从重警转变为中警,土地生态环境开始慢慢转好。从系统压力、系统状态和系统响应3个这子系统的值来看,压力值和状态值逐渐增大,响应值先减小后增大,综合值逐渐增大。主要原因是,在这段时间内城镇化率逐渐提高,耕地粮食单产逐年增加,环保治理投资占GDP比例逐年增加;该地区又通过修建灌溉工程,完善配套的灌溉设备,使有效灌溉面积得到了进一步扩大,增加了耕地的抗旱能力;实施各种治坡工程、治沟工程、小型水利工程以及造林、种草和封山育林、育草活动等等,为水土保持提供了有力的保障,使水土流失面积比例逐渐缩小,森林覆盖率逐渐增加。因此,在这一时期内,鄱阳湖生态经济区的土地生态安全综合值逐年上升,生态环境慢慢好转,但由于土地生态系统一旦遭到破坏,恢复起来就相当困难,因此,虽然2008年鄱阳湖生态经济区土地生态安全得到一定程度的好转,但仍然处于中警状态。4土地生态安全警情分析本文以鄱阳湖生态经济区为研究区域,以P-S-R理论框架模型为基础,结合主成分分析法和层次分析法,选取了20项预警指标,构建了鄱阳湖生态经济区土地生态安全的预警指标体系,并确定了鄱阳湖生态经济区土地生态系统在时间范围内所处的警度级别,对预警结果进行了综合分析。运用最大离