基于物元模型的土地生態(tài)安全預(yù)警研究

基于物元模型的土地生態(tài)安全預(yù)警研究

生態(tài)安全是21世紀人類社會可持續(xù)發(fā)展的新課題。生態(tài)安全不僅是當(dāng)前地學(xué)、資源與環(huán)境科學(xué)、也是生態(tài)學(xué)的前沿任務(wù)和主要的應(yīng)用領(lǐng)域,同時也是國家安全和社會穩(wěn)定的一個重要組成部分。保障國家和區(qū)域的生態(tài)安全,是生態(tài)保護的首要任務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的變化有一個從量變到質(zhì)變的過程,為了確保生態(tài)安全,就必須對生態(tài)安全系統(tǒng)預(yù)警研究。生態(tài)安全預(yù)警作為生態(tài)安全研究和環(huán)境預(yù)警的研究內(nèi)容,具有為環(huán)境整治和生態(tài)建設(shè)服務(wù)的科學(xué)功能和基礎(chǔ)功能[2~4],是生態(tài)安全研究的一個重要方面。生態(tài)安全預(yù)警是隨著可持續(xù)發(fā)展概念的提出而提出的,國際上自1975年建立全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(GEMS)開始,對生態(tài)安全預(yù)警研究與方法做了廣泛地研究,其主要任務(wù)就是監(jiān)測全球環(huán)境并對環(huán)境組成要素的狀況進行定期評價、監(jiān)測,實施比較、排序和預(yù)警。歐美國家和國際性組織分別從側(cè)面開始對生態(tài)安全系統(tǒng)進行了單項和綜合預(yù)警體系的研究。我國生態(tài)安全預(yù)警研究近年來迅速興起并日益受到學(xué)術(shù)界的重視,主要是在生態(tài)環(huán)境預(yù)警方面進行了有益地、探索性的研究,從不同角度對生態(tài)預(yù)警的理論和方法做了深入地探討,生態(tài)環(huán)境預(yù)警的理論也不斷完善,方法和手段不斷更新。目前生態(tài)預(yù)警已從單項預(yù)警發(fā)展到綜合預(yù)警,從專題預(yù)警發(fā)展到區(qū)域預(yù)警[7~10]。這些成果為我國生態(tài)環(huán)境預(yù)警理論的發(fā)展和技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但預(yù)警在土地生態(tài)安全研究中的應(yīng)用則很少有報道。位于長江中下游的鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū),是我國重要的商品糧基地和江西省重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū),其土地生態(tài)安全狀況不僅對整個江西省鄱陽湖地區(qū)產(chǎn)生影響,而且對長江中下游地區(qū)產(chǎn)生影響。然而近年來,隨著人類活動的加劇和對土地不合理的開發(fā)利用,直接威脅著江西省乃至整個長江中下游地區(qū)的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。而且這種變化或退化往往產(chǎn)生于人類作用于它之后,當(dāng)其到達一定的程度時,就難以逆轉(zhuǎn),對土地生態(tài)安全造成威脅。土地生態(tài)安全預(yù)警可以起到防范于未然的作用,是維護土地生態(tài)安全并控制土地生態(tài)系統(tǒng)惡化的有效辦法。因此,開展鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)安全預(yù)警研究,對于建設(shè)、維護和管理土地生態(tài)系統(tǒng)以及制定和實施區(qū)域社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境和土地的可持續(xù)利用都具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。為此,本文基于物元模型,構(gòu)建了鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警研究的指標體系,并對其土地生態(tài)安全的警情狀況進行研究,旨在為土地生態(tài)安全預(yù)警提供另一種可行途徑。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1江、鷹潭、東北部、東北部鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)(27°30′~30°06′N,114°29′~117°42′E)地處長江中下游南岸、江西省北部,包括南昌、九江、鷹潭、撫州、景德鎮(zhèn)、新余6個設(shè)區(qū)市和25個縣(市),共31個縣(市、區(qū))(圖1)。該區(qū)屬典型的亞熱帶濕潤性季風(fēng)型氣候,年均氣溫18℃,年均日照總輻射量為406.9~479.3kJ/km2,年均日照時數(shù)為1473.3~2077.5h,年均降水量1350~1900mm。2007年全區(qū)總?cè)丝跒?977.61萬,其中,城鎮(zhèn)人口850.38萬,鄉(xiāng)村人口1127.23萬。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1主成分分析法對于土地生態(tài)安全預(yù)警研究指標的選取,采用主成分分析方法。主成分分析法的計算步驟為:對樣本數(shù)據(jù)進行標準化;計算相關(guān)矩陣;求特征值和特征向量;求主成分。1.2.2可持續(xù)發(fā)展“響應(yīng)”PSR模型涵蓋了3類指標,即自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力指標、狀態(tài)指標以及社會響應(yīng)指標。壓力指標是指人類的社會經(jīng)濟活動給自然環(huán)境造成壓力的因素,是影響可持續(xù)發(fā)展的“負效應(yīng)”;狀態(tài)指標能夠反映當(dāng)前自然環(huán)境系統(tǒng)所處的狀態(tài)或趨勢,是“壓力”所產(chǎn)生的結(jié)果,也是“響應(yīng)”所要達到的目的;響應(yīng)指標體現(xiàn)了人們采取怎樣的措施來消除或減輕對自然環(huán)境的負面效應(yīng),防止生態(tài)環(huán)境的惡化,從而達到可持續(xù)發(fā)展的目的。PSR模型的這3類指標之間具有非常清晰的因果關(guān)系,能夠很好的反映人類活動、環(huán)境問題和政策措施之間的聯(lián)系,且該模型系統(tǒng)性強、靈活性大、可操作性也強,是目前被普遍應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評價研究的框架。1.2.3層次分析法的建立對于土地生態(tài)安全預(yù)警研究中評價指標權(quán)重的確定,采用層次分析法。層次分析法的主要步驟為:建立層次結(jié)構(gòu)模型;構(gòu)造判斷矩陣;層次單排序和計算權(quán)重;一致性檢驗;層次總排序。1.2.4利用物元模型進行評價的主要步驟設(shè)事物的名稱為M,它關(guān)于特征C的量值為X,以有序三元R=(M,C,X)組作為描述事物的基本元,簡稱物元。物元模型建立在可拓集合論和物元理論的基礎(chǔ)上,通過關(guān)聯(lián)函數(shù)反應(yīng)評價單元屬于某個級別的程度,抓住評價對象是一個高度模糊綜合體的本質(zhì),大大提高評價的精度。利用物元模型進行評價的主要步驟為:確定待評價物元;確定待評價經(jīng)典域;確定待評價節(jié)域;關(guān)聯(lián)函數(shù)的定義;確定評價等級。1.3人口密度指標的構(gòu)建在本研究所涉及到的20項土地生態(tài)預(yù)警指標中,指標可分為原始指標和構(gòu)建指標兩大類。原始指標如農(nóng)民人均收入等是通過查閱2001~2008年江西省統(tǒng)計年鑒獲得;通過原始指標復(fù)合計算得出構(gòu)建指標,如人口密度=人口數(shù)/轄區(qū)面積。運用最大離差法對指標進行無綱標準化處理,在此基礎(chǔ)上,選用綜合指數(shù)法計算預(yù)警指標的綜合值,然后再對土地生態(tài)安全警情進行分析。2建立土地生態(tài)安全應(yīng)急指標體系2.1psr指標體系本研究首先從最初選取的36項鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)預(yù)警指標中,通過主成分分析法,最后確定了20項指標(累積貢獻率大于85%);在此基礎(chǔ)上,從壓力指標、狀態(tài)指標、社會響應(yīng)指標3方面構(gòu)建了鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地安全預(yù)警的PSR指標體系(表1)。該指標體系按照“三級疊加,逐層收斂,統(tǒng)一排序”的層次分析方法,包含了目標層、準則層(B),準則層(A)(包括土地生態(tài)壓力、土地生態(tài)狀態(tài)和土地生態(tài)響應(yīng))、指標層共3個層次,20項指標:目標層以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全為目標,總體反映土地生態(tài)安全的程度和水平;準則層分為準則層(A)和準則響應(yīng)3個子系統(tǒng),準則層(B)則進一步細化,將土地生態(tài)壓力分解為人口壓力、社會經(jīng)濟壓力和環(huán)境壓力,土地生態(tài)狀態(tài)分解為土地利用情況和土地質(zhì)量狀況,土地生態(tài)響應(yīng)分解為環(huán)境治理響應(yīng)和經(jīng)濟改善響應(yīng);指標層為20項指標,是指標體系中最基本、最直接的層面。2.2評價指標的權(quán)重確定為了使評價結(jié)果能夠客觀、合理地反映鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的實際情況,采用層次分析法來確定各評價指標的權(quán)重(表1)。2.3土地生態(tài)安全預(yù)警標準選擇應(yīng)具有條件性在預(yù)警研究中,各個預(yù)警指標的實際值都需要與其標準值進行比較后才能標準化或規(guī)格化,因此,預(yù)警指標標準值的確定是劃分警戒線的前提,也是區(qū)域土地生態(tài)安全預(yù)警警度確定的基礎(chǔ)。預(yù)警指標標準值的確定既要考慮到土地生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量,又要反映人類活動以及區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響程度,為決策者確定發(fā)展目標和手段提供參考。參照國家標準、行業(yè)和地方規(guī)定的標準;區(qū)域的本底和背景標準;類比標準等來確定鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警指標的標準值。鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警指標的標準值見表1。3綜合分析，廣東生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土壤生態(tài)安全狀況3.1土地生態(tài)安全警度規(guī)劃在確定區(qū)域土地生態(tài)安全警度情況前,需要先確定警限,即劃分預(yù)警警戒線。警戒線是用來表示研究區(qū)域警情嚴重程度的分界線,決策者可以以此為依據(jù)確定土地生態(tài)安全的發(fā)展目標和手段。通常情況下,區(qū)域的土地生態(tài)安全警度分為5種情況,即無警、輕警、中警、重警和巨警。根據(jù)這個警度判別標準,結(jié)合各項預(yù)警指標的標準值,并參照相關(guān)論文確定的警限值,判定鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警警戒線,見表2所示。3.2綜合指數(shù)的計算綜合指數(shù)法,是指以一套合理的指標體系為基礎(chǔ),對其各項指標的標準值進行加權(quán)平均,計算出綜合值,綜合指數(shù)值越大,評價質(zhì)量就越好。因此,在確定各預(yù)警指標的標準化值以及權(quán)重后,就可以計算綜合指數(shù),計算公式如下。式中:ESCV代表區(qū)域土地生態(tài)安全綜合值;p(xi)代表各指標的標準化值;Wi代表各指標的權(quán)重值;n代表指標的項數(shù);i=1,2,3,…n。經(jīng)計算,鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全綜合值見表3。參考表2中所列出的土地生態(tài)安全警度判別標準,可以確定鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全的警度級別(表3)。3.3區(qū)域綜合指標經(jīng)過計算分析可以看出,2001~2008年,鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全的警情狀況有5a處于中警狀態(tài),2a處于重警狀態(tài),只有1a處于輕警狀態(tài)。2001~2008年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全綜合值變化情況見圖2。從圖中可以看出,2001~2005年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全情況逐漸惡化,2006~2008年開始慢慢好轉(zhuǎn)。2001年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全的警度級別屬于輕警,其土地生態(tài)安全綜合值為0.6645;2002年的警度級別屬于中警,其綜合值為0.5865;2003年的警度級別屬于中警,其綜合值為0.5238;2004年的警度級別屬于中警,其綜合值為0.4401;2005年的警度級別屬于重警,其綜合值為0.3772;2006年的警度級別屬于重警,其綜合值為0.3960;2007年的警度級別屬于中警,其綜合值為0.4405;2008年的警度級別屬于中警,其綜合值為0.4986。2001~2005年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)警情從輕警轉(zhuǎn)變?yōu)橹鼐?土地生態(tài)環(huán)境惡化。具體從系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)響應(yīng)3個這子系統(tǒng)的值來看,壓力值和狀態(tài)值則逐漸減小,而響應(yīng)值的變化不太明顯,因此綜合值逐漸減小。從具體的預(yù)警指標上看,這段時期內(nèi),鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的人口密度增大,人口壓力又開始加重;單位面積耕地農(nóng)藥和化肥負荷重,自然災(zāi)害受災(zāi)面積比例加大,水土流失現(xiàn)象嚴重。由于城鎮(zhèn)化步伐的加快,各項基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè),農(nóng)村企業(yè)快速發(fā)展,這一切帶來了GDP的增長,人民生活水平的提高,但也同時對土地生態(tài)環(huán)境帶來了負面影響,例如土壤侵蝕嚴重、水土流失面積擴大、土地退化現(xiàn)象顯著、生物多樣性減少等。與此同時,由于部門之間、單位之間經(jīng)濟利益以及其他多種原因,導(dǎo)致鄱陽湖在管理方面存在著諸多問題,如“各自為政”、“多頭管理”,再加上鄱陽湖的管理在法制建設(shè)和執(zhí)法力度方面還存在欠缺,致使鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)功能退化,卻沒有得到妥善治理。因此,2001~2005年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全綜合值逐年下降,生態(tài)環(huán)境問題形勢嚴峻。2006~2008年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)警情從重警轉(zhuǎn)變?yōu)橹芯?土地生態(tài)環(huán)境開始慢慢轉(zhuǎn)好。從系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)響應(yīng)3個這子系統(tǒng)的值來看,壓力值和狀態(tài)值逐漸增大,響應(yīng)值先減小后增大,綜合值逐漸增大。主要原因是,在這段時間內(nèi)城鎮(zhèn)化率逐漸提高,耕地糧食單產(chǎn)逐年增加,環(huán)保治理投資占GDP比例逐年增加;該地區(qū)又通過修建灌溉工程,完善配套的灌溉設(shè)備,使有效灌溉面積得到了進一步擴大,增加了耕地的抗旱能力;實施各種治坡工程、治溝工程、小型水利工程以及造林、種草和封山育林、育草活動等等,為水土保持提供了有力的保障,使水土流失面積比例逐漸縮小,森林覆蓋率逐漸增加。因此,在這一時期內(nèi),鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)安全綜合值逐年上升,生態(tài)環(huán)境慢慢好轉(zhuǎn),但由于土地生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞,恢復(fù)起來就相當(dāng)困難,因此,雖然2008年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全得到一定程度的好轉(zhuǎn),但仍然處于中警狀態(tài)。4土地生態(tài)安全警情分析本文以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)為研究區(qū)域,以P-S-R理論框架模型為基礎(chǔ),結(jié)合主成分分析法和層次分析法,選取了20項預(yù)警指標,構(gòu)建了鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全的預(yù)警指標體系,并確定了鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)在時間范圍內(nèi)所處的警度級別,對預(yù)警結(jié)果進行了綜合分析。運用最大離