熊建新,彭保發(fā),陳端呂,王亞力
(湖南文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,湖南 常德 415000)
洞庭湖區(qū)生態(tài)安全評價及預(yù)警分析
熊建新,彭保發(fā),陳端呂,王亞力
(湖南文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,湖南 常德 415000)
生態(tài)安全評價及預(yù)警是判定生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)承載和制定預(yù)防措施的重要依據(jù)。采用層次模糊綜合評價模型對洞庭湖區(qū)2001~2010生態(tài)安全進行評價,利用狀態(tài)預(yù)警和動態(tài)預(yù)警模型進行預(yù)警分析。結(jié)果表明:(1)洞庭湖區(qū)3個時相的生態(tài)安全綜合指數(shù)介于0.4~0.6之間,安全等級均屬一般,且呈下降趨勢。(2)靜態(tài)上,洞庭湖區(qū)3個時相的生態(tài)安全處于輕警狀態(tài),但各因素層的警情差異明顯,其中惡化最明顯的是低生態(tài)組分覆蓋率、氣候變化指數(shù)、水土流失率和區(qū)域開發(fā)指數(shù),均處于中警狀態(tài)。(3)動態(tài)上,生態(tài)安全綜合指數(shù)2005年相對于2001年下降了0.06,進入惡化趨勢和速度預(yù)警狀態(tài),2010年相對于2005年下降0.022,進入惡化趨勢預(yù)警狀態(tài),2015年相對于2010下降0.009,尚未進入惡化趨勢和速度預(yù)警狀態(tài);氣候變化指數(shù)、水土流失率、人口密度和區(qū)域開發(fā)指數(shù)一直處于惡化趨勢預(yù)警狀態(tài)。(4)洞庭湖區(qū)氣候異常變化與人類社會經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)的雙重脅迫作用明顯,且不斷增強,是導(dǎo)致生態(tài)安全警情變化的最直接驅(qū)動因素。
生態(tài)安全;評價;預(yù)警;層次模糊綜合模型;洞庭湖區(qū)
自1989年IASA首次提出生態(tài)安全概念以來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞生態(tài)安全的概念及生態(tài)安全與國家安全、可持續(xù)發(fā)展和全球化的相互關(guān)系展開了廣泛研究[1-3]。國外研究主要從宏觀上圍繞環(huán)境變化開展了生態(tài)的經(jīng)驗性、綜合性以及內(nèi)在關(guān)系的研究。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)安全的研究較短,但發(fā)展較快,已成為環(huán)境科學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科研究的熱點。專家與學(xué)者在生態(tài)安全評價體系構(gòu)建[4-5]、評價方法選擇[6-8]和評價模型構(gòu)建[9-11]等方面取得了一定研究成果,但對生態(tài)安全評價與預(yù)警的研究還相當(dāng)薄弱[12-13]。因此,對生態(tài)安全評價與預(yù)警進行研究,可以客觀地反映人類社會經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾、預(yù)測及治理,促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值。洞庭湖區(qū)生態(tài)安全已成為學(xué)術(shù)界和各級政府最為關(guān)注的熱點和重點。目前,湖南省委、省政府已經(jīng)提出,在“十二五”期間將環(huán)洞庭湖區(qū)打造為國家級生態(tài)經(jīng)濟圈[14];學(xué)術(shù)界在洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)安全評價[15]、生態(tài)系統(tǒng)能值演變和服務(wù)價值評估[16-17]、生態(tài)足跡評價[18]等方面進行了相應(yīng)研究,而洞庭湖區(qū)的生態(tài)安全預(yù)警則鮮見報道。因此,對洞庭湖區(qū)生態(tài)安全進行預(yù)警分析,客觀反映洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)運行與發(fā)展中的可持續(xù)性,為洞庭湖區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)和參考價值。
洞庭湖區(qū)地處長江中游荊江南岸,地跨湘、鄂 兩 省, 地 理 坐 標(biāo) 約 為 28°44′N ~ 29°35′N、111°53′E ~ 113°05′E,介于長江東西不同景觀生態(tài)的過渡地帶,占據(jù)長江中下游最敏感又最脆弱的生態(tài)區(qū)位,大部分地區(qū)的海拔高度不到50 m,土地面積的85%以上在湖南省轄境內(nèi)[19]。本文研究范圍界定為岳陽、常德和益陽3個地級市的21個縣市、區(qū),其土地面積3.2×104km2,人口1.5×107,分別占湖南省的15%和21%以上。湖區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,處在東南季風(fēng)與西南季風(fēng)交錯地帶,年平均降雨量1 200~1 450 mm,年平均氣溫16.5℃~17.0℃。河網(wǎng)密布,湘、資、沅、澧四水流經(jīng),水、土、生物等資源要素豐富。多年來,由于湖區(qū)自然環(huán)境的變遷和人類高強度持續(xù)開發(fā)利用,造成區(qū)域內(nèi)湖泊濕地萎縮嚴(yán)重,水體富營養(yǎng)化日趨明顯,水土流失、土地退化等生態(tài)環(huán)境問題突顯[20],已成為制約洞庭湖區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。
根據(jù)生態(tài)安全評價的整體性原則、層次性原則和區(qū)域性原則[13],參考中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系[21],結(jié)合洞庭湖區(qū)自然和社會經(jīng)濟概況,運用層次分析法建立生態(tài)安全評價與預(yù)警指標(biāo)體系(表1)。其中,高生態(tài)組分要素為林地、牧草地和沼澤地,重要值=(頻度+密度+比例)/ 3×100,頻度=林地、牧草地和沼澤地的樣方數(shù)/總樣方數(shù),采用1 km×1 km的樣方進行采樣計算,密度=林地、牧草地和沼澤地的斑塊數(shù)/總斑塊數(shù),比例=林地、牧草地和沼澤地的面積/土地總面積[13];低生態(tài)組分要素為沙地、裸巖、石礫地及其他未利用土地,覆蓋率=(沙地面積+裸巖面積+石礫地面積+未利用土地面積)/土地總面積×100;生態(tài)組分活力指數(shù)為歸一化植被指數(shù)(NDVI)的平均值[22],時間選擇均為每年植被覆蓋信息較好的夏秋季;生物豐度指數(shù)根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T192—2006)來確定[23],指數(shù)值=(0.35×林地+0.21×草地+0.28×湖泊濕地+0.11×耕地+0.04×建筑用地+0.01×未利用土地);氣候變化指數(shù)=評價年平均氣溫-多年平均氣溫;景觀破碎化指數(shù)=平均斑塊數(shù)×(斑塊數(shù)-1)/總面積;區(qū)域開發(fā)指數(shù)=(農(nóng)田+居民點用地+工交建設(shè)用地)/土地總面積×100。生態(tài)安全評價因素等級采用五級制[13],結(jié)合專家打分,令評語集V={V1,V2,V3,V4,V5},分別代表{良好,較好,一般,較差,惡劣},由高到低表示生態(tài)安全程度,其限值如表1。
表 1 洞庭湖區(qū)生態(tài)安全評價與預(yù)警指標(biāo)體系Table 1 Index system of evaluation and forewarning of ecological security for Dongting lake region
利用ERDAS和ArcGIS軟件對洞庭湖區(qū)2001~2010年遙感影像進行解譯和信息處理,提取洞庭湖區(qū)各地類空間分布信息,涉及人類社會經(jīng)濟的指標(biāo)數(shù)據(jù)主要通過統(tǒng)計年鑒、氣象局、林業(yè)局等職能部門提供的數(shù)據(jù)獲得。采用層次分析法,通過發(fā)放專家調(diào)查表,計算出權(quán)值,確立各評價因素的權(quán)重集W,結(jié)果為:因素層對準(zhǔn)則層的權(quán)重集 W21=(0.205,0.163,0.212,0.197,0.223),W22=(0.234,0.185,0.191,0.191,0.199), 準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重集W1=(0.50,0.50)。
層次模糊綜合評價是建立在層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一種預(yù)測和評價方法,特別適合解決既有模糊性、隨機性,又有可確定性的實際問題?;趯哟畏治鏊_定的評價因素等級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值,運用模糊數(shù)學(xué)原理,構(gòu)建模糊評價矩陣,通過多層次的隸屬函數(shù)運算,最終確定評價對象的所屬等級。構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型時,要求各層中所考慮的因素必須滿足獨立性,不存在依賴關(guān)系,評價模型為:B=W·R,式中,B為模糊評價集,“·”是模糊綜合運算符,模糊數(shù)學(xué)中稱為模糊算子,本文采取“乘與加算子”[24]。為了能夠?qū)ι鷳B(tài)安全做出定量評價,把評語集定量化為V=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1)。利用2001~2010年數(shù)據(jù),經(jīng)過多層模糊計算,依次得到因素層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的模糊評價集,最后采用J=BV算出生態(tài)安全綜合指數(shù),指數(shù)值越大,安全性越好。2015年J值采用時間序列(2001~2010)進行自回歸預(yù)測。
(1)狀態(tài)預(yù)警
狀態(tài)預(yù)警是根據(jù)生態(tài)安全綜合評價所得到的生態(tài)安全綜合指數(shù)界定其安全等級,據(jù)此對不良生態(tài)安全狀態(tài)進行預(yù)警,它是一種對生態(tài)安全警情的靜態(tài)描述與定位。其數(shù)學(xué)表述為[13]:Y{J1<J(t)<J2}≥α,式中J(t)為生態(tài)安全指數(shù)值,參數(shù)Ji表示狀態(tài)預(yù)警時生態(tài)安全等級的臨界值,預(yù)警約束條件一般規(guī)定α=80%。生態(tài)安全綜合指數(shù)與預(yù)警等級關(guān)系見表2,共分為五個警區(qū)[13],綜合指數(shù)越高,表明生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力越強,生態(tài)狀況越安全;反之越惡劣。
表 2 生態(tài)安全綜合指數(shù)與預(yù)警等級關(guān)系Table 2 Relation between ecological security index and forewarning grade
(2)動態(tài)預(yù)警
動態(tài)預(yù)警是指在具有一定時間跨度的不同時段內(nèi),生態(tài)安全狀況即使尚未達(dá)到惡化或危害程度,但其動態(tài)變化狀況發(fā)生了相對異常,需引起警戒的情況,包括惡化趨勢預(yù)警和惡化速度預(yù)警。其數(shù)學(xué)表述為[13]:
惡化趨勢預(yù)警(T):Y{J(T)<J(t),|J(T)- J(t)|>ΔJt}≥α,惡化速度預(yù)警(V):Y{J(T)<J(t),|J(T)- J(t)|/(T-t)>ΔJs}≥ α。式中,J(T)和J(t)分別為不同預(yù)警時段的生態(tài)安全指數(shù),ΔJt和ΔJs分別表示惡化趨勢預(yù)警和惡化速度預(yù)警時生態(tài)安全指數(shù)值在時段Δt內(nèi)變化速率的臨界值,根據(jù)預(yù)警時間間隔、區(qū)域差異和環(huán)境管理要求分別確定為0.02和0.01,α=80%為預(yù)警約束條件。
運用層次模糊綜合評價模型計算的生態(tài)安全綜合指數(shù)見圖1。為了便于對比分析,選取研究時段中2001年、2005年和2010年3個典型年份的因素層模糊評價集R2(表3),準(zhǔn)則層模糊評價集R1(表4)、目標(biāo)層模糊評價集B(表5)及生態(tài)安全綜合指數(shù)(表6)。由表6、圖1可知:(1)從目標(biāo)層來看,洞庭湖區(qū)2001年、2005年和2010年的生態(tài)安全綜合指數(shù)分別為0.594、0.534和0.512,生態(tài)安全等級均屬一般,且呈下降趨勢,生態(tài)安全狀況不容樂觀,必須引起高度重視。(2)從準(zhǔn)則層來看,2001~2010年生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的安全等級屬于較好,生態(tài)脅迫的安全等級屬于一般,并且兩者的安全指數(shù)均呈現(xiàn)明顯下降趨勢,分別由2001年的0.684和0.504下降為2010年的0.622和0.405??梢?,洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遭受了破壞、功能日趨衰退,生態(tài)系統(tǒng)外界環(huán)境的脅迫作用正在不斷加強,這與湖區(qū)工業(yè)化和城市化進程加速,以及人類不合理利用方式所造成的生態(tài)環(huán)境問題緊密相關(guān)[20]。(3)從因素層來看,2001~2010年10個評價因子中沒有出現(xiàn)惡劣等級,并且有生態(tài)組分活力指數(shù)呈現(xiàn)小幅上升,這與區(qū)域內(nèi)實施“退耕還林還草”等措施有關(guān);但是不容忽視的是其它9個因子的安全指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢,其中低生態(tài)組分覆蓋率、水土流失率和區(qū)域開發(fā)指數(shù)等因子下降幅度較大,均達(dá)30%以上,驗證了湖區(qū)社會經(jīng)濟活動對土地利用類型和利用方式不盡合理,水土流失和湖泊濕地功能退化等生態(tài)破壞現(xiàn)象仍然相當(dāng)嚴(yán)重[20]。同時,也說明所選取的指標(biāo)具有代表性,計算方法可行。
在洞庭湖區(qū)2001~2010年生態(tài)安全評價的基礎(chǔ)上,根據(jù)預(yù)警模型分別進行狀態(tài)預(yù)警和動態(tài)預(yù)警分析,結(jié)果見表7。
圖1 洞庭湖區(qū)生態(tài)安全綜合指數(shù)(2001~2010)Fig. 1 Aggregative index of ecological security in Dongting lake region from 2001 to 2010)
表 3 因素層模糊評價集R2Table 3 Fuzzy evaluation set R2 of factor layer
表 4 準(zhǔn)則層模糊評價集R1Table 4 Fuzzy evaluation set R1 of standard layer
表5 目標(biāo)層模糊評價集BTable 5 Fuzzy evaluation set B of object layer
表 6 洞庭湖區(qū)3個時相的生態(tài)安全綜合指數(shù)及安全等級Table 6 Complex index of ecological security and security grade for Dongting lake region(3 time phase)
表 7 洞庭湖區(qū)生態(tài)安全狀態(tài)預(yù)警和動態(tài)預(yù)警警情Table 7 Alert levels of state warning and dynamic warning of ecological security for Dongting lake region
(1)狀態(tài)預(yù)警。從目標(biāo)層來看,2001年、2005年和2010年3個時相的生態(tài)安全處于輕警狀態(tài),尚未出現(xiàn)重警狀況;從準(zhǔn)則層來看,生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能處于較安全狀態(tài),生態(tài)脅迫處于輕警狀態(tài);從因素層來看,3個時相評價因素處于安全狀態(tài)個數(shù)比為3∶2∶2,較安全狀態(tài)個數(shù)比為1∶1∶1,輕警狀態(tài)個數(shù)比為6∶3∶2,中警狀態(tài)的個數(shù)比為0∶4∶5。由此可以看出,2005年相對于2001年生態(tài)安全指數(shù)下降的比較快,中警個數(shù)增至4個,警情惡化明顯;2010年相對于2005年,氣候變化指數(shù)出現(xiàn)中警,其它9個因子的警情沒有發(fā)生變化,但是它們的生態(tài)安全指數(shù)仍呈下降趨勢,與近些年洞庭湖區(qū)氣候變化異常和生態(tài)系統(tǒng)遭受人為干擾加深的現(xiàn)實相符[20]。
(2)動態(tài)預(yù)警。相對于2001年,2005年生態(tài)安全綜合指數(shù)下降了0.06,進入惡化趨勢和速度預(yù)警狀態(tài)。其中,生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能和生態(tài)脅迫指數(shù)分別下降了0.042和0.078,生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警,生態(tài)脅迫出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警和惡化速度預(yù)警;高生態(tài)組分重要值等6個因素同時出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警和惡化速度預(yù)警,其中低生態(tài)組分覆蓋率、水土流失率和區(qū)域開發(fā)指數(shù)下降最快,均達(dá)0.1以上;湖泊濕地面積比例和人口密度出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警,其它2個因素未出現(xiàn)警情。相對于2005年,2010年生態(tài)安全綜合指數(shù)下降0.022,進入惡化趨勢預(yù)警狀態(tài)。其中,生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能和生態(tài)脅迫指數(shù)分別下降0.02和0.021,均出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警;除生態(tài)組分活力指數(shù)以外,其它9個因素均出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警,并且氣候變化指數(shù)和區(qū)域開發(fā)指數(shù)出現(xiàn)了惡化速度預(yù)警。相對于2010年,2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)下降0.009,尚未進入惡化趨勢和速度預(yù)警狀態(tài)。其中,生態(tài)脅迫指數(shù)下降0.024,出現(xiàn)了惡化趨勢預(yù)警,氣候變化指數(shù)、水土流失率、人口密度和區(qū)域開發(fā)指數(shù)出現(xiàn)惡化趨勢預(yù)警,其它6個因素均未出現(xiàn)警情。分析表明,從2001年到2015年,洞庭湖區(qū)生態(tài)安全警情呈現(xiàn)不同程度的惡化趨勢,尤其是氣候變化指數(shù)、水土流失率、人口密度和區(qū)域開發(fā)指數(shù)一直處于惡化趨勢預(yù)警狀態(tài),可以看出氣候變化異常和人類社會經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫作用明顯。因此,應(yīng)及時調(diào)整土地利用類型和改變利用方式,控制人口增長和提高人口素質(zhì),合理布局開發(fā),優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),繼續(xù)推進“退耕還林還草”、“退田還湖平垸”等生態(tài)治理和恢復(fù)措施,降低生態(tài)環(huán)境壓力。
(1)2001年、2005年和2010年3個時相的洞庭湖區(qū)生態(tài)安全等級均屬一般,且呈下降趨勢;生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的安全等級屬于較好,生態(tài)脅迫的安全等級屬于一般,但是兩者的安全指數(shù)均呈現(xiàn)明顯下降趨勢;10個評價因子中有9個因子的安全指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢,可見生態(tài)的可持續(xù)性受到挑戰(zhàn)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是區(qū)域開發(fā)進程加快,人類不合理的土地利用類型和利用方式,加之氣候的異常變化,構(gòu)成了湖區(qū)生態(tài)危害。
(2)從靜態(tài)上來看,洞庭湖區(qū)生態(tài)安全處于輕警狀態(tài),尚未出現(xiàn)重警狀況,生態(tài)脅迫和生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能分別處于輕警和較安全狀態(tài);但3個時相的各個因素層的警情差異明顯,警情惡化最明顯的是低生態(tài)組分覆蓋率、氣候變化指數(shù)、水土流失率和區(qū)域開發(fā)指數(shù)。從動態(tài)上來看,洞庭湖區(qū)生態(tài)安全2005年相對于2001年進入惡化趨勢和速度預(yù)警;2010年相對于2005年進入惡化趨勢預(yù)警;預(yù)測2015年不會進入惡化趨勢和速度預(yù)警。綜合來看,氣候變化指數(shù)、水土流失率、人口密度和區(qū)域開發(fā)指數(shù)一直處于惡化趨勢預(yù)警狀態(tài),表明洞庭湖區(qū)氣候異常變化與人類社會經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫作用明顯,是導(dǎo)致生態(tài)安全警情變化的最直接驅(qū)動因素。
(3)采用層次模糊綜合評價模型對洞庭湖區(qū)生態(tài)安全進行評價,并利用狀態(tài)預(yù)警和動態(tài)預(yù)警模型進行預(yù)警分析,能夠客觀地反映和預(yù)測出洞庭湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。這種方法適應(yīng)面廣、科學(xué)可行,但由于洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,生態(tài)安全的影響因素較多,從長時間尺度、多評價指標(biāo)和更適宜的評價和預(yù)警方法去研究生態(tài)安全,將具有更為重大的影響力和現(xiàn)實意義,成為課題進一步深入研究的方向。
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Forewarning and evaluation of ecological security in Dongting lake region
XIONG Jian-xin, PENG Bao-fa, CHEN Duan-lv, WANG Ya-li
(Resources Environment and Tourism College, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China)
Evaluation and forewarning of ecological security are important bases to determine ecosystem sustainable loadsupporting and formulate preventive measures. By using the hierarchy fuzzy comprehensive evaluation model, the ecological security of Dongting lake region from 2001 to 2010 was to evaluated, and by adopting state warning and dynamic warning model, the forewarning analysis for the region was conducted. The results show (1)The ecological security level of Dongting lake region in three time phases belonged to the general level, and showed a gradually decreasing trend, the aggregate indexes of ecological security were between 0.4 and 0.6.(2) Statically, the ecological security level of Dongting lake region in three time phases were in lower alert state, but the alert situations among the factor layers has signif i cant differences, of them, the low ecological component coverage, lake wetland area ratio, climate change index, soil and water wastage rate and regional development index worsened most obviously, and were in medium alert state.(3) Dynamically, the ecological security index in 2005 compared to in 2001 dropped by 0.06, and entered the trend of worsening and speed warning state; that in 2010 compared to in 2005 declined 0.022, entered the trend of worsening warning state; 2015 compared to 2010 fell 0.009, didn’t enter the trend of worsening and speed warning state; the climate change index, soil and water wastage rate, population density and regional development index have been in a worsening trend alert status. (4) The double stress actions of human social and economic activities and abnormal climate changes to the Dongting lake region ecosystem were obvious and enhanced constantly, which are the most direct driving factors causing the ecological security deterioration.
ecological security; evaluation; forewarning; hierarchical fuzzy comprehensive model; Dongting lake region
S718.5
A
1673-923X(2013)10-0114-06
2013-03-04
教育部人文社科規(guī)劃基金項目 (12YJAZH166、12YJAZH146);湖南省哲學(xué)社會科學(xué)基金項目 (11JD53);湖南省科技廳計劃項目(2011NK3047)
熊建新(1970-),男,湖南常德人,副教授,碩士,主要從事區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和學(xué)科教學(xué)論的教學(xué)科研工作;
E-mail:xjx1108@163.com
[本文編校:吳 彬]