郭永杰，米文寶，2，趙 瑩，鄭 芳

（1.寧夏大學 資源環(huán)境學院，銀川 750021；2.寧夏大學 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，銀川 750021）

自1989年國際應用系統(tǒng)分析研究所提出生態(tài)安全概念以來［1－2］，學者們對生態(tài)安全進行了系列的理論以及實證研究。研究涉及的對象眾多:蒙曉等［3］對寶雞市的城市生態(tài)安全進行了綜合評價，并就其未來10a的發(fā)展進行了動態(tài)預測；鄧楚雄等［4］研究了上海市農(nóng)業(yè)的生態(tài)安全發(fā)展，分析了影響農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的主要障礙因素；孫彩歌等［5］利用遙感影像分析東江流域近20a的生態(tài)安全時空變化；此外，部分學者也對草原［6］、土地［7－9］、濕地［10］等對象的生態(tài)安全進行了定量評價。在構建生態(tài)安全指標體系的過程中因采用的模型不同而表現(xiàn)出差異性:楊春紅等［11］基于PSR模型研究了汕頭市土地生態(tài)安全的發(fā)展趨勢；楊俊等［12］則使用DPSRC模型構建指標體系，結合地信和遙感技術分析大連市生態(tài)安全的空間分異；張繼權等［13］在評價吉林省白山市的生態(tài)安全時采用DPSIR模型構造指標體系；DSR模型、DPSEEA模型在研究過程中也得到廣泛應用［14］；其中PSR模型從人類與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā)對生態(tài)指標進行分類，具有較強的系統(tǒng)性［15］，所以本文使用該模型進行生態(tài)安全評價。寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，進行生態(tài)安全的定量評價有利于和諧自然、經(jīng)濟、社會系統(tǒng)的關系，促進地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，本文使用PSR模型構建生態(tài)安全指標體系，結合熵值法對寧夏5個地級市的生態(tài)安全進行綜合評價，最后運用GM（1，1）模型對其未來的生態(tài)安全趨勢進行預測。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)處在中國西部的黃河上游地區(qū)，位于北緯35°14′—39°23′，東經(jīng)104°17′—107°39′，是我國五大省級自治區(qū)之一。寧夏包括五個地級市，分別為銀川市、吳忠市、石嘴山市、中衛(wèi)市、固原市。根據(jù)第六次全國人口普查統(tǒng)計，全區(qū)常住人口數(shù)約為630.14萬人。研究區(qū)地處我國半干旱與干旱區(qū)的過渡地帶，以年降水量200mm和400mm等值線為界，可以劃分為三大地理單元:北部屬于干旱區(qū)，中部屬于半干旱區(qū)，南端六盤山屬于半濕潤區(qū)。南北相距約456km，東西相距約250km，總面積約為5.19萬km2。寧夏周圍有毛烏素沙地，烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠三大沙漠，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國西部生態(tài)安全建設的重要屏障。

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

2.1.1 指標體系 PSR模型由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出，具體由壓力體系、狀態(tài)體系和響應體系三部分組成。結合寧夏自然環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，并借鑒相關學者的研究成果［16－17］，本文構建由目標層、項目層、因素層、指標層構成的合計20項指標:目標層（A）為生態(tài)安全度；項目層（B）由生態(tài)安全壓力（B1）、生態(tài)安全狀態(tài)（B2）和生態(tài)安全響應（B3）組成；生態(tài)安全壓力（B1）反映人類活動對自然、經(jīng)濟、社會帶來的壓力，具體包括人文社會壓力（C1）、資源壓力（C2）和環(huán)境壓力（C3）；生態(tài)安全狀態(tài)（B2）反映了資源（C4）、環(huán)境（C5）等的發(fā)展現(xiàn)狀；生態(tài)安全響應（B3）則顯示了人類面對問題采取的措施，具體包括人文社會響應（C6）、環(huán)境響應（C7）、經(jīng)濟政策響應（C8）；指標層（D）則是體現(xiàn)因素層各種壓力、狀態(tài)和響應的具體指標，是整個指標體系最基礎的部分（表1）。

表1 寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評價指標體系

2.1.2 數(shù)據(jù)來源 本文所涉及的指標數(shù)據(jù)來源于《寧夏統(tǒng)計年鑒》（2006—2012）、《寧夏水資源公報》（2005—2011）、《寧夏環(huán)境狀況公報》（2005—2011）、銀川市統(tǒng)計公報（2005—2011）、石嘴山市統(tǒng)計公報（2005—2011）、吳忠市統(tǒng)計公報（2005—2011）、固原市統(tǒng)計公報（2005—2011）、中衛(wèi)市統(tǒng)計公報（2005—2011）、以及寧夏國土部門和林業(yè)部門的相關資料、國研網(wǎng)寧夏分區(qū)造林面積（2005—2011）。

2.2 研究方法

2.2.1 綜合指數(shù)法 熵的概念來源于熱力學，是統(tǒng)計物理中描述分子運動無序狀態(tài)的量度。1948年Claude E.Shannon將其引入信息論（信息熵）中，作為系統(tǒng)無序程度（或系統(tǒng)中數(shù)值離散程度）的一種度量［18－19］。指標的信息熵越小，表明其離散程度越大，提供的信息量越多，權重也越大。反之，信息熵越大，表明其離散程度越小，提供的信息量越少，權重也越?。?0］。利用信息熵確定權重的具體步驟［21－23］:

（1）構造判斷矩陣，假設存在n個指標，m個研究對象，則可以構造一個m行n列的原始矩陣。對于本文而言，m取值為5，相當于寧夏5個地級市:銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市；n取值為20，相當于數(shù)據(jù)分析過程中選取的20項指標。

（2）矩陣歸一化為了方便數(shù)據(jù)的分析與處理，需要對原始矩陣進行無量綱化。無量綱化的方法有很多，文中采用的是極差法。

正向指標的計算公式為:

逆向指標的計算公式為:

式中:xij，Xij——第i年第j個指標的原值和標準化后的數(shù)值；xjmax，xjmin——Xij所在序列的最小值和最大值。

式中，k＞0，ej≥0，此處k＝1／lnm，使0≤ej≤1。

通過計算，2005—2011年寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評價指標權重計算結果詳見表2。

表2 指標體系權重

（7）計算生態(tài)安全度Zi:

其中，Zi∈（0，1）。Zi越大，說明生態(tài)安全度越高，反之越低。

2.2.2 GM（1，1）預測 GM（1，1）表示一階、一個變量的微分方程，是灰色系統(tǒng)理論中常用的預測模型［24］。具體的建模過程如下［25－27］:

設存在原始數(shù)據(jù)序列X（0）:

（1）對原始數(shù)據(jù)進行一次累加生成，得到新數(shù)列X（1）:

（2）構建累加矩陣B和常數(shù)項向量Y

則GM（1，1）模型的白化微分方程為:

（3）利用最小二乘法求解模型參數(shù)a，b:

（4）求解時間響應函數(shù):

（5）對上式進行累減還原，得到原始數(shù)列x（0）的時間響應函數(shù):

2.3 生態(tài)安全分級

參考相關學者的研究［28－29］，結合專家的咨詢意見，設計生態(tài)安全度分級表，共分為5個等級（表3）。

表3 寧夏生態(tài)安全分級

3 結果與分析

運用上述綜合指數(shù)法和GM（1，1）模型分別計算出2005—2011年期間、2012—2018年寧夏各市生態(tài)安全度的實際值和預測值，本研究還利用Excel直線圖（圖1）更加直觀顯示生態(tài)安全度的演變趨勢。

3.1 寧夏各市生態(tài)安全度的現(xiàn)狀分析

3.1.1 生態(tài)安全度的時間演變分析 圖1左半部分顯示，從整體上看，2005—2011年期間，固原市的生態(tài)安全狀況處在臨界安全的范圍內(nèi)。除固原市外，其他地區(qū)的生態(tài)安全狀況均處于不安全、很不安全的級別。除銀川市之外，石嘴山市、吳忠市、固原市以及中衛(wèi)市的生態(tài)安全度均呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。

圖1 2005－2018年寧夏各市生態(tài)安全度變化趨勢

銀川市的生態(tài)安全度在2005—2011年期間從0.278下降到0.201，幾乎每年都會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象；一方面，隨著銀川地區(qū)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口日益集聚，需水量持續(xù)增加，這都對本區(qū)域的生態(tài)安全造成很大的壓力；另一方面，寧東能源化工基地的建設以及大規(guī)模生產(chǎn)，為銀川的國民經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但是發(fā)展工業(yè)的同時必然會帶來“三廢”的產(chǎn)生，這會為本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。固原市的生態(tài)安全度在此期間呈波動上升趨勢，圖1左半部分可明顯看出，其上升幅度比其它四個地級市的幅度要大:固原地處寧夏南部黃土丘陵區(qū)，原本是生態(tài)脆弱地區(qū)，在寧夏主體功能區(qū)規(guī)劃中，大部分被劃定為限制開發(fā)和禁止開發(fā)區(qū)域［30］，隨著近些年此區(qū)域退耕還林還草、生態(tài)移民、生態(tài)補償?shù)纫幌盗猩鷳B(tài)工程的實施，取得了顯著的效果，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，增加人均收入，注重環(huán)境保護等措施都為此區(qū)域生態(tài)安全度的持續(xù)上升提供了動力。石嘴山市、吳忠市和中衛(wèi)市的生態(tài)安全度在圖1中十分接近，并且發(fā)展趨勢也十分相似，均在小幅度的波動中上升，但吳忠市的生態(tài)安全狀況一直處在很不安全的級別。

3.1.2 生態(tài)安全度的空間分異分析 總體上看，寧夏各市的生態(tài)安全度大致表現(xiàn)出固原市＞銀川市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞吳忠市，其中中衛(wèi)市、吳忠市生態(tài)安全度的相對位置在2008年、2009年兩年出現(xiàn)了變動，其余三市的位置均穩(wěn)定。意味著寧夏南部（固原市）、北部（銀川市，石嘴山市）的生態(tài)安全形式較好；而中部地區(qū)（中衛(wèi)市，吳忠市）的生態(tài)安全度偏低，生態(tài)問題嚴重，主要是由于其處于中部干旱風沙帶，降水稀少、荒漠化嚴重。

圖2反映了2005—2011年期間寧夏生態(tài)安全度的變化幅度，據(jù)此可以將其內(nèi)部劃分為三個類型。第一個類型為固原市和石嘴山市，生態(tài)安全度表現(xiàn)出上升趨勢，增長幅度均在0.02以上，具體分別為0.0294 ，0.0282 ；第二類為吳忠市和中衛(wèi)市，生態(tài)安全度雖然表現(xiàn)出上升趨勢但增長幅度介于0.01～0.02之間，具體分別為0.0137 ，0.0136 ；第三類為銀川市，生態(tài)安全度呈現(xiàn)下降趨勢，具體為－0.0770 。

圖2 2005－2011年寧夏各市生態(tài)安全變化

3.2 寧夏各市生態(tài)安全度的預測分析

圖1右半部分預測了2012—2018年期間寧夏各市的生態(tài)安全度發(fā)展趨勢。從時間尺度上看，除了銀川市之外，石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市的生態(tài)安全度仍表現(xiàn)出上升趨勢，表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉的跡象。圖1右半部分直觀顯示，銀川市的生態(tài)安全度一直呈下降趨勢，生態(tài)安全等級將從Ⅱ級逐漸下降到Ⅰ級，應繼續(xù)加強生態(tài)問題的解決力度；固原市一直處于臨界安全狀態(tài)并且呈現(xiàn)出持續(xù)好轉的趨勢；中衛(wèi)市的生態(tài)安全問題突出，始終處于Ⅰ級的范圍內(nèi)；此外，石嘴山市和吳忠市的生態(tài)安全度水平相近，發(fā)展趨勢都十分平緩。

從空間尺度上看，五市的生態(tài)安全格局發(fā)生了變化。2012年生態(tài)安全度呈現(xiàn)出固原市＞銀川市＞石嘴山市＞吳忠市＞中衛(wèi)市的空間特征，由于銀川市生態(tài)安全度的持續(xù)下降，從2013年開始轉變?yōu)楣淘校臼焐绞校俱y川市＞吳忠市＞中衛(wèi)市的特征。此外，對比2005—2011年的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，除了銀川市生態(tài)安全的相對位置發(fā)生變化以外，吳忠市的生態(tài)安全度開始穩(wěn)步高出中衛(wèi)市。圖3顯示了2012—2018年各市預測數(shù)據(jù)的變化幅度:固原市的生態(tài)安全度不斷上升，增長幅度為0.0923 ；石嘴山市和吳忠市的生態(tài)安全度雖然同樣在上升，但幅度不及固原市，具體分別為0.0211 ，0.0084 ；中衛(wèi)市和銀川市的生態(tài)安全度在下降，增長幅度分別為－0.0170 ，－0.0732 。

圖3 2011－2018年寧夏各市生態(tài)安全變化

4 結論

（1）2005—2011年期間，除銀川市之外，石嘴山市、吳忠市、固原市以及中衛(wèi)市的生態(tài)安全度均呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。固原市上升幅度（0.0294 ）最大，依次為石嘴山市（0.0282 ）、吳忠市（0.0137 ）、中衛(wèi)市（0.0136 ）、銀川市（－0.0770 ）。生態(tài)安全度整體表現(xiàn)出寧夏南部（固原市）＞北部（銀川市，石嘴山市）＞中部（吳忠市，中衛(wèi)市）的空間特征。

（2）根據(jù)GM（1，1）模型的預測結果可得出:銀川市不容樂觀，生態(tài)安全度一直呈下降趨勢，石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市的生態(tài)安全度仍表現(xiàn)出上升趨勢，表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉的跡象，而銀川市應繼續(xù)加強生態(tài)問題的解決力度。固原市生態(tài)安全度的上升幅度（0.0923 ）仍然最大，其次為石嘴山市（0.0211 ）、吳忠市（0.0084 ）、銀川市（－0.0732 ）、中衛(wèi)市（－0.0170 ）。生態(tài)安全度也逐漸轉變?yōu)楣淘校臼焐绞校俱y川市＞吳忠市＞中衛(wèi)市的空間分布特征。

隨著生態(tài)文明建設的提出，以及寧夏內(nèi)陸開放型經(jīng)濟試驗區(qū)的建立，寧夏繼西部大開發(fā)又迎來了一次生態(tài)建設和社會經(jīng)濟發(fā)展的機遇。在寧夏主體功能區(qū)劃定的背景下，探討本地區(qū)各市生態(tài)安全，對寧夏地區(qū)生態(tài)文明建設和內(nèi)陸開放型經(jīng)濟的發(fā)展提供有益的參考。文章在不同時間尺度下研究不同空間尺度的生態(tài)安全，并進行對比分析，用寧夏五個地級市最近7a的數(shù)據(jù)研究各區(qū)生態(tài)安全度，體現(xiàn)出寧夏各市生態(tài)安全現(xiàn)狀，探究影響寧夏各市生態(tài)安全建設的主要因素，結果符合寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全建設的基本情況。最后利用GM（1，1）模型進行了7a的預測，清晰地展現(xiàn)出寧夏地區(qū)各市未來生態(tài)安全的趨勢及變化。

生態(tài)安全是一個綜合復雜的系統(tǒng)，隨著社會人文、資源、環(huán)境、經(jīng)濟等不斷變化，生態(tài)安全的形勢也會變化，需長時間的觀測、研究。對寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全度的計算應拉長時間序列，評價結果會更客觀、合理。利用GM（1，1）模型進行預測結果具有一定的預見性，但時間尺度越大，預測結果也就越不精準，在以后對本地區(qū)生態(tài)安全研究中應改進方法，盡量減少誤差，使評價和預測結果更具參考價值。

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