郭　閩, 黃　鵬, 何天友, 陳凌艷, 鄭郁善

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

基于PSR模型的城市生態(tài)安全動態(tài)評價——以福建省三明市為例

郭閩1, 黃鵬2, 何天友1, 陳凌艷1, 鄭郁善1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

摘要:運用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”概念模型分析福建省三明市生態(tài)安全程度以及空間分布規(guī)律.通過構(gòu)建生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，選擇出20個指標(biāo)，采用熵值法和層次分析法計算權(quán)重.研究主導(dǎo)城市生態(tài)安全的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境要素，評價2004年至2013年城市生態(tài)安全現(xiàn)狀及趨勢.結(jié)果表明，三明市的城市生態(tài)安全基本處于穩(wěn)定、上升趨勢，安全等級較高.

關(guān)鍵詞:生態(tài)安全; PSR; 熵權(quán)法; 動態(tài)評價

收稿日期：2014-02-26修回日期：2014-09-12

作者簡介:郭閩(1989-)，女，碩士研究生.研究方向:園林規(guī)劃.Email:578928862@qq.com.通訊作者鄭郁善(1960-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向:園林規(guī)劃.Email:zys1960@163.com.

中圖分類號:X171.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1671-5470(2015)01-0090-06

Abstract:The ecological security level and spatial distribution rules of Sanming City of Fujian Province were analyzed by the concept model of “press-state-response”. 20 indexes were selected by constructing the evaluation system of ecological safety, and the weight was calculated by the methods of entropy weight and hierarchy analysis. The critical indexes dominating urban ecological security were studied, and the urban ecological security of Sanming City from 2004 to 2013 was evaluated. The result showed that Sanming′s ecological security was increasingly improving, and the security level was high.

Urban ecological safety dynamic evaluation based on PSR model——

taking Sanming City of Fujian Province as an example

GUO Min1, HUANG Peng2, HE Tian-you1, CHEN Ling-yan1, ZHENG Yu-shan1

(1.College of Landscape Architecture; 2.College of Forestry, Fujian Agriculture

and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Key words: ecological security; PSR; entropy weight method; dynamic evaluation

生態(tài)系統(tǒng)健康的整體水平和完整性不受威脅，稱為生態(tài)安全[1].城市生態(tài)系統(tǒng)是在自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過長期的人為干擾而建立起來的人工生態(tài)系統(tǒng)，它相比于其他生態(tài)系統(tǒng)，具有明顯的脆弱性和對人為干預(yù)的高度依賴性等特點.同時，城市生態(tài)安全是國家生態(tài)安全的關(guān)鍵，存在較高人口壓力、環(huán)境壓力、能源消耗壓力等問題[2]，因而維護(hù)城市生態(tài)安全對于國家生態(tài)安全有著不可替代的作用[3-4].目前，對于生態(tài)安全的研究是以區(qū)域性的生態(tài)描述和生態(tài)評價為主,對于特定某個城市生態(tài)安全研究還不夠完善，存在評價方式較為單一、過于主觀等問題[5-7]，且不能反映出城市生態(tài)安全的動態(tài)變化.

為了評價城市生態(tài)安全的水平，本文采用聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)開發(fā)合作署提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)概念模型[5]，構(gòu)建城市生態(tài)安全評價體系.根據(jù)PSR模型，壓力層是人類活動對于生態(tài)環(huán)境的不當(dāng)響應(yīng)或結(jié)果，包括人類的生產(chǎn)生活行為、建筑、交通等因素.狀態(tài)層是生態(tài)環(huán)境對于壓力的表現(xiàn)形式和反應(yīng)，具體表現(xiàn)為大氣質(zhì)量、生態(tài)多樣性等.響應(yīng)層是對壓力的反應(yīng)以及減小壓力所帶來的負(fù)面效果.本研究以福建省三明市為例進(jìn)行城市生態(tài)安全狀態(tài)的分析，建立能夠客觀反映地區(qū)生態(tài)狀況的評價體系.

1研究區(qū)概況

三明市位于福建省中部，地處北緯25°30′-27°07′，東經(jīng)116°22′-118°39′.地形以中低山及丘陵為主，北西部為武夷山脈，中部為玳瑁山脈，東南角依傍戴云山脈.溫暖濕潤，四季分明，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，動植物資源豐富.由于海西建設(shè)的快速推進(jìn)，三明市的交通區(qū)位得到極大提升，并逐步成為福建省連接中部地區(qū)的重要通道樞紐.

2研究方法

2.1　評價體系的建立及數(shù)據(jù)來源

城市生態(tài)安全動態(tài)評價主要基于以下兩方面數(shù)據(jù)：一、評價指標(biāo)，主要是基于其目的性、整體性和代表性，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-10]，選擇20個能夠代表三明市特色的評價指標(biāo)，構(gòu)建評價指標(biāo)體系(圖1)；二、2004-2013年三明市經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)[11-13]，個別缺失的數(shù)據(jù)通過均值法取得.

圖1　三明市生態(tài)安全評價體系

2.2　單項指標(biāo)的計算

2.2.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化熵是度量不確定性的指標(biāo)，根據(jù)不確定性大小的變化而變化，因此可以用熵值來判定指標(biāo)的離散程度.對于某些不能單純用數(shù)值大小來判斷的指標(biāo)(如降水量)，以最適宜值為參照，即1981-2010年30 a氣候標(biāo)準(zhǔn)值，通過比較對應(yīng)指標(biāo)與參照值之差的絕對值來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10].

(1)

若選擇的指標(biāo)因子為成本型指標(biāo)(負(fù)向)，則依據(jù)下式計算：

(2)

2.2.2熵值法的權(quán)重計算將標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣Y={yij}m×n按下式進(jìn)行計算.根據(jù)下式，第j項指標(biāo)的信息熵值e表示為：

(3)

第j項指標(biāo)的權(quán)重W表示為：

(4)

2.2.3層次分析法構(gòu)權(quán)通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行層次分析法構(gòu)權(quán).層次分析法是為避免單純的定性分析所造成的誤差，對建立的評價模型按照1-9標(biāo)度法將所選擇的評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，參考專家意見以及相關(guān)資料，根據(jù)其重要性程度構(gòu)建判斷矩陣；自上而下，將隸屬于同一層的因素進(jìn)行對比之后，形成一個n維的判斷矩陣.

(5)

2.3　城市生態(tài)安全等級

根據(jù)上述方法得出城市生態(tài)安全綜合評價指數(shù)Si，對所得的生態(tài)安全指標(biāo)因子進(jìn)行生態(tài)安全等級的劃分，從而劃定城市生態(tài)安全的等級，以便于采取相應(yīng)的對策[4-6].

城市生態(tài)安全綜合評價指數(shù)Si表示如下：

(6)

2.4　城市生態(tài)安全評價

通過線性插值法獲得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，使得評價指標(biāo)的數(shù)值不集中在某個閾值內(nèi)，而是分散在0到1之間，能夠為綜合指數(shù)的量化分級提供條件.由于某些評價因子無科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)值，因而難以計算出城市生態(tài)安全的標(biāo)準(zhǔn)值.本文采取趨勢法對三明市近10 a的生態(tài)安全綜合評價指數(shù)Si進(jìn)行評價.

2.4.1趨勢分析因為城市生態(tài)系統(tǒng)處于不斷發(fā)展的動態(tài)變化之中，其生態(tài)系統(tǒng)具有動態(tài)性特征，因而評估城市生態(tài)系統(tǒng)安全需在一個時間段內(nèi)才有意義[13].如圖2所示，僅從狀態(tài)上分析，T2點處于不斷惡化的下降趨勢，T3點則處于一個相對平穩(wěn)的趨勢，T4點位于拐點上，而T5點處于不斷上升的趨勢.可見，要客觀評價一個城市在發(fā)展過程中的某一段時間的生態(tài)安全，不能僅針對某一個時間點的狀態(tài)進(jìn)行分析，而需要給定一個時間的尺度Δt.通過在Δt內(nèi)的安全評價值的斜率K(Δt)來反映這段時間內(nèi)生態(tài)安全程度的變化趨勢.由于城市生態(tài)系統(tǒng)處于不斷變化之中，可以通過擬合漸近線來反映其變化趨勢.

表2　城市生態(tài)安全分級標(biāo)準(zhǔn)

圖2　城市生態(tài)安全的變化趨勢Fig.2　Change trend of urban ecological security

2.4.2動態(tài)評價城市生態(tài)系統(tǒng)安全評價必須建立在系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上[14-16].從圖2可知，城市生態(tài)安全體現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)展方向和時間段2個方面，必須結(jié)合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和系統(tǒng)狀態(tài)得出客觀的評價.

本研究將趨勢分析與狀態(tài)評價相結(jié)合，利用城市生態(tài)安全系統(tǒng)的狀態(tài)變量A(t)以及城市生態(tài)安全系統(tǒng)的趨勢變量K(Δt)來評價，將城市生態(tài)安全分為安全級別和不安全級別.當(dāng)城市生態(tài)系統(tǒng)處于安全級別且發(fā)展趨勢良好時，判定為安全系統(tǒng)；若系統(tǒng)處于安全級別但發(fā)展趨勢處于不安全級別(狀態(tài)中上)，則定義為不穩(wěn)定安全系統(tǒng)；若系統(tǒng)處于安全級別但發(fā)展趨勢處于不安全級別(狀態(tài)中等及以下)，則判斷為不安全系統(tǒng)；當(dāng)城市生態(tài)系統(tǒng)處于不安全級別且趨勢向不安全方向發(fā)展，則判斷為惡化的不安全系統(tǒng)；若系統(tǒng)處于不安全級別但趨勢向安全方向發(fā)展，則判斷為可改善的不安全系統(tǒng)[17-18].

3結(jié)果與分析

3.1　三明市城市壓力指數(shù)的變化

2004-2013年壓力指數(shù)在0.1283到0.2913之間波動，數(shù)值總體偏低，于2010年達(dá)到最低值.2013年的壓力指數(shù)為0.2141，比2004年的低0.2556.這主要是由于在這10 a中三明市新建城區(qū)面積增長了77.89%，城市化率增長了11.5個百分點，人口自然增長率維持在5%以上，同時工業(yè)“三廢”排放量長期穩(wěn)定在較高值.說明三明市人口增長的壓力、城市化進(jìn)程的加速對城市生態(tài)環(huán)境仍有較大影響.

3.2　三明市城市狀態(tài)指數(shù)的變化

狀態(tài)指數(shù)在近10 a呈現(xiàn)震蕩上升趨勢，從2004年的0.0556上升到2013年的0.1711，年均增幅達(dá)3.24%.表明三明市城市生態(tài)環(huán)境狀態(tài)正在逐漸好轉(zhuǎn).這主要是由于市區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到二級和優(yōu)于二級所占的全年天數(shù)百分比由2004年的68%上升到2013年的98.3%；建成區(qū)綠化覆蓋率也常年維持在40%以上，而人均公園綠地面積也增長了近5 m2；同時，自然災(zāi)害也是導(dǎo)致狀態(tài)指數(shù)波動的因素之一.2011年南方各省遭受50 a來最嚴(yán)重的旱災(zāi)，直接影響到當(dāng)年的全年降水量，這也表現(xiàn)在當(dāng)年的狀態(tài)指數(shù)明顯低于前后2 a，為近10 a的第2個低值.

3.3　三明市城市響應(yīng)指數(shù)的變化

響應(yīng)指數(shù)整體呈上升趨勢，主要表現(xiàn)為近10 a來污水處理率、生活垃圾無害化處理率2項指標(biāo)持續(xù)呈上升態(tài)勢，工業(yè)固體廢物綜合利用率也穩(wěn)定在一個較高水平.同時，公共交通狀況也有較大幅度改善，三明市運營公交車總數(shù)由2004年的251輛增長到2013年的333輛.此外，三明市對水土流失的治理工作也取得一定成效，年均水土流失面積減少近6000 hm2.自2011年以來，響應(yīng)指數(shù)穩(wěn)中有升，于2013年達(dá)到最高值(0.2047)，較2004年的0.0435增長了470.57%.

3.4　三明市城市生態(tài)安全評價指數(shù)的相關(guān)性分析

從圖4可看出，2004-2013年，人均地區(qū)生產(chǎn)總值、人口自然增長率、市區(qū)空氣質(zhì)量和城市生活污水處理等指標(biāo)對于三明市城市生態(tài)安全有著較大影響.這也表明提高對上述因素的調(diào)控和投入，有助于提升三明市城市生態(tài)安全狀態(tài).

圖3　2004-2013年三明市生態(tài)安全評價結(jié)果

圖4　各指標(biāo)與城市生態(tài)安全評價指數(shù)相關(guān)性分析Fig.4　Correlation analysis between indicators and ecological security assessment index of Sanming City

3.5　三明市城市生態(tài)安全評價指數(shù)的變化及預(yù)測

三明市的城市生態(tài)安全評價指數(shù)整體呈現(xiàn)“S”型上升趨勢，且上升幅度較大，從2004年的不安全等級(0.3547)上升到2013年的較安全等級(0.5899).在此過程中，指數(shù)在2007年前后出現(xiàn)反復(fù)，由2007年的較安全等級(0.5493)下降到2008年的不安全等級(0.4362).從圖5可以看出三明市城市生態(tài)安全評價指數(shù)自2010年后呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的上升趨勢，據(jù)此可以預(yù)測未來城市生態(tài)安全評價指數(shù)在一定時間內(nèi)仍處于上升趨勢，安全級別及發(fā)展趨勢良好，所以判斷為安全系統(tǒng).

4小結(jié)

本文通過合理選擇生態(tài)安全評價指標(biāo)，采用熵值法和層次分析法求權(quán)重，并對2004-2013年三明市城市生態(tài)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評價.

圖5　三明市城市生態(tài)安全評價指數(shù)變化趨勢分析

本研究結(jié)果表明.

(1)三明市的壓力指數(shù)總體水平不高，但城市生態(tài)壓力由于人口、建成區(qū)面積等問題并沒有得到減輕；城市狀態(tài)指數(shù)整體呈上升趨勢，但因自然災(zāi)害等問題使得其上升趨勢出現(xiàn)震蕩；城市響應(yīng)指數(shù)因在環(huán)境治理上的投入和重視而呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢.

(2)從總體上看，三明市城市生態(tài)系統(tǒng)整體趨勢趨于好轉(zhuǎn)，地區(qū)生產(chǎn)總值、人口增長率、空氣質(zhì)量和污水處理是影響三明市生態(tài)系統(tǒng)安全的重要指標(biāo).

(3)三明市城市生態(tài)安全呈“S”型上升趨勢，可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)其城市生態(tài)安全將處于穩(wěn)定的上升趨勢，并由此判定三明市城市生態(tài)安全屬于安全級別.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)