寧夏市域生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)

郭永杰，米文寶，2，趙 瑩，鄭 芳

（1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021）

自1989年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所提出生態(tài)安全概念以來(lái)［1－2］，學(xué)者們對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行了系列的理論以及實(shí)證研究。研究涉及的對(duì)象眾多:蒙曉等［3］對(duì)寶雞市的城市生態(tài)安全進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并就其未來(lái)10a的發(fā)展進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)；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(shí)空變化；此外，部分學(xué)者也對(duì)草原［6］、土地［7－9］、濕地［10］等對(duì)象的生態(tài)安全進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。在構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系的過(guò)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(shì)；楊俊等［12］則使用DPSRC模型構(gòu)建指標(biāo)體系，結(jié)合地信和遙感技術(shù)分析大連市生態(tài)安全的空間分異；張繼權(quán)等［13］在評(píng)價(jià)吉林省白山市的生態(tài)安全時(shí)采用DPSIR模型構(gòu)造指標(biāo)體系；DSR模型、DPSEEA模型在研究過(guò)程中也得到廣泛應(yīng)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(duì)生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分類，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性［15］，所以本文使用該模型進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)。寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，進(jìn)行生態(tài)安全的定量評(píng)價(jià)有利于和諧自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)的關(guān)系，促進(jìn)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，本文使用PSR模型構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系，結(jié)合熵值法對(duì)寧夏5個(gè)地級(jí)市的生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后運(yùn)用GM（1，1）模型對(duì)其未來(lái)的生態(tài)安全趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)處在中國(guó)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(guó)五大省級(jí)自治區(qū)之一。寧夏包括五個(gè)地級(jí)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(guó)人口普查統(tǒng)計(jì)，全區(qū)常住人口數(shù)約為630.14萬(wàn)人。研究區(qū)地處我國(guó)半干旱與干旱區(qū)的過(guò)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(rùn)區(qū)。南北相距約456km，東西相距約250km，總面積約為5.19萬(wàn)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(guó)西部生態(tài)安全建設(shè)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(biāo)體系 PSR模型由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織與聯(lián)合國(guó)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(yīng)體系三部分組成。結(jié)合寧夏自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，并借鑒相關(guān)學(xué)者的研究成果［16－17］，本文構(gòu)建由目標(biāo)層、項(xiàng)目層、因素層、指標(biāo)層構(gòu)成的合計(jì)20項(xiàng)指標(biāo):目標(biāo)層（A）為生態(tài)安全度；項(xiàng)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(yīng)（B3）組成；生態(tài)安全壓力（B1）反映人類活動(dòng)對(duì)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)帶來(lái)的壓力，具體包括人文社會(huì)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(yīng)（B3）則顯示了人類面對(duì)問(wèn)題采取的措施，具體包括人文社會(huì)響應(yīng)（C6）、環(huán)境響應(yīng)（C7）、經(jīng)濟(jì)政策響應(yīng)（C8）；指標(biāo)層（D）則是體現(xiàn)因素層各種壓力、狀態(tài)和響應(yīng)的具體指標(biāo)，是整個(gè)指標(biāo)體系最基礎(chǔ)的部分（表1）。

表1 寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 本文所涉及的指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2012）、《寧夏水資源公報(bào)》（2005—2011）、《寧夏環(huán)境狀況公報(bào)》（2005—2011）、銀川市統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005—2011）、石嘴山市統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005—2011）、吳忠市統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005—2011）、固原市統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005—2011）、中衛(wèi)市統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005—2011）、以及寧夏國(guó)土部門和林業(yè)部門的相關(guān)資料、國(guó)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(lái)源于熱力學(xué)，是統(tǒng)計(jì)物理中描述分子運(yùn)動(dòng)無(wú)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(wú)序程度（或系統(tǒng)中數(shù)值離散程度）的一種度量［18－19］。指標(biāo)的信息熵越小，表明其離散程度越大，提供的信息量越多，權(quán)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(quán)重也越?。?0］。利用信息熵確定權(quán)重的具體步驟［21－23］:

（1）構(gòu)造判斷矩陣，假設(shè)存在n個(gè)指標(biāo)，m個(gè)研究對(duì)象，則可以構(gòu)造一個(gè)m行n列的原始矩陣。對(duì)于本文而言，m取值為5，相當(dāng)于寧夏5個(gè)地級(jí)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(dāng)于數(shù)據(jù)分析過(guò)程中選取的20項(xiàng)指標(biāo)。

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

正向指標(biāo)的計(jì)算公式為:

逆向指標(biāo)的計(jì)算公式為:

式中:xij，Xij——第i年第j個(gè)指標(biāo)的原值和標(biāo)準(zhǔn)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(guò)計(jì)算，2005—2011年寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)體系權(quán)重

（7）計(jì)算生態(tài)安全度Zi:

其中，Zi∈（0，1）。Zi越大，說(shuō)明生態(tài)安全度越高，反之越低。

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

設(shè)存在原始數(shù)據(jù)序列X（0）:

（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累加生成，得到新數(shù)列X（1）:

（2）構(gòu)建累加矩陣B和常數(shù)項(xiàng)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(shí)間響應(yīng)函數(shù):

（5）對(duì)上式進(jìn)行累減還原，得到原始數(shù)列x（0）的時(shí)間響應(yīng)函數(shù):

2.3 生態(tài)安全分級(jí)

參考相關(guān)學(xué)者的研究［28－29］，結(jié)合專家的咨詢意見(jiàn)，設(shè)計(jì)生態(tài)安全度分級(jí)表，共分為5個(gè)等級(jí)（表3）。

表3 寧夏生態(tài)安全分級(jí)

3 結(jié)果與分析

運(yùn)用上述綜合指數(shù)法和GM（1，1）模型分別計(jì)算出2005—2011年期間、2012—2018年寧夏各市生態(tài)安全度的實(shí)際值和預(yù)測(cè)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(shì)。

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(shí)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(jí)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(dòng)上升的趨勢(shì)。

圖1 2005－2018年寧夏各市生態(tài)安全度變化趨勢(shì)

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(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象；一方面，隨著銀川地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口日益集聚，需水量持續(xù)增加，這都對(duì)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(shè)以及大規(guī)模生產(chǎn)，為銀川的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但是發(fā)展工業(yè)的同時(shí)必然會(huì)帶來(lái)“三廢”的產(chǎn)生，這會(huì)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(dòng)上升趨勢(shì)，圖1左半部分可明顯看出，其上升幅度比其它四個(gè)地級(jí)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(kāi)發(fā)和禁止開(kāi)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(bǔ)償?shù)纫幌盗猩鷳B(tài)工程的實(shí)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(hù)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(dòng)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(shì)也十分相似，均在小幅度的波動(dòng)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(jí)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(duì)位置在2008年、2009年兩年出現(xiàn)了變動(dòng)，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(wèn)題嚴(yán)重，主要是由于其處于中部干旱風(fēng)沙帶，降水稀少、荒漠化嚴(yán)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(gè)類型。第一個(gè)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(shì)，增長(zhǎng)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(shì)但增長(zhǎng)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(shì)，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(yù)測(cè)分析

圖1右半部分預(yù)測(cè)了2012—2018年期間寧夏各市的生態(tài)安全度發(fā)展趨勢(shì)。從時(shí)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(shì)，表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉(zhuǎn)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(shì)，生態(tài)安全等級(jí)將從Ⅱ級(jí)逐漸下降到Ⅰ級(jí)，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)問(wèn)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(zhuǎn)的趨勢(shì)；中衛(wèi)市的生態(tài)安全問(wèn)題突出，始終處于Ⅰ級(jí)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(shì)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(kāi)始轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)位置發(fā)生變化以外，吳忠市的生態(tài)安全度開(kāi)始穩(wěn)步高出中衛(wèi)市。圖3顯示了2012—2018年各市預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)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(dòng)上升的趨勢(shì)。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(yù)測(cè)結(jié)果可得出:銀川市不容樂(lè)觀，生態(tài)安全度一直呈下降趨勢(shì)，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(shì)，表明寧夏整體的生態(tài)安全狀況有逐漸好轉(zhuǎn)的跡象，而銀川市應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)問(wèn)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(zhuǎn)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(shè)的提出，以及寧夏內(nèi)陸開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)的建立，寧夏繼西部大開(kāi)發(fā)又迎來(lái)了一次生態(tài)建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)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(duì)寧夏地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和內(nèi)陸開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有益的參考。文章在不同時(shí)間尺度下研究不同空間尺度的生態(tài)安全，并進(jìn)行對(duì)比分析，用寧夏五個(gè)地級(jí)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(shè)的主要因素，結(jié)果符合寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全建設(shè)的基本情況。最后利用GM（1，1）模型進(jìn)行了7a的預(yù)測(cè)，清晰地展現(xiàn)出寧夏地區(qū)各市未來(lái)生態(tài)安全的趨勢(shì)及變化。

生態(tài)安全是一個(gè)綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，隨著社會(huì)人文、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等不斷變化，生態(tài)安全的形勢(shì)也會(huì)變化，需長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)、研究。對(duì)寧夏地區(qū)各市生態(tài)安全度的計(jì)算應(yīng)拉長(zhǎng)時(shí)間序列，評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)更客觀、合理。利用GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的預(yù)見(jiàn)性，但時(shí)間尺度越大，預(yù)測(cè)結(jié)果也就越不精準(zhǔn)，在以后對(duì)本地區(qū)生態(tài)安全研究中應(yīng)改進(jìn)方法，盡量減少誤差，使評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)結(jié)果更具參考價(jià)值。

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［12］楊俊，李雪銘，張?jiān)疲?基于因果網(wǎng)絡(luò)模型的城市生態(tài)安全空間分異:以大連市為例［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（6）:2774－2783.

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［18］陳啟明，陳華友.改進(jìn)的熵值法在確定組合預(yù)測(cè)權(quán)系數(shù)中的應(yīng)用［J］.統(tǒng)計(jì)與決策，2011（13）:159－160.

［19］楊國(guó)華，崔彬.熵權(quán)法在水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2011，41（19）:8－11.

［20］李創(chuàng)新，馬耀峰，張穎，等.1993—2008年區(qū)域入境旅游流優(yōu)勢(shì)度時(shí)空動(dòng)態(tài)演進(jìn)模式:基于改進(jìn)熵值法的實(shí)證研究［J］.地理研究，2012，31（2）:257－268.

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［28］魏小島，周忠發(fā)，王媛媛.基于格網(wǎng)GIS的喀斯特生態(tài)安全研究:以貴州花江石漠化綜合治理示范區(qū)為例［J］.山地學(xué)報(bào)，2012，30（6）:681－687.

［29］邱微，趙慶良，李崧，等.基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型的黑龍江省生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）:1148－1152.

［30］米文寶，余曉霞，李雯燕，等.寧夏主體功能區(qū)劃初步研究［J］.經(jīng)濟(jì)地理，2008，28（11）:936－940.