熵值灰色預(yù)測(cè)法在生態(tài)環(huán)境脅迫性研究中的應(yīng)用
——以吉林省通榆縣為例

汪雪格,斯 藹,魏春鳳,呂 軍,王艷梅

(1.松遼流域水資源保護(hù)局，松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春 130021；2.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191)

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熵值灰色預(yù)測(cè)法在生態(tài)環(huán)境脅迫性研究中的應(yīng)用
——以吉林省通榆縣為例

汪雪格1,斯 藹2,魏春鳳1,呂 軍1,王艷梅1

(1.松遼流域水資源保護(hù)局，松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春 130021；2.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，天津 300191)

以松嫩平原典型地區(qū)通榆縣為例，在構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用熵值- GM(1∶1)對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明，水資源短缺、沙漠化、鹽堿化、草地退化和人口增加是通榆縣生態(tài)環(huán)境惡化的主要脅迫因子；1994～2013年該區(qū)生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)逐年增加，脅迫程度從Ⅲ級(jí)躍升到Ⅳ級(jí)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，如果不采取保護(hù)生態(tài)環(huán)境的措施，脅迫系數(shù)仍會(huì)增長(zhǎng)，脅迫程度仍會(huì)加重。針對(duì)上述情況，提出了河湖連通、水資源優(yōu)化配置、防沙治堿、改良退化草地等措施，以減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫，促進(jìn)資源、環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

生態(tài)環(huán)境脅迫性;脅迫系數(shù);熵值-GM(1∶1);松嫩平原;通榆縣

隨著生態(tài)環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境脅迫性研究已成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中，脅迫是生態(tài)學(xué)家從工程中借用的一個(gè)詞匯，用來(lái)表述各種不利生態(tài)因子所引起的生物體生理變化，以及種群、群落和生態(tài)層次上的生態(tài)變化，這種變化又稱(chēng)為脅迫效應(yīng)[1]。脅迫一詞最早用于逆境生理學(xué)的研究中，是生物所處的不利環(huán)境的總稱(chēng)[2]。Odum等認(rèn)為，脅迫是生態(tài)系統(tǒng)正常狀態(tài)的偏移或改變[3]。Knight等則把脅迫定義為作用于生態(tài)系統(tǒng)，并且使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)的刺激[4]。孫剛等認(rèn)為脅迫是引起生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化、產(chǎn)生反應(yīng)或功能失調(diào)的外力、外因或外部刺激[5]。苗鴻等認(rèn)為生態(tài)環(huán)境脅迫過(guò)程是指人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的壓力[6]。但是，以往對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫的研究多停留在定性水平上，定量研究的文獻(xiàn)較少。筆者以松嫩平原典型地區(qū)通榆縣為例，采用熵值-灰色預(yù)測(cè)方法進(jìn)行生態(tài)環(huán)境脅迫性的量化研究。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于119°45′～129°36′ E，42°50′～49°18′ N，包括黑龍江省和吉林省的59個(gè)市縣，總面積18.3萬(wàn)km2。松嫩平原西靠大興安嶺，東北臨小興安嶺，東南部與張廣才嶺的山前丘陵接壤，南部為松遼分水嶺。松嫩平原是中、新生代以來(lái)形成的巨大斷陷盆地，也是我國(guó)最大的平原之一。該區(qū)以黑土、黑鈣土、草甸土、風(fēng)沙土、鹽堿土等為主。平原地處我國(guó)濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)之間的過(guò)渡帶，為氣候變化敏感區(qū)。由于異常的干暖化氣候和過(guò)墾、過(guò)牧等人類(lèi)劇烈的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，主要表現(xiàn)為持續(xù)干旱、水文網(wǎng)被破壞、水資源匱乏、湖泊干涸、濕地萎縮、草地退化、鹽堿荒漠化、沙質(zhì)荒漠化等方面[7-10]。通榆縣位于松嫩平原西南部，界于科爾沁沙地的東部邊緣，總面積為84.41萬(wàn)hm2，是吉林省第三大縣，地勢(shì)比較平坦，西北略高，東南稍低。西部為風(fēng)積帶狀沙丘和丘間平地，中部為風(fēng)積沙丘覆蓋的沖積湖積平原，東部為微波狀微起伏沖積湖積平原，北部為河谷沖積平原。該區(qū)風(fēng)蝕地貌較明顯，沙丘、沙垅廣泛分布，且高低起伏。局部洼地泡沼發(fā)育，鹽分含量高，堿化現(xiàn)象嚴(yán)重。該區(qū)年平均降水量407.6 mm，年蒸發(fā)量約1 700 mm，境內(nèi)的河流、濕地的降水補(bǔ)給匱乏，水域、濕地面積萎縮，河床干涸。該區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)多、風(fēng)大。在大風(fēng)日，沙塵、堿塵飛揚(yáng)，彌漫天空，覆蓋草地、農(nóng)田，促使土地迅速鹽堿化、沙化。通榆人口密度大，放牧、農(nóng)墾等人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度大，草地退化、鹽堿荒漠化、沙質(zhì)荒漠化嚴(yán)重。該縣生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)敏感性強(qiáng)、穩(wěn)定性差、抗脅迫能力和自然恢復(fù)能力弱，是松嫩平原生態(tài)環(huán)境受到脅迫作用較強(qiáng)的一個(gè)縣，很具有典型性。

2 研究方法

生態(tài)環(huán)境脅迫的研究前期多為單因子脅迫的研究，例如水分脅迫[11-12]、水資源脅迫[13]、Cd脅迫[14]、鹽脅迫[15]、重金屬脅迫[16]等。近期雖然也有多因子脅迫的相關(guān)研究[17-19]，但這些研究無(wú)法定量地表達(dá)出脅迫的程度及趨勢(shì)變化。生態(tài)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)變化是各因子脅迫綜合作用的結(jié)果。為此，筆者選擇多脅迫因子，采用熵值-灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)方法，對(duì)通榆縣生態(tài)環(huán)境脅迫性進(jìn)行定量研究。

2.1 熵值法原理及計(jì)算過(guò)程熵值法能夠深刻地反映出指標(biāo)信息熵值的效用價(jià)值，其給出的指標(biāo)權(quán)重比德?tīng)柗欠ê蛯哟畏治龇ㄓ休^高的可信度[20]。熵值法的原理：信息熵描述了樣本數(shù)據(jù)變化的相對(duì)速率，系數(shù)越接近1，距目標(biāo)就越近；系數(shù)越接近0，距目標(biāo)就越遠(yuǎn)。相對(duì)于指標(biāo)理想值而言，指標(biāo)值變化越快，所得到的指標(biāo)信息熵就越小，其效用值越大，指標(biāo)權(quán)重就越大；反之亦然。因此，熵值法求得的指標(biāo)權(quán)重代表了該指標(biāo)在指標(biāo)體系中變化的相對(duì)速率，而指標(biāo)的相對(duì)水平則由樣本標(biāo)準(zhǔn)化后的接近度表述。

熵值法的計(jì)算過(guò)程：假設(shè)某研究有m個(gè)樣本，n個(gè)指標(biāo)組成，那么第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值ej為：

(1)

式中，k=1/lnm，Rij為第i個(gè)樣本第j項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值。某項(xiàng)指標(biāo)的信息效用價(jià)值dj為：

dj=1-ej

(2)

指標(biāo)權(quán)重為：

(3)

第i個(gè)樣本的評(píng)價(jià)值為：

(4)

(5)

(6)

白化形式的微分方程(6)的解，即GM(1,1)的解為：

(7)

經(jīng)累減還原便得(m+1)年的預(yù)測(cè)值：

(8)

3 生態(tài)環(huán)境脅迫性研究

對(duì)通榆縣開(kāi)展生態(tài)環(huán)境脅迫性研究可分為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定指標(biāo)權(quán)重、現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、結(jié)果預(yù)測(cè)4個(gè)步驟。

3.1 生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建從通榆縣生態(tài)環(huán)境特征出發(fā)，在參考文獻(xiàn)[21-22]的基礎(chǔ)上，遵循科學(xué)性、整體性、代表性、可比性和易獲取性等原則，選取了對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫有較大影響的18項(xiàng)指標(biāo)，建立了生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)，并對(duì)各個(gè)指標(biāo)的含義、計(jì)算方法以及脅迫效應(yīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，見(jiàn)表1。

3.2 權(quán)重確定首先對(duì)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后按照熵值法的原理和計(jì)算過(guò)程計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《白城統(tǒng)計(jì)年鑒》、《通榆縣志》和《通榆縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)資料》等。

指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程：對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境脅迫的指標(biāo)，設(shè)第i個(gè)年份的第j個(gè)指標(biāo)為Xij，采用模糊隸屬度函數(shù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，脅迫效應(yīng)為負(fù)的指標(biāo)采用半升梯形模糊隸屬度函數(shù)量化，脅迫效應(yīng)為正的指標(biāo)采用半降梯形模糊隸屬度函數(shù)量化，見(jiàn)公式(9)和(10)。

(9)

(10)

式中,xij為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的屬性值；Mij、mij分別表示不同年份第j個(gè)指標(biāo)屬性的最大值和最小值；Rij表示指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，其值介于0～1之間。

將標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果代入公式(1)、(2)和(3)，依次計(jì)算出每個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的信息熵、效用值和權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，利用熵值法得到指標(biāo)權(quán)重，其中水域比重、沙地比重、鹽堿地比重、人口自然增長(zhǎng)率、草地比重、水資源利用率和年降雨量的權(quán)重較大。權(quán)重的確定與客觀事實(shí)相符合。突出了該區(qū)自然和人口因素對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫的程度。

表1 通榆縣生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)指標(biāo)說(shuō)明

指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)含義計(jì)算方法脅迫效應(yīng)年降雨量C1自然條件對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度取自縣氣象局正年蒸發(fā)量C2自然條件對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度取自縣氣象局負(fù)干燥度C3反映一個(gè)地區(qū)的水熱結(jié)合情況K=0．16T/R負(fù)水域比重C4反映地區(qū)水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度水域面積/總土地面積正水資源利用率C5反映地區(qū)水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度地下水抽取量/水資源總量負(fù)草地比重C6區(qū)域土地條件對(duì)牧業(yè)生產(chǎn)支持強(qiáng)度草地面積/總面積正鹽堿地比重C7農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境預(yù)警，鹽堿化發(fā)展?fàn)顩r鹽堿地面積/總面積負(fù)沙地比重C8農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境預(yù)警，沙化發(fā)展?fàn)顩r沙化土地面積/總面積負(fù)人均耕地C9人口與土地資源二者結(jié)合情況耕地面積/總?cè)丝谡指采w率C10反映自然植被的調(diào)節(jié)和抗干擾能力植被面積/總面積正草地生物量C11草原生產(chǎn)狀況、質(zhì)量好壞、經(jīng)濟(jì)效益以草原產(chǎn)草量表示正人均GDPC12經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平GDP/總?cè)丝谡r(nóng)村人均純收入C13經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平農(nóng)民純收入/農(nóng)村人口數(shù)正農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平C14經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平機(jī)耕面積/總耕地面積正土地生產(chǎn)力C15反映土地是否受影響以每公頃土地帶來(lái)的產(chǎn)值表示正人口自然增長(zhǎng)率C16人口數(shù)量對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫出生率與死亡率之差負(fù)恩格爾系數(shù)C17生活指數(shù)、反映人們生活水平消費(fèi)支出/總消費(fèi)指出負(fù)人口素質(zhì)C18反映人們受教育程度以教師比例表示正

表2 指標(biāo)的信息熵、效用值和權(quán)重結(jié)果

指標(biāo)信息熵值信息效用值權(quán)重年降雨量C10．8280．1720．058年蒸發(fā)量C20．8720．1280．043干燥度C30．8700．1300．044水域比重C40．7110．2890．097水資源利用率C50．8020．1980．066草地比重C60．7450．2550．085鹽堿地比重C70．7230．2770．093沙地比重C80．7150．2850．096人均耕地C90．9360．0640．021森林覆蓋率C100．8550．1450．049草地生物量C110．8280．1720．058人均GDPC120．9010．0990．033農(nóng)村人均純收入C130．8650．1350．045農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平C140．8840．1160．039土地生產(chǎn)力C150．9060．0940．032人口自然增長(zhǎng)率C160．7360．2640．089恩格爾系數(shù)C170．9160．0840．028人口素質(zhì)C180．9240．0760．025

3.3 生態(tài)環(huán)境脅迫性評(píng)價(jià)將以上標(biāo)準(zhǔn)化值Rij和權(quán)重結(jié)果代入公式(4)，便得到通榆縣1994～2013年生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)。然后應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，調(diào)用灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，求出通榆縣2020年的生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)。由于脅迫系數(shù)難以直觀判斷生態(tài)環(huán)境受脅迫程度，因此，需要對(duì)脅迫系數(shù)進(jìn)行分級(jí)。在理論上，生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)數(shù)值為0～1，其數(shù)值越大所受脅迫越大。針對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境的實(shí)際狀況，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[6]，將整個(gè)生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)劃分為無(wú)脅迫、極輕度脅迫、輕度脅迫、中度脅迫和重度脅迫5個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 生態(tài)環(huán)境脅迫度分級(jí)基準(zhǔn)

脅迫程度脅迫系數(shù)脅迫等級(jí)無(wú)脅迫≤0．1Ⅰ極輕度脅迫0．1～0．3Ⅱ輕度脅迫0．3～0．5Ⅲ中度脅迫0．5～0．8Ⅳ重度脅迫0．8～1．0Ⅴ

根據(jù)生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)和脅迫性分級(jí)基準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脅迫性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可知，1994～2004年生態(tài)環(huán)境處于Ⅲ級(jí)輕度脅迫等級(jí)，脅迫系數(shù)從1994年的0.379快速增長(zhǎng)到2004年的0.507，增長(zhǎng)速率為1.28%/a；2005～2013年生態(tài)環(huán)境處于Ⅳ級(jí)中度脅迫等級(jí)，脅迫系數(shù)從0.507增加到0.615，增長(zhǎng)速率為1.35%/a。未來(lái)2020年的生態(tài)環(huán)境仍處于Ⅳ級(jí)輕度脅迫等級(jí)。雖然同屬于一個(gè)等級(jí)，但其脅迫系數(shù)在不斷增大(0.721)，有向重度脅迫發(fā)展的趨勢(shì)。

4 結(jié)論與建議

從上述研究中，可以得到如下結(jié)論：

(1)該區(qū)生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)逐年增大，脅迫程度逐年加重，而生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾能力逐年下降，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐年下降。生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)增加與生態(tài)環(huán)境不斷惡化之間有明顯的一致性。

(2)根據(jù)熵值法確認(rèn)了水資源短缺、土地沙漠化、鹽堿化、人口增加和草地退化為該區(qū)主要的生態(tài)環(huán)境脅迫因子。

(3)預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，生態(tài)環(huán)境脅迫系數(shù)逐年增大，有向重度脅迫等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)。

(4)應(yīng)用熵值-灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)集成方法對(duì)生態(tài)環(huán)境脅迫性進(jìn)行研究，在指標(biāo)賦權(quán)、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方面均可以獲得比較理想的結(jié)果。因此，該法有推廣應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)通榆縣的實(shí)際情況，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減緩對(duì)該縣生態(tài)環(huán)境的脅迫壓力，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，提出幾項(xiàng)建議：河湖連通，優(yōu)化調(diào)度，增加客水的引水量，進(jìn)行水資源優(yōu)化配置；實(shí)施種植和翻壓綠肥，挖斑取土，以沙壓堿，提高覆蓋，增施農(nóng)家肥，深耕細(xì)作等措施改良鹽堿地；推廣沙丘地建立喬、灌、草結(jié)合的人工生態(tài)模式，沙平地建立林、草、田結(jié)合的人工生態(tài)模式，坨、甸相間地建設(shè)立體農(nóng)業(yè)生態(tài)模式，防治土地沙化；推廣草場(chǎng)圍欄，合理禁牧，草原播種，草種培育和加強(qiáng)草場(chǎng)管理等措施實(shí)現(xiàn)草場(chǎng)恢復(fù)與重建。

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Study on Eco-environmental Stress Based on the Method of Entropy-GM(1∶1)——A Case Study: Tongyu County in Jilin Province

WANG Xue-ge1, SI Ai2, WEI Chun-feng1et al

(1. Songliao Institute of Water Environment Science, Songliao River Basin Water Resources Protection Bureau, Changchun, Jilin 130021; 2. Tianjin Institute of Geo-environment Monitoring, Tianjin 300191)

Taking Tongyu County as an example, based on the indicator system of eco-environmental stress, using the model of the entropy-GM(1∶1), the eco-environmental stress was evaluated and forecasted. Results showed that the short of water resources, desertification, salinization, grassland degeneration and population increase are major factors of eco-environment worsen in Tongyu County; stress coefficient in 1994 to 2013 were increase year by year, the stress degree jumped from III level to IV level. The forecast result showed that, if the measures doesn’t be taken to protect eco-environment, the coefficient still grow, the degree aggravate. In view of the above situation, this paper takes the measures to lighten eco-environment stress, promote the coordinated development of resources, environment, social and economy, such as water resources optimization distribution, prevention and control of desertification and salinization, improvement of degenerated grassland.

Eco-environmental stress; Stress coefficient; Entropy- GM(1∶1); Songnen Plain; Tongyu County

水利公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201401014)。

汪雪格(1978-)，女，河北新樂(lè)人，高級(jí)工程師，博士，從事規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。

2015-02-28

S 181.3

A

0517-6611(2015)10-259-04