基于壓力一狀態(tài)一響應模型的新疆生產建設兵團生態(tài)效應評估

劉東芝 王昭陽 楊廣 何新林 李俊峰

摘要：指出了新疆生產建設兵團（以下簡稱兵團）成立60多年來在經(jīng)濟發(fā)展的同時，其生態(tài)環(huán)境效應是否同步改善是值得關注的問題之一?；趬毫顟B(tài)響應（P-S-R）框架模型構建了兵團生態(tài)效應評價模型，計算了兵團生態(tài)效應綜合指數(shù)，結果表明：兵團整體生態(tài)效應狀況在時間尺度上呈下降趨勢，由0.515（2008）降到0.481（2015）;在空間尺度上，北疆兵團的生態(tài)效應綜合指數(shù)介于0.359～0.600之間，生態(tài)狀況整體較好，東疆兵團和南疆兵團的生態(tài)效應綜合指數(shù)在0.226～0.363之間，生態(tài)狀況整體較差。根據(jù)兵團不同地域生態(tài)狀況變化的原因，提出了改善生態(tài)效應的建議與對策，為兵團未來區(qū)域生態(tài)環(huán)境的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：新疆生產建設兵團;生態(tài)風險評估;壓力 狀態(tài) 響應框架;生態(tài)效應綜合指數(shù);時空分布

中圖分類號：F324

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0123-07

1引言

生態(tài)環(huán)境的狀況直接關系到整個社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，近年來，生態(tài)問題一直是各領域專家們關注的焦點，新疆生產建設兵團（以下簡稱兵團）也不例外。兵團沿邊境線分布，其生態(tài)極其脆弱，在大規(guī)模開墾自然資源提高經(jīng)濟生產與發(fā)展社會的同時，不可避免地對大氣環(huán)境、土地資源、地下水和地表水資源及周邊生態(tài)環(huán)境產生影響。如兵團牧草地在退化，資料顯示2014年的牧草地面積由2003年的3643.11萬畝下降到2582.18萬畝。盡管兵團政府實施了一系列生態(tài)保護措施，緩解了生態(tài)狀況，對改善兵團生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了十分重要的作用。另外，對兵團生態(tài)的研究，主要集中于單獨的生態(tài)壓力源與獨立的生態(tài)響應研究，如土地生態(tài)、 水資源生態(tài)、農業(yè)生態(tài)等，而兵團整體的生態(tài)狀況尚不清楚。另外，由于新疆生產建設兵團復雜的地理環(huán)境，多是對生態(tài)文明建設、生態(tài)系統(tǒng)服務價值以及生態(tài)安全 的評價研究，對于兵團生態(tài)效應的研究較少。

全面認識生態(tài)系統(tǒng)的狀況對于生態(tài)系統(tǒng)的維護有一定的幫助，關于生態(tài)評估的方法有很多，如：主成分分析法、層次分析法（AHP）、生態(tài)瞬時評估法（ EMA）、壓力一狀態(tài)一響應（PSR）、生態(tài)足跡法、條件價值評估法（CVM）、綜合指數(shù)法。其中由Rapport等人提出，后又由經(jīng)濟合作發(fā)展組織改進的壓力一狀態(tài)一響應概念框架（P-S-R），能夠將多種因素以因果關系結合起來對目標值進行評價，且其應用也較廣泛，基于PSR框架開展生態(tài)狀況評價能較好地對某個區(qū)域的生態(tài)狀況進行評價。而對于兵團生態(tài)狀況在隨時間變化的方面的評估研究少。孟優(yōu) 對兵團2010年的生態(tài)安全空間變化狀況進行了評估，結果表明兵團中近一半的師部生態(tài)處于臨界安全狀態(tài).僅研究了一年的狀況，缺乏兵團生態(tài)效應狀況的歷史演變特征研究。

針對上述不足，本文將基于PSR模型，選取兵團生態(tài)效應的風險因子，建立兵團生態(tài)效應的評估指標體系，通過綜合指數(shù)法來確定兵團生態(tài)環(huán)境狀況，從時空方面來認識兵團整體的生態(tài)效應狀況，探究兵團生態(tài)效應狀況變化的原因，同時對兵團生態(tài)效應狀況做出決策管理分析，加強對生態(tài)環(huán)境的保護和整治，旨在為兵團的生態(tài)建設和管理以及實現(xiàn)白然生態(tài)的和諧和可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

2研究區(qū)與研究方法

2.1研究區(qū)概況

兵團地處我國的西北邊陲，對保衛(wèi)邊疆、建設邊疆有著重要力量，是穩(wěn)定新疆的核心，同時承擔著祖國賦予的屯墾、戍邊雙重職責，是中央直屬的特大墾區(qū)之首。兵團下轄14個師，其下的175個農牧團場中有121個團場分布在沙漠、荒漠邊緣地帶，其中有58個團場駐守在綿延5000多km的邊境線上。其面積為7.06×l04k㎡，占新疆總面積的4.47%，約占全國農墾總面積的1/5，是我國最大的農墾區(qū)之一。兵團多年平均降水量為145mm，而蒸發(fā)量約2000～2500mm。地表水資源量為1.05×10₁₀m?，地下水資源量為2.01×109m?，目前森林覆蓋率約為18.62%。兵團駐地屬于典型的綠洲經(jīng)濟，而綠洲面積只占全疆的4.2%，荒漠和沙漠面積占到70%，生態(tài)環(huán)境脆弱，自然環(huán)境十分惡劣。

兵團是駐疆部隊為屯墾戍邊分別駐扎于白然環(huán)境惡劣的阿克蘇、庫爾勒、伊犁等地，在轟轟烈烈地投身于新疆的大生產運動和國防事業(yè)中逐步組建形成的。在人類開發(fā)過程中，兵團的經(jīng)濟逐步發(fā)展，人類對大自然的開發(fā)利用也更加劇烈，引起了諸多學者對兵團的廣泛關注和研究。此外，兵團分布于新疆全境，處于絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)，在絲綢之路經(jīng)濟帶建設中發(fā)揮著特殊作用。不僅如此，兵團在新疆的政治、社會和文化發(fā)展等各個領域也發(fā)揮了重要作用。然而，兵團生態(tài)效應空間分異性明顯，各師部星散坐落于新疆各地，使得各地生態(tài)驅動因子復雜。其次，兵團生態(tài)環(huán)境的脆弱性和綠洲荒漠化景觀使得生態(tài)效應研究具有突出地位，因此，開展兵團整體的生態(tài)效應研究具有重要的意義及其典型性（圖1）。

2.2數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源：2009年至2016年的兵團年鑒、新疆生產建設兵團統(tǒng)計年鑒、新疆統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計志。

2.3研究方法

2.3.1兵團生態(tài)效應評估指標體系構建

壓力—狀態(tài)—響應（PSR）框架（圖2）遵循人類和經(jīng)濟活動對環(huán)境施加壓力導致壓力盛行狀況或激起改變壓力和環(huán)境狀況的響應的一種因果邏輯，它能提供監(jiān)測環(huán)境和自然資源的可持續(xù)發(fā)展狀況系統(tǒng)的機制。而該PSR概念框架中的因果關系鏈反應了社會經(jīng)濟的發(fā)展（如人類活動）對環(huán)境（如土地）施加壓力，繼而導致環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化（如水量），使得政府做出一定決策響應（如投資污水治理）。Niemeijer等人認為概念框架在風險因子選取過程和開發(fā)統(tǒng)一的風險因子集中起著重要的作用。鑒于評價指標體系構建靈活和方便的優(yōu)勢，本文基于與政策相關、可理解、易獲取、易衡量、具科學性的原則，同時根據(jù)前人建立的指標體系，利用PSR框架在數(shù)據(jù)易獲取的條件下選取了相對恰當?shù)纳鷳B(tài)效應評估指標.建立生態(tài)效應評估指標體系（表1）。該指標體系以兵團生態(tài)效應狀況為目標，根據(jù)PSR模型將兵團生態(tài)效應影響因子分為壓力（生物、物理和人類活動）、狀態(tài)（環(huán)境、經(jīng)濟狀態(tài)）和響應（環(huán)境決策）3個準則層，為更明確指標種類，每一準則層再包含不同的影響因素。本文選取了12個壓力指標（Cl-C12）、6個狀態(tài)指標（C13～C18）和6個響應指標（C19～C24）。

壓力指標的選擇：選取了12類壓力指標代表人類活動和自然對兵團生態(tài)效應的壓力。其中人口的增長加大了自然資源的開發(fā)利用強度，因此選取人口密度（C1）和人口增長率（C2）作為生態(tài)效應評估的壓力指標。此外，耕地面積的增加同樣會造成自然資源（如水資源）的壓力以及農業(yè)污染的增加，從而加大了農業(yè)生態(tài)的壓力。因此，將人均耕地面積（C5）作為壓力指標之一?；省⑥r藥的增施和農業(yè)殘膜的污染已經(jīng)成為影響兵團農田生態(tài)和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此將化肥使用量（C6）、農藥使用量（C3）、塑料薄膜使用量（C4）作為其中的壓力指標。由于超載放牧等人為因素的影響，兵團草地普遍退化，最終加劇荒漠化。因此，將畜均草地面積（C9）作為壓力指標之一。兵團為發(fā)展經(jīng)濟，過度墾荒，使得大面積林木遭到破壞，進而威脅綠洲生態(tài)的安全。因此，將林木采伐量（C8）作為壓力指標之一。

兵團所處地理自然環(huán)境中，降雨稀少，水資源分布不均，蒸發(fā)強烈，加上土地資源的不斷開發(fā)、工礦企業(yè)和生活用水量的增大，水資源緊缺狀態(tài)突出 。中下游地下水超采嚴重導致地下水位下降。因此，將年均水資源引用量（C7）作為壓力指標之一。

自2011年以來，全兵團主要的四大污染物排放量（二氧化硫、化學需氧量、氨氮排放量和氮氧化物）隨著兵團經(jīng)濟的高速發(fā)展而增長，造成兵團生態(tài)嚴重失衡。由于氮氧化物數(shù)據(jù)缺乏，因此將二氧化硫排放量（C10）、廢水中化學需氧量（C11）和氨氮排放量（C12）作為其中的壓力指標。

狀態(tài)指標的選擇：兵團屬于干旱地區(qū)，降水量稀少且變動大，這對生態(tài)平衡狀態(tài)的維系極為不利。因此.將降水量（C18）作為生態(tài)效應評估的狀態(tài)指標。而人均糧食產量（C15）和人均GDP（C17）兩個指標代表兵團經(jīng)濟狀態(tài)。作物種植面積（C13）、作物受災面積（C16）和森林覆蓋率（C14）均是資源狀態(tài)指標。

響應指標的選擇：在自然環(huán)境作用以及人類活動的干擾下，兵團地區(qū)風沙頻繁，工業(yè)廢水、廢氣和固體物排放量逐年增加，給生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞?！笆晃濉逼陂g，兵團逐步推進生態(tài)保護工作，主要采取的措施有：（1）封山育林、退耕還林、天然林保護等防風固沙工程;（2）實行工業(yè)固體廢物綜合利用、工業(yè)廢水達標排放和高新節(jié)水集成等節(jié)能減排項目。因此，將工業(yè)用水重復利用率（C19）、高新節(jié)水灌溉面積（C20）、工業(yè)廢水排放達標率（C21）、工業(yè)固體廢物綜合利用率（ C22）、環(huán)保投資（C23）、造林面積（C24）作為響應指標。

2.3.2兵團生態(tài)效應評估模型構建

模型的構建分為數(shù)據(jù)標準化、權重確定和綜合指數(shù)計算，具體步驟如下。

數(shù)據(jù)標準化：

由于各指標之間存在量綱差異，為不影響對評價結果的判定，需要對各指標進行標準化處理，本文采用極差法

進行數(shù)據(jù)的標準化如下：

各指標權重確定：

確定權重的方法有多種，如熵權法、Delphi法、層次分析法（AHP）等。為減少權重判定的主觀性，本研究采用熵權法確定指標的權重如下：

生態(tài)效應綜合指數(shù)計算：在選取風險因子的基礎上，還需要類似于綜合指數(shù)的指標來衡量環(huán)境狀況，就如同人的體溫可以指示人的健康狀況。而綜合指數(shù)法是一種常用的統(tǒng)計分析方法，其數(shù)理結構能夠很好地滿足生態(tài)系統(tǒng)演變、監(jiān)測和評價的要求?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)復雜性的需要，生態(tài)效應綜合指數(shù)的開發(fā)是有必要的，為定量評估提供一種可靠的方式，并為眾多生態(tài)影響因子及其相互關系提供有價值的信息，促使決策者對生態(tài)環(huán)境進行綜合分析評價。本研究使用的生態(tài)效應綜合指數(shù)計算如下：

式中：U為生態(tài)效應綜合指數(shù)，越接近1，說明生態(tài)效應越好，越接近0說明生態(tài)環(huán)境越差;Wj為第j個指標的權重;Yij為第j個指標的標準值。

另外，兵團整體生態(tài)狀況的空間分布是由ArcGIS軟件中自帶的白然間斷點分級法自動將各年的兵團生態(tài)效應綜合指數(shù)分為5個等級實現(xiàn)的，也就是將兵團生態(tài)效應狀況分為“極好”、“較好”、“中等”、“較差”、“極差”五個等級，該分級方法可對相似值進行最恰當?shù)胤纸M，并可使各個類之間的差異最大化，它會在數(shù)據(jù)值的差異相對較大的位置處設置邊界，自然間斷點是數(shù)據(jù)特定的分類。

3研究結果

3.1兵團各師部生態(tài)生態(tài)效應歷史演變特征

對于兵團各師生態(tài)效應變化狀況（圖3），其中的生態(tài)效應綜合指數(shù)變化狀況，除了四師、九師和十三師分別上升了17%、24%和7%，呈上升趨勢外，其余各師均呈下降趨勢，下降最多的是二師，下降了35%;對于生態(tài)壓力變化狀況，其中三師和四師呈整體上升趨勢，分別上升4%和8%，，上升也不明顯。其余各師呈整體下降趨勢，而十師下降最多，下降了37%，說明兵團各師的生態(tài)壓力在加重;就兵團各師生態(tài)狀態(tài)指數(shù)變化狀況而言，一師、二師、三師、七師、八師的生態(tài)狀態(tài)在下降，分別下降了27%、73%、23%、30%和22%。其余各師呈整體上升趨勢，上升最多的屬九師，上升了1.89倍;就兵團生態(tài)響應變化狀況而言，一師、二師、四師、六師、七師和八師呈整體下降趨勢，且下降幅度均較下，其余各師呈整體上升趨勢，而十三師的生態(tài)響應指數(shù)上升最多，增加了8.4倍，其次是三師，上升了73%，剩余各師的響應指數(shù)上升均不明顯。

3.2兵團整體生態(tài)效應時空演變特征

兵團整體生態(tài)效應綜合指數(shù)（2008～2015）分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，兵團生態(tài)效應狀況呈整體下降趨勢，從2008年的0.5145降到2015年的0.4806，下降了6%。另外，在2010年時的生態(tài)效應狀況出 現(xiàn)了轉折點，且在8年中達到最好的狀況，綜合指數(shù)值為0.6608。而生態(tài)狀況最差的一年是2014年，綜合指數(shù)值為0.4321。兵團的生態(tài)效應壓力指數(shù)從2008年的0.3003降到2015年0.1279，下降了57%，但狀態(tài)指數(shù)從2008年的0.0888增加到2015年的0.2088，上升了1.35倍，響應指數(shù)也從2008年的0.1254增加到2015年的0.1440，增加了15%。這說明，兵團生態(tài)的壓力是造成兵團生態(tài)狀況變差的主要準則，其次是響應和狀態(tài)

對于2008--2015年兵團生態(tài)效應綜合指數(shù)的空間變化狀況（圖5）。以2008年兵團生態(tài)效應為例，其綜合指數(shù)的值介于0.35～0.67，其自然中斷于0.35、0.41、0.43和0.46，使得2008年的兵團生態(tài)狀況等級劃分為：極差（U<0.35）、較差（0.35≤U<0.41）、中等（0.41≤U<0.43）、較好（0.43≤U<0.46）、極好（0.46≤U<0.67）。同樣的方法被用于其他幾年的兵團生態(tài)效應狀況等級劃分。研究發(fā)現(xiàn)，2008年兵團一師生態(tài)效應極差，二師、四師和十四師的生態(tài)效應較差，九師、十三師的生態(tài)效應處中等級別，三師、五師、六師和十師的生態(tài)效應較好，七師和十二師的生態(tài)效應極好。

4討論

4.1兵團生態(tài)效應時空變化及其成因

研究發(fā)現(xiàn)，兵團于2008～2015年間的生態(tài)效應呈整體下降趨勢，也即新疆生產建設兵團的經(jīng)濟的增長是以破壞生態(tài)環(huán)境狀況為代價的。而兵團生態(tài)效應狀況的空間分布具有明顯的區(qū)域特色，兵團北邊整體較好，東邊和南邊的生態(tài)效應狀況整體較差，表明人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾在加強，其主要的干擾表現(xiàn)為：①兵團的產業(yè)主要以農業(yè)為主，對水資源的需求量大，并且區(qū)域降水量稀少，造成地下水嚴重超采。其次農業(yè)污染的殘留和轉移也致使生態(tài)效應狀況變差，如化肥實物使用量由2008年的108.69萬t增加到2015年的166.99萬t，增加了53.6%。最后是工業(yè)污染逐年地增加，工業(yè)廢水CO D排放總量由2008年的4.69萬t增加到2015年的10萬t，增加了1.13倍;②兵團牲畜的增加和草地面積的減少，加重了草地生態(tài)的壓力。畜均草地面積由2008年的每頭牲畜0.453h㎡降低到2015年的每頭牲畜0.223h㎡，降低了51%;③兵團為開墾土地，林木采伐量逐年增加，由2008年40968m?增加到2015年的106485m?，增加了1.6倍，加重了生態(tài)環(huán)境的壓力。

另外，盡管兵團及其師部指數(shù)值也存在上升的趨勢，但上升不明顯，仍處于較差的狀態(tài)，表明人為生態(tài)效應的造林、節(jié)水等響應措施仍不夠到位，后期還需加強生態(tài)的維護與治理。

4.2對策分析

為改善生態(tài)效應狀況，創(chuàng)造更好的生活、生產和生態(tài)環(huán)境條件，就需要減少人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾的壓力，加大團場連隊生態(tài)環(huán)境綜合整治的響應力度。具體措施如下：①人類應摒除“重建設輕環(huán)保”思想，提高人們對生態(tài)環(huán)境保護的意識，遏制“重生產輕生態(tài)”思想。如下調農業(yè)用水比重至90%以下，加大生態(tài)用水的比重，使其從根本上改善區(qū)域生態(tài)效應狀況;②政府應加強環(huán)境的監(jiān)管能力，加強二氧化硫和氮氧化物等工業(yè)污染源、農業(yè)污染源、生活污染源等的減排與防控工作。如將污水處理率和污水處理廠的運行負荷率分別提高到90%和75%以上，進一步提升污染治理設施管理水平。同時制止林木采伐活動并加強造林工程的建設，從而減弱生態(tài)壓力源的擴張與增長;③此外，政府應加大生態(tài)系統(tǒng)恢復與改善的資金投入，推動清潔工業(yè)和綠色農業(yè)生產的開展.加強氮肥行業(yè)中尿素的水解技術等技術的清潔化改造。加強廢棄物無害化處理，如將污泥無害化處理處置率提高到90%以上，提高廢棄物綜合利用率并提標處理，提高脆弱的生態(tài)系統(tǒng)的自我修復能力。

5結論

本項研究通過PSR框架與綜合指數(shù)模型相結合的方法，評估了兵團整體生態(tài)效應時空變化特征。主要結論如下。

（1）兵團生態(tài)效應時空特征。兵團的經(jīng)濟增長是建立在破壞生態(tài)環(huán)境的基礎上的，生態(tài)環(huán)境受到的壓力在逐年增長，兵團整體的生態(tài)效應狀況不容樂觀，兵團生態(tài)效應時間變化整體呈下降趨勢，由0.515（2008）降到0.481（2015）。此外，兵團生態(tài)效應空間分布具有較強的區(qū)域特性，北疆兵團的生態(tài)效應綜合指數(shù)介于0.359～0. 600之間，生態(tài)狀況整體較好，東疆兵團和南疆兵團的生態(tài)效應綜合指數(shù)在0.226--0.363之間，生態(tài)狀況整體較差。

（2）兵團生態(tài)效應主要成因。由于兵團所處的特殊地理位置，最能影響其生態(tài)效應狀況的因素主要壓力因子來源于自然降水量，其次是人類活動（施用化肥、工業(yè)廢水排放、林木采伐等活動）的干擾。

（3）改善兵團生態(tài)效應決策。兵團生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)效應狀況的改善需要防治人類活動的侵擾，減少工、農業(yè)污染源等的生態(tài)壓力源，加強造林、節(jié)水等生態(tài)效應響應措施的實施，以達到兵團生態(tài)系統(tǒng)的平衡，從而實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，在脆弱的生態(tài)區(qū)域長久地維持生命力的跳躍。

兵團生態(tài)系統(tǒng)相對于其他區(qū)域擁有更復雜的空間異質性特性，為保障生態(tài)—經(jīng)濟—社會的健康可持續(xù)發(fā)展，今后還需結合景觀格局特征全面分析兵團生態(tài)效應時空分布狀況，從景觀生態(tài)學和恢復生態(tài)學的視角評估生態(tài)系統(tǒng)壓力、狀態(tài)和響應指標。此外，建立統(tǒng)一的脆弱生態(tài)系統(tǒng)的評估體系和安全保障與維護體系是兵團今后急需解決的問題。全面系統(tǒng)地評估生態(tài)效應，對于生態(tài)系統(tǒng)的維護及其健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。