基于物元模型的高寒草原生態(tài)安全評價(jià)
——以天祝牧區(qū)為例

徐海鵬，焦亞鵬，張紅艷，齊 鵬

(1.蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

生態(tài)安全一詞最早起源于20世紀(jì)40年代的土地健康及土地功能評價(jià)，近年來其研究得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。而草原生態(tài)安全關(guān)乎人類的生存環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展[3]，草原不僅是發(fā)展畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是地球上重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，發(fā)揮著極為重要的生態(tài)和生產(chǎn)功能[4-6]。我國草原面積廣闊，且主要分布在北方，但近年來受全球氣候變化和人為干擾等因素的影響，我國草原生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象十分嚴(yán)重[7-8]。草原生態(tài)系統(tǒng)是牧區(qū)的主體生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)安全狀況必將影響到整個牧區(qū)的生態(tài)安全[9-10]。

目前，有關(guān)草原生態(tài)安全的評價(jià)研究主要有兩個途徑，首先利用熵權(quán)法、綜合指數(shù)評價(jià)和模糊綜合評價(jià)方法對草原生態(tài)安全進(jìn)行研究[9-11]；其次，利用GIS結(jié)合模糊綜合評價(jià)方法進(jìn)行草原生態(tài)安全的評價(jià)，研究草原生態(tài)安全格局差異分布[12-13]。上述各方法的缺陷是無法得出單因子的生態(tài)安全水平，會遺漏評價(jià)指標(biāo)間的分異信息。而物元模型以可拓?fù)鋽?shù)學(xué)為依據(jù)，無丟失地綜合各種因素的全部信息，有效解決復(fù)雜的不相容問題[10]，從單指標(biāo)因子以及總體上去評價(jià)草原生態(tài)安全分級狀況。目前，物元模型在土地生態(tài)安全評價(jià)方面應(yīng)用較多，方法已經(jīng)趨向成熟[14-15]，但在草原生態(tài)安全評價(jià)中報(bào)道較少。張錦華等[16]將基于信息熵的模糊物元模型應(yīng)用于天然草地的綜合評價(jià)，并利用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行對比檢驗(yàn)，二者評價(jià)結(jié)果基本一致。潘竟虎[17]將熵權(quán)物元可拓?fù)淠Ｐ蛻?yīng)用到黑河流域生態(tài)安全評價(jià)，說明物元模型可以用于生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)。高寒草原是青藏高原典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其生態(tài)安全的評價(jià)至關(guān)重要。嘗試將物元模型應(yīng)用到高寒草原生態(tài)安全評價(jià)中，構(gòu)建適合于高寒草原生態(tài)安全的評價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)一步探索草原生態(tài)安全的評價(jià)方法，以期為高寒草原生態(tài)安全的定量化評價(jià)和研究提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天祝藏族自治縣地處祁連山東緣、甘肅省中部，地理位置E 102°07′～103°46′，N 36°31′～37°55′。海拔高度2 040～4 874 m，屬于高寒半干旱氣候，長冬無夏，年均日照時數(shù)2 500～2 700 h，年均氣溫-8～4℃且年較差小、日較差大，降水多集中在7～8月，約占全年降水的37%，年均降水量265～632 mm，且年際變化大，自20世紀(jì)80年代年降水量逐年減少，年均蒸發(fā)量1 200～1 700 mm，是甘肅河西地區(qū)的純牧業(yè)縣之一[11]。該地區(qū)草原類型以高寒草原為主，受自然和人類活動雙重因素的影響，加之對草地的自然粗放式經(jīng)營，草畜矛盾突出，草原退化逐漸加劇[18-19]，草原生產(chǎn)能力和效益降低，成為制約當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展的主導(dǎo)因素。

1.2 研究方法

1.2.1 基于熵權(quán)法的各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 數(shù)據(jù)指標(biāo)的無量綱化處理，對于越大越優(yōu)型指標(biāo)：

(1)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)：

(2)

式中：fi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的實(shí)際評價(jià)值，Xmax、Xmin、Xi分別表示評價(jià)指標(biāo)i的最大值、最小值和實(shí)際值。

權(quán)重確定：(1)計(jì)算熵值

在有m個指標(biāo)，n個被評價(jià)對象的評價(jià)問題中，將第i個指標(biāo)的熵值定義為Ei。

(3)

(2)計(jì)算指標(biāo)的差異性系數(shù) 將第i個指標(biāo)的差異系數(shù)定義為ei，則差異系數(shù)：

ei=1-Ei；i=1,2,…,m

(4)

(3)確定指標(biāo)權(quán)重 將第i個指標(biāo)的權(quán)重定義為wi，則權(quán)重的計(jì)算：

(5)

1.2.2 草原生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)的物元模型 (1)確定草原生態(tài)安全物元 草原生態(tài)安全N，草原生態(tài)安全特征C和特征值v共同構(gòu)成草原生態(tài)安全物元R[20]。若草原生態(tài)安全N以n個特征值C1,C2,…,Cn以及相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn描述：

(6)

(2)確定經(jīng)典域與節(jié)域物元矩陣 草原生態(tài)安全的經(jīng)典域物元矩陣為：

(7)

式中：Roj表示經(jīng)典域物元，Noj表示所劃分草原生態(tài)安全的第j個評價(jià)等級，j=(1,2,…,n)；Ci表示第i個評價(jià)指標(biāo)；(aojn,bojn)表示對應(yīng)評價(jià)等級j的量值范圍，即經(jīng)典域。

草原生態(tài)安全的節(jié)域物元矩陣表示為：

(8)

式中：Rp表示節(jié)域物元；Cn(apn,bpn)表示節(jié)域物元關(guān)于特征值Cn的量值范圍；p表示草原生態(tài)安全的全體等級。

(3)確定待評物元

把待評對象Nx的物元表示為Rx

(9)

(4)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)并計(jì)算關(guān)聯(lián)度 將草原生態(tài)安全指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)k(x)定義為：

(10)

式中：X，X0，Xp分別表示待評草原生態(tài)安全物元的量值、經(jīng)典域物元的量值范圍以及節(jié)域物元的量值范圍。ρ(X,X0)表示點(diǎn)X與x0=[a0,b0]的距離，ρ(X,Xp)表示點(diǎn)X與xp=[ap,bp]的距離。

(5)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度并確定評價(jià)等級

待評對象Nx關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nx)為：

(11)

式中：Kj(Nx)表示待評對象Nx關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度；kj(xj)表示待評對象Nx關(guān)于等級j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度j=(1,2,…,m)；ai表示各指標(biāo)的權(quán)重。若

kij=max[kj(xi)],j=1,2,…,n

(12)

則待評對象第i個指標(biāo)屬于草原生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)等級j；

Kjx=max[Kj(Nx)],j=1,2,…,n

(13)

則待評對象Nx屬于草原生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)等級j

關(guān)聯(lián)度數(shù)值k(x)在實(shí)數(shù)軸上的大小表示待評對象隸屬于草原生態(tài)安全水平某一標(biāo)準(zhǔn)的程度，物元模型的關(guān)聯(lián)度將邏輯值從模糊數(shù)學(xué)的[0,1]拓展到(-∞,+∞)后，可以反映更多的分異信息，代表了更為豐富的內(nèi)涵；當(dāng)k(x)≥1.0時，表示待評對象超過標(biāo)準(zhǔn)對象上限，當(dāng)數(shù)值越大時開發(fā)潛力越大；當(dāng)0≤k(x)<1.0時，表示待評對象符合標(biāo)準(zhǔn)對象的要求，當(dāng)數(shù)值越大時越接近標(biāo)準(zhǔn)上限；當(dāng)-1.0≤k(x)<0時，表示待評對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，但具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件，當(dāng)數(shù)值越大時越容易轉(zhuǎn)化；當(dāng)k(x)<-1時，表示待評對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，又不具備轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)對象的條件[14]。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于《中國畜牧業(yè)年鑒—統(tǒng)計(jì)資料》(2007～2014年)、《武威統(tǒng)計(jì)年鑒》(2007～2014年)、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)以及天?？h畜牧局調(diào)研資料，最后從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中整理出研究所需要的本底數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草原生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重

研究在認(rèn)真界定草原生態(tài)安全概念的基礎(chǔ)上[3,21]，根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的可操作性和可獲得性為原則，充分考慮高寒草原生態(tài)安全各評價(jià)因子的相互關(guān)系，利用經(jīng)濟(jì)合作組織(OECD)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)提出的針對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)的P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))模型[22]，構(gòu)建高寒草原生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。該體系由3個具有因果關(guān)系的評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成，其中，壓力指標(biāo)主要是人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響，狀態(tài)指標(biāo)是生態(tài)環(huán)境對人類活動做出的反應(yīng)，而響應(yīng)指標(biāo)是人類對所產(chǎn)生的環(huán)境問題采取的一系列措施。

采用熵權(quán)法確定各評價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重。首先根據(jù)無量綱化計(jì)算公式(1)和(2)，得到天祝牧區(qū)2007～2014年草原生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果，然后根據(jù)計(jì)算熵權(quán)法的公式(3)，(4)和(5)，計(jì)算得到天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表1)，其中壓力指標(biāo)體系所占權(quán)重最大，狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)體系所占權(quán)重較小，說明壓力指標(biāo)體系在牧區(qū)草原生態(tài)安全評價(jià)中發(fā)揮著重要作用。

表1 天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重Table 1 The evaluation index and its weight of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area

注：“-”表示指標(biāo)數(shù)據(jù)直接查閱資料獲得

2.2 基于物元模型的高寒草原生態(tài)安全評價(jià)

2.2.1 草原生態(tài)安全評價(jià)經(jīng)典域、節(jié)域的確定 經(jīng)典域值的確定主要參考國家環(huán)?？偩帧渡鷳B(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》標(biāo)準(zhǔn)、全國平均水平、武威平均水平以及相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果[15,17]，最終將天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全劃分為N01(安全)、N02(較安全)、N03(稍不安全)、N04(不安全)、N05(極不安全)5級，并以此來建立物元模型的經(jīng)典域R01、R02、R03、R04、R05和節(jié)域Rp。

2.2.2 草原生態(tài)安全待評物元的確定 以2007,2010和2013年為代表實(shí)例，根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)的具體量值，天祝牧區(qū)2007、2010和2013年高寒草原生態(tài)安全評價(jià)的待判物元矩陣表示為R2007，R2010和R2013：

2.2.3 草原生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果 根據(jù)草原生態(tài)安全的待判物元的具體量值，計(jì)算得到天祝牧區(qū)2007～2014年各評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度及評價(jià)等級(表2)。從單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果分析，在所構(gòu)建的高寒草原生態(tài)安全評價(jià)的12個指標(biāo)中，影響天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全的主要因素有兩大類，促進(jìn)因素和干擾因素。干擾因素主要包括人口自然增長率、草原退化率、超載率、人口密度、人均水資源量、人均草原面積、牧業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)從業(yè)人員比重、草原圍欄面積等9個因素，影響最為嚴(yán)重的是草原退化率和超載率，多年一直呈現(xiàn)“極不安全”的狀態(tài)，這些因素主要與壓力性狀有關(guān)，是制約天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全提高的主要因素。其次是牧業(yè)從業(yè)人員比重，2007～2014年一直呈現(xiàn)不安全的狀態(tài)，牧業(yè)總產(chǎn)值和草原圍欄面積隨著時間序列變化均向“較安全”的方向發(fā)展。

綜合評價(jià)結(jié)果表明，2007～2014年天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全均處于“安全”狀態(tài)，但是各年份的綜合關(guān)聯(lián)度均介于(-1,0)，說明2007～2014年天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全水平不符合評價(jià)等級的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)要求，但存在向標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典域和目標(biāo)轉(zhuǎn)化的條件(表3)。從2007～2014年草原生態(tài)安全級別的數(shù)值可以看出，K1N2012>K1N2011>K1N2014>K1N2013>K1N2010>K1N2009>K1N2007，說明2011年和2012年的天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全更接近標(biāo)準(zhǔn)上限，其草原生態(tài)安全程度較其他年份高，更具備向標(biāo)準(zhǔn)等級范圍轉(zhuǎn)化的潛力。

表3 2007～2014年天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全綜合評價(jià)結(jié)果Table 3 The evaluation results of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area from 2007 to 2014

3 討論

牧區(qū)在維護(hù)生態(tài)安全和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[23]。草原生態(tài)系統(tǒng)是牧區(qū)的主體生態(tài)系統(tǒng)，是牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，其安全與否直接影響到牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)制約天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全的主要因素為草原退化率和超載率，多年一直呈現(xiàn)“極不安全”的狀態(tài)，這與賈艷紅等[9]利用熵權(quán)法對甘肅牧區(qū)草原生態(tài)安全的評價(jià)結(jié)果趨同，說明超載率和草原退化率是影響天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全壓力的主要因素，而傳統(tǒng)的原料型畜牧業(yè)的發(fā)展模式可能是導(dǎo)致該牧區(qū)超載過牧的主要原因[10]。2007～2014年，農(nóng)牧民人均純收入由“不安全”逐漸轉(zhuǎn)為“安全”，牧業(yè)總產(chǎn)值由“極不安全”逐漸發(fā)展為“較安全”，說明天祝牧區(qū)農(nóng)牧民的生活水平進(jìn)一步提高，與國家提出的草原補(bǔ)獎?wù)叩膶?shí)施密切相關(guān)，促進(jìn)了牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。草原圍欄面積作為人為施加的措施，隨著時間序列的變化，呈現(xiàn)出由“不安全”向“較安全”的發(fā)展趨勢，說明政策引導(dǎo)及人為的措施對于保障草原生態(tài)安全發(fā)揮著重要的作用。物元模型綜合評價(jià)結(jié)果表明：天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全2007～2014年呈現(xiàn)“安全”狀態(tài)，總體發(fā)展良好，但是個別指標(biāo)評價(jià)等級仍不樂觀，存在較大的分異，天祝牧區(qū)2007～2014年高寒草原生態(tài)安全綜合關(guān)聯(lián)度均不符合標(biāo)準(zhǔn)對象的要求，說明該牧區(qū)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，易受到外界條件的干擾且敏感度高，仍存在惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

牧區(qū)經(jīng)濟(jì)貧困落后與草原生態(tài)安全之間存在著互為因果、互相強(qiáng)化的惡性循環(huán)關(guān)系[23]。天祝屬于純牧業(yè)縣，在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中應(yīng)該考慮其草原生態(tài)環(huán)境，首先應(yīng)該加強(qiáng)控制實(shí)際的載畜量，降低超載率，防止退化草原的持續(xù)惡化，同時還應(yīng)注重草原牧區(qū)科教事業(yè)的發(fā)展[23]，提高該區(qū)域農(nóng)牧民的受教育水平。鑒于天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全的敏感性和脆弱性，在未來的發(fā)展中各級政府尤其要重視該地區(qū)草原生態(tài)安全，制定相關(guān)政策保障該地區(qū)高寒草原的生態(tài)安全。

4 結(jié)論

天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全2007～2014年呈現(xiàn)“安全”的狀態(tài)，總體發(fā)展良好，但部分指標(biāo)回落，超載率和草原退化率是制約該牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全的主要因子。利用物元模型評價(jià)得出的天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全結(jié)果與實(shí)際客觀情況較為吻合，說明該評價(jià)方法在高寒草原生態(tài)安全的評級中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是物元模型在高寒草原生態(tài)安全評價(jià)的研究較少，所以模型中量值范圍的確定及模型的普適性仍需深入分析和研究。