基于Lotka-Volterra共生模型的關(guān)中平原城市群生態(tài)安全測(cè)度研究

吳艷霞， 羅 恒， 王彥龍

(西安理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 陜西 西安 710054)

改革開(kāi)放以來(lái)，快速的城鎮(zhèn)化與工業(yè)化為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但粗放式的城市擴(kuò)張?jiān)谝欢ǔ潭壬霞觿×顺鞘屑爸苓叺貐^(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化并制約了區(qū)域發(fā)展的潛力[1-2]。在此背景下，城市發(fā)展過(guò)程中的生態(tài)安全問(wèn)題日益成為政府決策部門及相關(guān)學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)。20世紀(jì)70年代布朗[3]首次將“生態(tài)安全”作為一個(gè)研究概念進(jìn)行闡述，隨后諸多學(xué)者對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行研究并從不同方面對(duì)生態(tài)安全的概念和內(nèi)涵進(jìn)行了延伸和拓展，目前國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所提出的生態(tài)安全定義在學(xué)界應(yīng)用最為廣泛，生態(tài)安全是指作為主體的人與所處環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)或潛在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)人的生存狀態(tài)沒(méi)有直接或間接威脅的演變趨勢(shì)[4]。近些年來(lái)，生態(tài)安全領(lǐng)域研究成果頗豐，主要的研究方向包含林業(yè)生態(tài)安全[5-6]、土地生態(tài)安全[7-8]、流域生態(tài)安全[9-10]、生態(tài)安全屏障[11-12]、區(qū)域生態(tài)承載力等[13-14]，主要的研究方法包含生態(tài)足跡法[15-16]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[17-18]、物元模型[19-20]、遙感及地理信息系統(tǒng)技術(shù)[21]、模糊數(shù)學(xué)模型等[22]。就研究對(duì)象與研究區(qū)域而言，目前的生態(tài)安全研究主要集中于自然區(qū)域及部分熱點(diǎn)城市[24-25]，而對(duì)于區(qū)域城市發(fā)展的高級(jí)形態(tài)——區(qū)域城市群的研究尚處于起步階段。王振波等[26]構(gòu)建了PSR城市群生態(tài)安全協(xié)同會(huì)診指標(biāo)體系研究京津冀城市群的生態(tài)安全現(xiàn)狀并提出相關(guān)改善措施。胡志仁等[27]從經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境4個(gè)層面出發(fā)構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并發(fā)現(xiàn)珠三角城市群生態(tài)安全呈現(xiàn)逐漸下滑態(tài)勢(shì)且未來(lái)7 a生態(tài)安全狀況將愈發(fā)嚴(yán)峻。宓澤鋒等[28]基于生態(tài)文明建設(shè)潛力模型將長(zhǎng)三角城市群與其余城市群作比較，提出長(zhǎng)三角城市群應(yīng)堅(jiān)持走經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展模式。趙烜等[29]評(píng)估了閩三角城市群2004—2015年生態(tài)安全狀況，表明閩三角地區(qū)生態(tài)安全已到預(yù)警狀態(tài)。梳理相關(guān)文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前城市群生態(tài)安全研究中，研究區(qū)域也多集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，如京津冀特大城市群、長(zhǎng)三角及珠三角城市群等，且對(duì)城市群生態(tài)安全的定量研究仍較少。2018年初國(guó)務(wù)院正式批復(fù)《關(guān)中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》，標(biāo)志著關(guān)中平原城市群被列入國(guó)家級(jí)城市群并開(kāi)始踏上發(fā)展快車道。作為新興城市群，關(guān)中平原城市群正在成為激活西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)追趕超越潛力的前沿陣地和絲綢之路向西開(kāi)放的戰(zhàn)略支點(diǎn)。但在快速發(fā)展的同時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源需求及環(huán)境污染之間的矛盾更加突出，高污染高耗能產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式仍桎梏著關(guān)中平原城市群由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。因此在日益強(qiáng)調(diào)生態(tài)文明建設(shè)的今天，研究關(guān)中平原城市群生態(tài)安全發(fā)展格局，對(duì)于推進(jìn)關(guān)中平原城市群實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?；诖耍狙芯炕贚otka-Volterra共生模型及DPSIR模型構(gòu)建關(guān)中平原城市群生態(tài)安全測(cè)度指標(biāo)體系，并利用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，最后結(jié)合雙特征指數(shù)對(duì)關(guān)中平原城市群生態(tài)安全的時(shí)空演變進(jìn)行測(cè)度和分析，并就研究結(jié)論提出有針對(duì)性的對(duì)策建議，以期能為有關(guān)部門制定關(guān)中平原城市群生態(tài)安全保障措施提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

關(guān)中平原城市群以國(guó)家級(jí)中心城市——西安為核心，涵蓋寶雞、咸陽(yáng)、渭南、商洛、銅川、平?jīng)?、慶陽(yáng)、臨汾、運(yùn)城等地市，區(qū)域橫跨陜西、山西、甘肅三省，總?cè)丝? 865萬(wàn)人轄區(qū)總面積為1.07×105km2，占全國(guó)國(guó)土面積的1.12%。關(guān)中平原城市群地處中國(guó)內(nèi)陸中心，南依秦嶺，東跨黃河，歷史文化底蘊(yùn)深厚，擁有大量珍貴的歷史文化遺產(chǎn)和豐富的人文自然資源，城市群內(nèi)各地區(qū)合作交流密切，區(qū)域認(rèn)同感強(qiáng)。同時(shí)關(guān)中平原城市群擁有航空、航天、新能源、IT、物流等完備的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，在科教資源、軍工科技等方面實(shí)力也名列全國(guó)前沿，創(chuàng)新實(shí)力雄厚。作為亞歐大陸橋的重要支點(diǎn)和西部地區(qū)面向東部地區(qū)的重要門戶，關(guān)中平原城市群吸引著大量人員來(lái)此學(xué)習(xí)、生活，城鎮(zhèn)化體系日趨完備。但也正因?yàn)槌擎?zhèn)化的快速發(fā)展，關(guān)中平原城市群面臨著越來(lái)越大的生態(tài)安全壓力，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題亟待解決。本文研究時(shí)間段為2008—2017年，研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2009—2018年各年的陜西、山西、甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒、各地市統(tǒng)計(jì)年鑒、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、各地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、各地區(qū)環(huán)保部門及水利部門發(fā)布公報(bào)及信息。對(duì)于部分缺失數(shù)據(jù)，利用插值法及相鄰近年份的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊。

1.2 Lotka-Volterra共生模型構(gòu)建

當(dāng)前對(duì)于區(qū)域生態(tài)安全的測(cè)度學(xué)者們主要集中于兩大類方法[30]，其一是特征指數(shù)法，其二是指標(biāo)體系法。特征指數(shù)法雖可表征生態(tài)意義但無(wú)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行回溯分析，因而難以精準(zhǔn)進(jìn)行原因分析，指標(biāo)體系法雖可以進(jìn)行回溯分析，但其最后的綜合值并不具備便于理解的生態(tài)意義。同時(shí)，在使用層次分析法、專家打分法、主成分分析進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)主觀性較大、降維后因子代表性不足等問(wèn)題，失去了賦權(quán)的本意。為了結(jié)合特征指數(shù)法與指標(biāo)體系法的優(yōu)點(diǎn)而避開(kāi)其缺點(diǎn)，本文將構(gòu)建特征指數(shù)法與指標(biāo)體系法耦合測(cè)度方法——Lotka-Volterra模型。西方學(xué)者Lotka和Volterra首次構(gòu)建微分動(dòng)態(tài)模型(即Lotka-Volterra模型)來(lái)研究同一空間下兩個(gè)物種種群間的共生關(guān)系[31]，該模型認(rèn)為在同一生態(tài)系統(tǒng)中，各種群都有其存在的作用及相對(duì)穩(wěn)定的生存空間，在此基礎(chǔ)上各種群面臨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)或共生關(guān)系，只有保有現(xiàn)有生態(tài)位的物種才能繼續(xù)存活，Lotka-Volterra模型的提出促進(jìn)了后續(xù)生態(tài)學(xué)和生物種群關(guān)系研究的發(fā)展。Lotka-Volterra模型如下所示：

(1)

(2)

式中：N1(t)——種群S1數(shù)量；N2(t)——種群S2數(shù)量；K1——種群S1環(huán)境容納量；K2——種群S2環(huán)境容納量；r1——種群S1增長(zhǎng)率；r2——種群S2增長(zhǎng)率；α(β)——S2對(duì)S1(S1對(duì)S2)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度系數(shù)；t——時(shí)間。αN2(t)——在S1的環(huán)境容量K1中，一個(gè)物種S2的存在所占據(jù)的環(huán)境容量將相當(dāng)于α個(gè)物種S1占據(jù)的環(huán)境容量；α——正數(shù)則表示物種S2的增加將侵占物種S1的環(huán)境容量，α為負(fù)數(shù)則表示物種S2的增加將擴(kuò)充物種S1的環(huán)境容量，α為0時(shí)表示物種S2對(duì)S1無(wú)影響。對(duì)β的分析相同。因此α，β表征的是兩物種間對(duì)環(huán)境容量的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，將其定義為競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)。

而在人類的生存空間中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)之間的關(guān)系恰好類似于兩個(gè)生物種群之間的共生關(guān)系：社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)例如能源、礦產(chǎn)等都來(lái)源于自然系統(tǒng)，因此自然資源的提供會(huì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展。而社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的擴(kuò)張則會(huì)侵占自然環(huán)境，對(duì)生態(tài)的發(fā)展產(chǎn)生抑制作用。另一方面，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的進(jìn)步可以為自然生態(tài)系統(tǒng)提供更好地保護(hù)機(jī)制，自然生態(tài)系統(tǒng)受益于此，然而因社會(huì)系統(tǒng)侵占而導(dǎo)致的自然生態(tài)系統(tǒng)的不良發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生各種自然災(zāi)害，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不良影響，從而抑制社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展?？梢?jiàn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)存在著對(duì)自然資源占有的復(fù)合共生關(guān)系，其整體原理與公式(1)—(2)所示規(guī)律相符合。因此可以引入Lotka-Volterra模型來(lái)研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)的共生作用機(jī)理，進(jìn)而來(lái)測(cè)度人類生存空間的區(qū)域生態(tài)安全狀況勢(shì)。

據(jù)此構(gòu)造出自然生態(tài)—社會(huì)經(jīng)濟(jì)L-V共生模型，公式為(子系統(tǒng)Ⅰ為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，子系統(tǒng)Ⅱ?yàn)樽匀簧鷳B(tài)系統(tǒng))：

(3)

(4)

式中：F(t)——子系統(tǒng)Ⅰ的發(fā)展水平指數(shù)；E(t)——子系統(tǒng)Ⅱ發(fā)展水平指數(shù)；C——環(huán)境容量指數(shù)；rF——子系統(tǒng)Ⅰ增長(zhǎng)率；rE——子系統(tǒng)Ⅱ增長(zhǎng)率；α(β)——子系統(tǒng)Ⅰ對(duì)子系統(tǒng)Ⅱ(子系統(tǒng)Ⅱ?qū)ψ酉到y(tǒng)Ⅰ)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度系數(shù)，表示自然環(huán)境對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)(社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)自然環(huán)境)發(fā)展的阻礙或促進(jìn)作用；t——時(shí)間變量。

當(dāng)α>0時(shí)，自然生態(tài)子系統(tǒng)的增長(zhǎng)會(huì)侵占社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的環(huán)境容量，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)會(huì)衰減，即自然生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展起阻礙作用；當(dāng)α<0時(shí)，自然生態(tài)子系統(tǒng)的增長(zhǎng)會(huì)增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的環(huán)境容量，表明自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展有益；當(dāng)α=0時(shí)，表明自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)無(wú)影響。同理，當(dāng)β>0時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的增長(zhǎng)會(huì)侵占自然生態(tài)子系統(tǒng)的環(huán)境容量，自然資源子系統(tǒng)會(huì)衰減，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展起阻礙作用；當(dāng)β<0時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的增長(zhǎng)會(huì)增加自然生態(tài)子系統(tǒng)的環(huán)境容量，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展有益；當(dāng)β=0時(shí)，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)無(wú)影響。

1.3 競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度系數(shù)測(cè)算

為對(duì)基本系數(shù)和競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度系數(shù)α與β的值進(jìn)行測(cè)算。本文將公式(3)—(4)進(jìn)行離散化處理，離散化時(shí)間變量取年份k。假定第k年附近，環(huán)境容量、競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度系數(shù)為常數(shù)，則公式(1)—(2)可變?yōu)椋?/p>

(5)

(6)

對(duì)上述公式求解可得：

其中：

(7)

式中：γF(k+1)，γE(k+1)——第k+1年社會(huì)經(jīng)濟(jì)指數(shù)和自然生態(tài)指數(shù)的增長(zhǎng)率；γF(k)，γE(k)——第k年社會(huì)經(jīng)濟(jì)指數(shù)和自然生態(tài)指數(shù)的增長(zhǎng)率。

生態(tài)安全的核心問(wèn)題之一在于研究L-V模型中自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。而由上述公式可得F(t)，E(t)，C等指數(shù)的測(cè)算是研究競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的關(guān)鍵。

1.4 生態(tài)安全DPSIR模型及指標(biāo)體系構(gòu)建

為計(jì)算F(t)，E(t)，C等基本指數(shù)，則需構(gòu)建測(cè)度社會(huì)經(jīng)濟(jì)——自然生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、自然生態(tài)水平、環(huán)境容量的指標(biāo)體系。在相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上[32-35]，構(gòu)建DPSIR模型(driving force:驅(qū)動(dòng)力；pressure:壓力；state:狀態(tài)；impact:影響；response:響應(yīng))來(lái)構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系，從而對(duì)相關(guān)指數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)力(D)將改善資源與環(huán)境狀態(tài)(S)，經(jīng)濟(jì)壓力(P)則會(huì)破壞資源與環(huán)境狀態(tài)(S)，而資源與環(huán)境狀態(tài)會(huì)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)輸送資源。同時(shí)驅(qū)動(dòng)力(D)和經(jīng)濟(jì)壓力(P)反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩方面，因此可以用驅(qū)動(dòng)力(D)和經(jīng)濟(jì)壓力(P)這兩個(gè)因素來(lái)反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平測(cè)度指標(biāo)。地區(qū)生產(chǎn)總值表明的是地區(qū)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度，是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心動(dòng)力。居民人均可支配收入從消費(fèi)角度解釋了地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)因素，而固定資產(chǎn)投資和一般公共預(yù)算支出則分別從城市建設(shè)和政府投入角度解釋了兩者對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)。因而選取上述4個(gè)指標(biāo)表示社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力(表1)。

城鎮(zhèn)化帶來(lái)的大量工業(yè)設(shè)施運(yùn)行是給環(huán)境造成破壞的主要因素之一，工業(yè)煙粉塵及廢水排放量解釋了工業(yè)化給自然環(huán)境帶來(lái)的壓力，單位GDP能耗從能源消耗產(chǎn)出角度解釋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所帶來(lái)的壓力，城鎮(zhèn)化帶來(lái)的人口虹吸效應(yīng)則是社會(huì)經(jīng)濟(jì)為自然環(huán)境帶來(lái)壓力的另一體現(xiàn)，用人口密度和人口自然增長(zhǎng)率來(lái)表示。

表1 DPSIR模型指標(biāo)構(gòu)建及指標(biāo)權(quán)重

人類響應(yīng)(R)表示的是人類對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行的正向積極的保護(hù)工作，既可以達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境的目的，也可以抑制社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的破壞作用來(lái)間接減輕生態(tài)環(huán)境壓力，可見(jiàn)人類響應(yīng)(R)對(duì)環(huán)境容量水平(C)由較大影響，因此可以和資源與環(huán)境狀況一起共同反映環(huán)境容量測(cè)度指標(biāo)(C)。人類響應(yīng)表現(xiàn)在三個(gè)層面，一是對(duì)于工業(yè)污染的治理，用污水處理率和工業(yè)固廢處理率表示，二是對(duì)生態(tài)的恢復(fù)，用當(dāng)年造林面積來(lái)表示，三是從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)層面做出的響應(yīng)，通過(guò)改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比來(lái)減輕環(huán)境壓力，用第三產(chǎn)業(yè)占比來(lái)表示。而人均水資源量、人均綠地面積、人均道路面積、燃?xì)馄占奥蕜t分別從資源儲(chǔ)量、城鎮(zhèn)綠化、城市建設(shè)、居民生活狀態(tài)4個(gè)層面表示了地區(qū)資源與環(huán)境狀況。

生態(tài)影響(I)則代表資源環(huán)境狀態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，在一定程度上反映了當(dāng)下的生態(tài)水平狀況，因此可以反映生態(tài)水平測(cè)度指標(biāo)。森林覆蓋率和城鎮(zhèn)綠化覆蓋率分別表示自然生態(tài)和城市環(huán)境受到的影響，空氣質(zhì)量二級(jí)以上天數(shù)占比則可以表示大氣環(huán)境所受影響，耕地指標(biāo)表示社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的影響。

根據(jù)上述分析，基于DPSIR模型可以構(gòu)建關(guān)中平原城市群生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)果詳見(jiàn)表1。然后利用熵權(quán)法對(duì)所選取指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重結(jié)果詳見(jiàn)表1。

1.5 綜合特征指數(shù)的構(gòu)造及生態(tài)安全判據(jù)

參照張智光等[36]對(duì)共生關(guān)系的研究，在競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)α，β的基礎(chǔ)上可以得到社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)子系統(tǒng)的受力方向(圖1)并據(jù)此構(gòu)造出共生受力指數(shù)SF(k)和SE(k)：

(8)

(9)

式中：SF(k)——社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)受到自然生態(tài)子系統(tǒng)作用力大??；SE(k)——自然生態(tài)子系統(tǒng)受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的作用力大小。

進(jìn)一步，可以構(gòu)造出社會(huì)經(jīng)濟(jì)—自然生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中涵蓋SF(k)和SE(k)的綜合特征指數(shù)，即共生度指數(shù)S(k)：

(10)

式中： 具有明確的生態(tài)意義，可以表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共生關(guān)系的優(yōu)劣程度。

圖1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)-自然生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)關(guān)系分類

表2 生態(tài)安全狀態(tài)和預(yù)警等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)中平原城市群生態(tài)安全狀態(tài)綜合評(píng)判結(jié)果分析

2.1.1 基本指數(shù)計(jì)算結(jié)果 通過(guò)對(duì)關(guān)中平原城市群2008—2017年生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)證分析，得到社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)、自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)、環(huán)境容量指數(shù)等基本指數(shù)，如圖2所示。由圖2可知，關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)一直呈穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)，由2008年的0.028 4增長(zhǎng)至2017年的0.439 1，分析其增長(zhǎng)的原因主要來(lái)自于兩方面，一方面，隨著2008年往后中國(guó)整體經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的高速發(fā)展，關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境得到了較大改善，城市化進(jìn)程也不斷加快，地區(qū)國(guó)民生產(chǎn)總值、人均可支配收入、固定資產(chǎn)投資、公共預(yù)算支出等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力增長(zhǎng)明顯；另一方面社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力的減輕也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)呈上升趨勢(shì)的另一重要原因，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)進(jìn)步使得單位GDP能耗不斷下降，同時(shí)雖然關(guān)中平原城市群部分城市仍然存在大量工業(yè)“三廢”排放狀況，但就地區(qū)總體情況而言，隨著環(huán)保執(zhí)法力度的加強(qiáng)和污染物處理裝置的普及，這一情況也逐年改善。而人口的不斷增長(zhǎng)和人口密度的增加為關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的壓力不斷增長(zhǎng)，雖然其他因素的改善超過(guò)了這兩者帶來(lái)的壓力，但這一情況仍然值得注意。關(guān)中平原城市群環(huán)境容量指數(shù)從2008—2017年總體呈上升狀態(tài)，但中間波動(dòng)態(tài)勢(shì)明顯，波動(dòng)態(tài)勢(shì)在2008—2012年尤為突出。究其原因，第一是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然會(huì)消耗自然資源，例如關(guān)中平原成群人均水資源量不斷呈下降趨勢(shì)，而人均城市道路面積、人均綠地面積等資源與環(huán)境狀態(tài)卻呈現(xiàn)改善狀態(tài)，這一點(diǎn)值得肯定；第二是人類響應(yīng)情況帶來(lái)的影響，關(guān)中平原城市群產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)速度較為緩慢，部分城市第三產(chǎn)業(yè)GDP占比在甚至一度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，總體而言關(guān)中平原城市群對(duì)于污染的處理率相較前幾年而言得到強(qiáng)化，但近幾年部分城市卻在對(duì)污染的處理力度和效率上有所下降，而就植樹(shù)造林這一指標(biāo)而言，自2008年以來(lái)處于上升趨勢(shì)，對(duì)地區(qū)環(huán)境承載力的擴(kuò)充做出了一定貢獻(xiàn)。因此綜合等等原因，共同造成了關(guān)中平原城市群環(huán)境容量指數(shù)在總體上升過(guò)程中呈現(xiàn)波動(dòng)的狀態(tài)。關(guān)中平原城市群自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)呈緩幅上升趨勢(shì)，通過(guò)指標(biāo)回溯發(fā)現(xiàn)，關(guān)中平原城市群植樹(shù)造林面積不斷增加，在一定程度上使得關(guān)中平原城市群森林生態(tài)涵養(yǎng)功能得到改善，固碳放氧能力得到提升，有利的促進(jìn)了地區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，除此以外，城市綠化覆蓋率的提高也改善了城市生態(tài)水平，但是另一方面，城市化的快速擴(kuò)充以及工業(yè)、汽車污染物的排放對(duì)于土地生態(tài)、空氣質(zhì)量的影響也較大，間接導(dǎo)致了地區(qū)自然生態(tài)水平增益速度緩慢，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)警惕。

圖2 關(guān)中平原城市群生態(tài)安全基本指數(shù)

2.1.2 綜合特征指數(shù)計(jì)算結(jié)果 根據(jù)上述對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指數(shù)、環(huán)境容量指數(shù)、自然生態(tài)發(fā)展水平指數(shù)生態(tài)安全基本指數(shù)的測(cè)度結(jié)果，本文對(duì)2009—2016年關(guān)中平原城市群生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)判并給出相應(yīng)的預(yù)警等級(jí)，如圖3所示。由圖3可知，關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)受力指數(shù)S(F)一直大于0，這表明自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的作用力為正向，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展起到增益作用。關(guān)中平原城市群自然生態(tài)受力指數(shù)S(E)僅有3個(gè)年份(2010，2011和2014年)受到正向作用力，同時(shí)按照前述生態(tài)安全判斷依據(jù)來(lái)看，這3個(gè)年份共生指數(shù)都大于1，表明此3年社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)處于共贏發(fā)展的局面，生態(tài)狀況位于安全區(qū)，然而其余年份皆受到負(fù)向作用力，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)向抑制作用，應(yīng)當(dāng)特別注意的是，在2009與2013年兩個(gè)年份，共生度指數(shù)都小于0，表明地區(qū)生態(tài)安全已經(jīng)處于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)甚至惡化區(qū)，生態(tài)狀況堪憂?？芍鷳B(tài)安全的狀態(tài)取決于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和自然生態(tài)子系統(tǒng)的共生性，為兩者相互作用的結(jié)果。就2015及2016年兩年而言，關(guān)中平原城市群生態(tài)安全預(yù)警狀態(tài)一直為黃色預(yù)警，即生態(tài)安全位于康復(fù)區(qū)，表明關(guān)中平原城市群自然生態(tài)子系統(tǒng)處于產(chǎn)業(yè)獲利而生態(tài)受損的偏害模式，可以預(yù)見(jiàn)，如果積極改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境，緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展對(duì)自然生態(tài)帶來(lái)的壓力，那么關(guān)中平原城市群將有望步入綠色安全狀態(tài)，而若生態(tài)偏害模式持續(xù)下去，關(guān)中平原城市群生態(tài)狀態(tài)將突破安全底線，生態(tài)環(huán)境會(huì)受到更大的損害。

圖3 關(guān)中平原城市群生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 各城市生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果分析

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)2009—2016年關(guān)中平原城市群下轄城市生態(tài)安全受力狀況及共生指數(shù)進(jìn)行具體測(cè)度，并得到其生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果，如附圖6及表3所示。從附圖6可以看出，關(guān)中平原城市群生態(tài)格局整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，至2016年無(wú)生態(tài)安全惡化地區(qū)，生態(tài)安全整體格局由“西南—東北偏低，西北—東南較高”轉(zhuǎn)向“西部偏低，東部較高”。

表3 各城市2009-2016年生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果

2.2.2 黃色預(yù)警區(qū)域分析 在2016年生態(tài)預(yù)警狀態(tài)為黃色預(yù)警〔SE(t)<0，0

2.2.3 紫色預(yù)警區(qū)域分析 在2016年生態(tài)預(yù)警狀態(tài)為紫色預(yù)警〔SE(t)<0，-1

3 結(jié)論與對(duì)策建議

3.1 結(jié) 論

(1) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)—自然生態(tài)Lotka-Volterra共生模型可以綜合指標(biāo)體系法與特征指數(shù)法的優(yōu)勢(shì)： ①文中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)受力指數(shù)S(F)、自然生態(tài)受力指數(shù)S(E)以及共生度指數(shù)S都具有明確的生態(tài)意義，通過(guò)生態(tài)受力指數(shù)SE(k)—共生指數(shù)S(k)雙特征指數(shù)可以準(zhǔn)確分析各地區(qū)生態(tài)安全狀況； ②通過(guò)指標(biāo)回溯可以得到造成地區(qū)生態(tài)安全現(xiàn)狀的具體原因，便于相關(guān)部門有針對(duì)性的制定對(duì)策。

(2) 從時(shí)間演變來(lái)看，2008—2017年關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛但生態(tài)環(huán)境改善狀況幅度并不明顯，地區(qū)生態(tài)承載力呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)但總體呈上升趨勢(shì)。從生態(tài)安全受力方向及共生度指數(shù)來(lái)看，關(guān)中平原城市群自2009—2016年社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)受力方向?yàn)檎?，但自然生態(tài)子系統(tǒng)受力方向在多個(gè)年份表現(xiàn)為負(fù)，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展而生態(tài)環(huán)境受到侵害的偏利發(fā)展模式在關(guān)中平原城市群長(zhǎng)期存在，這一不可持續(xù)的發(fā)展模式若不得到及時(shí)糾偏不僅將繼續(xù)給地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成損害，同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有可能遭到反噬，生態(tài)安全最終掉入惡化區(qū)。

從空間格局來(lái)看，關(guān)中平原城市群下轄各城市生態(tài)安全演變格局差異顯著，臨汾市、西安市、銅川市、商洛市等地區(qū)環(huán)境改善狀況顯著，在2016年進(jìn)入安全區(qū)，慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪小⑾剃?yáng)市、寶雞市、渭南市處于黃色預(yù)警狀態(tài)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境仍不能協(xié)調(diào)發(fā)展，運(yùn)城市生態(tài)安全狀況出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)獲弱利而自然生態(tài)受到強(qiáng)害，值得警惕。

(3) 通過(guò)指標(biāo)回溯發(fā)現(xiàn)，工業(yè)污染給關(guān)中平原城市群生態(tài)安全提升帶來(lái)的桎梏仍有待破解。另一方面，城鎮(zhèn)化的快速擴(kuò)張引起的人口壓力對(duì)城市生態(tài)承載力的壓力與日俱增，特別是西安市被確定為國(guó)家級(jí)中心城市以來(lái)，關(guān)中地區(qū)對(duì)于人口的吸引力不斷增加，人口規(guī)模不斷擴(kuò)張，同時(shí)城鎮(zhèn)化也會(huì)對(duì)土地、森林、水資源等自然資源提出需求，部分城市生態(tài)環(huán)境受損明顯。但值得肯定的是，在處理工業(yè)“三廢”、擴(kuò)大生態(tài)造林面積上，大部門城市進(jìn)步明顯，在一定程度上緩解了生態(tài)安全面臨的惡化風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 對(duì)策建議

(1) 對(duì)于生態(tài)預(yù)警狀態(tài)為綠色安全的城市而言，西安應(yīng)當(dāng)優(yōu)化人口布局，避免過(guò)度的人口聚集給生態(tài)承載力造成的破壞。商洛市可以充分利用其森林資源，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展生態(tài)旅游經(jīng)濟(jì)，進(jìn)行保護(hù)型開(kāi)發(fā)，使得社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)增益加強(qiáng)。臨汾市和銅川市則要要繼續(xù)保持工業(yè)污染排放量不斷下降這一良好態(tài)勢(shì)，并提升城鎮(zhèn)化的質(zhì)量。對(duì)于生態(tài)安全預(yù)警狀態(tài)為黃色預(yù)警的城市而言，慶陽(yáng)市應(yīng)當(dāng)加快步伐優(yōu)化其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改變?nèi)a(chǎn)占比過(guò)低的發(fā)展局面，平?jīng)鍪袆t要穩(wěn)固經(jīng)濟(jì)發(fā)展，防止經(jīng)濟(jì)滑坡給生態(tài)帶來(lái)更嚴(yán)重的損害，慶陽(yáng)和平?jīng)鍪型幾匀毁Y源稟賦弱勢(shì)區(qū)，必須抓住關(guān)中平原城市群建設(shè)機(jī)遇，培育地區(qū)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。寶雞、咸陽(yáng)市作為工業(yè)城市，要制定嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策，禁止新增高污染、高能耗的工業(yè)項(xiàng)目，同時(shí)及時(shí)淘汰落后產(chǎn)能并對(duì)已經(jīng)過(guò)剩的產(chǎn)能進(jìn)行裁剪。渭南市生態(tài)安全曾處一度于惡化區(qū)，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化其生態(tài)建設(shè)水平，注重綠色發(fā)展，避免其低質(zhì)城鎮(zhèn)化給自然生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)度負(fù)荷。對(duì)于處于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的運(yùn)城市而言，當(dāng)務(wù)之急是進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，做好生態(tài)保護(hù)紅線的嚴(yán)格劃定，出臺(tái)完備的自然資源保護(hù)政策，防止生態(tài)進(jìn)一步惡化和生態(tài)破壞給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成損害。

(2) 關(guān)中平原城市群在2016年整體處于康復(fù)區(qū)，未來(lái)有希望轉(zhuǎn)入生態(tài)安全區(qū)，關(guān)鍵在于減輕自然生態(tài)受到的壓力。關(guān)中平原城市群應(yīng)當(dāng)制定聯(lián)動(dòng)環(huán)境執(zhí)法機(jī)制，統(tǒng)一嚴(yán)格污染排放、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)，倒逼相關(guān)企業(yè)自我改革，促進(jìn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)分布優(yōu)化。除了限制落后產(chǎn)能，盡快培育關(guān)中平原城市群自身的優(yōu)勢(shì)綠色、高新產(chǎn)業(yè)也是當(dāng)前的重中之中，綠色、高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于生態(tài)環(huán)境也具有增益效用，從而緩解當(dāng)前關(guān)中平原城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展給自然生態(tài)造成的壓力。同時(shí)應(yīng)當(dāng)抓住西安被確立為國(guó)家中心城市這一契機(jī)，強(qiáng)化西安對(duì)關(guān)中平原城市群的輻射帶動(dòng)范圍和力度，強(qiáng)化各城市的基礎(chǔ)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展氛圍，打造“綠色關(guān)中平原城市產(chǎn)業(yè)鏈”，更加注重城市群的聯(lián)動(dòng)性，提升關(guān)中平原城市群整體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)質(zhì)量，縮小地區(qū)間的發(fā)展差距，進(jìn)而推動(dòng)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3) 對(duì)于關(guān)中平原城市群中的秦嶺沿線城市，必須加深對(duì)保護(hù)秦嶺這一生態(tài)戰(zhàn)略的認(rèn)識(shí)，要加快構(gòu)建以國(guó)家公園為主體的秦嶺自然保護(hù)地體系，破解秦嶺各自然保護(hù)地區(qū)域交叉重疊、多頭管理的碎片化問(wèn)題，能更科學(xué)的開(kāi)發(fā)秦嶺能源資源、旅游資源、林業(yè)資源，用同時(shí)更嚴(yán)格的立法來(lái)明晰秦嶺生態(tài)保護(hù)的界限，加大對(duì)秦嶺違法商業(yè)活動(dòng)的打擊力度。從而在最大程度保護(hù)秦嶺地區(qū)的生態(tài)安全，進(jìn)而提升關(guān)中平原城市群的整體生態(tài)環(huán)境。