生態(tài)安全評價(jià)方法及其應(yīng)用

曹秉帥，鄒長新，高吉喜，何 萍

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

習(xí)近平總書記在主持召開中央國家安全委員會第一次會議時(shí)指出，既重視傳統(tǒng)安全，又重視非傳統(tǒng)安全，構(gòu)建集政治安全、國土安全、軍事安全、經(jīng)濟(jì)安全、文化安全、社會安全、科技安全、信息安全、生態(tài)安全、資源安全、核安全等于一體的國家安全體系，并在黨的十九大報(bào)告中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)要加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系。由此可見，生態(tài)安全已逐漸被視為與國防安全、經(jīng)濟(jì)安全以及糧食安全同等重要的第四大安全體系[1]，是國家安全的重要組成部分[2]，具有戰(zhàn)略性地位和重大意義，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[3]。

生態(tài)安全研究主要集中于概念內(nèi)涵、區(qū)域生態(tài)安全的結(jié)構(gòu)與管理、生態(tài)安全的戰(zhàn)略地位與意義、監(jiān)測技術(shù)與評估方法等[4-5]。國際上有關(guān)生態(tài)安全的研究最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，此階段是生態(tài)安全概念的形成階段。1962年美國海洋生物學(xué)家蕾切爾·卡森發(fā)表環(huán)境保護(hù)科普著作《寂靜的春天》，初步揭示了污染對生物物種、生態(tài)系統(tǒng)及人類的危害，由此掀起了全球性環(huán)境運(yùn)動(dòng)[6]。1972年出版的《增長的極限》深入分析了資源、人口和環(huán)境相互影響的關(guān)系，引起了各國政府和科學(xué)界對生態(tài)問題的關(guān)注[7]。同年6月聯(lián)合國在斯德哥爾摩召開了“人類環(huán)境會議”，此次會議確立了生態(tài)環(huán)境保護(hù)與發(fā)展并重的主題，標(biāo)志著“環(huán)境時(shí)代”的到來，是“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略思想的萌芽階段，為后來的環(huán)境保護(hù)帶來了重大影響。1982年BROWN[8]首次將生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重要性提高到國家安全層面，他認(rèn)為二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，威脅國家安全的主要因素已由國與國之間的敵對軍事威脅轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇祟惤?jīng)濟(jì)、文化快速發(fā)展引起的自然生態(tài)系統(tǒng)退化及資源匱乏的壓力。BROWN指出，20世紀(jì)末國家安全的關(guān)鍵是持續(xù)發(fā)展性，各國政府應(yīng)當(dāng)重視生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，以從根本上解決由生態(tài)壓力及資源短缺引發(fā)的經(jīng)濟(jì)問題，如通貨膨脹、失業(yè)、資金短缺和幣制不穩(wěn)定等，進(jìn)而穩(wěn)定社會不安和政治動(dòng)蕩，鞏固國家安全。1987年世界環(huán)境與發(fā)展委員會(WCED)發(fā)布了著名報(bào)告《我們共同的未來》[9-10]，“環(huán)境安全”的概念首次正式為聯(lián)合國所采用。該報(bào)告闡述了環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，擴(kuò)展了國家安全的定義，指出“除了軍事和政治威脅，國家安全還應(yīng)包括環(huán)境破壞對經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的威脅”，強(qiáng)調(diào)“國家為了維護(hù)其安全，必須重視改善經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境背景”。1989年國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)首次提出了“生態(tài)安全”的概念，并指出生態(tài)安全是確保人類生活、健康、安樂的基本權(quán)利，確保人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力不受威脅的狀態(tài)。1996年《地球公約》的《面對全球生態(tài)安全的市民條約》中，約有100多個(gè)國家的200多萬人簽字。締約建立在環(huán)境安全、可持續(xù)發(fā)展和責(zé)任的基礎(chǔ)之上，要求各成員國和各團(tuán)體組織相互協(xié)調(diào)利益、履行責(zé)任和義務(wù)，加強(qiáng)國際合作，至此生態(tài)安全開始得到國際社會的認(rèn)可。綜上所述，生態(tài)安全的概念可以概括為狹義和廣義2種理解。狹義的概念是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，即生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康的整體水平反映[11]，主要研究生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況、景觀安全格局以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度等。而隨著認(rèn)識加深，人們意識到生態(tài)安全不只是自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，還應(yīng)包括經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會生態(tài)安全在內(nèi)[12]，即生態(tài)安全的廣義概念。它強(qiáng)調(diào)人類活動(dòng)對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，探究的是國際組織(包括政府和非政府組織機(jī)構(gòu))在解決生態(tài)問題時(shí)所采取的一系列措施、政策及法律對生態(tài)安全的影響，應(yīng)該是社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合系統(tǒng)的安全。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，來自世界各國的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)通過大量實(shí)驗(yàn)研究，開始對生態(tài)安全進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性和綜合性評價(jià)，區(qū)域生態(tài)安全評估研究成為熱點(diǎn)，研究內(nèi)容逐步細(xì)化具體。如關(guān)于區(qū)域水[13-15]、大氣[16-18]、土壤[19-21]等生態(tài)環(huán)境要素及生態(tài)系統(tǒng)安全性評估[22-25]，關(guān)于農(nóng)業(yè)[26-28]、漁業(yè)[29-31]、旅游業(yè)[32-34]、工礦業(yè)[35-37]等對區(qū)域生態(tài)安全的影響評價(jià)及產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展途徑探索，關(guān)于城市[38-39]、農(nóng)村[40]人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展安全性評估及問題對策等。生態(tài)安全評價(jià)是生態(tài)安全研究的基礎(chǔ)和前提，對于一個(gè)國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源合理利用以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要[41]，準(zhǔn)確可靠的生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果能夠反映生態(tài)環(huán)境所存在的安全問題及隱患[42]。

然而目前生態(tài)安全評價(jià)技術(shù)方法發(fā)展緩慢，仍舊沿用20世紀(jì)末21世紀(jì)初所提出的技術(shù)體系。此外，不同學(xué)者因其專業(yè)背景、研究對象、研究尺度不同，在進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)時(shí)所采用的評價(jià)方法、指標(biāo)體系構(gòu)建等亦存在差異[43-44]。筆者試圖從生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建、評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確立、評價(jià)方法及其應(yīng)用、評估結(jié)果分級等方面進(jìn)行分析總結(jié)及特點(diǎn)述評，進(jìn)而針對當(dāng)前生態(tài)安全評價(jià)研究中存在的主要問題進(jìn)行探討，以期為有關(guān)部門制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、區(qū)域生態(tài)安全管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)警模型構(gòu)建

1.1 建立生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)

構(gòu)建指標(biāo)體系的實(shí)質(zhì)是生態(tài)安全中的抽象問題具體化、實(shí)例化的過程。科學(xué)的選擇指標(biāo)是客觀評價(jià)的基礎(chǔ)，有研究表明對于同一問題選用不同指標(biāo)體系(或概念框架)得到的評價(jià)結(jié)果可能不同[45]。因此，指標(biāo)體系的構(gòu)建對于生態(tài)安全評價(jià)具有極其重要的作用。當(dāng)前較為常用的評價(jià)指標(biāo)體系如表1所示，其中應(yīng)用最為普遍的是由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)提出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure，State，Response，PSR)評價(jià)體系[46]。PSR評價(jià)體系的基本邏輯是：由人類活動(dòng)引發(fā)的諸多不良影響(即壓力)致使生態(tài)環(huán)境發(fā)生數(shù)量和質(zhì)量的改變(即狀態(tài))，而人類對于這一改變又采取一系列措施去修復(fù)生態(tài)問題(即響應(yīng))，從而形成一個(gè)反饋回路。其中，壓力指標(biāo)指人類活動(dòng)對環(huán)境的直接壓力因子，如廢棄物排放、煤礦開采、人口密度、公路網(wǎng)密度等；狀態(tài)指標(biāo)反映環(huán)境當(dāng)前的狀態(tài)或趨勢，如污染物濃度、物種多樣性等；響應(yīng)指標(biāo)表征人類應(yīng)對環(huán)境問題時(shí)所采取的對策和措施，如工業(yè)廢氣處理率、科技、環(huán)保和教育投入強(qiáng)度等。此后形成的眾多評價(jià)體系均是在PSR框架基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來的，如聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會(The United Nations Commission on Sustainable Development，UNCSD)在PSR的基礎(chǔ)上提出了驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)(Driver，State，Response，DSR/DFSR)評價(jià)體系[47]、歐洲環(huán)境署(European Environment Agency，EEA)提出的驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(Driver，Presure，State，Impact，Response，DPSIR)評價(jià)體系[48-49]、聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization，F(xiàn)AO)提出的驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-暴露-響應(yīng)(Driver，Presure，State，Exposure，Response，DPSER)評價(jià)體系[50]等。此外，國內(nèi)學(xué)者在國際評價(jià)指標(biāo)建立的研究基礎(chǔ)上也提出了改進(jìn)的評價(jià)體系。如王耕等[51]基于PSR框架提出了狀態(tài)-隱患-響應(yīng)(Stage，Dange，Response，SDR)概念模型，首次將災(zāi)害學(xué)原理應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)安全機(jī)理研究，強(qiáng)調(diào)了生態(tài)安全的動(dòng)態(tài)演變過程。

表1 常用的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系概念框架及其特征Table1 The conceptual framework and characteristics of commonly used ecological safety evaluation index system

由于各評價(jià)體系的特征及系統(tǒng)各因素間的邏輯關(guān)聯(lián)不同，在應(yīng)用上應(yīng)根據(jù)評價(jià)對象的不同靈活選擇合適的模型：(1)PSR框架通過建立人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用和相互影響關(guān)系，能夠從環(huán)境壓力來源的角度分析生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，適用于空間尺度較小、空間變異較小、影響因素較少的區(qū)域生態(tài)評價(jià)以及環(huán)境類指標(biāo)的評價(jià)，但并不適用于經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)的評價(jià)。此外，壓力與狀態(tài)之間的邏輯聯(lián)系并非必然，而是受多種復(fù)雜因素的作用，而該評價(jià)體系過于強(qiáng)調(diào)了人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的影響，忽視了來自自然本身及其它因素的影響，因而其評價(jià)結(jié)果存在一定的片面性。(2)DSR框架使用驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)替換PSR框架中的壓力指標(biāo)，其目的是為了適應(yīng)社會、經(jīng)濟(jì)和制度等新指標(biāo)的加入。DSR框架較PSR雖然考慮了來自經(jīng)濟(jì)、社會等驅(qū)動(dòng)力因子與生態(tài)環(huán)境之間的因果關(guān)系，但依然沒有解決驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境狀態(tài)之間沒有必然邏輯聯(lián)系的缺陷。此外，對于驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)的界定也存在一定的模糊性。(3)DPSER 框架是從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與人類需求的角度出發(fā)，將污染物暴露單獨(dú)列為一個(gè)模塊，著重強(qiáng)調(diào)人類需求與生態(tài)環(huán)境壓力的接觸暴露關(guān)系。但框架的線性結(jié)構(gòu)不能很清楚地解釋所有過程的復(fù)雜特征，且指標(biāo)分類也較為困難。此外，DPSER框架更多考慮了人類因素造成的環(huán)境問題，而忽視了自然災(zāi)害對生態(tài)安全的影響。(4)DPSIR框架是在PSR體系的基礎(chǔ)上增加了驅(qū)動(dòng)力和影響指標(biāo)，是對DSR框架的進(jìn)一步細(xì)化。該體系從系統(tǒng)分析的角度以簡化的系統(tǒng)內(nèi)部因果關(guān)系為思路，更為全面地評價(jià)人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的相互作用關(guān)系[52]。但DPSIR框架中指標(biāo)之間的線性因果關(guān)系過度簡化了實(shí)際情況，其各子系統(tǒng)間的非線性關(guān)系研究還有待提高[53]。(5)SDR框架在PSR框架基礎(chǔ)上增添了生態(tài)安全自然災(zāi)害因素的影響及人類活動(dòng)隱患的非短期影響，能夠反映生態(tài)安全不確定性因素的動(dòng)態(tài)影響。但不同區(qū)域生態(tài)安全隱患與安全狀態(tài)的時(shí)空演變機(jī)理不同，不能套用一般研究模式。

PSR概念框架及其衍生框架逐漸應(yīng)用于不同尺度的生態(tài)安全評價(jià)中[54-56]。如DU等[57]基于PSR理論框架，利用多尺度的遙感數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)及其它生態(tài)數(shù)據(jù)與GIS技術(shù)結(jié)合的方法，分析評價(jià)了徐州市的城市生態(tài)安全空間分布與動(dòng)態(tài)變化；談?dòng)碌萚58]基于DSR模型，對2005—2010年淮河流域六安段的生態(tài)安全變化進(jìn)行了研究；江波等[59]針對洞庭湖湖泊面積和容積萎縮、水位下降、水質(zhì)惡化、生物多樣性下降等生態(tài)環(huán)境問題，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類活動(dòng)的尺度關(guān)聯(lián)特征出發(fā)，采用DPSER框架構(gòu)建了洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡分析系統(tǒng)；朱蓮蓮等[60]運(yùn)用DPSIR模型構(gòu)建了湖南省生態(tài)安全指標(biāo)評價(jià)體系，系統(tǒng)研究了1989—2012年間湖南省各區(qū)域生態(tài)安全狀況，探討了誘發(fā)其變化的各種因子及其相互作用機(jī)制。

1.2 確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法一般分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法及兩者相結(jié)合的方法。其中，常用的主觀賦權(quán)法包括層次分析法、專家打分法及德爾菲法等。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)的基本思路與人對一個(gè)復(fù)雜的決策問題的思維判斷過程大體一致。按照其邏輯思維的加工處理步驟可將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題分解為3個(gè)層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。再基于定性的思維判斷和經(jīng)驗(yàn)對各方案對于每一項(xiàng)準(zhǔn)則的權(quán)重及每一準(zhǔn)則對目標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行打分或賦權(quán)，并綜合兩者權(quán)重最終確定方案層對目標(biāo)層的權(quán)重。由此可見，以AHP方法為代表的主觀賦權(quán)法在處理難以定量分析的復(fù)雜問題時(shí)能夠有效利用專家經(jīng)驗(yàn)，且能夠從專業(yè)的角度解釋結(jié)果，具有一定的權(quán)威性。但同時(shí)由于賦權(quán)過程過度依賴于主觀判斷，對專業(yè)背景及知識經(jīng)驗(yàn)要求較高，因而不同評判主體得到的結(jié)果可能存在差異。

客觀賦權(quán)法主要包括主成分分析法、熵權(quán)法、變異系數(shù)法、均方差法等。以主成分分析法(Principal Components Analysis，PCA)為例，它是利用降維的思想，通過研究指標(biāo)體系間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立且包含原來指標(biāo)大部分信息的綜合指標(biāo)。由于其完全基于數(shù)學(xué)模型確定各指標(biāo)權(quán)重，因而消除了主觀判斷對結(jié)果的影響，具有較強(qiáng)的客觀性，且得出的綜合指標(biāo)之間相互獨(dú)立，減少了信息的交叉，有利于分析評價(jià)。然而，由于客觀賦權(quán)法忽略了主觀判斷，不能反映專家的知識和經(jīng)驗(yàn)以及決策者的意見，無法體現(xiàn)不同指標(biāo)的相對重要性，有可能導(dǎo)致所得結(jié)果差距過小，難以結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解釋。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免主觀和客觀賦權(quán)法各自的缺點(diǎn)，充分利用兩者分別在主觀經(jīng)驗(yàn)性和客觀準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，大多采用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法組合的方式確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3 生態(tài)安全的評價(jià)方法

隨著科技快速發(fā)展和人口激增，人類活動(dòng)正以空前規(guī)模影響著生態(tài)系統(tǒng)，由此出現(xiàn)了諸多帶有區(qū)域特征的生態(tài)問題，如大氣污染、土地荒漠化、鹽漬化等。由于尺度具有不可推繹性，不能輕易將小尺度上的研究結(jié)論推至大尺度，因此，肖篤寧等[11]建議應(yīng)當(dāng)重視生態(tài)安全評價(jià)模型的研究。模型在生態(tài)安全評價(jià)中具有預(yù)測、解釋和推斷的功能[61]。按照其原理可將生態(tài)安全評價(jià)中的模型劃分為數(shù)學(xué)模型法、生態(tài)模型法、景觀生態(tài)模型法、數(shù)字地面模型法和計(jì)算機(jī)模擬模型法5類。

1.3.1數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法包含綜合指數(shù)法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、物元評價(jià)法及模糊綜合法等。綜合指數(shù)法是將各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，即將每一項(xiàng)歸一化處理后的指標(biāo)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的權(quán)重值相乘來表示各指標(biāo)得分，然后將各指標(biāo)得分相加，得到評價(jià)區(qū)域的生態(tài)安全指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定量化評價(jià)。該方法體現(xiàn)了生態(tài)安全評價(jià)中的綜合性、整體性和層次性，但易將問題簡單化，難以反映系統(tǒng)本質(zhì)。

灰色關(guān)聯(lián)度法是根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，通過篩選、比較參考序列并計(jì)算各因素的關(guān)聯(lián)度，從而對灰色系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行量化分析。該方法克服了常見數(shù)理統(tǒng)計(jì)量化方法的局限性，對系統(tǒng)參數(shù)要求不高，適用于尚未定性的生態(tài)安全系統(tǒng)。彭文君等[62]以貴州省赤水市耕地景觀為研究對象，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法得出對研究區(qū)旱地景觀生態(tài)安全演變及重心轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)因素。

物元評價(jià)法是由事物、特征和事物特征的量值共同組成的三元組。按其主要分析步驟可劃分為確定生態(tài)安全物元、確定事物經(jīng)典域與節(jié)域物元矩陣、確定待評價(jià)物元和關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度以及綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算等過程。該方法有助于從變化的角度識別變化因子，具有較好的直觀性，但關(guān)聯(lián)函數(shù)形式確定不規(guī)范，通用性有待提高。余健等[63]運(yùn)用物元分析法對皖江地區(qū)9個(gè)市土地生態(tài)安全水平進(jìn)行評價(jià)，并與多指標(biāo)綜合評價(jià)法進(jìn)行比較，結(jié)果表明物元分析法既能得到綜合質(zhì)量信息，也能反映評價(jià)對象的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)可以揭示評價(jià)對象單個(gè)評價(jià)指標(biāo)的分異，在土地生態(tài)安全評價(jià)中具一定應(yīng)用價(jià)值。

模糊綜合法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化并進(jìn)行綜合評價(jià)的一種方法。該方法即能確定指標(biāo)權(quán)重，又能計(jì)算多指標(biāo)綜合評價(jià)數(shù)值。模糊綜合法充分考慮了生態(tài)安全系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系的錯(cuò)綜復(fù)雜性及模糊性，克服了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型方法結(jié)果單一性的缺陷，但在模糊隸屬函數(shù)的確定及指標(biāo)參數(shù)的模糊化過程中會摻雜人為因素，從而丟失有用信息。HAN等[64]利用模糊綜合評價(jià)方法構(gòu)建包含北京—天津—河北在內(nèi)的共計(jì)13個(gè)城市群生態(tài)安全評價(jià)系統(tǒng)，結(jié)果表明對于城市生態(tài)安全來說，社會和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相較于自然資源和環(huán)境指標(biāo)對生態(tài)安全的影響更大。李佩武等[65]運(yùn)用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度法、物元可拓綜合法、模糊綜合法和主成分投影法4種評價(jià)模型對城市生態(tài)安全水平與評價(jià)方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明模糊綜合法與物元可拓綜合法評價(jià)結(jié)果較全面、精確，其中模糊綜合法更利于有針對性地分析問題。

1.3.2生態(tài)模型法

生態(tài)模型法中最具代表性的即為生態(tài)足跡法。生態(tài)足跡是指生產(chǎn)區(qū)域人口所消費(fèi)的所有資源和消納這些人口所產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地面積[66]。該方法主要用于評價(jià)人類需求與生態(tài)承載力之間平衡關(guān)系的研究，旨在衡量人類對自然資源利用程度及自然界為人類提供的生命支持服務(wù)功能[67]。LI等[68]基于生態(tài)足跡的概念提出了消費(fèi)足跡壓力指數(shù)(consumption footprint pressure index)、生產(chǎn)足跡壓力指數(shù)(production footprint pressure index)和生態(tài)足跡貢獻(xiàn)指數(shù)(ecological footprint contribution index)的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)，以此對內(nèi)蒙古典型草原地區(qū)進(jìn)行生態(tài)安全等級評價(jià)，定量描述了草原生態(tài)系統(tǒng)中資源開發(fā)對生態(tài)安全的影響。KANG等[69]以維持生態(tài)承載力在時(shí)空中動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)建立生態(tài)安全及其管控措施。生態(tài)足跡法通常以生態(tài)赤子來表示生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的差值，結(jié)果易于理解，但模型中的均衡因子和產(chǎn)量因子均采用全球平均產(chǎn)量作為計(jì)算基礎(chǔ)，無法體現(xiàn)不同尺度區(qū)域土地的真實(shí)生產(chǎn)力。曹新向[32]根據(jù)生態(tài)足跡模型，構(gòu)建了旅游地生態(tài)安全評價(jià)的指標(biāo)體系和方法，并以人均旅游生態(tài)足跡和人均旅游用地承載力的比值來確定旅游地生態(tài)安全的狀況，研究結(jié)果表明采用旅游環(huán)境容量能夠較為準(zhǔn)確地反映旅游地生態(tài)安全狀況。

1.3.3景觀生態(tài)模型法

景觀生態(tài)學(xué)是研究和改善空間格局與生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)過程相互關(guān)系的整合性交叉學(xué)科[70]，可評估不同尺度研究區(qū)域生態(tài)安全現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)演變趨勢，充分發(fā)揮景觀結(jié)構(gòu)組分易于保存信息的優(yōu)勢[71]，對掌握區(qū)域生態(tài)安全格局及演變具有重要意義[72]?？臻g模型是景觀生態(tài)模型最典型的代表，也是區(qū)別于其他生態(tài)學(xué)模型最突出的特點(diǎn)。河?xùn)|進(jìn)等[73]在近10 a的國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，依據(jù)景觀模型的結(jié)構(gòu)特征差異和對研究涉及生態(tài)學(xué)處理方式的不同，將景觀空間模型分為空間概率模型、領(lǐng)域規(guī)則模型、景觀機(jī)制模型和景觀耦合模型4類，并結(jié)合各類模型的優(yōu)缺點(diǎn)，指出空間概率模型多用于描述或預(yù)測植被演替或植物群落的空間結(jié)構(gòu)變化及土地利用變化的研究；領(lǐng)域規(guī)則模型適用于和GIS、遙感數(shù)據(jù)等系統(tǒng)集成的模型中；景觀機(jī)制模型則較適合于在異質(zhì)種群、林窗、生態(tài)系統(tǒng)過程中能量和物質(zhì)信息流方面的研究；而景觀耦合模型隸屬各式模型的綜合應(yīng)用，可作為景觀生態(tài)模型改進(jìn)的途徑。

1.3.4數(shù)字地面模型法

隨著GIS、RS和GPS技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用衛(wèi)星光譜資料信息和數(shù)字化的環(huán)境資料對區(qū)域尺度的社會、經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行識別、分析和分類，使得在大尺度對生態(tài)安全系統(tǒng)各要素的長期連續(xù)且動(dòng)態(tài)的檢測成為可能，可揭示生態(tài)安全格局和生態(tài)安全的時(shí)間和空間上的變化，具有時(shí)效高、精確度高、可操作性強(qiáng)及可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢，在生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)警方面有廣闊的應(yīng)用前景。閆云平等[34]針對西藏高原景區(qū)的生態(tài)承載力評估和安全預(yù)警問題，基于遙感和GIS技術(shù)開展典型景區(qū)示范應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了面向西藏景區(qū)旅游生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)評估與安全預(yù)警系統(tǒng)，成為西藏旅游景區(qū)管理和輔助決策的工具。

1.3.5計(jì)算機(jī)模擬模型法

利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可快捷分析處理大量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)生態(tài)安全預(yù)警研究中以靜態(tài)評價(jià)為主流方法的缺陷，動(dòng)態(tài)模擬生態(tài)安全在時(shí)空中的變化過程，對生態(tài)安全預(yù)警具有理論指導(dǎo)價(jià)值和實(shí)際意義。最具代表性的計(jì)算機(jī)模擬模型法是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法和徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法。

前者以結(jié)構(gòu)-功能模擬為特點(diǎn)，從實(shí)際存在的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律出發(fā)描述及預(yù)測可能發(fā)生的現(xiàn)象，通過建立生態(tài)安全中所有影響因素因子間的反饋關(guān)系，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而模擬預(yù)測各因子的變化趨勢，進(jìn)而達(dá)到預(yù)警的目的。JOGO等[74]以非洲南部的林波波河濕地為研究對象，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了生態(tài)-經(jīng)濟(jì)模型，并對不同政策制度下濕地功能和經(jīng)濟(jì)健康狀況的影響進(jìn)行模擬評價(jià)和預(yù)警，研究探討了濕地系統(tǒng)在平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全中的關(guān)鍵作用，為政府相關(guān)決策制定人員在濕地用途轉(zhuǎn)化方面如何衡量經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)安全間的關(guān)系提供了科學(xué)管理依據(jù)。王耕等[75]和張夢婕等[76]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，利用VensimPLE軟件實(shí)現(xiàn)建模，分別模擬預(yù)測了遼寧省2010—2020年城市生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)趨勢值，及重慶三峽庫區(qū)在2000—2050年范圍內(nèi)不同情景條件下的生態(tài)安全特征，充分說明了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在生態(tài)安全預(yù)警中的重要作用。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法是以函數(shù)逼近理論為基礎(chǔ)構(gòu)成的一類前向網(wǎng)絡(luò)，能夠以任意精度逼近任意非線性函數(shù)，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠快速尋找優(yōu)化解，對提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和時(shí)效性具有重要意義。陳英等[77]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對甘肅省張掖市的土地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)警，并通過擬合優(yōu)度評判驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)警的合理性。

1.4 依據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級

由評價(jià)方法計(jì)算得到的綜合指數(shù)值無法直接反映生態(tài)安全的狀況，還需按照一定標(biāo)準(zhǔn)將綜合指數(shù)值轉(zhuǎn)化為等級值，即將綜合指數(shù)與安全狀況評判聯(lián)系起來。目前國內(nèi)外對于評判標(biāo)準(zhǔn)的劃定方法并未達(dá)成統(tǒng)一，一般是通過文獻(xiàn)搜索查找相似研究成果的閾值來確定，但該方法依賴專家經(jīng)驗(yàn)，主觀性過強(qiáng)。另外，還可采用均分法將生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)等比例劃分成若干份，該方法雖然簡單可行，但過于簡化了因素之間的相互作用關(guān)系。

2 生態(tài)安全評價(jià)模型構(gòu)建中存在的問題及探討

2.1 評價(jià)過于依賴主觀判斷

生態(tài)安全問題是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合性問題，需要全面考慮生態(tài)環(huán)境影響因子與自然的關(guān)系、因子與因子之間相互作用的關(guān)系以及時(shí)空尺度上的變異等諸多情況。然而，對于現(xiàn)實(shí)中具體的生態(tài)安全問題尚未形成統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)，雖然在評價(jià)過程中可通過可靠的方法客觀計(jì)算生態(tài)安全程度的標(biāo)準(zhǔn)值，但在實(shí)際應(yīng)用過程中來自方法選擇的人為主觀判斷難以避免。在生態(tài)安全評價(jià)模型構(gòu)建過程中涉及眾多方法的選擇，其過程過于主觀，缺乏客觀判斷，且定量化的計(jì)算方法不能完全表達(dá)生態(tài)安全的模糊特性[78-80]。

一些學(xué)者試圖通過非PSR體系構(gòu)建生態(tài)安全評價(jià)系統(tǒng)，YU等[81]基于流域尺度構(gòu)建了適用于中小尺度的生態(tài)安全評價(jià)系統(tǒng)，并以此評價(jià)我國漢江流域的生態(tài)安全等級。SKITER等[82]分析了俄國當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)狀況與生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系，構(gòu)建州級生態(tài)安全模型，并將生態(tài)標(biāo)記與生態(tài)稅的概念引入模型，力圖通過市場調(diào)節(jié)機(jī)制保護(hù)生態(tài)安全。CEN等[83]整合了社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和空間格局指標(biāo)，探究了城市可持續(xù)發(fā)展中的土地集約利用系統(tǒng)與景觀生態(tài)安全系統(tǒng)兩者間的耦合關(guān)系與相互影響機(jī)制，構(gòu)建了多維跨學(xué)科的社會經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，用以對杭州核心區(qū)的城市生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)分析。因此，在根據(jù)不同模型適用范圍基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)評判具體問題最適的評價(jià)方法可能是減小方法選擇主觀性的有效途徑。

2.2 對生態(tài)安全問題類型缺少辨識和診斷

由于生態(tài)安全所涉及的資源環(huán)境及經(jīng)濟(jì)社會因素復(fù)雜多樣，國內(nèi)外現(xiàn)有的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)置大多綜合而籠統(tǒng)，采用的評價(jià)方法也是以諸如模糊綜合評價(jià)-層次分析-主成分分析模型等復(fù)合評價(jià)模型為主[84]。這種組合模式模糊了研究中存在的生態(tài)安全問題，缺乏明晰有效、切合實(shí)際的生態(tài)安全問題類型辨識與診斷。因此在進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)前需針對不同類型區(qū)特定生態(tài)安全問題研究關(guān)鍵指標(biāo)的識別與提取技術(shù)，精細(xì)化、精準(zhǔn)化確定研究對象，以提升評價(jià)指標(biāo)敏感性與評價(jià)成果的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果分級標(biāo)準(zhǔn)的界定缺乏科研基礎(chǔ)

現(xiàn)有生態(tài)安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多借鑒國家和行業(yè)或國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、研究區(qū)生態(tài)環(huán)境背景值或本底值，以及未受人類嚴(yán)重干擾的相似生態(tài)環(huán)境或同類區(qū)域同等強(qiáng)度的開發(fā)活動(dòng)的類比值。大部分研究成果對生態(tài)安全評估指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)在國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)中找不到依據(jù)，根據(jù)學(xué)者主觀劃定。此外生態(tài)承載力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)閾值、生態(tài)彈性相關(guān)研究成果散落在大量的基礎(chǔ)研究文獻(xiàn)中，在生態(tài)安全級別的標(biāo)準(zhǔn)劃分中尚未發(fā)揮應(yīng)有的支撐作用，亟待加強(qiáng)研究。

2.4 生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評價(jià)的缺陷

模型對于生態(tài)安全評價(jià)工作而言最大價(jià)值在于預(yù)測和模擬。然而，大多研究還是停留在生態(tài)安全現(xiàn)狀分析階段，少數(shù)研究結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬模型方法能夠動(dòng)態(tài)預(yù)測評價(jià)指標(biāo)的變化，但仍存在諸多問題，如指標(biāo)賦權(quán)局限性、響應(yīng)模塊與驅(qū)動(dòng)力或影響因子間的交互作用考慮不足等。在模擬指標(biāo)因子隨時(shí)空的動(dòng)態(tài)變化對生態(tài)安全的影響時(shí)，其指標(biāo)體系的權(quán)值也可能發(fā)生改變。此外，影響因子變化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，由此引導(dǎo)人類社會、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而反作用于影響因子。因此，在進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)警動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，應(yīng)充分考慮各因素間的關(guān)聯(lián)作用，建立有效的反饋機(jī)制，并根據(jù)當(dāng)前生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和修正。

3 生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)警研究展望

3.1 重視生態(tài)安全預(yù)警的研究

生態(tài)安全是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，然而目前大多研究主要是對復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間關(guān)系的現(xiàn)狀和靜態(tài)評價(jià)為主，對區(qū)域生態(tài)建設(shè)的指導(dǎo)作用不大，從靜態(tài)的現(xiàn)狀描述向動(dòng)態(tài)的評價(jià)和預(yù)警分析是生態(tài)安全預(yù)警的主要研究內(nèi)容，是生態(tài)安全發(fā)展的必然趨勢。LIU等[85]在整合總結(jié)近12 000篇有關(guān)生態(tài)安全或生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類文章后提出未來生態(tài)安全的研究重點(diǎn)可能是生態(tài)安全預(yù)警與生態(tài)安全格局構(gòu)建，相關(guān)的研究也將從早先的定性研究與狀態(tài)分析向定量研究與動(dòng)態(tài)預(yù)警轉(zhuǎn)變。HE等[86]運(yùn)用生態(tài)學(xué)理論和方法對中國跨界河流的潛在環(huán)境威脅進(jìn)行診斷和預(yù)警，強(qiáng)調(diào)了生態(tài)安全預(yù)警對于研究跨界河流生態(tài)安全的重大意義，其研究成果為我國與領(lǐng)國在跨界河流環(huán)境補(bǔ)償機(jī)制、協(xié)同管理機(jī)制及區(qū)域合作等方面提供了重要支撐及理論依據(jù)。

3.2 建立科學(xué)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法

生態(tài)安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)閾值的確定是生態(tài)安全研究工作的一大難點(diǎn)。目前尚未形成一個(gè)完備的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)、評估標(biāo)準(zhǔn)或評價(jià)模型[68，87]。大多學(xué)者是按照各自的學(xué)術(shù)背景或參照已有研究成果判定生態(tài)安全指數(shù)所屬的安全級別，主觀性較強(qiáng)。此外，評估指標(biāo)的時(shí)空屬性亟待規(guī)范和統(tǒng)一。例如在同一評價(jià)指標(biāo)內(nèi)，有的指標(biāo)是全地域?qū)傩?，而有的指?biāo)是局部性的；有的是年度性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，有的則是月度指標(biāo)或即時(shí)性指標(biāo)。因此，應(yīng)先根據(jù)實(shí)際的生態(tài)安全問題進(jìn)行分類，制定科學(xué)的、統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立生態(tài)閾值數(shù)據(jù)庫，使評價(jià)結(jié)果更為客觀、可信，使同一類型生態(tài)安全問題的橫向比較更具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 推進(jìn)大尺度的生態(tài)安全評價(jià)研究

綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)采用生態(tài)學(xué)方法、模型模擬、景觀分析、目標(biāo)評價(jià)等方法能夠較為客觀的反映流域尺度和區(qū)域尺度的生態(tài)安全等級。例如彭晶倩等[88]采用PSR模型構(gòu)建了武漢市湖泊水環(huán)境安全的評價(jià)指標(biāo)體系，采取層次分析法求解模型并評價(jià)其安全等級。劉欣等[89]利用RS和GIS技術(shù)，基于DEM將河北太行山區(qū)劃分為22個(gè)小流域，根據(jù)PSR模型建立指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法賦權(quán)，加權(quán)確定各小流域的生態(tài)安全狀況。但大多研究評價(jià)尺度仍以較短時(shí)間、較小空間尺度為主，觀測和研究尺度較單一，缺乏國家范圍、全球領(lǐng)域以及多尺度的綜合研究。隨著影像分類技術(shù)、高分辨率遙感技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)硬件性能的快速提高，空間數(shù)據(jù)采集將更加便捷，將逐步實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)空尺度研究的緊密結(jié)合，進(jìn)而能夠揭示復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)展趨勢[90-91]。