基于灰色關(guān)聯(lián)模型的區(qū)域生態(tài)安全綜合評價——以江西省贛州市為例

胡坤俠

摘要?以贛州市18個縣市為評價單元，基于PSR模型構(gòu)建綜合評價指標體系，集成熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)評價模型，對研究區(qū)2016年生態(tài)安全綜合指數(shù)、壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)進行評價，并分析所得結(jié)果。結(jié)果表明，研究區(qū)目前的生態(tài)安全綜合指數(shù)基本處于安全水平，生態(tài)環(huán)境狀況較好;贛州綜合生態(tài)安全形勢在北部和南部地區(qū)差異較為明顯。 南部地區(qū)的生態(tài)安全水平優(yōu)于中部和北部地區(qū)，生態(tài)壓力總體情況更好，東北地區(qū)整體上比西南部好，章貢區(qū)生態(tài)壓力情況較差;生態(tài)狀態(tài)總體情況較差。 南部地區(qū)的總體生態(tài)安全水平優(yōu)于中部和北部地區(qū);生態(tài)響應(yīng)指數(shù)整體上處于臨界安全水平，總體情況較好，會昌縣生態(tài)響應(yīng)較差。

關(guān)鍵詞?灰色關(guān)聯(lián)模型;熵權(quán);PSR模型;生態(tài)安全綜合評價

中圖分類號?X826文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0093-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.025

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Comprehensive Evaluation of Regional Ecological Security Based on Grey Relational Model—Taking Ganzhou City， Jiangxi Province as an Example

HU Kun-xia

（Faculty of Geomatics，East China University of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013）

Abstract?Taking 18 counties and cities in Ganzhou City as evaluation units， a comprehensive evaluation index system， an integrated entropy weight method and a gray relational evaluation model were constructed based on PSR model to evaluate the comprehensive index， pressure index， state index and response index of ecological security in the research area in 2016， and the results were analyzed.The results showed that the comprehensive index of ecological security in the study area was basically at a safe level and the ecological environment was in good condition.Ganzhou comprehensive ecological security situations in the north and south were different.The ecological security level of the southern region was better than that of the central and northern regions， and the overall ecological pressure was better than that of the southwest region.The overall ecological situation was poor.The overall ecological security level of the southern region was better than that of the central and northern regions.On the whole， the ecological response index was at the critical safety level. The ecological response of Huizhang County was poor.

Key words?Grey relational model;Entropy weight;PSR model;Comprehensive evaluation of ecological security

生態(tài)安全是國家安全的重要組成部分。伴隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和土地開發(fā)力度的不斷增強，脆弱的生態(tài)環(huán)境正處于一種快速惡化的狀態(tài)中。生態(tài)安全已成為生態(tài)系統(tǒng)研究的熱門話題，也是可持續(xù)發(fā)展的新主題[1-2]。生態(tài)安全的概念是指通過加強有益的生態(tài)過程和控制有害的生態(tài)過程，保障資源、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的安全健康和可持續(xù)發(fā)展，尋求確保生態(tài)安全的措施[3]。生態(tài)安全評價是對區(qū)域生態(tài)安全程度進行分析、預(yù)測和評價，為生態(tài)過程的調(diào)控提供依據(jù)，是生態(tài)安全研究的重要組成部分。

國外對生態(tài)安全評價的研究始于20世紀80年代初，主要針對流域或其他地理單位的區(qū)域尺度生態(tài)風(fēng)險和生態(tài)健康評估[4-5]。20世紀90年代末，我國生態(tài)安全評價研究迅速發(fā)展。目前，從研究內(nèi)容來看，在生態(tài)系統(tǒng)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了評價指標體系對區(qū)域生態(tài)安全狀況綜合評價[6-9]?；谶b感數(shù)據(jù)和GIS空間分析技術(shù)，評價其區(qū)域土地利用的生態(tài)安全，進行空間格局分析和演化分析[10-14]。評價單元基于中尺度，不同評價單元下評價結(jié)果的耦合是今后研究趨勢。它涉及各種評估對象和典型區(qū)域，包括林地、建設(shè)用地、流域等其他生態(tài)系統(tǒng)。其中，基于PSR模型的區(qū)域生態(tài)安全綜合評價以行政區(qū)域作為評價基本單元，有助于政府機構(gòu)根據(jù)不同評價單元的生態(tài)安全狀況制定相應(yīng)的政策。

筆者采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）”模型和灰色關(guān)聯(lián)模型相結(jié)合的方法，對贛州市總體的生態(tài)安全狀況進行全方位的綜合評價，以期為贛州市經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)提供政策上的建議和支持。PSR模型體現(xiàn)了人與自然環(huán)境的關(guān)系，這個模型比其他理論模型更加系統(tǒng)和全面[15]?；疑P(guān)聯(lián)模型有一個明顯的缺陷，就是在指標權(quán)重的確定過程中存在很大的主觀性，為了避免這一缺陷，筆者采用熵權(quán)法來確定每個指標的權(quán)重以去除主觀上影響因素，從而使最后的計算結(jié)果能夠客觀地反映研究區(qū)域的現(xiàn)狀。

1?數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1?研究區(qū)概況

贛州市位于贛江上游，江西南部，東鄰福建省三明市和龍巖市，南毗廣東省梅州市、韶關(guān)市，西接湖南省郴州市，北連江西省吉安市和撫州市，地處24°29′～27°09′N，113°54′～116°38′E?？v距295 km，橫距219 km，全市總面積39 379.64 km2，占全省總面積的23.6%，為省內(nèi)最大的行政區(qū)（圖1）。贛州市是珠江三角洲、閩東南三角區(qū)的腹地，是內(nèi)地通向東南沿海的重要通道，更是連接長江經(jīng)濟區(qū)與華南經(jīng)濟區(qū)的紐帶。全年生產(chǎn)總值（GDP）為2 194.34億元，第三產(chǎn)業(yè)的比重為42.7%，年末贛州市的戶籍總?cè)丝跒?70.78萬，森林覆蓋率為76.2%。贛州市地形圖如圖1所示。

1.2?數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《贛州統(tǒng)計年鑒》（2017年），圖件所涉及的行政區(qū)邊界來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http：∥www.resdc.cn/）1∶400萬數(shù)據(jù)。

1.3?研究方法

1.3.1?評價指標體系構(gòu)建。

加拿大統(tǒng)計學(xué)家弗里德在20世紀

70年代提出了PSR模型，即壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型，該理論模型經(jīng)過不斷完善，是目前學(xué)術(shù)界用來評價區(qū)域生態(tài)安全狀況的重要理論方法之一[16-18]。在這個模型中，壓力指數(shù)是指人類通過社會經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力;狀態(tài)指數(shù)意味人為活動對生態(tài)環(huán)境造成的社會環(huán)境的一系列變化;響應(yīng)指數(shù)代表人類利用一定技術(shù)手段改善生態(tài)環(huán)境問題。在PSR模型的大致框架下，考慮數(shù)據(jù)可獲得性，結(jié)合相應(yīng)研究成果[8，11，19]，選擇可以表征社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的代表性因素，從而得到研究區(qū)生態(tài)安全綜合評價指標體系（表1）。

1.3.2?評價指標權(quán)重確定。

1.3.2.1?標準化。

熵權(quán)法是依據(jù)評價指標提供的信息量計算綜合指標，由評價指標形成的判斷矩陣確定指標權(quán)重。由于評價體系中的評價指標中既有正向指標也有反向指標，在這種情況下樣本矩陣必須進行無量綱化的數(shù)據(jù)處理。首先假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)有m個評價對象，包括n個評價指標。X定義為生態(tài)安全樣本矩陣，表示為：

X=x11…x1n

xm1…xmn，X={xij}mn，（0≤i≤m，0≤j≤n）（1）

指標體系中各指標系數(shù)之間的量綱不一樣，并不是統(tǒng)一的單位，所以有必要采用極差化方法對指標系數(shù)進行規(guī)范化處理。 評價指標劃分為正向指標yijp和逆向指標yijn，正向指標代表指標值越大越好;逆向指標表示指標值越小越好。標準化公式如下：

ypij=Xij-minxjmaxxj-minxj（2）

ynij=maxxj-Xijmaxxj-minxj（3）

式中，maxxj和minxj表示第j個指標下各評價對象的最大值和最小值。矩陣X轉(zhuǎn)化為矩陣Y，計算方法如下：

Y=（yij）mn，其中，yij∈[0，1]（4）

1.3.2.2?熵權(quán)法。

在熵權(quán)法中，熵值越大，評價指標的值差越小，那么這個指標的權(quán)重就越小。反之，當指標值變化較大時，熵值較小，指標權(quán)重較大。在矩陣Y中，第i個評價對象在指標j下的指標值所占貢獻度為fij，計算公式為：

fij=yij/mi=1yij，其中，j=1，2，…，n（5）

Hj代表第j項指標的熵值，計算公式為：

Hj=-Kmi=1fijlnfij

其中，K=1/lnm，當fij=0時， fijlnfij=0（6）

Wj即熵權(quán)代表第j個指標的權(quán)重，計算公式為：

wj=（1-Hj）/ni=1（1-Hj）

其中，wj∈（0，1），ni=1wj=1（7）

1.3.3?灰色關(guān)聯(lián)評價模型。

一個區(qū)域生態(tài)環(huán)境是受多方面因素影響的，其中包括自然、社會、經(jīng)濟等諸多不確定因素，正是這些不確定因素的綜合影響，相互作用，相互牽制，使得這個生態(tài)系統(tǒng)變成一個灰色系統(tǒng)。該研究運用灰色系統(tǒng)理論[20]建立贛州市灰色關(guān)聯(lián)模型，從而進行生態(tài)安全評價。

1.3.3.1?評價指標數(shù)值標準化。

Xj為第j個評價指標值，即公式（1）中第j列的樣本屬性值;Sj為該指標的基準值;Pj為第j個評價指標標準化后數(shù)值：

正向指標：當Xj>Sj時，Pj=1;當Xj

（8）

負向指標：當XjSj時，Pj=Sj/Xj

（9）

每個指標都有一個生態(tài)安全基準值，正向指標實際值大于基準值時，那么該指標為安全;逆向指標實際值小于基準值時，該指標是安全的?；鶞手禈藴驶笥洖镚=（g1，g2，...，g22），即gj=sj/sj=1，生態(tài)安全就代表著優(yōu)的水平[7]。

1.3.3.2?求關(guān)聯(lián)系數(shù)。

接下來計算第j個評價指標標準化后的數(shù)值Pj與生態(tài)安全標準過后的序列G的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi（Pj，G），計算公式為：

ζi（Pj，G）=min+ρ×maxLij+ρ×max

（10）

在上述公式中，max=maximaxj|Pij-gj|，min=miniminj|Pij-gj|，max和min分別為極大差和極小差;Lij=|Pij-gj|;ρ∈（0，∞）稱為分辨系數(shù)，ρ值越小，其分辨力越大，當ρ≤0.563時，分辨力最好，一般情況取ρ=0.5。

1.3.3.3?生態(tài)安全指數(shù)計算。

關(guān)聯(lián)度與區(qū)域生態(tài)安全等級具有相關(guān)性，它可以反映出區(qū)生態(tài)安全等級的高低，即評價對象i的生態(tài)安全指數(shù)。第i個評價對象與標準序列G的關(guān)聯(lián)度R計算公式為：

R=nj=1wjζi（Pj，G）（11）

2?結(jié)果與分析

經(jīng)過計算，得到贛州市2016年生態(tài)安全綜合指數(shù)及壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指數(shù)（表2）。在仔細參閱相關(guān)研究成果[11]的基礎(chǔ)上，咨詢相關(guān)專家，并結(jié)合上述計算結(jié)果，設(shè)計贛州市生態(tài)安全分級標準（表3）。贛州市區(qū)域相對而言較小，其環(huán)境條件和國家政策等整體差異較小，這種情況下，贛州市生態(tài)安全綜合指數(shù)值的跨度相對較小，所以分級的數(shù)據(jù)標準與大尺度生態(tài)安全研究的分級數(shù)據(jù)標準有所不同。該研究設(shè)計的生物分級標準盡可能地凸顯贛州市生態(tài)安全區(qū)域的細微差異，為國民經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

根據(jù)計算結(jié)果，利用ArcGIS軟件，參考相應(yīng)的等級標準繪制出贛州市各個生態(tài)安全狀況圖，包括壓力指數(shù)圖、狀態(tài)指數(shù)圖、響應(yīng)指數(shù)圖、綜合指數(shù)圖（圖2）。

由圖2可知，2016年贛州市生態(tài)安全水平整體處于一般的臨界安全狀態(tài)，以Ⅲ級為主。從縣域個數(shù)上來看，全市18縣市中，Ⅲ和Ⅳ級的縣域個數(shù)分別為7和5，6個縣域處于Ⅴ級水平，Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級分別占全市38.89%、27.78%和33.33%。

贛州市18縣市生態(tài)安全壓力指數(shù)處在0.546～0.904（表2、圖2）。在生態(tài)安全壓力指數(shù)中，贛州市18縣市中整體上處于優(yōu)良狀態(tài)，其中，南康區(qū)、崇義縣、安遠縣、全南縣、龍南縣處于Ⅳ級的良好水平，其余縣市中除章貢區(qū)外均處于Ⅴ級優(yōu)的水平，這表明贛州市生態(tài)環(huán)境面臨的壓力總體上較小，主要是因為該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后，人均收入水平較低，工業(yè)化與城市化水平較低。該地區(qū)人均GDP為2.58萬元，遠低于4.05萬元的全省平均標準，僅為全省標準的63.70%;經(jīng)濟密度為560.73萬元/km2，而全省平均標準為1 108.39萬元/km2，僅為全省標準的50.59%;章貢區(qū)生態(tài)安全壓力指數(shù)為0.546，處于Ⅱ級差的水準，主要是因為章貢區(qū)為贛州市市中心，相對而言，經(jīng)濟發(fā)展水平較高。章貢區(qū)城市化水平為91.09%，其人口密度為1 499.8人/km2，而整個贛州市城市化水平和人口密度分別為45.51%和247人，這說明章貢區(qū)人口承載壓力和城市擴張的壓力很大，對生態(tài)資源的需求較大，所以章貢區(qū)生態(tài)安全壓力指數(shù)處于Ⅱ級差水平。

贛州市18縣市生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)處于0.453～0.929（表2、圖2）。寧都縣、興國縣、贛縣區(qū)、于都縣、瑞金市、安遠縣、尋烏縣、上猶縣處于Ⅱ級差水平;全南縣、會昌縣處于Ⅲ級的臨界安全狀態(tài);南康區(qū)、崇義縣、大余縣、石城縣處于Ⅳ級的良好水平;章貢區(qū)、信豐縣、龍南縣、定南縣處于Ⅴ級優(yōu)的水平。寧都縣、興國縣、贛縣區(qū)、于都縣、瑞金市、安遠縣、尋烏縣、上猶縣有效灌溉面積占耕地面積的比重較低，醫(yī)療水平非常落后，每萬人擁有床位數(shù)和每萬人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員遠低于贛州市平均水平，每萬元GDP能耗較高，因而對環(huán)境污染較大;全南縣、會昌縣人均糧食產(chǎn)量364.11、319.46 kg，低于贛州市平均水平400 kg，有效灌溉面積占耕地面積比重分別為35.23%、39.67%，低于國家標準50%，南康區(qū)、崇義縣、大余縣、石城縣在生態(tài)安全狀態(tài)指標中大多指標等于或略小于與之相對應(yīng)的生態(tài)安全基準值，甚至有些指標大于基準值，因而該地區(qū)的生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)處于Ⅳ級的良好水平;章貢區(qū)、信豐縣、龍南縣、定南縣中，章貢區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，醫(yī)療水平較為先進，每萬人擁有床位數(shù)和每萬人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員遠高于贛州市平均水平，城鄉(xiāng)居民人均收入為30 178.03元，遠超17 650.50元的贛州市平均水平;信豐縣、龍南縣、定南縣水熱條件優(yōu)越，人均糧食產(chǎn)量高，萬元GDP能耗較低，森林覆蓋率高，環(huán)境污染小，所以處于Ⅴ級優(yōu)的水平。

贛州市18縣市生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)為0.502～0.929（表2、圖2），會昌縣處于Ⅱ級差水平;寧都縣、石城縣、于都縣處于Ⅲ級的臨界安全狀態(tài);贛縣區(qū)、南康區(qū)、上猶縣、興國縣、信豐縣、瑞金市處于Ⅳ級的良好水平;章貢區(qū)、崇義縣、大余縣、全南縣、龍南縣、定南縣、安遠縣、尋烏縣處于Ⅴ級的安全水平。會昌縣經(jīng)濟落后，其人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重、非農(nóng)比重及農(nóng)業(yè)機械化水平均低于生態(tài)基準值，再加上由于環(huán)境保護力度不夠，人均造林面積較少，工業(yè)廢水、生活垃圾、污水處理率較低，水土流失治理不到位，導(dǎo)致生態(tài)安全響應(yīng)程度較低，處于較差水平;寧都縣、石城縣、于都縣人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重、非農(nóng)比重低于生態(tài)基準值，但在人均造林面積上與基準值基本相當;贛縣區(qū)、南康區(qū)、上猶縣、興國縣、信豐縣、瑞金市經(jīng)濟水平較高，其人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重略高于基準值，而人均造林面積和水土流失治理面積高于生態(tài)基準值;章貢區(qū)、崇義縣、大余縣、全南縣、龍南縣、定南縣、安遠縣、尋烏縣在環(huán)境保護、植樹造林、綠化建設(shè)、市政設(shè)施完善、水土流失治理等方面表現(xiàn)較好，生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)較高。

贛州市18縣市生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.570～0.823（表2、圖2），贛州市多為貧困地區(qū)，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平相對落后，人們生活水平較低，其人均GDP僅為江西省總體水平的63.70%，居民人均消費水平僅為江西省平均水平的64.23%。但由于該地區(qū)耕地資源充足，人均耕地面積均超過0.08 hm2，也就是國際上所公認的人均耕地安全標準，森林覆蓋率高達76.2%，并且贛州市在污染物總量控制、生態(tài)保護、污染防治、水土流失治理、生態(tài)建設(shè)等方面投入很大，使得該地區(qū)的生態(tài)安全綜合指數(shù)處于較安全水平以上。

3?討論

過分強調(diào)經(jīng)濟發(fā)展而忽視生態(tài)保護容易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。科學(xué)合理地對區(qū)域生態(tài)安全評價是有必要的，這可以對生態(tài)環(huán)境保護起著監(jiān)測和警示的作用，增加對生態(tài)保護的投入，從而促進生態(tài)保護，最終實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。贛州在促進經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，要保持生態(tài)環(huán)境良好，進一步改善當?shù)厣鷳B(tài)安全狀況，做到既要發(fā)展經(jīng)濟，又要保護生態(tài)環(huán)境。

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