基于PSR模型的蒙古國色楞格河流域生態(tài)安全評估

周佳玲，王卷樂

研究論文

基于PSR模型的蒙古國色楞格河流域生態(tài)安全評估

周佳玲1,2，王卷樂2,3*

1. 江蘇海洋大學 海洋技術(shù)與測繪學院，江蘇 連云港 222005；2. 中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心江蘇南京 210023

蒙古國色楞格河是世界最大的淡水湖——貝加爾湖最重要的入湖河流，該流域的生態(tài)安全事關(guān)蒙古高原和中國北方生態(tài)屏障建設(shè)。為了明晰色楞格河流域的生態(tài)安全狀態(tài)，本文提出基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response，簡稱PSR）模型的評估方法和技術(shù)流程，以期通過評估應(yīng)用為本區(qū)域可持續(xù)生態(tài)環(huán)境管理提供參考。首先對色楞格河流域土地覆蓋進行分類，結(jié)合蒙古國官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析色楞格河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。進而基于PSR模型，采用層次分析法，對色楞格河流域生態(tài)安全現(xiàn)狀進行評估。結(jié)果表明：色楞格河流域內(nèi)典型草地所占的面積最大約為16萬km2，占總面積的53%，其次為森林，面積約為10km2，占總面積的32%，植被覆蓋度較高。流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境響應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境狀態(tài)都處于較安全等級，其中耕地面積及農(nóng)業(yè)機械化水平對生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境響應(yīng)的影響較大。但同時，存在著較大的生態(tài)環(huán)境壓力，土地退化面積及牲畜存欄量是造成生態(tài)環(huán)境壓力較大的主要影響因子，未來應(yīng)加強這兩方面的政策調(diào)控?？傮w而言，蒙古國色楞格河流域的生態(tài)安全處于較安全等級，可適度進行開發(fā)利用。

色楞格河流域；PSR模型；層次分析法；生態(tài)安全評估；蒙古國

1 引言

蒙古高原地處干旱半干旱地區(qū)，水資源匱乏，河流水系對該區(qū)域的資源環(huán)境格局及其生態(tài)環(huán)境影響重大。發(fā)源于蒙古國的色楞格河是蒙古高原最主要的河流，對蒙古高原的資源環(huán)境格局與變化有著重要影響。同時，色楞格河也是世界最大的淡水湖—貝加爾湖的唯一入湖河，色楞格河的入湖量占貝加爾湖總流入量的50%[1,2]。色楞格河流域的生態(tài)安全對蒙古國色楞格流域復合生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展以及東北亞的生態(tài)環(huán)境治理有重要意義。

由于生態(tài)安全的內(nèi)涵豐富，影響因素也十分復雜，至今尚未形成一個統(tǒng)一的概念。肖篤寧[3]等提出生態(tài)安全的目的是保護人類免遭生態(tài)破壞和環(huán)境污染，涵蓋水源與食物安全等多種因素。Rogers[4]則認為生態(tài)安全是指在保護生態(tài)環(huán)境的同時，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。由于生態(tài)安全具有宏觀性以及獨特性的特征，因此生態(tài)安全的準確評估已成為一個現(xiàn)實問題。隨著生態(tài)安全研究的持續(xù)推進，評估模型也出現(xiàn)了多元化。常用的模型有壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response，簡稱PSR）模型、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(Drive force-Pressure- State-Impact-Response，簡稱DPSIR)模型[5]、壓力-狀態(tài)-功能-風險(Pressure-State-Function-Risk，簡稱PSFR)模型[6]等。有學者基于這些模型，運用層次分析法（analytic hierarchy process，簡稱AHP）等確定生態(tài)安全評估指標權(quán)重的方法，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，對流域的生態(tài)安全進行研究分析。魏偉[7]等依據(jù)PSR模型建立了格網(wǎng)化的流域生態(tài)安全評價模型，結(jié)合空間主成分分析法和綜合指數(shù)法確立生態(tài)安全影響因子的權(quán)重，具有針對性的提出了干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)安全評估框架和判斷標準。Mosaffaie[8]等基于DPSIR模型構(gòu)建生態(tài)安全評估指標體系，并通過2004-2018年期間的18個定量指標計算每個DPSIR指數(shù)的動態(tài)變化趨勢，分析影響流域生態(tài)健康的主要環(huán)境問題。相比于其他模型，PSR模型更善于體現(xiàn)了人類與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，能夠直觀反映出外界人類活動壓力的擾動、各環(huán)境指數(shù)的變動以及對擾動的響應(yīng)。PSR模型的另外一個優(yōu)勢是邏輯清晰、簡潔明了，PSFR和DPSIR模型在PSR模型的基礎(chǔ)上增加了功能，但同時也使得模型更為復雜，均不能直觀反映人類活動對生態(tài)環(huán)境安全的影響[9]。因此，PSR模型應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，受到了很多國內(nèi)外學者的推崇，現(xiàn)多應(yīng)用于土地[10]、濕地[11]、耕地[12]等多種生態(tài)安全類型評估。

綜合以上研究進展，目前多數(shù)研究側(cè)重在局地開展生態(tài)安全評估，缺少流域尺度的定量分析。蒙古國色楞格河流域作為一個特殊的地理單元，較少受到關(guān)注。然而，這一區(qū)域毗鄰我國北方生態(tài)屏障，也是一帶一路“中蒙俄經(jīng)濟走廊”的重要合作區(qū)域，對于蒙古高原和我國北方生態(tài)屏障建設(shè)意義重大。為此，本文針對該流域開展基于PSR模型的生態(tài)安全評估，預期為本區(qū)域綠色發(fā)展提供科技支撐。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

蒙古國色楞格河流域坐落于蒙古北部，發(fā)源于杭愛山脈（圖1）。色楞格河全長1095km，約占蒙古國內(nèi)河流總長度的50%[2]，流域面積約占蒙古國國土面積的19%（面積約280,000km2），徑流量占全國所有河流年徑流量的51.4%。色楞格河流域是蒙古國主要的人口聚集區(qū)域，2000年區(qū)域人口約為178萬人，2010年約為218萬人，2021年增至235萬人，約占蒙古國總?cè)丝诘?9%。近年來，色楞格河流域內(nèi)的布爾干省因當?shù)啬撩襁^度放牧，且一味追求經(jīng)濟發(fā)展，忽視生態(tài)環(huán)境，從而導致土地退化較為嚴重[13]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要使用Landsat8影像數(shù)據(jù)，通過Google Earth Engine(GEE)下載。影像共有11個波段，由于土地覆蓋分類無需全部波段，因此下載影像時僅下載了6個波段，分別為藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1及短波紅外2。處理過程首先是在標準假彩色（近紅外、紅、綠）下進行分類，經(jīng)過預處理，結(jié)合eCognition軟件，依據(jù)植被歸一化指數(shù)（NDVI）、亮度值等特征指數(shù)進行閾值分類提取分類數(shù)據(jù)。

人口數(shù)據(jù)主要包括人口密度、人口自然增長率等；農(nóng)牧業(yè)數(shù)據(jù)主要包括耕地面積、農(nóng)作物總產(chǎn)量、畜牧數(shù)量等；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要包括環(huán)境保護基金、土地保護與恢復資本投資等；自然資源數(shù)據(jù)主要包括森林砍伐量、地表水干涸量、地表水保護量等。以上統(tǒng)計資料均來自于蒙古國政府的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3 蒙古國色楞格河流域土地覆蓋現(xiàn)狀分析

3.1 土地覆蓋分類方法

本文基于非監(jiān)督的方法對蒙古國色楞格河流域進行遙感解譯。首先獲取研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)，通過預處理消除傳感器本身和大氣影響所產(chǎn)生的誤差，增強遙感數(shù)據(jù)有效性、可用性。在eCognition中基于指數(shù)特征的二分法進行影像土地覆蓋分類。依據(jù)NDVI數(shù)值劃分出植被，結(jié)合水類別的距離特征和高程數(shù)值，劃分出草甸草地和森林、荒漠草地、典型草地三類；依據(jù)NDSI（歸一化土壤指數(shù)）劃分出裸地等。采用手動修改的方式劃分出農(nóng)田及建筑用地。技術(shù)路線圖如圖2。

3.2 土地覆蓋分類結(jié)果

土地覆蓋分類結(jié)果見圖3，分為森林、草甸草地、典型草原、荒漠草地、水、農(nóng)田、建筑物及裸地8類。在谷歌地球采集驗證點進行精度評價。由于研究區(qū)范圍較大，每個地類至少選取兩百個點，每個點需隨機選取并均勻分布。經(jīng)驗證，總體精度為80.43%，分類可信度較高。

由分類結(jié)果可知，典型草地的占地面積最大，約為16萬km2，達到研究區(qū)面積的53%，其次是森林的面積，占研究區(qū)面積的32%，面積約為10萬km2，占比最少的為裸地面積，為0.2萬km2，僅占比1%。由此可見，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高，草地覆蓋度及森林覆蓋度對色楞格河流域生態(tài)安全尤為重要作用。

圖2 土地覆蓋分類技術(shù)路線圖

圖3 土地覆蓋分類圖

4 蒙古國色楞格河流域生態(tài)安全評估

4.1 評估指標體系構(gòu)建

生態(tài)安全評價指標的選擇要符合科學性、普遍性和區(qū)域性原則。由于不同地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會狀況各不相同，因此在選取指標時要與研究區(qū)的特點相適應(yīng)，能夠反映出色楞格河流域的生態(tài)環(huán)境狀況[14]。同時，指標也要體現(xiàn)一定的普適和綜合性，且數(shù)量要適中，指標太多會遮蔽重要的信息；若指標太少，無法形成全面評價[15]。由于部分指標面臨無法量化等問題，因此指標的選取還要符合可行性原則，選取的指標數(shù)據(jù)應(yīng)易于獲取。

依據(jù)蒙古國色楞格河流域土地覆蓋分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)草地覆蓋度以及森林覆蓋度占比較高，對生態(tài)安全的影響較大。且研究區(qū)內(nèi)水系較發(fā)達，是蒙古國人口最集中、畜牧業(yè)最發(fā)達的區(qū)域，人口密度越大對資源的消耗也會更多，同樣在飼養(yǎng)牲畜時會造成資源的消耗以及對水源、大氣等造成污染。因此選取人口密度、人口自然增長率、牲畜存欄量等為壓力指標，選取草地覆蓋率、森林覆蓋率、地表水源數(shù)量等為生態(tài)環(huán)境狀態(tài)指標。結(jié)合以上指標選取原則，對備選指標進行分析優(yōu)化，構(gòu)建一套適合蒙古高原色楞格河流域的生態(tài)安全評價指標體系。如圖4所示，該指標基于PSR模型，包括壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三個層級，具體包含21個指標。

圖4 生態(tài)安全評估指標體系

4.2 生態(tài)安全評價方法

4.2.1 層次分析法確定指標權(quán)重

本次生態(tài)安全評估采用專家打分法獲取指標的初始得分。邀請了7位熟悉蒙古高原色楞格河流域資源生態(tài)環(huán)境問題的專家對各項指標進行評分。通過對評分的綜合分析，得出各項指標的初始值，并依據(jù)該值結(jié)合層次分析法計算出相應(yīng)的權(quán)重（表1）。對構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性以及一致性比率檢驗，結(jié)果均為0，表明權(quán)重分布合理。

表1 生態(tài)安全評估指標權(quán)重

4.2.2 數(shù)據(jù)標準化處理

由于各指標的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)特征等方面存在差異，使得各指標不能直接相互對比，難以進行直觀比較。因此，本文利用極差法對指標初始數(shù)據(jù)進行標準化賦值。根據(jù)指標正負趨勢的差異，分別按照式（1）和式（2）進行標準化[16]。對于正向趨勢的評估指標，評估指標初始值愈大，說明其生態(tài)安全性愈高，反之愈低。對于負向趨勢指標則相反，評估指標初始值愈小，說明其生態(tài)安全性愈高，反之愈低。

正向指標：Hi=[ai-min(ai)]/[max(ai)-min(ai)] （1）

負向指標：Hi=[max(ai)-ai]/[max(ai)-min(ai)] （2）

式中：Hi為標準化后的值；ai為第i項指標的初始值；max（ai）為第i項指標的最大值；min（ai）為第i項指標的最小值。

4.2.3 計算生態(tài)安全指數(shù)

運用生態(tài)安全指數(shù)（Ecological Security Index，簡稱ESI）計算公式，得到色楞格河流域的生態(tài)安全評估結(jié)果，依據(jù)結(jié)果分析研究區(qū)生態(tài)安全現(xiàn)狀與理想狀態(tài)之間的差距。參照相關(guān)參考文獻[17,18], 結(jié)合色楞格河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，運用綜合指數(shù)法對色楞格河流域的生態(tài)安全指數(shù)進行ESI計算。將其結(jié)果分為極不安全、欠安全、臨界安全、較安全和安全五個等級（表2），計算公式如下：

式中：n為對應(yīng)準則層指標的個數(shù)；ωi為第i個指標的權(quán)重；Hi為指標的標準化數(shù)據(jù)，i=1,2,…,n。

4.2.4 生態(tài)安全評估等級

依據(jù)上述方法，完成蒙古高原色楞格河流域生態(tài)安全指數(shù)計算。表3顯示，蒙古高原色楞格河流域綜合生態(tài)安全評估等級為四級，屬于較安全等級。其中生態(tài)環(huán)境壓力處于臨界安全等級，指標得分最低，由此說明蒙古高原色楞格河流域生態(tài)壓力嚴峻。生態(tài)環(huán)境響應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境狀態(tài)都處于較安全等級，但是生態(tài)環(huán)境狀態(tài)得分高于生態(tài)環(huán)境響應(yīng)。由此表明，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀較為安全，但存在著較大的生態(tài)環(huán)境壓力，且由于長期以來存在著資源的過量使用和過分開采的問題。為此，必須制定相應(yīng)的生態(tài)安全保護政策以降低生態(tài)環(huán)境壓力。

表2 生態(tài)安全等級

表3 生態(tài)安全評估等級

4.3 障礙度分析

利用障礙度模型計算蒙古高原色楞格河流域生態(tài)安全評價中各評價指標的阻礙程度，有助于找出限制蒙古高原色楞格河流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展的關(guān)鍵因素，計算公式如下：

其中：Di為單指標障礙度；Hi為標準化數(shù)值；ωi為指標權(quán)重；n為指標數(shù)。

由障礙度模型計算結(jié)果可知（表4），影響蒙古高原色楞格河流域生態(tài)安全的障礙因子主要有土地退化面積、牲畜存欄量以及耕地面積，障礙度均為30%以上。其次為地表水源數(shù)量、塵埃天數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)比重和農(nóng)業(yè)機械化水平，障礙度均為20%以上。因此，在發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)時，也應(yīng)注重加大生態(tài)稅額，恢復土地退化面積。此外還應(yīng)植樹造林，防風固沙，以減少塵埃天數(shù)，維護當?shù)厣鷳B(tài)安全。

表4 生態(tài)安全指標層障礙度分析

5 結(jié)果與討論

5.1 關(guān)于生態(tài)環(huán)境壓力

蒙古國色楞格河流域生態(tài)環(huán)境壓力評估等級為三級，屬于臨界安全等級。其中對生態(tài)環(huán)境壓力方面影響障礙度最高的因子為土地退化面積，其次為牲畜存欄量。這兩方面對生態(tài)安全的威脅較大，由此可見，生態(tài)建設(shè)與資源消耗協(xié)調(diào)問題逐漸凸出，需有效、合理協(xié)調(diào)資源消耗和生態(tài)建設(shè)關(guān)系。但是在人類活動情況方面，人口自然增長率與森林砍伐量這兩方面對流域整體壓力較小，可適當對森林資源進行開發(fā)利用。

5.2 關(guān)于生態(tài)環(huán)境狀態(tài)

蒙古國色楞格河流域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)評估等級為四級，屬于較安全等級。耕地面積、地表水源數(shù)量以及塵埃天數(shù)這三方面對生態(tài)安全的威脅較大；而不透水面面積和草地覆蓋率這兩方面的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀相對較好。建議開展退耕還林，防風固沙以減少塵埃量，保護生態(tài)環(huán)境。

5.3 關(guān)于生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

蒙古國色楞格河流域生態(tài)環(huán)境響應(yīng)評估等級為四級，屬于較安全等級。農(nóng)業(yè)機械化水平以及第三產(chǎn)業(yè)比重這兩方面對生態(tài)安全的威脅較大；而土地保護與恢復資本投資的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)相對較好。建議加強創(chuàng)新發(fā)展，提升保護生態(tài)的科技水平并且大力發(fā)展維護生態(tài)安全的產(chǎn)業(yè)。

5.4 關(guān)于綜合生態(tài)安全

蒙古國色楞格河流域綜合生態(tài)安全評估等級為四級，屬于較安全等級。從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面的生態(tài)安全狀況可以看出，生態(tài)壓力在三個指標中得分最低。而本次選取生態(tài)壓力評估指標主要在人口密度、人口自然增長率、森林砍伐量、地表水干涸量、土地退化、牲畜存欄量等方面，說明蒙古國色楞格河流域在人口及自然資源這兩方面壓力較大。鑒于資源過度消耗和過度開發(fā)問題的長期積累，導致流域生態(tài)壓力較大，因此需要長期重視和加強生態(tài)保育措施。

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Ecological Security Assessment of Selenge River Basin in Mongolia Based on PSR Model

Zhou Jialing1,2, Wang Juanle2,3*

1. School of Marine Technology and Geomatics, Jiangsu Ocean University, Lianyungang, Jiangsu 222005, China; 2. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing, Jiangsu 210023, China

The Selenge River in Mongolia is the world's largest freshwater lake—Lake Baikal, the most important inlet river, and the ecological security of the basin is a matter of concern for the construction of the ecological barrier on the Mongolian Plateau and in northern China. In order to clarify the ecological safety status of the Selenge River basin, this paper proposes an assessment method and technical process based on the Pressure-State-Response (PSR) model, with a view to providing a reference for sustainable ecological management in the region through assessment applications. Firstly, we classify the land cover of Selenge River Basin and analyze the ecological status of Selenge River Basin with the official statistics of Mongolia. Further, based on the PSR model, a hierarchical analysis was used to assess the ecological safety status of the Selenge River basin. The results show that the real steppe within the Selenge River basin occupies the largest area of about 160,000 km2, accounting for 53% of the total area, followed by the forest with an area of about 10 km2, accounting for 32% of the total area, with a high vegetation cover. The ecological response and ecological state in the watershed are at a safer level, where the arable land area and the level of agricultural mechanization have a greater impact on the ecological state and ecological response. However, at the same time, there is a greater ecological pressure, and the area of land degradation and the stock of livestock are the main influencing factors that cause greater ecological pressure.In the future, policy regulation in these two aspects should be strengthened. In general, the ecological safety of the Selenge River Basin in Mongolia is at a relatively safe level and can be exploited moderately.

Selenge River Basin;PSR model; AHP; ecological security assessment; Mongolia

周佳玲, 王卷樂.基于PSR模型的蒙古國色楞格河流域生態(tài)安全評估[J]. 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)學報, 2023,5(1):87-94.

Zhou Jialing,Wang Juanle. Ecological security assessment of Selenge River Basin in Mongolia based on PSR model[J].Journal of Agricultural Big Data,2023,5(1):87-94.

10.19788/j.issn.2096-6369.230117

2023-03-03

科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項項目（2022FY101902）；中國工程科技知識中心建設(shè)項目（CKCEST-2022-1-41）；災害風險綜合研究計劃項目（07M79810AM）

第一作者周佳玲，女，研究生，研究方向：地球空間環(huán)境信息采集與處理；Email:zhoujl@lreis.ac.cn。通信作者：王卷樂，男，研究員，研究方向：地球大數(shù)據(jù)管理與資源環(huán)境遙感應(yīng)用；E-mail:wangjl@igsnr-r.ac.cn。