周路林，汪桂生，于伟宣，童 城

(安徽理工大学测绘学院，安徽淮南 232001)



基于压力-状态-响应模型的区域生态安全评价研究

——以湖北省恩施州为例

周路林，汪桂生*，于伟宣，童 城

(安徽理工大学测绘学院，安徽淮南 232001)

[目的]定量评估区域生态安全的基本态势和变动特征。[方法]以人类活动扰动较大的湖北省恩施州为例，采用压力-状态-响应(P-S-R)模型，结合区域自然环境、生态问题、经济社会发展水平等方面，遴选人口密度、公路密度、人均GDP、人均耕地面积、第三产业比重等16个指标，采用变异系数法和熵权法2种客观权重赋权法分别对各个指标进行赋权，通过综合评价法对恩施州各县市的生态安全进行评定。[结果]恩施州的生态安全度大多处于预警状态，其中建始县的生态安全状况较好，恩施市与巴东县的生态安全状况较差。[结论]当地可根据自身实际情况，综合科技、教育投入等多方面考虑，采取切实、有效的方法以改善该区域的生态环境。

恩施州；P-S-R模型；熵权法；变异系数法；生态安全

生态安全是指一个国家或人类社会生存和发展所需的生态环境处于不受或少受破坏与威胁的状态，使生物与环境、生物与生物、人类与地球生态系统之间保持正常的功能与结构[1]。恩施州水资源丰富，生物多样性好，植被覆盖率高，属于湖北省乃至全国重要的生态功能区，但是其自身的地质地貌特征决定了该区生态环境具有较高的脆弱性，一旦被破坏就难以恢复。近年来，随着当地经济社会的不断发展以及工业化的逐步展开，区域的生态环境日趋恶化，环境问题逐步暴露出来，生态形势不容乐观，主要表现为植被减少导致水土流失严重，城市化、工业化和大型项目占用土地造成耕地面积减少以及工业废弃物、生活垃圾等致使环境污染严重等[2]。为了评价恩施地区宏观生态安全及为区域可持续发展提供科学参考，国内外学者对该地区的生态环境问题进行了较多研究。如詹丽等[3]从人为干扰和环境影响2个方面出发遴选14个指标，采用变异系数法对该地区的生态安全稳定性进行了研究；张家其等[4]通过灰色关联模型对该地区的生态安全进行评价。然而，这些研究仅使用了单独一种客观权重确定方法，无法评估权重确定的不确定性。为此，笔者在既有研究基础上采用压力-状态-响应(P-S-R)模型指标体系，基于变异系数法与熵权法2种客观评价法对各指标进行赋权，通过对比分析2种客观权重赋权法对各指标所赋的权重，取2种客观赋权法的综合权重作为各指标的最终权重，避免因赋权方法不同而导致评价结果的差别及单一方法带来的不确定性，采用综合评价模型对该地区的生态环境进行评价，以期为区域发展政策的制定提供参考。

1　材料与方法

1.1研究区概况恩施州地跨108°23′12″～110°38′08″E，29°07′10″～31°24′13″N，位于湖北省西部，地处云贵高原东延武陵山余脉与大巴山之间，辖恩施、利川2市及建始、巴东、宣恩、来凤、咸丰、鹤峰6 县(图1)。州域东西最宽220km，南北最长260km，总面积24 061.25km2；总人口397.61万；森林覆盖率近70%。恩施州属亚热带山地湿润气候，自然环境随海拔不同垂直差异明显[3]；少日照，多秋雨，河谷冬暖，垂直差异明显[5]。全州耕地面积约为3 800km2，坡地多、平地少，旱地多、水田少，总体质量较低，没有一级地[6]。目前，该区域面临水土流失与石漠化、干旱与洪涝、崩塌、滑坡、泥石流、居民生活、旅游发展、工业发展所造成的生活污染和固体废弃物、废水污染以及工程建设所造成的生态破坏等严重的环境问题[5，7]。

图1 恩施州地形图Fig.1　The topographic map of Enshi Autonomous Prefecture

1.2数据来源研究区域内各县市人口数、天气优良天数比率、用水普及率、全州总面积等社会统计资料源于2010年《恩施州统计年鉴》、《恩施州国民经济和社会发展统计公报》，由湖北统计局官方网站获得(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。恩施州各县市边界的矢量数据等国家基础地理信息、恩施州数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据网(http：//www.stats-hb.gov.cn/)。

1.3评价方法

1.3.1评价指标体系的确定。采用由联合国经济合作开发署(OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment)所建立的压力-状态-响应(Pressure-State-Response，P-S-R)评价体系[4，8-9]。在P-S-R框架内，环境问题可以表述为3 个不同但又相互联系的指标类型：压力(Pressure)指标反映人类活动给环境造成的负荷；状态(State)指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况；响应(Response)指标表征人类面临环境问题所采取的对策与措施[9-10]。从P-S-R模型出发，遵循科学性、完备性、针对性、可比性和可操作性的原则[11]，着眼于对区域生态环境、经济和社会方面的影响，达到自然、经济和社会之间协调的目的及考虑到与目前各种评价方法相适应，建立指标体系[12]。该研究从自然、社会经济等领域中遴选出人口密度、人均耕地面积、第三产业比重等16个指标，并对此进行类型划分，将指标归类到压力、状态和响应3个大类下，建立生态安全评价指标体系(表1)。

1.3.2指标数据的无量纲化处理。由于研究中所涉及的各指标间的量纲不统一，缺乏可比性。因此，需要运用极差标准化法对指标进行无量纲处理。指标的无量纲化处理的主要数学模型如下[13]：

(1)

(2)

式中，xmin为该项指标的最小值，xmax为该项指标的最大值。

表1恩施州生态安全评价指标体系

Table 1The index system of ecological security evaluation in Enshi Autonomous Prefecture

项目Item类型Type指标层Indexlayer指标层代码Codeofindexlayer研究区生态安全指数Eco-logicalsecuri-tyindexofre-searchregion压力人口密度(人/km2)公路密度(km/km2)人均GDP(万元/人)单位面积农药使用量(kg/km2)单位面积化肥使用量(kg/km2)A1A2A3A4A5状态人均耕地面积(人/km2)B1空气优良天数百分率(%)B2坡耕地百分比(%)B3每万人拥有床位数B4用水普及率(%)B5有效灌溉面积占耕地比重(%)B6响应第三产业比重(%)C1环境保护投入占GDP比重(%)C2建成区绿化覆盖率(%)C3科教支出占GDP比重(%)C4生活垃圾处理率(%)C5

1.3.3指标权重的确定。确定各评价因素在生态安全评价中所起作用的大小或重要程度(权重)有多种方法，大致可分为主观和客观两大类。其中主观权重法主要是由专家根据经验主观判断而得，如专家调查法、层次分析法(AHP)[14-15]。这类方法需要大量的调查样本或专家知识为依据，否则会影响评价的真实度。客观赋权法是直接根据数据分布特点确定权重的方法，如数理统计法、数据包络分析法、熵值法、变异系数法等[14-15]。客观权重法从数据自身出发来确定权重，避免了人的主观判断，在生态评价方面具有一定优势。为此，该研究采用客观权重法进行权重的确定，由于不同方法可能导致不同评价结果，因此采用熵值法和变异系数法2种客观权重方法分别进行权重的确定和对比分析，以判定评价的可信度。

1.3.3.1熵权法。在信息论中，熵值越大，表示评价指标的值相差越小，则该指标的权重较小；反之，某项指标的值相差较大时，则熵值较小，该指标的权重较大[16]。

j项指标下第i个评价对象的指标值的比重为fij，计算方法为：

(3)

Hj为第j项指标的熵值，计算方法为：

(4)

当fij=0时，fijlnfij=0。

计算第j个指标的熵权为wj，计算方法为：

(5)

1.3.3.2变异系数法。根据数据自身差异大小来确定指标权重。指标取值差异越大的指标，也就是越难以实现的指标，这样的指标更能反映被评价单位的差距[3]。

计算第j项指标的变异系数Qj：

(6)

计算第j项指标的权重wj：

wj=Oj/∑Oj

(7)

1.3.4综合评价。综合评价是在指标值规范化和指标权重确定的基础上进行的[17]。根据获得的权重和选取指标的数据，采用基于线性综合加权法模型构造的区域生态安全度综合指数EQ来对恩施地区的生态安全进行评价。其评价模型为：

(8)

式中，EQ表示生态安全度，EQ∈[0,1];wij为各指标的综合权重；yij为各指标准化后的值。

2　结果与分析

根据所选各指标的权重及相关评价模型得到恩施州各市县2010 年生态安全综合指数及压力—状态—响应指数(表2)。由表2可知，采用2种评价方法，各县市的生态安全综合指数排序基本不变、结果相近，且各县市生态安全指数差异很小，不同方法评价结果表明客观评价法具有较好的一致性和可靠性，可以在一定程度上客观反映区域内生态安全现状。从压力方面看，宣恩和鹤峰2个县的压力指数最大，利川市最小；从状态方面看，各个地区的差异较小，表明各地的资源禀赋量相对均匀；从响应方面看，利川、建始、来凤3个地区指数较大，表明这些地区积极应对环境问题，如加大科教、环保投入，第三产业占GDP比重大，产业转型较好，积极响应政府号召退耕还林还草，城区绿化覆盖率普遍较高。

表2　2010年恩施州各市县压力-状态-响应指数及综合指数

表3　生态安全分级

表4恩施州各市县的生态安全综合指数

Table 4Ecological security comprehensive index in different counties and cities of Enshi Autonomous Prefecture

编号Code市县Countiesandcities生态安全综合指数Comprehensiveindexofecologicalsecurity①恩施0.372②利川0.440③建始0.642④巴东0.376⑤宣恩0.506⑥咸丰0.523⑦来凤0.486⑧鹤峰0.450

为了进一步对生态安全进行等级划分，在参考相关科研成果的基础上[18]，通过咨询有关方面的专家以及结合该研究的计算结果，采用等距法[17]将生态安全综合指数划分为5个等级，设计恩施州生态安全分级标准(表3)，以期最大程度客观反映区域生态环境状况的差异。鉴于利用2种赋权方法得到的结果接近，研究中取2种评价方法的熵权和的均值作为综合权值对当地的生态安全进行评价的最终结果(表4)。从表4可以看出，恩施州的生态安全度大体处于预警状态下，各市县的生态安全指数按大小排序依次为建始、咸丰、宣恩、来凤、鹤峰、利川、巴东、恩施。其中建始县的生态安全综合指数最高，为0.642，生态安全状况为良好，生态安全度为较安全。这与当地政府积极对环境问题作出及时应对是分不开的，建始县的响应综合指数为0.310，远大于其他市县，同时建始县的第三产业比重占总GDP的60.7%，科教投入也相对较大，占总GDP的7.41%，建成区绿化覆盖面积大、人口素质较高等均有效地维护了生态环境的良性状况，恩施市与巴东县人均耕地面积少、有效灌溉的耕地所占比重低、多坡地、城市绿化率低、人民生活贫困、环保意识不强、交通等基础设施落后等均导致当地生态安全状况较差，其生态安全度处于危险状态，建议当地政府加大环境保护的投入，加快实施产业的转型升级，落实

科学发展观，促进当地生态环境的改善。其他市县的生态安全状况为一般，生态安全度处于预警状态，建议当地政府采取相关措施改善环境，如加大环境保护、科技、交通、教育的投入，加速城市化进程，以科学发展观为指导，改善当地环境状况。

3　结论与讨论

该研究采用P-S-R评价模型遴选出16个指标，利用熵权法与变异系数法2种客观赋权法对所选指标进行确权。采用综合评价模型计算出恩施州各市县的生态安全综合指数，对各市县生态安全进行评价。经评价发现恩施州的生态安全度大致处于预警状态，其中建始县的生态安全状况较好，恩施市、巴东县的生态安全较差，应采取相关措施改善当地的生态环境。研究发现恩施州面临的主要环境问题有水土流失严重、人均耕地面积少、环境污染严重、人均收入低、生活经济困难等，建议当地政府深入贯彻落实科学发展观，坚持退耕还林还草，加大对教育、科技、环境保护、交通等的投资力度，切实改善当地的生态环境，真正做到全面协调可持续的人与自然和谐发展。

变异系数法与熵权法均比较客观，但是其难以代表决策者的主观意识，更为系统的赋权方法还有待深入研究。

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RegionalEcologicalSecurityEvaluationBasedonPressure-Status-ResponseModel—ACaseofEnshiAutonomousPrefectureinHubeiProvince

ZHOULu-lin,WANGGui-sheng*,YUWei-xuanetal

(SchoolofSurveyingandMapping,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001)

[Objective]Toquantitativelyevaluatethebasicsituationandchangingcharacteristicsofregionalecologicalsecurity. [Method]WithEnshiAutonomousPrefectureinHubeiProvinceasacase,Pressure-Status-Response(P-S-R)Modelwasadopted.Combingwiththeaspectsofregionalnaturalenvironment,ecologicalproblem,economicandsocialdevelopmentlevel,weselected16indexesofpopulationdensity,roaddensity,GDPpercapita,cultivatedlandpercapita,proportionofthetertiaryindustryandsoon.Twoobjectiveweightingmethods(coefficientofvariationmethod,entropyweightmethod)wereusedtoempowertheindexes.ComprehensiveevaluationmethodwasusedtoevaluatetheecologicalsecurityindifferentcountiesandcitiesofEnshiAutonomousPrefecture. [Result]TheecologicalsecuritydegreeofEnshiAutonomousPrefecturewasmainlyinanearlywarningstate.Amongthem,JianshiCountyhadrelativelygoodecologicalsecuritystatus;whileEnshiCityandBadongCountyhadrelativelypoorecologicalsecurity. [Conclusion]Accordingtotheirownlocalsituation,effectivemethodsshouldbeadoptedtoimprovetheecologicalenvironmentoftheregion,basedonthecomprehensiveconsiderationofdifferentaspects,suchasincreasinginputinscience,technologyandeducation.

EnshiAutonomousPrefecture;P-S-Rmodel;Entropymethod;Variationcoefficientmethod;Ecologicalsecurity

省级大学生创业创新训练项目(201510361338)。

周路林(1994- )，男，江西瑞昌人，本科生，专业：地理信息科学。*通迅作者，讲师，博士，从事遥感应用研究。

2016-05-25

S181

A

0517-6611(2016)18-065-03