刘慧敏，官冬杰，张梦婕

(重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆400074)



三峡库区生态安全后续发展胁迫因子及胁迫机理研究

刘慧敏，官冬杰，张梦婕

(重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆400074)

人类在影响地球的同时，因人类活动引起的全球变化成为了国际上热点研究内容，由此引发的生态安全问题也引起各界学者的高度重视，而三峡库区作为一个重点研究课题，其生态安全也受到了极大的关注。本文以重庆三峡库区为研究对象，在对其生态安全进行综合评价的基础上，找出三峡库区生态安全后续发展的瓶颈及存在的问题，并从自然、社会、经济3个方面确定其胁迫因子。以Vensim软件为基础平台，建立三峡库区生态安全后续发展的系统动力学模型，在模型检验通过后，对三峡库区生态安全的后续发展进行动态模拟。基于胁迫因子的反馈关系和模拟结果，分析三峡库区生态安全后续发展的胁迫机理，从而为进行三峡库区生态安全后续发展的预警评价奠定基础。

三峡库区；主成分分析；胁迫因子；系统动力学；胁迫机理

生态安全是指人类赖以生存和发展的生态环境处于健康和可持续发展状态[1]，它是城市可持续发展的重要保证和条件。目前，在国外对生态安全的定义并没有统一，有广义和狭义之分。前者以1989年IASA(international institute for application system analysis)提出的定义为代表：生态安全是指在人的生活、健康、必要资源和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然、经济和社会生态安全，组成一个复合人工生态安全系统；后者是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映[2]。Steve Lonergan论述了生态安全与可持续发展之间的联系，并指出这2个内容与人类安全密切相关，其中前者是后者的基石，而后者是实现人类安全的途径。Harlem Brund、Gore和Boutros Ghali都是生态安全具有影响力的倡导者[3]，他们分别从国家安全的角度进行研究，并指出生态安全这个概念是国家安全和社会稳定的一个重要组成部分。国外还有许多文献从不同的角度对生态安全进行评价[4-5]。

根据1994—2013年《中国期刊全文数据库CNKI》统计，自21世纪以来，我国有关生态安全的文献大量增加。李中才等[6]以山东省为例，运用生态足迹法探讨了区域生态安全的评价问题，提出了生态压力指数概念及计算方法，并计算了山东省1995—2004年生态足迹、生态承载力、生态赤字及生态压力指数，结果表明近十年山东省的生态安全处于不安全状态。刘雅爱等[7]以河北省张家口地区为研究对象，基于PSR模型建立了其生态安全评价指标体系，运用AHP的方法确定了评价指标的权重，并采用综合指数法得到各指标的综合生态安全指数值，研究结果能反映区域的生态安全状况。张家其等[8]结合灰色系统理论和熵值赋权法，以恩施贫困地区为研究对象并对其生态安全进行了综合评价，结果表明在当地进行扶贫开发的同时，能够改善当地的生态环境状况。倪晓娇[9]等以长白山地区为例并对其生态安全进行了综合评价，研究结果表明长白山地区的生态安全水平以临界安全为主。相对于国外，国内对于生态安全的研究起步较晚，虽然学者们对于生态安全的研究内容较为广泛，但是其理论及方法体系还不完善，且评价指标和标准不统一，生态安全后续发展的动态研究及预警评价也很少。在此基础上，本研究对三峡库区生态安全后续发展进行研究，从自然、经济、社会三个方面出发，基于主成分分析法确定指标权重并进行综合评价，找出后续发展的主要胁迫因子，建立系统动力学模型并对后续发展的胁迫机理进行研究。

1 三峡库区生态安全后续发展评价

1.1 研究区域概况

图1 三峡库区(重庆段)地理位置Fig.1 The Three Gorges reservoir area (Chongqing section) location

三峡库区是指因长江三峡工程而受到淹没的包括湖北省和重庆市所辖的区县，地处四川盆地与长江中下游平原的过渡地带，总面积约为7.9×104km2。由于三峡工程的建设造成了大量的库区移民，约为117.15万人。为了使研究更详细具体，本文选取重庆段的三峡库区，位于北纬28°28′～31°44′、东经105°49′～110°12′，包括重庆市所辖的渝中区、南岸区、渝北区、忠县、开县等22个区县(如图1)，覆盖了整个三峡库区的大部分范围，占三峡库区总面积的80%以上。因此，三峡库区重庆段的研究对整个三峡库区的研究具有代表性，而三峡库区重庆段生态安全后续发展评价的分析，对三峡库区生态安全后续发展胁迫因子及胁迫机理的研究有一定的意义。

1.2 生态安全后续发展评价指标建立

目前，国内各界学者已经对生态安全指标体系的构建和其评价方法做了大量的研究，但并没有形成统一适用的标准，且相关的理论和方法还处于探索和研究阶段[10-12]。

本文基于DPSIR模型，以重庆市三峡库区为例，从驱动力(driving forces)、压力(pressure)、状态(state)、影响(impact)、响应(responses)这5个方面来建立三峡库区生态安全后续发展综合评价指标体系。根据重庆三峡库区现阶段生态安全所面临的问题，驱动力指标(D)表现为推动三峡库区生态安全后续发展的指标，如人口增长率等；压力指标(P)是指通过驱动力作用之后直接施加在三峡库区生态安全后续发展之上的，并促进重庆三峡库区可持续发展的动力，本文选择了固定资产投资等；状态指标(S)所表现的是三峡库区生态安全后续发展在压力指标下所处的状态，如单位林地产值等；影响指标(I)指三峡库区生态安全后续发展状态对社会经济、公众生活及人群健康的影响，本研究选择的是水土流失率等；响应指标(R)指对三峡库区生态安全后续发展所采取抑制系统变化的相应措施，本文选择废水排放率等。根据上述内容，最终建立了重庆三峡库区生态安全后续发展评价的指标体系(表1)。

指标权重的确定是关键，它将直接影响评价结果的合理性与科学性。本研究采取主成分分析[13]的方法确定三峡库区生态安全后续发展评价各指标的权重，它能将多指标问题转化为较少的综合指标的一种重要统计方法，使问题变得相对简单，而且这些较少的综合指标在互不相关情况下，能提供原有指标的绝大部分信息[14]。其做法是运用SPSS软件对三峡库区生态安全后续发展指标数据进行处理，得到所需的信息，再利用相关的计算公式，最后得到各指标的权重。

表1 三峡库区生态安全后续发展评价指标体系

1.3 生态安全后续发展综合评价

为了详细地分析三峡库区生态安全后续发展，光是确定各指标权重是不够的，还需要研究各区县对库区生态安全的影响。在这里运用加权求和的方法，得出重庆三峡库区各区县的生态安全得分(表2)。

表2 重庆三峡库区各区县生态安全得分

表2中，已经求出了三峡库区生态安全后续发展各区县的生态安全得分，可以明显看出九龙坡区安全得分位列第一，对三峡库区生态安全的影响最大，巫溪县、沙坪坝区、南岸区紧随其后，其中沙坪坝和南岸区本身就是重庆发展比较好的区域，同时也表明三峡库区的部分小区县因为三峡工程的原因得到了很好的发展，并对三峡库区生态安全后续发展也起了一定的作用。但是巴南区、开县这2个区县的生态安全得分很小，说明这2个县虽然得到了发展，但是对于三峡库区生态安全后续发展影响相对来说不是很大。由建立的生态安全指标体系中可以看出，对重庆三峡库区生态安全后续发展影响的指标有很多，因此下面将这些指标分成自然、社会、经济三大方面来研究三峡库区生态安全后续发展的胁迫因子。

2 三峡库区生态安全后续发展胁迫因子

三峡库区生态安全后续发展问题，实质上就是区域生态经济在之后的发展中受到各类因子的胁迫过程，或者说是三峡库区的生态安全后续发展受到胁迫因子的威胁作用。根据胁迫因子的影响类型，可以将三峡库区生态安全后续发展胁迫因子分为自然因子、社会因子和经济因子三大类，详见表3。

3 三峡库区生态安全后续发展系统动力学模型的建立

3.1 系统动力学模型的建立及检验

3.1.1 模型的建立

系统动力学[16-18]模型(system dynamics，简称SD)，最早是用来分析生产及库存的管理等问题。它是一种基于计算机语言，通过分析系统内部的反馈关系，定量研究系统动态行为的技术。建立系统动力学模型的软件包括Stella、Dynamo、Vensim等。本研究采用Vensim PLE软件构建了反馈关系及模型，根据前面确定的胁迫因子，将系统分为人口子系统、环境子系统和经济子系统三大部分。本模型模拟的时间为2000—2050年，仿真步长为1年，模型中的数据主要来源于《重庆市统计年鉴》，根据以上情况建立了重庆市三峡库区生态安全后续发展的系统动力学模型(图2)。

图2 三峡库区生态安全后续发展系统动力学模型流程图Fig.2 The Three Gorges reservoir ecological safety subsequent development of system dynamics model flowchart

3.1.2 模型的检验

为了使上述系统结构能够如实地体现系统功能，就需要对系统进行检验。系统动力学的检验包括历史行为检验和灵敏度检验，本研究运用的是历史行为检验，其方法为将模拟数据与实际相对比，根据表4中得到的相对误差，来判断所建立模型对未来模拟的可信度。三峡库区生态安全后续发展系统动力学模型2001—2007年运行结果与真实情况比较见表4。

表4 模型模拟检验结果

从表4可以看出，模型对已过时段行为模拟的结果与实际数据吻合较好，相对误差最大的(2004年GDP的仿真值与真实值相对误差为8.89%)在允许的误差范围10%以内，模型是真实可信的。

3.2 生态安全后续发展模拟

3.2.1 不同情景参数的设定

上述模型检验已经证实了该系统动力学模型的可信度，下面对重庆三峡库区“人口-社会-经济系统”进行模拟。为了研究重庆三峡库区生态安全后续发展，本文在当前模型运行模拟的基础上，通过修改上述各子系统的参数，设定了自然状态型、可持续发展型和资源衰竭型3种模拟方案。

表5中的自然状态型的数据主要表现为重庆三峡库区各生态安全指标的现状值，数据来自《重庆市统计年鉴》；可持续发展型表现为重庆三峡库区为了平衡生态与经济发展二者关系的状态，其情景模拟的数据主要来自于《重庆市统计年鉴》和其规划方案中的指标下线；资源衰竭型表现为重庆三峡库区通过消耗区域的资源来发展其经济的状态，其情景模拟的数据主要来自于《重庆市统计年鉴》和其规划方案中的指标上线。各方案模拟变量的参数值详见表5。

表5 系统动力学不同情景参数的设定

3.2.2 不同情景模拟分析

通过上述的不同情景设定来运行模型，可以得出三峡库区生态安全在不同情况下的发展趋势。图3和图4为GDP和环境污染量在不同情景的模拟结果。

图3 GDP的情景模拟结果Fig.3 GDP scenario simulation results

图4 环境污染量的情景模拟结果Fig.4 Scenario simulation results of environmental pollution

从图3中可以看出，3种方案模拟出的GDP趋势都是呈上升的，说明三峡库区的经济在各个情景中都是迅速发展的，且在前期3个情景模拟结果差不多，后期则明显出现了差距。在3种情景模拟的方案中可持续发展型的GDP上升速度最快，自然状态型次之，上升速度最慢的为资源衰竭型，表明可持续发展对重庆市三峡库区的经济发展尤为重要。

在图4中可以看出，总体趋势为指数增长，在前期污染治理较为理想，增长速度较为缓慢，基本持平，后期因为污染治理和资源使用方法不得当造成环境污染量剧增。3种方案中可持续发展型的上升趋势最小，说明其环境污染量最小；资源衰竭型的环境污染量最大，增长速度最快；自然状态型介于两者之间。

运用系统动力学模型对三峡库区不同情景下进行模拟得到的结果表明，环境污染量随着GDP的增长也随之增加。在发展经济的同时，对环境的污染也会加重，同时会严重影响重庆三峡库区生态安全的后续发展。但是，模型模拟的结果表明重庆三峡库区在可持续发展型的状态下相对于其他2种状态较好，GDP增长趋势较快，环境污染量也较小，在3种情景模式中效果最好。而本文就是对重庆市三峡库区生态安全的后续发展进行研究，通过对其发展趋势进行分析，可以很好地说明可持续发展对三峡库区的发展极为重要，同时也为下面研究其胁迫机理奠定基础。

4 三峡库区生态安全后续发展胁迫机理研究

三峡库区随着社会经济的快速发展必定会受到外界因子的胁迫作用，也就是说重庆三峡库区的发展受到表3中各胁迫因子的影响。而胁迫机理通常说的是胁迫因子作用的过程，根据前面所描述的胁迫因子，进一步分析三峡库区生态安全后续发展的胁迫机理。

4.1 从自然因子角度

库区的地形主要以低山、丘陵为主，山地面积占库区总面积的71.3%，丘陵台地面积占22.8%。平原面积分布极小，仅有2.9%。因为库区的地形地貌特点，重庆三峡库区的耕地大部分为坡耕地，但是国家规定在坡耕地中坡度大于25°的属于国家禁垦区，在库区中这种类型的土地占坡耕地的34%；并且耕层小于30 cm的占41%，不少地段的坡耕地都已见基岩裸露，以上条件的坡耕地都不具有开发潜力。一方面由于库区特殊的地形决定了重庆三峡库区的景观稳定性较弱，生态系统的抗逆性差，崩塌、滑坡在库区的很多区域都有发生。另一方面，由于三峡库区降水量大，又多暴雨，坡度大的生境物质输入输出平衡容易被打破，造成水土流失，地表容易母质化、粗骨化[19]。再加上三峡库区特有的大量紫色土的抗蚀性差，旱作土地贫瘠，农作物的产量低，这些都限制重庆三峡库区生态安全的后续发展。

4.2 从社会因子角度

在三峡库区生态安全的后续发展的胁迫因子中，其中社会因子中的人口因素对三峡库区生态安全的影响尤为重要。根据《重庆市统计年鉴》，2012年末三峡库区总人口1 675.41万人，平均人口密度为363.76人/km2，为全国平均人口密度的2.5倍，由于三峡工程的原因，库区产生了大量的移民，使重庆三峡库区平均人口密度甚至超过这个值。而且特殊的地势地貌造成了库区内耕地面积较少，人均耕地面积仅是全国的4/5和世界的2/5。人口带来的生存压力使得三峡库区土地的垦殖系数平均只有38.2%，超过全国平均数的1倍多，人地矛盾十分尖锐[20]。这些问题如果不设法解决，垦荒开田和自然资源的掠夺开发将会越演越烈，而重庆三峡库区的生态环境将会遭到更严重的破坏，库区人民的生活也会变得更加贫困。

4.3 从经济因子角度

三峡水库是我国乃至世界最大的水利枢纽工程，水库建成后，在三峡库区形成了一个巨大的消落带[19]。庞大的消落带与炎热的夏季气候、降水共同作用，对整个消落区及周边区域的生态环境产生极大的压力。结合重庆的气候特征，夏炎热、多雨且受到烈日的暴晒，极易导致消落区库区水位顶托、留在消落带岸边的大量秸秆、漂浮物等发生生化作用，腐烂变质，产生恶臭、滋生蚊虫等污染环境。因此，消落带产生的环境问题是影响三峡库区生态安全、人民生命健康的最为迫切的问题。而且，三峡大坝的建设淹没了三峡库区的大量优质农田，移民后靠更是产生了新一轮的土地开发，由于三峡库区本身人地矛盾就非常尖锐，这样就使得三峡库区受到的生态环境压力更大。

5 结论

本研究以重庆市三峡库区为例，首先基于三峡库区生态安全后续发展建立DPSIR模型的指标体系，运用主成分分析法、加权求和的方法对三峡库区生态安全进行综合评价，然后从自然、社会、经济角度出发确定其胁迫因子，最后用Vensim软件建立重庆市三峡库区生态安全后续发展的系统动力学模型，在检验通过的基础上进行模拟，并对其胁迫机理进行研究。具体结论如下：

(1)运用加权求和法得到了各区县的生态安全得分，结果显示九龙坡区安全得分位列第一，对三峡库区生态安全的影响最大，其次是巫溪县、沙坪坝区、南岸区等。

(2)分析三峡库区现阶段面临的主要问题，确定胁迫因子分别为：自然因子(地质地貌、气候等)、社会因子(人口与劳动力、库区移民等)、经济因子(经济发展与产业结构)。

(3)在确定重庆市三峡库区胁迫因子的基础上，构建三峡库区生态安全后续发展系统动力学模型。设定自然状态型、可持续发展型和资源衰竭型3种不同的情景，调整各情景的参数并进行模拟。模拟结果表明，随着GDP的增长，重庆三峡库区的环境污染量在未来也会大幅度增加。在3种情景模拟中可持续发展型是最符合三峡库区生态安全后续发展的模式，因为它不仅能有效地控制环境污染量的增加，还可以促进GDP的快速增长，而另外3种模式是不符合其发展要求。

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(责任编辑 马殷华)

Stress Factorsand Stress Mechanism on Subsequent Development of Ecological Security in the Three Gorges Reservoir Area

LIU Huimin， GUAN Dongjie， ZHANG Mengjie

(College of Architecture and Urban Planning， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074 China)

The global change caused by human activities has become a hot research issue in the world, at the same time, the ecological security problems caused by human activities have attracted great attention from scholars of all circles. As a key research focus, great concerns have also been showed to the ecological security of the Three Gorges Reservoir Area. Based on the comprehensive evaluation of ecological security in the Three Gorges Reservoir area, the follow-up development bottleneck of ecological security of the Three Gorges Reservoir area and the existing problems are analyzed to determine the stress factor from three aspects of nature, society and economy. A system dynamic model was established based on the Vensim software platform for the subsequent development of ecological safety of the Three Gorges Reservoir. After the model test, a dynamic simulation on future development of the ecological safety of the Three Gorges reservoir is carried out. Based on the feedback relationship and simulation results, the stress mechanism of subsequent development of ecological security of the Three Gorges Reservoir area are analyzed, which will lay a foundation for subsequent development evaluation and early warning of ecological security of the Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges reservoir area;the principal component analysis;stress factors;system dynamics;stress mechanism

10.16088/j.issn.1001-6600.2016.03.022

2015-12-02

国家自然科学基金资助项目(41201546，41261038)； 重庆市自然科学基金资助项目(cstc2012jjA20010)；国家十二五科技支撑计划专题(2011BAC02B02)；国家十二五科技支撑计划项目(2012BAJ25B09)；贵州省重大科技专项(黔科合重大专项字〔2012〕6015 号)；国家重大科技水环境污染与控制治理专项(2009ZX07528-003，2012ZX07503-002)

官冬杰(1980—)，女，黑龙江富锦人，重庆交通大学教授，博士，硕士生导师。E-mail:guandongjie_2000@163.com

TP274

A

1001-6600(2016)03-0150-09