趙宏波，馬延吉

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長(zhǎng)春 130102； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

基于變權(quán)-物元分析模型的老工業(yè)基地區(qū)域生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警研究
——以吉林省為例

趙宏波1, 2，馬延吉1,*

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 長(zhǎng)春 130102； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

生態(tài)安全預(yù)警是生態(tài)安全研究的重要內(nèi)容，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要的意義。老工業(yè)基地區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警研究具有一定的特殊性和典型性，選取吉林省為研究區(qū)，基于壓力、狀態(tài)、響應(yīng)(P-S-R)和生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)(E-E-E-S)框架模型構(gòu)建生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，運(yùn)用變權(quán)-物元分析模型對(duì)1991—2011年吉林省區(qū)域生態(tài)安全的預(yù)警等級(jí)進(jìn)行了測(cè)度，并結(jié)合灰色系統(tǒng)GM(1，1)預(yù)測(cè)模型對(duì)2015年、2020年區(qū)域生態(tài)安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。研究結(jié)果表明：(1)1991—2011年，吉林省生態(tài)安全總體水平呈逐步上升的趨勢(shì)，區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)從“巨警”上升為“輕警”，指示燈由“紅色預(yù)警”逐步變?yōu)椤八{(lán)色預(yù)警”；(2)2015年，吉林省的生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)屬于“輕警”，指示燈為“藍(lán)色預(yù)警”，到2020年，吉林省的生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)屬于“無(wú)警”，指示燈為“綠色預(yù)警”，但具有向“輕警”變化的態(tài)勢(shì)；(3)制約吉林省生態(tài)安全水平提升的主要因素包括單位面積耕地化肥負(fù)荷量、城鎮(zhèn)化、人均水資源量、GDP增長(zhǎng)率、第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重等，這些因素應(yīng)是今后生態(tài)環(huán)境保護(hù)調(diào)控的重點(diǎn)，本研究為吉林省經(jīng)濟(jì)-生態(tài)-社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

變權(quán)理論；物元模型；區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警；吉林省

生態(tài)安全是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。生態(tài)安全與國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)安全同等重要，都是國(guó)家安全的重要基石[1- 2]，它是指一定尺度上氣候、水、空氣、土壤等環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康水平，是人類開(kāi)發(fā)自然資源的規(guī)模和閾限，由自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)組成的一個(gè)復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng)[3]。對(duì)生態(tài)安全的研究是生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地學(xué)等相關(guān)學(xué)科的前沿課題和主要領(lǐng)域[4]。生態(tài)安全預(yù)警是生態(tài)安全研究的重要內(nèi)容之一，是指運(yùn)用相關(guān)預(yù)警方法和模型對(duì)區(qū)域資源開(kāi)發(fā)利用的生態(tài)后果，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化以及生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和警報(bào)[5]，以預(yù)防和控制影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的不安全因素。研究區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的維護(hù)具有重要的意義和作用，并已成為國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。國(guó)外學(xué)者的相關(guān)研究主要從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)[6- 8]、環(huán)境沖突預(yù)警[9- 10]、環(huán)境預(yù)警服務(wù)[11]、自然災(zāi)害預(yù)警[12- 15]等方面展開(kāi)。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要側(cè)重區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的理論探討[16]、預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[17]以及對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)[18]、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[19]、流域生態(tài)系統(tǒng)[20]、生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)[21]等的實(shí)證研究，在預(yù)警方法方面，主要有綜合指數(shù)法[22]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[23]、徑向基函數(shù)模型(RBF)[24]、能值分析[25]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[26]等。區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的研究已取得一些成果，但仍處于探索階段，研究的區(qū)域與內(nèi)容上，對(duì)正在振興的東北老工業(yè)基地這一典型區(qū)域的生態(tài)安全預(yù)警研究相對(duì)較少，研究方法上，成熟的預(yù)警方法不多，一些方法存在對(duì)生態(tài)安全變化的預(yù)測(cè)、預(yù)警準(zhǔn)確性不高等問(wèn)題[27]。

生態(tài)安全預(yù)警評(píng)價(jià)研究中權(quán)重的確定大多采用層次分析法、特爾斐法、熵值法等常權(quán)權(quán)重方法，這種方法不能反映生態(tài)安全預(yù)警的及時(shí)性與動(dòng)態(tài)性，變權(quán)方法則有助于解決常權(quán)方法中的缺陷，使得因素的權(quán)重根據(jù)因素狀態(tài)值的變化而變化，能夠更好地體現(xiàn)相應(yīng)因素在決策中的作用[28]。物元分析通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)分析決策對(duì)象各子系統(tǒng)間的矛盾性，是解決現(xiàn)實(shí)世界中的矛盾與不相容問(wèn)題的有力工具[29]，區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警評(píng)價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)決策過(guò)程，存在單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的不相容性問(wèn)題[30]。因此，可以運(yùn)用物元分析模型來(lái)研究區(qū)域生態(tài)安全的預(yù)警狀況，與其他方法相比，物元分析模型克服了無(wú)法識(shí)別單指標(biāo)、總體與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的隸屬程度，遺漏指標(biāo)之間以及評(píng)價(jià)結(jié)果中間狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程等信息的缺陷[31- 32]，能夠綜合各種因素的全部信息，并極大地拓展研究范圍，揭示了更多的分異信息；它可以對(duì)安全等級(jí)、預(yù)警對(duì)象進(jìn)行形式化的描述，通過(guò)對(duì)單預(yù)警指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算得到單要素安全水平，利用模型集成得到多指標(biāo)的綜合安全水平，定量表示安全度；以關(guān)聯(lián)度大小對(duì)預(yù)警對(duì)象發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷，表征復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全預(yù)警，提高了預(yù)警等級(jí)判定的客觀性和科學(xué)性[33- 34]。

東北地區(qū)是我國(guó)重要老工業(yè)基地之一，為社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。然而建國(guó)初期的東北地區(qū)是資源依賴型的工業(yè)化，多年來(lái)對(duì)資源的過(guò)度開(kāi)采，使得東北地區(qū)大部分資源已經(jīng)處于萎縮狀態(tài)，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的資源保障程度降低，長(zhǎng)期以資源消耗、環(huán)境損害為代價(jià)的粗放式經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式已經(jīng)對(duì)東北地區(qū)的生態(tài)安全造成了破壞[35]。2003年實(shí)施振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略以來(lái)，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的同時(shí)，污染物排放總量呈增大趨勢(shì)，土壤污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題突出，雖然不斷加大對(duì)環(huán)境污染的防治力度，但生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)依然很大，環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)比較嚴(yán)峻。首先，本文基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(P-S-R)和生態(tài)-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)(E-E-E-S)相融合的框架模型構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，然后，嘗試將變權(quán)模型與物元分析模型相結(jié)合，建立變權(quán)-物元分析模型的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警模型，最后，以吉林省為例，評(píng)價(jià)1991—2011年吉林省區(qū)域生態(tài)安全的警度等級(jí)，并結(jié)合灰色GM(1,1)預(yù)測(cè)模型對(duì)2015年、2020年區(qū)域生態(tài)安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，旨在對(duì)區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警方法作一種嘗試，為吉林省生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 變權(quán)理論模型

1.1.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

借鑒功效系數(shù)法原理對(duì)區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[28]，對(duì)于正向指標(biāo)，即越大越優(yōu)型指標(biāo)采用公式(1)和對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，即越小越優(yōu)型指標(biāo)采用公式(2)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(1)

(2)

式中，Vi為標(biāo)準(zhǔn)化值，vi為指標(biāo)實(shí)際值，Mi為預(yù)警指標(biāo)實(shí)際值有警與無(wú)警的臨界值，即否定水平。

1.1.2 常權(quán)權(quán)重的確定

為了盡可能客觀的反映各指標(biāo)的情況，采用熵值法[36]確定常權(quán)權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wj)。

1.1.3 懲罰型變權(quán)權(quán)重的確定

根據(jù)前人研究的成果[37- 38- 39]，變權(quán)向量W(V)=(w1(V),w2(V),...,wm(V))可表示為常權(quán)向量W和狀態(tài)變權(quán)向量S(V)的歸一化的Hadamard乘積；且狀態(tài)變權(quán)向量S(V)是均衡函數(shù)的梯度向量，基于懲罰型變權(quán)的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警權(quán)重公式如下：

(3)

根據(jù)區(qū)域生態(tài)安全的警情特點(diǎn)并借鑒已有的研究[28]，將懲罰型狀態(tài)變權(quán)向量構(gòu)造如下：

(4)

式中，β為預(yù)警指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后有警與無(wú)警的臨界線，引進(jìn)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度概念，將警戒閾值的確定轉(zhuǎn)化為相應(yīng)隸屬度的確定和劃分[40- 41]。當(dāng)預(yù)警指標(biāo)vi為正向指標(biāo)時(shí)，且va為相應(yīng)指標(biāo)的最優(yōu)值，vb為預(yù)警指標(biāo)的下極限值，則警度Ni為：

(5)

當(dāng)預(yù)警指標(biāo)vi為負(fù)向指標(biāo)時(shí)，且va為相應(yīng)指標(biāo)的最優(yōu)值，vb為預(yù)警指標(biāo)的下極限值，則警度Ni為：

(6)

經(jīng)計(jì)算，如果Ni≥0.85，則可判斷預(yù)警對(duì)象無(wú)警，即有警與無(wú)警臨界線β值為0.85。

當(dāng)0≤Vj≤β時(shí)，Vj對(duì)應(yīng)的權(quán)重增大，而Vj的值小，因而加權(quán)和變小，達(dá)到對(duì)第j個(gè)因素懲罰目的；當(dāng)β

1.2 物元分析方法及生態(tài)安全預(yù)警模型

參考物元分析理論與方法[33,42- 43]，由區(qū)域生態(tài)安全等級(jí)N，生態(tài)安全特征c和特征量值v共同構(gòu)成生態(tài)安全物元R=(N,c,v)，物元分析模型的主要步驟為：(1)確定生態(tài)安全物元。(2)確定生態(tài)安全的經(jīng)典域、節(jié)域和預(yù)警對(duì)象。(3)確定關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度。

(7)

式中，Kj(vi)為各安全因子關(guān)于安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。

(8)

式中，ρ(vi,Vij)為點(diǎn)vi與有限區(qū)間Vij=(aij,bij)的距離；ρ(vi,Vij)為點(diǎn)vi與有限區(qū)間Vij=(aij,bij)的距離；其中vi為評(píng)價(jià)因子的實(shí)際數(shù)值，Vij=(aij,bij)為經(jīng)典域，ρ(vi,Vip)為節(jié)域。

(4)預(yù)警對(duì)象Ro關(guān)于安全等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度為：

(9)

式中，W(V)為各指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重，Kj(vi)為各安全因子關(guān)于安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。

1.3 預(yù)測(cè)分析-灰色系統(tǒng)的GM(1，1)模型

GM(1，1)模型是采用灰色系統(tǒng)理論中最常用的一種數(shù)列預(yù)測(cè)方法，運(yùn)用GM(1，1)模型對(duì)區(qū)域生態(tài)安全未來(lái)警度的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體建模步驟參考文獻(xiàn)[44- 45]，并進(jìn)行精度檢驗(yàn)，當(dāng)后驗(yàn)比c<0.35和小誤差概率P>0.95時(shí)，模型可以對(duì)區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 吉林省生態(tài)安全預(yù)警分析

2.1 研究區(qū)概況

吉林省位于中國(guó)東北地區(qū)的中部，全省面積18.74×104km2，占全國(guó)的1.95%，是我國(guó)重要的工業(yè)基地和商品糧生產(chǎn)基地，吉林省地勢(shì)呈東南向西北逐漸遞降趨勢(shì)，形成東部山地、丘陵，中部臺(tái)地，西部平原的地形，吉林省生態(tài)環(huán)境具有較好的基礎(chǔ)條件，總體生態(tài)環(huán)境呈特殊的多樣性和相對(duì)的整體性，而且可恢復(fù)性和保護(hù)程度較好。從生態(tài)區(qū)域分布看，由東向西自然形成東部長(zhǎng)白山地原始森林生態(tài)區(qū)、中東部低山丘陵次生植被生態(tài)區(qū)、中部松遼平原生態(tài)區(qū)和西部草原濕地四個(gè)生態(tài)區(qū)。1999年，國(guó)家批準(zhǔn)吉林省為生態(tài)建設(shè)試點(diǎn)省，2001年開(kāi)始實(shí)施《吉林省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》，通過(guò)農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)工程，向海、莫莫格濕地保護(hù)區(qū)補(bǔ)水工程等措施，對(duì)吉林省生態(tài)環(huán)境的保護(hù)取得初步成效。但是，吉林省人均水資源占有量為1520 m3，是我國(guó)人均水資源量的68.5%左右，世界的1/5，屬于水資源貧乏的省份，全省在城市化與工業(yè)化的快速發(fā)展中，生態(tài)環(huán)境也存在一些問(wèn)題，主要是耕地質(zhì)量下降，水土流失嚴(yán)重，草地沙化、堿化及退化問(wèn)題，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，遼河流域、松花江流域部分支流環(huán)境污染嚴(yán)重等，因此，研究吉林省生態(tài)安全預(yù)警對(duì)其推進(jìn)生態(tài)省建設(shè)，環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于：《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》(1990—2012年)、《吉林省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書》(1991—2011年)、《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(1990—2012年)、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(1990—2012年)、《吉林省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、《吉林省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》等。

2.3 預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.3.1 構(gòu)建原理

區(qū)域生態(tài)安全系統(tǒng)是一個(gè)受人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多方面因素的共同作用復(fù)合系統(tǒng)，其預(yù)警指標(biāo)的選取不僅需要結(jié)合區(qū)域生態(tài)安全的特征，同時(shí)還能反映出對(duì)區(qū)域生態(tài)安全具有潛在影響的重要因素和人類活動(dòng)的影響[46]。聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)合作開(kāi)發(fā)署 20 世紀(jì)80 年代提出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response)框架模型[47]，從人類與生態(tài)環(huán)境的相互作用與影響出發(fā)，對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組織，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性[48]。本文對(duì)P-S-R模型進(jìn)行改進(jìn)，將P-S-R模型與生態(tài)-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)(Ecology-Environment-Economy-Society)模型相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)四個(gè)方面都具有壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三個(gè)方面的表征，更清晰地反映出人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響，同時(shí)，也體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的反饋?zhàn)饔?，有利于表達(dá)出生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)之間的相互關(guān)系，更好地從動(dòng)態(tài)的角度，全面客觀地詮釋生態(tài)安全的演變過(guò)程，滿足對(duì)區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的要求(圖1)。

圖1 基于PSR-EEES模型的生態(tài)安全預(yù)警運(yùn)行機(jī)制Fig.1 Operation mechanism of ecological security early-warning based on PSR-EEES model

2.3.2 指標(biāo)選取

基于PSR-EEES框架模型原理，本文對(duì)影響吉林省區(qū)域生態(tài)安全的相關(guān)指標(biāo)運(yùn)用因子分析法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)主成分個(gè)數(shù)累計(jì)方程超過(guò)80%的原則，經(jīng)因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后選擇載荷值大于0.8的指標(biāo)作為下一步待篩選指標(biāo)[49]。由于各預(yù)警指標(biāo)之間可能存在相關(guān)性和重復(fù)性，采用SPSS的Pearson的相關(guān)性分析方法對(duì)指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析處理，依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析與主觀判斷相結(jié)合原則[50]，指標(biāo)選取的科學(xué)性、實(shí)用性和可操作性等原則，并參考相關(guān)研究成果[21,34,43]，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際，最終選取重要的45個(gè)指標(biāo)作為預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)。

通過(guò)構(gòu)建的P-S-R模型與E-E-E-S模型相結(jié)合的生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系可知，壓力(P)指人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)引起的對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷作用，是影響生態(tài)安全變化的原因，選取能源消耗、工業(yè)污染排放、GDP的增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)等因素從生態(tài)壓力、環(huán)境壓力、經(jīng)濟(jì)壓力、社會(huì)壓力4方面進(jìn)行構(gòu)建。狀態(tài)(S)指在壓力作用下，生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境質(zhì)量及社會(huì)經(jīng)濟(jì)所處的狀況或者趨勢(shì)，選取森林覆蓋率、空氣質(zhì)量綜合指數(shù)、產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、失業(yè)率等因素從生態(tài)狀況、環(huán)境狀況、經(jīng)濟(jì)狀況、社會(huì)狀況4方面進(jìn)行構(gòu)建。響應(yīng)(R)指面臨生態(tài)環(huán)境所處的壓力和狀況，為了保護(hù)區(qū)域生態(tài)安全，規(guī)避可能存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，人們采取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、制度等措施保障區(qū)域生態(tài)安全，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，具有動(dòng)態(tài)變化性，選取水土流失治理面積比例、工業(yè)污染治理率、環(huán)保投入比重等因素從生態(tài)響應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)響應(yīng)、社會(huì)響應(yīng)4方面進(jìn)行構(gòu)建。

表1 吉林省生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系

A:Object layer；B:System layer；C:Type layer；D:Index layer； E:Regional ecological security Early-warning；F:Ecological security pressure；G: Ecological security state；H:Ecological security response；I: Ecological pressure；J:Environmental pressure；K:Economic pressure；L:Societal pressure；M: Ecological state；N: Environmental state；O: Economic state；P: Societal state；Q: Ecological response；R: Environmental response；S: Economic response；T: Societal response

2.4 警度的確定

經(jīng)典域的確定主要依據(jù)以下幾點(diǎn)原則[52]進(jìn)行：(1)凡已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)，盡量采用規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，比如國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》標(biāo)準(zhǔn)值、國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)取值、《吉林省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》與《吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》的標(biāo)準(zhǔn)值；(2)參考國(guó)內(nèi)或研究區(qū)的現(xiàn)狀值，作為趨勢(shì)外推，確定標(biāo)準(zhǔn)值；如參照相關(guān)指標(biāo)的全國(guó)平均水平以及研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展平均水平；(3)依據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的理論，力求定量化作為標(biāo)準(zhǔn)值；依據(jù)以上原則，并運(yùn)用SPSS中的聚類分析工具對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，以便確定各個(gè)指標(biāo)經(jīng)典域的區(qū)間，經(jīng)典域的取值范圍見(jiàn)表1。

依據(jù)區(qū)域生態(tài)安全的可拓性，運(yùn)用上述的相對(duì)隸屬度法，參照國(guó)家生態(tài)安全評(píng)估體系研究成果以及相關(guān)研究[21,23- 24,26,53- 54]，得到區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，將警度劃分為5個(gè)等級(jí)，即N1、N2、N3、N4、N5，由劣到優(yōu)描述為：巨警(Ⅰ級(jí))、重警(Ⅱ級(jí))、中警(Ⅲ級(jí))、輕警(Ⅳ級(jí))、無(wú)警(Ⅴ級(jí))，對(duì)應(yīng)的指示燈為紅色、橙色、黃色、藍(lán)色、綠色。

表2 區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 物元分析

首先，運(yùn)用上述指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式(1)、公式(2)與變權(quán)權(quán)重公式(3)、公式(4)，以1991—2011年各指標(biāo)數(shù)據(jù)為對(duì)象，得到吉林省區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重；然后，將預(yù)警指標(biāo)輸入關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算1991—2011年吉林省區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)的對(duì)不同預(yù)警級(jí)別的關(guān)聯(lián)度；最后，利用公式(9)和指標(biāo)變權(quán)權(quán)重系數(shù)計(jì)算1991—2011年對(duì)不同預(yù)警級(jí)別的綜合安全關(guān)聯(lián)度Kj(R0)，并判定區(qū)域生態(tài)安全的警度等級(jí)。

按照國(guó)家五年計(jì)劃的“八五”計(jì)劃、“九五”計(jì)劃、“十五”計(jì)劃、“十一五”計(jì)劃、“十二五”計(jì)劃的起始年份為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)壓力系統(tǒng)、狀態(tài)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)的生態(tài)安全預(yù)警狀況進(jìn)行分析，以利于對(duì)生態(tài)安全變化狀況進(jìn)行比較。

3.1.1 壓力系統(tǒng)生態(tài)安全預(yù)警狀況分析

由壓力系統(tǒng)單個(gè)指標(biāo)的物元分析結(jié)果可知(表3)，壓力系統(tǒng)中，單位GDP能耗、單位面積耕地化肥負(fù)荷量、萬(wàn)元GDP工業(yè)廢水排放強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)密度、人均GDP等因素影響較大。單位GDP能耗、萬(wàn)元GDP工業(yè)廢水排放強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)密度、人均GDP等因素1991—2011年間預(yù)警等級(jí)呈現(xiàn)不同等級(jí)的上升的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明其對(duì)緩解吉林省生態(tài)安全壓力方面具有一定促進(jìn)作用。單位GDP能耗從1991的7.70 t標(biāo)準(zhǔn)煤降低到2011年的0.92 t標(biāo)準(zhǔn)煤，表明吉林省通過(guò)相關(guān)措施在節(jié)約利用能源、提高能源利用率取得一定成效。經(jīng)濟(jì)密度從1991年的24.78×104元/km2提高到2011年的565.18×104元/km2，人均GDP從1991年的1878 元增加到2011年的38460 元，表明土地利用的產(chǎn)出效益日益增加，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升。單位面積耕地化肥負(fù)荷量、城鎮(zhèn)化、人均水資源量、GDP增長(zhǎng)率等方面在1991—2011年間預(yù)警等級(jí)呈現(xiàn)不同等級(jí)的下降的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明其對(duì)減少吉林省生態(tài)安全的壓力具有一定制約作用。吉林省要在降低耕地化肥的投入水平、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，合理推進(jìn)城鎮(zhèn)化，適度發(fā)展經(jīng)濟(jì)，節(jié)約利用水資源等方面更加的重視。

表3 1991—2011年吉林省生態(tài)安全預(yù)警壓力指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與等級(jí)

3.1.2 狀態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全預(yù)警狀況分析

由狀態(tài)系統(tǒng)單個(gè)指標(biāo)的物元分析結(jié)果可知(表4)，受壓力系統(tǒng)的影響，狀態(tài)系統(tǒng)中，森林覆蓋率、自然災(zāi)害受災(zāi)面積比重、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)居民可支配收入、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平等方面在1991—2011年間預(yù)警等級(jí)呈不同等級(jí)的上升趨勢(shì)，表明這些因素對(duì)生態(tài)安全狀態(tài)的提高具有一定的貢獻(xiàn)性。通過(guò)積極的人工造林、“三北”防護(hù)林建設(shè)等措施，使得森林覆蓋率從1991年的37.91%增加到2011年的43.7%。自然災(zāi)害受災(zāi)面積比重的預(yù)警等級(jí)提高的幅度較小，說(shuō)明洪澇、旱災(zāi)等自然災(zāi)害對(duì)吉林省生態(tài)安全狀況的影響仍然較大，加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)，減輕其對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的影響依然不容忽視。農(nóng)民人均純收入從1991年的748.33 元增加到2011年的7509 元，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入從1991年的1395.36 元增加到2011年的17796.57 元，收入水平的提高有利于人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的注重和投入，有利于生態(tài)安全水平的提高。人類干擾指數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率等在1991—2011年間預(yù)警等級(jí)呈不同等級(jí)的下降趨勢(shì)，成為制約吉林省生態(tài)安全狀態(tài)水平提升的因素。近年來(lái)，吉林省老工業(yè)基地振興取得一定成效，社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，但是也出現(xiàn)建設(shè)用地面積大量擴(kuò)張、耕地質(zhì)量下降等問(wèn)題，導(dǎo)致人地關(guān)系越來(lái)越緊張，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾也日益尖銳。吉林省作為國(guó)家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地，第一產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中的比重仍然偏高，農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化與調(diào)整，這樣對(duì)區(qū)域生態(tài)安全也造成一定影響。

表4 1991—2011年吉林省生態(tài)安全預(yù)警狀態(tài)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與等級(jí)

3.1.3 響應(yīng)系統(tǒng)生態(tài)安全預(yù)警狀況分析

由響應(yīng)系統(tǒng)單個(gè)指標(biāo)的物元分析結(jié)果可知(表5)，響應(yīng)系統(tǒng)中，人均公共綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、自然保護(hù)區(qū)占國(guó)土面積比例、水土流失治理面積比例、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、環(huán)境污染治理投資總額占GDP比重、(R&D)支出占GDP的比重、每萬(wàn)人大學(xué)生人數(shù)等因素在1991—2011年間預(yù)警等級(jí)呈不同等級(jí)的上升趨勢(shì)，表明這些因素對(duì)吉林省生態(tài)安全水平的提高具有一定的積極作用。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，面對(duì)生態(tài)環(huán)境的一些問(wèn)題，吉林省積極響應(yīng)，先后出臺(tái)了《吉林省環(huán)境保護(hù)條例》、《吉林省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》、《吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》等一系列政策規(guī)劃文件，積極采取大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)施城市環(huán)境綜合整治工程、污染減排工程、農(nóng)村環(huán)境連片整治和生態(tài)保護(hù)工程，推進(jìn)清潔生產(chǎn)等措施，有效的促進(jìn)了全省生態(tài)安全水平的提高。人均公共綠地面積從1991年的4.4 m2/人增加到2011年的10.53 m2/人，建成區(qū)綠化覆蓋率從1991年的18.3%增加到2011年的34.2%。吉林省自然保護(hù)區(qū)面積逐年增加，到2011年底，自然保護(hù)區(qū)總面積約2.31×104km2，各類自然保護(hù)區(qū)的數(shù)量38處，森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、濕地與水域生態(tài)系統(tǒng)等得到有效的保護(hù)。環(huán)境保護(hù)的治理與投入力度不斷加大，并取得顯著成效，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率從1991年的34.29%增加到2011年的89.97%，每萬(wàn)人大學(xué)生人數(shù)從1991年的30人增加到2011年的280人，人口素質(zhì)的不斷提高可以增強(qiáng)對(duì)生態(tài)保護(hù)和節(jié)約利用資源的觀念和意識(shí)，對(duì)生態(tài)安全的保護(hù)起到積極的推動(dòng)作用。

3.1.4 區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警狀況總體分析

由表6可知，1991—2011年吉林省生態(tài)安全警度從“巨警”上升為“輕警”，指示燈由“紅色”逐步變?yōu)椤八{(lán)色”，表明吉林省生態(tài)安全總體水平正逐步提高，呈日益好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。1991—1995年間吉林省生態(tài)安全預(yù)警基本上處于“巨警”狀態(tài)，表明這期間吉林省生態(tài)安全水平較低，其中，1994年吉林省區(qū)域生態(tài)安全不完全符合“巨警”的標(biāo)準(zhǔn)，更具備轉(zhuǎn)換為“巨警”的條件?！熬蘧钡燃?jí)不穩(wěn)定。1996—2002年間有所好轉(zhuǎn)，由“向重警轉(zhuǎn)換”變?yōu)椤爸鼐睜顟B(tài)，指示燈變?yōu)椤俺壬A(yù)警”，其中，1996—2001年不完全符合“重警”的標(biāo)準(zhǔn)，但具備轉(zhuǎn)換為“重警”的條件。2003—2009年由“向中警轉(zhuǎn)換”變?yōu)椤爸芯睜顟B(tài)，指示燈變?yōu)椤包S色預(yù)警”，其中，2004年為“輕警”狀態(tài)，2003年、2006年、2007年、2008年不完全符合“中警”的標(biāo)準(zhǔn)，更具備轉(zhuǎn)換為“中警”的條件。2010—2011年由“向輕警轉(zhuǎn)換”變?yōu)椤拜p警”狀態(tài)，指示燈變?yōu)椤八{(lán)色預(yù)警”，2010年不完全符合“輕警”的標(biāo)準(zhǔn)，更具備轉(zhuǎn)換為“輕警”的條件。

表5 1991—2011年吉林省生態(tài)安全預(yù)警響應(yīng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與等級(jí)

表6 1991—2011年吉林省生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)

由上述結(jié)果表明，2003年振興東北老工業(yè)基地以來(lái)，吉林省在發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度，采取了強(qiáng)化節(jié)能減排，加強(qiáng)重點(diǎn)流域水污染防治工程，加大工業(yè)污染治理力度，加快發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推廣低碳技術(shù)，推進(jìn)全省東部、中部和西部地區(qū)生態(tài)建設(shè)等措施，使得區(qū)域生態(tài)安全水平得到了不斷提高。但是，吉林省區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警沒(méi)有達(dá)到“無(wú)警”狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)仍存在一些不容忽視的問(wèn)題，水土流失與土壤污染、農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，遼河流域、松花江流域等部分支流水環(huán)境污染較重，農(nóng)村生活污水、垃圾、畜禽糞便等污染問(wèn)題，城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)與管理問(wèn)題等仍十分突出。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依然很嚴(yán)峻。

4 預(yù)測(cè)分析

根據(jù)預(yù)警變化趨勢(shì)分析可知，2020年吉林省生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)具有向“輕警”惡化的態(tài)勢(shì)，發(fā)展形勢(shì)仍不容樂(lè)觀，因此，在以后的生態(tài)環(huán)境保護(hù)過(guò)程中，仍需要采取有效的預(yù)防措施和保護(hù)力度，進(jìn)一步防范生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

表7 吉林省2015年、2020年生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)

5 結(jié)論與討論

(1)1991—2011年，吉林省生態(tài)安全總體水平呈逐步上升的趨勢(shì)，區(qū)域生態(tài)安全警度等級(jí)從“巨警”上升為“輕警”，指示燈由“紅色預(yù)警”逐步變?yōu)椤八{(lán)色預(yù)警”。通過(guò)灰色GM(1，1)模型的預(yù)測(cè)，2015年吉林省的生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)屬于“輕警”，指示燈為“藍(lán)色預(yù)警”，到2020年，吉林省的生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)屬于“無(wú)警”，指示燈為“綠色預(yù)警”，生態(tài)環(huán)境良好。但是，2020年吉林省生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)具有向“輕警”惡化的態(tài)勢(shì)，發(fā)展形勢(shì)仍不容樂(lè)觀。吉林省生態(tài)環(huán)境保護(hù)的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，需要采取有效的預(yù)防措施和保護(hù)力度，進(jìn)一步防范生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

(2)區(qū)域生態(tài)安全單指標(biāo)的物元分析結(jié)果表明：?jiǎn)挝幻娣e耕地化肥負(fù)荷量、城鎮(zhèn)化、人均水資源量、GDP增長(zhǎng)率、第一產(chǎn)業(yè)占GDP的比重等是制約吉林省生態(tài)安全水平提高的主要因素。吉林省在以后的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中，要引導(dǎo)耕地中化肥農(nóng)藥的合理施用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化與調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；走新型的工業(yè)化道路，降低工業(yè)能耗與水耗；改變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，推進(jìn)節(jié)能減排工作，加快發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，節(jié)約用水，推進(jìn)重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)水技術(shù)改造，控制重點(diǎn)流域的水體污染，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)運(yùn)用變權(quán)理論和物元分析方法相結(jié)合所建立的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警模型，不僅可以體現(xiàn)因素變動(dòng)在區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警中所起到的作用，并對(duì)單因素進(jìn)行預(yù)警分析，提高對(duì)影響生態(tài)安全不利因素的重視程度，而且可以將單因素的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行整合，對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警，較好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的功能。但是，區(qū)域生態(tài)安全狀況受多因素共同的影響與作用，由于在預(yù)測(cè)期間區(qū)域可能遭遇洪災(zāi)、旱災(zāi)等自然災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生一定的影響，使得該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的“不確定性”。受獲取數(shù)據(jù)的局限性，本文對(duì)生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系的選取不一定健全，僅從時(shí)間序列對(duì)吉林省區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)警與分析，對(duì)其生態(tài)安全警度的空間格局以及如何更合理地對(duì)物元分析模型中經(jīng)典域的量值范圍進(jìn)行界定等問(wèn)題是作者以后進(jìn)一步研究和探討的方向。

致謝：東北師范大學(xué)郭蒙老師幫助寫作，特此致謝。

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Study on early-warning model based on variable weight-matter element analysis for ecological security in old industrial bases: a case study of Jilin Province

ZHAO Hongbo1,2,MA Yanji1,*

1NortheastInstituteofGeographyandAgro-ecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

At present, China is actively promoting the ecological civilization construction and the ecological security is an important part of ecological civilization construction. Early-warning is a key content of ecological security research, which can make an evaluation, prediction and alarm for the changes of the regional ecological environment quality and social economy coordinated development. It also has a significant meaning in maintain the regional ecological security. Early-warning of ecological security research for old industrial bases has a certain particularity and typicality. This paper selected Jilin Province as the study region; constructed an ecological security early-warning index system by employing the “Pressure-State-Response” (PSR) and “Ecology-Environment-Economy-Society” (EEES) model. Then we used the variable weight and matter element analysis model to estimate the early-warning level of ecological security of Jilin Province from 1991 to 2011.At last the grey system GM (1,1) model was used to predict the regional ecological security trend of Jilin Province in 2015 and 2020. The results indicated that: (1) The overall level of ecological security showed an upward trend in Jilin Province in 1991—2011, the warning degree rose from “huge alarm” to “l(fā)ight alarm” and the indicator lamp turned from red lamp to blue lamp; (2) In 2015, the warning degree will be “l(fā)ight alarm” and the indicator lamp will be blue. In 2020, the warning degree of Jilin Province will be “no alarm” and the indicator lamp will be green. But it has the trend of turning into “l(fā)ight alarm”; (3) The main factors that restrict the improvement of ecological security of Jilin Province include Consumption of chemical fertilizer per hectare cultivated land, Urbanization, Per capital water resources, GDP growth rate and Primary industry production per GDP, Which are the focus of ecological environment protection in the future. This study will provide a reference to achieve economy-ecology-society sustainable developing of Jilin Province. So, we may take some necessary measures to guide rationally consumption of chemical fertilizers; to improve agricultural production technique and adjust agricultural structure further; to follow a new path of industrialization and reduce the energy consumption; to change economic growth patterns and promote a energy-saving and emission reduction; to accelerate development of green economy and circular economy; to save water and promote water-saving technological in key industrial areas; to control water pollution in key basins, and at last to realize coordinated development between industrialization, urbanization, agricultural modernization and ecological environment protection. The forewarning model of regional ecological security that used in this study combined variable weight theory with matter element analysis. It not only reflects the role of factors changing in the regional ecological security early-warning, meanwhile, it can analyze the alert-situation on the single factor and pay more attention on the adverse factors that affected the ecological security. It can also integrate the evaluation results of single factors estimate and alarm the ecological security of the whole region and realize the function of regional ecological security early-warning more preferable.

variable weight theory; matter element analysis; early-warning of ecological security; Jilin Province

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371135)； 吉林省科技引導(dǎo)計(jì)劃軟科學(xué)項(xiàng)目(20120635)； 中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目課題(KZCX2-YW-342-2)

2013- 09- 04; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 04

10.5846/stxb201309042205

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mayanji@neigae.ac.cn

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