咸宁市生态系统健康诊断预警研究

安 辉ａ，郝汉舟ａ，ｂ，魏 华ａ，ｂ，陈锐凯ａ

（湖北科技学院，ａ． 资源环境科学与工程学院；ｂ．长江中游水土资源研究中心，湖北 咸宁 ４３７１００）

摘要：城市生态系统作为一种高度人工化的自然－社会－经济复合的生态系统，强调生态系统能维持对人类的服务功能以及人类自身健康及社会经济健康不受损害。以湖北省咸宁市为例，采用联合国经济合作开发署（ＯＥＣＤ）的ＰＳＲ模型框架，从资源环境压力、资源环境状态、人文环境响应３个方面建立健康诊断指标体系，采用层次分析法确定指标权重，以灰色模型ＧＭ（１，１）预测咸宁市各指标的变化。研究结果表明：①对咸宁市生态系统健康指标诊断，结果显示在２０１５年，咸宁市生态健康诊断预警指标体系３２个指标中将没有巨警（红灯），重警（黄灯）主要是经济发展压力所属指标即人均污水排放量、人均工业废气排放量。②整体来看，从２００４年到２０１５年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（０．８５）转向轻警（０．１７），显示咸宁市生态系统健康状况整体好转。在要素层的３个子系统中，压力子系统指标逐步加大，到２０１５年将为重警（０．６６）。其余两个子系统到２０１５年将得到较好改善，对支持咸宁市生态健康整体好转发挥了积极作用。

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关键词 ：生态系统；健康诊断；预警；ＰＳＲ模型；咸宁市

中图分类号： Ｓ１５３．６；Ｆ５９５ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）02－0480-06

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.057

生态系统健康概念的提出可追溯到２０世纪４０年代，美国著名生态学家、土地学家ＡｌｄｏＬｅｏｐｏｌｄ于１９４１年提出了土地健康（Ｌａｎｄ ｈｅａｌｔｈ）的概念［１］。周文华等［２］提出城市生态系统健康（Ｕｒｂａｎ ｅｃｏｓｙｓｔａｎ ｈｅａｌｔｈ）是指系统内人类生产生活通过与周围环境、各群落之问进行的物质和能量交换所形成持续的良性循环，以及城市生态系统内人类种群的健康。

Ｓｐｉｅｇｅｌ等［３］采用驱动力－压力－状态－暴露－影响－响应（ＤＰＳＥＥＡ）模型对古巴首都哈瓦那城市生态系统健康进行了评价。联合国经济合作开发署（ＯＥＣＤ）于１９９４年建立ＰＳＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｔａｔｅ－ｒｅｓｐｏｎｓｅ）模型［４］、ＵＮＣＳＤ于１９９６年建立ＤＳＲ（Ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ－ｓｔａｔｅ－ｒｅｓｐｏｎｓｅ）模型［５］。欧洲环境署（ＥＥＡ）１９９８年提出了ＤＰＳＩＲ（ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｔａｔｅ－ｅｘｐｏｓｕｒｅ－ｅｆｆｅｃｔ－ａｃｔｉｏｎ）模型［６］。Ｐｏｌｓｋｙ 等［７］受美国公共空间计划整合框架的启示，发展了基于“暴露－敏感－适应”的ＶＳＤ 评价整合模型（Ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｓｃｏｐｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ）。牛文元运用系统学的方法，把人口控制、资源消耗、生态环境质量的动态变化、政府管理能力等结合起来，建立了ＤＳＰ指标（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）。魏婷等［８］利用突变级数法对厦门市生态系统健康进行了定量评估和趋势分析。刘耀彬［９］认为城市化与资源环境概念内涵复杂，具有层次性，在ＰＳＲ框架的基础上，提出了城市化与资源环境相互作用的扩张ＥＰＳＲ模型（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｔａｔｅ－ｒｅｓｐｏｎｓｅ）。此外，物元可拓模型法［１０］、属性综合评价法［１１］和主成分投影法［１２］等在城市生态系统健康研究中也得到了应用。

本研究在对咸宁市生态系统基本状况进行综合分析的基础上，利用层次分析建立咸宁市生态系统健康评价体系，进行诊断预警，结合实际全面分析造成咸宁市生态系统破坏的主要原因，诊断咸宁市生态系统的健康状况及变化趋势，评价污染压力对咸宁市生态系统的影响，为咸宁市绿色发展提供科学决策。

１ 研究区概况

咸宁市位于湖北省东南部，素有“湖北南大门”之称，是武汉城市圈“８＋１”的成员城市之一，与湖南省、江西省接壤，地理位置跨东经１１３°３２′－１１４°５８′，北纬２９°０２′－３０°１９′。下辖１市１区４县，分别是赤壁市、咸安区、通城县、通山县、嘉鱼县、崇阳县。

２ 研究方法及指标体系构建

2.1 模型构建

本研究采用ＰＳＲ概念模型。在ＰＳＲ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［１３］：状态指标用以衡量由于人类行为而导致的生态系统的变化；压力指标则反过来表明生态环境恶化的原因；响应指标则显示社会为减轻环境污染和资源破坏所做的努力。根据ＰＳＲ概念模型，从资源环境压力、资源环境状态、人文环境响应等方面选取反映城市生态系统健康的相应指标（表１）。

上述指标体系中的数据由２００４～２０１０年《咸宁市统计年鉴》直接查得。对于部分无法直接得到的数据，借鉴已有的数据，采用替代方法近似对指标赋值。为了消除数据的量级以及量纲的不同，选择下式的方法对数据进行规范处理，公式如下：

式中，ｉ为年份，ｊ为指标序号；xｉｊ为指标数据。在本研究中，诊断预警警限界定是值越大警情越重（表２）。为统一指标的方向，对于指标值越大，对生态环境健康越有利的指标要进行变向处理，变向处理的公式为：

２．２ 权重的确定

本研究采用层次分析法与专家调查法相结合的方法［１５］。各指标的权重确定步骤如下：

１）专家打分：根据咸宁市生态健康指标体系表１建立专家评分表，用成对比较法和１～９尺度。分值分布为１～９，最高分为９，表示最重要，最小值为１，表示最不重要。

２）确定特征向量；对每一成对比较阵计算最大特征根和特征向量，作一致性检验。本研究中利用ＤＰＳ数据处理软件得到最大特征根及特征向量。一致性检验公式为：

式中，λ为ＤＰＳ软件计算的最大特征根，ｎ为ｎ阶阵的阶数（指标个数）。一致性比率ＣＲ，ＣＲ＝ＣＩ／ＲＩ，ＲＩ可以根据ｎ查Ｓａａｔｙ表。当ＣＲ＜０．１时，通过一致性检验。

３）确定权重：利用上面计算的特征向量，进行归一化处理，得到权重。其计算的指标权重值如表１。

４）根据权重系数及标准化的指标体系，通过逐层的矩阵运算方法，构造综合目标函数：

式中，βｊ为各层的权重系数，ｘｊ标准化的指标，Ｆ（ｘ）为目标函数，ｎ为某一层次中指标个数。根据目标函数与诊断预警警限比较，作出预警判断。

２．３ 评价标准及预警分级

在对指标进行预警判断，分为巨警、重警、中警、轻警、无警５个级别，其判断标准是根据相关的科研结论及文献报道。其５个级别的划分见表2。采用层次分析法，对２００４～２０１５年咸宁市生态系统进行健康诊断，具体警限见表3。

２．４ 灰色预测

灰色系统理论于２０世纪８０年代创立。灰色预测是对系统行为特征值的发展变化进行的预测，对既含有已知信息又含有不确定信息的系统进行的预测，也就是对在一定范围内变化的、与时间序列有关的灰色过程进行预测。在ＤＰＳ软件ＧＭ（１，１）模型支持下对２０１５年咸宁市各项指标进行预测。

３ 结果和讨论

３．１ 各分指标的诊断预警

对照咸宁市生态健康预警指标界限表２，对 ２０１５年的生态系统健康状况进行预诊断，其结果如表3。３２个指标层中，没有巨警（红灯）；重警（黄灯）有２个指标，分别是Ｃ８（人均污水排放量）、Ｃ９（人均工业废气排放量）。在２００４～２０１０年中，人均污水排放量、人均工业废气排放量最小值分别为３０．５ ｔ／人、６ １７２．６标ｍ３／人，显示咸宁市在这个指标方面有待改善。中警（蓝灯）有７个指标，分别是Ｃ４（人均林地面积）、Ｃ５（ＧＤＰ增长率）、Ｃ７（人均用水量）、Ｃ１１（城市化率）、Ｃ１２（人口自然增长）、Ｃ１４（水土流失面积／土地面积）、Ｃ１８（恩格尔系数）。在以后的评估中，ＧＤＰ增长率和城市化率两个指标方面建议根据中国的实际情况加以改进。轻警（浅蓝灯）有７个指标，分别是Ｃ３（畜均草地面积）、Ｃ１９（万人科技人员数）、Ｃ２１（第三产业占ＧＤＰ比重）、Ｃ２４（环境保护宣传教育普及率）、Ｃ２７（科技投入强度）、Ｃ３１（环保投资投入强度）、Ｃ３２（教育投入强度）。从以上结果可以看出重警主要是经济发展压力（Ｂ２）所属指标，反映了经济发展对环境造成的压力。

３．２ 目标层——整体分析

对咸宁市生态健康诊断预警，是基于对目标层Ｈ的层次分析法的结果的判断。咸宁市生态系统健康诊断结果如图１所示。整体来看，从２００４年到２０１５年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（０．８５）转向轻警（０．１７）。咸宁市生态系统综合健康指数２００４年至２００５年略有下降，２００５年到２００６年呈小幅度增长趋势，２００７年后又出现下降趋势。结果显示从２００６年以后咸宁市生态系统健康得到逐步改善。

３．３ 准则层——子系统分析

３．３．１ 压力子系统 咸宁市生态系统压力子系统健康诊断预警结果如图２，咸宁市压力子系统从２００４年到２００８年呈稳步上升趋势，到２００８年达到第一高峰０．４８，为中警。２００８年到２０１０年有所下降。但是２０１０年以后压力值明显增长，表明压力不断增大，预测２０１５年压力指标为０．６６，为重警，显示咸宁市随着经济发展，咸宁市生态系统压力将越来越大。

在压力子系统中包括资源丰裕度、经济发展压力和人类活动强度３个具体指标（图３）。３个指标中经济发展压力和人类活动强度呈现增长趋势。经济发展压力和人类活动强度到２０１５年呈现巨警（０．８５）和重警（０．６４）。资源丰裕度呈现波动趋势，在２００８年达到０．７７（重警）后逐步减小，到２０１５年为０．４１（中警）。资源丰裕度这种变化与资源开发及技术进步提高资源使用效率有关。经济压力呈上升趋势，人类活动强度呈上升趋势，表明未来几年咸宁市如果不采取相应措施，经济压力将会越来愈大，人类活动强度愈来愈强。

３．３．２ 状态子系统 咸宁市生态系统状态子系统健康诊断预警结果如图４。从２００４年到２０１５年逐步下降。从２００４年的０．８３（巨警）将降低到２０１５年的０．２４（轻警）。说明咸宁市生态环境质量、经济发展水平、人口健康状况整体在向好的方向发展。近年来咸宁市政府加大了环境治理力度，打造生态城市、人类宜居城市，加大了对污染物的治理，并对一些高污染企业进行整改，提高企业的治污积极性，有效推进污染总量控制工作，使生态状况有了明显好转。

咸宁市生态系统状态子系统包括人口健康状况、经济发展水平和生态环境质量３个方面，其诊断预警结果如图５所示。从图可知，生态环境质量在２００７年、２０１５年有所升高，其余两个指标值整体来讲是逐步降低的。经济发展和人口健康到２０１５年呈现无警状况，生态环境在２０１５年为中警状况。

３．３．３ 响应子系统 咸宁市生态系统响应子系统健康诊断预警结果如图６所示。从２００６年到２０１５年将持续稳步下降，其中２０１０年后下降更明显。响应子系统反映了社会和个体对环境污染和资源消耗所采取的对策和措施。响应子系统指标值的降低，反映了居民环保意识的提高以及政府在政策、环保投入等方面的努力。

咸宁市生态系统响应子系统包括政策与管理水平、环境保护力度两个方面。其诊断预警结果如图７所示。从图中可知，两个要素层指标逐步减小，到２０１０年为中警，但是到２０１５年将为无警状况，显示随着生态文明建设的越来越被重视，咸宁市生态城市建设将得到逐步落实，所采取的环境保护力度也在加大。

４ 结论

本研究采用ＰＳＲ模型框架，用层次分析法确定各指标及各层次的权重。采用灰色模型ＧＭ（１，１），对咸宁市２０１５年各指标进行了预测。对各指标与相关标准比较来进行咸宁市生态系统健康指标诊断。经过分析计算得到以下结论：

１）对咸宁市生态系统健康指标诊断，结果显示在２０１５年，咸宁市生态健康诊断预警指标体系３２个指标中将没有巨警（红灯），重警（黄灯）主要是经济发展压力（Ｂ２）所属指标即人均污水排放量、人均工业废气排放量，反映了经济发展对环境造成的压力。

２）整体来看，从２００４年到２０１５年，咸宁市生态系统综合健康指数呈现减小的趋势，从巨警（０．８５）转向轻警（０．１７）。咸宁市压力子系统从２００４年到２００８年呈稳步上升趋势，预测２０１５年压力指标为０．６６，为重警。咸宁市生态系统状态子系统２００４年到２０１５年逐步下降。从２００４年的０．８３（巨警）降低到２０１５年的０．２４（轻警）。咸宁市生态系统响应子系统从２００６年到２０１５年呈持续稳步下降趋势，其中２０１０年后下降更加明显。

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（责任编辑 罗亚军）