吳艷霞, 姜錕, 馮蕊

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基于L-V共生模型的區(qū)域生態(tài)安全測度研究

吳艷霞1, 姜錕2, 馮蕊3 *

西安理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 西安 710048

區(qū)域生態(tài)安全與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。根據(jù)共生理論, 構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)—自然L—V共生模型, 運(yùn)用DPSIR模型對其基本指數(shù)和協(xié)同系數(shù)進(jìn)行測算。為避免人為因素干擾, 測算中, 用聚類分析法、變異系數(shù)法以及熵權(quán)法建立指標(biāo)體系并賦權(quán)重, 使整個測度過程定量化, 同時, 對該模型的穩(wěn)定平衡點(diǎn)和協(xié)同系數(shù)進(jìn)行動態(tài)分析, 確定出區(qū)域生態(tài)安全的判斷依據(jù)。將模型用于陜西省西安市進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用, 結(jié)果表明: 目前西安市的生態(tài)安全狀況并不理想, 自然環(huán)境子系統(tǒng)所產(chǎn)生的環(huán)境問題制約著社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展。這一測度結(jié)果與西安市的實(shí)際情況相符合, 該模型在測度區(qū)域生態(tài)安全具體狀況方面具有實(shí)踐價值。

Lotka-Volterr; 共生模型; 區(qū)域生態(tài)安全; 測度

1 前言

隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人類對自然環(huán)境的干擾和破壞越來越嚴(yán)重, 生態(tài)安全問題越來越突出, 已威脅到人類的健康和發(fā)展。區(qū)域生態(tài)安全是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和核心, 而區(qū)域生態(tài)安全測度為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理、決策提供科學(xué)的依據(jù)。因此, 對區(qū)域生態(tài)安全測度研究就顯得尤為重要。

布朗于1977年首次提出了生態(tài)安全的概念[1], 后續(xù)學(xué)者從不同方面對其進(jìn)行延伸和拓展。目前應(yīng)用最廣的是國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IASA)提出的生態(tài)安全含義, 即生態(tài)安全是對人的生活、健康、基本權(quán)利、生活保障、必要資源、社會秩序和人類適應(yīng)環(huán)境變化能力等方面不受威脅的狀態(tài)表述, 是由自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會生態(tài)安全組成的復(fù)合系統(tǒng)[2]。當(dāng)前學(xué)者們對區(qū)域生態(tài)安全的研究, 主要側(cè)重于區(qū)域生態(tài)安全評價[3-6], 分析區(qū)域生態(tài)安全的影響因素, 而對區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的研究相對較少。在研究方法上, 集中于指標(biāo)體系法[7-10]和特征指數(shù)法[11,12]兩大類。指標(biāo)體系法的各單項(xiàng)指標(biāo)具有明確的生態(tài)意義, 便于分析導(dǎo)致生態(tài)安全問題的原因, 但是經(jīng)過無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理和加權(quán)求和后, 所得到的綜合指標(biāo)將失去生態(tài)安全的意義, 不便于運(yùn)用。而且在指標(biāo)選取和權(quán)重確定方法上主觀性較大。特征指數(shù)法(如生態(tài)足跡和能值法等)剛好相反, 優(yōu)點(diǎn)是具有總體生態(tài)安全的意義, 但將單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為特征指數(shù)時, 指標(biāo)失去了自身的生態(tài)意義, 不便于原因分析。

為解決上述問題, 本文建立了社會經(jīng)濟(jì)—自然L-V共生模型。該模型將指標(biāo)體系法與特征指數(shù)法進(jìn)行耦合, 實(shí)現(xiàn)了兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ), 同時使整個測度過程定量化, 避免人為因素的影響。另外, 根據(jù)該模型的穩(wěn)定條件, 求解系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點(diǎn), 從而對區(qū)域生態(tài)安全狀況進(jìn)行有效測度。

2 社會經(jīng)濟(jì)-自然L-V共生模型構(gòu)建

2.1 L-V共生模型選擇原因

區(qū)域生態(tài)安全是人與環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)保障由于自然因素和人類活動或二者共同作用而產(chǎn)生的生態(tài)安全隱患對人類生態(tài)安全空間不構(gòu)成威脅的狀態(tài)或演變趨勢的可能性[13]。人與環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)由經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)和自然環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成。王儉[14]等學(xué)者的研究表明: 自然環(huán)境子系統(tǒng)為人類社會經(jīng)濟(jì)的生存和發(fā)展提供物質(zhì)資源, 是一切生命生存的載體, 是復(fù)合系統(tǒng)中的生產(chǎn)者; 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展需要從自然環(huán)境子系統(tǒng)中獲取資源, 并為社會子系統(tǒng)的發(fā)展提供經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ), 是社會子系統(tǒng)的生產(chǎn)者和自然環(huán)境子系統(tǒng)的消費(fèi)者; 社會子系統(tǒng)是人類及其自身活動所形成的非物質(zhì)性生產(chǎn)的組合, 是經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境子系統(tǒng)的消費(fèi)者。社會、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)都需要從自然環(huán)境子系統(tǒng)中獲取資源, 所以在研究過程中將兩個子系統(tǒng)看作一個系統(tǒng), 即社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。

在復(fù)合系統(tǒng)中, 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展需要從自然環(huán)境子系統(tǒng)中獲取資源, 同時將污染物排放到自然環(huán)境子系統(tǒng)中, 對自然環(huán)境子系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生抑制作用; 社會經(jīng)濟(jì)中的科技、教育發(fā)展會促進(jìn)自然環(huán)境子系統(tǒng)的發(fā)展, 對其產(chǎn)生促進(jìn)作用。自然環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展不良, 會產(chǎn)生各種自然災(zāi)害, 抑制社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展, 其自然資源的提供也會促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的發(fā)展?？梢? 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然環(huán)境子系統(tǒng)存在著對自然資源占有的競爭共生關(guān)系。這符合生態(tài)位理論, 即在生物種群中, 每種生物都有其特定的生存領(lǐng)域和作用, 面臨物種之間的競爭關(guān)系, 任意物種只有在占據(jù)了自身特有的生態(tài)位的情況下, 才能在自然環(huán)境中生存下去[15]。已有學(xué)者將兩物種種群的種間共生關(guān)系的微分方程動態(tài)系統(tǒng)模型(Lotka-Volterra模型, 以下簡稱L-V模型)用于森林生態(tài)安全的研究中[16][17]。因此, 本文選擇L-V模型來研究區(qū)域的生態(tài)安全測度問題。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)L-V模型原理[18,19]以及上述分析, 在人與環(huán)境復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中, 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)與自然環(huán)境子系統(tǒng)之間既有競爭產(chǎn)生的抑制作用, 也有合作共生產(chǎn)生的促進(jìn)作用。社會經(jīng)濟(jì)—自然的共生模型可用以下公式表示:

3 社會經(jīng)濟(jì)-自然L-V模型協(xié)同系數(shù)及基本指數(shù)測算

3.1 協(xié)同系數(shù)的測算

為測算協(xié)同系數(shù), 本文將公式(2.1)(2.2)進(jìn)行離散化處理[16], 離散化時間變量取年份。假定第年前后, 環(huán)境容量、協(xié)同系數(shù)為常數(shù), 則公式(2.1)(2.2)可變?yōu)?

(3.1)

式中, 各符號均為第年、年、年的數(shù)值, 其含義與公式(2.1)(2.2)相同。

3.2 基本指數(shù)的測算

3.2.1 DPSIR模型分析

目前生態(tài)安全指標(biāo)體系建立的模型有PSR、DSR、DPSR、PSIR、DPSIR等[20-22]。通過對生態(tài)安全的機(jī)理進(jìn)行分析, 選擇DPSIR(驅(qū)動力Driving force、壓力Pressure、狀態(tài)State、影響Impact、響應(yīng)Response)模型來構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系。并在張智光[16]研究的基礎(chǔ)上, 分析出DPSIR模型內(nèi)部因素之間的關(guān)系以及與生態(tài)安全之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1中, 社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力與社會經(jīng)濟(jì)壓力反映了社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)對自然資源的需求。驅(qū)動力傾向于對自然資源狀態(tài)的改善, 壓力反映了社會經(jīng)濟(jì)對自然資源的破壞, 且二者都能反映區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。本文將其組合起來, 構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平估算指標(biāo)體系。資源與環(huán)境狀態(tài)表示在社會經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動和壓力下, 自然資源與環(huán)境的狀態(tài), 該指標(biāo)可以直接衡量生態(tài)環(huán)境容量; 人類響應(yīng)表示人類為降低自然生態(tài)系統(tǒng)受到的損害而做出的積極響應(yīng), 其效果可以減輕社會經(jīng)濟(jì)對資源環(huán)境狀態(tài)的壓力, 為生態(tài)恢復(fù)提供條件。資源與環(huán)境狀態(tài)和人類響應(yīng)都與生態(tài)容量有關(guān), 因此用這兩類指標(biāo)來估算環(huán)境容量。生態(tài)影響表示在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求下自然環(huán)境表現(xiàn)出來的狀態(tài)?？梢杂迷撝笜?biāo)估算生態(tài)水平。

圖1 DPSIR模型內(nèi)部及與區(qū)域生態(tài)安全之間的關(guān)系圖

3.2.2 基于DPSIR模型的指標(biāo)體系建立

本文借鑒相關(guān)學(xué)者指標(biāo)體系建立方法[23-26], 建立區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境容量以及生態(tài)水平的指標(biāo)體系。具體步驟如下:

首先, 以聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會、世界銀行、中國科學(xué)院等權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的生態(tài)安全評價經(jīng)典、高頻指標(biāo)為基礎(chǔ), 梳理生態(tài)安全相關(guān)文獻(xiàn), 按照DPSIR模型結(jié)構(gòu), 海選指標(biāo)。

其次, 根據(jù)代表性原則、可行性原則和可觀測性原則對上述指標(biāo)進(jìn)行初選, 選出具有代表性、含義清晰且能夠被獲取的指標(biāo)。

再次, 運(yùn)用R聚類分析法將同一因素下, 信息含量相同的指標(biāo)聚為一類; 用變異系數(shù)法選取同一類中信息含量最大的指標(biāo)。具體計(jì)算原理如下:

（1）R聚類分析

a. 選擇聚類方法

通過離差平方和法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。

離差平方和聚類的具體步驟:

b.聚類數(shù)目合理性的判定

(2)變異系數(shù)分析

變異系數(shù)是衡量一組數(shù)據(jù)中各觀測值之間離散程度的統(tǒng)計(jì)量, 可以用來反映指標(biāo)在生態(tài)安全評價中的鑒別能力。其公式為:

變異系數(shù)越大, 表明該指標(biāo)的鑒別能力越強(qiáng), 信息含量越大, 其對生態(tài)安全的影響越大, 應(yīng)當(dāng)保留; 反之, 則應(yīng)當(dāng)刪除。

最后, 對得到的指標(biāo)進(jìn)行合理性判斷。判斷原理如下:

指標(biāo)體系合理性判定標(biāo)準(zhǔn): 用30%以下的指標(biāo)反映95%以上的原始信息, 則認(rèn)為指標(biāo)體系構(gòu)建合理[24]。

3.2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

在計(jì)算指標(biāo)熵值前, 先對指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 其原理如下:

當(dāng)指標(biāo)為正向指標(biāo)(即指標(biāo)值越大越好)時,

當(dāng)指標(biāo)為逆向指標(biāo)(即指標(biāo)值越小越好)時,

（2）計(jì)算各指標(biāo)熵值。

(3)確定各評價指標(biāo)權(quán)重。

3.2.4 基本指數(shù)的估算

4 基于社會經(jīng)濟(jì)—自然L-V模型區(qū)域生態(tài)安全判斷依據(jù)

區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定, 該區(qū)域的生態(tài)安全狀況越理想。本文通過對社會經(jīng)濟(jì)—自然L-V模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析, 來判斷區(qū)域生態(tài)安全狀況。

綜上所述, 得到區(qū)域生態(tài)安全的判斷依據(jù)如表1所示。

5 實(shí)證研究

本文以陜西省西安市為例, 對其生態(tài)安全狀況進(jìn)行測度。數(shù)據(jù)來源于《西安統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011年—2015年)、《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011年—2015年)、《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011年—2015年)、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011年—2015年)。

5.1 基本指數(shù)測算

5.1.1 指標(biāo)體系建立及權(quán)重確定

(1)指標(biāo)體系建立

本文在權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的經(jīng)典、高頻指標(biāo)基礎(chǔ)上, 梳理相關(guān)文獻(xiàn), 海選出60個指標(biāo); 依據(jù)有關(guān)原則進(jìn)行初選, 選出20個指標(biāo); 根據(jù)R聚類和變異系數(shù)法原理, 用spss17.0對指標(biāo)進(jìn)行定量篩選, 得到15個指標(biāo)(如表2所示)。

對上述構(gòu)建的指標(biāo)體系進(jìn)行合理性判斷:

即: 15/60*100%=25%(<30%)的指標(biāo)反映了99.9%(>95%)的信息, 則該指標(biāo)體系合理。

(2)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)熵權(quán)法的計(jì)算原理, 對上述指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定, 得到各指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

5.1.2 基本指數(shù)測算

根據(jù)公式(3.8)和公式(3.9), 對各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 結(jié)果如表4所示。

由公式(3.13)可得2010年到2014年, 環(huán)境容量指數(shù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指數(shù)以及自然生態(tài)水平指數(shù)的結(jié)果如表5所示。

5.2 協(xié)同系數(shù)測算及結(jié)果分析

表1 區(qū)域生態(tài)安全判斷依據(jù)

表2 指標(biāo)體系

表3 指標(biāo)權(quán)重

表4 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

表5 2011年-2014年基本指數(shù)結(jié)果

表6 協(xié)同系數(shù)

上述對西安市生態(tài)安全的測度結(jié)果與西安市的實(shí)際情況相符合, 說明本文構(gòu)建的區(qū)域生態(tài)安全測度模型具有實(shí)際應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

(1)通過構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)—自然L-V共生模型, 耦合指標(biāo)體系法和特征指數(shù)法, 既能得到具有明確生態(tài)安全含義的特征指數(shù), 又能體現(xiàn)出各單項(xiàng)指標(biāo)自身的生態(tài)意義, 便于決策者理解和運(yùn)用。

(2)為區(qū)域生態(tài)安全的測度提供了一種科學(xué)化和定量化的方法。運(yùn)用DPSIR概念模型, 分析該概念模型內(nèi)部因素與區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)系, 并結(jié)合聚類分析法和變異系數(shù)法原理, 建立區(qū)域生態(tài)安全指標(biāo)體系, 用熵權(quán)法原理對其權(quán)重進(jìn)行確定, 避免了人為干擾的影響。對社會經(jīng)濟(jì)—自然L-V共生模型的穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)分析, 將區(qū)域生態(tài)安全狀況分為健康區(qū)、亞健康區(qū)、風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)以及危險區(qū)五個區(qū)域, 確定了區(qū)域生態(tài)安全與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(3)對西安市的生態(tài)安全進(jìn)行測度, 可得, 近年來西安市的生態(tài)安全狀況并不理想。2010—2014年雖然對自然環(huán)境的保護(hù)意識加強(qiáng), 但自然環(huán)境問題依舊制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。西安市為旅游城市, 其經(jīng)濟(jì)增長主要依靠第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。由于環(huán)境問題的影響, 西安市第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對緩慢, 應(yīng)該調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。第三產(chǎn)業(yè)是西安市生產(chǎn)總值的主要來源, 該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了不少環(huán)境問題, 需要對第三產(chǎn)業(yè)中的各行各業(yè)加強(qiáng)監(jiān)管, 不斷完善相關(guān)規(guī)章管理制度, 促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)規(guī)范化、有序化發(fā)展, 減少城市生活垃圾的產(chǎn)生。

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Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model

WU Yanxia1, JIANG Kun2, FENG Rui3 *

School of Economics and Management, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

The regional ecological security is closely related to the sustainable development of the region. In this paper, the principle of Lotka-Volterra symbiosis theory is applied to construct the social economy and natural L-V symbiosis model. We use DPSIR model to calculate the basic index and the synergy coefficient.In order to avoid human interference, we usecluster analysis method, variation coefficient method and entropy weight method to establish index system and assign weights to quantify the whole process of the measurement. At the same time, the dynamic analysis of stable equilibrium point and synergistic coefficient of the model is carried out to determine the basis for judging the ecological security of the region. The above model is used to measure the ecological security of Xi'an. The results demonstrate that the ecological security of Xi'anat present is not ideal,and the environmental problems produced by the natural environment subsystem restrict the development of the social and economic subsystems.The measurement is consistent with the reality of Xi'an, and the model has practical value in measuring the specific situation of ecological security in region.

Lotka-Volterra symbiosis model; regionalecological security; measurement

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.021

X24

A

1008-8873(2018)04-168-10

2017-03-23;

2017-06-05

陜西省展研究軟科學(xué)研究項(xiàng)目: 榆林沙漠生態(tài)城市群建設(shè)研究(2014KRM92); 陜西省普通高校哲學(xué)社會科學(xué)特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目: 社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)管理與政策研究(10570702140); 陜西省教育廳科研重點(diǎn)項(xiàng)目: 陜西省科技型企業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行機(jī)制研究(2018118)。

吳艷霞(1964—), 女, 碩士研究生導(dǎo)師, 研究方向區(qū)域經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì), E-mail.2214861742@qq.com.

馮蕊(1990—), 女, 碩士研究生, 研究方向區(qū)域經(jīng)濟(jì), E-mail. fengrui1216@163.com.

吳艷霞, 姜錕, 馮蕊. 基于L-V共生模型的區(qū)域生態(tài)安全測度研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(4): 168-177.

WU Yanxia, JIANG Kun, FENG Rui. Study on regional ecological security measure based on L-V symbiosis model[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 168-177.