基于DPSIR模型的渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價

邵月花, 楊調(diào)調(diào), 談存峰

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 財經(jīng)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類活動強度大、自然資源開發(fā)利用不合理等多重壓力的存在，對生態(tài)環(huán)境資源產(chǎn)生了巨大影響，嚴(yán)重威脅流域生態(tài)安全，制約了生態(tài)—社會—經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，國外學(xué)者Quigley[2]以哥倫比亞流域為例構(gòu)建生態(tài)安全評價體系；Decamps[3]將生態(tài)安全理論拓展到河流污染研究；Atkin[4]，Span[5]分別利用DPSIR模型研究不同尺度、不同領(lǐng)域的生態(tài)安全狀況。隨著生態(tài)安全體系的不斷完善，國內(nèi)在流域生態(tài)安全研究方面也涌現(xiàn)了大量的案例。艾克旦·依薩克[6]運用PSR(壓力、狀態(tài)、響應(yīng))模型分析阿克蘇流域綠洲生態(tài)安全變化趨勢；蘇迎慶等[7]對2006—2018年汾河流域土地生態(tài)安全預(yù)警測度及時空格局演變進行研究；黃蕊等[8]通建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析中國流域規(guī)劃環(huán)評成效和不足。研究證明流域環(huán)境破壞嚴(yán)重、生物多樣性保護功能降低[9]，水土流失風(fēng)險加大、自然生態(tài)系統(tǒng)退化[10]，城鎮(zhèn)擴張和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤侵蝕和水質(zhì)污染作用強烈[11-12]。

渭河干流甘肅段作為“古絲綢之路”的重要樞紐區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化水平屆于甘肅省前列，生態(tài)安全狀況受到廣大學(xué)者的關(guān)注[13]。然而，關(guān)于渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價的方法多為定性評價法，評價體系多圍繞水質(zhì)指標(biāo)展開，缺乏對陸域指標(biāo)的設(shè)立和評價。鑒于此，本文在指標(biāo)選取時不僅關(guān)注水體本身，而且充分考慮陸域生態(tài)要素的變化對流域生態(tài)環(huán)境的影響，通過DPSIR模型構(gòu)建渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價體系對2010—2019年的生態(tài)安全格局進行定量評價，以期為該流域生態(tài)文明建設(shè)提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河干流甘肅段位于104°00′—108°45′E，34°12′—36°10′N之間，南北寬165 km，東西長270 km，總面積約為2.58×104km2，其74%的面積屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，是渭河泥沙的主要來源區(qū)。當(dāng)今，由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生態(tài)的破壞愈加嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響到該流域的生態(tài)安全，對渭河干流區(qū)內(nèi)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選用指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)來源于2011—2020年的《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《甘肅農(nóng)村年鑒》《甘肅發(fā)展年鑒》《甘肅省水資源公報》《國民經(jīng)濟發(fā)展公報》《定西統(tǒng)計年鑒》和《天水經(jīng)濟年鑒》。通過隸屬度分段函數(shù)(Mj)將指標(biāo)原始數(shù)值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，正向、負(fù)向指標(biāo)分別利用公式(1)—(2)進行轉(zhuǎn)化：

(1)

(2)

式中：Mj為指標(biāo)Xj轉(zhuǎn)化后的隸屬度,即標(biāo)準(zhǔn)化值;L為下限值,是研究期間將指標(biāo)數(shù)值從小到大排序再平均分成5段后,第1,2段的節(jié)點數(shù)值;U為上限值,是研究期間將指標(biāo)數(shù)值從小到大排序再平均分成5段后,第4,5段的節(jié)點數(shù)值;B為基準(zhǔn)值,是L和U的中點數(shù)值。

1.3 研究方法

1.3.1 DPSIR模型 DPSIR模型分為驅(qū)動力(D)、壓力(P)、狀態(tài)(S)、影響(I)和響應(yīng)(R)5個方面，能夠反映經(jīng)濟發(fā)展、人類社會活動和生態(tài)環(huán)境之間的相互作用，是目前應(yīng)用最為廣泛的評價指標(biāo)體系[14]。根據(jù)渭河干流甘肅段生態(tài)環(huán)境面臨的主要問題，從社會、經(jīng)濟、資源與環(huán)境方面選取反映驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)的評價指標(biāo)并構(gòu)建評價體系(表1)。其中，驅(qū)動力是促進流域生態(tài)安全系統(tǒng)變化最原始、最關(guān)鍵的指標(biāo)，主要是社會經(jīng)濟發(fā)展方面的指標(biāo)，如人口增長率和經(jīng)濟增長率；壓力指人類直接作用于流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)使其產(chǎn)生變化的力，如污染物排放和其他減小環(huán)境容量的指標(biāo)；狀態(tài)是在驅(qū)動力和壓力的共同作用下流域生態(tài)系統(tǒng)功能的現(xiàn)實狀況，包括植被覆蓋率、水產(chǎn)品供給能力和水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；影響是流域生態(tài)退化、環(huán)境惡化所造成的影響，主要有荒漠化程度和成災(zāi)面積；響應(yīng)指當(dāng)?shù)鼐用駷楸Ｗo流域生態(tài)安全做出的反應(yīng)，如提高農(nóng)業(yè)用水利用率和城鎮(zhèn)污水處理率、建設(shè)自然保護區(qū)、增加環(huán)境治理投資力度等。

1.3.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定 采用層次分析法和主成分分析法相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重。首先利用層次分析法對項目層間的兩兩組合進行比較，判斷各指標(biāo)間的相對重要程度，構(gòu)造判斷矩陣，進行層次單、總排序和一致性檢驗得到項目層權(quán)重值(Wp)；其次利用主成分分析法對研究期間每個項目層下的各個指標(biāo)提取公因子方差，計算得到每個指標(biāo)的公因子方差在所有指標(biāo)公因子方差中的比重，即為指標(biāo)層權(quán)重(Wi)；最后將項目層權(quán)重與指標(biāo)層權(quán)重相乘，得到每一個指標(biāo)的歸一化權(quán)重(Wn)(見表1)。

表1 渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價指標(biāo)體系及權(quán)重

1.3.3 綜合評價值和評價等級的確定 采用綜合指數(shù)(E)來評價渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況：

(3)

(4)

式中：EO為渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(shù);Ep為渭河干流甘肅段項目層(驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng))指數(shù);Wnj為第j個指標(biāo)的歸一化權(quán)重;Wij為第j個指標(biāo)的權(quán)重;Mj為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;α為指標(biāo)個數(shù)(α=21);n為每一個項目層下的指標(biāo)個數(shù)。

綜合流域生態(tài)安全現(xiàn)狀并參考相關(guān)研究[15]，將渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況劃分為5個等級：0.8

1.3.4 障礙度模型 引入障礙度模型(Oj)分析影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全的主要障礙因子：

(5)

式中：Oj為障礙度,表示第j個指標(biāo)對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的影響程度;Mj為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Wnj為第j指標(biāo)的歸一化權(quán)重;α為指標(biāo)個數(shù)(α=21)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價

從權(quán)重計算結(jié)果來看(表1)，項目層中驅(qū)動力權(quán)重(0.290)和壓力權(quán)重(0.224)最大，其次為響應(yīng)權(quán)重(0.174)、狀態(tài)權(quán)重(0.172)和影響權(quán)重(0.140)，說明驅(qū)動力和壓力對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的貢獻最大。從單項指標(biāo)的歸一化權(quán)重來看，人口增長率權(quán)重(0.161)和經(jīng)濟增長率權(quán)重(0.130)最大，其次為植被覆蓋率權(quán)重(0.071)、農(nóng)業(yè)用水利用率權(quán)重(0.058)，說明人為保護對提高渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況具有較大的作用，且流域本身的生態(tài)系統(tǒng)功能對其未來生態(tài)安全發(fā)展具有重要的導(dǎo)向作用。

2.1.1 渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(shù)分析 依據(jù)公式(3)計算得到2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(shù)(圖1)。由圖1可知，渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(shù)雖在研究期間總體均不高，但先降低后逐步向好的趨勢明顯： ①由2010年的0.26下降至2011年的0.25，流域生態(tài)安全始終保持在Ⅳ(較危險)等級，說明渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況不容樂觀； ②在2012—2019年，流域生態(tài)安全綜合指數(shù)持續(xù)上升，生態(tài)安全狀況也由Ⅴ(危險)先向Ⅳ(較危險)再向Ⅲ(預(yù)警)轉(zhuǎn)變，表明渭河干流甘肅段現(xiàn)階段生態(tài)安全狀況雖較為嚴(yán)重，但前景樂觀，必須不斷采取積極有效的治理措施來改善流域的生態(tài)安全狀況。

圖1 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全評價結(jié)果

根據(jù)不同時期渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況，可進一步將其生態(tài)安全趨勢劃分為4個階段： ①2010—2011年，Ⅳ(較危險)等級緩慢下降，生態(tài)安全狀況略有降低； ②2012—2014年，Ⅴ(危險)等級穩(wěn)定上升，生態(tài)安全狀態(tài)略微改善，說明2012年生態(tài)文明建設(shè)事業(yè)已取得初步成效； ③2015—2017年，Ⅳ(較危險)等級持續(xù)上升，生態(tài)安全恢復(fù)態(tài)勢良好； ④2018—2019年，Ⅲ(預(yù)警)等級快速上升，生態(tài)安全穩(wěn)步變好趨勢明顯，尤其是在2015年以后。

2.1.2 渭河干流甘肅段項目層指數(shù)分析 依據(jù)公式(4)分別計算2010—2019年渭河干流甘肅段項目層(驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng))指數(shù)，具體結(jié)果見表2。驅(qū)動力指數(shù)在研究期間呈波動下降趨勢，由2010年的0.51波動下降到2019年的0.43，年均減少率為1.57%，說明驅(qū)動力中的各項指標(biāo)對渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況的貢獻度在逐年減小。壓力指數(shù)在研究期間總體呈波動下降趨勢。由2010年的0.02波動下降到2019年的0.01，年均減少率為5%，可見在研究期間當(dāng)?shù)夭缓侠淼拈_發(fā)利用活動有所減少，對流域生態(tài)安全造成的負(fù)面影響不斷下降，在一定程度上制約了資源浪費和環(huán)境惡化，促進了流域的可持續(xù)發(fā)展；但壓力中權(quán)重較大的指標(biāo)對流域生態(tài)環(huán)境的破壞依舊嚴(yán)重，如化肥施用量、畜禽養(yǎng)殖量、固體廢物排放量和農(nóng)膜使用量等，建議流域積極采用合理的耕作方式和先進的養(yǎng)護技術(shù)，盡量減少化肥、農(nóng)膜的使用，增加有機肥，保持土壤肥力；同時應(yīng)合理規(guī)劃當(dāng)?shù)氐男笄蒺B(yǎng)殖規(guī)模，嚴(yán)格禁、限養(yǎng)區(qū)管理，減少糞污及生活垃圾等固體廢物的排放。

表2 2010—2019年渭河干流甘肅段項目層(驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng))指數(shù)的變化

狀態(tài)指數(shù)在研究期間以2016年為節(jié)點，呈現(xiàn)先波動上升再緩慢下降的趨勢： ①在2010—2016年期間，狀態(tài)指數(shù)由2010年的0.35波動上升到2016年的0.90，達(dá)到最大值，年均增長率為21.92%，表明該時期內(nèi)流域積極采取封山育林等措施進行林地養(yǎng)護，提高植被覆蓋率，同時不斷加強生態(tài)治理和修復(fù)力度，積極促進水質(zhì)的改善，從而為渭河干流甘肅段生態(tài)安全局面的形成提供保障； ②在2016—2019年，狀態(tài)指數(shù)由2016年的0.90減少至2019年的0.76，年均減少率為3.89%，一定程度上說明在2016年后生態(tài)環(huán)保措施實施效果較不明顯，主要原因是措施實施不到位或先前模式已不適用于當(dāng)前階段，警示我們必須在保障原有措施的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新提高流域生態(tài)安全水平的新措施。影響指數(shù)整體呈波動下降趨勢，由2010年的0.22下降到2019年的0.09，年均減少率為5.91%，在一定程度上反映出渭河干流甘肅段人均資源存量狀況有所緩解。響應(yīng)指數(shù)在研究期間呈波動上升趨勢，由2010年的0.38波動上升到2019年的0.44，年均增長率為1.58%，說明流域在研究期間通過增加生態(tài)治理資金投入，促使自然保護區(qū)面積增加，不斷提高了農(nóng)業(yè)用水利用率和城鎮(zhèn)污水處理率，加快了渭河流域甘肅段生態(tài)安全狀況的改善。

2.2 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全影響因素分析

利用公式(5)計算得到2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全指標(biāo)障礙度(表3)。由表3可知，障礙度數(shù)值排在前5位的是X1(人口增長率)、X2(經(jīng)濟增長率)、X11(植被覆蓋率)、X19(城鎮(zhèn)污水處理率)、X18(農(nóng)業(yè)用水利用率)，說明人口擴張和經(jīng)濟快速發(fā)展是直接影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況發(fā)生變化的最主要因素；障礙度數(shù)值排在最后2位的是X9(畜禽養(yǎng)殖量)、X10(農(nóng)膜使用量)，主要原因：相較于其他障礙因子而言，研究區(qū)的畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；潭容^高且當(dāng)?shù)氐牡共巛喿髦贫容^完善?？偟膩碚f，在影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況的前5位障礙指標(biāo)中，驅(qū)動力(X1，X2)和響應(yīng)(X18，X19)各占兩個指標(biāo)，說明驅(qū)動力和響應(yīng)對渭河干流甘肅段生態(tài)安全的影響明顯。因此，在今后的發(fā)展中，研究區(qū)應(yīng)注重控制人口增長，堅持經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)并重，保證經(jīng)濟、政治、文化、生態(tài)環(huán)境四者的有機統(tǒng)一，進一步推動經(jīng)濟與生態(tài)的和諧發(fā)展；同時，應(yīng)加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，關(guān)注當(dāng)?shù)氐奈鬯幚砗娃r(nóng)業(yè)用水利用情況，完善居民的排污渠道，推動滴灌、微灌和地面灌等灌水技術(shù)的發(fā)展。

表3 2010—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)安全指標(biāo)及障礙度

3 結(jié) 論

(1) 2010—2019年，渭河干流甘肅段生態(tài)安全綜合指數(shù)呈先降后升的趨勢：先由2010年的0.26下降到2011年的0.25，再由2012年的0.14上升到2019年的0.58，其生態(tài)安全等級也由Ⅳ(較危險)經(jīng)Ⅴ(危險)先向Ⅳ(較危險)再向Ⅲ(預(yù)警)轉(zhuǎn)變。整體而言，研究區(qū)生態(tài)安全狀況不斷變好，尤其是2015—2019年呈現(xiàn)穩(wěn)步變好趨勢。

(2) 渭河干流甘肅段生態(tài)安全項目層指數(shù)變化幅度較小。驅(qū)動力、壓力和影響指數(shù)在研究期間都呈波動下降趨勢；狀態(tài)和響應(yīng)指數(shù)在研究期間呈波動上升趨勢，說明渭河干流甘肅段生態(tài)安全狀況雖得到一定的改善，但未來的生態(tài)保護與建設(shè)任務(wù)依舊艱巨。

(3) 通過障礙度計算得知人口增長率、經(jīng)濟增長率、植被覆蓋率、城鎮(zhèn)污水處理率和農(nóng)業(yè)用水利用率是影響渭河干流甘肅段生態(tài)安全的主要障礙因子。