区域生态安全预警评价研究进展

■ 余文波/蔡海生

（1.江西农业大学，南昌 3300452；2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，南昌 330045；3.南昌市鄱阳湖生态重点实验室，江西 南昌 330045）

区域生态安全预警评价研究进展

■ 余文波/蔡海生

（1.江西农业大学，南昌 3300452；2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，南昌 330045；3.南昌市鄱阳湖生态重点实验室，江西 南昌 330045）

开展区域生态安全预警评价，不仅对区域的社会、经济可持续发展有促进作用，还对建设美丽中国具有重大意义。文章对区域生态安全预警评价的发展历程、生态安全预警评价的特征、评价体系进行了介绍分析，在此基础上剖析了区域生态安全预警评价方法，以及物元分析模型、惩罚变权模型、RBF神经网络模型三种预警评价模型优势及其主要特征，并对当前研究不足及未来研究趋势进行了简要评述。

区域生态安全；预警评价；评价体系；评价方法；评价模型

0 引言

生态安全是一个十分复杂的问题，关系到地球上所有生物的生存状况。人类活动以及资源利用的不合理，带来了生态脆弱、沙尘暴、雾霾等问题，严重阻碍了社会经济的发展，因此，当今社会各界对生态问题研究越来越关注，对生态安全、生态安全预警、生态脆弱性、生态脆弱度的关注度越来越高[1]。对区域生态安全预警概念及区域生态安全预警评价进行科学分析，对科学认识生态安全的内涵、评价方法、发展研究趋势，提出区域生态安全预警评价研究相关建议，促进美丽中国的建设和区域特色绿色发展具有重要的现实意义。

1 区域生态安全预警评价

1.1 区域生态安全预警概念

生态安全的概念是在20世纪70年代由美国学者提出，20世纪末，社会经济的发展，人们对资源的索取加快，人地矛盾、环境，生态安全问题日益严峻，引起不少学者的关注，生态安全问题成为社会学、生态学、土地科学等研究热点之一[2]。党的十八大提出了经济、政治、文化、社会、生态文明建设“五位一体”的战略总布局，进一步明确了生态文明在当代的重要性；2014年，生态安全成为我国国家总体安全的重要部分，同时也是生态绿色发展理念的内在要求。目前，学术界对生态安全还没有统一的定论。蔡俊煌[3]认为生态安全是指改善和优化人与自然、人与社会、人与人的关系，是建设人类社会整体生态治理机制和良好生态环境之总和，是实现人类安全和经济社会可持续发展的基础和保障。鲍文沁[4]从生态系统和生态系统与人类关系来定义：生态系统自身是安全的，能维持自身稳定持续的发展；生态系统对于人类是安全的，在实现自身系统良性运转前提下，满足人类生存发展的诉求，并为经济社会可持续发展提供良好的支撑能力。

预警一般是指对危机与危险状况的一种信息警报或警告的预测[5]。预警理论的研究最早来源于军事，19世纪末西方经济学家对经济预警和区域综合预警进行了研究，我国学者是在20世纪末才逐渐进入这一领域，并延伸至从生态环境预警到土地生态预警再到产业、煤矿、食品安全等众多领域。21世纪初，伴随着生态安全研究的发展，生态安全预警也飞速发展。生态安全预警是在生态安全的基础上提出的。董伟[6]等认为生态安全预警是在自然生态变化规律和人类活动对生态环境的作用基础上，演变出对可能出现的各种警情的预防和纠正功能，并对同质性警源导致的事故具有免疫功能的自组织体制，从而达到人对自然生态环境优化利用的目的。

随着区位论的产生及其发展，相关研究人员开始利用区域分析结合数学方法，对区域要素进行概括、归纳、演绎、模拟。人口、资源、环境及区域发展问题越来越被人们重视，使区域分析更加普遍和重要。区域生态安全预警研究就是综合了生态学、社会学、土地科学、地理学、经济学等众多学科的理论研究。重点是针对人类活动对自然环境的影响程度进行评价，并对未来该区域生态环境安全性进行预测，为生态环境监测和有效调控提供决策依据，服务于区域生态安全。

1.2 生态安全预警评价的特征

(1)生态安全预警的动态性。区域内的生态安全随着区域内环境的变化而呈现出动态的变化，包括人类活动、区域内生态环境因子的变化，以及社会经济的发展影响生态安全的变化，由安全到相对安全乃至不安全；或通过采取生态修复、补偿、整治等措施，缓解环境破坏，变不安全为安全。生态安全预警就是要在预测基础上，对未来区域一段时间的生态安全进行监测，使区域生态环境朝着良性方向发展。

表1 区域生态安全预警研究对象分类

(2)生态安全预警的相对性。安全是相对而言的，世界上没有绝对的安全。生态安全包括很多因素，其对生态安全及社会经济发展的影响程度不一样。区域生态系统的众多因子都是在不断变化发展的，其在这一段时间内是安全的，但可能随着人类活动及客观环境的变化，变为不安全，因此，生态安全预警具有相对性。

(3)生态安全预警具有调控性。生态安全问题的原因有人为和自然因素，其中人为因素是内因。生态安全是随着人类的活动而逐渐出现的，并在工业化文明中由于人为干扰强度的加大而突出恶化。生态环境一方面通过自我调节和自组织能力进行自我恢复，另一方面也能通过改变人类活动使生态系统恢复到原来的状态。人为调控修复程度远远大于环境的自我调节，通过预测实现防范于未然，达到“天人合一”。

(4)生态安全预警具有长期性。生态环境问题一旦形成，对社会经济及环境的危害往往持续很多年，治理需要花费很大的物力财力，如雾霾、沙尘暴、河流的污染、水土流失等，生态安全问题的解决并不是一时的，而是长期的攻坚战。区域生态环境系统的各子系统都是长期变化的，对生态安全的预警同样具有长期性，并且预测警情之后，还要以可持续发展理念来分析、调控，从而实现区域的生态绿色发展。

1.3 区域研究对象

目前我国学者对区域生态安全预警评价关注度越来越高，逐渐从土地生态安全预警评价延伸到旅游、公路路域环境、农田、水环境、湿地、自然风景区等方面。学者们的研究对象主要有两类：一是以行政区划为研究对象，二是以生态系统为研究对象，如表1所示。

对于生态安全预警研究区域及对象研究，主要集中在行政区划及生态系统方面，也有涉及生态经济区及自然风景区，研究尺度相对来说较广：主要集中在省域、市域、土地等方面的生态安全预警研究中，对生态系统中的其他组成要素的研究相对来说较匮乏。今后研究重点应该趋于区域内的各子生态系统的时序分析到时序、空间格局分析为主，了解区域内生态安全的动态发展趋势，促进区域可持续健康发展。

2 评价体系、标准和等级划分

区域生态安全预警评价包括动态评价与静态评价。动态评价的预警指标体系构建是在收集和整理区域生态安全影响因素时间、空间序列数据基础上，根据研究区域生态安全预警研究的目标、原则和特征，合理地选择和识别能够达到生态安全预警研究要求的预警影响因子指标，建立系统的区域生态安全预警指标体系，为开展区域生态安全警情分析提供必要基础，为预警研究提供信息依据。

2.1 基本步骤和流程

区域生态安全预警评价的基本步骤是：①根据本研究区域的特点制定生态安全预警指标体系和评价标准；②运用评价方法对指标权重进行确定，并得出预测值；③用数理模型对预测值进行分析；④提出今后区域生态安全预警调控的重点方向及对策。

区域生态安全预警评价研究基本流程如图1所示。

图1 区域生态安全预警评价流程图

2.2 评价体系

2.2.1 压力—响应—状态（P-S-R）

压力—响应—状态模型（P-S-R）是由联合国经济合作开发署在20世纪80年代末提出的，强调经济、社会、生态三者之间的关系，在此基础上衍生发展出了DPSIR和DPSR模型。该模型既考虑到人类活动和自然经济环境，强调人类活动对自然经济环境的影响，从生态安全压力因素、生态安全状态因素、生态安全响应因素三个方面来建立指标体系。

余敦等[25]从压力—状态—社会响应3方面构建了鄱阳湖生态经济区土地生态安全预警指标体系，建立了20个评价指标，运用物元模型对其2001—2008年的土地生态安全警情进行分析研究。张利等[26]基于PSR模型，选用了8个指标构建了滨海快速城市化地区土地生态安全评价指标体系，借助遥感数据和GIS方法和分类树方法对曹妃甸新区未来土地生态安全进行预警分析研究。朱卫红等[19]基于PSR模型，构建了图们江流域湿地的生态环境生态安全评价指标体系，综合运用层次分析法和综合评价法得到安全值，运用灰色预测对该区域进行了土地生态安全预测研究。

PSR模型反映了状态、压力与响应之间的相互作用，生态安全状态指标用来衡量人类活动导致的生态系统的变化；生态安全压力指标用以表明土地生态环境恶化的原因；生态安全响应指标反映社会为生态环境问题而做的努力。在该框架模型中，生态安全及环境问题被表述为3种不同但又相互联系的指标类型，反映了区域生态安全各指标之间的联系及相互作用[27]。

2.2.2“自然—经济—社会”

1981年，马世俊提出“社会—经济—自然复合生态系统”，刘静鹏等[28]根据太行山区的特点，从自然—经济—社会—生态四方面构建预警指标体系分析其生态安全状况的时空特点，为河北的山区开发和发展提出了理论依据。

任何生态环境系统都包括自然、经济、社会三方面，从这三方面构建评价体系，简单明了，易于操作，但是不能体现、把握指标间的联系。

2.2.3“状态—胁迫—免疫”( State-Danger-Immunity，SDI)

张强[29]认为，影响区域生态安全的主要因素包括生态环境状态、生态安全胁迫和生态风险免疫功能3个方面，并以此来构建陕西省生态安全预警指标体系。宫继萍[30]基于“状态—胁迫—免疫”构建了甘肃省动态预警模型，建立了含25个指标的评价体系对区域生态环境安全进行研究。

状态是指生态环境的本来模样，胁迫是人类对生态环境造成的破坏及存在的问题，免疫是通过采取手段增强、提高生态环境抵抗风险的能力。SDI指标体系模型能很好地体现自然环境、人类活动对环境造成的影响以及人类为美好生态环境做出的努力，并且反映了指标间的因果关系。

2.3 评价标准及等级划分

在警情分析之前首先要建立预警评价指标标准和划定预警警戒线，为决策者确定生态安全的发展定位和手段提供依据。参考国家环境安全评估报告及学者们的研究[31]，区域生态安全预警标准可划分为五个等级：无警、轻警、中警、重警、巨警，如表2所示。

表2 区域生态安全预警评价标准

表3 生态安全预警评价方法及实例

3 区域生态安全预警评价方法及模型

3.1 评价方法

区域生态安全预警评价常见的方法有层次分析法、主成分分析法、模糊综合评价法、BP神经网络法，部分方法在某些程度上存在客观性不强，受到评价者主观人为因素的影响，不能够反映出研究区域生态安全的层次性、动态性、空间性、可持续性等劣势。总体而言各评价方法均有其优点，同时也有其局限性，要充分结合区域的特点选择适宜的预警评价方法及模型，发挥其优势。表3列举了各种生态安全预警评价模型及方法的特点。

3.2 评价模型

3.2.1 物元分析模型

物元分析模型的主要步骤为：①根据研究区域概况及特点明确生态安全物元；②指标体系建立及指标标准化；③按等级确定生态安全预警经典域及物元矩阵；④关联函数和关联度；⑤警情等级、综合关联度及结果分析。

赵宏波等[41]基于P-S-R模型等构建生态安全预警指标体系，综合运用变权—物元分析法对吉林省老工业基地1991—2011年的生态安全预警等级进行了测度。陶晓燕等[42]将物元分析和模糊概念模型结合起来，采用熵权法得到指标权重，建立了城市土地生态安全预警评价模型，对重庆市1998—2011年的城市土地生态安全状况进行了实证研究。

物元分析通过函数关系关联出各子系统之间的联系，解决了单项评价指标之间不相容性的问题，能够系统概括出各个子系统的全部信息，对生态安全预警等级和未来预测值都有很好的判断，充分体现了生态安全预警评价的动态性[25]。

3.2.2 惩罚变权模型

惩罚变权模型是在区域生态安全预警指标体系、指标标准化及评价等级标准的基础上，通过预测方法预测指标的未来数值，确定各指标因素的权重，并制定惩罚规则，对低于某一惩罚水平因子的权重进行调整，从而制定出相应时期各因子的“变权”，最后通过数字模型得出综合评价数值。

吴冠岑等[43]将变权理论引入土地生态安全预警研究，结合层次分析法得到基础权和预警指标值的动态发展趋势，构建了土地生态安全预警的惩罚型变权模型，使评价结果更符合预警评价的动态性。郭永奇等[44]在变权理论的基础上，结合熵值法得到静态权重和预警指标值的动态发展趋势，基于惩罚变权模型对农地生态安全进行了预警评价实证研究。

变权理论能准确分析指标权重之间的变化规律，并不考虑各指标因素之间的影响，但能使预警评价更富有动态性。惩罚变权模型对研究者的专业性及技术性要求较高，可广泛运用于各区域生态安全预警评价，但是仍存在改进之处：静态权重的计算依赖于基础权重向量，权重的确定方法应该使用更加客观的方法；各个区域的生态安全预警影响因素大不相同，需要从客观实际出发，结合方法对模型进行改进，以适应当地的具体情况。

3.2.3 RBF神经网络模型

RBF神经网络是J.Moody和C.Darken在20世纪80年代提出的一种以函数逼近理论为基础的三层前馈网络，具有逼近能力强、学习速度快、网络结构简单等优点，可以以任意精度逼近任意的非线性函数，有输入层、隐含层和输出层三层网络结构[45]。

RBF模型应用于生态安全预警评价模型中的思路是：首先在构建区域指标体系的基础上建立预测模型，数据标准化处理并对相关系数和均方根误差检验；其次进行区域警度等级划分；最后是时间序列模型运用及结果分析。徐美等[46]用PSR模型构建指标体系，运用RBF模型对湖南省1996—2015年的土地生态安全进行了警情状态分析和演变趋势分析，并提出预警调控的重点方向。陈美婷等[8]基于PSR模型构建了广东省土地生态安全预警评价指标体系，综合运用RBF模型和熵权法对广东省2000—2016年的土地生态安全进行评价和预测，同时分析每一阶段的警情，并在此基础上提出今后区域的预警调控重点。

RBF模型在预警评价中不多，其优点是自学简单、具有唯一最佳逼近的特性、分类能力好、模拟度高，因此有很大的应用空间；但是理论及实际应用还需要不断完善，需要与其他方法结合起来，使其更客观并不断接近区域实际。

4 结语

生态安全预警评价是在生态安全评价的基础上发展而来。现有的生态安全评价研究主要是对研究区域过去十几年的空间变化动态评价或现状的静态评价，而评价应包括过去、现在和未来3个方面，尤其要关注现状评价与未来预测。在当今资源更加紧缺和匮乏的情形下，更加注重现状和未来的生态安全预警评价，可为可持续利用及发展提供强有力的理论支撑。

(1)在生态安全预警评价的基础上，建立区域生态安全监测、决策调控体系，能及时获得区域生态现状及未来的变化趋势，并做出预防或及时的应对措施，通过调控促进区域生态环境向人地和谐的方向发展。

(2)加强生态安全预警理论和框架研究。目前我国学者对生态安全预警的定义还未统一，科学地界定生态安全预警的概念及本质特征，既体现了生态文明、可持续发展的观念，又是建立美丽中国的题中之义。应从研究区域的特征分析入手，把握区域发展、生态环境的特点，深入研究生态安全预警评价理论和模型方法，加强警情分析及调控，为区域可持续发展提供科学依据。

(3)将3S技术与数学模型结合应用到生态安全预警评价体系，构建空间预警评价模型，通过空间数据的时空格局分析加上区域生态因子的时间序列分析，既是预警评价模型的创新，也是今后研究发展的主要趋势。

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Advances in Early Warning Assessment of Regional Ecological Security

YU Wenbo, CAI Haisheng
(1.Jiangxi Agricultural University, Nanchang 3300452, China; 2.Key Laboratory of Agricultural Resources and Ecology in Poyang Lake Basin of Jiangxi Province, Nanchang 330045, China; 3.Nanchang Ecology Key Laboratory of Poyang Lake, Nanchang 330045, China)

It is of great signi fi cance to carry out regional ecological security early warning evaluation not only to promote the regional social and economic sustainable development, but also to construct the beautiful China.This paper introduces the research progress, characters and system of the regional ecological security early-warning evaluation.The evaluation methods are analyzed brie fl y, especially the advantages and main features of the matter-element analysis model, the penalty variable weights model and the RBF neural nestwork model.Besides, the current research shortcomings and the future trends are brie fl y reviewed in the paper.

regional ecological security; early warning evaluation; evaluation system; evaluation method; evaluation model

F407.1；F062.1

：A

：1672-6995（2017）03-0052-07

2016-09-09；

2016-10-19

国家自然科学基金项目（31660140）；江西省重大科技项目（20143ACF60011）；江西省自然科学基金（20161BAB204180）；江西省科技支撑计划（20133BBF60011）；江西省教育厅科技项目（GJJ12218）

余文波（1992-），男，湖北省咸宁市人，江西农业大学硕士研究生，研究方向：土地生态、土地经济。