基于压力一状态一响应模型的新疆生产建设兵团生态效应评估

刘东芝 王昭阳 杨广 何新林 李俊峰

摘要：指出了新疆生产建设兵团（以下简称兵团）成立60多年来在经济发展的同时，其生态环境效应是否同步改善是值得关注的问题之一。基于压力状态响应（P-S-R）框架模型构建了兵团生态效应评价模型，计算了兵团生态效应综合指数，结果表明：兵团整体生态效应状况在时间尺度上呈下降趋势，由0.515（2008）降到0.481（2015）;在空间尺度上，北疆兵团的生态效应综合指数介于0.359～0.600之间，生态状况整体较好，东疆兵团和南疆兵团的生态效应综合指数在0.226～0.363之间，生态状况整体较差。根据兵团不同地域生态状况变化的原因，提出了改善生态效应的建议与对策，为兵团未来区域生态环境的发展提供参考。

关键词：新疆生产建设兵团;生态风险评估;压力 状态 响应框架;生态效应综合指数;时空分布

中图分类号：F324

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0123-07

1引言

生态环境的状况直接关系到整个社会经济的可持续发展，近年来，生态问题一直是各领域专家们关注的焦点，新疆生产建设兵团（以下简称兵团）也不例外。兵团沿边境线分布，其生态极其脆弱，在大规模开垦自然资源提高经济生产与发展社会的同时，不可避免地对大气环境、土地资源、地下水和地表水资源及周边生态环境产生影响。如兵团牧草地在退化，资料显示2014年的牧草地面积由2003年的3643.11万亩下降到2582.18万亩。尽管兵团政府实施了一系列生态保护措施，缓解了生态状况，对改善兵团生态环境发挥了十分重要的作用。另外，对兵团生态的研究，主要集中于单独的生态压力源与独立的生态响应研究，如土地生态、 水资源生态、农业生态等，而兵团整体的生态状况尚不清楚。另外，由于新疆生产建设兵团复杂的地理环境，多是对生态文明建设、生态系统服务价值以及生态安全 的评价研究，对于兵团生态效应的研究较少。

全面认识生态系统的状况对于生态系统的维护有一定的帮助，关于生态评估的方法有很多，如：主成分分析法、层次分析法（AHP）、生态瞬时评估法（ EMA）、压力一状态一响应（PSR）、生态足迹法、条件价值评估法（CVM）、综合指数法。其中由Rapport等人提出，后又由经济合作发展组织改进的压力一状态一响应概念框架（P-S-R），能够将多种因素以因果关系结合起来对目标值进行评价，且其应用也较广泛，基于PSR框架开展生态状况评价能较好地对某个区域的生态状况进行评价。而对于兵团生态状况在随时间变化的方面的评估研究少。孟优 对兵团2010年的生态安全空间变化状况进行了评估，结果表明兵团中近一半的师部生态处于临界安全状态.仅研究了一年的状况，缺乏兵团生态效应状况的历史演变特征研究。

针对上述不足，本文将基于PSR模型，选取兵团生态效应的风险因子，建立兵团生态效应的评估指标体系，通过综合指数法来确定兵团生态环境状况，从时空方面来认识兵团整体的生态效应状况，探究兵团生态效应状况变化的原因，同时对兵团生态效应状况做出决策管理分析，加强对生态环境的保护和整治，旨在为兵团的生态建设和管理以及实现白然生态的和谐和可持续发展提供借鉴。

2研究区与研究方法

2.1研究区概况

兵团地处我国的西北边陲，对保卫边疆、建设边疆有着重要力量，是稳定新疆的核心，同时承担着祖国赋予的屯垦、戍边双重职责，是中央直属的特大垦区之首。兵团下辖14个师，其下的175个农牧团场中有121个团场分布在沙漠、荒漠边缘地带，其中有58个团场驻守在绵延5000多km的边境线上。其面积为7.06×l04k㎡，占新疆总面积的4.47%，约占全国农垦总面积的1/5，是我国最大的农垦区之一。兵团多年平均降水量为145mm，而蒸发量约2000～2500mm。地表水资源量为1.05×10₁₀m?，地下水资源量为2.01×109m?，目前森林覆盖率约为18.62%。兵团驻地属于典型的绿洲经济，而绿洲面积只占全疆的4.2%，荒漠和沙漠面积占到70%，生态环境脆弱，自然环境十分恶劣。

兵团是驻疆部队为屯垦戍边分别驻扎于白然环境恶劣的阿克苏、库尔勒、伊犁等地，在轰轰烈烈地投身于新疆的大生产运动和国防事业中逐步组建形成的。在人类开发过程中，兵团的经济逐步发展，人类对大自然的开发利用也更加剧烈，引起了诸多学者对兵团的广泛关注和研究。此外，兵团分布于新疆全境，处于丝绸之路经济带核心区，在丝绸之路经济带建设中发挥着特殊作用。不仅如此，兵团在新疆的政治、社会和文化发展等各个领域也发挥了重要作用。然而，兵团生态效应空间分异性明显，各师部星散坐落于新疆各地，使得各地生态驱动因子复杂。其次，兵团生态环境的脆弱性和绿洲荒漠化景观使得生态效应研究具有突出地位，因此，开展兵团整体的生态效应研究具有重要的意义及其典型性（图1）。

2.2数据来源

本研究数据来源：2009年至2016年的兵团年鉴、新疆生产建设兵团统计年鉴、新疆统计年鉴和统计志。

2.3研究方法

2.3.1兵团生态效应评估指标体系构建

压力—状态—响应（PSR）框架（图2）遵循人类和经济活动对环境施加压力导致压力盛行状况或激起改变压力和环境状况的响应的一种因果逻辑，它能提供监测环境和自然资源的可持续发展状况系统的机制。而该PSR概念框架中的因果关系链反应了社会经济的发展（如人类活动）对环境（如土地）施加壓力，继而导致环境状态发生变化（如水量），使得政府做出一定决策响应（如投资污水治理）。Niemeijer等人认为概念框架在风险因子选取过程和开发统一的风险因子集中起着重要的作用。鉴于评价指标体系构建灵活和方便的优势，本文基于与政策相关、可理解、易获取、易衡量、具科学性的原则，同时根据前人建立的指标体系，利用PSR框架在数据易获取的条件下选取了相对恰当的生态效应评估指标.建立生态效应评估指标体系（表1）。该指标体系以兵团生态效应状况为目标，根据PSR模型将兵团生态效应影响因子分为压力（生物、物理和人类活动）、状态（环境、经济状态）和响应（环境决策）3个准则层，为更明确指标种类，每一准则层再包含不同的影响因素。本文选取了12个压力指标（Cl-C12）、6个状态指标（C13～C18）和6个响应指标（C19～C24）。

压力指标的选择：选取了12类压力指标代表人类活动和自然对兵团生态效应的压力。其中人口的增长加大了自然资源的开发利用强度，因此选取人口密度（C1）和人口增长率（C2）作为生态效应评估的压力指标。此外，耕地面积的增加同样会造成自然资源（如水资源）的压力以及农业污染的增加，从而加大了农业生态的压力。因此，将人均耕地面积（C5）作为压力指标之一。化肥、农药的增施和农业残膜的污染已经成为影响兵团农田生态和农业可持续发展的重要因素。因此将化肥使用量（C6）、农药使用量（C3）、塑料薄膜使用量（C4）作为其中的压力指标。由于超载放牧等人为因素的影响，兵团草地普遍退化，最终加剧荒漠化。因此，将畜均草地面积（C9）作为压力指标之一。兵团为发展经济，过度垦荒，使得大面积林木遭到破坏，进而威胁绿洲生态的安全。因此，将林木采伐量（C8）作为压力指标之一。

兵团所处地理自然环境中，降雨稀少，水资源分布不均，蒸发强烈，加上土地资源的不断开发、工矿企业和生活用水量的增大，水资源紧缺状态突出 。中下游地下水超采严重导致地下水位下降。因此，将年均水资源引用量（C7）作为压力指标之一。

自2011年以来，全兵团主要的四大污染物排放量（二氧化硫、化学需氧量、氨氮排放量和氮氧化物）随着兵团经济的高速发展而增长，造成兵团生态严重失衡。由于氮氧化物数据缺乏，因此将二氧化硫排放量（C10）、废水中化学需氧量（C11）和氨氮排放量（C12）作为其中的压力指标。

状态指标的选择：兵团属于干旱地区，降水量稀少且变动大，这对生态平衡状态的维系极为不利。因此.将降水量（C18）作为生态效应评估的状态指标。而人均粮食产量（C15）和人均GDP（C17）两个指标代表兵团经济状态。作物种植面积（C13）、作物受灾面积（C16）和森林覆盖率（C14）均是资源状态指标。

响应指标的选择：在自然环境作用以及人类活动的干扰下，兵团地区风沙频繁，工业废水、废气和固体物排放量逐年增加，给生态环境造成不同程度的破坏。“十一五”期间，兵团逐步推进生态保护工作，主要采取的措施有：（1）封山育林、退耕还林、天然林保护等防风固沙工程;（2）实行工业固体废物综合利用、工业废水达标排放和高新节水集成等节能减排项目。因此，将工业用水重复利用率（C19）、高新节水灌溉面积（C20）、工业废水排放达标率（C21）、工业固体废物综合利用率（ C22）、环保投资（C23）、造林面积（C24）作为响应指标。

2.3.2兵团生态效应评估模型构建

模型的构建分为数据标准化、权重确定和综合指数计算，具体步骤如下。

数据标准化：

由于各指标之间存在量纲差异，为不影响对评价结果的判定，需要对各指标进行标准化处理，本文采用极差法

进行数据的标准化如下：

各指标权重确定：

确定权重的方法有多种，如熵权法、Delphi法、层次分析法（AHP）等。为减少权重判定的主观性，本研究采用熵权法确定指标的权重如下：

生态效应综合指数计算：在选取风险因子的基础上，还需要类似于综合指数的指标来衡量环境状况，就如同人的体温可以指示人的健康状况。而综合指数法是一种常用的统计分析方法，其数理结构能够很好地满足生态系统演变、监测和评价的要求。基于生态系统复杂性的需要，生态效应综合指数的开发是有必要的，为定量评估提供一种可靠的方式，并为众多生态影响因子及其相互关系提供有价值的信息，促使决策者对生态环境进行综合分析评价。本研究使用的生态效应综合指数计算如下：

式中：U为生态效应综合指数，越接近1，说明生态效应越好，越接近0说明生态环境越差;Wj为第j个指标的权重;Yij为第j个指标的标准值。

另外，兵团整体生态状况的空间分布是由ArcGIS软件中自带的白然间断点分级法自动将各年的兵团生态效应综合指数分为5个等级实现的，也就是将兵团生态效应状况分为“极好”、“较好”、“中等”、“较差”、“极差”五个等级，该分级方法可对相似值进行最恰当地分组，并可使各个类之间的差异最大化，它会在数据值的差异相对较大的位置处设置边界，自然间断点是数据特定的分类。

3研究结果

3.1兵团各师部生态生态效应历史演变特征

对于兵团各师生态效应变化状况（图3），其中的生态效应综合指数变化状况，除了四师、九师和十三师分别上升了17%、24%和7%，呈上升趋势外，其余各师均呈下降趋势，下降最多的是二师，下降了35%;对于生态压力变化状况，其中三师和四师呈整体上升趋势，分别上升4%和8%，，上升也不明显。其余各师呈整体下降趋势，而十师下降最多，下降了37%，说明兵团各师的生态压力在加重;就兵团各师生态状态指数变化状况而言，一师、二师、三师、七师、八师的生态状态在下降，分别下降了27%、73%、23%、30%和22%。其余各师呈整体上升趋势，上升最多的属九师，上升了1.89倍;就兵团生态响应变化状况而言，一师、二师、四师、六师、七师和八师呈整体下降趋势，且下降幅度均较下，其余各师呈整体上升趋势，而十三师的生态响应指数上升最多，增加了8.4倍，其次是三师，上升了73%，剩余各师的响应指数上升均不明显。

3.2兵團整体生态效应时空演变特征

兵团整体生态效应综合指数（2008～2015）分布如图4所示，可以发现，兵团生态效应状况呈整体下降趋势，从2008年的0.5145降到2015年的0.4806，下降了6%。另外，在2010年时的生态效应状况出 现了转折点，且在8年中达到最好的状况，综合指数值为0.6608。而生态状况最差的一年是2014年，综合指数值为0.4321。兵团的生态效应压力指数从2008年的0.3003降到2015年0.1279，下降了57%，但状态指数从2008年的0.0888增加到2015年的0.2088，上升了1.35倍，响应指数也从2008年的0.1254增加到2015年的0.1440，增加了15%。这说明，兵团生态的压力是造成兵团生态状况变差的主要准则，其次是响应和状态

对于2008--2015年兵团生态效应综合指数的空间变化状况（图5）。以2008年兵团生态效应为例，其综合指数的值介于0.35～0.67，其自然中断于0.35、0.41、0.43和0.46，使得2008年的兵团生态状况等级划分为：极差（U<0.35）、较差（0.35≤U<0.41）、中等（0.41≤U<0.43）、较好（0.43≤U<0.46）、极好（0.46≤U<0.67）。同样的方法被用于其他几年的兵团生态效应状况等级划分。研究发现，2008年兵团一师生态效应极差，二师、四师和十四师的生态效应较差，九师、十三师的生态效应处中等级别，三师、五师、六师和十师的生态效应较好，七师和十二师的生态效应极好。

4讨论

4.1兵团生态效应时空变化及其成因

研究发现，兵团于2008～2015年间的生态效应呈整体下降趋势，也即新疆生产建设兵团的经济的增长是以破坏生态环境状况为代价的。而兵团生态效应状况的空间分布具有明显的区域特色，兵团北边整体较好，东边和南边的生态效应状况整体较差，表明人类活动对生态系统的干扰在加强，其主要的干扰表现为：①兵团的产业主要以农业为主，对水资源的需求量大，并且区域降水量稀少，造成地下水严重超采。其次农业污染的残留和转移也致使生态效应状况变差，如化肥实物使用量由2008年的108.69万t增加到2015年的166.99万t，增加了53.6%。最后是工业污染逐年地增加，工业废水CO D排放总量由2008年的4.69万t增加到2015年的10万t，增加了1.13倍;②兵团牲畜的增加和草地面积的减少，加重了草地生态的压力。畜均草地面积由2008年的每头牲畜0.453h㎡降低到2015年的每头牲畜0.223h㎡，降低了51%;③兵团为开垦土地，林木采伐量逐年增加，由2008年40968m?增加到2015年的106485m?，增加了1.6倍，加重了生态环境的压力。

另外，尽管兵团及其师部指数值也存在上升的趋势，但上升不明显，仍处于较差的状态，表明人为生态效应的造林、节水等响应措施仍不够到位，后期还需加强生态的维护与治理。

4.2对策分析

为改善生态效应状况，创造更好的生活、生产和生态环境条件，就需要减少人类活动对生态环境干扰的压力，加大团场连队生态环境综合整治的响应力度。具体措施如下：①人类应摒除“重建设轻环保”思想，提高人们对生态环境保护的意识，遏制“重生产轻生态”思想。如下調农业用水比重至90%以下，加大生态用水的比重，使其从根本上改善区域生态效应状况;②政府应加强环境的监管能力，加强二氧化硫和氮氧化物等工业污染源、农业污染源、生活污染源等的减排与防控工作。如将污水处理率和污水处理厂的运行负荷率分别提高到90%和75%以上，进一步提升污染治理设施管理水平。同时制止林木采伐活动并加强造林工程的建设，从而减弱生态压力源的扩张与增长;③此外，政府应加大生态系统恢复与改善的资金投入，推动清洁工业和绿色农业生产的开展.加强氮肥行业中尿素的水解技术等技术的清洁化改造。加强废弃物无害化处理，如将污泥无害化处理处置率提高到90%以上，提高废弃物综合利用率并提标处理，提高脆弱的生态系统的自我修复能力。

5结论

本项研究通过PSR框架与综合指数模型相结合的方法，评估了兵团整体生态效应时空变化特征。主要结论如下。

（1）兵团生态效应时空特征。兵团的经济增长是建立在破坏生态环境的基础上的，生态环境受到的压力在逐年增长，兵团整体的生态效应状况不容乐观，兵团生态效应时间变化整体呈下降趋势，由0.515（2008）降到0.481（2015）。此外，兵团生态效应空间分布具有较强的区域特性，北疆兵团的生态效应综合指数介于0.359～0. 600之间，生态状况整体较好，东疆兵团和南疆兵团的生态效应综合指数在0.226--0.363之间，生态状况整体较差。

（2）兵团生态效应主要成因。由于兵团所处的特殊地理位置，最能影响其生态效应状况的因素主要压力因子来源于自然降水量，其次是人类活动（施用化肥、工业废水排放、林木采伐等活动）的干扰。

（3）改善兵团生态效应决策。兵团生态环境脆弱，生态效应状况的改善需要防治人类活动的侵扰，减少工、农业污染源等的生态压力源，加强造林、节水等生态效应响应措施的实施，以达到兵团生态系统的平衡，从而实现社会经济的可持续发展，在脆弱的生态区域长久地维持生命力的跳跃。

兵团生态系统相对于其他区域拥有更复杂的空间异质性特性，为保障生态—经济—社会的健康可持续发展，今后还需结合景观格局特征全面分析兵团生态效应时空分布状况，从景观生态学和恢复生态学的视角评估生态系统压力、状态和响应指标。此外，建立统一的脆弱生态系统的评估体系和安全保障与维护体系是兵团今后急需解决的问题。全面系统地评估生态效应，对于生态系统的维护及其健康可持续发展具有重要的意义。