基于DPSIR-EES模型的旅游型城镇生态安全评价研究

石 丹,关婧文,刘吉平

吉林师范大学 旅游与地理科学学院, 四平 136000

生态安全是指区域内生态系统的完整情况和健康水平,其本质在于强调生态系统的自身结构是否受到破坏,同时强调生态系统对人类生活所提供的服务是否得到满足[1],即区域内自然生态环境状况能够维系其经济、社会可持续发展时,这种状态下生态处于安全水平,反之则处于不安全水平[2]。随经济、社会发展进入纵深阶段,旅游业在国民经济中的比重越来越大,旅游型城镇建设日趋成熟,但在加快发展过程中粗放式、无节制地开发,使得旅游型城镇生态环境保护形势十分严峻,已经逼近旅游型城镇生态安全承载力阈值,资源环境持续恶化与生态系统可持续发展的目标不相符[3],严重影响旅游型城镇生态系统的自我完整性及可持续发展,还威胁其生态安全[4],如何实现旅游型城镇发展与资源环境的全面脱钩是现阶段亟待解决的重要问题,生态安全问题引发业界对旅游型城镇生态安全和环境保护的理性思考。对于生态安全的研究,大多数学者主要集中在生态安全的概念和内涵[5]、评价指标模型[6]和格局构建与优化[7]等方面的研究,评价方法涉及模糊分析法[8]、层次分析法[9]、TOPSIS法[10]、灰色聚类分析法[11]等,指标构建主要选取PSR模型[12-13]、DPSIR模型[14- 16]、EES模型[17]等。研究尺度大多为省域[18]、市域[19]或区域[20],研究分析方法主要集中在生态足迹法[21]、正态云模型[22]、ARIMA模型[23]、物元模型[24-27]、GIS技术[28- 29]等。

对于旅游型城镇生态安全评价分析而言,仍存在以下三点问题亟待解决：(1)现有研究针对生态安全研究领域,大多数采用中、大尺度,虽从不同角度丰富和完善了生态安全的研究体系,但缺乏通过从单一旅游型城镇小尺度视角进行生态安全评价分析;(2)大部分生态安全评价体系多以单一模型构建为主,其只能反映各子系统间的相互关系,不能更好地实现各子系统内部相互作用关系;(3)多数生态安全评价模型仅考虑各评价指标之间的相互影响,未考虑各评价指标因素间具有不相容性且存在交叉作用,忽视评价过程中信息屏蔽和主观性等问题。针对上述问题,基于区域可持续发展理论,运用DPSIR-EES复合模型进一步完善生态安全评价指标体系,以二道白河镇为例,通过熵值法和均方差决策法对数据进行处理并赋权,引入物元分析模型,评价2010—2019年生态安全水平,分析各指标之间的生态安全水平变化趋势,以期更好地实现二道白河镇生态系统可持续发展,对其自身及同类型旅游型城镇改善生态安全环境质量、促进生态系统良性循环、实现经济社会环境可持续发展具有指导意义。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

二道白河镇位于吉林省东南部,地理位置处于东经127°53′—128°34′、北纬42°01′—42°48′之间,地处长白山脚下,使得二道白河镇旅游业发展独具优势[30]：(1)境内林地面积272883hm2,森林覆盖率达94%,拥有丰富的森林资源;(2)境内除长白山外,地势开阔、起伏较小,草原面积12342hm2,适合人类开展各类活动;(3)区域内有120余种植物种类,其中30多种树种属于经济价值高的种类,具有丰富的自然生态资源。独特的地理位置和丰富自然生态资源为二道白河镇的生态环境发展奠定了良好的基础,同时为该区域生态环境建设发挥了极其重要的作用。

1.2 数据来源

生态安全评价指标可分为原始指标数据以及构建指标数据,选择2010—2019年作为研究期。原始指标数据主要通过查阅《中国区域经济统计年鉴(2011—2020年)》、《吉林统计年鉴(2011—2020年)》、《长白山保护开发区年鉴(2014—2019年)》,其中个别数据来源于以下三个方面：(1)《延边年鉴(2011—2015年)》、《延吉年鉴(2011—2019年)》;(2)吉林省延边州、安图县市(州)旅游局、统计局等官方网站;(3)吉林省国民经济和社会发展统计公报和安图县、长白山保护区其他相关政府网站等有关旅游业发展的政府工作报告。构建指标数据通过原始指标数据复合计算得出,例如人均生产总值=生产总值/人口数。对于个别缺失数据,根据已有数据通过算法计算进行合理性赋值。

2 旅游型城镇生态安全物元评价模型

2.1 DPSIR-EES生态安全评价模型框架

由“驱动力(D)、压力(P)、状态(S)、影响(I)、响应(R)”五个方面所构成的DPSIR模型[14- 16],用于表达影响生态安全整个系统各因素之间的信息耦合关系;由“环境(E)、经济(E)、社会(S)”三个层面所构成的EES模型[17],用于描述整个人类活动系统中各属性之间的协同关系。DPSIR模型能够较好地反映生态各系统之间的因果影响,但无法实现各系统内部的分析;EES模型能够较好地反应生态系统内部复合属性,进行系统内部结构分析,但无法反映系统内因果关系。利用两个单项模型的优点实现有机结合,形成DPSIR-EES模型(图1),将各要素有机结合,能更清晰地反映之间相互作用关系。

图1 二道白河镇生态安全评价DPSIR-EES模型框架Fig.1 DPSIR-EES model framework for ecological security assessment in Erdaobaihe town

2.2 DPSIR-EES生态安全评价指标体系构建

初步选取45项具体评价指标,为保证指标体系的科学性,参考SDGs(可持续发展目标指标)[31]、EPI(环境绩效评估指标)[32]以及综合相关研究成果[2- 3,9,16,25- 27],运用SPSS22.0和Delphi法进行主成分分析和因子分析,最终确定36个指标(表1)。明确各指标属性,分为效益型(+)或成本型(-),结合熵权法和均方差决策法综合计算得出更为精确的综合权重(Ci)。

表1 二道白河镇生态安全评价指标体系

2.3 生态安全物元分析模型

2.3.1确定生态安全评价物元

旅游型城镇生态安全N,生态安全特征w和特征量值v共同构成生态安全物元。假设生态安全N中有多个特征值则表示为：

式中,R为生态安全的n维物元,可表示为R=(N,w,v)。

对于二道白河镇生态安全综合性评价物元表示为：

对于二道白河镇生态安全准则层评价,如驱动力环境层面ED1生态安全水平评价的物元表示为：

2.3.2确定经典域、节域

旅游型城镇生态安全的经典域物元Roj=(Noj,Wi,Vo),其矩阵表示为：

式中,Roj为生态安全经典域物元,Noj为第j个生态安全评价等级,Wi为第i个生态安全评价指标,(aoji,boji)为生态安全对应评价等级j的量值范围,即旅游型城镇生态安全评价经典域。

旅游型城镇生态安全的节域物元Rp=(Np,Wn,Vp),其矩阵表示为：

式中,Rp为生态安全节域物元,Np为生态安全评价等级,(apn,bpn)为生态安全节域物元对应Wn的取值范围,即旅游型城镇生态安全评价节域。

旅游型城镇生态安全待评价对象Nx的物元可表示为RX=(N,W,V),其矩阵表示为：

2.3.3确定评价指标关联度函数及关联度

旅游型城镇生态安全关联函数K(x)数值表示评价对象与某一标准范围的符合程度,物元模型的逻辑值从模糊数学的[0,1]取值范围扩展到(-∞, +∞)实数轴,在实数轴上的数值表示评价对象与某标准范围的隶属程度：K(x)<-1,则表示被评价对象不符合标准对象的要求且不具备转化对标准对象的条件;-1≤K(x)<0,则表示被评价对象不符合标准对象的要求,但具备转化为标准对象的条件;0≤K(x)<1,则表示被评价对象符合标准对象的要求,数值越大则表示越接近标准上限;K(x)≥1,则表示被评价对象超过标准对象的要求上限,数值越大则表示具有越大的开发潜力[26- 27,33- 35]。

旅游型城镇生态安全评价指标关联度函数K(x)表示为：

其中实变函数距离表示为：

式中,ρ(X,Xo)为点X与有界区间Xo=[ao,bo]的距离,ρ(X,Xp)为点X与对应节域的有界区间Xp=[ap,bp]的距离,X、Xo、Xp为旅游型城镇生态安全评价物元的量值、经典域及节域物元量值范围。

2.3.4计算综合关联度并确定评价等级

旅游型城镇生态安全待评价对象Nx关于等级j的综合关联度Kj(Nx)表示为：

式中,Kj(xi)为各评价等级水平,Ci为第i个指标的权重。确定评价对象归属等级标准采用最大值原则Kj=maxKj(Nx),则可评定评价对象Nx属于对应评价等级标准j级。

2.4 生态安全评价经典域、节域的确定

确定经典域是物元评价的基础,依据生态安全综合属性,参照国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》标准值、国际通行标准、全国及区域平均水平及同类相关指标等标准值,参考相关研究[2- 6,26-27,30- 35],将二道白河生态安全等级分为五个等级：Ⅴ级(安全)、Ⅳ级(较安全)、Ⅲ级(临界安全)、Ⅱ级(较不安全)、Ⅰ级(不安全)。评价主要标准从以下方面选取：(1)国际、国家、地方所规定的标准,如ED1、EP1、EI1、ER1等与生态环境质量标准为主要统计指标,采取对应标准值划分等级;(2)类比同类标准,如ED2、SD3、EP2、SP3、ES1、ES2、SS3、EI2、SI3、ER2、SR3等与经济发展、社会生活为主要统计指标,参考国内外具有良好特色的同类区域现状值作为标准值或趋势值外推设定“Ⅴ级(安全)”,并以国内外同类区域现状较劣值或国际公认的警戒线指标设定“Ⅰ级(不安全)”,最后综合二道白河镇实际情况,得出该区域生态安全评价经典域复合物元量值范围以及节域物元量值范围评价标准(见表2),通过关联度函数计算判断待评价对象所属等级。

表2 二道白河镇生态安全评价经典域及节域量值范围

3 旅游型城镇生态安全物元分析结果

3.1 生态安全评价指标及综合关联度分析

计算得2010—2019年二道白河镇生态安全评价指标关联度(表3)及综合关联度(表4)结果以及对应安全等级。

从表3可知,在2010—2019年ED11、ED21、EP11、EP22、SP32、ES11、ES12、ES21、ES22、SS31、EI11、EI22、ER13、ER21、SR31均呈现出不同程度的从Ⅰ级(不安全)向Ⅴ级(安全)逐年转化的上升趋势,说明以上指标对于二道白河镇生态安全水平的提升具有积极作用。而ED13、EP21、SP31、SI31、ER11、ER22在2019年仍处于Ⅰ级(不安全)、Ⅱ级(较不安全)或Ⅲ级(临界安全)水平,且呈现明显波动变化,其中EP21、SP31、ER22呈现逐年下降的趋势,已成为制约二道白河镇生态安全进一步提升的主要因素。

表3 2010—2019年二道白河镇生态安全评价指标关联度

由表4看出,2010—2019年生态安全等级呈现逐年递增转化且接近向Ⅴ级(安全)的趋势,由2010年向Ⅰ级(不安全)转化发展至2019年向Ⅴ级(安全)转化,其中2018年已达到Ⅴ级(安全)。划分为四个阶段：(1)2010—2012年：关联度量值kj(w2012)

表4 2010—2019年二道白河镇生态安全综合关联度比较

综上,自2016年二道白河镇的生态安全水平向Ⅳ级(较安全)、Ⅴ级(安全)转化,整体生态安全等级不断上升且趋安全等级发展,为了使二道白河镇生态安全水平日后发展过程中处于稳定的Ⅴ级(安全),需针对制约因素及时合理调整,制定相应政策措施。

3.2 生态安全各层面影响要素变化分析

同理可计算出二道白河镇2010—2019年按DPSIR-EES层面的各年间综合关联度(图2)。由图2可知,除EP2在2010年为Ⅴ级(安全)外,其余层面关联度量值等级均为Ⅰ级(不安全),具体结果：(1)EP1、ES1、ES2、EI1关联度量值,按照Ⅰ级(不安全)—Ⅱ级(较不安全)—Ⅲ级(临界安全)—Ⅳ级(较安全)—的趋势逐年发展;(2)EP2在2010年为Ⅴ级(安全),2011年降至Ⅰ级(不安全)—2012年至2014年提升至Ⅱ级(较不安全)—2015年、2016年回降至Ⅰ级(不安全)—2017年提升至Ⅲ级(临界安全)—2018、2019年升回Ⅴ级(安全),呈现明显的波动;(3)SP3、ER1在2015年第一次达到Ⅴ级(安全),此外SP3在2017、2019年达到Ⅴ级(安全)、2018年降至Ⅰ级(不安全),而ER1则在2018、2019年再次达到Ⅴ级(安全);(4)除上述层面外,其余层面各年间变化均呈现上下一至两级波动变化趋势。

图2 2010—2019年二道白河镇生态安全DPSIR-EES评价结果 Fig.2 DPSIR-EES evaluation results of ecological security in Erdaobaihe town from 2010 to 2019

无论从DPSIR层面或EES层面分析,2010—2019年二道白河镇生态安全水平均大致呈现出从Ⅰ级(不安全)向Ⅴ级(安全)逐年转化的上升趋势。从DPSIR层面看,驱动力(D)、状态(S)层面生态安全水平在2019年处于Ⅴ级(安全),其余层面在2019年均处于向Ⅴ级(安全)转化水平;影响(I)层面的关联度量值明显低于其余四个层面,除2010—2012年外均<0,说明一直处于转化水平,是影响二道白河镇生态安全水平基于DPSIR层面不断提升的制约因素。从EES层面看,环境(E)在2019年处于Ⅴ级(安全),其余层面在2018年处于Ⅴ级(安全),但在2019年处于向Ⅴ级转化水平;社会(S)层面的关联度量值明显低于其余两个层面,除2012、2018年外均<0,说明一直处于转化水平,是影响二道白河镇生态安全水平基于EES层面不断提升的制约因素。

表5 2010—2019年二道白河镇生态安全评价DPSIR的等级比较

表6 2010—2019年二道白河镇生态安全评价EES的等级比较

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)物元分析法将研究问题概括为关联或不关联并进行转化处理,能更为清晰地揭示当中分异信息。将旅游型城镇生态安全特征及特征量值作为物元,对评价对象进行量化处理,结合二道白河镇实际状况及相关指标标准得到经典域、节域,建立物元评价模型,借助熵权法和均方差法得出综合权重,计算出生态安全关联度量值及对应等级,克服评价过程中主观人为影响,提高生态安全评价的精度。

(2)基于DPSIR-EES层面,结合物元分析模型对2010—2019年二道白河镇生态安全进行评价,结果表明：2010—2013年二道白河镇生态安全水平较差,其中GDP增长率、社会保障建设水平、节能环保力度等三项指标影响最为突出,自2010年处于安全级后呈现逐年下降趋势,但在2016年后二道白河镇的各项政策与措施发挥显著作用,生态安全水平逐年向安全水平转化。基于DPSIR-EES评价指标体系进行各层面要素变化分析,经济压力(EP2)层面的波动变化趋势明显,影响(I)层面、社会(S)层面已成为二道白河镇生态安全进一步提升的制约因素。

(3)综合DPSIR-EES-物元分析,二道白河镇下一阶段的工作重点：第一,应不断提升经济发展水平,同时重视GDP增长率的变化情况以及人均可支配收入水平;第二,注重人民生活水平质量的提升以及社会保障体系的建设,重视环境开发与保护,实现环境、经济、社会和谐发展;第三,政府积极采取响应措施弥补由于生产、生活行为的消极影响给生态环境系统带来的压力,目前应加强节约资源和能源、加大节能环保力度、推进清洁生产和循环经济等,从根本上降低区域生态环境压力,才能保证二道白河镇生态安全迈向更高的水平。

4.2 讨论

引入物元分析模型对旅游型城镇生态安全进行评价,基本实现分异及综合指标评价信息的目的。但物元模型要求必须确定评价的经典域及节域,而目前较多标准和准则中仅有标准等级值,而并非对应标准等级的量值范围,因此对于旅游型城镇生态安全评价经典域和节域的界定等问题还有待进一步研究和探讨。同时,生态系统的动态平衡往往由内力和外力共同确定,对于旅游型城镇而言,空间范围尺度明显差别于区域层面(大尺度或中等尺度),致使其难以构成一个完整的生态系统,在探究过程中更多的考虑内力影响,对于外力的影响分析仅做表面探究,还有待进一步深挖。另外,由于旅游产业边界模糊,综合交叉所涉及的内容复杂,以旅游业为主导产业的旅游型城镇研究过程中很难将因单一原因造成生态环境破坏、环境污染等数据一一剥离,致使指标体系设定和数据统计工作难度加大,这将是日后研究与旅游相关的生态安全需面临的挑战。