基于PSFR模型的江西省东江流域生态安全评估研究

刘慧丽，查东平，冯明雷，万 莹

(江西省生态环境科学研究与规划院，江西 南昌 330077)

20 世纪80 年代以来，随着生态恶化和环境问题日益突出，生态安全问题研究引起了地学、生态学以及资源与环境科学等专业学者的广泛关注[1-9]。生态安全评估逐渐成为生态系统以及区域环境管理的热点问题，但何为“生态安全”，国内外不同学者尚未达成统一认识，对生态安全定义认识不同，所选择的评估框架和方法也不同，相继提出了一系列定量与定性的评估方法，从短期到长期的时间尺度和从地方到区域的空间尺度上等[10-13]。 评价方法主要有生态模型法、数学模型法、景观生态模型法和数字地面模型法[14-18]，评价指标体系主要为多因子综合评价模型，如“压力-状态-响应”模型(PSR，1994)、“驱动力-状态-响应”模型(DSR，1996)、“驱动力-压力-状态-暴露-影响-响应”模型(DPSEEA，1996)、“驱动力-压力-状态-影响-响应”模型(DPSIR，1998)[19-22]。 其中针对河流生态系统健康安全评价主要包括综合指数评价方法、生态模型方法、景观生态学方法、生态承载力分析法和经济评价方法等。 国际上主要运用的河流健康评价模型主要有2 类:一类模糊评价法如RIVPACS、AUSRIVAS 等，另一类综合健康指数法有IBI、RCE等。

近年来，中国在河流健康评价方法和评价指标体系的研究上也有所进展。 Karr[2]最早以鱼类为研究对象，建立了采用IBI评价河流健康状况的方法。此后该方法不断完善，评价对象从冷水性溪流扩展到暖水性溪流、湖泊、河流、河口、湿地等不同类型的水体[23-27]。 国内学者车越、吴阿娜等[15-17]通过理化参数、生物指标、形态结构、水文特征和河岸带状况等5 个一级指标和17 个二级指标对上海市河流进行了健康评价。 傅春等[28]通过基于层次分析的抚河抚州段河流健康综合评价，从抚河的自然形态状况、生态环境状况和社会服务状况三方面特征，选取具有代表性的定量与定性相结合的21 个指标作为评价体系的指标，通过参考现有标准规范并结合专家评判确定评价标准，客观地综合对抚河段生态安全状况进行评估。 解雪峰等[29]利用PSR模型和RS 和GIS 技术，选取18 项评价指标，揭示东阳江流域生态安全的空间分布规律。 张远等[11]研究中提出的流域水生态安全评估方法充分考虑流域完整性和整体性，筛选应用频率较高的指标，增加生态系统服务功能等方面的指标，较科学、全面地反映生态安全的现实状况。

目前现有研究中指标体系中，学者对生态安全的认知提出相应的评估指标和评估因子，在因子选取上人为主观因素占比较大，主要依赖于学者自身的判断和经验获取，并未能全面客观反映复杂生态系统的服务功能及生态风险状况，安全评估结果存在一定局限性。 本文在前人研究成果的基础上构建并优化了东江流域生态安全评估体系，构建了目标层、方案层、因素层和指标层组成的四层指标体系，涵盖生态环境压力、生态系统健康、生态服务功能和生态风险等4 项专项指标17 个评估要素39 个评估指标，对评价指标进行了本地优化校准，远优于现有研究提出的17 ～21 个指标的评估体系，为全面诊断流域生态环境问题提供了科学支撑，推动了东江全流域尺度生态完整性和生态风险控制精细化管理。

1 研究区选择与生态安全评估方法

1.1 研究区概况

东江是珠江流域第三大水系，发源于赣州市寻乌县桠髻钵，在江西省境内流经安远、寻乌和定南县3 县，主要包括寻乌水和定南水两大水系，主河长127 km，源头区域东西宽110 km，南北长95.5 km，流域面积约3 510 km2，约占东江全流域面积的10%，年平均径流量29.21 亿m3，占东江年平均径流量的12%。 流域以山地、丘陵为主，属亚热带季风气候，多年平均降雨量为1 753 mm，区内植被类型属中国东南部原生型常绿叶针叶林、针阔混交林及阔叶林。 东江流域是一个集森林、湿地、草地于一体的复杂生态系统，是流域沿岸、珠三角和香港等地的重要饮用水水源地，其水质好坏直接关系区域可持续发展，是名副其实的“生命水”“政治水”“经济水”，在中国生态安全战略格局中起了非常重要的地位。 本文选择江西省东江流域作为研究对象，在2017 年对东江流域进行生态安全调查，以与乡镇结合的定南水和寻乌水小流域为评估单元，构建流域生态安全评估体系并进行流域生态安全评估，研究方法具有代表性和典型性，为下一步生态环境保护方案制定提供科学依据。 江西省东江流域研究位置及范围见图1。

图1 江西省东江流域研究范围

1.2 评估指标体系建立

生态安全的评估是一项艰巨而复杂的工作，要立足于安全，从安全的广度、深度入手，从安全的角度上进行。 基于备选评估指标体系，进一步筛选能够反映江河生态安全状况的关键指标，并以此为依据进行江河生态安全综合评估。 依据数据可得性、指标独立性、显著性及指示性原则，基于多元统计理论，通过主成分分析识别指标对江河生态系统特征贡献率，通过相关分析识别指标之间的相关性，筛选具有代表性和独立性指标。 最后结合江河实际情况，根据专家经验判断确定评估指标。 利用Statistica软件或SPSS 软件实现，具体思路与步骤为:①基于指标数据，利用专家经验，分析指标与江河生态系统以及人类干扰程度的关系，将不敏感指标或者具有歧义的指标筛除；②将指标数据标准化，利用主成分分析方法(PCA)对指标进行统计分析，根据提取主成分个数累计方差超过70%的原则，通过最大方差旋转法(Varimax)，经因子载荷矩阵旋转后选择载荷值大于0.6 的指标作为下一步待筛选指标；③对上述步骤筛选后余下的指标进行正态分布检验，然后对符合正态分布的候选指标采用Pearson相关分析，不符合正态分布的候选指标采用Spearman 相关分析。 根据显著性水平确定各指标间信息重叠程度，并根据专家经验判断识别具有代表性的独立性指标。

通过以上分析，按照层次分析法(AHP)的思想建立一个多层次的目标-指标体系，指标筛选后得到图2 所示的指标体系结构。 本研究构建了目标层、方案层、因素层和指标层组成的四层指标体系，包括1 个目标层、4 个方案层、17 个因素层和39 个指标层，对各项进行加权求和法计算指标分值，并根据分值确定分等级归类。 根据所处东江流域的特点，将影响东江流域生态安全的因素分为压力、状态、功能及风险4 项方案层，以人口压力、土地利用压力、水资源利用压力、城镇污染和农村面面源排放压力以及流域外部压力等6 项指标为压力方案层，以水质综合状况、物理栖息地综合状况、水生生物综合状况等3 项指标作为状态方案层，以饮用水服务、水源涵养、水环境净化、生物多样性、水产品供给和保护区等6 项指标作为功能方案层，以突发风险和累积风险等2 项指标作为风险方案层，共同构建东江流域生态安全调查评估指标体系。 东江流域生态安全评估指标体系结构见图2。

图2 东江流域生态安全评估指标体系结构

1.3 计算模型及权重确定

1.3.1 计算方法

选择加权求和法作为模型基本算法[10]。

a)方案层用式(1)计算:

式中 Bi——第i个方案层的计算结果；xij——第i个方案层的第j个指标值；wj——第i个方案层的第j个指标的权重。

b)目标层即生态安全指数(ESI)用式(2)计算，其结果是一个0 ～100 之间的数值:

式中 ESI——生态安全指数；Bi——第i个方案层的值。

1.3.2 权重确定

基于重新筛选后的评估指标体系，需要重新确定指标权重，即判断矩阵，采用专家咨询的方法进行评判。 根据AHP方法可得出每个专家的评价指标权重，4 类专项指标权重均为0.25。 根据东江流域的特点，在江河生态系统健康评估专项水生生物综合状况(B3)将形成着生藻类(B3-1)、大型底栖动物(B3-2)、鱼类(B3-3)、水生植物(B3-4)等4 方面指标，权重分别为0.20、0.30、0.30 和0.20；由于东江流域所在寻乌县稀土矿山开采面积较大，氨氮超标的风险较大，因此在生态风险专项累积风险(D2)中增加矿山非金属氨氮类指标评价，将有毒有害有机物类(D2-1)、重金属类(D2-2)和矿山非金属氨氮类(D2-3)的权重分别调整为0.3、0.2、0.5，其他权重不变。 东江流域生态安全评估指标权重见表1。

表1 东江流域生态安全评估指标权重

1.4 综合评估

参照2016 年水利部等部门联合发布的《江河生态安全调查与评估技术指南》[10]，应用“压力-状态-功能-风险(PSFR)”模型，将社会经济活动对江河生态系统压力评估、江河水生态系统状态评估、江河生态系统服务功能评估、江河生态系统风险评估结果的分值进行求和平均，最终得出江河生态安全指数(ESI)，评估当前江河生态安全状况(分5个等级:安全、较安全、一般安全、不安全和很不安全)。

式中 Ej——第j个分项指标的分值；wji——第j个分项指标中第i个评估指标的权重；Vji——第j个分项指标中第i个评估指标的分值；n——第j个分项指标中评估指标的个数。

以江河生态安全指数对东江流域生态安全状况进行评估，评价标准见表2。

表2 江河生态安全评估标准[10]

续表1 东江流域生态安全评估指标权重

2 东江流域生态安全评估结果

2.1 评估结论

依据流域内各相关部门所掌握的各项指标数据，补充调查流域内主要河流断面水质和水生生态数据，将层次分析法(AHP)结合利用RS 和GIS 技术应用“压力-状态-功能-风险(PSFR)”模型应用在江西省东江流域，对定南水控制单元、寻乌水控制单元以及东江流域各项指标进行单项评估，并将社会经济活动对江河生态系统压力评估、江河水生态系统状态评估、江河生态系统服务功能评估、江河生态系统风险评估的分值结果进行求和平均，最终得出江西省东江流域江河生态安全指数(ESI)为74.80 分(其中定南水赣州市控制单元ESI为75.83分，寻乌水赣州市控制单元为74.49 分)，对照评估标准，东江流域总体处于较安全级别。 东江流域生态安全综合评估各分项评估结果见图3。

图3 江西省东江流域生态安全各项评估分值

控制单元及流域总体生态环境压力、生态系统健康、生态服务功能及生态风险的综合评估结果见表3，建立4 坐标的雷达见图4。

图4 江西省东江流域生态安全评估雷达示意

表3 江西东江流域生态安全综合评估结果

2.2 评估结果分析与问题诊断

根据评价结果可知，当前江西省东江流域内水质状况总体良好，但由于流域内稀土矿物开采、脐橙种植、工业园区建设等生产活动影响，流域水环境风险相对较高。 据调查，东江流域年农药施用量为1 320.16 t，流域农业用地面积为834.20 km2，单位农业用地面积农药施用量为15.83 kg/(hm2·a)，值小于20 kg/(hm2·a)，评价等级为五级，说明流域内农药施用量过高，面源污染较严重，随着经济社会的快速发展，流域水环境、水资源和水生态与流域内社会经济发展的矛盾将日益突出。

据调查评价，东江流域湿地覆盖率为1.11%，森林覆盖率70.31%，草地覆盖率1.22%，水源涵养指数25.35%，评分值为51.29 分，评分等级为三级。 主要原因为东江流域属多山地区，位于武夷山南端余脉与南岭东端余脉交错地带，属亚热带南端，是一个以山地、丘陵为主的地区，湿地面积较小，在部分地区(寻乌水赣州市控制单元内的文峰乡)矿山开发等人类活动明显，侵占了湿地。 外来入侵植物数量有增多趋势，其中凤眼莲(水葫芦)传播速度尤为迅速，在流域范围内因水电站隔离而形成的缓流水体中大片繁殖，严重干扰生态环境。 外来物种一年蓬、薇甘菊、三裂叶豚草、刺苋、小白酒菊、香附子等也逐渐出现在江西省东江流域。

据调查评价，东江流域闸坝数量为87 个，河流长度557.72 km，利用连通性指数计算得出江西省东江流域连通性指数为15.6，评价等级为五级，梯级电站大坝阻隔了江河的连通性，改变了河道的水文条件，导致东江流域鱼类资源变动很大。 主要表现为鱼类资源明显下降，渔获物的种类组成也发生相应变化，青、草、鲢、鳙、鲮等经济鱼类在渔获物中比例下降，稀有种类的缺失，如白甲鱼等，相反经济价值较低的中小型鱼类的数量却逐渐上升。 主要原因为流域内修建梯级水电站导致鱼群孵化区受淹，四大家鱼产卵场逐渐消失，既破坏了鱼类的产卵场，又堵截了洄游性、半洄游性鱼类上溯产卵的通道，使急流产卵的青、草、鲢、鲮等因产卵的生态条件不能满足，影响了鱼类繁殖，品种数量受到严重的影响而逐渐消亡；此外，外来入侵齐氏罗非鱼(Coptodon zillii)也有增多趋势，这也将成为鱼类种质资源保护面临的重大问题之一。

根据东江流域的生态安全评估结果发现东江流域的生态健康受损症状，并建立受损原因诊断矩阵，结合矩阵和安全评估指标得分筛选出江河生态安全受损原因清单。 东江流域的生态健康受损原因诊断矩阵见表4，由表4 可知受损症状主要体现在物理栖息地质量、鱼类完整性、水生植物完整性和水源涵养功能等方面，主要环境压力来源是农业面源污染(果业种植源污染)、水利工程影响、物理栖息地破坏、水源涵养功能不足、自然保护区级别低。 从诊断矩阵可知影响最广泛的因素是湿地面积比，其次是农业面源污染、水利工程、连通性影响相当，水源涵养指数影响最小。 因此，流域农业面源污染、连通性是流域最优先治理目标，其次是增加湿地面积，加强生态恢复。

表4 东江流域的生态健康受损原因诊断矩阵

续表4 东江流域的生态健康受损原因诊断矩阵

3 结论

本文将层次分析法(AHP)和“压力-状态-功能-风险(PSFR)”模型为理论基础，以ESI评价模型为主线，构建了以“人类活动压力、生态系统健康、生态服务功能和生态风险”(PEEE)为框架的4个层次的流域生态安全综合评价指标体系，并以江西省东江流域为例，对东江流域定南水、寻乌水控制单元以及东江流域进行生态安全评估。 主要结论和展望如下。

a)通过评估可知江西省东江流域总体属于安全范畴，其中定南水赣州市控制单元大于寻乌水赣州市控制单元，均处于较安全状态，定南水略好于寻乌水，但均存在流域水系不连通、水环境质量不能稳定达标，水生生物资源和多样性减少等问题，问题的主要成因是人为干扰活动强烈，流域河段水工建筑密度过高，废弃矿山径流和果园开发面源污染隐患，重要生境面积退化，湿地面积退化，流域生态服务功能减弱等成因。 针对人为因素造成的环境污染，应从生态保护、生态修复、水资源保护与水资源利用配置4 方面进一步加强流域综合治理和生态修复，从而提高整个流域生态健康状态，最终形成良性的生态安全格局。

b)东江流域是江西省著名的“稀土之乡”和“脐橙之乡”，流域内稀土矿山开采、脐橙种植面积较大，因此在生态风险专项累积风险中增加针对矿山开采特点的氨氮类指标，在生态环境压力专项土地利用分项耕地面积中增加园地面积指标，进行了本地特色化创新，设定的指标体系对其他流域生态风险控制精细化管理具有一定的借鉴意义。

c)以定南水和寻乌水小流域叠合乡镇行政边界作为评价单元，通过GIS 空间分析功能，结合环境监测数据和社会经济数据，能够较好的探讨东江流域内部的生态安全空间分布规律，评估结果方便针对不同小流域存在的问题制定针对性的治理和保护方案，加强流域生态安全评估成果应用。

d)针对江河生态安全评估有助于研究学者和管理者整体把握流域生态系统安全状态，评估框中加入生态安全风险方案层有助于管理者在风险预警方面有很好的探索，对流域内河流的安全管理有一定的指导意义，在今后的指标设置及权重占比中，应进一步加强深入研究，在数据获取模型的建立和决策制定提供更可靠的依据，推动江河生态安全评估体系的完善和流域生态安全管理的健康发展。