基于突变级数法的乡镇生态安全评价——以泉州市乡镇为例

曾月娥， 李子蓉， 李蕊蕊

(泉州师范学院 资源与环境科学学院， 福建 泉州 362000)

未来一段时期中国城镇化水平能够达到60%甚至更高，将有近5亿～6亿人口居住在地域广阔的农村，为14亿～15亿人口提供与农业有关的各类产品和服务。然而，由于中国乡村薄弱的生态意识、脆弱的生态本底和低下的生态建设能力[1]，生态环境质量总体呈现恶化趋势[2]，乡村生态安全问题凸显[3-5]。2000年，《全国生态环境保护纲要》明确提出“维护国家生态环境安全”的目标；2014年，生态安全被纳入国家安全体系；2018年，生态环境部召开新闻发布会指出：全国生态状况总体呈现改善趋势，但是生态安全形势依然严峻，这在乡镇表现尤为突出[1,6]。建立生态、安全、可持续的乡村，对于构建资源节约型、环境友好型社会，推进乡村振兴均具有重要现实意义。

生态安全研究始于20世纪70年代末[7]。莱斯特·R·布朗于1984年将环境变化含义明确引入安全概念[8]。国外关于生态安全研究主要集中在生态环境与食物安全研究[9]、生态安全与经济福祉研究[10]、生态安全模型的建立[11]等领域。国内关于生态安全研究始于20世纪90年代，并逐渐在环境科学、农学、经济管理学、生物学、地理学等领域取得较大进展[12-16]，研究成果涉及概念界定、评价、预警等方面[17]。在生态安全评价研究中，主要是针对耕地[18]、森林[19]、旅游[20]、城市[21]、岛屿[22]、海岸带[23]等不同类型，从全国等宏观角度或流域、省域等不同尺度[17]，系统构建评价指标体系，往往采用PSR系列模型[24]、生态足迹法[25]、熵权模糊物元模型[26]等不同的评价方法，对生态系统安全进行静态分布和动态演化的研究和评价。总体看来，生态安全研究成果较为丰富，研究范畴较宽、类型多样，但受限于数据统计口径，对乡镇这一尺度生态安全的研究相对较少。

生态安全是由多个复杂系统构成，生态安全评价更是一个模糊概念，而突变级数模型是利用突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数[27]，因而，突变级数模型适用于生态安全评价。泉州市山海兼备，乡镇类型多样，因此本文借鉴大尺度研究方法，尝试以乡镇为单元，采用突变级数模型进行生态安全综合评价，并提出分区管控措施，以期为泉州市制定维护区域生态安全政策提供参考。

1 研究区概况

泉州市位于福建省东南沿海(24°22′～25°56′N，117°34′～119°05′E)，地处闽东山地中段和闽东南沿海丘陵平原中段，与台湾地区隔海相望，南接珠三角，北邻长三角，是福建省东南沿海经济最为发达的城镇密集区之一，也是海峡西岸经济区核心区域。泉州市属湿润亚热带季风气候，依山面海，陆域面积11 015 km2(不含金门县)；境内山峦起伏，丘陵、河谷、盆地错落其间，地势西北高东南低，山地、丘陵占土地总面积的4/5，有“八山一水一分田”之称；泉州市海域面积11 360 km2，海岸线总长541 km，岛屿207个；按照第七次全国人口普查结果，泉州市常住人口878万人，城镇化水平达68.5%；2020年地区生产总值10 158.66亿元，经济总量连续22年保持福建省第一，人均地区生产总值115 702元，三次产业比例为0.7∶63∶36.3。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 突变级数模型

1)评价指标相对重要性排序。在评价指标确定后，依据评价目的，按照定性或定量方法确定各指标的重要性，对其进行相对重要性的排列。

2)突变系统类型确定。常见的突变系统类型有折叠突变系统、尖点突变系统、燕尾突变系统和蝴蝶突变系统4个类型，突变模型及相关公式[27]见表1。

表1中V(x)表示一个系统的一个状态变量x的势函数，状态变量x的系数a、b、c、d表示该状态变量的控制变量。若一个指标仅分解为一个子指标为折叠突变系统；若一个指标仅分解为2个子指标为尖点突变系统；若一个指标分解为3个子指标为燕尾突变系统；若一个指标能分解为4个子指标为蝴蝶突变系统[27]。根据此步骤逐一确定各级指标的突变系统类型。

表1 突变模型及相关公式

3)归一公式导出。通过分解形式的分叉集方程可导出归一公式(表1)。在归一公式中，X及各控制变量皆取0～1范围的数值，称为突变级数；同时，初始突变级数的绝对值必须按照“越大越好”的原则投入准则模型方可用归一公式计算。

4)突变隶属函数值求取。利用归一公式求取各控制变量的突变级数值，并对系统逐步向上递归运算，可求出表征系统状态特征的系统总突变隶属函数值。

2.1.2 指标体系确定

结合研究区实际情况，设置资源环境、社会效益、经济发展3个控制变量，资源拥有量、环境质量、基础设施、社会福利、经济效率、经济实力6个子目标，按照数据可获得性、代表性原则，选取16个指标作为最下层指标，构成泉州市乡镇生态安全评价指标体系(表2)。

2.1.3 生态安全评价突变模型确定

为避免定性方法排序的主观性，采用熵权法计算各指标权重，以权重值作为相对重要性的依据进行排序。熵权法计算得出的各指标权重如见表2。根据各指标权重，构建生态安全评价突变评价指标体系。突变评价指标体系中，第4层指标分为6组，根据突变模型的特征，依次为燕尾突变模型、燕尾突变模型、燕尾突变模型、尖点突变模型、尖点突变模型、燕尾突变模型；第3层指标，即子目标分为3组，根据突变模型的特征，均是尖点突变模型；第2层指标，即目标层组成1个燕尾突变模型。

表2 生态安全评价指标体系及其权重

2.1.4 生态安全评价分值及其影响因子

根据突变级数模型的归一公式，计算泉州市各乡镇生态安全评价分值，继而利用ArcGIS 10.2 软件中的反距离权重法进行趋势面分析，分析泉州市各乡镇生态安全评价分值空间分布特征。在此基础上，借鉴相关障碍因素诊断模型，采用指标障碍度建立生态安全障碍因素诊断模型，分析影响生态安全分值的主要因子。

(1)

式中：Ni为指标障碍度；Mi为指标贡献度，即第i项指标综合权重；Si为指标偏离度，Si=1-Xi，Xi为第i项指标标准化值。

2.1.5 生态安全分区

为了更好提出生态安全相关等级分区管制措施，参考国内外相关综合指数分等方法，结合研究区实际情况，建立乡镇生态安全评价等级及相应特征，并以此进行生态安全分区，见表3。

2.2 数据来源

根据《2020年泉州市统计年鉴》乡镇统计数据，对泉州市147个乡镇分析评价，其中鲤城区、丰泽区、金门县各乡镇(街道)不纳入评价范围。研究数据主要为泉州市147个乡镇经济社会和资源环境数据。数据主要来源于《2020年泉州市统计年鉴》《泉州市环境统计数据》《水资源公报》《泉州市各乡镇统计数据》和DEM数据等。

表3 生态安全评价等级

3 结果分析

3.1 生态安全空间分布特征

按照突变模型的归一公式，泉州市147个乡镇生态安全评价分值结果见表4。由表4可知，泉州市各乡镇生态安全评价分值整体在0.26～0.68间波动，最高值是最低值2.72倍，各个乡镇间生态安全评价分值差别较为显著。其中，最高值为永春县的横口乡，达到0.68，其主要得益于较高的资源拥有量、环境质量以及基础设施；而最低值为南安市官桥镇，仅为0.26，官桥镇由于环境质量及较低的资源拥有量而致使评价分值较低。

表4 泉州市生态安全评价分值

在泉州市各乡镇生态安全评价分值趋势面中(图1)，可以明显看出，生态安全评价分值高值区主要分布在西北山地丘陵地区，低值区主要分布在东南沿海地区；在东西方向上，西部山地丘陵地区高于东部沿海地区，变化趋势较为缓和；在南北方向上，高值区主要集中在北部山地地区，北部显著高于南部沿海地区，且变化趋势相对显著；从全市整体而言，生态安全平均分值呈现西北-东南向递减趋势。

图1 生态安全评价分值空间分布趋势

3.2 生态安全分值影响因子

由于指标较多，仅将指标层障碍度位于前3位的因子作为主要影响因子进行分析。根据障碍因素诊断模型，泉州市147个乡镇生态安全主要影响因子具体见表5。整体上看，乡镇生态安全主要影响因子主要为SO2排放强度、COD排放强度、平均地形起伏度、建成区绿化面积、城镇化水平、单位面积工业企业个数、人均耕地拥有量，即集中在资源拥有量、环境质量和经济效率、基础设施方面。其中，生态安全评价分值高值区的影响因子主要为平均地形起伏度、城镇化水平以及建成区绿化面积指标，说明粗放过快的城镇化发展对于生态安全水平的抑制作用明显，建成区绿化面积展示了乡镇的基础设施及其福利水平，对生态环境具有显著影响，而地形地势也会对生态安全造成潜在的影响。然而，也有极少数较为特殊的情况，如永春县介福乡，主要的影响因子为COD排放强度，这与九牧集团部分生产基地在介福乡境内有较大关系。在生态安全评价分值低值区，主要的影响因子则为SO2排放强度、COD排放强度、单位面积工业企业个数以及人均耕地拥有量，表明了该区域的生态安全受工业发展影响显著，工业发展导致生态安全在一定程度上受到胁迫。

3.3 分区管控措施

根据生态安全评价分值，利用乡镇生态安全等级划分表，将泉州市147个乡镇单元进行分等分区，具体等级分布如图2所示。整体上，泉州市各乡镇生态安全分等主要集中在较安全、临界安全、较不安全3个等别中，不存在不安全、安全两个等别。

表5 生态安全主要影响因子

泉州市生态安全状态为较不安全级别的区域主要分布在泉港区山腰街道、惠安县螺城镇、晋江市青阳街道、石狮市祥芝镇、南安市官桥镇等49个乡镇(街道)，约占泉州市乡镇总量的33.3%。该区域位于东南沿海地区，经济较为发达，是各县域中心城镇，城镇化率较高，工业较为发展，导致污染物排放强度大，环境污染比较明显，资源以及环境压力较大，乡镇生态系统压力大，在结构上存在一定的缺陷，处于不稳定状态。对于该区域，应积极引导工业企业向园区集聚发展，合理规划乡镇企业规划，倡导工业低碳、绿色发展，控制污染物排放。同时，还应注重建成区绿地建设，积极改善乡镇生产、生活方式。

泉州市生态安全状态为临界安全的区域主要分布在石狮市灵秀镇、南安市柳城街道、惠安县崇武镇、安溪县凤城镇、永春县桃城镇等51个乡镇(街道)，约占泉州市乡镇总量的34.7%。该部分乡镇在各县域中经济发展较为良好，一般为次中心城镇，有一定工业基础，农业生产仍有一定的面源污染，污水集中处理水平较低，乡镇生态系统压力较大，但整体结构较为完善，生态系统能够发挥基本、稳定功能。该部分乡镇生态安全主要影响因子是城镇化率、建成区绿化面积和基础设施，因此，应合理测算城镇人口容量，科学推进城镇化，避免粗放、过快的城镇化，同时积极建设农村环保等基础设施，提高污水集中处理水平，不断向较安全、安全状态发展。

泉州市生态安全状态为较安全的区域主要分布在德化县杨梅乡、永春县一都镇、安溪县桃舟乡、南安市向阳乡、洛江区马甲镇等47个乡镇，约占泉州市乡镇总量的32.0%，其中以德化县、永春县、安溪县的乡镇为主。该部分乡镇主要位于西北山地丘陵地区，森林覆盖率高，资源环境压力小，但同时也是经济发展相对薄弱地区，整体而言该部分乡镇生态系统压力较小，功能完善，处于较为稳定状态，是维护泉州市生态安全最为重要的生态屏障。然而，由于其生态安全影响因子主要为平均地形起伏度、城镇化水平以及建成区绿化面积指标，因此对于该区域乡镇，应加大山体保护、修复，严防地质灾害发生，同时合理引导人口流动，促进人口集聚，加大建成区绿化建设力度，因地制宜发展生态产业，合理发展立体林业，提高资源环境承载能力，维护良好生态功能，减轻人为开发活动的干扰，促使该区域向生态安全为安全状态发展。

图2 泉州市乡镇生态安全等级分布

4 结语

本文聚焦泉州市乡镇生态安全，从资源环境、社会效益、经济发展构建生态安全评价指标体系，采用突变级数法以及障碍因素诊断模型，分析了泉州市147个乡镇生态安全状况。研究表明：①泉州市各乡镇生态安全评价分值整体在0.26～0.68间波动，各个乡镇间生态安全评价分值差别较为显著，高值区主要分布在西北山地丘陵地区，低值区主要分布在东南沿海地区，呈现西北-东南向递减趋势。②乡镇生态安全主要受人均耕地拥有量、SO2排放强度、COD排放强度、平均地形起伏度、建成区绿化面积、城镇化水平、单位面积工业企业个数等因子影响。③泉州市各乡镇生态安全状态主要集中在较安全、临界安全、较不安全三个等别中，对于较不安全的49个乡镇，应引导工业企业向园区集聚发展，倡导工业低碳、绿色发展；针对临界安全的51个乡镇，应科学推进城镇化，积极建设农村环保等基础设施；对于生态安全状态为较安全的47个乡镇，应因地制宜发展生态产业，继续发挥维护泉州市生态安全生态屏障的重要功能。

未来可在以下两方面做进一步研究：①针对农业、生态、城镇等不同类型乡镇进一步细化指标体系；②对样本进行跟踪调查，比较两期调查时段各乡镇生态安全状态变化等，进一步发掘乡镇生态安全状态的时空变化特征及其机制。