基于物元模型的高寒草原生态安全评价——以天祝牧区为例

徐海鹏，焦亚鹏，张红艳，齐 鹏

(1.兰州大学 草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020； 2.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

生态安全一词最早起源于20世纪40年代的土地健康及土地功能评价，近年来其研究得到国内外学者的广泛关注[1-2]。而草原生态安全关乎人类的生存环境与可持续发展[3]，草原不仅是发展畜牧业的物质基础，也是地球上重要的陆地生态系统之一，发挥着极为重要的生态和生产功能[4-6]。我国草原面积广阔，且主要分布在北方，但近年来受全球气候变化和人为干扰等因素的影响，我国草原生态系统退化现象十分严重[7-8]。草原生态系统是牧区的主体生态系统，其生态安全状况必将影响到整个牧区的生态安全[9-10]。

目前，有关草原生态安全的评价研究主要有两个途径，首先利用熵权法、综合指数评价和模糊综合评价方法对草原生态安全进行研究[9-11]；其次，利用GIS结合模糊综合评价方法进行草原生态安全的评价，研究草原生态安全格局差异分布[12-13]。上述各方法的缺陷是无法得出单因子的生态安全水平，会遗漏评价指标间的分异信息。而物元模型以可拓扑数学为依据，无丢失地综合各种因素的全部信息，有效解决复杂的不相容问题[10]，从单指标因子以及总体上去评价草原生态安全分级状况。目前，物元模型在土地生态安全评价方面应用较多，方法已经趋向成熟[14-15]，但在草原生态安全评价中报道较少。张锦华等[16]将基于信息熵的模糊物元模型应用于天然草地的综合评价，并利用灰色关联度法进行对比检验，二者评价结果基本一致。潘竟虎[17]将熵权物元可拓扑模型应用到黑河流域生态安全评价，说明物元模型可以用于生态系统安全评价。高寒草原是青藏高原典型的生态环境脆弱区，其生态安全的评价至关重要。尝试将物元模型应用到高寒草原生态安全评价中，构建适合于高寒草原生态安全的评价指标体系，进一步探索草原生态安全的评价方法，以期为高寒草原生态安全的定量化评价和研究提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

天祝藏族自治县地处祁连山东缘、甘肃省中部，地理位置E 102°07′～103°46′，N 36°31′～37°55′。海拔高度2 040～4 874 m，属于高寒半干旱气候，长冬无夏，年均日照时数2 500～2 700 h，年均气温-8～4℃且年较差小、日较差大，降水多集中在7～8月，约占全年降水的37%，年均降水量265～632 mm，且年际变化大，自20世纪80年代年降水量逐年减少，年均蒸发量1 200～1 700 mm，是甘肃河西地区的纯牧业县之一[11]。该地区草原类型以高寒草原为主，受自然和人类活动双重因素的影响，加之对草地的自然粗放式经营，草畜矛盾突出，草原退化逐渐加剧[18-19]，草原生产能力和效益降低，成为制约当地畜牧业发展的主导因素。

1.2 研究方法

1.2.1 基于熵权法的各评价指标权重的确定 数据指标的无量纲化处理，对于越大越优型指标：

(1)

对于越小越优型指标：

(2)

式中：fi为指标标准化后的实际评价值，Xmax、Xmin、Xi分别表示评价指标i的最大值、最小值和实际值。

权重确定：(1)计算熵值

在有m个指标，n个被评价对象的评价问题中，将第i个指标的熵值定义为Ei。

(3)

(2)计算指标的差异性系数 将第i个指标的差异系数定义为ei，则差异系数：

ei=1-Ei；i=1,2,…,m

(4)

(3)确定指标权重 将第i个指标的权重定义为wi，则权重的计算：

(5)

1.2.2 草原生态系统安全评价的物元模型 (1)确定草原生态安全物元 草原生态安全N，草原生态安全特征C和特征值v共同构成草原生态安全物元R[20]。若草原生态安全N以n个特征值C1,C2,…,Cn以及相应的量值v1,v2,…,vn描述：

(6)

(2)确定经典域与节域物元矩阵 草原生态安全的经典域物元矩阵为：

(7)

式中：Roj表示经典域物元，Noj表示所划分草原生态安全的第j个评价等级，j=(1,2,…,n)；Ci表示第i个评价指标；(aojn,bojn)表示对应评价等级j的量值范围，即经典域。

草原生态安全的节域物元矩阵表示为：

(8)

式中：Rp表示节域物元；Cn(apn,bpn)表示节域物元关于特征值Cn的量值范围；p表示草原生态安全的全体等级。

(3)确定待评物元

把待评对象Nx的物元表示为Rx

(9)

(4)确定关联函数并计算关联度 将草原生态安全指标关联函数k(x)定义为：

(10)

式中：X，X0，Xp分别表示待评草原生态安全物元的量值、经典域物元的量值范围以及节域物元的量值范围。ρ(X,X0)表示点X与x0=[a0,b0]的距离，ρ(X,Xp)表示点X与xp=[ap,bp]的距离。

(5)计算综合关联度并确定评价等级

待评对象Nx关于等级j的综合关联度Kj(Nx)为：

(11)

式中：Kj(Nx)表示待评对象Nx关于等级j的综合关联度；kj(xj)表示待评对象Nx关于等级j的单指标关联度j=(1,2,…,m)；ai表示各指标的权重。若

kij=max[kj(xi)],j=1,2,…,n

(12)

则待评对象第i个指标属于草原生态安全标准等级j；

Kjx=max[Kj(Nx)],j=1,2,…,n

(13)

则待评对象Nx属于草原生态安全标准等级j

关联度数值k(x)在实数轴上的大小表示待评对象隶属于草原生态安全水平某一标准的程度，物元模型的关联度将逻辑值从模糊数学的[0,1]拓展到(-∞,+∞)后，可以反映更多的分异信息，代表了更为丰富的内涵；当k(x)≥1.0时，表示待评对象超过标准对象上限，当数值越大时开发潜力越大；当0≤k(x)<1.0时，表示待评对象符合标准对象的要求，当数值越大时越接近标准上限；当-1.0≤k(x)<0时，表示待评对象不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件，当数值越大时越容易转化；当k(x)<-1时，表示待评对象不符合标准对象要求，又不具备转化成标准对象的条件[14]。

1.3 数据来源

研究的基础数据主要来源于《中国畜牧业年鉴—统计资料》(2007～2014年)、《武威统计年鉴》(2007～2014年)、中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)以及天祝县畜牧局调研资料，最后从基础数据中整理出研究所需要的本底数据。

2 结果与分析

2.1 高寒草原生态安全评价指标体系及其权重

研究在认真界定草原生态安全概念的基础上[3,21]，根据各指标数据的可操作性和可获得性为原则，充分考虑高寒草原生态安全各评价因子的相互关系，利用经济合作组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)提出的针对生态环境质量评价指标体系设计的P-S-R(压力-状态-响应)模型[22]，构建高寒草原生态安全评价指标体系(表1)。该体系由3个具有因果关系的评价指标体系构成，其中，压力指标主要是人类活动对生态环境造成的不利影响，状态指标是生态环境对人类活动做出的反应，而响应指标是人类对所产生的环境问题采取的一系列措施。

采用熵权法确定各评价指标体系的权重。首先根据无量纲化计算公式(1)和(2)，得到天祝牧区2007～2014年草原生态安全评价指标数据标准化处理结果，然后根据计算熵权法的公式(3)，(4)和(5)，计算得到天祝牧区高寒草原生态安全各评价指标的权重(表1)，其中压力指标体系所占权重最大，状态和响应指标体系所占权重较小，说明压力指标体系在牧区草原生态安全评价中发挥着重要作用。

表1 天祝牧区高寒草原生态安全评价指标及权重Table 1 The evaluation index and its weight of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area

注：“-”表示指标数据直接查阅资料获得

2.2 基于物元模型的高寒草原生态安全评价

2.2.1 草原生态安全评价经典域、节域的确定 经典域值的确定主要参考国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》标准、全国平均水平、武威平均水平以及相关文献的研究结果[15,17]，最终将天祝牧区高寒草原生态安全划分为N01(安全)、N02(较安全)、N03(稍不安全)、N04(不安全)、N05(极不安全)5级，并以此来建立物元模型的经典域R01、R02、R03、R04、R05和节域Rp。

2.2.2 草原生态安全待评物元的确定 以2007,2010和2013年为代表实例，根据各评价指标的具体量值，天祝牧区2007、2010和2013年高寒草原生态安全评价的待判物元矩阵表示为R2007，R2010和R2013：

2.2.3 草原生态安全评价结果 根据草原生态安全的待判物元的具体量值，计算得到天祝牧区2007～2014年各评价指标对应的关联度及评价等级(表2)。从单项指标评价结果分析，在所构建的高寒草原生态安全评价的12个指标中，影响天祝牧区高寒草原生态安全的主要因素有两大类，促进因素和干扰因素。干扰因素主要包括人口自然增长率、草原退化率、超载率、人口密度、人均水资源量、人均草原面积、牧业总产值、牧业从业人员比重、草原围栏面积等9个因素，影响最为严重的是草原退化率和超载率，多年一直呈现“极不安全”的状态，这些因素主要与压力性状有关，是制约天祝牧区高寒草原生态安全提高的主要因素。其次是牧业从业人员比重，2007～2014年一直呈现不安全的状态，牧业总产值和草原围栏面积随着时间序列变化均向“较安全”的方向发展。

综合评价结果表明，2007～2014年天祝牧区高寒草原生态安全均处于“安全”状态，但是各年份的综合关联度均介于(-1,0)，说明2007～2014年天祝牧区高寒草原生态安全水平不符合评价等级的标准目标要求，但存在向标准经典域和目标转化的条件(表3)。从2007～2014年草原生态安全级别的数值可以看出，K1N2012>K1N2011>K1N2014>K1N2013>K1N2010>K1N2009>K1N2007，说明2011年和2012年的天祝牧区高寒草原生态安全更接近标准上限，其草原生态安全程度较其他年份高，更具备向标准等级范围转化的潜力。

表3 2007～2014年天祝牧区高寒草原生态安全综合评价结果Table 3 The evaluation results of eco-security on alpine rangeland in Tianzhu pastoral area from 2007 to 2014

3 讨论

牧区在维护生态安全和促进区域经济发展方面发挥着重要作用[23]。草原生态系统是牧区的主体生态系统，是牧区可持续发展的重要保障，其安全与否直接影响到牧区经济的发展。研究发现制约天祝牧区高寒草原生态安全的主要因素为草原退化率和超载率，多年一直呈现“极不安全”的状态，这与贾艳红等[9]利用熵权法对甘肃牧区草原生态安全的评价结果趋同，说明超载率和草原退化率是影响天祝牧区高寒草原生态安全压力的主要因素，而传统的原料型畜牧业的发展模式可能是导致该牧区超载过牧的主要原因[10]。2007～2014年，农牧民人均纯收入由“不安全”逐渐转为“安全”，牧业总产值由“极不安全”逐渐发展为“较安全”，说明天祝牧区农牧民的生活水平进一步提高，与国家提出的草原补奖政策的实施密切相关，促进了牧区经济的发展。草原围栏面积作为人为施加的措施，随着时间序列的变化，呈现出由“不安全”向“较安全”的发展趋势，说明政策引导及人为的措施对于保障草原生态安全发挥着重要的作用。物元模型综合评价结果表明：天祝牧区高寒草原生态安全2007～2014年呈现“安全”状态，总体发展良好，但是个别指标评价等级仍不乐观，存在较大的分异，天祝牧区2007～2014年高寒草原生态安全综合关联度均不符合标准对象的要求，说明该牧区高寒草原生态系统十分脆弱，易受到外界条件的干扰且敏感度高，仍存在恶化的风险。

牧区经济贫困落后与草原生态安全之间存在着互为因果、互相强化的恶性循环关系[23]。天祝属于纯牧业县，在经济的发展过程中应该考虑其草原生态环境，首先应该加强控制实际的载畜量，降低超载率，防止退化草原的持续恶化，同时还应注重草原牧区科教事业的发展[23]，提高该区域农牧民的受教育水平。鉴于天祝牧区高寒草原生态安全的敏感性和脆弱性，在未来的发展中各级政府尤其要重视该地区草原生态安全，制定相关政策保障该地区高寒草原的生态安全。

4 结论

天祝牧区高寒草原生态安全2007～2014年呈现“安全”的状态，总体发展良好，但部分指标回落，超载率和草原退化率是制约该牧区高寒草原生态安全的主要因子。利用物元模型评价得出的天祝牧区高寒草原生态安全结果与实际客观情况较为吻合，说明该评价方法在高寒草原生态安全的评级中具有一定的应用价值。但是物元模型在高寒草原生态安全评价的研究较少，所以模型中量值范围的确定及模型的普适性仍需深入分析和研究。