基于PSR模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估_周佳玲.pdf

农业大数据学报 2023,5(1):87-94 Journal of Agricultural Big Data DOI:10.19788/j.issn.2096-6369.230117 收稿日期：2023-03-03 基金项目：科技基础资源调查专项项目（2022FY101902）；中国工程科技知识中心建设项目（CKCEST-2022-1-41）；灾害风险综合研究计划项目（07M79810AM）作者简介：第一作者周佳玲，女，研究生，研究方向：地球空间环境信息采集与处理；Email:。通信作者：王卷乐，男，研究员，研究方向：地球大数据管理与资源环境遥感应用；E-mail:wangjligsnr-。基于 PSR 模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估 周佳玲1,2，王卷乐2,3*1.江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005；2.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心 江苏南京 210023 摘要：蒙古国色楞格河是世界最大的淡水湖贝加尔湖最重要的入湖河流，该流域的生态安全事关蒙古高原和中国北方生态屏障建设。为了明晰色楞格河流域的生态安全状态，本文提出基于压力-状态-响应（Pressure-State-Response，简称 PSR）模型的评估方法和技术流程，以期通过评估应用为本区域可持续生态环境管理提供参考。首先对色楞格河流域土地覆盖进行分类，结合蒙古国官方统计数据，分析色楞格河流域生态环境现状。进而基于 PSR 模型，采用层次分析法，对色楞格河流域生态安全现状进行评估。结果表明：色楞格河流域内典型草地所占的面积最大约为 16 万 km2，占总面积的 53%，其次为森林，面积约为 10km2，占总面积的 32%，植被覆盖度较高。流域内生态环境响应以及生态环境状态都处于较安全等级，其中耕地面积及农业机械化水平对生态环境状态和生态环境响应的影响较大。但同时，存在着较大的生态环境压力，土地退化面积及牲畜存栏量是造成生态环境压力较大的主要影响因子，未来应加强这两方面的政策调控。总体而言，蒙古国色楞格河流域的生态安全处于较安全等级，可适度进行开发利用。关键词：色楞格河流域；PSR 模型；层次分析法；生态安全评估；蒙古国 引用格式：周佳玲,王卷乐.基于 PSR 模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估J.农业大数据学报,2023,5(1):87-94.Zhou Jialing,Wang Juanle.Ecological security assessment of Selenge River Basin in Mongolia based on PSR modelJ.Journal of Agricultural Big Data,2023,5(1):87-94.Ecological Security Assessment of Selenge River Basin in Mongolia Based on PSR Model Zhou Jialing1,2,Wang Juanle2,3*1.School of Marine Technology and Geomatics,Jiangsu Ocean University,Lianyungang,Jiangsu 222005,China;2.State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System,Institute of Geographic Sciences Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;3.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application,Nanjing,Jiangsu 210023,China Abstract:The Selenge River in Mongolia is the worlds largest freshwater lakeLake Baikal,the most important inlet river,and the ecological security of the basin is a matter of concern for the construction of the ecological barrier on the Mongolian Plateau and in 88 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 northern China.In order to clarify the ecological safety status of the Selenge River basin,this paper proposes an assessment method and technical process based on the Pressure-State-Response(PSR)model,with a view to providing a reference for sustainable ecological management in the region through assessment applications.Firstly,we classify the land cover of Selenge River Basin and analyze the ecological status of Selenge River Basin with the official statistics of Mongolia.Further,based on the PSR model,a hierarchical analysis was used to assess the ecological safety status of the Selenge River basin.The results show that the real steppe within the Selenge River basin occupies the largest area of about 160,000 km2,accounting for 53%of the total area,followed by the forest with an area of about 10 km2,accounting for 32%of the total area,with a high vegetation cover.The ecological response and ecological state in the watershed are at a safer level,where the arable land area and the level of agricultural mechanization have a greater impact on the ecological state and ecological response.However,at the same time,there is a greater ecological pressure,and the area of land degradation and the stock of livestock are the main influencing factors that cause greater ecological pressure.In the future,policy regulation in these two aspects should be strengthened.In general,the ecological safety of the Selenge River Basin in Mongolia is at a relatively safe level and can be exploited moderately.Key words:Selenge River Basin;PSR model;AHP;ecological security assessment;Mongolia 1 引言 蒙古高原地处干旱半干旱地区，水资源匮乏，河流水系对该区域的资源环境格局及其生态环境影响重大。发源于蒙古国的色楞格河是蒙古高原最主要的河流，对蒙古高原的资源环境格局与变化有着重要影响。同时，色楞格河也是世界最大的淡水湖贝加尔湖的唯一入湖河，色楞格河的入湖量占贝加尔湖总流入量的 50%1,2。色楞格河流域的生态安全对蒙古国色楞格流域复合生态系统的可持续发展以及东北亚的生态环境治理有重要意义。由于生态安全的内涵丰富，影响因素也十分复杂，至今尚未形成一个统一的概念。肖笃宁3等提出生态安全的目的是保护人类免遭生态破坏和环境污染，涵盖水源与食物安全等多种因素。Rogers4则认为生态安全是指在保护生态环境的同时，促进社会经济的可持续发展。由于生态安全具有宏观性以及独特性的特征，因此生态安全的准确评估已成为一个现实问题。随着生态安全研究的持续推进，评估模型也出现了多元化。常用的模型有压力-状态-响应（Pressure-State-Response，简称 PSR）模型、驱动力-压力-状态-影响-响应(Drive force-Pressure-State-Impact-Response，简称 DPSIR)模型5、压力-状态-功能-风险(Pressure-State-Function-Risk，简称PSFR)模型6等。有学者基于这些模型，运用层次分析法（analytic hierarchy process，简称 AHP）等确定生态安全评估指标权重的方法，结合研究区生态环境现状，对流域的生态安全进行研究分析。魏伟7等依据 PSR 模型建立了格网化的流域生态安全评价模型，结合空间主成分分析法和综合指数法确立生态安全影响因子的权重，具有针对性的提出了干旱内陆河流域生态安全评估框架和判断标准。Mosaffaie 8等基于 DPSIR 模型构建生态安全评估指标体系，并通过 2004-2018 年期间的 18 个定量指标计算每个 DPSIR 指数的动态变化趋势，分析影响流域生态健康的主要环境问题。相比于其他模型，PSR 模型更善于体现了人类与环境之间的相互作用关系，能够直观反映出外界人类活动压力的扰动、各环境指数的变动以及对扰动的响应。PSR 模型的另外一个优势是逻辑清晰、简洁明了，PSFR 和 DPSIR 模型在 PSR 模型的基础上增加了功能，但同时也使得模型更为复杂，均不能直观反映人类活动对生态环境安全的影响9。因此，PSR 模型应用领域更为广泛，受到了很多国内外学者的推崇，现多应用于土地10、湿地11、耕地12等多种生态安全类型评估。综合以上研究进展，目前多数研究侧重在局地开展生态安全评估，缺少流域尺度的定量分析。蒙古国色楞格河流域作为一个特殊的地理单元，较少受到关注。然而，这一区域毗邻我国北方生态屏障，也是一带一路“中蒙俄经济走廊”的重要合作区域，对于蒙古高原和我国北方生态屏障建设意义重大。为此，本文针对该流域开展基于 PSR 模型的生态安全评估，预期为本区域绿色发展提供科技支撑。2 研究区概况和数据来源 2.1 研究区概况 蒙古国色楞格河流域坐落于蒙古北部，发源于杭爱山脉（图 1）。色楞格河全长 1095km，约占蒙古国 周佳玲等：基于 PSR 模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估第 1 期 89 图 1 研究区地理位置图 Fig.1 Geographical location of study area 内河流总长度的 50%2，流域面积约占蒙古国国土面积的 19%（面积约 280,000km2），径流量占全国所有河流年径流量的 51.4%。色楞格河流域是蒙古国主要的人口聚集区域，2000年区域人口约为178万人，2010年约为 218 万人，2021 年增至 235 万人，约占蒙古国总人口的 69%。近年来，色楞格河流域内的布尔干省因当地牧民过度放牧，且一味追求经济发展，忽视生态环境，从而导致土地退化较为严重13。2.2 数据来源 本文主要使用 Landsat8 影像数据，通过 Google Earth Engine(GEE)下载。影像共有 11 个波段，由于土地覆盖分类无需全部波段，因此下载影像时仅下载了6 个波段，分别为蓝、绿、红、近红外、短波红外 1及短波红外 2。处理过程首先是在标准假彩色（近红外、红、绿）下进行分类，经过预处理，结合 eCognition软件，依据植被归一化指数（NDVI）、亮度值等特征指数进行阈值分类提取分类数据。人口数据主要包括人口密度、人口自然增长率等；农牧业数据主要包括耕地面积、农作物总产量、畜牧数量等；社会经济数据主要包括环境保护基金、土地保护与恢复资本投资等；自然资源数据主要包括森林砍伐量、地表水干涸量、地表水保护量等。以上统计资料均来自于蒙古国政府的统计数据。3 蒙古国色楞格河流域土地覆盖现状分析 3.1 土地覆盖分类方法 本文基于非监督的方法对蒙古国色楞格河流域进行遥感解译。首先获取研究区矢量数据，通过预处理消除传感器本身和大气影响所产生的误差，增强遥感数据有效性、可用性。在 eCognition 中基于指数特征的二分法进行影像土地覆盖分类。依据 NDVI 数值划分出植被，结合水类别的距离特征和高程数值，划分出草甸草地和森林、荒漠草地、典型草地三类；依据NDSI（归一化土壤指数）划分出裸地等。采用手动修改的方式划分出农田及建筑用地。技术路线图如图 2。3.2 土地覆盖分类结果 土地覆盖分类结果 土地覆盖分类结果见图 3，分为森林、草甸草地、典型草原、荒漠草地、水、农田、建筑物及裸地 8 类。90 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 在谷歌地球采集验证点进行精度评价。由于研究区范围较大，每个地类至少选取两百个点，每个点需随机选取并均匀分布。经验证，总体精度为 80.43%，分类可信度较高。由分类结果可知，典型草地的占地面积最大，约 为 16 万 km2，达到研究区面积的 53%，其次是森林的面积，占研究区面积的 32%，面积约为 10 万 km2，占比最少的为裸地面积，为 0.2 万 km2，仅占比 1%。由此可见，研究区内植被覆盖度较高，草地覆盖度及森林覆盖度对色楞格河流域生态安全尤为重要作用。NDWI非水体辐射定标大气校正裁剪拼接去云Landsat8影像预处理水体植被距离与DEMNDVI森林与草甸草地荒漠草地典型草地森林草甸草地非植被亮度值非裸地非裸地目视解译建筑物农田预处理后影像 图 2 土地覆盖分类技术路线图 Fig.2 Technical roadmap for land cover classification 图 3 土地覆盖分类图 Fig.3 Land cover classification map 周佳玲等：基于 PSR 模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估第 1 期 91 4 蒙古国色楞格河流域生态安全评估 4.1 评估指标体系构建 生态安全评价指标的选择要符合科学性、普遍性和区域性原则。由于不同地区的自然、经济、社会状况各不相同，因此在选取指标时要与研究区的特点相适应，能够反映出色楞格河流域的生态环境状况14。同时，指标也要体现一定的普适和综合性，且数量要适中，指标太多会遮蔽重要的信息；若指标太少，无法形成全面评价15。由于部分指标面临无法量化等问题，因此指标的选取还要符合可行性原则，选取的指标数据应易于获取。依据蒙古国色楞格河流域土地覆盖分类结果，发现研究区内草地覆盖度以及森林覆盖度占比较高，对生态安全的影响较大。且研究区内水系较发达，是蒙古国人口最集中、畜牧业最发达的区域，人口密度越大对资源的消耗也会更多，同样在饲养牲畜时会造成资源的消耗以及对水源、大气等造成污染。因此选取人口密度、人口自然增长率、牲畜存栏量等为压力指标，选取草地覆盖率、森林覆盖率、地表水源数量等为生态环境状态指标。结合以上指标选取原则，对备选指标进行分析优化，构建一套适合蒙古高原色楞格河流域的生态安全评价指标体系。如图 4 所示，该指标基于 PSR 模型，包括压力、状态和响应三个层级，具体包含 21 个指标。压力人口密度、牲畜存栏量、森林砍伐量、土地退化面积、地表水干涸量、人口自然增长率、耕地农药使用量响应人均GDP、农业机械化水平、第三产业比重、生态税额、环境保护基金、地表水保护量、土地保护与恢复资本投资资源消耗预警提示状态耕地面积、森林覆盖率、年降水量、草地覆盖率、尘埃天数、地表水源数量、不透水面面积恢复生态 图 4 生态安全评估指标体系 Fig.4 Ecological security assessment index system 4.2 生态安全评价方法 4.2.1 层次分析法确定指标权重 本次生态安全评估采用专家打分法获取指标的初始得分。邀请了 7 位熟悉蒙古高原色楞格河流域资源生态环境问题的专家对各项指标进行评分。通过对评分的综合分析，得出各项指标的初始值，并依据该值结合层次分析法计算出相应的权重（表 1）。对构造的判断矩阵进行一致性以及一致性比率检验，结果均为 0，表明权重分布合理。表 1 生态安全评估指标权重 Table 1 Weight of ecological security assessment indicators准则层准则层权重权重 指标层指标层 权重权重 综合权重综合权重人口密度 0.1247 0.0554 人口自然增长率 0.1080 0.0480 森林砍伐量 0.1087 0.0483 地表水干涸量 0.1529 0.0679 土地退化面积 0.2213 0.0983 牲畜存栏量 0.1811 0.0804 压力 0.4440耕地农药使用量 0.1033 0.0459 耕地面积 0.1222 0.0337 森林覆盖率 0.1604 0.0443 地表水源数量 0.1413 0.0390 不透水面面积 0.0802 0.0221 年降水量 0.1795 0.0495 草地覆盖率 0.1871 0.0516 状态 0.2760尘埃天数 0.1292 0.0357 地表水保护量 0.1674 0.0469 人均 GDP 0.1515 0.0424 第三产业比重 0.1116 0.0312 土地保护与恢复资本投资 0.1794 0.0502 环境保护基金 0.1628 0.0456 生态税额 0.1435 0.0402 响应 0.2800农业机械化水平 0.0837 0.0234 4.2.2 数据标准化处理 由于各指标的数据类型及数据特征等方面存在差异，使得各指标不能直接相互对比，难以进行直观比较。因此，本文利用极差法对指标初始数据进92 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 行标准化赋值。根据指标正负趋势的差异，分别按照式（1）和式（2）进行标准化16。对于正向趋势的评估指标，评估指标初始值愈大，说明其生态安全性愈高，反之愈低。对于负向趋势指标则相反，评估指标初始值愈小，说明其生态安全性愈高，反之愈低。正向指标：Hi=ai-min(ai)/max(ai)-min(ai)（1）负向指标：Hi=max(ai)-ai/max(ai)-min(ai)（2）式中：Hi为标准化后的值；ai为第 i 项指标的初始值；max（ai）为第 i 项指标的最大值；min（ai）为第 i 项指标的最小值。4.2.3 计算生态安全指数 运用生态安全指数（Ecological Security Index，简称 ESI）计算公式，得到色楞格河流域的生态安全评估结果，依据结果分析研究区生态安全现状与理想状态之间的差距。参照相关参考文献17,18,结合色楞格河流域生态环境现状，运用综合指数法对色楞格河流域的生态安全指数进行 ESI 计算。将其结果分为极不安全、欠安全、临界安全、较安全和安全五个等级（表2），计算公式如下：=niiiHESI1 （3）式中：n 为对应准则层指标的个数；i为第 i 个指标的权重；Hi为指标的标准化数据，i=1,2,n。4.2.4 生态安全评估等级 依据上述方法，完成蒙古高原色楞格河流域生态安全指数计算。表 3 显示，蒙古高原色楞格河流域综合生态安全评估等级为四级，属于较安全等级。其中生态环境压力处于临界安全等级，指标得分最低，由此说明蒙古高原色楞格河流域生态压力严峻。生态环境响应以及生态环境状态都处于较安全等级，但是生态环境状态得分高于生态环境响应。由此表明，研究区内生态环境现状较为安全，但存在着较大的生态环境压力，且由于长期以来存在着资源的过量使用和过分开采的问题。为此，必须制定相应的生态安全保护政策以降低生态环境压力。表 2 生态安全等级 Table 2 Ecological safety level 生态安全等级生态安全等级 生态安全指数 0,0.2(0.2,0.4(0.4,0.6(0.6,0.8(0.8,1 表征状态 极不安全 欠安全 临界安全 较安全 安全 表 3 生态安全评估等级 Table 3 Ecological security assessment level 安全度安全度 生态环境压力生态环境压力 生态环境状态生态环境状态 生态环境响应生态环境响应 综合综合 ESI 数值 0.48 0.75 0.69 0.66 安全等级 临界安全 较安全 较安全 较安全 4.3 障碍度分析 利用障碍度模型计算蒙古高原色楞格河流域生态安全评价中各评价指标的阻碍程度，有助于找出限制蒙古高原色楞格河流域生态环境发展的关键因素，计算公式如下：%100)1()1(1=niiiiiiHHD （5）其中：Di为单指标障碍度；Hi为标准化数值；i为指 标权重；n 为指标数。由障碍度模型计算结果可知（表 4），影响蒙古高原色楞格河流域生态安全的障碍因子主要有土地退化面积、牲畜存栏量以及耕地面积，障碍度均为 30%以上。其次为地表水源数量、尘埃天数、第三产业比重和农业机械化水平，障碍度均为 20%以上。因此，在发展第三产业时，也应注重加大生态税额，恢复土地退化面积。此外还应植树造林，防风固沙，以减少尘埃天数，维护当地生态安全。周佳玲等：基于 PSR 模型的蒙古国色楞格河流域生态安全评估第 1 期 93 表 4 生态安全指标层障碍度分析 Table 4 Analysis of obstacles at the ecological security index layer 准则层准则层 指标层指标层 障碍度障碍度(%)人口密度 4.38 人口自然增长率 0.83 森林砍伐量 0.96 地表水干涸量 12.43 土地退化面积 42.79 牲畜存栏量 35.02 压力 耕地农药使用量 3.59 耕地面积 30.05 森林覆盖率 16.24 地表水源数量 24.53 不透水面面积 0.00 年降水量 5.19 草地覆盖率 0.00 状态 尘埃天数 23.98 地表水保护量 6.75 人均 GDP 14.26 第三产业比重 25.51 土地保护与恢复资本投资 0.00 环境保护基金 9.12 生态税额 17.36 响应 农业机械化水平 27.01 5 结果与讨论 5.1 关于生态环境压力 蒙古国色楞格河流域生态环境压力评估等级为三级，属于临界安全等级。其中对生态环境压力方面影响障碍度最高的因子为土地退化面积，其次为牲畜存栏量。这两方面对生态安全的威胁较大，由此可见，生态建设与资源消耗协调问题逐渐凸出，需有效、合理协调资源消耗和生态建设关系。但是在人类活动情况方面，人口自然增长率与森林砍伐量这两方面对流域整体压力较小，可适当对森林资源进行开发利用。5.2 关于生态环境状态 蒙古国色楞格河流域生态环境状态评估等级为四级，属于较安全等级。耕地面积、地表水源数量以及尘埃天数这三方面对生态安全的威胁较大；而不透水面面积和草地覆盖率这两方面的生态环境现状相对较好。建议开展退耕还林，防风固沙以减少尘埃量，保护生态环境。5.3 关于生态环境响应 蒙古国色楞格河流域生态环境响应评估等级为四级，属于较安全等级。农业机械化水平以及第三产业比重这两方面对生态安全的威胁较大；而土地保护与恢复资本投资的生态环境响应相对较好。建议加强创新发展，提升保护生态的科技水平并且大力发展维护生态安全的产业。5.4 关于综合生态安全 蒙古国色楞格河流域综合生态安全评估等级为四级，属于较安全等级。从压力、状态、响应 3 个方面的生态安全状况可以看出，生态压力在三个指标中得分最低。而本次选取生态压力评估指标主要在人口密度、人口自然增长率、森林砍伐量、地表水干涸量、土地退化、牲畜存栏量等方面，说明蒙古国色楞格河流域在人口及自然资源这两方面压力较大。鉴于资源过度消耗和过度开发问题的长期积累，导致流域生态压力较大，因此需要长期重视和加强生态保育措施。参考文献 1 应凌霄,孔令桥,肖燚,等.生态安全及其评价方法研究进展J.生态学报,2022,42(05):1679-1692.Ying L X,Kong L Q,Xiao Y,et al.The research progress and prospect of ecological security and its assessing approachesJ.Acta Ecologica Sinica,2022,42(5):1679-1692.2 R Chalov S,Jarsj J,Kasimov N S,et al.Spatio-temporal variation of sediment transport in the Selenga River Basin,Mongolia and RussiaJ.Environmental Earth Sciences,2015,73:663-680.3 肖笃宁,陈文波,郭福良.论生态安全的基本概念和研究内容J.应用生态学报,2002(3):354-358.Xiao D N,Chen W B,Guo F L.On the basic concepts and contents of ecological securityJ.Chinese Journal of Applied Ecology,2002(3):354-358.4 Rogers K S.Ecological security and multinational corporationsJ.Environmental Change and Security Project Report,1997,3:29-36.5 Gari S R,Newton A,Icely J D.A review of the application and evolution of the DPSIR framework with an emphasis on 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