全 文 ：第 26卷第 7期
2006年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOI GICA SINICA
Vo1．26，No．7
Ju1．，2006
广东省生态安全状态及趋势定量评价
高长波 ，陈新庚 ’，韦朝海 ，彭晓春4
(1．广东轻工职业技术学院，广州 510300；2．中山大学环境科学研究所，广州 510275：
3．华南理工大学环境科学研究所，广州 510640；4．国家环境保护总局华南环境科学研究所 ，广州 510655)
摘要：为研究区域生态安全在不同时期的动态变化及发展趋势，在国内外已有的研究基础上 ，根据压力．状态．响应模型框架，提
出了一套完整的区域生态安全水平度量的指标体系和基于熵权法赋权的综合指数评价方法，从时间尺度上(1990 2004年)对
广东省生态安全进行定量评估和动态趋势分析。结果表明，广东省生态安全综合指数从 1990年的 0．125增加至 2004年的
0．402，生态安全整体水平呈逐年上升趋势，但发展过程中存在的问题是区域生态压力在不断加大及生态安全现状水平仍处于
“较不安全”状态。对广东省环境规划的实施效果进行预测评估，得出在实现环境 目标的情景下，2010规划年和 2020规划年的
生态安全综合指数将分别达到0．533(临界安全)和0．691(较安全)。评价方法简单直观，评价结果客观合理。
关键词：区域生态安全；评价 ；时间尺度；综合指数；广东省
文章编号：1000-0933(2006)07．2191．07 中图分类号：X171 文献标识码：A
Quantitative evaluation of ecological security status and trends：a case study of
Guangdong Province，China
GAO Chang-Bo ，CHEN Xin．Geng2
，
WEI Chao．Hal。，PENG Xiao．Chun4 (1
。 G∽r‘g幽ngM t‘s‘ry ^ z c0z ，Gunrlg：bu
510300，China；2．School ofEnvironmental Sciences and Engineering，Sun Yat-sen University，Gnangzhou 510275，China；3．Institute ofEnvironmental Sciences，
South China Unive~ity of Technology，Gnangzhou 51640，Ch／na ；4．South China Institue ofEnvironment Science，SEPA，Gnangzhou 510655，China )．Acta
Ecologica Sinica，2O06，26(7)：2191—2197．
Abstract：Ecological security is one of the foundations of regional security，and is the basis of sustainable development．Regional
ecological security includes the natural ecological security，the economic ecological security and the social ecological security．
Considering the inadequacies of dynamic analysis of the regional ecological security，based on historical research and related
literature，and with the Pressure—State-Response(PSR)model framework as a basis，a 3-layer conceptual assessment index system
and calculation model of regional ecological security was carried out． Using entropy weight and integrating index evaluation
method， Guangdong Province was taken as a case study and its ecological security situation from 1990—2004 was assessed
quantitatively．Furthermore，the prediction models of diferent ecological indices which include pressure index，state index，
response index and ecological security integrated index(ESII)were established．Time series results showed that the ESII tended to
increase continually in the last 15 years，from 0．125 to 0．402，while its ecological pressure become more intense．Therefore，this
region is stil in relatively unsafe ecological security situation according to the criterion of ecological security classification．A
forecasting assessment based on the environmental planning scenarios was also made in this paper．It is expected that in 20 10 and
2020，the ESI1 will become 0。533(critically safe)and 0．691(relatively safe)，respectively．The process of evaluation indicated
基金项目：国家自然科学基金资助项 目(50278036)；广东省自然科学基金资助项 目(04300916)；广东省财政厅资助项目(2003191)
收稿 Et期：2005．11-25：修 订Et期 ：2006．05．10
作者简介：高长波(1970一)，男，浙江温州人，博士，主要从事环境评价和环境规划研究．E-mail：boeing222@163．c0m
*通讯作者 Co~esponding author．E-mail：eescxg@163．com
Foundation item：The project was suppoaed by National Natural Science Foundation of China(No．50278036)；Guangdong Province Natural Science Fund(No
04300916)；Research Foundation of Guangdong Finance Department(No．2003191)．
Received date：2005一I1-25：Accepted date：2006—05—10
Biography：GAO Chang—Bo，Ph．D．，mainly engaged in environmental assessment and planning．E-mail：boeing~222@ 163．com
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生 态 学 报 26卷
that the indices system and the assessment method were very simple and easily applied。and the I"esearch results were capable of
providing useful decision information for evaluation of regional ecological security as wel as ecological and environmental
management·
Key words~regional ecological security；assessment；time series；integrated index；Guangdong Province
生态安全的概念自1989年由国际应用系统分析研究所提出以来，生态安全研究已成为国内外相关学科
研究的前沿和热点之一L】 。但由于研究对象的复杂性和特殊性，人们对生态安全的内涵认识不足，在评价
指标体系和研究方法上还没有形成共识 ]。而维持生态安全是实现区域可持续发展的基础 ，区域生态安
全评价可以为区域生态环境管理、决策提供科学的依据 ]。因此，开展区域生态安全评价研究具有十分重要
的科学意义和实践意义。国内外部分学者 对生态安全的概念、特点和内涵等方面做了论述，一些研究
者L1n ¨对生态安全评价做了探讨，但多为宏观和静态研究，到目前为止还缺乏对区域生态安全做时间序列的
动态分析和变化趋势研究。
本文在国内外已有的研究基础上认为，区域生态安全是指在一定时空范围内，在 自然及人类活动的干扰
下，区域内生态环境条件以及所面临生态环境问题不对人类生存和持续发展造成威胁，并且系统生态脆弱性
能够不断得到改善的状态。当区域生态系统受到干扰时，人类积极采取响应措施一方面调整自身的行为，另
一 方面净化污染的生态环境，保护和恢复其生命支持系统的生态服务功能。基于压力．状态．响应模型(Press．
State．Response，简称 PSR模型)，提出了一套完整的区域生态安全水平度量的指标体系和综合评价方法，并以
广东省为例，对广东 1990年至 2004年时间尺度的生态安全状态进行评价，另外还预测了广东在实现环境规
划目标情景下的近期(2010年)和远期(2020年)的生态安全水平发展态势，旨在为促进区域生态安全动态变
化研究以及为区域可持续发展管理提供决策依据。
1 区域生态安全评价方法
1．1 区域生态安全评价的指标体系
采用自上而下、逐层分解的方法，把区域生态安全分为 3个层次，每一个层次又分别选择反映其主要特征
的要素作为评价指标。第 1层次是目标层(A)，以区域生态安全综合指数为目标，用来度量区域生态安全的
总体水平。第 2层次是准则层(B)，即“系统压力”、“系统状态”、“系统响应”3个准则。压力指标反映人类活
动给环境造成的负荷；状态指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况；响应指标表征人类面临环境问题
所采取的对策与措施。这种方法在思路上与经济合作发展组织(OECD)提出的 PSR概念模型是一致的，OECD
的国家一致认为在开发环境指标时此模型非常实用可信，应该继续在 OECD的环境数据和指标中使用 。
第3层次是指标层(C)，根据系统性、指标选择的独立性、可比性、科学性和实用性，考虑到数据的可得性，在
广泛研究国内外生态安全评价指标体系案例的基础上，通过多轮专家咨询方法，最后从 7O个备选指标中筛选
出34项形成评价指标体系(见表 1)。
表 1中需要说明的几个指标的物理意义有：C =(能源自给量 ／能源消耗量)×100％；C 按非农业人口
数占总人口数的百分比计算；C 中的可利用水资源总量不包括过境水资源量；C 、C 分别为农药使用量、化
肥使用量(折纯量)除以耕地面积；C。～C。为各污染物排放总量除以研究区域的GDP；C 指当年价；C： 为依
据环境质量标准将有关的空气污染物浓度等标化，计算得到的无量纲指数的加和，计算公式为：c 。=
n
c ，P ，其中，C 为单项污染物浓度，P 为对应的标准值，这里参加计算的污染物包括 PM。、s0。和氮氧化
物，标准值取《环境空气质量标准》(GB3095．1996)中对应的二级标准。
1．2 区域生态安全评价标准
生态安全是一个相对的概念，没有绝对的安全，只有相对安全。区域生态安全评价标准主要从以下几个
方面选取 ¨。 ：(1)国际、国家、行业和地方规定的标准，如指标 c∞、c ，、c 等以地表水、大气、噪声环境质量
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标准等为主要统计依据，c 、c ～c凹等采用国际标准；(2)背景和本底标准，如指标 c。、c 、c 等以研究区
域的耕地资源、能源、水资源可利用量等为依据；(3)类比标准，参考国外具有良好特色的区域的现状值作为
标准值或参考国内区域的现状值作趋势外推，作为“安全”级别的标准值，以全国较劣值或国际公认的警戒线
值为“不安全”的限定值，如指标 c。、c 、c 、c ～c。、c。 ～ c 等，具体见表 1。
表 1 区域生态安全评价指标体系及其标准值
Table 1 The mark-value and index system of regional ecolo~ security m erit
CI：Population density；C2：Ratio of natural population growth；C3：Self-supporting ratio of energy；C4：Ratio of urbanization；C5：Plantation of per capita；
C6：Proportion of total water consumption to water resources； C7：Consumption intensity of pesticide；C8：Consumption intensity of fertilizer； C9：Discharge
intensity of SO2；Cl0：Discharge intensity of industrial soot；C¨：Discharge intensity of COD；CI2：Discharge intensity of solids waste；Cl3：GDP per capita；
Cl4：Propo rtion of coal consumption to total primary energy consumption； Cl5：Energy consumption of per 10，000 yuan GDP； Cl6：Water consumption of per 10，
000 yuan GDP；Cl7：Ratio of forest cover；CI8：Ratio of vegetation cover in established area；Cl9：Proportion of soil loss area to total region area；C2o：Ratio of
class I to Ill water quality；C2l：Air pollution integrated index；C22：Ratio of urban area cover with permissible noise level；C23：Frequency of acid rain；C24：
Percentage of reaching standard for industrial wastewater treatment；C25：Percentage of repeated utilization of industrial water；C26：Percentage of domestic sewage
treatment；； C27：Percentage of industrial wasted gas treatment；C28：Ratio of reaching standard for vehicle emission； C29：Utilization rate of industrial solid waste；
C30：Ratio of the strictly protected reserves to the land area；C3l：Implementation rate of Three Sy nchmnization Management for construction projects；C32：
Proportion of environmental protection investment to GDP；C”：Proportion of third industry to GDP；C34：Amount of advanced degree per ten thousand capita．①
capital per square kilometer；②10，000 yuan per capita；③ton standard coal equivalent(SCE)；④capital
1．3 评价指标计算方法及依据
1．3．1 数据预处理
(1)评价样本矩阵的建立 定义 为区域生态安全状况对应于m个评价指标与 n个评价对象的样本矩
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阵，则：
= = [X ]⋯
(2)矩阵元素标准化 指标确定以后，直接用它们去进行评价是困难的。因为各系数之间的量纲不统一，
所以没有可比性。即使对于同一个参数，尽管可以根据实测数值的大小来判断它们对环境影响的程度，但也
因缺少一个可作比较的标准而无法较确切地反映其对环境的影响。为此，必须对参评因子进行规范化处理。
区域生态安全评价可采用极差标准化方法。假设样本矩阵 标准化后记为 y。
对大者为优的效益型指标(数值越大越好的指标，如人均耕地面积)，令：
Y = (X 一min )／(max xj—min ) (2)
对小者为优的成本型指标(数值越小越好的指标，如万元 GDP能耗)，令 ：
Y =(max 一X )／(max 一min ) (3)
式中，max ，、wan ，分别表示第．『个指标下各评价样本属性值的标准值(即表 1中的最大值和最小值)。
经过无量纲化处理后，样本矩阵 转化为矩阵y，即：
Y=(Y )⋯ (其中 ∈ [0，1]) (4)
1．3．2 指标权重的确定 确定权重的方法有多种，如 Delphi法、AHP法、主成分分析法等。这里采用熵权法
来确定各指标的权重。在信息论中，当评价对象在某项指标上的值相差较大时，熵值较小，说明该指标提供的
有效信息量较大，该指标的权重也应较大；反之，若某项指标的值相差越小，熵值较大，说明该指标提供的信息
量较小，该指标的权重也应较小；当各被评价对象在某项指标上的值完全相同时熵值达到最大，这意味着该指
标未向决策提供任何有用的信息，可以考虑从评价指标体系中去除。所以，“熵权”理论是一种客观赋权方法，
现已在工程技术、社会经济和环境科学等领域得到广泛应用 。
(1)定义 为矩阵 y第．『项指标下第 i个被评价对象的指标值的比重，则：
f,j=Yo／ (其中，．『=1，2，⋯，m) (5)
(2)令 ej为第．『项指标的熵值，有：
= 一 k∑f,jlnf,j(其中，k=1／lnn，当 =0时，令 l =0) (6)
(3)计算第．『个指标的熵权 ，即：
wj=(1一ej)／∑(1一 ) (其中0≤ ≤1，∑wj=1) (7)
1．3．3 综合评价方法 综合评价是在指标值规范化和指标权重确定的基础上进行的，国内外研究者提出了多
种的生态安全评价方法口 。本文定义区域生态安全程度(安全度)用生态安全综合指数(脚 l，)来表示，即：
EJs = wj。Y (8)
ESII取值为[0，1]之间，其值越大，表明区域生态安全度越高，ESH=1时为理想安全。
2 广东省生态安全评价
2．1 研究区概况
广东位于中国大陆南部，地处北纬 20。09 ～25。31 ，东经 109。45 ～117。20 ，面积 17．8万 kn12，年平均气温
19～23~C，雨量充沛。广东省是我国经济发达地区之一，对中国国民经济发展具有重要的示范作用。2003年，
广东省人均国内生产总值为 1600多美元，城镇化水平为55．7％，人口密度为 434人／km 。广东在经济快速发
展的同时，也给生态环境带来了许多负面的影响。
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2．2 原始数据的来源及处理
为了获取广东省生态安全评价指标的原始数据，
查阅了大量的资料 ④，这些资料包括公开出版的1991
～ 2005年广东省统计年鉴、中国统计年鉴、以及由广东
省环境保护局提供的广东省环境状况公报、广东省环
境保护规划(2004～2020年)等其他相关统计资料，一些
原始数据可以直接用来进行评价，如人口密度、人口自
然增长率等，有的原始数据需要按指标的物理意义进
行量化处理，如各污染物的排放强度等。
2．3 评价结果
按照上述区域生态安全水平评价的指标体系和
综合评价模型，得出了广东省的生态安全综合指数及
各准则层指数的度量结果(见表2及图 1)。同时参考
相关文献n 。 和根据本研究的计算结果，设计了一
个5级生态安全水平等级划分标准(表 3)。
2．4 结果分析
2．4．1 1990～2004年生态安全水平
(1)系统压力指数 从表 2及图 1可以看出，广
东省系统压力指数(该指标是逆向指标，数据越小，压
力越大，对生态安全的贡献越小)从 1990年的 0．108
下降到 2004年的 0．061，最大下降幅度达 14．3％，年
均下降3．7％。表明该区域的人类活动给生态环境造
成的负荷在加剧，表现在各种污染物排放量加大，如
SO，排放 量从 1990年 的 39．64t增加 到 2004年 的
114．8t，15a间 COD排放量和固体废物排放量分别增
加了83．2％和 55．5％、同时人口密度不断增加、而人
表2 广东省 1990—2OO4年及规划年生态安全水平综合评价结果
Table 2 Integrated assessment results of regional eeological security In
竺竺 竺
份 等奎耋全 压 系 系繁 数 Ye 综合指数 ESI № S
(ti le；nd s i：
薹
羹
图 1 1990 2004年广东省生态安全水平动态变化
Fig．1 Dynamics of regional ecological security in Guangdong Province from
均耕地面积逐年下降(15a间减少了25．9％)。利用统 1990—204
计软件 SPSS12．0计算出生态压力指数的预测线性方程为：Y。=一0．0029x+0．1107(通过显著性检验，R ：
0．8636)，总体呈下降趋势。
(2)系统状态指数 系统状态指数从 1990年的0．017上升到 2004 年的0．156，主要得益于经济因素中的
人均 GDP指标从 2537元提高到 19316元、森林覆盖率从 48．9％增加到 57．4％、建成区绿化率从 26．13％提升
到30．69％，同时万元 GDP能耗从 2．61t标煤减少到 0．92t标煤和万元 GDP水耗不断降低 (从 1738t降到
283t)。系统状态指数的回归方程为：Y，=0．05621n( )+0．005(通过显著性检验，R ：0．9842)，在 1990～1994
年期间，指数快速提高，年均增长56．9％，而后增长速度放缓，1995～2004年年均增长 4．8％。
①广东省年鉴编委会．广东省统计年鉴(1991—2005)，1991—2005
②中国国家统计局．中国统计年鉴(1991—2005)，1991—2005
③广东省环境保护局 ．广东省环境状况公报(1990—2004)，1991—2005
④广东省环境保护局 ．广东省环境保护规划纲要(20o4—2020年)，2005
⑤广东省环境保护局．珠江三角洲环境保护规划解读，2004
⑥广东省统计局．广东社会统计资料(1997—2003)，2004
⑦广东省水力厅．广东省水资源公报(1997—2003)，1998—2004
O O O O O O O O O O ∞ 加 ：2m
O O O O O O O O ．
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(3)系统响应指数 从系统响应指数来看，呈逐年上升趋势，其主要原因是各种污染物的处理率、每十万
人中高等学历人数等指标值不断提高，加上政府相关部门加大了对环保、基础设施的投资力度(如环保投资占
GDP的比例从 0．37％增加到 2．71％)。系统响应指数的动态变化方程为：Y =0．0005 x2+0．0043x一0．0015
(通过显著性检验，R =0．9966)。
(4)生态安全综合指数 综合上述 3个指标，生态安全综合指数从 1990年的 0．125递增至 2004年的
0．402，年均增长 8．8％，研究时间尺度内的生态安全综合指数变化趋势方程为 Y=0．0195x+0．1189(通过显著
性检验，R =0．9938)，表明该区域的生态安全水平整体情况得到不断改善，但其生态安全现状水平仍处于“较
不安全”状态。主要的制约因素是人地矛盾突出(2004 年人均耕地面积仅 0．03hm2)、酸雨频率多年居高不下
(徘徊在45％左右)、区域地表水环境质量无明显改善(2004 年饮用水源地水质总达标率为 67．8％)、城市生活
污水处理率(2004年仅为35％)与工业用水重复利用率(2004年仅为 36．2％)低下、经济快速增长带来的高消
耗和高排放，使得该区域生态环境系统存在较大的不安全隐患。
另外，从生态安全综合指数的构成进行分析，系统压力指数的贡献率从 1990年的85．8％下降到 2004年
的 15．2％、状态指数的贡献率从 1990年的 13．8％上升到 1995年的 46．6％后缓慢下降到 38．8％、响应指数的
贡献率从 1990年的0．4％递增到2004 年的46％，说明 15a来广东省生态安全水平的提高是依赖于对环境的
治理和投入，较大程度上还处在末端治理型阶段 ，人工调节虽然可以弥补自然调节的不足，但从长远看，人工
调节不能代替 自然调节，因此，以后应加强对系统压力准则层(见表 1)中的各指标进行优化，即控制人口、节
约资源和能源、推进清洁生产和循环经济、实现污染物减量化和资源化，从根本上降低区域生态环境压力，才
能保证该区域的生态安全迈向更高的水平。
2．4．2 2010年、2020年生态安全水平预测 针对生态安全的制约因素和未来经济发展面临的生态环境压
力，广东省提出了一系列环境目标，如 2010年 COD排放总量和2020年 s0，排放总量分别在2002年的基础上
削减 17％和22％、2010年饮用水源地水质达标率提高到 95％、2010年的城市生活污水处理率和工业用水重
复利用率分别达到 60％以上、2020年的万元 GDP能耗降低到 0．26t标准煤等。为了评估在实施这些 目标的
情景下的广东省生态安全状况，运用本文提出的研究方法，预测得出广东省 2010年和 2020年的生态安全综
合指数将分别达到0．533和0．691，系统压力指数、状态指数和响应指数比2004年均得到提高(见表 2)，经济
发展致使生态环境压力加剧的趋势得到控制，区域生态安全水平由“临界安全”状态迈向“较安全”状态，生态
环境步人良性循环 。
3 结论与讨论
(1)利用本文所建立的区域生态安全评价指标体系和计算模型，从时间尺度对区域生态安全进行动态分
析和趋势研究，计算得出广东省生态安全整体情况得到不断改善，但区域生态环境系统压力在不断加大及生
态安全现状水平仍处在“较不安全”状态，存在较多的“不安全”因素，生态安全建设任重道远。
(2)人类积极采取响应措施才能弥补由于人类活动消极影响给生态环境系统带来的压力，目前应加强控
制人口、节约资源和能源、推进清洁生产和循环经济、实现污染物减量化和资源化等，从根本上降低区域生态
环境压力，才能保证该区域的生态安全迈向更高的水平。
(3)对广东省环境规划(2004—2020年)的实施效果进行预测评估，表明在实施环境 目标的情景下，2010规
划年和 2020规划年的生态安全综合指数将分别达到 0．533和0．691，生态安全分别达到“临界安全”和“较安
全”水平 。
(4)综合评价方法优势在于时间序列、空间横向比较，但同时可能掩盖了单一指标极值情况下对生态系统
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的灾难性影响。
(5)标准化方法和指标赋权是该综合评价模型的核心。熵权法充分挖掘了原始数据本身蕴涵的信息，结
果比较客观，但却不能反映专家的知识和经验以及决策者的意见，有时得到的权重可能与实际重要程度不相
符。极差法标准化的缺陷在于有时很难判断该指标是效益型指标或是成本型指标，因为事实上有些指标是相
对最优值的效益型(成本型)指标，如人 口密度、城市化率等，而最优值的确定又非常困难 。因此，标准化方
法、最优值的确定和赋权问题仍需要进一步的研究。
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