水利水电技术(中英文)㊀第52卷㊀2021年第1期
XU Yude,LIU Zijin,HUANG Song,et al.Analysis on ecological security evolution of soil and water environment in artificial oasis in arid
area[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2021,52(1):105-115.
干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析
徐钰德1,2，刘子金1,2，黄㊀嵩1,2，李智睿1,2，赵志宏1,2
(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州㊀450046;2.河南省水工结构
安全工程技术研究中心，河南郑州㊀450046)
摘㊀要：针对水土环境生态安全受多因素耦合影响而难以定量揭示的难题，为定量评估干旱区人工绿洲水土环境生态安全状态及其分异特征，以甘肃省景电一期灌区为研究对象，以压力-状态-响应模型(press-stat
e-response ,PSR )为理论依据，提出了以3个要素18个指标所组成的水土环境生态安全评价指标体系㊂在将源数据进行差分变换与岭回归分析的基础上，基于熵权法对各指标的权重进行了客观分析，同时引入物元分析理论，有效解决了评价指标之间的模糊性与不相容问题，通过构造水土环境生态安全评价的经典物元与节域物元，分析各指标对应评价等级的关联度，构建了基于PSR 模型及物元分析的干旱区人工绿洲水土环境生态安全评判模型，并对1994年㊁2006年㊁2018年水土环境生态安全进行了定量化评价㊂结果表明：研究区1994年㊁2006年㊁2018年水土环境生态安全综合评判等级分别为Ⅳ级㊁Ⅲ级与Ⅱ级，水土环境整体表现出健康化发展，但是随着人类生产活动的发展，一些潜在的风险正在逐步显现，土壤盐渍化进程的加剧对水土资源的威胁是研究区水土环境向良性发展的关键制约因素㊂研究成果可为干旱区人工绿洲生态系统寻求生产需求与生态保护之间的平衡机制提供理论依据
㊂
关键词：水土环境;PSR 模型；熵权；物元分析；人工绿洲；干旱；地下水；气候变化
doi :10.13928/jki.wrahe.2021.01.011开放科学(资源服务)标志码(OSID )：中图分类号:S156.4
文献标志码:A
文章编号:1000-0860(2021)01-0105-11
收稿日期:2020-09-28
基金项目：国家自然科学基金项目(51579102)；河南省高校科技创新团队支持计划(19IRTSTHN030)；中原科技创新领军人才支持计划(204200510048)
作者简介：徐钰德(1997 )，男，硕士研究生，主要从事水利工程方面的研究㊂E-mail:529907403@qq 通信作者：刘子金(1996 )，男，硕士研究生，主要从事灌区水盐调控方面的研究㊂E-mail:1556135694@qq Analysis on ecological security evolution of soil and water
environment in artificial oasis in arid area
XU Yude 1,2,LIU Zijin 1,2,HUANG Song 1,2,LI Zhirui 1,2,ZHAO Zhihong 1,2
(1.School of Water Conservancy,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou㊀450046,
Henan,China;2.Henan Provincial Hydraulic Structure Safety Engineering
Research Center,Zhengzhou㊀450046,Henan,China)
Abstract :Aiming at the problem that the ecological security of soil and water environment is difficult to reveal quantitatively due
to the coupling effect of multiple factors.To quantitatively evaluate the ecological security status and differentiation characteristics
of water and soil environment in an artificial oasis in the arid area,the first stage irrigation area of Jingdian in Gansu Province was
taken as the research object,and the pressure state response (PSR)model was used as the theoretical basis evaluation index sys-
徐钰德，等ʊ干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析
tem of ecological security of soil environment.Based on the different transformation and ridge regression analysis of the source data,the weight of each index is objectively analyzed based on the entropy weight method.At the same time,the matter-element analysis theory is introduced to effectively solve the fuzzy and incompatible problems between the evaluation indexes.By construc-ting the classi
cal matter-element and node matter-element of the ecological security assessment of water and soil environment,the correlation degree of each index corresponding to the evaluation grade is analyzed based on the PSR model and matter element analysis,the evaluation model of soil and water environment ecological security in the artificial oasis was established,and the quantitative evaluation of soil and water environment ecological security in1994,2006and2018was carried out.The results show that:the ecological security level of soil and water environment in the study area is gradually improving from1994to2018, but with the development of human production activities,some potential risks are gradually emerging.The threat of soil the salin-ization process to soil and water resources is the key constraint factor for the benign development of soil and water environment in the study area.The research results can provide a theoretical basis for the balance mechanism between product demand and eco-logical protection of the artificial oasis ecosystem in the arid area.
Keywords:soil and water environment;PSR model;entropy weight;matter element analysis;artificial oasis;drought;ground-water;climate change
0㊀引㊀言
我国西北干旱区生态环境本底极端脆弱，对水
土资源开发利用的响应十分敏感㊂水土环境生态安
全作为生态文明的重要组成部分，也是水土资源实
现可持续发展的重要评价指标[1]，是指在特定区域条件下，水土环境受自然因素㊁人为因素及生态系
统自身演变三者耦合作用下所表现出的环境固有属
性，具有客观性和区域性㊂若能针对某一特定区域
建立科学的水土环境生态安全评价体系，从而揭示
水土环境生态安全在区域尺度上的影响过程和驱动
机理，将对探究干旱区人工绿洲实现生产需求与生
态保护的平衡机制具有重要的理论价值和现实
意义[2-3]㊂
干旱区人工绿洲生态系统作为一种典型的景观分
布格局，其内存在较为复杂的生态水文过程与人为干
扰响应过程，是集模糊性㊁驱动的多层次性㊁要素影
响的不确定性于一体的复杂结构单元㊂近年来，学者
们针对上述问题做了大量广泛而深入的研究，并取得
许多重要的研究成果㊂其中,STAMPOULIS等[4]为探明水文循环的动态性质对缺水地区水土生态环境的影响，基于WindSat微波辐射测量技术，调查分析了东非不同水文地质单元在极端水文条件下的水土环境生态脆弱性;ROSA等[5]基于ImpelERO模型对从土壤侵蚀脆弱性对作物生产力潜在影响的角度对西欧水土环境生态安全做了评价㊂XU等[6]以广州市为例采用双土地生态安全综合评价法将自然生态安全的关注点与民众的感受结合起来，对区域尺度和单元尺度上的土地生态安全做了相应的评价;GU等[7]以千岛湖地区为研究区，通过整合模糊层次分析法和地理信息系统，研究分析了1991 2010年间千岛湖地区的水土环境脆弱性变化；吕广斌等[8]基于DPSIR-EES-TOP-
SIS模型，以长江经济带的重要节点重庆市为研究对象，开展了区域土地生态安全时空分异研究；吴利等[9]在BP神经网络的基础上引入了遗传算法，构建了基于GA-BP神经网络的土地生态安全评价模型，并对玉溪市土地生态安全进行了评价㊂余文波等[10]以南昌市为例，基于RS及GIS将研究区进行网格划
分，对其土地生态安全进行了动态评价以及相应的分区㊂苏子龙等[11]通过改进经典三维生态足迹模型，对安徽省水土环境生态安全从承载力的角度进行了评价㊂上述研究取得了丰富的有益成果，但总体看来，现有研究仍有两点不足：一是就研究对象而言，现有研究侧重于大尺度㊁非干旱区，而对于水土环境生态响应更剧烈的干旱区尚未取得较为丰富的研究成果；二是就研究方法而言，已有研究虽就水土环境禀赋㊁生态环境条件等进行了系统研究，但在一定程度上未能充分考虑不同要素之间的相互作用和耦合关系，且忽略了各层次之间的反馈机制，常存在与本区域水土环境关联性差或偏主观等问题㊂PSR模型是由经济合作开发组织与联合国环境规划署在20世纪80年代共同提出的概念模型[12-13]，能较好地将模糊系统各层次之间的联系与动态变化趋势进行刻画㊂而物元分析理论不仅可以解决各评价层之间相容性差的问题，还可以挖掘评价对象的演变潜力，掌控其分异信息[14]㊂已有研究表明，上述两种理论对于刻画模糊评价系统的随机性㊁要素之间的模糊性及各层次之间的联系与反馈机制具有一定优势[12-13,15-16]㊂
鉴于此，为探明干旱区人工绿洲受自然因素㊁人为因素干扰对水土环境生态安全形成的长期性㊁立体
徐钰德，等ʊ干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析
㊀㊀㊀图1㊀研究区域地理位置
Fig.1㊀Geographical location map of the study area
式影响，本文以甘肃省景电一期灌区为例，结合研究
区实际情况与相应特点，以PSR 模型为评价体系建立的理论依托，同时结合物元分析模型，构建基于PSR 模型及物元分析的水土环境生态安全评价模型,
揭示灌区水土环境生态安全在多时空尺度上的发展态势与演变规律㊂以期为研究区今后寻求生产需求-生态平衡之间的保护机制提供参考依据，从而有助于合理开发干旱区水土资源，高效调节生产与生态之间的协调性与矛盾性㊂
1㊀研究区概况与数据来源
1.1㊀研究区概况
景电灌区地处甘肃省中部(37ʎ26ᶄ 38ʎ41ᶄN,103ʎ20ᶄ 104ʎ04ᶄE)，其地理位置处于甘㊁宁㊁蒙三省的交界地带，气候条件属于典型的温带大陆性气候㊂图1为景电一期灌区地理位置图㊂该地区干旱少雨，昼夜温差大，春季多风，夏季炎热；年日照时数
长达2714h，无霜期约190d，年平均气温约8.77ħ,
多年平均降雨量185.6mm，降水多集中在6 9月，多年平均蒸发量2433.8mm㊂自灌区提水灌溉以来,
由于长期有灌无排的灌水模式，导致该地区部分区域
地下水位逐步升高㊁地下水化学特征不断改变，再加上灌区高蒸发㊁低降雨和独特的地形地貌因素，引发该区域一系列水土环境问题逐步显现，同时，基于水热传输所引发的水盐运移㊁植被覆盖变化以及土地利用类型变迁等问题，进一步对灌区内水土环境的生态安全带来了挑战，上述问题已经严重制约了当地社会经济以及生态文明的建设[17-18]㊂
1.2㊀数据来源
本研究的代表性年份分别选定为1994年景电灌
区全面建成，灌区总灌溉面积达到3.47万hm 2，年
提水量2.66亿m 3;2006年灌区配套设备基本完成，灌溉面积4.80万hm 2，年均提水量4.51亿m 3;2018
年代表灌区运行现状，灌区总灌溉面积为6.05万hm 2，年提水量为4.60亿m 3㊂各指标因子具体数据获取来源如下:(1)高程㊁坡度由地理空间数据云网站(http:
//www.gscloud /)下载研究区GDEMV230m 分辨
率数字高程数据，并通过ArcGIS10.2分析提取,DEM 数据如图2(a)所示㊂(2)地下水数据由研究区
布设的16个地下水监测井提供长序列监测数据，地下水监测井分布如图2(b)所示㊂(3)植被覆盖度通过ENVI5.3提取各年份NDVI 指数㊂(4)土壤盐渍状
态通过土钻采样收集22个典型采样点0~100cm 的土壤样本并带回实验室提取分析土壤含盐量，土壤采样点分布如图2(c)所示㊂(5)地表灌水量由区域内布设的14个水量监测设备获取㊂水量监测设备分布如图2(d)所示㊂(6)其余各指标因子数据通过甘肃省景泰川电力提灌管理局㊁‘景泰川灌区历年土地调查报告“(1971 2018)㊁‘甘肃水利年鉴“㊁景泰川地下水资源概况㊁‘景电灌区土壤次生盐渍化及其生态效应研究“获取研究区不同年份的生态环境资料以及相关农业生产活动资料㊂
2㊀研究方法
2.1㊀基于PSR 模型构建评价指标体系干旱区人工绿洲是通过人工调水灌溉方式在我国
㊀㊀㊀㊀㊀
徐钰德，等ʊ干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析
图2㊀DEM 数据及采样点分布
Fig.2㊀DEM data and sampling point distribution
西北干旱荒漠区建立的区域性生态环境，旨在解决我国西北荒漠地区水土环境不协调㊁土地资源利用低下等问题㊂其水土环境演变是多指标参与㊁多要素关联及多层次驱动的复杂模糊过程，主要受水文地质驱动与自然-人类驱动的影响㊂在构建水土环境生态安全评价指标体系时，为满足评价体系构建过程中各指标需满足的针对性㊁相对独立性以及全面性㊂基于压力-状态-响应(press-state-response,PSR)模型，以因果关系为基础，用压力变量反映人类活动及自然因素对水土环境形成的威胁，用状态变量反映由压力变量引起的水土环境可测特征，用响应变量来反映为改善水土环境问题所采取的行动，综合构成人类
与环境之间的压力-状态-响应关系㊂地形因素的微观驱动㊁地下水因素㊁土地负荷及开发状态的变迁对水土环境生态系
统施加一定压力㊂在压力层面可采用高程X 1㊁坡度X 2㊁地下水埋深X 3㊁地下水矿化度X 4㊁单位面积土地农药负荷X 5㊁单位面积土地化肥负荷X 6㊁人口密度X 7㊁土地垦殖率X 8指标来表现㊂由压力引起的水土环境反馈状态可由土壤盐渍化程度X 9㊁植被覆盖度X 10㊁水土协调度X 11㊁土地自然受灾害面积比重
X 12㊁水土流失程度X 13等指标表现㊂人类对水土环境生态系统的改变做出响应来实现人与水土环境和谐
发展，可用灌溉水利用系数X 14㊁有效灌溉比X 15㊁灌区水土环境生态安全治理投资占比X 16㊁土地自然灾
害防治率X 17㊁灌区土地盐渍化治理率X 18作为评价指标来表现㊂最终构建出以水土环境生态安全为目标层，以压力㊁状态㊁响应为准则层的评价体系，如
表1所列㊂
2.2㊀数据处理与指标权重确定
考虑到随机误差项序列往往因为蛛网现象及数据加工处理而产生较强的自相关性，即随机误差项序列
㊀㊀㊀㊀㊀表1㊀水土环境生态安全评价指标体系
Table 1㊀Evaluation index system of ecological security of
soil and water environment
目标层要素层
指标层水土环境安全
压㊀力
状㊀态
响㊀应
X 1高程/m
X 2坡度/(ʎ)
X 3地下水埋深/m
X 4地下水矿化度/g㊃L -1
X 5单位面积土地农药负荷/kg㊃hm -2
X 6单位面积土地化肥负荷/kg㊃hm -2
X 7人口密度/人㊃km -2
X 8土地垦殖率/%X 9土壤盐渍化程度/%X 10植被覆盖度/%X 11水土协调度/%
X 12土地自然受灾害面积比重/%
X 13水土流失程度/%X 14灌溉水利用系数/%X 15有效灌溉比/%
X 16灌区水土环境生态安全治理投资占比/%
X 17土地自然灾害防治率/%
X 18灌区土地盐渍化治理率/%ε1,ε2, ,εn 相邻之间存在相关关系，且各期误差
并不是独立的㊂同时在进行多源数据耦合叠加时，不同变量之间容易产生彼此相关的现象，即多重共线性，为确保分析结果更加稳定，后文中所分析的数据均已在源数据基础上进行了差分变换与岭回归分析，处理过程参照程书生[19]㊁信玉翠等[20]的研究㊂水土环境是多因素综合作用下的复杂体系，各指标之间存在较强的模糊性，为评判各指标因子的作用效果，需尽可能客观地对评价指标进行赋权，本文通过采用熵权法利用信息熵来反应各指标值的变异性，若某项指标的变异性越大，则该指标对整个评价体系的贡献度就越高，即权重越大，计算过程如下[21]㊂
2.2.1㊀数据标准化
由于水土环境生态安全评价体系是由多层非一致
徐钰德，等ʊ干旱区人工绿洲水土环境生态安全演变分析
量纲指标所构建的，在熵权计算前，需要先将各指标的量纲影响进行标准化，结合研究体系所采取的指标性质，本文采用正向极值法与负向极值法对各研究指标进行标准化处理，然后根据标准化结果再进行综合标准化计算，过程如下㊂
若为正向指标
y ij =
x ij -min(x ij )
max(x ij )-min(x ij )(1)㊀㊀若为负向指标
y ij =
max(x ij )-x ij
max(x ij )-min(x ij )(2)㊀㊀综合标准化计算
p ij =
y ij ðn
i =1
y ij (3)
式中,p ij 为第i 个系统第j 项指标的综合标准化值;y ij 为第i 个系统第j 项指标的标准化分值;n 为评价单元数量㊂
2.2.2㊀评价指标熵值计算
E i =
-ðn
i =1
p ij ln p ij ln n
(4)
式中,E i 为各指标信息熵㊂
环境安全2.2.3㊀评价指标熵权计算
w i =
1-E i
m -
ðm
i =1
E i (5)
式中,w i 为各指标权重值㊂
2.3㊀物元分析
物元分析法是上个世纪80年代由我国学者蔡文提出为解决一系列矛盾问题而建立的理论方法，其将问题归一化为相容及不相容体系，通过数学方法引入关联度的概念，可以将各指标信息进行多层面嵌套耦合，能够全面且客观的反映某一问题的具体状态，常用于评价生态环境状态以及水资源承载力等[16,21]
,
故本文引入物元分析方法构建灌区水土环境生态安全
评价模型㊂
2.3.1㊀确定水土环境安全度物元
物元分析中，由 事物㊁特征㊁量值 作为描述事物的基本元，并由事物N 及其特征向量C 和特
征量值v 共同构成水土环境生态文明物元R =(N ㊁C ㊁v )㊂假设事物N 包含n 个特征，分别用c 1,c 2, ,c n 来表示，以v 1,v 2, ,v n 来表示各特征对应的量值，表示为
R =N c 1v 1c 2v 2︙︙c n v n éëêêêêêùûúúúúú=R 1R 2︙R n éëêêêêêùû
úúú
úú(6)式中,R 为n 维灌区水土环境生态安全模糊物元，记为R =(N ,c ,v )㊂
2.3.2㊀确定经典域、节域
灌区水土环境生态安全的经典域物元矩阵可表示为
R oj =(N oj ,c i ,v o )=N oj
c 1
<a oj 1,b oj 1>c 2<a oj 2,b oj 2>︙︙c n
<a ojn ,b ojn >éë
êê
ê
êêù
û
ú
ú
ú
úú(7)
式中,R oj 为经典域物元;N oj 为所划分水土环境生态安全的第j 个评价等级(j =1,2, ,n );c i 为第i 个评价指标；区间<a oji ,b oji >对应评价等级j 的量值范围，即经典域㊂
灌区水土环境生态安全的节域物元矩阵表示为R p =(N p ,C i ,V pi )=N p c 1<a p 1,b p 1>c 2
<a p 2,b p 2>︙︙c n <a pn ,b pn >éë
êê
ê
êêù
û
ú
ú
úúú(8)
式中,R p 为节域物元;v pi =<a pi ,b pi >为节域物元关于特征c i 的量值范围;p 为水土环境生态安全等级㊂
2.3.3㊀确定关联函数
水土环境生态安全指标关联函数K (X )的定义为
K (X i )=-ρ(X ,X o )X o ,X ɪX o
ρ(X ,X o
)
ρ(X ,X p )-ρ(X ,X o ),X ∉X o
ìîíïïï
ïï(9)
㊀㊀其中
ρ(X ,X o )=
X -12(a o +b o )-1
2
(b o -a o )(10)ρ(X ,X p )=
X -12(a p +b p )-1
2
(b p -a p )(11)式中,ρ(X ,X o )为点X 与有限区间X o =[a o ,b o ]的距离;ρ(X ,X p )为点X 与有限区间X p =[a p ,b p ]的距
离;
X o =b o -a o ,X ,X o ,X p 为待评价水土环
境生态安全物元的量值㊁经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围㊂2.3.4㊀确定综合关联度
水土环境生态安全评价对象N 关于等级j 的综
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