4.3 土地生态系统安全预警指标警限的确定
警限通常用来表示警情严重程度的等级分界线，但也可以看作是各种状态之间的临界值。这里将警限认为是某个预警指标有警和无警与警情严重程度的等级分界线。在土地生态系统的安全预警过程中，警限的确定异常关键，其结果将直接影响研究的结论。确立警限就等于建立起一套衡量土地生态系统警情严重程度的参照系，决策者可以通过与参照系的比较确定土地生态系统的发展模式和目标。参照系不同人们观察事物运动状态的结果就会不同。这一参照系确立的科学与否，也将直接影响到人们对事物运动状态的认识和价值取向。但警限的确定又是一个复杂的难题，一方面警限的确定是非常困难的，这是由于土地生态安全是一个多层次、多要素和多功能的复杂系统，不仅要考虑土地生态系统的问题，而且要将土地生态系统置于不同尺度的区域环境中进行分析；另一方面警情的严重程度本身就是一个模糊概念，“正常”与“不正常”，“有警”与“无警”都没有明确的分界线。分界线的确定不仅与评价对象有关，而且与评价主体已有的价值观念密切相关。对于土地生态系统的安全警限，首先要明确其确定的要求与方法，然后根据警限确立的要求针对类型不同指标而采用相适用的方法加以确定。
4.3.1 警限确定的要求
（1）保障土地生态系统的服务功能不受破坏；
（2）既要与当前的社会经济水平相适应，又要有利于促进经济增长、社会稳定和自然保护目标的实现；
（3）能反映土地生态安全受影响的范围和程度，并尽可能量化；
（4）具有一定的先进性和超前性，能满足未来土地生态安全的功能需求；
（5）根据地域特点不同，科学地确定预警指标的警限；
（6）只是相对的参考值，具有阶段性，随着社会经济和自然环境的变化而不断发展和丰富。
4.3.2 警限确定方法
在总结警限确定现有方法的基础上，归纳得出，目前警限确定方法主要有两大类，一是相对确定法，二是绝对确定法。
4.3.2.1 相对确定法
相对确定法就是根据区域性、时间性、指标数据本身的分布情况，采取一系列的数学处理方法来确定警限，包括系统化方法、控制图方法、突变论方法等。
（1）系统化方法。
这种方法从定性分析出发，根据各种并列的原则或标准来研究警限，然后综合各种研究结果，从而得出科学的结论。但是这种方法确定的土地生态安全警限在理论上是否合理，实践上是否可行，还值得探讨。所以重要的是要在对大量历史数据进行定性分析的基础上，结合当前的实际情况和以往的经验，综合多方面意见进行适当的调整。系统化方法的原则主要有以下几点。
①多数原则。根据多数原则确定警限，是指通过定性分析，对过去相当长一段时间内的预警对象发展的总体情况持基本肯定态度，认为过去绝大多数情况下，其预警指标处于无警状态。在这种定性认识的基础上，将各类预警指标的时间序列数据重新由小到大排列，从最大值往下，选择占总数2/3的数据区间作为安全区间，即有警和无警的分界线。在剩余的1/3数据区间中再划分轻警警限、中警警限、重警警限和巨警警限。这时既可以是等距划分，也可以按实际情况进行划分。
②半数原则或中数原则。基本思想和多数原则相似，但所作的定性分析的结论不同，认为警情指标至少有一半以上年份处于无警警限，否则就无法解释预警对象发展的成就，所以应取指标的中位数为无警警限。
③均数原则。均数原则认为预警对象发展状况没有理由低于历史的平均水平。历史的平均水平是一个分水岭，若实际的预警指标低于历史平均水平，就意味着“今不如昔”，存在警情。所以应取历史平均水平作为无警警限的下限，这里的历史平均水平既可以是算术平均，也可以是加权平均。
④少数原则。少数原则是指采用大多数人公认的预警对象发展过程中的黄金年份的预警指标的下限为无警警限。也就是将黄金年份的预警指标分为高、低两组，一般以中位数为界，然后扣除个别极端值，如负增长率，再求低值组的平均值作为无警警限的下限。
⑤众数原则。预警指标的无警警限下限是其他区域所达到的相当长一段时期内的平均水平，如果达不到这一平均水平，说明与其他区域的差距拉大，有落伍的危险，即警情。
⑥负数原则。凡是零增长或负增长均属于有警警限，其他以5个百分点确定，轻警是0～-4.9，中警是-4.9～-9.9，重警是-9.9～-14.9，巨警是-14.9以上。
（2）控制图方法。
控制图法确定警限的思路来自控制图报警系统的原理。控制图中的报警系统是由异常点来启动的，而异常点的判断则取决于小概率事件的发生。控制图的使用既要考虑当控制对象处于稳定状态时，保证报警系统具有保持稳定状态的能力，即较少地虚发警报，又要考虑当控制对象出现异常波动时，能及时地发现警报，即具有一定的检出能力。
控制图本是全面质量管理的核心。其基本原理是，设要控制管理的某道工序的质量指标ζ服从正态分布N（μ，σ2），则当这道工序处于正常生产状况时，其产品的质量指标ζ应以99.73%的概率落在［μ-3σ，μ＋3σ］范围之内。当质量指标ζ落在范围［μ-3σ，μ＋3σ］之外，即小概率事件发生时，便认为工序受到了异常因素的干扰而不再处于正常状态，需马上报警以提示操作者加以修正。
控制图法确定警限的前提是假设所确定的预警指标服从正态分布N（μ，σ2），但预警指标的μ和σ都是未知的，只能用样本值来估计，采用最大相关法随机抽取样本。由于所取样本变量是一种特殊变量，即标准偏差值，它在被抽取的样本群体中是服从正态分布的，所以样本也服从正态分布。根据样本均值-μ和样本方差-σ确定的警限，即预警指标的安全区间是［-μ--σ，-μ＋-σ］。这种方法较适用于服从正态分布的预警指标，如房地产指数预警等。
（3）突变论方法。
突变论原意指突然发生的灾难性变化，预警系统就是要防止这种灾难性变化的发生，因此突变论就成了确定预警指标警限大小的定量化数学方法。
突变论方法确定警限的原理是在分析预警指标变化的内在规律的基础上，建立起数学模型，并运用几何上的拓扑学、奇点、微分方程定性理论和稳定性数学理论，来研究预警指标发生非连续突变的临界点，即警限。突变论确定警限的优点在于理论上的严谨性和科学性，但对数学要求很高，数学分析非常困难，不过突变论方法是预警指标确定警限的理想方法，因此是今后努力的方向。
4.3.2.2 绝对确定法
绝对确定法是指根据可以参考的一些现有的标准来确定指标警限，其中，已制定的标准有国际、国家、行业和地方规定的标准等。
（1）国际、国家、行业和地方规定的标准。
国际标准为国际相关组织与部门发布的一些有关标准，如关于物种多样性的濒危及极度濒危的量化与保护物种的名称等。
国家已发布的环境质量标准，如农田灌溉水质标准（GB5804-92）、保护农作物大气污染物最高允许浓度（GB9137-88）、农药安全使用标准（GB4285-89）、地面水环境质量标准（GB3838-88）、粮食卫生标准（GB2715-81）以及城市区域环境噪声标准等。
行业标准指行业发布的环境评价规范、规定、设计要求等。
地方标准指地方政府颁布的标准、规范等。如化肥农药使用标准、规划区目标、河流水系保护要求、特别区域的保护要求（如绿化率要求、水土流失防治要求）等。
（2）背景和本底标准。
以工作区域生态环境的背景值和本底值作为评价标准，如区域植被覆盖率、区域水土流失本底值、生物生产量、生物多样性等。这一类分类基准适合资料跨越时间长、数据丰富，且无相关标准的指标。
（3）类比标准。
以未受人类严重干扰的相似生态环境或以相似自然条件下的原生自然生态系统作为类比标准；以类似条件的生态因子和功能作为类比标准。如类似生境的生物多样性、植被覆盖率、蓄水功能、防风固沙能力等。类比标准须根据评价内容和要求科学地选取。
（4）科学研究已判定的生态效应。
通过当地或相似条件下科学研究已判定的保障生态安全的绿化率要求、污染物在生物体内的最高允许量、特别敏感生物的环境质量要求等，均可作为评价的标准或参考标准应用。
此外，土地生态系统安全预警涉及的指标类型多、数量大，要确定某一时点每个指标的绝对临界值并不是容易的事情。更有一些指标虽然对整个土地生态系统安全预警具有实质性的意义，但目前并不存在绝对临界的参考值，这部分指标要靠研究者结合专家经验知识和研究区域的实际来确定警限的绝对标准。警限确定的经验性取决于参加确定专家的知识水平、判断能力以及经验和资料的掌握程度。这种方法不足之处在于警限确定不够精确（会出现判断偏差），这就要求对征集的各个领域专家意见加以综合、整理和归纳，再将整理的结果反馈给各位专家，以便进一步分析判断并提出新的意见，如此经过多次集中和反馈，最终使专家意见趋于一致。
4.3.3 警限确定的原则
在预警指标警限确定时，应该综合以上各种方法择优使用，在此提出以下几项原则可供参考，以便在涉及具体研究区域时灵活运用。
（1）凡已有国际、国家、行业和地方规定的标准的指标尽量采用规定的标准。已有生态建设目标的按其目标标准确定警限。
（2）对于无相关标准的指标，而且其资料跨越时间长，数据丰富，宜采用系统化方法，通过对研究区域土地生态系统演化的历史资料作系统化分析，根据指标不同采用合适的原则确定警限。也可以通过以研究区域预警指标的背景值和本底值作为评价标准。
（3）对于无相关标准的指标，而且其资料数据跨越时间短，但具有其他未受人类严重干扰的指标或相似类型的指标作为参考，宜通过与其他区域类型相似指标的现状或生态建设目标作横向对比，来确定研究区域预警指标所处的状态，从而确定警限。
（4）对于无相关标准的指标，而且其资料数据跨越时间短，但指标变化符合一定规律，宜通过一定数学方法确定警限。符合正态分布的预警指标可按照控制图方法确定；指标变动内在规律能够分析清楚（比较明确），可以利用突变论原理，通过建立数学模型来确定警限。
（5）对那些目前统计数据不十分完整，但在指标体系中又十分重要的指标，在缺乏有关指标统计前，可以依据各个领域专家的集体智慧和经验，对研究区域土地生态系统安全预警指标的警限进行判断。通过征集各个领域专家的意见，并经过多次集中和反馈意见后，再从不同的结论中找出共同的结果，以此确定警限。
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