孟 展，張 銳，劉友兆，錢 旭

伴隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化建設進程快速推進，導致土地生態(tài)環(huán)境日趨惡化、土地污染負荷加重、土地質量下降等一系列問題，土地生態(tài)系統(tǒng)健康面臨一定威脅［1］。因此，開展土地生態(tài)系統(tǒng)健康研究，優(yōu)化土地生態(tài)系統(tǒng)健康的改善途徑，提高土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平，對于加強生態(tài)文明建設，保障我國生態(tài)安全，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

目前關于土地生態(tài)系統(tǒng)健康的研究主要集中在土地生態(tài)系統(tǒng)健康內涵、土地生態(tài)系統(tǒng)健康機理、土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價以及土地生態(tài)系統(tǒng)健康管理等幾個方面［2－7］?？傮w來看，土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究尚屬起步階段，定性分析相對較多，定量研究較少；評價指標多集中于資源與環(huán)境狀況，很少綜合考慮人類活動、社會經(jīng)濟等對系統(tǒng)健康評價的影響；評價方法主要采用主觀確定評價指標權重與某一時間點的靜態(tài)評價，缺少對土地生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)發(fā)展的研究。因此，本研究在界定土地生態(tài)系統(tǒng)健康內涵的基礎上，構建了基于PSR模型的土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，運用熵權系數(shù)模型、灰色預測模型對土地生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)評價進行實證研究，診斷土地生態(tài)系統(tǒng)健康的障礙因子，以期為土地生態(tài)系統(tǒng)實施可持續(xù)性管理和合理利用提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 指標體系的構建

土地生態(tài)系統(tǒng)是由一定區(qū)域的土壤、巖石、水文、植被、土壤、氣候等環(huán)境要素所組成的具有一定結構與功能的綜合系統(tǒng)［5，7］。土地生態(tài)系統(tǒng)健康主要包括兩個方面的含義，一是土地生態(tài)系統(tǒng)在人類利用土地資源過程中，自身結構合理，功能得到正常發(fā)揮；二是土地生態(tài)系統(tǒng)對人類健康，即土地生態(tài)系統(tǒng)所產生的綜合效益能夠滿足人類的需要［2，8］。土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價是以整個土地生態(tài)系統(tǒng)為評價對象，對特定時刻、特定區(qū)域的自然生態(tài)要素和社會經(jīng)濟要素進行的綜合評價，診斷由人類活動與自然因素引起的系統(tǒng)破壞與退化程度，以便為管理者提供決策［8－9］。

PSR概念模型是由聯(lián)合國OECD和UNEP提出的［10－11］，該模型以因果關系為基礎，主要目的是評價生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)性，分析生態(tài)系統(tǒng)內在的因果關系，尋找人類活動與生態(tài)環(huán)境影響之間的因果鏈（從生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力出發(fā)，探討生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能，制定緩解生態(tài)系統(tǒng)壓力的政策措施），得到較為普遍的認可與應用［12－13］。因此，本研究借鑒PSR概念模型作為土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的基本框架：人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展給土地生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的壓力（P）；人類不斷開發(fā)資源，通過社會經(jīng)濟活動向土地生態(tài)系統(tǒng)排放污染，改變了土地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能狀態(tài)（S）；壓力之下，土地生態(tài)系統(tǒng)在原有狀態(tài)基礎上做出反應，同時反饋于社會經(jīng)濟的發(fā)展過程；人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的反饋進一步做出響應（R），進行政策調整、環(huán)境保護等，改善土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，使之保持良好的結構與功能，進而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［9，13－14］。

因此，本研究從土地生態(tài)系統(tǒng)健康內涵、PSR概念模型出發(fā)，遵循指標選取的科學性、可獲取性、系統(tǒng)性和可比性等原則，在參考相關文獻的基礎上［4－9］，構建了土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系（表1）。

表1 土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及其標準值

1.2 評價模型建立

1.2.1 標準化處理 為了統(tǒng)一各評價指標的單位與量綱，采用極差法［9，15］對數(shù)據(jù)標準化處理，具體計算公式為：

（1）正向作用指標：

（2）負向作用指標：

式中：Xij，Xij′——第i年第j項指標的原始值和標準化值；maxXj，minXj——第j項指標的標準最大值和標準最小值。標準值（健康值、病態(tài)值）的確定主要參考國家、地方、行業(yè)及國際相關標準，研究區(qū)域本底背景值，全國平均水平等［7，12，14］。

1.2.2 指標權重的確定 土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價是一個多指標定量綜合評價的過程，指標權重確定具有舉足輕重的地位，將直接關系到土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果的準確性［9］。為了避免人為因素的影響，使評價指標權重確定更加具有科學性，采用客觀賦權法中的熵值法來確定指標權重。熵值法根據(jù)評價指標變異程度的大小來確定指標權重，指標變異程度越大，信息熵越少，該指標權重值就越大，反之越小［16］。在熵值法的計算過程中，運用了對數(shù)和熵的概念，根據(jù)相應的約束規(guī)則，負值和極值不能直接參與運算，應對其進行一定的變換，即應該對熵值法進行一些必要的改進；改進的辦法主要有兩種：功效系數(shù)法和標準化變換法，本研究采用標準化變換法對熵值法進行改進［17］。用改進的熵值法確立評價指標權重［16－17］。

（1）評價指標標準化處理。由于不同的指標具有不同的量綱和單位，為了消除量綱和量綱單位的不同所帶來的不可公度性，需要對指標數(shù)據(jù)用標準化法進行變換：

式中：Xij″——標準化后的指標值；ˉXj——第j項指標的均值；sj——第j項指標的標準差。

（2）為了清除負數(shù)，進行坐標平移。

式中：Xij?——平移后的指標值；H——指標平移的幅度。

（3）計算第j項指標下的i個樣本值的比重：

（4）計算第j項指標的熵值ej。

其中，k＞0，ej＞0。如果Xij?對于給定的j全部相等，那么，

此時ej取極大值，即。若設k＝1／lnm，ej＝1，所以0≦ej≦1。

（5）計算第j項指標的差異性系數(shù)gj。

（6）定義第j項指標的權重wij。

1.2.3 計算綜合指數(shù) 采用綜合指數(shù)模型對土地生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價，綜合指數(shù)模型［1］的表達式為：

式中：F——土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)；wi——第i子系統(tǒng)權重；wij——第i子系統(tǒng)第j項指標權重；n——第i子系統(tǒng)所包含的指標數(shù)。F越接近1，表示土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況越好。在借鑒國內外生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分的基礎上［2，9］，將土地生態(tài)系統(tǒng)健康級別分為：病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)、亞健康和健康5個等級（表2）。

表2 土地生態(tài)系統(tǒng)健康分級標準

1.3 灰色預測模型

灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍［18］于1982年提出并加以發(fā)展的，它是研究解決灰色系統(tǒng)分析、建模、預測、決策和控制的理論；灰色預測模型是對灰色系統(tǒng)所做的預測，它是通過少量的、不完全的信息，建立數(shù)學模型并做出預測的一種預測方法。灰色預測模型GM（1，1）的建模步驟為［19－20］：

（1）收集原始數(shù)據(jù)形成數(shù)列x（0），對原始數(shù)列作一次累加生成處理，得到一個新的數(shù)列x（1）；

（2）將x（1）的變化趨勢近似地用微分方程描述：

式中：a，u——辨識參數(shù)，二者可以通過最小二乘法擬合得到。

（3）構造矩陣B，YN，計算＝（BTB）－1BTYN＝［a，u］T

（4）求出預測模型：

（5）進行精度檢驗（殘差檢驗、后驗差檢驗），檢驗過程具體參見文獻［20］。一般來說，GM（1，1）模型的檢驗通過后驗差檢驗即對殘差分布的統(tǒng)計特性來判斷效果，通過方差比C和小殘差概率P的值來判斷［21］（表3）。若檢驗結果可用，則可利用灰色預測模型GM（1，1）進行預測；否則，建立殘差模型對其進行修正。

表3 后驗差檢驗判別參照標準

2 實證分析：以四川省為例

2.1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

四川省地處長江上游，東與重慶市接壤，南與云南、貴州省相連，西鄰西藏自治區(qū)，北接青海、甘肅、陜西省。轄區(qū)東西長約1 075km，南北寬約921km，幅員面積4.85×105km2，為我國第5大省區(qū)，現(xiàn)轄18個地級市和3個自治州。四川省資源豐富，光熱條件好，是我國重要的農業(yè)經(jīng)濟區(qū)和糧食主產區(qū)；然而隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，建設用地規(guī)模持續(xù)擴張，耕地資源數(shù)量銳減，土地生態(tài)功能減弱，水土流失嚴重，土壤污染加劇，土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況亟待改善［9］。

土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標數(shù)據(jù)主要來源于《四川統(tǒng)計年鑒（2000—2011年）》，《四川農村統(tǒng)計年鑒（2000—2011 年 ）》，《中 國 統(tǒng) 計 年 鑒 （2000—2011年）》，《中國農村統(tǒng)計年鑒（2000—2011年）》，《中國農業(yè)年鑒（2000—2011年）》和四川省土地利用變更調查數(shù)據(jù)。

2.2 結果分析

收集四川省有關土地生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標數(shù)據(jù)，經(jīng)分析整理后，按照改進的熵值法確定各評價指標的權重（表4）。根據(jù)前文提供的研究方法，得到四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價結果以及分類指標評價結果（圖1）。

2.2.1 綜合評價結果 對1999—2010年土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)變化走勢分析表明，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體處于改善上升趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況將會得到進一步改善。四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)由1999年的0.481 3上升到2010年的0.637 2，土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不斷好轉，年均增長率達到2.94%，表明土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平不斷提高。根據(jù)土地生態(tài)系統(tǒng)健康分級標準（表2），四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康等級由“臨界狀態(tài)”轉變?yōu)椤皝喗】怠?。研究發(fā)現(xiàn)，1999年以來四川省經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展，人們收入水平不斷提高，生態(tài)保護意識不斷加強；單位耕地面積農業(yè)機械動力有效增加，耕地糧食單產持續(xù)提高；不斷加強生態(tài)環(huán)境保護建設，加大了對廢水、廢氣污染的控制力度，有效加強水土流失治理，水土流失治理率持續(xù)增加，促進了土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況改善，提高了土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

圖1 四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果

表4 四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標及其權重

但2010年土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平不高，有待于進一步改善四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。分析結果表明，目前四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康的制約因素主要包括人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地化肥負荷、單位耕地農藥負荷、人均建設用地等。雖然四川省一直致力于水土流失的綜合治理，但由于易水土流失區(qū)域較大，且存在反復的現(xiàn)象，目前水土流失程度仍較大，還需加大治理力度，有效保護土地資源。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，固定資產投資增長速度明顯提升，國內生產總值持續(xù)增長，但這種高速增長是以資源高消耗為代價的，建設用地規(guī)模不斷擴大，耕地面積持續(xù)減少，土地集約利用水平較低。與此同時，單位面積耕地農藥施用量、單位面積耕地化肥施用量不斷增加，制約了土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

2.2.2 分類指標對比 1999—2010年壓力指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢，從0.678 1下降到2010年的0.601 9，表明土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力現(xiàn)狀有所惡化（負向指標，數(shù)值越小，生態(tài)壓力相對越大）［9］，人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾有所強化。根據(jù)曲線的形狀可以將壓力指數(shù)的變化分為4個階段，第1階段（1999—2000年）：壓力指數(shù)下降幅度較大，遞減率為6.33%；第2階段（2000—2001年）壓力指數(shù)緩慢上升，增長率為3.04%；第3階段（2001—2009年）：壓力指數(shù)緩慢下降，遞減率為2.64%；第4階段（2009—2010年）：壓力指數(shù)上升幅度較大，增長率為16.62%。由此可見，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力不斷增加，但近年來壓力有所緩解。

研究期間狀態(tài)指數(shù)呈波動下降趨勢，2010年狀態(tài)指數(shù)是1999年的0.99倍，下降幅度相對較小。除2006年以外，其它年份的響應指數(shù)均逐年增大，發(fā)展水平迅速提高，2010年響應指數(shù)是1999年的4.22倍，年均增長率為29.24%。由圖1可知，1999—2005年響應指數(shù)增長幅度較大，年均增長率為35.00%，它的提高有利于土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的改善；2006—2008年響應指數(shù)增長幅度較小，年均增長率僅為9.26%。

2.2.3 模型預測結果 以圖1中1999—2010年的土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)作為原始數(shù)據(jù)，構成數(shù)列，對原始數(shù)列作一次累加生成處理，得到一個新的數(shù)列x（1），構造矩陣B，YN：

根據(jù)公式～a＝（BTB）－1BTYN＝［a，u］T，求得～a＝［－0.0271，0.4558］T，將～a 帶入響應函數(shù)得到預測模型：

根據(jù)GM（1，1）模型的建立思路，預測四川省1999—2010年土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，預測模型的平均相對誤差百分比為1.625 2%，不超過5%，說明預測模型精度高；其次，預測模型的方差比C＝0.227 0，小殘差概率P＝1，都落在模型精度檢驗精度“優(yōu)”范圍，所以判斷所建預測模型效果很好［21］。運用GM（1，1）模型對四川省2011—2015年土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)進行預測計算，結果如圖2所示。GM（1，1）模型是基于灰色累加生成序列的方法上建立的，在預測結果上表現(xiàn)出較強的規(guī)律性，適合于短期內系統(tǒng)變動趨勢關聯(lián)度預測［18－19］。由圖2可見，1999—2010年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)曲線與GM（1，1）模型預測綜合指數(shù)曲線基本吻合，2011—2015年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢，年均增長率為2.86%。

圖2 四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價及預測

3 結論

（1）研究結果表明，1999年以來四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體不斷提高，2010年土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)是1999年的1.32倍，且等級由1999年的“臨界狀態(tài)”轉變?yōu)?010年的“亞健康”；壓力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢，響應指數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢；土地生態(tài)系統(tǒng)健康的制約因素主要包括人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地化肥負荷、單位耕地農藥負荷等；從2011—2015年的土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)預測結果來看，今后幾年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展保持良好態(tài)勢。

（2）為了促進土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平不斷提升，進一步轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，推動經(jīng)濟結構戰(zhàn)略性調整，優(yōu)化產業(yè)升級布局，加強土地利用監(jiān)督管理，有效增加土地利用集約度，降低經(jīng)濟增長對土地資源的過度消耗；大力發(fā)展綠色農業(yè)，加快推進農業(yè)科技創(chuàng)新，合理施用農藥、化肥，減少對土地資源的污染；積極開展農村土地整治，加強高標準基本農田建設，增加有效耕地資源面積；持續(xù)增加環(huán)境保護投入，加大環(huán)境治理力度，有效控制水土流失程度。

（3）通過對1999—2010年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的實證分析表明，PSR模型以因果關系為基礎，綜合考慮人類活動、社會經(jīng)濟、資源環(huán)境之間的相互關系，改變現(xiàn)有研究主要關注資源環(huán)境的狀況，能更準確地反映土地生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟發(fā)展目標與管理決策之間的相互依存、相互制約的關系；基于PSR模型的評價指標體系能夠實現(xiàn)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價。

（4）傳統(tǒng)綜合評價中，缺少對土地生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)發(fā)展的研究，而以熵權綜合評價為基礎的GM（1，1）灰色預測模型對土地生態(tài)系統(tǒng)健康進行動態(tài)評價，能夠得到更客觀、更全面的評價結果：熵值法根據(jù)評價指標間的離散程度，用信息熵來確定指標的權重，可以克服一些主觀賦值法所帶來的結果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在一定程度上改善和提高了綜合評價的質量；灰色預測模型GM（1，1）的數(shù)據(jù)量要求較小，預測模型精度較高，具有較強的實用性和有效性，是比較理想的預測方法；熵值法與灰色預測模型適用于土地生態(tài)系統(tǒng)健康的動態(tài)評價，有利于提高土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

（5）本研究作為一種研究方法的探討，構建了基于PSR模型的土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，嘗試性地將熵值法和灰色預測模型運用到土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中，基本達到預期的研究目的。由于此類研究尚不多，土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標選擇、評價標準的確定等問題有待進一步深入研究。

［1］ 孫丕苓，楊海娟，劉慶果.南水北調重要水源地的土地生態(tài)安全動態(tài)研究［J］.自然資源學報，2012，27（9）：1520－1530.

［2］ 張繼權，鄒桃紅，路興昌，等.模糊綜合評判在土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應用［J］.科技導報，2011，29（19）：34－39.

［3］ Leopold A.Wilderness as a land laboratory［J］.Living Wilderness，1941，6（7）：2－3.

［4］ Benites J R.Land and Water Development Division［M］.Rome：FAO，1996.

［5］ 陳美球，劉桃菊，黃靚.土地生態(tài)系統(tǒng)健康研究的主要內容及面臨的問題［J］.生態(tài)環(huán)境，2004，13（4）：698－701.

［6］ 郭瓊.基于SPSS軟件的主成分分析法探析：榆次區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價［J］.山西農業(yè)大學學報：自然科學版，2012，32（1）：58－62.

［7］ 梁喜波.土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價［D］.吉林 長春：吉林大學，2008.

［8］ 蔡為民，唐華俊，陳佑啟，等.土地利用系統(tǒng)健康評價的框架與指標選擇［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2004，14（1）：31－35.

［9］ 鄭華偉，張銳，楊興典，等.基于PSR模型的土地利用系統(tǒng)健康評價及障礙因子診斷［J］.長江流域資源與環(huán)境，2012，21（9）：1099－1105.

［10］ FAO Proceedings.Land Quality Indicators and Their Use in Sustainable Agriculture and Rural Development［R］.Proceedings of the Workshop Organized by the Land and Water Development Division FAO Agriculture Department，1997.

［11］ Rainer W.Development of Environmental Indicator Systems：Experiences from Germany［J］.Environmental Management，2000，25（6）：613－623.

［12］ 郭杰，吳斌.土地利用系統(tǒng)健康評價［J］.中國土地科學，2011，25（4）：71－77.

［13］ 仇蕾.基于免疫機理的流域生態(tài)系統(tǒng)健康診斷預警研究［D］.江蘇 南京：河海大學，2006.

［14］ 鄭華偉，張銳，劉友兆.基于物元分析的土地利用系統(tǒng)健康診斷［J］.中國土地科學，2012，26（11）：33－39.

［15］ 高珊，黃賢金.基于PSR框架的1953—2008年中國生態(tài)建設成效評價［J］.自然資源學報，2010，25（2）：341－350.

［16］ 鄭華偉.基于改進熵值法的耕地利用集約度評價［J］.新疆農墾經(jīng)濟，2010，29（4）：53－58.

［17］ 陶曉燕，章仁俊，徐輝，等.基于改進熵值法的城市可持續(xù)發(fā)展能力的評價［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（5）：38－41.

［18］ 劉思峰.灰色系統(tǒng)理論及其應用 ［M］.5版.北京：科學出版社，2010.

［19］ 郭銳利，鄭欽玉，劉娟，等.基于熵值法和 GM（1，1）模型的重慶城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價［J］.中國環(huán)境科學，2012，32（6）：1148－1152.

［20］ 周瑞平.GM（1，1）模型灰色預測法預測城市人口規(guī)模［J］.內蒙古師范大學學報：自然科學漢文版，2005，34（1）：81－83.

［21］ 戴亞南，賀新光.長株潭地區(qū)生態(tài)可持續(xù)性［J］.生態(tài)學報，2013，33（2）：595－602.