黃曉東，蒲春玲，宋建華，王承武，閆志明，張 影，劉 超

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會科學院經(jīng)濟研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

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基于突變理論的干旱區(qū)綠洲城市土地生態(tài)安全評價
——以烏魯木齊為例

黃曉東1，蒲春玲1，宋建華2，王承武1，閆志明1，張 影1，劉 超1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會科學院經(jīng)濟研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

摘 要：城市土地生態(tài)安全是城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。針對烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀特點，基于PSR框架及突變理論，構(gòu)建城市土地生態(tài)安全評價指標體系及突變級數(shù)模型，并運用突變級數(shù)法對2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全程度進行了評價。結(jié)果表明：2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全綜合安全等級經(jīng)歷了臨界安全（2009年）→較安全（2010—2012年）→臨界安全（2013年）的發(fā)展歷程；從各準則層來看，壓力系統(tǒng)安全水平逐年降低，安全等級經(jīng)歷了安全→較安全→不安全直線下降的發(fā)展歷程；狀態(tài)系統(tǒng)安全水平總體呈上升趨勢，安全等級經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發(fā)展過程；響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐漸上升，安全等級經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全→很安全直線上升的發(fā)展歷程；影響烏魯木齊市土地生態(tài)安全的指標因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負荷率、單位耕地農(nóng)藥負荷率、人口密度、人口自然增長率。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài)安全；PSR模型；突變理論；烏魯木齊

城市土地是城市形成與發(fā)展的基礎(chǔ)，是城市社會、經(jīng)濟、政治、文化等各項活動的載體［1］，在城市發(fā)展過程中的作用是不可替代的。城市土地生態(tài)安全是指人類賴以生存和發(fā)展的城市土地生態(tài)環(huán)境處于健康和可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。城市土地生態(tài)安全關(guān)系到城市的可持續(xù)發(fā)展，是城市土地可持續(xù)利用的核心，當前已經(jīng)成為城市土地可持續(xù)利用的熱點課題，引起眾多學者的關(guān)注。張小虎等［2］基于三角模型對河南省17個地市的城市土地生態(tài)安全進行區(qū)域差異分析；李靜等［3］對聊城市土地生態(tài)安全做了定性定量結(jié)合的評價研究；李明月等［4］以廣州市為研究區(qū)域，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法評價城市土地生態(tài)安全；袁磊［5］等基于NES框架，通過熵權(quán)物元模型對大慶市不同時段的土地生態(tài)安全進行評價研究；裴婷婷等［6］對白銀市的土地生態(tài)進行了評價，并根據(jù)綜合指數(shù)界定了白銀市土地生態(tài)的安全等級。城市土地生態(tài)安全系統(tǒng)具有聯(lián)動性、突變型、脆弱性等特點，現(xiàn)有研究缺乏對系統(tǒng)突變特性的考慮。為此，本研究將突變理論與模糊數(shù)學結(jié)合起來，將突變級數(shù)法應(yīng)用于城市土地生態(tài)安全評價，并定量評價了2009—2013年烏魯木齊市的土地生態(tài)安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)城市土地生態(tài)安全突變點，為進一步協(xié)調(diào)發(fā)展烏魯木齊的經(jīng)濟、社會和生態(tài)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，介于42° 45′～44°08′N、86°37′～88°58′E之間，地處天山山脈中段北麓、準噶爾盆地南緣，屬中溫帶大陸性干旱氣候。既是全疆的政治、經(jīng)濟、文化中心，又是第二座亞歐大陸橋中國西部橋頭堡和向西開放的重要門戶。2013年末烏魯木齊市七區(qū)一縣人口達262.93萬人，GDP占全疆25.9%。建成區(qū)面積從2009年的339 km2增加到2013年的391 km2，年均增加10.4 km2。耕地面積從2009年的802 km2減少到2013年的654 km2，年均減少29.6 km2。2013年工業(yè)廢水排放量達4889萬t，工業(yè)煙塵排放量5.2萬t，SO2排放量7.4萬t。烏魯木齊市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人口集聚效應(yīng)加強，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程加快，這必將對城市土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力，確保城市土地生態(tài)安全是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此對烏魯木齊市的土地生態(tài)安全進行評價研究勢在必行。

研究數(shù)據(jù)主要來自于2010-2014年《烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒》、2010-2014年《烏魯木齊市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、2010—2014年《新疆統(tǒng)計年鑒》以及各相關(guān)職能部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

突變理論由Rene Thom創(chuàng)立于20世紀70年代，其基本原理是利用拓撲理論構(gòu)造數(shù)學模型來描述、預測自然現(xiàn)象與社會活動中事物連續(xù)性中斷的質(zhì)變過程［7］。突變級數(shù)法是該理論的重要應(yīng)用之一，主要特點是首先對系統(tǒng)的總評價目標進行多層次矛盾分解，由指標層逐層向目標層綜合，確定各層的突變類型，然后將各層的控制變量帶入相應(yīng)的突變模糊隸屬函數(shù)，通過歸一化公式計算，求出總的隸屬度值，得出總的評價結(jié)果［8-11］。按照控制變量的維數(shù)不同，常用的突變類型有折疊突變、尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變（表1）。

表1 突變模型

1.3 評價指標體系構(gòu)建

針對烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀及存在的問題，在借鑒國內(nèi)相關(guān)研究成果［12-17］的基礎(chǔ)上，依據(jù)區(qū)域性、動態(tài)性、數(shù)據(jù)可得性及可量化等原則，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面的關(guān)系出發(fā)，自上而下、逐層分解，構(gòu)建了涵蓋目標層、準則層、因子層、指標層4個層次的烏魯木齊市土地生態(tài)安全評價指標體系（表2）和突變級數(shù)模型（圖1），并利用主成分分析法對各層次指標的重要性進行排序。

表2 烏魯木齊市城市土地生態(tài)安全評價指標體系

圖1 烏魯木齊市土地生態(tài)安全評價突變級數(shù)模型-基礎(chǔ)模型

1.4 數(shù)據(jù)標準化

城市土地生態(tài)安全評價指標具有復雜性和多樣性，指標中包含定性指標和定量指標，為消除指標間量綱不統(tǒng)一的缺點，則要將各個指標進行無量綱化處理，統(tǒng)一化成以百分比為單位的指標值，從而整體反映土地生態(tài)安全評價結(jié)果。采用極差法對各個指標進行無量綱化處理。

式中，Bi為指標標準化后的實際評價數(shù)值，Xi、Xmax、Xmin分別為評價指標i的實際值、最小值和最大值。

1.5 評價標準的確定

指標體系評價標準的確定直接影響到評價結(jié)果的準確性，城市土地生態(tài)安全常規(guī)閾值為0.2、0.4、0.6、0.8，由低到高分為5個安全等級，分別為Ⅴ（不安全）、Ⅳ（較不安全）、Ⅲ（臨界安全）、Ⅱ（較安全）、Ⅰ（安全）。由于突變級數(shù)法綜合評價值較大，且評價值之間的差距很小，難以用常規(guī)的安全閾值來得到評價結(jié)果，因此需要將常規(guī)閾值轉(zhuǎn)換為突變級數(shù)法使用的閾值。本研究的安全閾值轉(zhuǎn)換思路為：在突變指標體系和各層指標重要性確定的前提下，設(shè)底層指標對應(yīng)的隸屬度值均為i （i=0.2，0.4，0.6，0.8），然后由低到高按照相應(yīng)的突變模型和歸一化公式，計算準則層和目標層的安全閾值［18］（表3）。

表3 烏魯木齊市土地生態(tài)安全閾值

表4 2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全等級

2 結(jié)果與分析

運用公式（1）對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，然后根據(jù)各層指標相應(yīng)的突變級數(shù)模型，利用表1的歸一化公式，由低到高計算準則層和目標層的綜合評價值，最后根據(jù)表3得出2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全等級（表4）和土地生態(tài)安全趨勢（圖2）。

圖2 2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全趨勢

由圖2可知，烏魯木齊市土地生態(tài)安全綜合狀態(tài)處于臨界安全→較安全→臨界安全的發(fā)展趨勢，2009年處于臨界安全狀態(tài)，2010—2012年處于較安全狀態(tài)，2013年處于臨界安全狀態(tài)。2009-2010年安全隸屬度值由0.7689上升至0.8677，城市土地生態(tài)安全系統(tǒng)有較大的改善，主要依賴于壓力系統(tǒng)、狀態(tài)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)安全水平的全面提升；2010—2011年隸屬度值由0.8677下降至0.8661，主要是受壓力系統(tǒng)和狀態(tài)系統(tǒng)安全隸屬度下降的影響；2011—2012年隸屬度值由0.8661下降至0.8623，主要是受狀態(tài)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)安全隸屬度值下降的影響；2012—2013年隸屬度值由0.8623下降至0.8195，主要是受壓力系統(tǒng)安全隸屬度值下降較大的影響。通過分析可知，2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全水平整體處于上升趨勢，但直到研究期末仍處于臨界安全狀態(tài)，說明城市土地生態(tài)安全問題并未得到根本解決，其主要原因：（1）人地矛盾突出。烏魯木齊市作為新疆的首府，人口集聚效應(yīng)明顯。截至2013年末，烏魯木齊市土地面積僅占全疆的0.83%，卻承載著全疆11.61%的人口，人口密度達到191人/km2。（2）環(huán)境壓力大。烏魯木齊市耕地面積嚴重不足，2009—2013年間耕地面積比重由5.8201%下降至4.7454%，但單位耕地化肥負荷率卻由2009年的201.62 kg/hm2上升至2013年的262.42 kg/hm2，單位耕地農(nóng)藥負荷率由2009年的2.68 kg/hm2上升至2013年的3.76 kg/hm2。耕地數(shù)量的不足和農(nóng)藥、化肥的大量施用，都給土地生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。（3）可利用的水資源匱乏。由于可供利用的地下水資源量較少，烏魯木齊市用水主要來源于冰川融水，但受氣候影響較大。2009—2013年間人均水資源量由488 m3下降至430 m3，僅為全國人均水資源量的1/5。

壓力系統(tǒng)安全水平逐年降低，安全隸屬度值由2009年的0.9298下降至2013年的0.5748，安全等級經(jīng)歷了安全→較安全→不安全直線下降的發(fā)展歷程。壓力系統(tǒng)安全程度逐漸惡化，主要是由于環(huán)境壓力和人口壓力兩方面原因?qū)е碌?。由于城市人口不斷增加和大量耕地被占用，人均耕地面積由2009年的0.0333 hm2下降至0.0249 hm2。2009—2013年單位耕地化肥負荷率由201.62 kg/hm2上升至262.42 kg/hm2，單位耕地化肥負荷率由2.68 kg/ hm2上升至3.76 kg/hm2。2009—2013年人口自然增長率由4.89‰增加至6.89‰，人口自然增長率的提高進一步增加城市土地生態(tài)安全的人口壓力。

狀態(tài)系統(tǒng)安全狀態(tài)經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發(fā)展過程，總體呈上升趨勢，安全隸屬度值由2009年的0.7820上升至2013年的0.9162。這主要依賴于環(huán)境狀態(tài)和資源狀態(tài)的改善。政府對環(huán)境治理和資源的有效利用日益重視，萬元能耗由2009年的1.0988 t標準煤下降至2013年的0.7953 t標準煤；農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施投入力度加大，耕地有效灌溉率從77.22%上升到93.15%，有效保障了農(nóng)業(yè)用水的利用率；水土協(xié)調(diào)比例由75.48%提升至86.65%，烏魯木齊處于西部干旱地區(qū)，水土協(xié)調(diào)比例的提升對城市土地生態(tài)環(huán)境的改善是至關(guān)重要的。

響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐漸上升，安全隸屬度值由2009年的0.5949上升至2013年的0.9676，安全等級經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全→安全直線上升的發(fā)展歷程。通過分析可知，響應(yīng)系統(tǒng)安全狀態(tài)逐年改善，主要原因是：（1）烏魯木齊市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，同時產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到合理升級，人民收入得到顯著提高。人均GDP由2009年的38 249元提高到2013年的64 695元，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重由2009年的55.54%提高到2013年的59.08%。（2）政府對環(huán)境的治理卓有成效。污水處理率由2009年的49.92%提高到2013年的81.98%，固廢綜合利用率由2009年的65.3%提高到2013年的87.64%。

3 結(jié)論與建議

突變級數(shù)法的應(yīng)用避免了主觀確定評價標準引起的不確定性對評價結(jié)果準確性的影響，同時該方法的不需要對評價指標確定具體的權(quán)重，更加便捷準確，消除了人為賦權(quán)的主觀性。結(jié)果表明：2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全綜合安全等級經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全的發(fā)展歷程。壓力系統(tǒng)安全水平逐年降低，安全等級經(jīng)歷了安全→較安全→不安全直線下降的發(fā)展歷程。狀態(tài)系統(tǒng)安全水平總體呈上升趨勢，安全等級經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發(fā)展過程，響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐漸上升，安全等級經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全→安全直線上升的發(fā)展歷程。

（1）研究發(fā)現(xiàn)影響烏魯木齊市土地生態(tài)安全的指標因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負荷率、單位耕地農(nóng)藥負荷率、人口密度、人口自然增長率。鑒于此背景，一方面做好城市發(fā)展規(guī)劃，嚴格控制城市人口的增加，保障城市的可持續(xù)發(fā)展；另一方面穩(wěn)步推進壓糧節(jié)水工程，壓減小麥等耗水較多的糧食種植作物面積，增加耐干旱的玉米、高經(jīng)濟附加值作物和飼草飼料的種植面積；與此同時，積極發(fā)展現(xiàn)代綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少農(nóng)藥、化肥的施用量。

（2）加快推進“烏昌一體化”進程。隨著烏魯木齊經(jīng)濟發(fā)展的不斷深入，各種資源的持續(xù)開發(fā)和城市規(guī)模的不斷擴大，發(fā)展空間的限制逐漸顯露，對城市土地生態(tài)安全帶來巨大挑戰(zhàn)。烏昌一體化一方面將對烏魯木齊市人口進行分流，減少城市人口壓力；另一方面將有利于將整個烏昌地區(qū)三產(chǎn)內(nèi)部和三產(chǎn)之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，實現(xiàn)資源的合理利用，形成合理的產(chǎn)業(yè)集群，減輕各企業(yè)污染排放帶來的環(huán)境壓力。

（3）加大對城市土地生態(tài)安全保護的宣傳力度。充分利用新聞媒體和社會公共組織普及環(huán)保知識，提高全民土地生態(tài)環(huán)境保護意識。完善城市生態(tài)環(huán)境保護工作的定量考核制度，健立健全土地生態(tài)保護的法律體系，嚴肅查處環(huán)境違法違紀案件，嚴厲打擊環(huán)境違法行為，切實維護群眾環(huán)境權(quán)益。

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（責任編輯 楊賢智）

Urban land ecological security assessment of oasis in arid area based on catastrophe theory —A case study of Urumqi

HUANG Xiao-dong1，PU Chun-ling1，SONG Jian-hua2，WANG Cheng-wu1，YAN Zhi-ming1，ZHANG Ying1，LIU Chao1
（1. College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China；2. Institute of Economics，Xinjiang Academy of Social Sciences，Urumqi 830011，China）

Abstract：The urban land ecological security is the important foundation of urban sustainable development. According to the characteristics of land use status in Urumqi，based on PSR framework and catastrophe theory，the urban land ecological security evaluation index system and catastrophe progression model were built，and the degree of land ecological security of Urumqi in 2009 to 2013 was evaluated by using catastrophe progression method. Results showed that： comprehensive land ecological security level in Urumqi during 2009 to 2013 experienced basic security （2009） →the safer （2010-2012） → basic safety （2013） of the development process. From the criterion level，the pressure system security level decreased year by year，security level experienced very safe→safer→unsafe of plummeting development process； State system security level general showed a upward trend，security level experienced basic security→ the safer→basic safety of the development process；Response system security level gradually rose，security level experienced unsafe → basic security → the safe →very safe of straight rise development process. The main factors affecting the land ecological security in Urumqi were as follows： average per capita water resources，unit farmland fertilizer load rate，unit farmland pesticide load rate，population density，natural population growth rate.

Key words：land ecological security；pressurestate-response model；catastrophe theory；Urumqi

中圖分類號：F301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1004-874X（2016）02-0077-06

收稿日期：2015-08-06

基金項目：國家社會科學基金（14XGL005）；新疆自治區(qū)社會科學基金（12BGL130）；新疆自治區(qū)科技支撐計劃項目（201442104）；烏魯木齊市“十三五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃項目；新疆自治區(qū)產(chǎn)學研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項目（xjaucxy-yjs-20141010）

作者簡介：黃曉東（1989-），男，在讀碩士生，E-mail：haungxiaodong0828@163.com

通訊作者：蒲春玲（1961-），女，博士，教授，E-mail：puchunling@163.com