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(xué)管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會(huì)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)
——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(xué)管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會(huì)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)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(duì)烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀特點(diǎn)，基于PSR框架及突變理論，構(gòu)建城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及突變級(jí)數(shù)模型，并運(yùn)用突變級(jí)數(shù)法對(duì)2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(jí)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(zhǔn)則層來(lái)看，壓力系統(tǒng)安全水平逐年降低，安全等級(jí)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(shì)，安全等級(jí)經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發(fā)展過(guò)程；響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐漸上升，安全等級(jí)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(biāo)因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負(fù)荷率、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷率、人口密度、人口自然增長(zhǎng)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(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、文化等各項(xiàng)活動(dòng)的載體［1］，在城市發(fā)展過(guò)程中的作用是不可替代的。城市土地生態(tài)安全是指人類(lèi)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(dāng)前已經(jīng)成為城市土地可持續(xù)利用的熱點(diǎn)課題，引起眾多學(xué)者的關(guān)注。張小虎等［2］基于三角模型對(duì)河南省17個(gè)地市的城市土地生態(tài)安全進(jìn)行區(qū)域差異分析；李靜等［3］對(duì)聊城市土地生態(tài)安全做了定性定量結(jié)合的評(píng)價(jià)研究；李明月等［4］以廣州市為研究區(qū)域，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法評(píng)價(jià)城市土地生態(tài)安全；袁磊［5］等基于NES框架，通過(guò)熵權(quán)物元模型對(duì)大慶市不同時(shí)段的土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)研究；裴婷婷等［6］對(duì)白銀市的土地生態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，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(jí)。城市土地生態(tài)安全系統(tǒng)具有聯(lián)動(dòng)性、突變型、脆弱性等特點(diǎn)，現(xiàn)有研究缺乏對(duì)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(xué)結(jié)合起來(lái)，將突變級(jí)數(shù)法應(yīng)用于城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)，并定量評(píng)價(jià)了2009—2013年烏魯木齊市的土地生態(tài)安全狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)城市土地生態(tài)安全突變點(diǎn)，為進(jìn)一步協(xié)調(diào)發(fā)展烏魯木齊的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，介于42° 45′～44°08′N(xiāo)、86°37′～88°58′E之間，地處天山山脈中段北麓、準(zhǔn)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(jì)、文化中心，又是第二座亞歐大陸橋中國(guó)西部橋頭堡和向西開(kāi)放的重要門(mén)戶。2013年末烏魯木齊市七區(qū)一縣人口達(dá)262.93萬(wàn)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(dá)4889萬(wàn)t，工業(yè)煙塵排放量5.2萬(wàn)t，SO2排放量7.4萬(wàn)t。烏魯木齊市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口集聚效應(yīng)加強(qiáng)，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快，這必將對(duì)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(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此對(duì)烏魯木齊市的土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)研究勢(shì)在必行。

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)自于2010-2014年《烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒》、2010-2014年《烏魯木齊市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、2010—2014年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各相關(guān)職能部門(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

突變理論由Rene Thom創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代，其基本原理是利用拓?fù)淅碚摌?gòu)造數(shù)學(xué)模型來(lái)描述、預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象與社會(huì)活動(dòng)中事物連續(xù)性中斷的質(zhì)變過(guò)程［7］。突變級(jí)數(shù)法是該理論的重要應(yīng)用之一，主要特點(diǎn)是首先對(duì)系統(tǒng)的總評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，由指標(biāo)層逐層向目標(biāo)層綜合，確定各層的突變類(lèi)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(guò)歸一化公式計(jì)算，求出總的隸屬度值，得出總的評(píng)價(jià)結(jié)果［8-11］。按照控制變量的維數(shù)不同，常用的突變類(lèi)型有折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變（表1）。

表1 突變模型

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

針對(duì)烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，在借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果［12-17］的基礎(chǔ)上，依據(jù)區(qū)域性、動(dòng)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(gè)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(biāo)層、準(zhǔn)則層、因子層、指標(biāo)層4個(gè)層次的烏魯木齊市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表2）和突變級(jí)數(shù)模型（圖1），并利用主成分分析法對(duì)各層次指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。

表2 烏魯木齊市城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 烏魯木齊市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)突變級(jí)數(shù)模型-基礎(chǔ)模型

1.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)具有復(fù)雜性和多樣性，指標(biāo)中包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，為消除指標(biāo)間量綱不統(tǒng)一的缺點(diǎn)，則要將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，統(tǒng)一化成以百分比為單位的指標(biāo)值，從而整體反映土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果。采用極差法對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

式中，Bi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的實(shí)際評(píng)價(jià)數(shù)值，Xi、Xmax、Xmin分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的實(shí)際值、最小值和最大值。

1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)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(gè)安全等級(jí)，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(jí)數(shù)法綜合評(píng)價(jià)值較大，且評(píng)價(jià)值之間的差距很小，難以用常規(guī)的安全閾值來(lái)得到評(píng)價(jià)結(jié)果，因此需要將常規(guī)閾值轉(zhuǎn)換為突變級(jí)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(biāo)體系和各層指標(biāo)重要性確定的前提下，設(shè)底層指標(biāo)對(duì)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(jì)算準(zhǔn)則層和目標(biāo)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(jí)

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用公式（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后根據(jù)各層指標(biāo)相應(yīng)的突變級(jí)數(shù)模型，利用表1的歸一化公式，由低到高計(jì)算準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)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(jí)（表4）和土地生態(tài)安全趨勢(shì)（圖2）。

圖2 2009—2013年烏魯木齊市土地生態(tài)安全趨勢(shì)

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(shì)，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(guò)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(shì)，但直到研究期末仍處于臨界安全狀態(tài)，說(shuō)明城市土地生態(tài)安全問(wèn)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(dá)到191人/km2。（2）環(huán)境壓力大。烏魯木齊市耕地面積嚴(yán)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(fù)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(fù)荷率由2009年的2.68 kg/hm2上升至2013年的3.76 kg/hm2。耕地?cái)?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(lái)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(lái)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(guó)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(jí)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碌摹Ｓ捎诔鞘腥丝诓粩嘣黾雍痛罅扛乇徽加?，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(fù)荷率由201.62 kg/hm2上升至262.42 kg/hm2，單位耕地化肥負(fù)荷率由2.68 kg/ hm2上升至3.76 kg/hm2。2009—2013年人口自然增長(zhǎng)率由4.89‰增加至6.89‰，人口自然增長(zhǎng)率的提高進(jìn)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(guò)程，總體呈上升趨勢(shì)，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(duì)環(huán)境治理和資源的有效利用日益重視，萬(wàn)元能耗由2009年的1.0988 t標(biāo)準(zhǔn)煤下降至2013年的0.7953 t標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(jí)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(guò)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(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到合理升級(jí)，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(duì)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(jí)數(shù)法的應(yīng)用避免了主觀確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)引起的不確定性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，同時(shí)該方法的不需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定具體的權(quán)重，更加便捷準(zhǔn)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(jí)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(jí)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(shì)，安全等級(jí)經(jīng)歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發(fā)展過(guò)程，響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐漸上升，安全等級(jí)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(biāo)因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負(fù)荷率、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷率、人口密度、人口自然增長(zhǎng)率。鑒于此背景，一方面做好城市發(fā)展規(guī)劃，嚴(yán)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(jìn)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(jì)附加值作物和飼草飼料的種植面積；與此同時(shí)，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(jìn)“烏昌一體化”進(jìn)程。隨著烏魯木齊經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷深入，各種資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，發(fā)展空間的限制逐漸顯露，對(duì)城市土地生態(tài)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。烏昌一體化一方面將對(duì)烏魯木齊市人口進(jìn)行分流，減少城市人口壓力；另一方面將有利于將整個(gè)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(dòng)，實(shí)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(lái)的環(huán)境壓力。

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

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（責(zé)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(lèi)號(hào)：F301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-874X（2016）02-0077-06

收稿日期：2015-08-06

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

作者簡(jiǎn)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