侯玉樂，李 鋼，渠俊峰，2，王 坤，劉 姝，葛夢玉

（1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008）

基于改進灰靶模型的土地生態(tài)安全評價
——以江蘇省徐州市為例

侯玉樂1，李 鋼1，渠俊峰1，2，王 坤1，劉 姝1，葛夢玉1

（1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008）

嘗試引入灰靶理論進行土地生態(tài)安全評價，以解決目前土地生態(tài)安全評價中參照標準的適用局限性問題。同時，為消除傳統(tǒng)灰靶模型等權的不合理影響，引入指標權重對傳統(tǒng)灰靶模型進行改進，建立了基于熵權的改進后灰靶評價模型，并將其應用于徐州市土地生態(tài)安全評價。結果表明：2003—2012年，徐州市土地生態(tài)安全綜合靶心度值由0.665 3上升為0.943 5，安全等級由不安全級提升到理想安全級，其土地生態(tài)安全整體處于變好的趨勢；但土地社會生態(tài)安全一直在臨界安全級附近波動，存在安全風險。與綜合指數(shù)法相比，改進后灰靶評價模型得到的靶心度值的變化趨勢與其基本一致，兩者的安全等級變化完全吻合。表明改進后的灰靶評價模型能夠用于土地生態(tài)安全評價，并能避免參照標準的適用上存在局限性這一問題，具有一定的應用價值。

土地生態(tài)安全；灰靶模型；靶心度；徐州市

土地生態(tài)安全研究源于近年來興起的“生態(tài)安全”研究，并已逐漸成為土地可持續(xù)利用研究的熱門課題[1]。一般認為，土地生態(tài)安全是指在一定的時空范圍內，土地生態(tài)系統(tǒng)能夠保持自身結構、功能不受或少受威脅的狀態(tài)并能為人類的生存和發(fā)展提供相應數(shù)量和質量的服務，從而達到土地自然、社會和經濟復合體的持續(xù)協(xié)調發(fā)展[2-3]。近年來，隨著人口增長、城市發(fā)展以及土地利用強度的不斷加強，水土流失、土壤污染、草場退化等土地生態(tài)問題日益突出，區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)遭受了極大的破壞與沖擊。因此，研究土地生態(tài)安全對于緩解人地矛盾，促進人口、資源、環(huán)境與社會經濟協(xié)調發(fā)展具有重要意義[4]。

土地生態(tài)安全評價是土地生態(tài)安全研究的重要組成部分[5]?？茖W的土地生態(tài)安全評價能夠為土地利用規(guī)劃與管理、土地生態(tài)安全預測和預警、資源優(yōu)化配置等提供重要依據(jù)，極具理論與現(xiàn)實意義[2，6]。目前，國外土地生態(tài)安全評價是以Costanza開展的生態(tài)系統(tǒng)健康（Ecosystem Health）基本理論和評估研究為代表，注重土地生態(tài)健康、可持續(xù)利用評價方面的研究[7]；國內對于土地生態(tài)安全評價也進行了大量研究，主要集中于評價指標體系、評價方法、評價標準和生態(tài)安全等級劃分等方面。其中，評價方法和評價參照標準是重點和關鍵環(huán)節(jié)[5]。在評價方法上，綜合指數(shù)評價法的應用最為廣泛，而模糊數(shù)學法[6]、物元分析模型[1-2，8]、主成分分析法[9]、正態(tài)云模型[10]等方法和模型不斷被引入土地生態(tài)安全評價中并取得了一些效果。然而當前的多數(shù)評價方法中，評價參照標準的選擇仍是一個難點。由于沒有統(tǒng)一的評價參照標準，所以當前研究中評價標準的選取多來源于國際公認值、相關行業(yè)標準、全國（或省內）平均值、專家經驗判定、理論最佳值、已有相關研究成果等。而土地生態(tài)系統(tǒng)較為復雜，包含因素眾多并存在不確定性，是一個典型的灰色系統(tǒng)，并且由于人文、經濟、社會條件以及本底環(huán)境的不同，生態(tài)安全狀況及影響因素存在動態(tài)性及區(qū)域差異性，故當前的評價中選取的參照標準在適用性上存在一定的局限。

灰靶理論（Grey Target Theory）由我國華中科技大學的鄧聚龍教授提出，是一種處理模式序列的灰關聯(lián)分析理論，能夠進行模式識別、分級與優(yōu)選[11]。該方法已成功應用于水資源緊缺度評價[12]、土地資源可持續(xù)性評價[13]等方面，而將灰靶理論應用于土地生態(tài)安全評價的研究較少?；诖?，筆者引入灰靶理論，并對傳統(tǒng)灰靶模型的等權不合理問題加以改進，以改進后的灰靶模型對徐州市2003—2012年的土地生態(tài)安全狀況進行評價，并采用綜合指數(shù)法對評價結果進行加以對比、驗證，對區(qū)域土地生態(tài)安全評價方法作一種嘗試與探索，以期為該類問題的研究提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，東經116°22′—118°40′，北緯33°43′—34°58′，總面積11 258 km2，其中市區(qū)面積963 km2。位居長江流域和黃河流域氣候過渡區(qū)，地處蘇、魯、豫、皖四省交界，是淮海經濟圈的重要中心城市，全國重要水陸交通樞紐和東西、南北經濟聯(lián)系的重要“十字路口”。徐州是全國基礎能源供應基地之一，已有120多年的煤炭開采歷史，對區(qū)域乃至全國經濟的發(fā)展起到了很大的推進和帶動作用。然而，長時間的開采也對徐州市的土地造成了大面積破壞，地表塌陷嚴重，土地生態(tài)安全受到了一定的威脅。近些年，徐州市大力推進生態(tài)文明建設，開展了土地整治、采煤塌陷地治理與復墾、生態(tài)恢復等項目，一定程度上改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境和農業(yè)生產條件。2003—2012年，徐州市原煤年產量下降了556萬t，城市人均綠地面積提高了9.12 m2，農田旱澇保收率提高了13.98%，農民人均純收入提高了7 157元。徐州市2012年末人口密度達到879人/km2，人口自然增長率15.05‰，城鎮(zhèn)失業(yè)率2.39%，過快的人口增長也給本區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的安全帶來了壓力。

1.2 指標選取及數(shù)據(jù)來源

從土地生態(tài)安全的概念出發(fā)可知，其評價指標體系是一個融合人口、經濟、資源、環(huán)境和社會等諸多方面的復合系統(tǒng)，其指標的選擇不僅考慮土地自然環(huán)境現(xiàn)狀，還要反映對土地生態(tài)安全有重要影響的經濟、社會因素以及人類活動的影響[14]。因此，本文基于自然—經濟—社會框架模型構建評價指標體系，借鑒相關研究成果并充分考慮徐州市自然條件、社會經濟情況以及數(shù)據(jù)的易獲得性和可操作性，重點選取與土地生態(tài)安全狀況密切相關的18個指標構建評價指標體系（表1）。其中，土地自然生態(tài)安全主要包括城市人均綠地面積、農田旱澇保收率、自然災害成災率等5個指標，用以衡量地區(qū)自然環(huán)境條件對土地生態(tài)安全的影響；土地經濟生態(tài)安全主要包括單位耕地農藥施用量、第三產業(yè)占GDP比重、人均GDP、單位耕地化肥施用量、原煤產量等8個指標，用以表征地區(qū)經濟生產狀況對土地生態(tài)安全的影響；土地社會生態(tài)安全主要包括城鎮(zhèn)化率、人口密度、人口自然增長率等5個指標，用來反映地區(qū)社會生活條件對土地生態(tài)安全的影響。評價指標的原始數(shù)據(jù)來源于2004—2013年的《徐州統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 灰靶評價模型

灰靶理論（Grey Target Theory）是處理模式序列的灰色關聯(lián)分析理論，其原理是在沒有標準模式的條件下設定一個灰靶，并在灰靶中找到靶心設為標準模式；然后將待評模式與標準模式進行比較，以此識別模式接近靶心的程度，簡稱靶心度；最后依據(jù)靶心度等級劃分標準進行模式分級，確定評估等級。用此模型進行土地生態(tài)安全評價，能夠從已有的待評模式序列中找到標準模式，能夠更準確、合理地反映研究區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況?；野性u價模型的詳細步驟將在后文的評價過程闡述，此處僅對該模型中的缺陷和改進加以說明。傳統(tǒng)灰靶模型的核心步驟是靶心度的計算，其公式如下：

式中：γ（x0，xi）為待評模式Xi的靶心度；γ[x0（Bk），xi（Bk）]代表Bk指標的靶心系數(shù)；n代表模式中的指標個數(shù)。

從公式（1）可以看出，最終求得的靶心度是相應模式中各評價指標對應靶心系數(shù)的算術平均值。若將式中1/n看作指標權重，靶心度γ（x0，xi）即為各評價指標對應靶心系數(shù)的等權疊加。等權也就意味著各評價指標對靶心度影響程度相同，顯然是不合理的。因此，筆者嘗試將指標權重引入靶心度求解，將其進行加權改進。改進后的靶心度計算公式如下：

式中：γ（x0，xi）為待評模式Xi的靶心度；γ（x0（Bk），xi（Bk））代表Bk指標的靶心系數(shù)；ωk則為指標權重。

2.2 權重的確定

權重的確定方法通常包括主觀賦權法和客觀賦權法兩類。主觀賦權法由于不能充分考慮各指標提供的信息量，容易使評價結果產生主觀偏差。同時，由于土地生態(tài)安全評價研究的復雜性，使得其評價指標反映的信息量也相當復雜，難以進行主觀量化。而運用熵權法（客觀賦權法）確定評價指標權重減少了評價過程中人為主觀性的干擾，能夠更客觀地反映各評價指標對區(qū)域土地生態(tài)安全狀況的貢獻率[15]，故本文采用熵權法計算各指標的權重。

2.3 綜合指數(shù)法

應用目前土地生態(tài)安全評價中最常用的綜合指數(shù)法來對改進后灰靶評價模型的評價結果進行驗證，其主要過程為：

（1）指標標準化

對正向指標：

對逆向指標：

式中：Yik為指標原始值的標準化值；Xik為第i年的第k個指標的原始值；minXk為第k個指標的最小值；maxXk為第k個指標的最大值。

（2） 計算生態(tài)安全綜合指數(shù)

式中：Z為生態(tài)安全綜合指數(shù)；ωk為k指標的權重系數(shù)；Yik為第i年第k指標的標準化值；n為指標個數(shù)。

3 土地生態(tài)安全評價

3.1 構建標準模式

首先，每一個評價年份為一個待評模式，則設2003—2012年的待評模式為X1—X10。對土地生態(tài)安全而言，指標B1，B2，B3，B4，B6，B7，B8，B9，B13，B16，B18為正向指標，具有極大值特性，故此指標序列的標準模式為X0（Bk）=max｛X1（Bk），X2（Bk），X3（Bk），…，X10（Bk），其中k=1，2，3，4，6，7，8，9，13，16，18｝；B5，B10，B11，B12，B14，B15，B17為逆向指標，具有極小值特性，故此指標序列的標準模式應為X0（Bk）=min｛X1（Bk），X2（Bk），X3（Bk），…，X10（Bk），其中k=5，10，11，12，14，15，17｝。

綜上，最終的標準模式序列為X0=｛X0（B1），X0（B2），X0（B3），…，X0（B18）｝=｛1.33，71.32，16.09，31.9，42.38，46 877，6 457，41.5，10 762，2 016，18.50，1050.40，10.09，807，5.68，56.7，2.39，100｝。

3.2 進行灰靶變換

令T為灰靶變換，靶心x0=TX0=（1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1），則待評模式X1中18個指標進行灰靶變換可得：

則有x1= [x1（B1），x1（B2），x1（B3），…，x1（B18）]= （1，0.7873，0.4332，0.6167，0.8674，0.2005，0.6997，0.8410，0.3350，0.7838，0.7799，1，0.6729，1，1，0.7125，0.5558，0.9238）。

同理，對待評模式X2—X10進行灰靶變化得到x2—x10，最終可得由（x1，x2，x3，…，x10）組成的矩陣。

3.3 確定灰關聯(lián)差異信息空間

令差異信息集Δ=｛Δ0i（Bk）｜i∈I=｛1，2，3，…，10｝，k∈K=｛1，2，3，…，18｝｝，其中Δ0i（Bk）=｜x0（Bk）-xi（Bk）｜，表示Bk指標下待評模式Xi與標準模式X0的差異信息。則待評模式X1的差異信息為Δ01（Bk）=[Δ01（B1），Δ01（B2），Δ01（B3），…，Δ01（B18）]=（0，0.2127，0.5668，0.3824，0.1326，0.7995，0.3003，0.1590，0.6650，0.2126，0.2201，0，0.3271，0，0，0.2875，0.4442，0.0762）。

同理可求得待評模式X2—X10的差異信息，得到由（Δ01，Δ02，Δ03，…，Δ10）組成的矩陣。最終可得：Δ0i（max）=0.799 5，Δ0i（min）=0。

3.4 計算靶心系數(shù)

則待評模式X1中各指標靶心系數(shù)為：γ[x0（B1），x1（B1）]=1；γ[x0（B2），x1（B2）]=0.652 7；…；γ[x0（B18），x1（B18）]=0.8399。同理可分別求出待評模式X2—X10中各指標的靶心系數(shù)，得到由靶心系數(shù)γ[x0（Bk），xi（Bk）]組成的矩陣。

3.5 確定指標權重

運用熵權法計算所得的各指標權重見表1。

表1 土地生態(tài)安全評價指標體系及權重

3.6 計算靶心度

將得到的靶心系數(shù)以及權重值代入公式（2），從而計算各個待評模式的綜合靶心度，即2003—2012年的綜合靶心度值分別為γ（x0，x1）=0.6653；γ（x0，x2）=0.6395；γ（x0，x3）=0.6424；…；γ（x0，x10）=0.9435（表2）。

同理，按照上述的方法對準則層的土地自然生態(tài)安全A1，土地經濟生態(tài)安全A2，土地社會生態(tài)安全A3分別組成的灰模式進行評價，得到各準則層的靶心度值。

表2 徐州市土地生態(tài)安全評價結果

4 結果與分析

4.1 灰靶評價分析

由表2可知，γ的取值范圍主要集中在0.5～0.9，按照等分取整原則進行等級劃分，最終將徐州市2003—2012年的土地生態(tài)安全情況分為5個等級。分別為理想安全（Ⅰ級）γ＞0.9，較安全（Ⅱ級）0.8≤γ＜0.9，臨界安全（Ⅲ級）0.7≤γ＜0.8，不安全（Ⅳ級）0.6≤γ＜0.7，極不安全（Ⅴ級）γ＜0.6，具體的土地生態(tài)安全綜合評價等級與各準則層評價等級結果見表2。徐州市2003—2012年的土地生態(tài)安全靶心度值的變化情況見圖1。

圖1 徐州市2003-2012年土地生態(tài)安全變化

（1）土地生態(tài)安全趨勢分析。10 a來徐州市的土地生態(tài)安全狀況處于日趨轉好的態(tài)勢。其綜合靶心度值由2003年的0.665 3上升到2012年的0.943 5，安全等級由不安全（Ⅳ）級別提升到理想安全（Ⅰ）級別，表明在2003—2012年這一評價區(qū)間內，徐州市土地生態(tài)系統(tǒng)受到的沖擊與損毀日益變小。其主要原因在于：一方面，徐州市地處黃淮平原，是江蘇省重要的糧食生產基地，本身優(yōu)越的農業(yè)生產條件加上近年來土地整治項目的大力推進，使得人均耕地面積、農民人均純收入、農田旱澇保收率、單位面積糧食產量及農業(yè)機械化水平不斷提高，促進了土地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。張俊風等[13]對江蘇省土地整治可持續(xù)性評價中得到的徐州屬于高度可持續(xù)等級的結果也證實了這一點；另一方面，徐州市成功創(chuàng)建國家園林城市并提出將于2015年建成國家生態(tài)市，近年來大規(guī)模開展生態(tài)建設、深入實施生態(tài)修復、嚴格實施生態(tài)保護，提高了森林覆蓋率和城市人均綠地面積，對土地生態(tài)安全起到了重要作用。除此之外，從表2和圖1可以看出，綜合靶心度值在2003—2009年期間上升較為平緩；2009—2012年上升較快，年上升值均超過0.05。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于徐州市從2009年開始大力推進采煤塌陷地復墾治理和生態(tài)修復工作，重點開展了潘安湖生態(tài)治理工程和銅山區(qū)塌陷地復墾項目，在2009—2012年期間，共實施完成復墾治理總面積2 600 hm2，新增耕地1 600 hm2，實施采煤塌陷地環(huán)境修復規(guī)模近3 300 hm2，極大地改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

（2）準則層分析。2003—2012年期間，土地自然生態(tài)安全的靶心度值從0.589 8上升至0.988 2，安全等級由極不安全（Ⅴ）級別提升到理想安全（Ⅰ）級別；土地經濟生態(tài)安全的靶心度值由0.607 9變?yōu)?.987 2，安全等級由不安全（Ⅳ）級別提升到理想安全（Ⅰ）級別。從表2及圖1中可以看出，其總體變化趨勢均與綜合靶心度值的變化趨勢相同，尤其是從2009年開始，三者的變化趨勢基本完全吻合。主要原因在于，組成土地自然生態(tài)安全和經濟生態(tài)安全的多數(shù)指標（如人均耕地面積、農田旱澇保收率、森林覆蓋率、城市人均綠地、自然災害成災率、單位面積糧食產量、農民人均純收入、農業(yè)機械化水平）都受到土地整治、生態(tài)建設以及塌陷地復墾的驅動，故呈現(xiàn)高度吻合性。而土地社會生態(tài)安全的靶心度值變化趨勢呈穩(wěn)定波動狀態(tài)，而這一變化主要受到工業(yè)固體廢棄物綜合利用率、人口自然增長率以及城鎮(zhèn)失業(yè)登記率的波動影響。等級變化表現(xiàn)為“降、升、降、升、降”，2003年與2012年均臨界安全（Ⅲ）級別，其安全形勢不容樂觀，存在變?yōu)椴话踩á簦┘墑e的風險。因此，政府要在工企業(yè)監(jiān)管、就業(yè)保障等方面加大投入力度，從而保障土地的社會生態(tài)安全。

4.2 綜合指數(shù)評價分析

根據(jù)以上綜合指數(shù)評價法的過程，將各指標量值代入式（3），（4），（5）計算出各年份的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)。依據(jù)綜合指數(shù)評價中最常用的土地生態(tài)安全等級劃分標準[16]，將徐州市2003—2012年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)進行等級劃分，并與改進后的灰靶評價模型的結果進行對比（表3）。由表3可知，用綜合指數(shù)法得到的生態(tài)安全值的變化趨勢與利用改進后灰靶評價模型得到的靶心度值的變化趨勢基本一致，兩者的安全等級變化完全吻合，表明改進后的灰靶模型可以用于土地生態(tài)安全評價。

表3 等級評定結果對比

5 結論

（1）針對土地生態(tài)安全評價中選取的參照標準在適用性上存在一定的局限這一問題，筆者引入灰靶理論，可以在沒有標準模式的情況下，從待評模式的已有數(shù)據(jù)中選擇最接近目標值的數(shù)據(jù)設置靶心，并通過靶心度的計算與分級來識別土地生態(tài)安全狀況及變化情況。同時引入熵權法確定指標權重，對傳統(tǒng)灰靶模型的等權不合理問題加以改進，保證了評價結果的客觀性與可比性。

（2）徐州市土地生態(tài)安全評價結果表明：在2003—2012年，其土地生態(tài)安全狀態(tài)整體上呈日益變好的態(tài)勢；土地自然生態(tài)安全和土地經濟生態(tài)安全亦呈逐年上升狀態(tài)，并在2009年之后與總體趨勢基本完全吻合。其主要原因在于，徐州市近年來大力推進土地整治、生態(tài)建設、塌陷地治理與生態(tài)修復等項目，并取得了良好的效果。而土地社會生態(tài)安全一直在臨界安全（Ⅲ）級別附近波動，存在變?yōu)椴话踩á簦┘墑e的風險，安全形勢不容樂觀。因此，當?shù)卣窈笠诠て髽I(yè)監(jiān)管、就業(yè)保障等方面加大投入力度，合理控制人口密度與增長速度，緩解人地矛盾，從而來保障土地的社會生態(tài)安全。

（3）基于與綜合指數(shù)法的對比，改進后的灰靶模型可以用于土地生態(tài)安全評價。在應用改進后的灰靶模型進行土地生態(tài)安全評價時，其靶心的設定來源于待評模式的已有數(shù)據(jù)，具有較好的可參比性；通過待評模式與標準模式的靶心度識別，能夠較為客觀、準確地反映評價期內土地生態(tài)安全的變化情況，避免了評價參照標準在適用上存在局限性這一問題。

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Evaluation of Land Eco-security Based on Improved Grey Target Model—A Case of Xuzhou City，Jiangsu Province

HOU Yule1，LI Gang1，QU Junfeng1，2，WANG Kun1，LIU Shu1，GE Mengyu1
（1.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu221116，China；2.Low Carbon Energy Institute，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu221008，China）

In order to solve the problem of the limitations of evaluation standards in application，grey target theory was introduced to evaluate land eco-security.To eliminate the unreasonable influence of equal-weighted in traditional grey target model，index weights were introduced to improve the traditional gray target model.Then，an improved gray target model based on entropy weight was proposed and used to evaluate land eco-security of Xuzhou City.The results show that，from 2003 to 2012，integrated approaching degree of land eco-security increased from 0.665 3 to 0.943 5 and security level shifted from unsafe to ideal security level.The land eco-security presemts the good trend.But the social eco-security has been fluctuated around the critical safety level and exists security risk.Compared with the comprehensive index method，the improved grey target model has similar trends about approaching degrees and safety levels.The improved grey target model for evaluation of land eco-security is feasible，and can avoid the limitations of land eco-security evaluation standards and has a certain application value.

land eco-security；grey target model；approaching degree；Xuzhou City

X826

A

1005-3409（2017）01-0285-06

2016-05-25

2016-06-17

中央高校基本科研業(yè)務費專項資助項目“高潛水位采煤沉陷地水鹽運移特征及調控研究”（2011QNB12）

侯玉樂（1991—），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要研究方向為土地復墾與生態(tài)重建。E-mail：ylhoucumt＠126.com

渠俊峰（1974—），男，江蘇徐州人，博士，碩士生導師，主要研究方向為土地復墾、生態(tài)修復。E-mail：qjf4209779＠163.com