范媛媛，林 苗，王高強(qiáng)，劉 海，3,4*

(1.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 湖北武漢 430062； 2.湖州市測繪院，浙江湖州 313000； 3.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢 430079； 4.江西省基礎(chǔ)地理信息中心，江西南昌 330209)

土地資源是指已經(jīng)被人類利用和可預(yù)見的未來能夠被人類利用的土地，是人類最重要的物資生活資料[1]。隨著人口增長，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人們對自然資源的過度利用和消耗，引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如耕地減少、森林破壞、水土流失、土地荒漠化等[2]。我國土地資源遼闊，但人口數(shù)量較多，造成人均土地面積較少，約為世界人均土地面積的 1/3，人地矛盾日趨尖銳[3]。因此，在中共十八大提出優(yōu)化國土空間開發(fā)格局的戰(zhàn)略要求下，開展土地資源生態(tài)承載力評價，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源環(huán)境的關(guān)系，顯得尤為重要。

目前，區(qū)域土地資源生態(tài)環(huán)境安全評價方法總體上是借鑒生態(tài)環(huán)境安全研究領(lǐng)域的方法[4]。主要有綜合指標(biāo)法、供需平衡法、自然植被凈第一生產(chǎn)力測算法、生態(tài)足跡法等[5-6]。綜合指標(biāo)法相對其他方法可以全面考慮影響研究區(qū)域的土地資源生態(tài)環(huán)境因素，且計(jì)算結(jié)果明了，針對性強(qiáng)[7]。當(dāng)前國內(nèi)外構(gòu)建指標(biāo)體系模型，主要有“數(shù)量-質(zhì)量-保障”模型，“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”模型，PSR(“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”) 模型等[8-10]。PSR模型基于資源、環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)都應(yīng)具有壓力、狀態(tài)和響應(yīng)的特征，清晰地揭示出土地資源利用中人地相互作用的密切關(guān)系[11-12]，被廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展評價[13]。

湖北省位于我國中部，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展承南啟北的中部樞紐。自然條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)資源豐富，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和糧食生產(chǎn)主要產(chǎn)區(qū)。但近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，不合理的土地利用方式加劇了該區(qū)域土地資源生態(tài)環(huán)境的脆弱性，該區(qū)域土地資源生態(tài)環(huán)境問題應(yīng)引起重視[4]。筆者以湖北省為研究對象，運(yùn)用綜合指標(biāo)法，基于PSR模型構(gòu)建湖北省土地生態(tài)環(huán)境承載力評價體系，采用GIS技術(shù)對湖北省市域尺度的土地資源生態(tài)承載力空間格局現(xiàn)狀進(jìn)行比較分析，以期為湖北省土地資源可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃及生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況湖北省地處我國中部、長江中游、洞庭湖以北，地理坐標(biāo)為108°21′～116°07′E、 29°05′～33°20′ N。北接河南省，東連安徽省，東南和南與江西、湖南兩省相鄰，西靠重慶市，西北與陜西省為鄰。東西長約740 km ，南北寬約470 km ，面積1.89×105km2，占全國總面積的1.95% ，居全國第13位[14]。

1.2數(shù)據(jù)來源研究數(shù)據(jù)主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載的湖北省高程數(shù)據(jù)、2016年《湖北省環(huán)境質(zhì)量狀況公報》《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》及各地市統(tǒng)計(jì)年鑒等，其中部分指標(biāo)是經(jīng)過計(jì)算得到。

1.3研究方法通過單因子研究和多因子綜合2個方面，對與研究區(qū)域相關(guān)的因子進(jìn)行研究分析。首先利用GIS技術(shù)，分別對各單項(xiàng)參評因子進(jìn)行加權(quán)疊加分析，獲得壓力、狀態(tài)、響應(yīng)因子的評價結(jié)果，然后對這3個因子加權(quán)疊加，得到湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力空間分布格局，最后通過統(tǒng)計(jì)分析將承載力進(jìn)行分級量化，評估湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載狀況。

1.3.1PSR模型。PSR模型是由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)提出并應(yīng)用于世界環(huán)境狀況研究的評價模型，其基本理念是將人類活動給自然環(huán)境造成的壓力、環(huán)境質(zhì)量、資源數(shù)量狀態(tài)以及社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的相應(yīng)政策和管理措施響應(yīng)作為一個整體系統(tǒng)進(jìn)行考慮，探討影響人地系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定的因素[15-16]。

PSR模型中壓力指標(biāo)是指來自自然環(huán)境及人類活動對土地資源產(chǎn)生的壓力，具體由經(jīng)濟(jì)、社會和自然多方面的壓力構(gòu)成；狀態(tài)指標(biāo)是土地資源生態(tài)環(huán)境在壓力下所處的狀況，用來反映特定時間階段的土地資源的環(huán)境質(zhì)量、資源數(shù)量及經(jīng)濟(jì)等狀態(tài)；響應(yīng)指標(biāo)是能夠反映處理土地資源的能力，包括經(jīng)濟(jì)響應(yīng)、政策響應(yīng)和社會響應(yīng)等方面因素。

1.3.2指標(biāo)權(quán)重確定。選取的每個指標(biāo)對土地資源生態(tài)環(huán)境承載力的影響不同，因此在綜合計(jì)算土地資源生態(tài)環(huán)境承載力之前需要確定每個指標(biāo)在整個指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)中所占的權(quán)重。目前，確定權(quán)重的方法主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。常見的主觀賦權(quán)法有層次分析法(AHP)[17]、特爾斐法(Delphi，又名專家打分法)[18]等。常見的客觀賦權(quán)法有均方差法[19]、主成分分析法[20]、熵值法[18]和離差最大化法[21]等。為排除主觀因素對指標(biāo)選取的影響，該研究采用主成分分析法確定每個指標(biāo)的權(quán)重。

以湖北省的 17個地級市為樣本，以各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)為變量構(gòu)建矩陣，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出矩陣的特征根和相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，選擇主成分并得到因子提取結(jié)果和因子回歸系數(shù)。主成分是原始變量的線性組合，因此包含了絕大部分原始變量的信息，所以可以根據(jù)因子回歸系數(shù)計(jì)算出每個樣本城市的各個因子權(quán)重。

(1)

式(1)中，Wj為第j個指標(biāo)未進(jìn)行歸一化處理時的權(quán)重；gq為第q個主成分對總體方差的貢獻(xiàn)率；aqj為第j個指標(biāo)在第q個主成分中的系數(shù)；m為主成分的個數(shù)，一般按特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則選取主成分的個數(shù)。歸一處理后即可得各評價因子的權(quán)重Wj。

1.3.3數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。確定評價指標(biāo)以后，由于各參評因子具有不同的量綱，真實(shí)數(shù)據(jù)差異較大，不具有可比性。因此在進(jìn)行單因子疊加分析前，必須首先對各個因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。該研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，將所有數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)一到0～1。評價因子具有正、負(fù)2種相關(guān)性，對于正相關(guān)評價因子來講，值越高，表明評價結(jié)果越好，反之亦然[22]。歸一化方法如下：

yi=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(2)

式(2)中，yi表示第i個指標(biāo)歸一化后的值；xi表示第i個指標(biāo)的原始值；ximax、ximin分別表示第i個指標(biāo)的最大值與最小值。評價指標(biāo)包含有正向指標(biāo)(即評價指標(biāo)值越大，評價得分越高)與負(fù)向指標(biāo)(評價指標(biāo)值越小，評價得分越低)，對于正向指標(biāo)采用上述公式，將直接進(jìn)行歸一化后的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，對于負(fù)向指標(biāo)，用(1-yi)作為標(biāo)準(zhǔn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1指標(biāo)體系的建立在參考借鑒相關(guān)土地資源生態(tài)環(huán)境承載力評價研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖北省的實(shí)際情況，從資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)等方面著手選取指標(biāo)，并遵循指標(biāo)選取的科學(xué)性、實(shí)用性、全面性和數(shù)據(jù)可獲性等原則，基于 PSR 模型，通過壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指標(biāo)框架構(gòu)建了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，包括壓力指標(biāo)體系、狀態(tài)指標(biāo)體系和響應(yīng)指標(biāo)體系 3 個子系統(tǒng)共 17 個指標(biāo)的土地資源生態(tài)環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 湖北省土地資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系

2.2單因子評價

2.2.1壓力。壓力指標(biāo)反映人類的各種生產(chǎn)與經(jīng)營等活動對土地資源生態(tài)環(huán)境施予的“壓力”，使土地資源生態(tài)環(huán)境的“狀態(tài)”、數(shù)量、質(zhì)量發(fā)生變化[23]。如圖1，湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力壓力指標(biāo)呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)，東部地區(qū)地勢低平，人口密度大，資源環(huán)境壓力大，土地利用壓力大，人地矛盾突出。西部地區(qū)地貌以山地為主，且是國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)與重要生物多樣性保護(hù)區(qū)，人口密度小，資源環(huán)境壓力小，土地利用壓力小。

從行政單元看，武漢市、鄂州市、黃石市土地資源生態(tài)環(huán)境承載力壓力值偏高，對土地資源生態(tài)環(huán)境造成了較大的空間壓力，表現(xiàn)為人口密度較大，人均耕地面積較小，單位耕地面積化肥使用量較大，土地質(zhì)量遭受脅迫的程度高；十堰市、神農(nóng)架林區(qū)、恩施州壓力值偏低，表現(xiàn)為土地墾殖率低，土地脅迫指數(shù)低，土地生態(tài)壓力小。

圖1 湖北省土地資源生態(tài)承載力壓力指標(biāo)空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological carrying capacity pressure index of land resources in Hubei Province

2.2.2狀態(tài)。狀態(tài)指標(biāo)反映研究區(qū)域土地資源及其生態(tài)環(huán)境當(dāng)前的狀態(tài)[13]。如圖2，湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力狀態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)中心低四周高的特點(diǎn)，中部地區(qū)由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，人類活動對土地資源的過度攫取，造成了土地資源壓力過大，土地供需矛盾突出，威脅到了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，因此土地資源環(huán)境狀態(tài)較低。承載力高的區(qū)域受人類活動干擾較少，生物豐度和植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，因而狀態(tài)峰值相對較高。

從行政單元看，狀態(tài)值較高的區(qū)域?yàn)槭呤?、神農(nóng)架林區(qū)、恩施州、襄陽市、宜昌市、黃岡市、黃石市、咸寧市。其中十堰市、神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市、襄陽市的資源狀態(tài)和景觀狀態(tài)較好，表現(xiàn)為森林覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)和生物豐度較高；黃岡市、黃石市、咸寧市景觀狀態(tài)較好，表現(xiàn)為生物豐度較高。

2.2.3響應(yīng)。響應(yīng)指標(biāo)反映決策者針對當(dāng)前由于被人類活動改變了的自然資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)而采取一定的政策和經(jīng)濟(jì)措施來做出的響應(yīng)[24-25]。如圖3，響應(yīng)指標(biāo)呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)。西部地區(qū)受人類干擾活動影響較小，但是該區(qū)域?qū)儆谏鷳B(tài)脆弱地區(qū)，生態(tài)穩(wěn)定性差，對外界干擾敏感性強(qiáng)，科技、人力資源不足，資金投入嚴(yán)重滯后，遭遇破壞后其生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力差；中、東部雖然人口密度大、人類活動較為頻繁，但是該區(qū)域土地生態(tài)保護(hù)意識較好，人類通過政策調(diào)整、環(huán)境保護(hù)等方面改善土地生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，保持良好的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性。

從行政單元來看，神農(nóng)架林區(qū)、十堰市、恩施州的響應(yīng)值較低；這些區(qū)域單元響應(yīng)值的指標(biāo)均偏低。宜昌市、襄陽市、武漢市、鄂州市的響應(yīng)指標(biāo)較高，說明政府重視對該區(qū)域土地資源及其生態(tài)環(huán)境的惡劣“狀態(tài)”做出“響應(yīng)”并予以干預(yù)、修復(fù)。

2.3綜合評價通過上述單因子進(jìn)行加權(quán)疊加獲得湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力，為了便于比較各市土地資源生態(tài)環(huán)境承載力大小，利用自然分段法建立土地資源承載力等級分級值(表2)，將土地綜合資源承載力分級量化。

表2 湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合圖4、5可知，湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境承載力呈現(xiàn)中西部低、東部高的特點(diǎn)，土地資源生態(tài)環(huán)境承載力高的區(qū)域，均位于湖北省的山區(qū)，如西部的武陵山區(qū)，東部的大別山、幕埠山，這些區(qū)域具有天然的生態(tài)屏障，資源環(huán)境狀態(tài)較好，壓力值和響應(yīng)值偏低，壓力值表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)脆弱，土地脅迫指數(shù)低，污染負(fù)荷指數(shù)低，人口密度較小導(dǎo)致壓力值較?。豁憫?yīng)值表現(xiàn)為有效灌溉面積偏低、人均GDP偏低。

土地資源生態(tài)承載力一般的區(qū)域，位于湖北省的西北、西南、東北部，壓力指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)較為均衡；土地資源生態(tài)承載力低的區(qū)域，主要位于湖北省中部平原區(qū)。該區(qū)域地勢平坦，人口密度大，人類活動對自然資源開發(fā)和破壞較大，因此狀態(tài)值較低，壓力值和響應(yīng)值較高，壓力值表現(xiàn)為人口密度和人均耕地面積偏低，響應(yīng)值表現(xiàn)為環(huán)境綜合指數(shù)偏低。

圖2 湖北省土地資源生態(tài)承載力狀態(tài)指標(biāo)空間分布 Fig.2 Spatial distribution of ecological carrying capacity state indicator of land resources in Hubei Province

圖3 湖北省土地資源生態(tài)承載力響應(yīng)指標(biāo)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological carring capacity respouse parameters of land resources in Hubei Province

從行政單元看，十堰市、隨州市、荊門市、天門市、仙桃市、恩施州、孝感市、荊州市、潛江市土地資源生態(tài)承載力低，其中十堰市、恩施州狀態(tài)值偏高，響應(yīng)值偏低，壓力值偏低；荊門市、天門市、仙桃市、孝感市、荊州市、潛江市狀態(tài)值偏低，響應(yīng)值偏高，壓力值偏高；隨州市態(tài)值偏低，響應(yīng)值偏高，壓力值偏低。襄陽市、神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市、武漢市、黃岡市、咸寧市土地資源生態(tài)承載力一般表現(xiàn)為壓力值、狀態(tài)值、響應(yīng)值較為均衡；鄂州市、黃石市土地資源生態(tài)承載力較高，表現(xiàn)為壓力值、狀態(tài)值、響應(yīng)值均偏高。

圖4 湖北省土地資源生態(tài)承載力空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological carrying capacity grade classification of land resources in Hubei Province

圖5 湖北省土地資源生態(tài)承載力等級劃分空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological carrying capacity of land resources in Hubei Province

3 結(jié)論與建議

該研究運(yùn)用綜合指標(biāo)法，基于PSR模型構(gòu)建湖北省土地生態(tài)環(huán)境承載力評價體系，采用GIS技術(shù)對湖北省市域尺度的土地資源生態(tài)承載力空間格局現(xiàn)狀進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：土地承載力高的區(qū)域位于湖北省東部、西部山區(qū)，這些區(qū)域狀態(tài)值較高，壓力和響應(yīng)值較低。土地資源生態(tài)承載力一般的區(qū)域，位于湖北省的西北、西南、東北部，壓力指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)較為均衡；土地承載力值低的區(qū)域主要位于湖北省中、西部平原區(qū)，這些區(qū)域狀態(tài)值較低、壓力值和響應(yīng)值較高。

對于土地生態(tài)承載力值高區(qū)，今后應(yīng)重點(diǎn)治理水土流失問題，減少化肥、農(nóng)藥使用量，降低土地生態(tài)壓力，進(jìn)一步改善土地生態(tài)安全狀況。對于土地生態(tài)承載力一般區(qū)，今后應(yīng)加強(qiáng)對土地的合理開發(fā)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，增強(qiáng)該區(qū)域土地生態(tài)承載力。而對于土地生態(tài)承載力值低區(qū)，應(yīng)加大環(huán)境保護(hù)投資治理資金投入，減少化肥使用量，減少土地污染；提高森林覆蓋率，減輕土地生態(tài)環(huán)境壓力。由于湖北省土地資源生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)處于動態(tài)變化中，土地資源生態(tài)環(huán)境安全的保護(hù)工作應(yīng)當(dāng)持之以恒。

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