王新民,漆建武,李曉鴻b,周玉姣,談 波

(天水師范學(xué)院 a.資源與環(huán)境工程學(xué)院;b.生物工程與技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000)

土地生態(tài)安全是指由自然界無(wú)機(jī)和有機(jī)環(huán)境組成的陸地表層的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不受外部環(huán)境的破壞,具有土地結(jié)構(gòu)的完整功能和屬性[1]。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土地安全的研究較廣泛：李玉平、蔡運(yùn)龍研究土地生態(tài)安全的概念,并運(yùn)用層次分析法對(duì)河北省土地安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)[1];孫德亮、張鳳太以重慶市為例,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)該地區(qū)的土地生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)[2,3];徐美、朱翔等以DPSIR為評(píng)價(jià)模型,結(jié)合TOPSIS法對(duì)對(duì)湖南省土地生態(tài)安全進(jìn)行了研究[4],楊曉玲等運(yùn)用PSR模型,基于壓力指標(biāo)對(duì)莊浪縣土地生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5]。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在指標(biāo)構(gòu)建、方法創(chuàng)新、安全預(yù)警等方面,研究對(duì)象主要集中在區(qū)域土地生態(tài)安全、中小城市和特殊地形地貌區(qū)的土地生態(tài)安全，最常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法、AHP法、系統(tǒng)聚類分析法、主成分分析法、基于GIS的研究方法等[5-10]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以DPSIR模型框架為指標(biāo)選取依據(jù),對(duì)灰色關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行改進(jìn),克服了評(píng)價(jià)過(guò)程中ρ取值的主觀性,并運(yùn)用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)模型確定指標(biāo)權(quán)重,對(duì)絲綢之路的節(jié)點(diǎn)城市——天水市1995—2015年土地質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),旨在為天水市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源的有效配置提供方法,為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天水市地處陜、甘、川三省要沖,土地總面積為14392km2,總?cè)丝?82.90萬(wàn)人,人口密度為266.05人/km2。全市森林覆蓋率為35.91%,污水處理率為91.9%,第一、二產(chǎn)業(yè)所占比重分別為17.6%、33.5%。隨著人口數(shù)量的增加、工業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的提高,對(duì)土地環(huán)境的破壞極為嚴(yán)重。截止2015年末,全市治理水土流失面積1428.01km2,占總土地面積的9.92%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)均來(lái)源于1996—2016年的《天水經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》[7]、1995—2015年的《天水市國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,部分?jǐn)?shù)據(jù)此天水市環(huán)保局、農(nóng)業(yè)局網(wǎng)站獲得,2001—2009年工業(yè)固體廢棄物排放量數(shù)值由ARIMA(1,2,1)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[8]，2005—2015年環(huán)保投資數(shù)值由ARIMA(2,2,1)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。除部分?jǐn)?shù)據(jù)需進(jìn)行換算,如工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)率、GDP增長(zhǎng)率等外,其他數(shù)據(jù)均真實(shí)有效。

1.3 研究方法

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化:通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理可避免不同量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。本文選用極差標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)天水市p年的q個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

(1)

式中,A為原始數(shù)據(jù)矩陣；x為原始數(shù)據(jù)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化處理,一般將指標(biāo)分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)：正向指標(biāo)為效益型指標(biāo),是指數(shù)值越大越好的指標(biāo);逆向指標(biāo)為成本型指標(biāo),是指數(shù)值越小越好的指標(biāo)。具體標(biāo)準(zhǔn)化方法為:

(2)

(3)

灰色關(guān)聯(lián)法確定權(quán)重:灰色關(guān)聯(lián)法是灰色系統(tǒng)論中的一種新方法,在土地生態(tài)安全研究領(lǐng)域涉及較少。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理,所有指標(biāo)均為正指標(biāo)。選取矩陣中的最優(yōu)向量W[2,4]:

W=(w1,w2,…,wn)=(y11ωy12…ωy1p,y21ωy22…ωy2p,y11ωy12…ωyqp)

(4)

式中,ω取最大運(yùn)算符。

計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)向量W的關(guān)聯(lián)系數(shù)δi=(yi,W):

δi=(yi,W)

(5)

計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)yj的權(quán)重wj[9]:

(6)

用上述灰色關(guān)聯(lián)法確定指標(biāo)權(quán)重,明顯存在很大的不足,主要表現(xiàn)在:①指標(biāo)權(quán)重確定過(guò)于隨機(jī)。影響δi的因素有很多,如最優(yōu)向量W、數(shù)據(jù)變換方式、分辨系數(shù)ρ等。ρ取值受到主觀因素的影響,導(dǎo)致δi不同,故求得的權(quán)重值具有不確定性。②一般取ρ=0.5,則恒有δi>0.3333,難以區(qū)分指標(biāo)之間的重要程度。在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行了修改,提出一種客觀的求權(quán)重的方法。

改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)模型求解指標(biāo)權(quán)重:原始矩陣構(gòu)造與數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理第一步與以上相同[11]。

求各個(gè)指標(biāo)序列X1,X2,…,Xn與最優(yōu)向量W之間的距離:

(7)

求各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重:

(8)

求各個(gè)指標(biāo)的歸一化權(quán)重:

(9)

通過(guò)上述算法步驟發(fā)現(xiàn)，用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)模型計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,客服了決策者主觀因素的影響,結(jié)果更具有科學(xué)性和客觀性,能更好地應(yīng)用于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)相關(guān)領(lǐng)域。

土地生態(tài)安全綜合指數(shù):土地生態(tài)安全指數(shù)(LES)的計(jì)算公式為[12-14]:

(10)

式中,LES為土地生態(tài)安全綜合指數(shù);C為權(quán)重;R為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。根據(jù)天水市土地利用與發(fā)展現(xiàn)狀與指標(biāo)分值,將天水市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)分值劃分為四個(gè)等級(jí),并其對(duì)各等級(jí)的土地利用狀況進(jìn)行描述,見(jiàn)表1。

表1 土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)[15,16]

2 結(jié)果與分析

2.1 DPSIR指標(biāo)體系構(gòu)建

DPSIR概念模型是對(duì)PSR模型的改進(jìn),其模型結(jié)構(gòu)是將一個(gè)整體的系統(tǒng)按照不同的屬性劃分成壓力、驅(qū)動(dòng)力、狀態(tài)、響應(yīng)、影響5種基本因子,又將不同因子分成多個(gè)指標(biāo)的過(guò)程。

根據(jù)天水市土地資源的利用現(xiàn)狀,我們?cè)趥溥x的30個(gè)指標(biāo)下優(yōu)選了21個(gè)指標(biāo)作為天水市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),以A、B、C、D、E對(duì)各元素進(jìn)行標(biāo)識(shí),并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行解釋,具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表2。

表2 天水市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文依據(jù)DPSIR框架模型,參照相關(guān)研究,通過(guò)對(duì)各指標(biāo)屬性進(jìn)行分析,最終將指標(biāo)分為正向指標(biāo)(效益型指標(biāo))和逆向指標(biāo)(成本型指標(biāo))。逆向指標(biāo)主要包括人口自然增長(zhǎng)率、工業(yè)固體廢物排放率等7項(xiàng)指標(biāo),其他均為正向指標(biāo)。

通過(guò)式(1)—(10)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得出無(wú)水市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重和分項(xiàng)權(quán)重，具體見(jiàn)表3。

表3 天水市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2 分析評(píng)價(jià)

根據(jù)改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)模型,依據(jù)式(1)—(3)對(duì)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到值為0—1之間的數(shù)據(jù)矩陣,通過(guò)建立指標(biāo)最優(yōu)向量,計(jì)算各原始數(shù)據(jù)序列與最優(yōu)向量之間的距離,再通過(guò)式(8)、式(9),計(jì)算得出各指標(biāo)權(quán)重以及分項(xiàng)權(quán)重,通過(guò)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)法計(jì)算天水市1995—2015年土地生態(tài)安全綜合指數(shù),結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)表4各因子的評(píng)價(jià)分值,參照表1中的評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)天水土地安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),將其劃分為4個(gè)等級(jí),見(jiàn)表5。

表4 天水市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)(LES)

表5 天水市土地生態(tài)安全等級(jí)

驅(qū)動(dòng)力生態(tài)安全:驅(qū)動(dòng)力生態(tài)安全指數(shù)變化曲線見(jiàn)圖1。從圖1可見(jiàn),天水市土地生態(tài)安全的驅(qū)動(dòng)力指數(shù)逐年上升,趨勢(shì)擬合值R2=0.7287,即曲線能客觀的反映驅(qū)動(dòng)力值的變化情況。驅(qū)動(dòng)力指數(shù)經(jīng)歷了5個(gè)階段,從1995年的28.31增長(zhǎng)到2015年的76.79,增幅為48.48。1997年為驅(qū)動(dòng)力變化的節(jié)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)力指數(shù)出現(xiàn)極小值為5.91,而后增長(zhǎng)速度逐漸加快,到2011年出現(xiàn)極大值為88.92,兩者之間差異明顯,三年的土地安全狀態(tài)分別為敏感、不安全、安全。1997年天水市人均GDP和城市化水平分別為2125元、12.6627%,GDP增長(zhǎng)率為-8.6569%,2011年分別為10931元、29.8735%、19.0929%。由此可知人口自然增長(zhǎng)率與驅(qū)動(dòng)力指數(shù)呈負(fù)相關(guān),城市化水平與人均GDP水平是導(dǎo)致天水市土地生態(tài)系統(tǒng)安全的重要因素;減少人口自然增長(zhǎng)率驅(qū)動(dòng)力,增強(qiáng)城市化水平與人均GDP驅(qū)動(dòng)力是天水市今后的發(fā)展重點(diǎn)。因此,必須加強(qiáng)城鎮(zhèn)居民基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高城市競(jìng)爭(zhēng)力,推動(dòng)天水市土地資源可持續(xù)發(fā)展與利用,促進(jìn)區(qū)域間生態(tài)平衡與土地資源的合理配置。

圖1 驅(qū)動(dòng)力生態(tài)安全指數(shù)變化情況

圖2 壓力生態(tài)安全指數(shù)變化情況

壓力生態(tài)安全:壓力生態(tài)安全指數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn),天水市土地生態(tài)安全曲線變化明顯呈下降趨勢(shì),且R2=0.9144。壓力生態(tài)安全指數(shù)從1995年的88.51下降到2015年的11.50,變幅為77.10。土地生態(tài)安全由安全狀態(tài)向不安全狀態(tài)過(guò)渡,說(shuō)明天水市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的壓力,已超出了土地生態(tài)系統(tǒng)自身的承載能力。從表3可見(jiàn),天水市單位耕地面積農(nóng)藥施用量所占分項(xiàng)權(quán)重值為0.3381,說(shuō)明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,農(nóng)藥的施用給土地造成的壓力最大,因此應(yīng)減少農(nóng)藥的施用,給土地“減壓”。單位耕地面積地膜的使用量所占分項(xiàng)權(quán)重為0.2256,地膜在土壤中富集,不易降解,損害土壤的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)。在土地壓力因子層中,各指標(biāo)對(duì)土地壓力的貢獻(xiàn)值順序?yàn)?X7>X8>X5>X6>X9。即化肥和農(nóng)藥對(duì)土地造成的壓力最大,應(yīng)減少化肥、農(nóng)藥和地膜的施用。

狀態(tài)生態(tài)安全:由圖3可知,天水市的土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)值總體平穩(wěn),介于20—80之間,R2=0.2144,擬合值與實(shí)際值存在較大誤差。天水市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)值由1996年的極小值19.92增長(zhǎng)至2015年69.72,變幅49.80;主要是因?yàn)樗亮魇?、土地荒漠化、水資源短缺造成的。因此,天水市應(yīng)通過(guò)封山育林改變土地的狀態(tài)結(jié)構(gòu),調(diào)整土地系統(tǒng)規(guī)模,選擇合理的節(jié)水灌溉等措施保護(hù)土地資源。1995年天水市森林覆蓋率為24.3%,人均公園綠地面積為4.21m2;2015年天水市森林覆蓋率為35.9%,人均公園綠地面積為9.5m2。隨著天水市“十三五”規(guī)劃的出臺(tái)和政府部門(mén)對(duì)環(huán)境的集中整治,天水市的土地安全狀況略有改善,但總體情況仍不容樂(lè)觀。

圖3 狀態(tài)生態(tài)安全指數(shù)變化情況

影響生態(tài)安全:由表5、圖4可知,影響生態(tài)安全的指數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),R2=0.9536,曲線擬合較好。1995—2002年,影響天水市生態(tài)安全的指數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),但增長(zhǎng)速度緩慢,值介于0—40之間,土地狀態(tài)不安全,主要是因?yàn)榈谌a(chǎn)業(yè)所占比重較大,對(duì)土地生態(tài)安全影響較嚴(yán)重,2002年為43%;其次是農(nóng)民人均純收入較低,2002年為1250元;第三是單位耕地糧食產(chǎn)量物較少,1995年為162.65kg/km2,說(shuō)明土地生產(chǎn)效率低,對(duì)土地的影響較小。2003—2009年,影響天水市生態(tài)安全的指數(shù)值介于40—60之間,土地狀態(tài)為敏感,主要是因?yàn)樵谕恋乩煤烷_(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于受到自然災(zāi)害的影響,土地質(zhì)量狀況越來(lái)越差。隨著天水市經(jīng)濟(jì)的增強(qiáng)和相關(guān)政策法規(guī)的制定,對(duì)土地利用監(jiān)管力度加大,土地質(zhì)量短期內(nèi)出現(xiàn)緩慢恢復(fù),影響指數(shù)由2003年的40.89增長(zhǎng)至2015年的99.80,土地狀態(tài)為安全。由于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和天水市被評(píng)為全國(guó)生態(tài)文明城市,關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)圈的建立,使天水市土地安全狀態(tài)更加穩(wěn)定。

圖4 影響生態(tài)安全指數(shù)變化情況

響應(yīng)生態(tài)指數(shù):由圖5可知,響應(yīng)生態(tài)指數(shù)增長(zhǎng)緩慢,并受外界環(huán)境因素的影響較大,R2=0.295,擬合值與實(shí)際情況存在偏差。2007年天水市工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率為94.42%,2015年環(huán)保投資僅為31.59億元,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是受國(guó)際金融危機(jī)的影響,對(duì)天水市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響巨大,2015年全市環(huán)保投資3.16億元。天水市工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率分項(xiàng)權(quán)重為0.4875,對(duì)土地生態(tài)安全的響應(yīng)較大。隨著天水市工業(yè)對(duì)土地生態(tài)安全的響應(yīng)逐漸增大,加強(qiáng)對(duì)企業(yè)污染的監(jiān)測(cè)、合理控制工業(yè)廢水的排放成為天水市土地資源可持續(xù)利用的重中之重。同時(shí),政府需加強(qiáng)對(duì)土地的政策響應(yīng),確保土地的合理開(kāi)發(fā)利用。

土地綜合生態(tài)安全:通過(guò)計(jì)算和分析,對(duì)天水市1995—2015年土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià),得到生態(tài)安全指數(shù)變化曲線圖見(jiàn)圖6。從圖6的曲線變化趨勢(shì)看,天水市土地安全整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),土地生態(tài)安全狀態(tài)介于敏感與較安全之間。從評(píng)價(jià)因子層看,驅(qū)動(dòng)力所占權(quán)重為0.2462,貢獻(xiàn)值最大;響應(yīng)所占權(quán)重為0.1323,貢獻(xiàn)值最小。在今后土地資源的開(kāi)發(fā)與利用過(guò)程中,天水市應(yīng)提高GDP增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力,在加強(qiáng)土地環(huán)境保護(hù)的同時(shí)加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展,減少化肥、農(nóng)藥對(duì)土地安全造成的壓力;增強(qiáng)環(huán)保投資對(duì)土地安全的響應(yīng),加大環(huán)保投資力度。

圖6 綜合生態(tài)安全指數(shù)變化

3 結(jié)論與討論

本文參照DPSIR框架模型構(gòu)建天水市土地生態(tài)安全指數(shù)模型,對(duì)1995—2015年天水市土地狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文采用灰色關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行賦權(quán),克服了主觀傳統(tǒng)賦權(quán)法的缺點(diǎn),具有數(shù)學(xué)矛盾的客觀性。但灰色關(guān)聯(lián)模型并非完全客觀,為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更具客觀性,有必要對(duì)灰色關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化ρ的取值。一般情況下ρ取0.5,δi值恒大于0.3333;ρ的取值具有隨意性,導(dǎo)致δi出現(xiàn)較大的誤差。此時(shí),通過(guò)簡(jiǎn)化ρ的取值,如對(duì)δi進(jìn)行改進(jìn),忽略ρ的取值部分,則使評(píng)價(jià)過(guò)程更具有客觀性。評(píng)價(jià)結(jié)果與天水市土地實(shí)際情況相符,故此改進(jìn)模型可客觀地對(duì)土地質(zhì)量和狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)分析,1995—2006年天水市土地生態(tài)安全處于敏感狀態(tài),2007年、2009年處于較安全狀態(tài),2008年為敏感狀態(tài),2010—2012年處于敏感狀態(tài),2013—2015年處于安全狀態(tài)。由圖6的曲線可知,天水市土地生態(tài)安全整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),土地安全等級(jí)由不安全狀態(tài)向安全狀態(tài)過(guò)渡;狀態(tài)生態(tài)安全指數(shù)和響應(yīng)生態(tài)安全指數(shù)曲線增長(zhǎng)速度緩慢,起伏波動(dòng)較大,土地生態(tài)安全等級(jí)為敏感且起伏變化;壓力生態(tài)安全指數(shù)曲線呈下降趨勢(shì),且下降速度加快,土地生態(tài)安全等級(jí)由安全變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)。針對(duì)這種變化趨勢(shì),提出有關(guān)土地資源可持續(xù)安全利用的對(duì)策建議,具體為:①政府及相關(guān)環(huán)保部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)土地的監(jiān)管和保護(hù)力度,制定新的土地資源可持續(xù)利用政策,健全土地生態(tài)保障制度。②社會(huì)各界應(yīng)重視對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的保護(hù),倡導(dǎo)綠色的生產(chǎn)方式;積極宣傳土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)的發(fā)展政策,并與破壞土地生態(tài)平衡的行為作斗爭(zhēng)。③公民個(gè)體應(yīng)樹(shù)立正確的可持續(xù)發(fā)展觀念,倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)觀念,合理優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與規(guī)模。

本文使用的方法存在一定的缺陷,在指標(biāo)的選取過(guò)程中存在相對(duì)主觀性,不能完全客觀地評(píng)價(jià)土地安全等級(jí);在研究區(qū)域上只限于小區(qū)域,研究結(jié)果尺度上的普遍性存在局限。通過(guò)研究旨在對(duì)小區(qū)域的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供理論依據(jù),為小區(qū)域土地資源的合理利用提供新的方法。

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