向文,涂建軍,2,*,李琪,朱月,劉莉

1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,中國(guó)重慶400700 2.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)重慶400715

1 前言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,人們對(duì)土地開(kāi)發(fā)和利用強(qiáng)度增加,人地矛盾日益凸顯,土地生態(tài)安全狀況與城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系日益密切,并成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和安全程度的重要指標(biāo)之一[1]。保障區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)安全,實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)安全預(yù)警已成為當(dāng)前土地資源可持續(xù)利用研究的前沿課題和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題。土地生態(tài)安全預(yù)警作為土地生態(tài)安全的重要研究?jī)?nèi)容之一,主要是指通過(guò)對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)利用的生態(tài)后果、區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境的變化、區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)程度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),識(shí)別警兆,分析警源變化,采用定性和定量相結(jié)合的預(yù)警模型對(duì)某種隱蔽存在或突發(fā)的警情進(jìn)行預(yù)報(bào),以達(dá)到提前預(yù)防和控制不安全因素的目的[2],其對(duì)維護(hù)區(qū)域土地生態(tài)安全具有戰(zhàn)略性意義。

土地生態(tài)安全預(yù)警的研究起源于生態(tài)安全預(yù)警,可追溯到20世紀(jì)70年代[3]。國(guó)外學(xué)者對(duì)土地生態(tài)安全預(yù)警的研究主要以監(jiān)測(cè)預(yù)警為主,如越南北部坡耕地水土流失監(jiān)測(cè)[4]、默克萊市西部集水區(qū)土壤結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)[5]、克雷塔羅市土地生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)警[6]等,以及在建立模型基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域性和綜合性的土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[7-8]。國(guó)內(nèi)對(duì)土地生態(tài)安全預(yù)警研究始于20世紀(jì)90年代[9],研究重點(diǎn)主要集中于對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)的某一類(lèi)土地生態(tài)安全問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警,如墾利縣土地質(zhì)量預(yù)警、溫州市邊緣區(qū)耕地預(yù)警、博湖縣土地鹽漬化和科左后旗地區(qū)各鎮(zhèn)荒漠化預(yù)警[10-13]等,以及土地生態(tài)安全預(yù)警理論、預(yù)警指標(biāo)體系、預(yù)警信息系統(tǒng)和預(yù)警方法等方面的研究[14-17]。從已有研究情況來(lái)看,盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地生態(tài)安全預(yù)警進(jìn)行了大量的研究,但仍存在以下不足:一是研究多集中在以縣(區(qū))為評(píng)價(jià)單元的生態(tài)脆弱區(qū)的專(zhuān)題預(yù)警,以城市為研究單元的綜合預(yù)警研究相對(duì)欠缺,難以全面反映區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)整體安全狀況;二是研究多以土地生態(tài)安全現(xiàn)狀為重點(diǎn),鮮有對(duì)未來(lái)土地生態(tài)安全狀況的預(yù)測(cè)預(yù)警,而立足于土地生態(tài)安全現(xiàn)狀,對(duì)未來(lái)土地生態(tài)安全警情的預(yù)測(cè)研究更具有實(shí)用性,更有利于揭示區(qū)域土地生態(tài)安全狀況變化趨勢(shì)與特征。

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的先行示范帶,也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域之一。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速,土地生態(tài)環(huán)境脆弱且復(fù)雜,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益凸出。本文以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶為研究區(qū)域,以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)地級(jí)城市為研究單元開(kāi)展土地生態(tài)安全預(yù)警測(cè)度與時(shí)空演變研究,依據(jù)PSR模型構(gòu)建土地生態(tài)安全指標(biāo)體系,采取熵值法對(duì)2005—2015年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià),并采用GM(1,1)模型對(duì)2016—2020年經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警研究,同時(shí)識(shí)別制約長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全的障礙性因素,為國(guó)家制定長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全的調(diào)控措施,保障區(qū)域社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶位于 97°21′E—122°12′E,21°22′N(xiāo)—35°20′N(xiāo)之間,覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州等11個(gè)省市,包含129個(gè)地級(jí)城市,橫跨我國(guó)東中西三大地帶,土地面積約205萬(wàn) km2,占全國(guó)土地面積的21%。2015年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)用地面積46430.82 km2,且人口總量58758.51萬(wàn)人,GDP總量314216.72億元[18],分別占全國(guó)的42%和45%,成為我國(guó)綜合實(shí)力最強(qiáng)、戰(zhàn)略支撐作用最大的區(qū)域之一。近年來(lái),長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)安全尤其是土地生態(tài)安全問(wèn)題凸顯,愈發(fā)限制了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一,長(zhǎng)江干流通江湖泊僅剩下鄱陽(yáng)湖、洞庭湖和石臼湖,自然濕地面積減少近1000 km2,湖泊濕地功能?chē)?yán)重退化[19];第二,退化草地面積占草場(chǎng)總面積的一半以上,其中10%的退化草場(chǎng)徹底淪為“黑土灘”,草地退化問(wèn)題不容忽視[20];第三,水土流失面積38.5萬(wàn) km2,占流域總面積的21%,是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[21];第四,單位耕地農(nóng)業(yè)化肥施用量為509.73 kg·hm-2,高于國(guó)際認(rèn)可的化肥施用量強(qiáng)度值,并呈不斷上升的趨勢(shì),土壤污染嚴(yán)重。這些土地生態(tài)問(wèn)題對(duì)土地生態(tài)安全造成巨大的威脅,同時(shí)也透支了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展?jié)摿?因而,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全預(yù)警研究有助于協(xié)調(diào)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與土地生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系,為經(jīng)濟(jì)后發(fā)地區(qū)發(fā)展提供借鑒。

2.2 預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究參照20世紀(jì)80年代末聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)提出的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(Pressure-State-Response,即PSR)框架模型[22-24],堅(jiān)持區(qū)域分異、主導(dǎo)因素、可操作性、綜合性和科學(xué)性5大原則,結(jié)合長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶橫跨區(qū)域廣、地形條件復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不均衡等特征,兼顧云南、貴州等落后、偏遠(yuǎn)城市數(shù)據(jù)的可獲取性,分別從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口、資源和環(huán)境等方面遴選15項(xiàng)指標(biāo),構(gòu)建了土地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系(表1),其中“壓力層”指長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)系統(tǒng)受到人口增長(zhǎng)、土地污染、城市擴(kuò)張、工業(yè)生產(chǎn)等方面的壓力;“狀態(tài)層”表征在上述壓力的作用下人地關(guān)系、土地生態(tài)環(huán)境、土地利用結(jié)構(gòu)、土地生產(chǎn)能力等方面呈現(xiàn)的狀態(tài);“響應(yīng)層”反映的是人類(lèi)為促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展在土地集約利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、土地生態(tài)維護(hù)、土地污染解決等方面做出的響應(yīng)。

2.3 預(yù)警評(píng)價(jià)模型及警度標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型

參照相關(guān)文獻(xiàn)[25-26],本研究采用客觀性較強(qiáng)的熵值法計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,并進(jìn)行土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)測(cè)算,其計(jì)算過(guò)程如下:

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。利用極值標(biāo)準(zhǔn)化的方法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行量化的統(tǒng)一。

式中:Xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)為第i個(gè)地區(qū)第j個(gè)指標(biāo)值,n和m分別表示地區(qū)和指標(biāo),Xmax和Xmin表示第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)計(jì)算權(quán)重。某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值越大,其權(quán)重值越小,反之亦然,計(jì)算公式為:

式中:信息效用值信息熵值

表1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系Tab.1 Early-warning index system of land ecological security in the Yangtze River Economic Belt

(3)計(jì)算評(píng)價(jià)指數(shù)。公式為:

式中:fij為Xij的評(píng)價(jià)值,fi為第i個(gè)地區(qū)的評(píng)價(jià)值

2.3.2 灰色系統(tǒng)GM(1,1)預(yù)測(cè)預(yù)警模型

土地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)因素、因素之間的關(guān)系、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)作用原理不完全明確的灰色系統(tǒng),土地生態(tài)安全問(wèn)題也是在一定范圍內(nèi)變化的、與時(shí)間有關(guān)的灰色問(wèn)題。灰色系統(tǒng)理論主要利用系統(tǒng)整合后的灰色信息去預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)變化趨勢(shì)和決策。本研究采用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)最常用的GM(1,1)模型對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各地級(jí)城市2016—2020年土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警,其建模步驟如下[27-28]:

第 1步:對(duì) 數(shù)據(jù) 序 列做一次累加生成,得到其 中

第2步:構(gòu)造累加矩陣B與常數(shù)項(xiàng)向量YN,即

第3步:用最小二乘解灰參數(shù)?a:

第4步:將灰參數(shù)代入時(shí)間函數(shù):第5步:對(duì) (1)

?x求導(dǎo)還原得到:

第6步:計(jì)算x( 0)(t)與? ( 0 ) (t)之間e( 0 )(t)及相對(duì)誤差e(t):

第7步:模型診斷及應(yīng)用模型預(yù)測(cè)

根據(jù)后驗(yàn)比c和小誤差概率p對(duì)模型進(jìn)行診斷,當(dāng)p＞0.95和c＜0.35時(shí),模型可靠,這時(shí)可以根據(jù)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3.3 警度標(biāo)準(zhǔn)

土地生態(tài)安全警度標(biāo)準(zhǔn)的確定是土地生態(tài)安全預(yù)警過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文結(jié)合長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全的實(shí)際情況與已有研究文獻(xiàn)[28],設(shè)定了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全預(yù)警警度與安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2),擬定5個(gè)安全等級(jí),計(jì)算出來(lái)的土地生態(tài)安全預(yù)警值對(duì)應(yīng)土地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí),預(yù)警值越高,土地生態(tài)安全狀態(tài)越好,反之,土地生態(tài)安全狀態(tài)越差。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究各項(xiàng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2006—2016年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市《統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒》、《環(huán)境公報(bào)》等。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù),借助DPSv9.50、SPSS22.0和ArcGIS10.3等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、模型計(jì)算和空間可視化表達(dá)。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。

表2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全警度及安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standards of warning degree and security level of land ecological security in the Yangtze River Economic Belt

3 結(jié)果分析

3.1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全現(xiàn)狀分析

采用公式(4)的評(píng)價(jià)方法,分別對(duì)2005-2015年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)地級(jí)城市的土地生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行綜合測(cè)度(圖1),并通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行可視化表達(dá)(圖 2、3、4)。

2005-2015年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全整體狀況已出現(xiàn)持續(xù)好轉(zhuǎn)跡象(圖1)。2005年,整個(gè)經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)值為0.3798,處于“較不安全”等級(jí),到2015年,土地生態(tài)安全值已提升至0.4779,土地生態(tài)安全級(jí)別也提高為“臨界安全”等級(jí)。過(guò)去11年間,雖然“臨界安全”等級(jí)城市由47個(gè)增加為120個(gè),“比較安全”等級(jí)城市由0個(gè)增加為3個(gè),但同期“較不安全”城市個(gè)數(shù)卻由82個(gè)減少為6個(gè),說(shuō)明整體上經(jīng)濟(jì)帶的土地生態(tài)安全水平有所提高。

從土地生態(tài)安全狀況演變趨勢(shì)看(圖2),2005-2015年間,除上饒市出現(xiàn)小幅下降外,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶其他城市有不同程度上升,其中土地生態(tài)安全水平平穩(wěn)保持(上升值低于0.04)的城市有瀘州市、雅安市、宜昌市等10個(gè)城市,僅占經(jīng)濟(jì)帶城市總量的7.81%;小幅上升(上升值介于0.05至0.12之間)的城市有昆明市、成都市、重慶市、南昌市等78個(gè)城市,占60.94%;大幅上升(上升值介于0.13至0.20之間)的城市有貴陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市、武漢市等40個(gè)城市,占31.25%?？梢钥闯?小幅上升是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全水平變化的“主基調(diào)”,但由于不同城市上升幅度差異較大,2015年城市間土地生態(tài)安全水平差距較2005年變大。上饒市作為唯一一個(gè)負(fù)向演化的城市,11年間其土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)值由0.4243下降到0.3476,城市土地生態(tài)安全等級(jí)由“臨界安全”變成“極不安全”,主要由于研究期間其經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市人口由22.62萬(wàn)人驟增至317.89萬(wàn)人,同期建設(shè)用地面積由0.30萬(wàn) hm2增至2.13萬(wàn) hm2,城市發(fā)展對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的壓力過(guò)大,負(fù)面效應(yīng)凸顯。

圖1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全等級(jí)城市數(shù)量演變圖Fig.1 The number of cities with different grades of land ecological security in the Yangtze River Economic Belt

圖2 2005—2015年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全水平演化圖Fig.2 The evolution of urban land ecological security level in the Yangtze River Economic Belt in 2005-2015

圖3 2005年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全等級(jí)分布圖Fig.3 Land ecological security degree distribution in the Yangtze River Economic Belt in 2005

圖4 2015年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全等級(jí)分布圖Fig.4 Land ecological security degree distribution in the Yangtze River Economic Belt in 2015

從安全等級(jí)空間分布看,2005年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全總體上呈現(xiàn)“東西部?jī)?yōu),中部劣”的態(tài)勢(shì),2015年則呈現(xiàn)“東中部和西南部?jī)?yōu),西北部劣”的格局(圖3、4)。至2015年,東部城市土地生態(tài)安全狀態(tài)最優(yōu),形成高水平的集聚,其中上海市、蘇州市、無(wú)錫市達(dá)到“比較安全”等級(jí),主要得益于近年來(lái)東部城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)移,第三產(chǎn)業(yè)比重上升至40%以上,產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)土地生態(tài)安全的負(fù)面影響減少,同時(shí)人均GDP增長(zhǎng)迅速,工業(yè)固體綜合利用、污水處理等土地生態(tài)安全維護(hù)能力相應(yīng)提升;中部和西南部城市土地生態(tài)安全狀況次之,大部分城市土地生態(tài)安全等級(jí)提升至“臨界安全”,主要由于研究期間內(nèi)人口密度下降,人口壓力相對(duì)降低,同時(shí)經(jīng)濟(jì)密度提升,土地集約利用程度提高;西北部城市土地生態(tài)安全水平最低,處于“較不安全”等級(jí)城市最多,主要由于研究期間內(nèi)西北部城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,人均建設(shè)用地面普遍增加10 hm2·人-1,且單位耕地化肥負(fù)荷增加,土地污染現(xiàn)象嚴(yán)重?？傮w而言,研究期間內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全水平空間差異特征明顯,安全等級(jí)存在空間聚集現(xiàn)象,說(shuō)明長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化交流頻繁地區(qū),城市之間土地生態(tài)環(huán)境相互影響顯著。

3.2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全預(yù)警

為揭示長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),本文采用GM(1,1)預(yù)測(cè)預(yù)警模型,運(yùn)用DPSv9.50軟件,分別對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)地級(jí)城市2016—2020年土地生態(tài)安全綜合水平進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警,并基于129個(gè)城市和不同城市規(guī)模等級(jí)視角對(duì)經(jīng)濟(jì)帶警情進(jìn)行分析。

3.2.1 基于129個(gè)城市視角的預(yù)警分析

2016—2020年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)城市中荊州市和上饒市土地生態(tài)安全水平出現(xiàn)小幅下降,同時(shí)“重警”城市增加到8個(gè),其他城市土地生態(tài)安全狀態(tài)持續(xù)改善。至2020年,“輕警”城市數(shù)量迅速增加到37個(gè),增幅高達(dá)24.03%。其中武漢市土地生態(tài)安全狀態(tài)最優(yōu),處于“無(wú)警”級(jí)別;其次是襄陽(yáng)市和上海市,均處于“輕警”級(jí)別。城市土地生態(tài)安全水平提升幅度比較過(guò)去11年更大,改善幅度最大的武漢市為37.12%,改善幅度最小的郴州市僅0.45%,綜上說(shuō)明未來(lái)五年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城市土地生態(tài)安全警度出現(xiàn)向高警度和低警度兩端聚集的趨勢(shì),土地生態(tài)安全水平差距將繼續(xù)變大,且長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全整體上仍處于“中警”級(jí)別,土地生態(tài)安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

預(yù)警期間內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)城市土地生態(tài)安全警度呈現(xiàn)“東中部和西南部降低,西北部仍高”的總體格局,低警度城市由東部不斷向中西部擴(kuò)散(圖5、6)。杭州市、寧波市、無(wú)錫市等13個(gè)東部城市,長(zhǎng)沙市、武漢市、亳州市等11個(gè)中部城市,貴陽(yáng)市、銅仁市、重慶市等4個(gè)西南部城市土地生態(tài)安全警度均由“中警”級(jí)別改善至“輕警”級(jí)別,這從整體上提高了東中部和西南部地區(qū)的土地生態(tài)安全水平。而西北部地區(qū)的攀枝花市、涼山彝族自治州、甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州等5個(gè)城市土地生態(tài)安全始終處于“重警”級(jí)別,成為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全敏感區(qū)。說(shuō)明西北部地區(qū)城市的土地生態(tài)安全保護(hù)任務(wù)艱巨,也在一定程度上反映自然本底對(duì)土地生態(tài)安全狀態(tài)影響顯著。

圖5 2016年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全警度分布圖Fig.5 Land ecological security warning degree distribution in the Yangtze River Economic Belt in 2016

圖6 2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全警度分布圖Fig.6 Land ecological security warning degree distribution in the Yangtze River Economic Belt in 2020

3.2.2 基于城市規(guī)模等級(jí)視角的預(yù)警分析

按照我國(guó)最新調(diào)整的城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn),長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)城市可分為超大城市、特大城市、Ⅰ類(lèi)大城市、Ⅱ類(lèi)大城市、中等城市、Ⅰ類(lèi)小城市和Ⅱ類(lèi)小城市7種類(lèi)型[29],其數(shù)量分別為1、4、3、15、36、43和27。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,得到長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶不同規(guī)模等級(jí)城市土地生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果在2016-2020年時(shí)序變化如圖7所示:

從時(shí)間序列演化來(lái)看,2016—2020年,Ⅰ類(lèi)小城市土地生態(tài)安全水平將超過(guò)中等城市,其他城市規(guī)模等級(jí)相對(duì)土地生態(tài)安全總體保持穩(wěn)定。其中Ⅱ類(lèi)大城市增幅最大,預(yù)警值由0.5669上升至0.6627,五年內(nèi)上升0.0958,警度由“中警”變?yōu)椤拜p警”,土地生態(tài)環(huán)境狀況迅速改善。Ⅰ類(lèi)大城市增幅最小,預(yù)警值由0.5315上升至0.5685,始終處于“中警”級(jí)別,土地生態(tài)環(huán)境改善較慢。說(shuō)明不同城市規(guī)模等級(jí)發(fā)展特征不同,人們對(duì)土地生態(tài)安全認(rèn)識(shí)程度也不同,采取保護(hù)措施的力度和效益差異較大,對(duì)土地生態(tài)安全水平影響較大。

從具體的7種規(guī)模類(lèi)型來(lái)看,2016—2020年,超大城市土地生態(tài)安全水平狀態(tài)最優(yōu),Ⅱ類(lèi)小城市土地生態(tài)安全狀況最差,其他類(lèi)型的城市處于一般狀態(tài)。截止到2020年,超大城市土地生態(tài)安全預(yù)警值為0.7639,處于“輕警”級(jí)別。Ⅱ類(lèi)小城市土地生態(tài)安全預(yù)警值為0.5137,處于“中警”級(jí)別。5年間土地生態(tài)安全狀態(tài)最優(yōu)的超大城市與最差的Ⅱ類(lèi)小城市之間的差距不斷增大,增幅為25%。這在一定程度上反映城市規(guī)模等級(jí)越高,對(duì)土地生態(tài)安全的維護(hù)意識(shí)越強(qiáng),改善土地生態(tài)環(huán)境的能力越高,城市土地生態(tài)安全狀況越好。

3.3 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全預(yù)警主導(dǎo)因子識(shí)別

以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶129個(gè)城市2015年15項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)造矩陣,運(yùn)用SPSS17.0軟件對(duì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,并進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗(yàn),得出KMO=0.598,大于0.5,Sig=0.000,小于0.001,結(jié)果顯著,數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因子分析。經(jīng)過(guò)因子分析處理選出7個(gè)主成分,其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.02%,對(duì)原始數(shù)據(jù)信息丟失較少,因子分析效果比較理想。由于因子提取結(jié)果和因子回歸系數(shù)還不能明顯反映指標(biāo)信息,因此對(duì)其進(jìn)行正交方差最大旋轉(zhuǎn),得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣(表3)。

由上述研究可知,因子1對(duì)經(jīng)濟(jì)密度有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性;因子2對(duì)單位土地廢水負(fù)荷有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性;因子3對(duì)單位播種耕地糧食作物產(chǎn)量有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性;因子4對(duì)耕地面積比重有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性;因子5對(duì)人均公園綠地面積有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性;因子6對(duì)人口自然增長(zhǎng)率有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性;因子7對(duì)單位耕地化肥負(fù)荷有較高的載荷,呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性。說(shuō)明經(jīng)濟(jì)密度、單位土地廢水負(fù)荷、單位播種耕地糧食作物產(chǎn)量、耕地面積比重、人均公園綠地面積、人口自然增長(zhǎng)率、單位耕地化肥負(fù)荷這7個(gè)因子的變化對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全影響比較顯著,未來(lái)需要從這些方面著手提升土地生態(tài)安全水平,改善土地生態(tài)安全狀況。

圖7 2016—2020年不同規(guī)模等級(jí)城市土地生態(tài)安全水平演化Fig.7 The evolution of urban land ecological security level in different scale grades in 2016-2020

表3 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Tab.3 Rotated component matrix

利用SPSS17.0軟件將提取出的新因子進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析,F檢驗(yàn)值為59.69,顯著性概率p為0,低于顯著水平(a=0.05),各解釋變量的偏回歸系數(shù)矩陣如表4所示:

各解釋變量中除因子7不顯著外,其他因子較好的解釋了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全狀況,各因子根據(jù)影響程度排序?yàn)橐蜃?>因子2、5>因子4>因子6>因子3。其中影響長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全最顯著的三個(gè)因子分別是經(jīng)濟(jì)密度、單位土地廢水負(fù)荷和人均公園綠地面積。由此可見(jiàn),土地集約利用狀況對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全狀態(tài)起著決定性作用,污染排放壓力對(duì)土地生態(tài)安全狀態(tài)負(fù)面影響較大,人造自然綠地系統(tǒng)對(duì)土地生態(tài)安全狀態(tài)改善作用明顯?？傮w而言,現(xiàn)階段長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)系統(tǒng)已不是單純的自然生態(tài)系統(tǒng),人為因素逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位,對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)影響效果顯著。因此,各城市應(yīng)在提升城市土地集約利用水平的同時(shí)嚴(yán)格控制污染排放量,提升污染物處理能力,依據(jù)自然規(guī)律積極采取措施,改善土地生態(tài)系統(tǒng)的要素結(jié)構(gòu),減少人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。

表4 各解釋變量偏回歸系數(shù)矩陣Tab.4 Partial regression coefficient matrix of explanatory variables

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全為研究對(duì)象,基于PSR模型構(gòu)建土地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系,運(yùn)用熵值法和GM(1,1)模型計(jì)算土地生態(tài)安全預(yù)警指數(shù),劃分土地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí),分析2005—2020年研究區(qū)土地生態(tài)安全現(xiàn)狀與警情時(shí)空演變,識(shí)別主導(dǎo)因子。研究表明:

(1)2005—2015年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全整體狀況改善,但改善速度較慢,土地生態(tài)安全級(jí)別由“較不安全”改善至“臨界安全”。截至2015年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶絕大多數(shù)城市仍處于“臨界安全”級(jí)別,處于“比較安全”級(jí)別的城市較少,且仍存在處于“較不安全”級(jí)別的城市,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)土地生態(tài)安全總體形勢(shì)不容樂(lè)觀。

(2)通過(guò)對(duì)2016—2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全預(yù)警得出:①荊州市和上饒市土地生態(tài)安全水平出現(xiàn)小幅下降,均處于“重警”級(jí)別,其它地級(jí)市土地生態(tài)安全水平不斷提高,總體土地生態(tài)安全水平提高;②截至2020年,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶總體土地生態(tài)安全處于“中警”級(jí)別,土地生態(tài)安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻;③5年內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全警度出現(xiàn)向高警度和低警度兩端聚集的趨勢(shì),各城市之間土地生態(tài)安全水平差距越來(lái)越大;④各等級(jí)規(guī)模城市土地生態(tài)安全總體均有所改善,其中Ⅱ類(lèi)大城市改善幅度最大,Ⅰ類(lèi)小城市土地生態(tài)安全水平將超過(guò)中等城市,其他城市規(guī)模等級(jí)相對(duì)土地生態(tài)安全總體保持穩(wěn)定。

(3)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全警度總體呈現(xiàn)“東中部和西南部降低、西北部高”的格局,低警度城市由東部不斷向中西部擴(kuò)散。截至2020年,東中部和西南部總體處于“輕警”級(jí)別,西北部的攀枝花市、涼山彝族自治州、甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州等地級(jí)市土地生態(tài)安全處于“重警”級(jí)別,成為土地生態(tài)安全敏感區(qū)。

(4)經(jīng)濟(jì)密度、單位土地廢水負(fù)荷、單位播種耕地糧食作物產(chǎn)量、耕地面積比重、人均公園綠地面積、人口自然增長(zhǎng)率、單位耕地化肥負(fù)荷是影響長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全的主導(dǎo)因子,其中經(jīng)濟(jì)密度、單位土地廢水負(fù)荷和人均公園綠地面積3個(gè)因子是影響長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)安全狀態(tài)的敏感因子,也是導(dǎo)致土地生態(tài)安全狀態(tài)沒(méi)有得到根本改善的主要原因。

4.2 討論

土地生態(tài)安全水平的變化在一定程度上反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和人們土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的轉(zhuǎn)變。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù),不搞大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略方針的提出,以修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境為主要目標(biāo)的大保護(hù)戰(zhàn)略將成為推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展最緊迫而重大的任務(wù),今后一段時(shí)間長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶將走“生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展”之路[30-31]。目前長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全狀況整體上雖持續(xù)轉(zhuǎn)好,但個(gè)別城市出現(xiàn)負(fù)向演化,警度呈現(xiàn)兩端聚集的趨勢(shì),土地生態(tài)安全隱患嚴(yán)重。其中,西北部城市土地生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶西北部城市地形條件復(fù)雜,土地生態(tài)脆弱區(qū)分布面積大,土地生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力弱,土地生態(tài)安全保護(hù)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的監(jiān)管力度,制定合理的土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃,劃定限制開(kāi)發(fā)區(qū)范圍,確保各城市土地生態(tài)安全保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí),隨著大保護(hù)戰(zhàn)略的深入實(shí)施,土地生態(tài)安全保護(hù)將成為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市的共識(shí),但由于相關(guān)保護(hù)措施對(duì)物質(zhì)支撐的硬性要求和城市不同發(fā)展階段的需求,城市間土地生態(tài)安全水平差距將進(jìn)一步擴(kuò)大,因此未來(lái)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶應(yīng)強(qiáng)化土地生態(tài)環(huán)境信息支撐服務(wù),完善土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)保護(hù)技術(shù)進(jìn)步,加快土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)一體化進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)協(xié)同保護(hù),共同發(fā)展,緩解土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾。

土地生態(tài)安全預(yù)警作為保護(hù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地生態(tài)環(huán)境的前瞻性研究已是科學(xué)制定土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的迫切需求。本研究對(duì)土地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)與預(yù)警雖然反映出了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各城市土地生態(tài)安全狀況,但在由于數(shù)據(jù)獲取的限制,在相關(guān)指標(biāo)選取上多側(cè)重于社會(huì)數(shù)據(jù),對(duì)土地生態(tài)安全的自然屬性反應(yīng)不夠全面。此外,考慮到各項(xiàng)指標(biāo)安全標(biāo)準(zhǔn)的不全面性,沒(méi)有對(duì)各指標(biāo)警度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)劃分,因此沒(méi)有對(duì)土地生態(tài)安全的各個(gè)方面提出更加細(xì)化的發(fā)展對(duì)策,這些都是在今后的研究中有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善的方面。

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