張 成, 黃芳芳**, 尚國琲

土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 成1, 黃芳芳1**, 尚國琲2

(1. 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(本科) 東陽 322100; 2. 河北地質(zhì)大學(xué) 石家莊 050031)

土地生態(tài)安全問題是區(qū)域生態(tài)安全的核心問題之一。定量化、可視化、自動化的評價和預(yù)測土地生態(tài)安全狀況并進(jìn)行實(shí)時預(yù)警, 對土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。本文以河北省為研究實(shí)例, 基于PSR(壓力、狀態(tài)、響應(yīng))模型構(gòu)建了土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系, 采用投影尋蹤模型對土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價, 采用主成分相關(guān)分析法診斷土地生態(tài)安全的主要影響因子, 采用空間差異系數(shù)模型分析了土地生態(tài)安全的時空格局, 采用馬爾科夫預(yù)測模型對土地生態(tài)安全水平進(jìn)行預(yù)測, 通過劃分土地生態(tài)安全預(yù)警等級建立了預(yù)警機(jī)制, 并利用MATLAB的圖形用戶界面(GUI)開發(fā)了土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)果表明: 1)2010—2018年, 河北省土地生態(tài)安全指數(shù)呈不斷增長態(tài)勢, 由0.300上升到0.611, 年均增長率為12.92%, 土地生態(tài)安全狀態(tài)由“惡化級”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊舾屑墶? 預(yù)警等級由“巨警”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸芯? 土地生態(tài)安全總體水平仍然較低。2)土地生態(tài)安全主要限制因子是人口密度、工業(yè)化率、單位播種面積農(nóng)藥負(fù)荷、單位土地工業(yè)三廢負(fù)荷、城市建設(shè)用地比重、工業(yè)用地比重和GDP能耗等。3)河北省各地級市土地生態(tài)安全區(qū)域差異性不斷縮小, 近年趨于平穩(wěn), 至2018年, 空間差異系數(shù)為32.54%, 各市之間的差異性仍然不容忽視, 大部分地級市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于“敏感級”, 預(yù)警等級為“中警”, 土地生態(tài)安全水平有待進(jìn)一步提高。4)2019—2025年, 河北省土地生態(tài)安全指數(shù)呈穩(wěn)步上升趨勢, 到2025年為0.834, 達(dá)到“較安全級”, 預(yù)警等級為“輕警”, 土地生態(tài)朝著良性方向發(fā)展的潛力較大。

土地生態(tài)安全; PSR模型; 圖形用戶界面(GUI); 預(yù)警系統(tǒng); 河北省

生態(tài)安全是國家安全的重要組成部分, 土地生態(tài)安全是生態(tài)安全的基礎(chǔ)。隨著城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn), 建設(shè)用地面積不斷拓展, 土地利用強(qiáng)度不斷提高, 對土地生態(tài)安全產(chǎn)生了深刻影響。土地生態(tài)安全預(yù)警是指在一定的時空范圍內(nèi), 評估和預(yù)測土地生態(tài)安全的影響來源、受威脅狀態(tài)以及響應(yīng)效應(yīng), 綜合判斷是否達(dá)到土地生態(tài)安全的閾值, 并對可能出現(xiàn)的警情進(jìn)行警報(bào)[1-3]。

近年來, 我國一直致力于構(gòu)建國家生態(tài)安全評價、預(yù)警體系和標(biāo)準(zhǔn), 研發(fā)土地生態(tài)安全監(jiān)控、預(yù)警和輔助決策系統(tǒng), 以實(shí)時掌握生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和演變趨勢, 為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策依據(jù)。開發(fā)土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng), 對區(qū)域土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行定量化、可視化、自動化評價和實(shí)時預(yù)警, 對于指導(dǎo)區(qū)域土地合理利用和制定科學(xué)的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對策具有重要作用。

目前國內(nèi)外關(guān)于土地生態(tài)安全的研究主要集中在評價指標(biāo)體系的構(gòu)建、評價和預(yù)測方法的選用、安全指數(shù)的計(jì)算、安全等級的劃分和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等方面。在指標(biāo)體系構(gòu)建上, 目前尚未形成統(tǒng)一的指標(biāo)體系, 常用的指標(biāo)體系有PSR(壓力、狀態(tài)、響應(yīng))模型[4-5]和EES(經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會)模型[6-7], 也有學(xué)者采用以DPSIR(驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng))模型[8-9]為代表的修正模型。評價方法可分為定性和定量方法。定性方法主要采用理論分析的方式描述土地生態(tài)安全的現(xiàn)狀和變化趨勢, 并提出對策和建議[10]。定量方法成為近年來所采用的主要方法, 常用方法包括層次分析法[11]、主成分分析法[12]、熵值法[13]、投影尋蹤法[14]、灰色關(guān)聯(lián)法[15]、模糊綜合法[16]、物元分析法[17]和正態(tài)云法[18]等數(shù)學(xué)模型。以生態(tài)足跡法[19]為代表的生態(tài)模型是目前進(jìn)行生態(tài)安全評價的另一種簡便實(shí)用的方法。預(yù)測方法主要有空間插值[20]、回歸分析[21]、BT神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[22]和灰色預(yù)測法[23]等。安全指數(shù)的計(jì)算通常采用綜合指數(shù)法[24], 根據(jù)確定的指標(biāo)權(quán)重對單個指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和, 轉(zhuǎn)化為綜合指數(shù)。安全等級的劃分目前學(xué)術(shù)界尚未建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和專用術(shù)語, 根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行劃分, 常以等分法為主[25-27]。在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用上, 主要是將遙感和GIS技術(shù)作為數(shù)據(jù)源和時空分析工具[28-30]。

定量化評價方法的出現(xiàn), 使得評價結(jié)果更加準(zhǔn)確、合理, 但模型本身更加復(fù)雜、難懂, SPSS等傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析軟件已經(jīng)難以滿足復(fù)雜模型建立和求解的需求。數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)方面的專家學(xué)者能熟練應(yīng)用各種數(shù)學(xué)模型, 但對研究區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀了解不足; 土地管理人員了解區(qū)域土地利用的現(xiàn)狀, 但難以熟練應(yīng)用各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行土地生態(tài)安全評價研究。將土地生態(tài)安全相關(guān)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合, 開發(fā)專門的土地生態(tài)安全評價和預(yù)警系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)安全可視化、自動化評價和實(shí)時預(yù)警, 這將是土地生態(tài)安全研究的前沿方向之一, 目前該方面的研究尚不足[31]。MATLAB的圖形用戶界面(GUI)為用戶提供了可視化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺, 用戶利用菜單、按鍵等工具可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的方便快捷設(shè)計(jì)和自動化數(shù)據(jù)處理。目前MATLAB GUI編程技術(shù)被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域[32-34], 在生態(tài)安全方面的應(yīng)用卻不多見[35]。

本研究將土地生態(tài)安全相關(guān)理論和方法, 與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合, 綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和MATLAB GUI編程技術(shù)開發(fā)土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng), 以實(shí)現(xiàn)從不同的時空尺度對土地生態(tài)安全現(xiàn)狀和動態(tài)演替過程進(jìn)行定量化、可視化、自動化的評價和預(yù)測及實(shí)時預(yù)警。同時, 應(yīng)用該系統(tǒng)對河北省土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)例研究。

1 系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(P-S-R)框架模型于20世紀(jì)80年代末提出, 能深刻地揭示人類活動、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間的因果關(guān)系。將其應(yīng)用于土地生態(tài)安全評價, 可以定量化地測度土地生態(tài)安全變化的起因、過程和機(jī)理, 結(jié)果更直觀, 具有較強(qiáng)實(shí)用性、針對性。

基于PSR模型, 在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[36-39], 同時考慮區(qū)域土地利用現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和生態(tài)環(huán)境特征, 遵循指標(biāo)選取的系統(tǒng)性、差異性等原則, 構(gòu)建了土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系(表1)。目標(biāo)層為區(qū)域土地生態(tài)安全。系統(tǒng)層為壓力(P)、狀態(tài)(S)、響應(yīng)(R)3個子系統(tǒng), 壓力(P)表征土地生態(tài)壓力來源及作用, 狀態(tài)(S)表征土地生態(tài)的變化程度, 響應(yīng)(R)表征人類應(yīng)對土地生態(tài)變化所做出的調(diào)控。準(zhǔn)則層從社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3個方面選取指標(biāo)。指標(biāo)層共包含30項(xiàng)指標(biāo), 其中正向指標(biāo)表示對土地生態(tài)安全具有正向作用, 其值越大越安全; 逆向指標(biāo)表示對土地生態(tài)安全具有負(fù)向作用, 其值越大越不安全。

1.2 土地生態(tài)安全評價模型

1.2.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

利用投影尋蹤模型計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。投影尋蹤模型是基于降維的思想, 將高維指標(biāo)投影為一維指標(biāo), 求得最佳投影向量作為指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算過程如下:

1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

考慮到各指標(biāo)數(shù)量級、正負(fù)性質(zhì)不同, 采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對其進(jìn)行處理。

對于正向指標(biāo):

對于負(fù)向指標(biāo):

2)構(gòu)造投影函數(shù)

3)投影指標(biāo)函數(shù)優(yōu)化

1.2.2 綜合指數(shù)的計(jì)算

利用綜合指數(shù)法計(jì)算P、S、R 3個子系統(tǒng)以及總系統(tǒng)的土地生態(tài)安全指數(shù)。

1)計(jì)算各子系統(tǒng)的指數(shù)

1.2.3 影響因子診斷

1.2.4 空間差異性分析

采用空間差異系數(shù)對土地生態(tài)安全綜合指數(shù)進(jìn)行區(qū)域差異性分析?？臻g差異系數(shù)(CV)為:

1.3 土地生態(tài)安全預(yù)測模型

利用馬爾可夫模型對土地生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行中短期預(yù)測。馬爾可夫預(yù)測法通過初始狀態(tài)向量以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測下一個狀態(tài)。計(jì)算方法和步驟如下所示:

1) 確定狀態(tài)向量矩陣

2)構(gòu)建轉(zhuǎn)移矩陣

利用最小二乘原理構(gòu)建轉(zhuǎn)移矩陣:

式中:

3)預(yù)測

4)模型檢驗(yàn)

1.4 土地生態(tài)安全預(yù)警等級體系

目前國內(nèi)外關(guān)于土地生態(tài)安全等級劃分尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在借鑒已有研究成果基礎(chǔ)上[40-43], 結(jié)合區(qū)域土地生態(tài)安全狀況, 將其劃分為5個等級(表2)。根據(jù)土地生態(tài)安全綜合指數(shù), 對比土地生態(tài)安全預(yù)警等級, 對區(qū)域土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)時預(yù)警。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

該系統(tǒng)主要有3個模塊, 分別為土地生態(tài)安全評價、土地生態(tài)安全預(yù)測和成果輸出。系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1。

1)土地生態(tài)安全評價模塊。該模塊包含“指標(biāo)體系數(shù)據(jù)加載” “計(jì)算指標(biāo)權(quán)重” “計(jì)算土地生態(tài)安全指數(shù)” “劃分土地生態(tài)安全等級”和“評價結(jié)果分析”5個子功能。用戶通過自動導(dǎo)入或手動錄入的方式將PSR指標(biāo)體系數(shù)據(jù)加載到系統(tǒng)中。首先, 系統(tǒng)通過投影尋蹤模型自動計(jì)算評價指標(biāo)的權(quán)重, 并用綜合指數(shù)法計(jì)算土地生態(tài)安全指數(shù)。其次, 系統(tǒng)對比土地生態(tài)安全預(yù)警等級體系, 自動劃分安全狀態(tài)和預(yù)警等級并進(jìn)行警報(bào)。最后, 系統(tǒng)分別通過主成分相關(guān)分析法, 對土地生態(tài)安全的主要影響因素進(jìn)行診斷; 通過計(jì)算空間差異系數(shù), 對土地生態(tài)安全的區(qū)域差異性進(jìn)行分析; 通過聚類分析法, 對土地生態(tài)安全的空間格局進(jìn)行分析。

2)土地生態(tài)安全預(yù)測模塊。該模塊包含“土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)測” “劃分土地生態(tài)安全等級” “預(yù)測結(jié)果分析”和“模型檢驗(yàn)”4個子功能。首先, 系統(tǒng)基于土地生態(tài)安全評價模塊計(jì)算的土地生態(tài)安全指數(shù), 通過馬爾可夫預(yù)測模型對其進(jìn)行中短期預(yù)測。其次, 系統(tǒng)對比土地生態(tài)安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn), 對預(yù)測指數(shù)自動劃分安全等級并進(jìn)行預(yù)警。最后, 系統(tǒng)對預(yù)測模型進(jìn)行誤差分析和檢驗(yàn)。

3)成果輸出模塊。對計(jì)算成果進(jìn)行保存或打印輸出。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)與算法實(shí)現(xiàn)

1)利用MATLAB GUI的imread函數(shù)加載圖片, 為系統(tǒng)定制主、副界面。

jm=axes('units','normalized','position',[0,0,1,1]);

uistack(jm,'down');

zjm=imread('系統(tǒng)主界面.jpg');

fjm=imread('系統(tǒng)副界面.jpg');

2)利用MATLAB GUI的uimenu函數(shù)為系統(tǒng)定制菜單項(xiàng)。

表2 土地生態(tài)安全預(yù)警等級體系

圖1 土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

ui1=uimenu(h,'土地生態(tài)安全評價');

3)利用MATLAB GUI的uigetfile函數(shù)實(shí)現(xiàn)EXCEL原始數(shù)據(jù)自動加載與編輯。

[fName,pName,index]=uigetfile('*.xls','加載原始數(shù)據(jù)','河北省PSR指標(biāo)體系原始數(shù)據(jù)表.xls');

4)利用MATLAB GUI的plot函數(shù)繪制曲線圖、柱狀圖等圖件。

sxt1=plot(x,y,'r+');

q1=title('土地生態(tài)安全指數(shù)變化曲線圖');

xlabel('時間');

ylabel('土地生態(tài)安全指數(shù)');

5)利用MATLAB GUI的visible參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同功能模塊界面的任意刷新與切換。

position=get(gca,'position')

if position==[0.15,0.05,0.7,0.45] |

position==[0.15,0.64,0.7,0.2]

set(allchild(gca),'visible','off');

end

set(allchild(gcf),'visible','off');

set(findall(gcf,'type','uimenu'),'visible','on');

6)利用MATLAB GUI的uiputfile函數(shù)對系統(tǒng)勻性結(jié)果進(jìn)行保存或打印輸出。

[fname,pname,index]=uiputfile('*.xls','另存為','土地生態(tài)安全指數(shù)表.xls');

printpreview(gcf);

3 河北省土地生態(tài)安全預(yù)警實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)概況

河北省地處華北, 漳河以北, 東臨渤海, 內(nèi)環(huán)京津。地勢自東南向西北升高, 地貌類型多樣。冬季寒冷少雪, 夏季炎熱多雨, 屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。截至2018年, 河北省下轄11個地級市, 全省面積18.88萬km2?？?cè)丝? 556.30萬人, 生產(chǎn)總值36 010.3億元, 人均GDP為47 772元。隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn), 建設(shè)用地需求不斷增加, 土地利用強(qiáng)度不斷提高, 對土地生態(tài)安全產(chǎn)生了深刻影響。

3.2 研究區(qū)域劃分與數(shù)據(jù)來源

按行政界線劃分研究區(qū)域, 以河北省11個地級市作為評價單元。

數(shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2019年)、《中國環(huán)境年鑒》(2011—2019年)、《河北省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2019年)、《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2019年)、《河北省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2010—2018年)等。

3.3 土地生態(tài)安全評價

3.3.1 土地生態(tài)安全評價結(jié)果

利用開發(fā)的土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)對河北省2010—2018年土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價。計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重如表3, 土地生態(tài)安全水平如表4所示。

表4顯示2010—2018年, 河北省土地生態(tài)安全壓力指數(shù)在0.420和0.549之間呈波動性變化, 且維持在較高水平。狀態(tài)指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)呈逐年增長態(tài)勢, 且增長迅速。土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈不斷增長趨勢, 由2010年的0.300上升到2018年的0.611, 年均增長率為12.92%。土地生態(tài)安全狀態(tài)由“惡化級”經(jīng)“風(fēng)險(xiǎn)級”轉(zhuǎn)變至“敏感級”, 土地生態(tài)預(yù)警等級由“巨警”經(jīng)“重警”轉(zhuǎn)變至“中警”, 但至2018年, 土地生態(tài)安全狀態(tài)尚處于“敏感級”, 預(yù)警等級為“中警”, 土地生態(tài)安全總體水平仍然較低。

3.3.2 土地生態(tài)安全影響因子診斷

利用開發(fā)的土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算土地生態(tài)安全綜合指數(shù)與各評價指標(biāo)之間的主成分相關(guān)性系數(shù), 并繪制相關(guān)性雷達(dá)圖。由圖2可知, 與土地生態(tài)安全綜合指數(shù)負(fù)相關(guān)性偏大的指標(biāo)主要有P1、P5、P7、P9、S2、S3、S6, 河北省土地生態(tài)安全主要限制因子是人口密度、工業(yè)化率、單位播種面積農(nóng)藥負(fù)荷、單位土地工業(yè)三廢負(fù)荷、城市建設(shè)用地比重、工業(yè)用地比重和萬元GDP能耗等。隨著人口的急劇增加, 工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn), 耕地面積持續(xù)減少, 建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)大, 包括邯鄲市在內(nèi)的多個城市第二產(chǎn)業(yè)占據(jù)很大比重, 萬元GDP能耗大, 工業(yè)三廢污染嚴(yán)重。另外, 農(nóng)業(yè)為提高產(chǎn)量, 大量農(nóng)藥化肥的施用, 造成水土污染, 極大地影響了農(nóng)業(yè)土地生態(tài)安全水平。因此, 對于河北省來說, 積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)應(yīng)為迫切改善的方向。

與土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈正相關(guān)較高的因素有S4、S8、R1、R3、R7、R9、R10, 在過去的9年里, 河北省努力加大耕地保護(hù)力度, 改善耕地環(huán)境質(zhì)量, 單位播種面積糧食產(chǎn)量有效增加; 積極加強(qiáng)城市綠化建設(shè)和居民生活環(huán)境保護(hù), 環(huán)保治理投資增長顯著; 積極開展植樹造林工程, 加大水土流失治理力度, 土地生態(tài)環(huán)境得到有效改善。

3.3.3 土地生態(tài)安全區(qū)域差異性分析

利用開發(fā)的土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算2010—2018年河北省土地生態(tài)安全空間差異系數(shù)。由圖3可知, 2010—2018年河北省土地生態(tài)安全綜合指數(shù)的空間差異系數(shù)整體呈不斷降低趨勢, 2015—2017年相對平穩(wěn), 至2018年為32.54%。說明河北省各市土地生態(tài)安全區(qū)域差異性在不斷縮小, 近年趨于平穩(wěn), 但各市之間的差異性仍然不能忽視。子系統(tǒng)層面, 土地生態(tài)安全壓力指數(shù)的空間差異系數(shù)一直維持在較高水平, 只呈小范圍波動性變化, 至2018年為43.60%, 說明河北省各市土地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的壓力相差各異。狀態(tài)和響應(yīng)指數(shù)的空間差異系數(shù)均呈現(xiàn)不斷降低的趨勢, 2015年以后趨于平穩(wěn), 至2018年均在30%以下, 說明面對土地生態(tài)壓力, 各市在自然、經(jīng)濟(jì)、社會各方面均做出了積極響應(yīng)。

表3 河北省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)權(quán)重

表4 2010―2018年河北省土地生態(tài)安全狀況

3.3.4 土地生態(tài)安全空間格局分析

利用開發(fā)的土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)對2018年河北省11個地級市的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價, 并進(jìn)行空間聚類。由圖4可知, 總體來看, 2018年河北省大部分地級市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于敏感級, 預(yù)警等級為“中警”, 即土地生態(tài)安全等級較低, 敏感性強(qiáng)。

張家口市、秦皇島市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于“較安全級”, 預(yù)警等級為“輕警”。其中, 張家口市人口相對較少, 人均耕地面積、人均水資源量較大, 建設(shè)用地所占比重較低, 土地生態(tài)壓力較小。秦皇島市人口密度較小, 積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè), 工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率高, 環(huán)保投入力度大, 森林覆蓋率高, 土地生態(tài)環(huán)境良好。

承德市、廊坊市、唐山市、保定市、石家莊市、滄州市、邢臺市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于“敏感級”, 預(yù)警等級為“中警”。以上地區(qū)是河北省工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū), 交通便利, 吸引大量工業(yè)企業(yè)投資設(shè)廠, 導(dǎo)致大量工業(yè)三廢排放, 土地質(zhì)量急劇下降。人口密度大, 對水、糧食等資源的需求量巨大, 土地承載力大。此外, 以上地區(qū)也是糧食主產(chǎn)區(qū), 農(nóng)藥化肥使用量偏大, 土地生態(tài)安全度低。

圖2 河北省土地生態(tài)安全綜合指數(shù)與各評價指標(biāo)相關(guān)性

各評價指標(biāo)名稱見表1。The names of the indexes are shown in the table 1.

衡水市、邯鄲市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于“風(fēng)險(xiǎn)級”, 預(yù)警等級為“重警”。衡水市人均耕地面積少, 且單位耕地化肥農(nóng)藥使用量超標(biāo), 加之經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 建設(shè)用地需求量大, 影響了該市土地生態(tài)安全水平。邯鄲市為河北省傳統(tǒng)工業(yè)城市, 具有豐富煤炭資源, 第二產(chǎn)業(yè)占據(jù)非常大的比重, 存在大量高污染、高能耗企業(yè)和工廠, 工業(yè)三廢排放量大, 對土地生態(tài)安全造成極大壓力。

3.4 土地生態(tài)安全預(yù)測

3.4.1 土地生態(tài)安全預(yù)測結(jié)果

利用開發(fā)的土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)對河北省土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行中短期預(yù)測。由表5可知, 2019—2025年, 河北省土地生態(tài)安全綜合指數(shù)將呈穩(wěn)步上升趨勢, 到2025年為0.834, 土地生態(tài)安全狀態(tài)達(dá)到“較安全級”, 預(yù)警等級為“輕警”。說明今后幾年河北省土地生態(tài)朝著良性方向發(fā)展的潛力較大。在城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)的同時, 隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級, 更加科學(xué)的土地利用規(guī)劃的實(shí)施, 土地節(jié)約和集約利用程度的提高, 人們環(huán)保理念的不斷增強(qiáng), 生態(tài)環(huán)保項(xiàng)目的實(shí)施, 河北省土地生態(tài)狀況有望得到進(jìn)一步改善和提升。

圖3 河北省土地生態(tài)安全指數(shù)空間差異性

3.4.2 模型檢驗(yàn)

對預(yù)測模型進(jìn)行誤差分析和檢驗(yàn), 如表6所示。經(jīng)檢驗(yàn), 馬爾可夫模型所預(yù)測的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)的平均相對誤差為-0.006, 精度達(dá)到99.40%, 精度較高, 預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確, 可信度高。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1)本研究將土地生態(tài)安全相關(guān)理論和方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合, 形成了土地生態(tài)安全評價、預(yù)測和預(yù)警的完整體系。綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)學(xué)模型和MATLAB GUI編程技術(shù)開發(fā)了土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了對土地生態(tài)安全狀況的定量化、可視化、自動化的評價和預(yù)測及實(shí)時預(yù)警。該系統(tǒng)將復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型封裝后置, 操作界面簡便友好, 通過簡單的操作提高了土地生態(tài)安全評價和預(yù)警的效率。將專家的理論知識與土地管理人員經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合, 提高了土地管理人員對土地生態(tài)變化的有效把控和輔助決策能力。在技術(shù)上, 為區(qū)域土地生態(tài)安全評價和實(shí)時預(yù)警提供了技術(shù)平臺; 在實(shí)踐上, 為社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和土地資源的合理利用提供了決策依據(jù)。

圖4 2018年河北省土地生態(tài)安全空間格局

2)應(yīng)用該系統(tǒng)對河北省土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)證研究。評價結(jié)果表明, 2010—2018年, 河北省土地生態(tài)安全指數(shù)呈不斷增長態(tài)勢, 由0.300上升到0.611; 土地生態(tài)安全狀態(tài)由“惡化級”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊舾屑墶? 預(yù)警等級由“巨警”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸芯? 但土地生態(tài)安全總體水平仍然較低。從障礙因子來看, 河北省土地生態(tài)安全主要制約因素是人口密度、工業(yè)化率、單位播種面積農(nóng)藥負(fù)荷、單位土地工業(yè)三廢負(fù)荷、城市建設(shè)用地比重、工業(yè)用地比重和萬元GDP能耗等。從空間格局來看, 河北省各地級市土地生態(tài)安全區(qū)域差異性在不斷縮小, 近年趨于平穩(wěn)。至2018年, 土地生態(tài)安全空間差異系數(shù)為32.54%, 各市之間的差異性仍然不能忽視; 大部分地級市土地生態(tài)安全狀態(tài)處于“敏感級”, 預(yù)警等級為“中警”, 土地生態(tài)安全水平有待進(jìn)一步提高。預(yù)測結(jié)果表明, 2019—2025年, 河北省土地生態(tài)安全指數(shù)呈穩(wěn)步上升趨勢, 至2025年為0.834, 達(dá)到“較安全級”, 預(yù)警等級為“輕警”, 今后幾年河北省土地生態(tài)系統(tǒng)保持良好的態(tài)勢。

4.2 問題與展望

4.2.1 進(jìn)一步完善評價指標(biāo)體系, 建立動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)

本文基于PSR模型構(gòu)建了土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系, 政府土地利用政策、土地法規(guī)等難以量化的指標(biāo)未加考慮, 今后需要進(jìn)一步將一些定性的指標(biāo)進(jìn)行有效的量化, 以建立更科學(xué)的評價指標(biāo)體系。本文在選取評價指標(biāo)時僅考慮了不同土地利用類型的數(shù)量特征對土地生態(tài)安全的影響, 但等量的耕地、園地、林地等不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值是不同的, 其生態(tài)安全性是有差異的。謝高地等[44]參考Costanza的生態(tài)服務(wù)價值估算理論, 并結(jié)合中國土地生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn), 制定了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表, 這將為不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值的估算提供參考。因此, 以后的研究將對不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行量化, 將其作為表征生態(tài)狀態(tài)的指標(biāo), 進(jìn)一步完善PSR評價指標(biāo)體系。另外, 土地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的壓力和所處狀態(tài)以及人類應(yīng)對土地生態(tài)變化所做出的調(diào)控措施均處于動態(tài)變化之中, 土地生態(tài)安全預(yù)警是一個動態(tài)過程。因此, 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)庫應(yīng)該定期更新, 以提高指標(biāo)的兼容性和靈活適應(yīng)性。

表5 2019—2025年河北省土地生態(tài)安全預(yù)測結(jié)果

表6 河北省土地生態(tài)安全預(yù)測誤差分析

4.2.2 進(jìn)一步融入多種建模方法, 建立集成式預(yù)警系統(tǒng)

本文分別采用投影尋蹤模型和馬爾科夫預(yù)測模型對土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價和預(yù)測, 指標(biāo)賦權(quán)方式為客觀賦權(quán), 評價和預(yù)測模型相對單一。由于土地生態(tài)安全受到土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部和外部多種因素的影響, 諸多因素具有各自的特點(diǎn)和動態(tài)機(jī)制, 需要選用不同的建模方法。另外, 在不同情況下, 不同方法均有優(yōu)劣, 應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況及數(shù)據(jù)本身而選擇最適宜的方法。因此, 可以嘗試應(yīng)用多種方法進(jìn)行土地生態(tài)安全的比較研究。國內(nèi)外也有相關(guān)方面的研究, 周迎雪等[45]分別運(yùn)用物元模型、TOPSIS模型和綜合指數(shù)模型對2013年山東半島經(jīng)濟(jì)區(qū)7市的土地生態(tài)安全水平進(jìn)行對比評價。因此, 本研究接下來將選用不同的評價模型和預(yù)測模型, 將客觀賦權(quán)與主觀賦權(quán)相結(jié)合, 將更多的建模方法和專家知識融入到預(yù)警系統(tǒng)中, 建立集成式預(yù)警系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)多模型對比和優(yōu)化選擇, 以提高土地生態(tài)安全評價、預(yù)測和預(yù)警的精度。

4.2.3 進(jìn)一步融合其他信息技術(shù), 建立完整的預(yù)警平臺

本文開發(fā)的預(yù)警系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是預(yù)警信息處理子系統(tǒng), 對于生態(tài)數(shù)據(jù)如何采集和應(yīng)對存在的風(fēng)險(xiǎn)如何處理沒有進(jìn)行深入的研究。一個完整的土地生態(tài)安全預(yù)警平臺應(yīng)該是包含多源生態(tài)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)測及預(yù)警子系統(tǒng)以及預(yù)警對策子系統(tǒng)在內(nèi)的基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和管理信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是利用遙感、實(shí)地測量等手段獲取不同尺度、不同生態(tài)層面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù); 動態(tài)監(jiān)測及預(yù)警子系統(tǒng)通過多種模型對土地生態(tài)安全狀態(tài)及其動態(tài)演替過程進(jìn)行評價和預(yù)測, 并預(yù)報(bào)警情等級; 預(yù)警對策子系統(tǒng)根據(jù)警情等級發(fā)出警報(bào)和提供輔助決策, 提醒有關(guān)部門積極采取有效措施, 予以控制和防范。孫凡等[46]詳細(xì)闡述了重慶市生態(tài)安全監(jiān)測和預(yù)警平臺構(gòu)建的原理和方法。因此, 本研究接下來將嘗試融合3S等技術(shù)手段進(jìn)一步開發(fā)多源生態(tài)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和預(yù)警對策子系統(tǒng), 并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和共享, 以構(gòu)建完整的土地生態(tài)安全預(yù)警平臺。

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Design and implementation of the land ecological security warning system*

ZHANG Cheng1, HUANG Fangfang1**, SHANG Guobei2

(1. Zhejiang Guangsha College of Applied Construction Technology, Dongyang 322100, China; 2. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China)

Land ecological security is one of the core issues in regional ecological security. Quantitative, visual, and automatic evaluation and prediction of land ecological security status and real-time warning are of great significance for the sustainable use of land resources. Taking Hebei Province as an example, an index system of land ecological security was constructed based on the pressure-state-response (PSR) model. In addition, a projection tracking model was used to evaluate the land ecological status, a principal component correlation analysis model was used to identify the main influencing factors of land ecological security, and the spatial difference coefficient model was used to analyze the spatial and temporal pattern of land ecological security. The Markov prediction model was adopted to predict the land ecological security level, an early warning mechanism was established by dividing the early warning levels of land ecological security, and the land ecological security warning system was developed by using the graphical user interface (GUI) of MATLAB. The results showed that: 1) From 2010 to 2018, the land ecological security index of Hebei showed an overall increasing trend, shifting from 0.300 to 0.611, with an average annual growth rate of 12.92%. The status of the land ecological security had changed from “deteriorating grade” to “sensitive grade”. The warning level had changed from “super-severe warning” to “moderate warning”. However, the overall level of land ecological security was still low. 2) The main limiting factors of land ecological security were population density, industrialization rate, pesticide input per unit area of cultivated land, load of industrial wastes per unit area of land, proportion of urban construction land, proportion of industrial land, and energy consumption per 10 000 ￥ GDP. 3) The regional differences in land ecological security in different prefecture-level cities of Hebei Province had been decreasing continuously and became stable in recent years. By 2018, the coefficient of spatial difference was 32.54%, and the differences between cities still cannot be ignored. The state of land ecological security in most prefecture-level cities was at “sensitive level”, and the warning level was “moderate warning”. The level of land ecological security needs to be further improved. 4) From 2019 to 2025, the land ecological security index of Hebei Province is predicted to show a steady upward trend, and by 2025, it predicted to be 0.834, reaching the “l(fā)ess security level,” with a warning level of “slight warning.” There is now greater potential for land ecology to develop in a benign direction.

Land ecological security; PSR model; Graphical user interface (GUI); Warning system; Hebei Province

X826

10.13930/j.cnki.cjea.190782

張成, 黃芳芳, 尚國琲. 土地生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(6): 931-944

ZHANG C, HUANG F F, SHANG G B. Design and implementation of the land ecological security warning system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(6): 931-944

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401193, 41301093)和河北省社科基金項(xiàng)目(HB15YJ020)資助

黃芳芳, 主要研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與工程。E-mail: huangfangstudy@126.com

張成, 主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。E-mail: zhangchengstudy@126.com

2019-11-05

2020-01-22

* The study was funded by the National Natural Science Foundation of China (41401193, 41301093) and the Social Science Foundation of Hebei Province (HB15YJ020).

, E-mail: huangfangstudy@126.com

Nov. 5, 2019;

Jan. 22, 2020