范 津

(海城市水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114200)

0 引 言

在一種少受或者不受破壞和威脅的生態(tài)環(huán)境中，土地所處的平衡、健康狀態(tài)就是土地生態(tài)安全。換而言之，土地生態(tài)安全是指通過合理利用和管理一定時空范圍內的土地資源，使其少受或不受威脅保持土地生態(tài)系統(tǒng)功能與結構所處的平衡、健康狀態(tài)，并提供充裕、均衡、穩(wěn)定的自然資源保障農業(yè)與社會經濟可持續(xù)發(fā)展，維持經濟、社會、土地自然的長期協(xié)調發(fā)展[1]。

土地是人類活動衣食住行的基本來源和賴以生存的最基本條件，健康的土地生態(tài)功能關系著人民生存、國防建設、社會經濟和國家政治安全，也是決定社會穩(wěn)定和維系經濟安全的關鍵因素[2]。目前，土地生態(tài)安全已成為土地資源可持續(xù)利用研究和生態(tài)安全問題研究的前沿課題[3-5]，對保障農業(yè)糧食生產及社會經濟發(fā)展具有重要作用。其中，GIS技術、物元模型、主成分分析、PSR模型等土地生態(tài)安全評價常用的方法[6-12]。依據(jù)評價分析土地生態(tài)安全的相關資料，中國現(xiàn)有研究還處于初級階段，現(xiàn)存的問題如下：評價方法單一，參評因子繁多，缺乏系統(tǒng)全面的指標體系，尚未形成普遍適用的等級劃分標準，權重值與標準值確定時具有較大主觀性等。文章依據(jù)土地生態(tài)壓力-狀態(tài)-響應(PSR)框架模型，選擇18項典型參評因子構建評價體系，并運用綜合指數(shù)模型和灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型評價預測了遼寧省2010-2019年的土地生態(tài)安全狀況及其未來9a的變化趨勢，在此基礎上判定制約土地生態(tài)安全的關鍵因子，為制定科學的調控措施、促進區(qū)域農業(yè)生產和社會經濟發(fā)展提供決策依據(jù)，維持經濟、社會與土地自然的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于E118°53′-125°46′、N38°43′-43°26′，東與韓國、日本隔海相望，南與渤海、黃海相鄰，也是既沿邊又沿海的省份，其總面積14.8萬km2，下轄沈陽、鐵嶺、大連、葫蘆島、朝陽等14個地級市和2個省管縣，地勢大致為自東西兩側向中部、自北向南傾斜，地貌形態(tài)大體為“六山一水三分田”。該區(qū)域分布有大凌河、太子河、饒陽河、渾河和遼河等河流，水文特征為河道平緩、泄洪能力差、易發(fā)生洪澇、含沙量高、河床狹窄、徑流量年內分配不均等，比較適合中小水電站建設。遼寧省水資源匱乏、人口密度較高且降水量時空分布不均，水資源利用存在邊際效益低、開發(fā)難度大、開采成本高、可利用總量少等特點，加之用水浪費嚴重及局部地下水過度開采等問題，使得生態(tài)環(huán)境壓力和水資源可持續(xù)利用更加突出。研究區(qū)屬于中國重要的畜牧業(yè)、重工業(yè)和農業(yè)糧食生產基地，其對社會經濟發(fā)展和農業(yè)生產占據(jù)著重要地位。因此，非常有必要探究其土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其變化趨勢，維持經濟快速發(fā)展與土地生態(tài)安全的協(xié)調關系，這也是關系到東北地區(qū)興衰及國家戰(zhàn)略安全的關鍵因素。

1.2 數(shù)據(jù)來源

PSR框架模型有機融合了環(huán)境響應、經濟運作和人類活動的相互聯(lián)系，涵蓋自然環(huán)境與人類活動兩大體系，比較適用于環(huán)境現(xiàn)象的評判。因此，文章利用土地生態(tài)壓力-狀態(tài)-響應(PSR)模型，選擇經濟密度、人均耕地面積、城市化水平、森林覆蓋率、GDP增長率等18項典型因子構建評價體系，并運用綜合指數(shù)法和灰色預測GM(1,1)模型評價預測了遼寧省土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其變化趨勢。

研究數(shù)據(jù)來源于遼寧省2010-2019年社會發(fā)展和國民經濟統(tǒng)計公報、官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)信息，以及遼寧調查年鑒、統(tǒng)計年鑒、城市統(tǒng)計年鑒等[13-16]。

2 土地利用生態(tài)安全評價

2.1 評價指標體系

文章對遼寧省生態(tài)安全因子進行綜合分析，遵循區(qū)域性、可比性、可操作性和科學性等原則選取18項參評指標，并運用PSR框架模型建立土地生態(tài)安全評價體系。土地生態(tài)安全評價體系與指標權，見表1。

2.2 指標權重

總體上，可以將常用的權重計算方法劃分為主、客觀賦權兩類，前者考慮了決策者的個人偏好和知識經驗，所以該方法很容易引起評價結果存在偏差；后者以完善、系統(tǒng)的理論體系和運算流程為依據(jù)，并且能夠以客觀實際為載體獲取有效的數(shù)據(jù)信息，由于未考慮決策者的主觀判斷使得評判結果易出現(xiàn)明顯誤差。因此，文章綜合考慮客觀的數(shù)據(jù)信息和主觀的經驗判斷，將AHP法和主成分分析法求解的主、客觀權重相集成，由此保證權重計算的合理性和可靠性。該方法存在運算量少、客觀性強、原理清晰、精準度高等優(yōu)點，詳細流程見文獻[17-18]。

評價過程中能否合理的確定土地生態(tài)安全基準，將對評價結果產生直接的影響。通常情況下，應考慮以下方面科學確定評價基準：①評價標準值選取區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境本底值與背景值；②參考已有國家標準、國際標準或者發(fā)展良好地區(qū)的現(xiàn)狀值，結合區(qū)域實際情況確定標準值；③針對個別統(tǒng)計數(shù)據(jù)不完整但非常重要的參數(shù)，可以選用相近指標暫時替代。充分考慮遼寧地區(qū)土地利用現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境特征，選用全國平均值替代部分指標基準值。評價指標實際值，見表2。

表1 土地生態(tài)安全評價體系與指標權重

2.3 無量綱化處理

無量綱化處理是將不同單位的初始參數(shù)值利用數(shù)學的方法，統(tǒng)一轉化為標準的數(shù)據(jù)，由此消除不同指標之間的不可通透性，并以各種無量綱指標相對值的形式反映土地生態(tài)安全狀況。

針對參數(shù)值越大則土地生態(tài)越安全的正向指標，若設定標準值為“安全值”，則有pi=0、xi≥yi；pi=1-xi/yi；若設定標準值為“不安全值”，則有pi=1、xi≤yi；pi=yi/xi、xi>yi。

針對參數(shù)值越小則土地生態(tài)越安全的負向指標，若設定標準值為“安全值”，則有pi=0、xi≤yi；pi=1-yi/xi；若設定標準值為“不安全值”，則有pi=1、xi>yi；pi=xi/yi，xi

其中，xi、yi為參評因子i的實際值和基準值，pi為土地生態(tài)安全指數(shù)。采用上述計算方法，對2010-2019年各項指標實際值(表2)統(tǒng)一處理，由此獲取相應的安全指數(shù)，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全指數(shù)，見表3。

表2 評價指標實際值

續(xù)表2 評價指標實際值

表3 遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全指數(shù)

2.4 生態(tài)安全綜合指數(shù)

根據(jù)上述運算流程確定各指標權重及其標準化值，綜合評價值Ai的計算公式為：

(1)

式中：xj、wj為參評因子j的標準化值與權重值；Ai為區(qū)域i的土地生態(tài)安全綜合評價值。

2.5 生態(tài)安全等級

為了能夠定性描述土地生態(tài)系統(tǒng)的定量評價結果，按照不同等級和實際情況綜合判斷生態(tài)系統(tǒng)安全態(tài)勢。結合遼寧省土地利用實際情況和相關研究成果，在咨詢有關專家的基礎上劃定生態(tài)安全評判標準。等級劃分標準，見表4。

表4 等級劃分標準

續(xù)表4 等級劃分標準

然后按照等級判別標準和綜合評價結果，確定遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全狀況及其等級，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全等級，見表5。

表5 遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全等級

為了能夠更加直觀的反映土地生態(tài)壓力、狀態(tài)、響應子系統(tǒng)和綜合指數(shù)的變化趨勢，將以上評價值繪制成圖，土地生態(tài)安全變化特征，見圖1。

圖1 土地生態(tài)安全變化特征

2.6 生態(tài)安全動態(tài)預測

原始數(shù)據(jù)選取遼寧省2010-2019年生態(tài)安全綜合指數(shù)，并對研究區(qū)未來9a生態(tài)安全變化趨勢利用灰色系統(tǒng)法進行預測。生態(tài)安全值的時間動態(tài)模型運用灰色系統(tǒng)GM(1,1)預測法和Matlab2012軟件構建，表達式如下：

x(t+1)=48.2670-47.8152exp(0.0098t)

(2)

式中：t、x為預測時間和土地生態(tài)安全水平。設P、C代表最小誤差概率和實際觀測值與模型計算的初始數(shù)列還原值之間的殘差值方差，若滿足C<0.65、P>0.7則判定為合格，依據(jù)模型檢驗結果P=0.9000、C=0.4846，可認為該模型符合精度要求。因此，對遼寧省2020-2028年的生態(tài)安全態(tài)勢利用生成的時間動態(tài)模型進行預測。土地生態(tài)安全變化趨勢，見圖2。

圖2 土地生態(tài)安全變化趨勢

3 結果與分析

3.1 生態(tài)安全變化趨勢

從圖2可知，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全表現(xiàn)出波動變化的趨勢，且總體處于較低水平。2010-2011年土地生態(tài)壓力和響應曲線均表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，該時段為下降期，進一步分析，該時段工業(yè)廢氣單位排放量的增多以及固體廢物綜合利用率、農民人均收入、人均GDP、環(huán)保支出占GDP比例的減少使得生態(tài)安全水平有所下降；2011-2012生態(tài)安全響應曲線明顯上升，該時段為上升期，可見土地生態(tài)安全受人為因素的影響比較明顯，依據(jù)表2可知，此時段固體廢棄物利用率和工業(yè)廢水排放達標率總體維持在較高水平，并且呈不斷上升趨勢，這主要與加大環(huán)境治理投入、第三產業(yè)占比明顯增大等因素相關，顯著提升了土地生態(tài)安全水平和環(huán)境質量；2012-2013年人均GDP、農民人均收入、固體廢物利用率和工業(yè)廢水排放達標率等正向指標安全指數(shù)減少，在一定程度上降低了生態(tài)安全水平，所以此時段為下降期；2013-2014年第三產業(yè)占比、自然保護區(qū)面積占比、固體廢物綜合利用率、工業(yè)廢水排放達標率和城市化水平等貢獻較大的正向指標增加，對提高生態(tài)安全水平發(fā)揮著積極作用，因此該時段為上升期；2014-2019年土地生態(tài)安全受人為干擾的程度下降，治理工程改善生態(tài)安全的作用減弱，所以該時段為下降期，結合表2可知單位耕地農藥施用量、化肥施用量、經濟密度、人口自然增長率、人口密度等負向指標呈增大趨勢，這些因素增大了土地生態(tài)的壓力負荷，加之第三產業(yè)占比和環(huán)保支出占GDP比的減少，在一定程度上降低了土地生態(tài)安全水平[19-20]。

3.2 生態(tài)安全評價

從表5可知，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)總體處于0.42-0.48，安全等級達到Ⅲ級臨界安全狀態(tài)，10a間綜合指數(shù)的波動幅度較小，雖然個別年份的生態(tài)安全值有所增加，但整體變化并不明顯，可見該區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)尚可維持基本功能、系統(tǒng)結構有變化、生態(tài)環(huán)境受到一定破壞、服務功能已有退化、生態(tài)問題顯著、受干擾后發(fā)生惡化、時有發(fā)生生態(tài)災害。將未來9a的生態(tài)安全狀態(tài)運用灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型進行預測，結果顯示2020-2028年生態(tài)安全值呈明顯的減少趨勢，安全等級下降至Ⅳ級較不安全狀態(tài)，對區(qū)域經濟發(fā)展和土地資源合理利用產生明顯的制約。

4 結 論

文章以遼寧省為例，對其2010-2019年的土地生態(tài)安全水平利用PSR框架模型和綜合指數(shù)法科學評價，并對其未來變化趨勢運用灰色系統(tǒng)GM(1,1)法預測。結果顯示，遼寧省土地生態(tài)安全水平呈波動下降的趨勢，未來的土地生態(tài)安全狀況將達到Ⅳ級較不安全等級。

由于人均耕地面積的逐年減少及人口自然增長率、人口承載量、化肥使用量、單位耕地農藥等指標的逐年增大，在一定程度上加大了生態(tài)安全壓力指數(shù)；水土流失比重、工業(yè)廢氣單位排放量、固體廢物綜合利用率、工業(yè)廢水排放達標率等指標的逐年增大，對生態(tài)狀態(tài)指數(shù)起到負面作用；第三產業(yè)占比、自然保護區(qū)面積比重、環(huán)保支出占GDP比的逐年減少，對降低生態(tài)響應指數(shù)發(fā)揮著顯著作用。因此，為提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境的服務功能、促進土地生存環(huán)境的健康發(fā)展及土地資源的高效利用，建議繼續(xù)加大環(huán)保投入、加強水土流失治理、提倡土地的高效集約利用、提高森林覆蓋率和農藥化肥利用率。