正態(tài)云模型在皖江地區(qū)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

高明美，孫濤，趙天燕,3，戴紅軍,4，張坤,5

(1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.青島大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071；3.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)會(huì)計(jì)學(xué)院，北京 100070；4.淮南師范學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 淮南232001；5.山東政法學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)系，山東 濟(jì)南250014)

中國(guó)人口眾多，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，對(duì)生態(tài)用地及其維護(hù)重視不夠，土地荒漠化、土地污染、水土流失、非農(nóng)用地的生態(tài)破壞性加劇等土地生態(tài)失調(diào)問題較為嚴(yán)重，使得土地生態(tài)安全問題成為一個(gè)亟待解決的問題。目前，關(guān)于土地生態(tài)安全問題的研究方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[1]、模糊物元法[2–7]、綜合指數(shù)法[8–9]等。這些方法為探索土地生態(tài)安全健康狀態(tài)奠定了理論基礎(chǔ)，但也存在如下缺陷：雖然能夠確定出評(píng)價(jià)對(duì)象的土地生態(tài)安全等級(jí)，但不能說明等級(jí)之間的轉(zhuǎn)化狀態(tài)[2]；只關(guān)注了指標(biāo)定量描述的模糊性和分級(jí)區(qū)間界定的模糊性，而忽視了土地生態(tài)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)實(shí)際操作過程中評(píng)價(jià)指標(biāo)定性描述、指標(biāo)值定量確定以及評(píng)價(jià)等級(jí)判定的隨機(jī)性。云模型因?yàn)槟芡瑫r(shí)兼顧隨機(jī)性和模糊性而被廣泛應(yīng)用[10–15]，但將云模型應(yīng)用于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的研究[16–20]相對(duì)較少。為解決土地生態(tài)安全健康狀態(tài)評(píng)價(jià)中模糊性與隨機(jī)性共存的問題，筆者將正態(tài)云模型應(yīng)用于皖江地區(qū)土地安全評(píng)價(jià)研究中，旨在探尋區(qū)域土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的新方法。

1 研究區(qū)概況

皖江地區(qū)是安徽省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快、經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模最大的最具有發(fā)展?jié)摿Φ膮^(qū)域。根據(jù)皖江地區(qū)區(qū)域規(guī)劃，該地區(qū)包含了合肥、蕪湖、銅陵、馬鞍山、池州、宣城、安慶、巢湖、滁州等9個(gè)市，其規(guī)劃面積6.3萬km2。2011年，皖江地區(qū)生產(chǎn)總值為10 348.53億元，約占安徽省生產(chǎn)總值的67.6%。初步核算，2013年前3個(gè)季度皖江地區(qū)生產(chǎn)總值為8 724.3億元，按可比價(jià)格計(jì)算，比2012年同期增長(zhǎng)11.4%，增幅比安徽省均值高0.7個(gè)百分點(diǎn)。與中國(guó)中部其他地區(qū)相比，皖江地區(qū)地處長(zhǎng)三角的西緣，與長(zhǎng)三角人緣相親，地緣相近，是長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)圈的重要腹地和自然延伸地帶，是安徽省最發(fā)達(dá)的制造業(yè)基地。近50年來，隨著粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式的推行，化工廠、鑄鍛廠和建材廠等的大肆引進(jìn)導(dǎo)致皖江地區(qū)土地安全發(fā)展不平衡，人口密度明顯增加，耕地面積日漸減少，森林覆蓋率顯著降低，皖江9個(gè)市內(nèi)部的差異較大。

2 研究方法

2.1 正態(tài)云模型評(píng)價(jià)方法的建立

云模型是用語言值表示的某個(gè)定性概念和定量表示之間的不確定性的模型，可用來刻畫多指標(biāo)評(píng)價(jià)中大量存在的不確定性現(xiàn)象。設(shè)U 是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，C 是U 上的定性概念，若定量值 Ux∈ ，且x 是定性概念C 的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x 對(duì)C 的隸屬度是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)則x 在論域U 上的分布稱為隸屬云。若隸屬云x 服從正態(tài)分布其中且x對(duì)C的確定度是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)對(duì)C 的確定度滿足

則稱x 在論域U 上的分布為正態(tài)云[10]。

正態(tài)云確定度將隨機(jī)性和模糊性關(guān)聯(lián)在一起，相對(duì)于傳統(tǒng)的模糊隸屬度更具有優(yōu)勢(shì)。正態(tài)云的3個(gè)數(shù)字特征(期望Ex、熵En、超熵He)反映了定性知識(shí)的定量特征，它把模糊性和隨機(jī)性完全集成在一起，構(gòu)成了定性和定量相互間的映射。正態(tài)云模型的3個(gè)數(shù)字特征的計(jì)算方法如下：

由于各等級(jí)劃分的區(qū)間端點(diǎn)值是相鄰2個(gè)等級(jí)過渡的邊界值，故區(qū)間端點(diǎn)值應(yīng)同時(shí)屬于相鄰的等級(jí)，具有一定的模糊性，故得

一般情況下，Heij的大小依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，Heij越小，正態(tài)云的離散程度越小。

2.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，其原理是根據(jù)各值的差異程度，先利用信息熵算出各指標(biāo)的熵值，再計(jì)算差異系數(shù)，從而得到各指標(biāo)的熵權(quán)[2,13]。為避免人為主觀干擾，本研究中選取熵權(quán)法來確定土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 正態(tài)云模型綜合評(píng)價(jià)過程

步驟1：首先建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(X1，X2，X3，…，Xn)，制定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

步驟4：就每個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象，根據(jù)各指標(biāo)值，利用正向云發(fā)生器，由公式(1)確定出其指標(biāo)i 對(duì)應(yīng)等級(jí)j 的云確定度矩陣Z=(Zij)n×m。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇，不僅要考慮生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，體現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)自身的安全性和為人類提供生態(tài)服務(wù)的可持續(xù)性，又要遵循科學(xué)性、可操作性、完備性、數(shù)據(jù)可獲性等原則。針對(duì)皖江地區(qū)自然地理狀況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是土地資源及土地利用的具體狀況，余健[2]從自然屬性、社會(huì)屬性、經(jīng)濟(jì)屬性三方面選取了17個(gè)指標(biāo)，將土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，分別是安全級(jí)(I級(jí))、較安全級(jí)(II 級(jí))、臨界安全級(jí)(III 級(jí))、較不安全級(jí)(IV級(jí))和極不安全級(jí)(V 級(jí))。為體現(xiàn)云模型評(píng)價(jià)方法上的優(yōu)勢(shì)，便于和余健[2]的模糊物元評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，本研究中采用與其相同的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[2] Table 1 Evaluation indicators andgrade standards for land eco-security

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)余健[2]提供的皖江9個(gè)市的17 項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，得指標(biāo)(X1，X2，X3，…，X17)的權(quán)重W={0.004 7，0.075 0，0.0884，0.037 1，0.136 3，0.069 2，0.145 0，0.000 5，0.048 1，0.017 6，0.279 6，0.000 4，0.058 2， 0.010 0，0.001 0，0.027 2，0.001 4}。由權(quán)重計(jì)算結(jié)果可以看出：坡度大于25°陡坡耕地面積比重、森林覆蓋率、地區(qū)之間的地理分布特點(diǎn)對(duì)地區(qū)土地的生態(tài)安全具有較大的影響。

3.3 正態(tài)云綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果

在土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)過程中，由于抽樣的隨機(jī)性和測(cè)量人員主觀因素的影響，指標(biāo)值的獲取和評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分范圍具有模糊性和隨機(jī)性，使得最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果欠精確。正態(tài)云確定度是用一個(gè)具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)確定數(shù)代替精確隸屬度，既體現(xiàn)了隨機(jī)性，又考慮了模糊性，故可借助正態(tài)云模型的3個(gè)數(shù)字特征刻畫第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于第j個(gè)等級(jí)這一定性概念。根據(jù)正態(tài)云的3個(gè)數(shù)字特征的計(jì)算公式(2)、(3)，將表1 中各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的等級(jí)劃分范圍表示為正態(tài)云(表2)。

表2 皖江9個(gè)市評(píng)價(jià)指標(biāo)正態(tài)云模型的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) Table 2 Grade standards in normal cloud model for land eco–security evaluation of nine cities in Wanjiang district

根據(jù)余健[2]提供的皖江9個(gè)市的17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照正態(tài)云模型綜合評(píng)價(jià)步驟4 和步驟5，得皖江9個(gè)市的土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果(表3)。

表3 皖江9個(gè)市土地生態(tài)安全的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果 Table 3 Evaluation results for land eco–security evaluation of nine cities in Wanjiang district

表3 結(jié)果表明：

1) 滁州、合肥、宣城土地生態(tài)安全處于I 級(jí)，蕪湖、銅陵和巢湖處于II 級(jí)，安慶處于III 級(jí)，池州處于IV 級(jí)，馬鞍山處于V 級(jí)。這表明馬鞍山、池州的土地生態(tài)系統(tǒng)已被嚴(yán)重破壞，生態(tài)服務(wù)功能已經(jīng)嚴(yán)重退化。這種結(jié)果的出現(xiàn)與當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)定位和環(huán)保目標(biāo)都有直接的關(guān)系。

2) 皖江9個(gè)市中大部分城市的土地生態(tài)安全狀況整體良好，生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，說明這些地區(qū)土地生態(tài)功能正常，土地生態(tài)環(huán)境保持完好，土地生態(tài)結(jié)構(gòu)基本合理。

3) 皖江9個(gè)市土地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分布不一，地區(qū)之間存在明顯的差異，蕪湖、滁州、合肥、宣城、銅陵和巢湖這幾個(gè)城市的土地生態(tài)水平較好，在將來的開發(fā)利用過程中要注意保護(hù)。

正態(tài)云模型與模糊物元法的最終評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但仍存在一定的差異(表3)，安慶市在云模型評(píng)價(jià)中的土地安全級(jí)別是“臨近安全”，而在物元分析中，安慶市的土地安全級(jí)別是“極不安全”。實(shí)際上，近來年，安慶市政府大力落實(shí)資源節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略，推進(jìn)土地節(jié)約、集約利用，加強(qiáng)土地生態(tài)安全健康保護(hù)，安慶市土地安全處于臨近安全狀態(tài)是相對(duì)合理的。2 種方法的差異主要在于：

1) 正態(tài)云模型是利用具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)來代替精確隸屬度，在考慮模糊性的同時(shí)也兼顧了隨機(jī)性，而模糊物元法僅考慮了模糊性，故評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有一定的差異。

2) 物元分析法強(qiáng)調(diào)對(duì)影響因子的分析，正態(tài)云模型更注重綜合評(píng)價(jià)。

3) 正態(tài)云模型的評(píng)價(jià)結(jié)果是隨機(jī)的，其評(píng)價(jià)結(jié)果是一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，但該評(píng)價(jià)結(jié)果必然在某一可接受的范圍內(nèi)，這恰恰體現(xiàn)出了評(píng)價(jià)的不確定性[14]。

3 結(jié)論與討論

利用正態(tài)云模型對(duì)皖江9個(gè)市的土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明皖江地區(qū)土地生態(tài)安全程度在整體上屬于中等偏上，其中滁州、合肥、宣城處于安全級(jí)，只有馬鞍山處于極不安全級(jí)別。盡管地區(qū)之間土地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分布不一，但大部分城市土地生態(tài)安全處于較為健康的狀態(tài)。鑒于以上研究結(jié)果，筆者認(rèn)為：

1) 蕪湖、滁州、合肥、宣城、銅陵和巢湖的土地生態(tài)安全，在維持現(xiàn)狀的情況下要加強(qiáng)對(duì)土地利用規(guī)劃的管理，避免在經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中對(duì)土地生態(tài)造成破壞。

2) 馬鞍山、池州地區(qū)的土地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)比較脆弱，一定要注意保護(hù)，不可繼續(xù)加重對(duì)土地生態(tài)的破壞。為了保證土地安全利用的可持續(xù)性，此類地區(qū)應(yīng)以遷村并鎮(zhèn)、農(nóng)田整理為重，節(jié)約村莊用地，擴(kuò)大農(nóng)用地；提倡科學(xué)施肥和施農(nóng)藥制度，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、高效低耗的集約化農(nóng)業(yè)。加強(qiáng)對(duì)地區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)污染的監(jiān)管，加大環(huán)保投入，引導(dǎo)農(nóng)民發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，促進(jìn)土地生態(tài)質(zhì)量的改善。

土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)不僅需要構(gòu)建合理的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，更需要合適的評(píng)價(jià)方法來支撐。將云模型引入土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的主要目的是解決評(píng)價(jià)過程中隨機(jī)性和模糊性共存的問題，以探尋出一種研究土地安全評(píng)價(jià)這一不確定知識(shí)表示的有益方法，但作為解決土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)問題的一種手段，云模型仍存在如下不足：

1) 正態(tài)云模型的3個(gè)數(shù)字特征中，期望Ex 最能表征定性概念的值，熵En 的大小決定了可被定性概念所接收的云滴數(shù)，超熵He 大小代表了正態(tài)云的厚度，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)這3個(gè)參數(shù)的量化一直沒有統(tǒng)一的界定，尤其是超熵He 的數(shù)值選取常常受到經(jīng)驗(yàn)的影響，不可避免地存在一定的主觀性，有待于進(jìn)一步完善。

2) 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建還需進(jìn)一步的科學(xué)化、合理化。本文中側(cè)重于解決評(píng)價(jià)過程中存在的隨機(jī)性和模糊性共存問題。構(gòu)建合理的、完善的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是十分重要的研究工作。為了與模糊物元法對(duì)皖江地區(qū)土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究結(jié)果[2]進(jìn)行直觀比較，本研究中借用了文獻(xiàn)[2]中選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)數(shù)據(jù)和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上直接制約了本研究的創(chuàng)新性。在以后的工作中需進(jìn)一步完善指標(biāo)體系，科學(xué)地劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

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