湖南生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

姚羅蘭， 帥 紅 ， 李魁明

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410081)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的惡化日趨嚴(yán)重，生態(tài)安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，生態(tài)安全正在成為各學(xué)科研究的熱點(diǎn)問(wèn)題. 目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)生態(tài)安全的研究在理論探討和實(shí)際應(yīng)用方面均已展開(kāi)，國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)安全的研究是從20世紀(jì)90年代起步，到20世紀(jì)90年代后期才逐漸為人們所重視，尤其是近年來(lái)已成為科學(xué)界和大眾討論的熱點(diǎn)問(wèn)題，有關(guān)生態(tài)安全評(píng)價(jià)的研究也逐漸增多，并取得了較大進(jìn)展，主要集中在土地生態(tài)安全［1］、水生態(tài)安全［2］、城市生態(tài)安全［3］、流域生態(tài)安全［4］等方面.在評(píng)價(jià)方法上，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、景觀學(xué)、數(shù)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，采用了包括數(shù)學(xué)模型、景觀生態(tài)學(xué)模型、生態(tài)模型等在內(nèi)的多種模型，評(píng)價(jià)方法不斷豐富. 數(shù)學(xué)模型方面，綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法運(yùn)用最廣泛［5，6］;此外，物元模型法［7，8］、模糊綜合評(píng)判法［9，10］、主成分分析法［11，12］、層次分析法［13，14］、熵權(quán)法［15，16］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［17，18］、投影尋蹤法［19］、模糊集對(duì)分析法［20］等方法均有運(yùn)用.景觀生態(tài)學(xué)模型方面，以景觀生態(tài)安全格局法［21］為主. 生態(tài)模型方面，主要運(yùn)用生態(tài)足跡模型開(kāi)展研究［22，23］;同時(shí)，隨著近年“3S”技術(shù)的發(fā)展，基于“3S”技術(shù)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法也逐步發(fā)展起來(lái)［24，25］.由于區(qū)域差異及側(cè)重點(diǎn)不同，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及權(quán)重值賦予存在差異.近年來(lái)，一種新的評(píng)估方法——突變級(jí)數(shù)法開(kāi)始被應(yīng)用于生態(tài)安全評(píng)價(jià)，這種基于突變理論的多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法計(jì)算簡(jiǎn)單，不需要確定指標(biāo)權(quán)重，有效地減少了人為的主觀影響.

湘西州位于武陵山區(qū)，歷史上，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好，充分發(fā)揮了調(diào)節(jié)氣候、保持水土等功能.近年來(lái)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，使森林資源遭到一定程度的破壞，導(dǎo)致森林水土保持能力削弱，自然災(zāi)害頻繁，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重. 為湖南省典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū).但一直以來(lái)對(duì)湘西州土地生態(tài)安全的研究較少，為此，以湘西州為例，分析湘西州土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，探討影響湘西州土地生態(tài)安全的主要因子，以期為完善湖南生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湘西州位于湖南省西北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°10' ～110°22.5'，北緯27°44.5' ～29°38'. 武陵山脈自西向東蜿蜒境內(nèi)，系云貴高原東緣武陵山脈東北部，西騎云貴高原，北鄰鄂西山地，東南以雪峰山為屏.地勢(shì)由西北向東南傾斜;屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，具有明顯的大陸性氣候特征. 轄吉首市和花垣、保靖、永順、龍山、瀘溪、鳳凰、古丈7個(gè)縣，是湖南省進(jìn)入國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”的唯一地區(qū).

1.2 研究方法

1.2.1 建立多層次遞階結(jié)構(gòu)模型

對(duì)評(píng)價(jià)總目標(biāo)(即湘西州土地生態(tài)安全格局綜合評(píng)價(jià))由評(píng)價(jià)總指標(biāo)到下層指標(biāo)逐層進(jìn)行多層次分主次的矛盾分解，并排列成樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu). 其中上層指標(biāo)一般比較抽象、難于直接量化，下層指標(biāo)則可直接量化，這樣原始數(shù)據(jù)只需知道最下層評(píng)價(jià)因子的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)上層指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算. 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后，通過(guò)因子分析法，得出各指標(biāo)的重要性程度，根據(jù)各指標(biāo)的重要性，在同一屬性、同一層次的指標(biāo)中，重要程度相對(duì)大的指標(biāo)放在前面，相對(duì)次要的指標(biāo)放在后面. 突變模型的狀態(tài)變量的控制變量數(shù)一般不超過(guò)4個(gè)，故而各層單指標(biāo)的下層指標(biāo)也應(yīng)不超過(guò)4個(gè)，當(dāng)大于4個(gè)時(shí)，可采取主成分分析法等方法對(duì)其進(jìn)行因子優(yōu)選.

1.2.2 確立各層次的突變模型

當(dāng)狀態(tài)變量為1 時(shí)，多目標(biāo)決策所涉及的初等突變模型主要有4 種，如表1.表中G(x)為狀態(tài)變量x 的勢(shì)函數(shù)，a，b，c，d 為x 的控制變量，主要控制變量寫(xiě)在前面，次要控制變量寫(xiě)在后面.由表1 可知，當(dāng)一個(gè)指標(biāo)可以分解為1，2，3，4個(gè)子指標(biāo)時(shí)，該模型可分別視為折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變模型.

表1 突變模型Tab.1 Mutation model

1.2.3 構(gòu)造歸一化綜合評(píng)價(jià)模型

通過(guò)分歧方程可以導(dǎo)出歸一化公式，運(yùn)用歸一化公式，可求出表征土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)特征的系統(tǒng)總突變隸屬函數(shù)值，上述4 種突變模型的歸一化公式為:

折疊突變歸一化

尖點(diǎn)突變歸一化

燕尾突變歸一化

蝴蝶突變歸一化

2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

選取了應(yīng)用較為廣泛的P-S-R 框架來(lái)構(gòu)建指標(biāo)體系，指標(biāo)體系的建立依據(jù)科學(xué)性、代表性、綜合性、簡(jiǎn)明性、可操作性、適用性、區(qū)域性的原則. 據(jù)此提出了土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括3個(gè)項(xiàng)目層，17個(gè)指標(biāo)層. 利用SPSS 完成因子分析的操作，篩除重復(fù)的、次要的指標(biāo)，確定了最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系3個(gè)目標(biāo)層和12個(gè)指標(biāo)層，見(jiàn)表2.

表2 突變指標(biāo)體系Tab.2 Index system of mutations

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及指標(biāo)預(yù)處理

原始數(shù)據(jù)來(lái)源于2013年《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湘西統(tǒng)計(jì)年鑒》及同期各縣市的統(tǒng)計(jì)公報(bào).通過(guò)原始指標(biāo)復(fù)合計(jì)算得出構(gòu)建指標(biāo)，如人均耕地面積=耕地面積/總?cè)丝?，城?zhèn)化率 = 非農(nóng)業(yè)人口/總?cè)丝?，單位面積化肥施用量=化肥施用量/耕地面積.

由于原始數(shù)據(jù)的取值范圍和度量單位各不相同，各數(shù)據(jù)之間不能進(jìn)行比較. 因此在使用歸一化公式之前，要把各指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為［0，1］范圍內(nèi)的無(wú)量綱可比較數(shù)值.本文采用標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

對(duì)于正向指標(biāo)(數(shù)值越大越安全的指標(biāo)):

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)(數(shù)值越小越安全的指標(biāo)):

其中，i =1，2……，m(m 為指標(biāo)數(shù));j =1，2……，n(n 為指標(biāo)數(shù))

2.3 評(píng)價(jià)模型的建立

依據(jù)確定的突變指標(biāo)體系，構(gòu)建湘西州土地生態(tài)安全突變?cè)u(píng)價(jià)模型，該模型包括2 級(jí)，第一級(jí)為求解因素層B1-B3的值而構(gòu)造的三個(gè)突變模型，其中B1-B3為狀態(tài)變量，C1-C12為控制變量;第二級(jí)為求解目標(biāo)層A 的值而構(gòu)造的突變模型，A 為狀態(tài)變量，B1-B3為控制變量.在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用各突變模型的歸一化公式，求得湘西州生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu).

圖1 湘西州土地生態(tài)安全格局分析突變模型Fig.1 Mutation model of land ecological security pattern analysis of xiangxi

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按等分的原理，參考相關(guān)學(xué)者有關(guān)研究思路，將湘西州土地生態(tài)安全評(píng)判等級(jí)分為5 等，在指標(biāo)給定的前提下分別設(shè)各指標(biāo)層的相對(duì)隸屬度為0.2，0.4，0.6，0.8，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)的突變模型計(jì)算得目標(biāo)層及各因素的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3).

表3 生態(tài)安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation standard of ecological security

3 結(jié)果分析與對(duì)策建議

3.1 土地生態(tài)安全指數(shù)的計(jì)算

以吉首市為例，說(shuō)明各層指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程為

C1、C2、C3、C4成蝴蝶突變模型，按照互補(bǔ)原則:XB1、XB2、XB3構(gòu)成燕尾突變模型，按取小原則:

重復(fù)以上步驟，利用相同數(shù)據(jù)處理方法和程序，得到湘西州各縣市土地生態(tài)安全綜合總成分得分(表4).

表4 各縣市土地生態(tài)安全指數(shù)Tab.4 Various counties city land ecological security index

3.2 土地生態(tài)安全整體格局及分析

圖2 湘西州土地生態(tài)安全整體狀況突變級(jí)數(shù)法計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculations of overall land ecological security situation in Xiangxi based on catastrophe progression method

分析圖2 可知，整體上，湖南省土地生態(tài)安全程度不高，2013年突變級(jí)數(shù)全部處于0.8 ～0.9 之間，全州缺乏處于較安全和安全狀態(tài)的縣市，大部分縣市均處于較不安全或臨界安全狀態(tài). 這與近年湘西州社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化和工業(yè)化迅速擴(kuò)張有很大聯(lián)系，城市化與工業(yè)化的發(fā)展，致使全州土地生態(tài)維護(hù)與建設(shè)力度雖在加大，但仍面臨很大壓力.

從各縣市的實(shí)際來(lái)看，吉首市和鳳凰縣處于較不安全狀態(tài). 吉首市作為湘西州首府，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及城市化水平均處于全州首位，人口密度大，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速，人均耕地面積較少，從而對(duì)土地生態(tài)產(chǎn)生重大壓力，致使其處于不安全狀態(tài).鳳凰縣作為湖南乃至全國(guó)重要的旅游目的地，鳳凰縣的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)水平相對(duì)落后，人民環(huán)境保護(hù)意識(shí)不足，只考慮當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)利益，只重開(kāi)發(fā)不重保護(hù)，盲目而粗放地開(kāi)發(fā)旅游資源，對(duì)原本脆弱的生態(tài)環(huán)境遭受到嚴(yán)重地破壞，使當(dāng)?shù)赝恋厣鷳B(tài)安全面臨巨大壓力.

瀘溪縣、花垣縣、保靖縣、古丈縣、永順縣、龍山縣處于臨界安全狀態(tài). 瀘溪縣單位播種耕地糧食產(chǎn)量、水土協(xié)調(diào)度、城鎮(zhèn)化率等指標(biāo)在全州均處于較高水平，但人均耕地面積、第三產(chǎn)業(yè)比重均不高，致使其整體上處于臨界安全狀態(tài).花垣縣是2011年全國(guó)坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)縣，是全州水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，土地修復(fù)與恢復(fù)能力差，整體上其土地生態(tài)仍處于臨界安全狀態(tài). 保靖縣是國(guó)家級(jí)貧困縣，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重高，對(duì)自然生態(tài)的依附度高，土地生態(tài)環(huán)境脆弱，且社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有限，第三產(chǎn)業(yè)比重、固定資產(chǎn)投資均不高，響應(yīng)機(jī)制發(fā)展不完善，致使其整體上也處于臨界安全狀態(tài). 古丈縣盡管在單位面積化肥施用量、有效灌溉面積比重、固定資產(chǎn)所占比例等方面處于較高水平，但農(nóng)民人均純收入、水土協(xié)調(diào)度較低，致使土地生態(tài)安全級(jí)別不高，處于臨界水平. 永順縣城鎮(zhèn)化率不高而人口自然增長(zhǎng)率較高，人均GDP 及農(nóng)民人均純收入較低，這些社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素導(dǎo)致土地生態(tài)安全不高.龍山縣近幾年隨著開(kāi)發(fā)建設(shè)力度的加快，其環(huán)境污染和生態(tài)破壞的趨勢(shì)更加迅猛. 龍山縣具有粗放型的工業(yè)，滯后的農(nóng)業(yè)，土地生態(tài)安全各項(xiàng)指標(biāo)均處于湘西州中等水平，總的生態(tài)安全級(jí)別處于臨界安全狀態(tài).

3.3 土地生態(tài)安全各因素的安全格局及分析

從圖3 可知，湘西州土地生態(tài)安全壓力因素的安全狀況要劣于狀態(tài)因素和響應(yīng)因素，這表明壓力因素是影響湘西州土地生態(tài)安全的主要因素. 湘西州地處武夷山區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，近年來(lái)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，導(dǎo)致其土地安全面臨巨大的壓力.

圖3 湘西州土地生態(tài)安全各因素安全狀況Fig.3 Security situation of various factors of land ecological security in Xiangxi

壓力因素中，吉首市和鳳凰縣土地生態(tài)安全級(jí)別最低，處于較不安全狀態(tài)，這是因?yàn)榧资袨槭赘?，人口密集，?duì)土地生態(tài)安全的壓力大，而鳳凰縣因?yàn)槠浯罅康穆糜稳丝谠斐赏恋厣鷳B(tài)安全巨大壓力.響應(yīng)因素中，各縣市基本都處于臨界安全和較安全狀態(tài)，只有鳳凰縣處于較不安全狀態(tài)，這主要是因?yàn)槁糜伍_(kāi)發(fā)所致. 響應(yīng)因素中，均處于大于臨界安全狀態(tài)，其中吉首市處于安全狀態(tài)，這與其作為湘西州首府不無(wú)關(guān)系.

3.4 對(duì)策建議

針對(duì)目前湘西州土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，結(jié)合生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果，建議從以下方面來(lái)維護(hù)該區(qū)域土地資源的生態(tài)安全.

(1)加強(qiáng)湘西州耕地資源的保護(hù)，湘西州為山區(qū)，森林資源豐富，耕地資源較為缺乏，應(yīng)注重開(kāi)發(fā)與保護(hù)并重. 加大土地整理的力度，可實(shí)行土地流轉(zhuǎn)等政策，使有限的耕地資源能夠可持續(xù)利用，進(jìn)而緩解日益突出的人地矛盾;(2)改善土地生態(tài)環(huán)境，推廣農(nóng)作物病蟲(chóng)綠色防控技術(shù)，推廣高效、低毒的農(nóng)藥品種和先進(jìn)植保機(jī)械，提高農(nóng)藥科學(xué)使用水平.示范推廣農(nóng)藥減量控害技術(shù)，建立農(nóng)藥減量控害示范區(qū).調(diào)整肥料結(jié)構(gòu)，推進(jìn)有機(jī)肥綜合利用，推廣微生物肥料和垃圾堆肥，教育和引導(dǎo)農(nóng)民提高化肥施用技術(shù)水平;(3)合理控制人口增長(zhǎng)，減低人口密度，緩解人地矛盾. 人口數(shù)量的增加將會(huì)造成人均耕地面積的減少，進(jìn)而會(huì)給當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力帶來(lái)巨大的壓力，造成土地生態(tài)環(huán)境的破壞;(4)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)加大對(duì)土地資源的保護(hù)力度. 對(duì)土地生態(tài)安全建設(shè)加大財(cái)政投入力度，建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制;(5)提高群眾環(huán)保意識(shí)，使生態(tài)安全保護(hù)意識(shí)深入人心.通過(guò)媒體宣傳、冊(cè)子發(fā)放、專家授課等多種形式讓廣大的人民群眾都積極參與到保護(hù)湘西州生態(tài)環(huán)境的工作中來(lái)，充分發(fā)揮公眾的監(jiān)督作用.

4 結(jié)論與討論

(1)對(duì)于土地生態(tài)系統(tǒng)這一復(fù)雜的系統(tǒng)，突變級(jí)數(shù)法不需要確定指標(biāo)權(quán)重，有效地減少了人為的主觀影響，計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單方便，是區(qū)域土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的一種合理易行的方法.

(2)位于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的湘西州土地生態(tài)安全總體水平不容樂(lè)觀，全州缺乏處于較安全和安全狀態(tài)的縣市，大部分縣市均處于較不安全或臨界安全狀態(tài).其中，吉首市和鳳凰縣處于較不安全狀態(tài);瀘溪縣、花垣縣、保靖縣、古丈縣、永順縣、龍山縣處于臨界安全狀態(tài).

(3)目前越來(lái)越多的學(xué)者將突變級(jí)數(shù)法應(yīng)用于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)，但指標(biāo)選取，標(biāo)準(zhǔn)確定不盡相同，還有待深入探討.

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