京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全評價與調(diào)控研究

揭昌亮　石峰

摘要：針對已有研究存在的不足，提出運用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法評價區(qū)域土地生態(tài)安全狀況，并以京津冀地區(qū)2000-2012年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實證。結(jié)果表明：最近十多年來，該區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況經(jīng)歷了快速惡化和緩慢恢復(fù)兩個過程，其中2000-2006年為持續(xù)惡化時期，2007-2012年安全狀況盡管趨于好轉(zhuǎn)，但由于生態(tài)環(huán)境欠賬太多，恢復(fù)非常緩慢，并且非常不穩(wěn)定；各子系統(tǒng)對總系統(tǒng)生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率大小依次為響應(yīng)子系統(tǒng)>壓力子系統(tǒng)>狀態(tài)子系統(tǒng)，因此需有針對性地對各個子系統(tǒng)及總系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài)安全；評價；調(diào)控；京津冀地區(qū)

土地利用是導(dǎo)致全球環(huán)境變化的重要因素之一。近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，土地利用矛盾日益突出。土地生態(tài)安全評價為監(jiān)測和分析樣本地區(qū)土地利用格局和變化過程提供有力工具。目前，已有不少土地生態(tài)安全評價模型和相關(guān)評價研究工作。但是，由于土地利用生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性以及人類對其影響的不確定性，導(dǎo)致對土地生態(tài)安全評價的研究還處于不斷探索階段，學(xué)者們大都是從評價對象、評價體系、評價方法等方面對已有研究進(jìn)行補(bǔ)充、完善。首先，從研究所選取的對象來看，目前國內(nèi)土地生態(tài)安全評價研究對象主要有兩類：一類是以地理區(qū)、生態(tài)區(qū)等自然地理景觀為主；另一類則以受人類活動影響顯著地區(qū)如行政區(qū)、經(jīng)濟(jì)區(qū)為主，且多集中在省域和市域尺度。其次，從研究所采用的評價方法來看，綜合指數(shù)法是應(yīng)用較廣的一種評價方法，在該方法下，由于對指標(biāo)權(quán)重的處理不同，又可分為德爾菲法、層次分析法、熵值法、變異系數(shù)法等。除此之外，物元模型法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分聚類分析法、生態(tài)足跡法等也被學(xué)者們用來進(jìn)行這方面的評價工作。最后，從評價所構(gòu)建的指標(biāo)體系來看，學(xué)者們主要是采用系統(tǒng)分解法，將土地生態(tài)系統(tǒng)分解為土地生態(tài)“自然一經(jīng)濟(jì)一社會”三個子系統(tǒng)，再選取適宜的評價指標(biāo)對各子系統(tǒng)進(jìn)行定量評價，最后通過對各子系統(tǒng)持續(xù)性的疊加，確定整個系統(tǒng)的安全等級；也有學(xué)者部分利用土地生態(tài)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）框架建立指標(biāo)體系。

但是，已有研究也存在不同程度的缺陷與不足。首先，在評價方法上，由于土地利用生態(tài)系統(tǒng)涉及社會、經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境等諸多因素，因素信息的不確定性和不完全性，使得該系統(tǒng)成為一個灰色系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的評價方法往往忽略了這一點，這將直接影響到評價結(jié)果的客觀性和精準(zhǔn)性。其次，在評價對象選取上，已有研究多限于中、小尺度的流域、庫區(qū)、生態(tài)區(qū)、省域和市域等，而對城市圈（群）的土地生態(tài)安全問題則較少涉及。最后，已有大部分研究都集中于靜態(tài)評價方面，即評價某一時點區(qū)域土地資源的生態(tài)安全狀況或是對少數(shù)幾個時段的土地生態(tài)安全變化的簡單分析，基于較長時間序列的動態(tài)分析還比較少。而對一定時間序列內(nèi)區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況和趨勢展開定量分析，是實現(xiàn)該區(qū)域土地利用動態(tài)優(yōu)化配置和調(diào)控的重要前提與途徑。

針對以上不足，本文提出運用熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法來評價區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況，并以京津冀地區(qū)2000-2012年的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了實證。由于地緣、地勢、河流的特點，京津冀區(qū)域具有先天的土地生態(tài)關(guān)聯(lián)，并具有土地生態(tài)全局調(diào)控的政治優(yōu)勢，2014年京津冀一體化發(fā)展作為國家發(fā)展戰(zhàn)略再次被強(qiáng)調(diào)使這一生態(tài)聯(lián)系更加牢固。本文對該區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價，并分析其動態(tài)變化趨勢和調(diào)控方向，以期豐富已有土地生態(tài)安全評價成果，也為該區(qū)域土地利用規(guī)劃與政策制定提供決策依據(jù)。

一、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

（一）研究區(qū)概況

本文選擇京津冀地區(qū)為評價樣本，包括北京、天津以及河北全部地區(qū)在內(nèi)。該地區(qū)是我國重要的政治、經(jīng)濟(jì)和文化區(qū)域，也是繼“長三角”、“珠三角”之后第三個最具活力的城市群。2000至2012年，京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)人口比例平均增速為3.51%，高于3.15%的全國平均增速。2012年，京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)人口比例達(dá)到58.93%，高于全國52.57%的平均水平，其中，北京和天津已進(jìn)入高度城鎮(zhèn)化階段，城鎮(zhèn)人口比例分別為86.20%和81.55%，超過世界較發(fā)達(dá)地區(qū)人口城市化平均水平。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的推進(jìn)，該區(qū)域的土地開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度亦不斷擴(kuò)大，正不斷逼近承受的極限。根據(jù)《京津冀發(fā)展報告（2013）——承載力測度與對策》測算，京津冀地區(qū)土地資源人口承載力可達(dá)17080.75-19101.07萬人，人口密度可達(dá)1023.97-1145.08人/km2。而統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，北京市2012年常住人口已達(dá)2069.3萬人，人口密度由1999年的766人/km2增加到2012年的1261）k/km2；天津市2012年常住人口為1413.2萬人，人口密度由1995年的790人/km2增大到2012年的1202.3人/km2；均已超出了土地資源人口承載力。河北省2012年人口密度雖然僅為388人/km2，相對京津仍然較小，但也近3倍于全國平均水平，并且由于境內(nèi)山區(qū)面積廣闊，生態(tài)用地要求大，后備土地資源空間有限。因此，整體來看，該區(qū)域土地資源綜合承載力偏低，人口與土地資源的矛盾狀況嚴(yán)重。

（二）數(shù)據(jù)來源

本文用于分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自《北京統(tǒng)計年鑒》、《天津統(tǒng)計年鑒》、《河北統(tǒng)計年鑒》（2001-2013），《中國城市統(tǒng)計年鑒》（2001-2013）；各地區(qū)土地利用統(tǒng)計資料來自京津冀地區(qū)2000-2012年土地利用變更調(diào)查資料。

二、京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全評價與調(diào)控模型

（一）土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

影響土地生態(tài)安全的因素是多方面的，且不同因素之間又相互聯(lián)系、相互影響。PSR模型從人類與資源環(huán)境系統(tǒng)的相互作用與影響出發(fā)，對環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組合分類，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性。因此，文中以PSR概念模型為基礎(chǔ)，參考現(xiàn)有土地生態(tài)安全的評價指標(biāo)體系，并考慮到京津冀地區(qū)的實際情況，遵循科學(xué)性、實用性、可操作性等原則，構(gòu)建了一套適用于京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全評價的指標(biāo)體系，如表1所示，該指標(biāo)體系分為四個層次，包括目標(biāo)層、項目層、因素層和指標(biāo)層，共18項指標(biāo)。

（二）基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的土地生態(tài)安全評價模型

正如前面強(qiáng)調(diào)的，土地生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的人地復(fù)合系統(tǒng)，涉及社會、經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境等諸多因素，評價對象所包含的信息大多是“部分已知、部分未知”的灰色信息，這都使得土地生態(tài)安全評價中存在不確定性和不完全性。在這種情況下，基于灰色關(guān)聯(lián)度的灰色綜合評價法不失為一種可供選擇的方法。作為一種嘗試，本文擬將該方法應(yīng)用于區(qū)域的土地生態(tài)安全評價中。另外，考慮到在傳統(tǒng)的灰色綜合評價模型中，通常是取關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均值（即關(guān)聯(lián)度）作為綜合評價系數(shù)的，這對于評價對象的考察屬性較少且同層各屬性程度差異不大的情況是適用的，但是卻不適合于評價指標(biāo)體系具有多目標(biāo)、多層次特點，且同層各指標(biāo)對綜合評分值的重要性有較大差異的情況。因此，必須區(qū)分各指標(biāo)的權(quán)重。為此，本文引入熵值法。在上述兩種方法的基礎(chǔ)上，本文對研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況進(jìn)行動態(tài)評價的基本思路是：首先，用灰色關(guān)聯(lián)方法將各評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，并用熵值法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重；在此基礎(chǔ)上，通過計算加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度，并以此作為測度評價區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況的綜合指標(biāo)。

設(shè)土地生態(tài)安全系統(tǒng)S中共有m（m>1）個參評單元，設(shè)i（i=1，2，…，m）為所有參評單元的序號，再設(shè)土地生態(tài)安全評價的指標(biāo)共有n（n>1）個，k（k=1，2，…，n）為評價指標(biāo)的序號。那么，u就是第i年的第k個評價指標(biāo)的評價值。

三、結(jié)果與分析

（一）京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全動態(tài)評價

根據(jù)上面建立的基于灰色關(guān)聯(lián)分析法和熵值法的土地生態(tài)安全評價模型，計算2000-2012年京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)，以及三個子系統(tǒng)的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)。如圖1所示。從圖中可以看出：

1.在2000-2012年的13年中，研究區(qū)的土地生態(tài)壓力指數(shù)基本呈平緩上升態(tài)勢，由期初的0.1194增加至期末的0.1573，主要原因在于不斷增大的人口密度正逼近土地承載的極限，而城市化的推進(jìn)對土地資源的壓力也在不斷加大。但從增長幅度來看，十多年來年均增幅僅為2.65%，特別是2006年以后，數(shù)值幾乎無明顯變化。壓力子系統(tǒng)的各項指標(biāo)代表了人類開發(fā)利用土地資源的強(qiáng)度，較高的土地生態(tài)壓力指數(shù)往往反映人們提高了對土地的依賴。研究區(qū)土地生態(tài)壓力指數(shù)緩慢上升，但變化不大，應(yīng)該是有著正負(fù)兩方面的效應(yīng)并存的結(jié)果：從負(fù)的方面來看，近年來該區(qū)域城市化速度加快，伴隨其中的是人地矛盾日趨尖銳，導(dǎo)致土地生態(tài)壓力增大；另一方面，從“十一五”開始，國家制定一系列節(jié)能減排措施，加大對環(huán)境的整治力度，導(dǎo)致社會經(jīng)濟(jì)活動的資源消耗下降，對土地生態(tài)系統(tǒng)的破壞程度也在減小，這些都有效抑制了土地生態(tài)系統(tǒng)惡化的趨勢，兩者的共同作用使得研究區(qū)的土地生態(tài)壓力指數(shù)呈現(xiàn)稍微增大。

2.研究期內(nèi)，土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)變化先后經(jīng)歷了三個“先升后降”的波動過程，界點分別是2004年、2007年和2010，目前正處于第四個波動周期的下降過程中。這反映出，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，研究區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)和土地質(zhì)量變化較為劇烈。這是由該區(qū)域土地資源利用強(qiáng)度偏高，而土地生態(tài)承載能力減弱的現(xiàn)實所決定的。20世紀(jì)90年代末，京津冀地區(qū)的優(yōu)勢地類為耕地、林地和草地，占總面積的72.32%。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和投資規(guī)模的增長，建設(shè)用地需求不斷增加，城市周圍大量耕地被轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。據(jù)統(tǒng)計，從2000年到2010年，全區(qū)耕地面積減少72.22萬公頃，減少幅度達(dá)到9.3%，而期間建設(shè)用地面積增長了21.1%。在土地質(zhì)量方面，受西北地區(qū)環(huán)境惡化以及自身經(jīng)濟(jì)活動的影響，研究區(qū)正面臨著水土流失、土地沙化、沙塵暴、環(huán)境污染和退化等問題。這些都加劇了土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)的向下波動。

3.從2000-2012年，研究區(qū)的土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)總體呈上升趨勢，除2006年出現(xiàn)暫時性下降外，其余年份均呈逐年上升趨勢，說明期間研究區(qū)的土地生態(tài)支撐能力在不斷增強(qiáng)。分階段來看，響應(yīng)指數(shù)在2006年前增長一直都比較緩慢，這是因為，與國內(nèi)其它地區(qū)相比，該區(qū)域土地資源儲量并不豐富，又屬人口和工業(yè)活動集聚區(qū)，土地生態(tài)系統(tǒng)自身受到破壞比較嚴(yán)重，支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的能力有限；以2006年為轉(zhuǎn)折點，響應(yīng)指數(shù)上升趨勢開始加速，這一方面與近五年來，該區(qū)域不斷加大環(huán)境治理和生態(tài)保護(hù)投入，水源涵養(yǎng)、濕地保護(hù)以及退耕還林、還草工程等一系列措施的實施，有效發(fā)揮了自然響應(yīng)因子對土地生態(tài)響應(yīng)子系統(tǒng)的提升效應(yīng)有關(guān)；另一方面也與該子系統(tǒng)下社會經(jīng)濟(jì)響應(yīng)各指標(biāo)的值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)水平有關(guān)。所以綜合來看，研究區(qū)土地生態(tài)響應(yīng)子系統(tǒng)的安全狀況評價結(jié)果較優(yōu)。

4.從綜合評價結(jié)果來看，在2000年到2012年這段時間內(nèi)，研究區(qū)的土地生態(tài)安全狀況以2006年為分水嶺，經(jīng)歷了快速惡化和緩慢恢復(fù)兩個階段。其中，2000-2006年為持續(xù)惡化時期，并在2006年達(dá)到峰值，即社會、經(jīng)濟(jì)活動對土地生態(tài)系統(tǒng)安全的壓力達(dá)到最大。原因主要是，進(jìn)入新世紀(jì)以后，該區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對土地生態(tài)系統(tǒng)的消耗和破壞也日趨激烈，但由于人類活動對環(huán)境的影響往往有滯后性，因而前幾年的一些危害土地生態(tài)安全的行為最終集中于該段時間發(fā)生。2006年后，尤其是2008年北京奧運會的申辦，給該區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展帶來了很好的契機(jī)，土地生態(tài)安全總指數(shù)開始表現(xiàn)為回升態(tài)勢，由2006年的0.5156上升到2012年的0.6198，但狀態(tài)非常不穩(wěn)定，中間在2009年、2011年又出現(xiàn)了幾次不同程度的下降與退化。這又說明近五年來，盡管研究區(qū)加大了對環(huán)境的整治力度，社會、經(jīng)濟(jì)活動對土地資源的消耗和破壞程度趨于減輕，從而促使土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況趨于好轉(zhuǎn)，但是由于起步較晚，加之政策穩(wěn)定性、延續(xù)性不夠，造成研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)惡化的趨勢尚沒有得到有效的遏制，土地生態(tài)壓力指數(shù)依然在緩慢增長，而土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)卻在同步緩慢下降，2012年甚至出現(xiàn)“土地生態(tài)超載”，即生態(tài)壓力指數(shù)大于生態(tài)狀態(tài)指數(shù)。

5.分指數(shù)來看，研究區(qū)在三大指標(biāo)類型中，土地生態(tài)壓力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)在綜合指數(shù)中的貢獻(xiàn)率基本無大的變化，相應(yīng)的土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)貢獻(xiàn)率卻在逐步提高。在2000-2012年期間，土地生態(tài)安全總指數(shù)曲線與土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)曲線變化趨勢基本一致，而與土地生態(tài)壓力指數(shù)曲線呈現(xiàn)對稱變化趨勢：土地生態(tài)壓力高時，土地生態(tài)安全水平就低；相反，土地生態(tài)壓力低時，土地生態(tài)安全水平就高。這一方面說明，土地生態(tài)響應(yīng)子系統(tǒng)對京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率要大于其他子系統(tǒng)，以致在土地生態(tài)壓力不斷增大、土地生態(tài)承載能力逐漸減弱的情況下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)土地生態(tài)安全狀況的改善；另一方面也反映出，近十多年來該區(qū)域土地生態(tài)安全指數(shù)上升，主要是由于土地生態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)所致，而非壓力指數(shù)減小所致。

（二）京津冀地區(qū)土地生態(tài)安全調(diào)控

以研究區(qū)2012年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)上述建立的土地生態(tài)安全評價模型和調(diào)控模型，分別得到京津冀地區(qū)在以上7種情景下的土地生態(tài)安全指數(shù)及敏感變化百分率，如表2所示。研究區(qū)土地生態(tài)安全系統(tǒng)調(diào)控結(jié)果分析如下：

情景1：只改變壓力子系統(tǒng)的7個指標(biāo)，敏感變化率為2.3323%，變化速度大于1%但小于浮動率5%，說明壓力子系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率較小，但超過平均數(shù)；

情景2：只改變狀態(tài)子系統(tǒng)的6個指標(biāo)時，敏感變化率為0.9209%，變化速度小于1%，說明狀態(tài)子系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率最小，低于平均數(shù)；

情景3：只改變響應(yīng)子系統(tǒng)的5個指標(biāo)，敏感變化率為4.3343%，變化速度接近5%，說明響應(yīng)子系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率較自然子系統(tǒng)大，因此對響應(yīng)子系統(tǒng)各因子的作用應(yīng)引起足夠重視并加以強(qiáng)化；

情景4：只改變壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)的13個指標(biāo)時，敏感變化率為0.9910%，變化速度小于1%，說明壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率最小，低于平均數(shù)；

情景5：只改變壓力子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)的12個指標(biāo)時，敏感變化率為4.4344%，變化速度接近5%，說明壓力子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率較高；

情景6：只改變狀態(tài)子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)的11個指標(biāo)時，敏感變化率為3.7237%，說明狀態(tài)子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)對總系統(tǒng)土地生態(tài)安全的貢獻(xiàn)率一般；

情景7：同時改變總系統(tǒng)的18個指標(biāo)時，敏感變化率為5.9660%，明顯高于5%，說明在土地壓力、狀態(tài)、響應(yīng)生態(tài)安全指標(biāo)的共同作用下，研究區(qū)土地生態(tài)安全水平對土地生態(tài)系統(tǒng)因子非常敏感，土地生態(tài)系統(tǒng)因子的小變化會引起土地生態(tài)安全水平更大幅度的變化。同時，這也說明，目前京津冀地區(qū)的土地生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)非常脆弱和不穩(wěn)定。

四、結(jié)論與討論

1.本文利用建立的區(qū)域土地生態(tài)安全評價模型，對京津冀地區(qū)2000-2012年的土地生態(tài)安全水平進(jìn)行動態(tài)評價。結(jié)果表明，以2006年為分界點，十多年來該區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況經(jīng)歷了快速惡化和緩慢恢復(fù)兩個過程，近五年來安全狀況盡管趨于好轉(zhuǎn)，但由于生態(tài)環(huán)境欠賬太多，恢復(fù)非常緩慢，并且非常不穩(wěn)定。

2.近十多年來，研究區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)上升，主要是由于土地生態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)所致，而非壓力指數(shù)減小所致。因此，在調(diào)控時，對響應(yīng)子系統(tǒng)各因子的作用應(yīng)引起足夠重視并加以強(qiáng)化，以充分發(fā)揮諸因子對土地生態(tài)安全水平的提升效應(yīng)。

本文從土地生態(tài)安全的不確定性和不完全性出發(fā)，將灰色關(guān)聯(lián)度法應(yīng)用于土地生態(tài)安全綜合評價中，同時引入熵值法計算權(quán)重系數(shù)，既更加有效的利用了指標(biāo)信息，又很好的解決了評價指標(biāo)較多且同層各指標(biāo)重要程度差異較大的問題，使得評價結(jié)果更為客觀，可信度更高。但由于此方法的應(yīng)用在土地生態(tài)安全評價研究領(lǐng)域尚屬嘗試，在評價指標(biāo)體系構(gòu)建、土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)與等級劃分等方面仍需進(jìn)一步探討和完善。