基于熵權(quán)物元模型的重慶市土地生態(tài)安全評價

劉 夢， 姜世中

( 1.西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川師范大學(xué),四川成都 610101；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川成都 610101)

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基于熵權(quán)物元模型的重慶市土地生態(tài)安全評價

劉 夢1， 姜世中2*

( 1.西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川師范大學(xué),四川成都 610101；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川成都 610101)

以重慶市為研究對象，構(gòu)建了由壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個要素組成的土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法和物元模型對重慶市2005～2013年的土地生態(tài)安全作出分析和評價。結(jié)果表明，2005～2013年重慶市土地生態(tài)安全綜合關(guān)聯(lián)度都為負(fù)值，均在(-1，0)區(qū)間，表明重慶市土地生態(tài)安全狀況均未達(dá)到所在的等級，但都具備轉(zhuǎn)化為所在評價等級的條件，2005～2007、2009～2013年的土地生態(tài)安全能夠向安全轉(zhuǎn)化，2008年的土地生態(tài)安全能夠向基本安全轉(zhuǎn)化，重慶市土地生態(tài)安全的大致發(fā)展趨勢是向較安全級別轉(zhuǎn)化，與重慶市社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好有密切關(guān)系。

重慶市；熵權(quán)法；物元法；土地生態(tài)安全

土地為人類提供了生存和發(fā)展最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，它對一個國家或者區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的急速增長，人們在獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益的同時，水土流失、土地鹽堿化、森林減少等一系列土地生態(tài)環(huán)境問題日漸加劇，人地矛盾日益突出。在土地資源有限的承載力下，如果人類繼續(xù)毫無節(jié)制地利用土地，終有一天土地將不再能滿足人們的各種需求。因此，對土地生態(tài)安全的研究日益迫切[1-2]。

土地生態(tài)安全是一個全新的概念，它是指陸地表層由各種有機(jī)物和無機(jī)物構(gòu)成的土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不受破壞，同時土地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供服務(wù)的質(zhì)量和數(shù)量，能夠持續(xù)滿足人類生存和發(fā)展的需要[3-5]。我國正處于全面建成小康社會、加快推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵時期，土地生態(tài)安全是實(shí)現(xiàn)我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展的重要保障，具有研究的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。筆者利用物元模型和熵權(quán)法，對重慶市2005～2013年的土地生態(tài)安全作出分析和評價，以期能為重慶市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況重慶市位于中國西南部，地處長江上游，地跨105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N的青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶，以低山、丘陵為主。轄區(qū)東西長470 km，南北寬450 km，總面積8.24萬km2。重慶市氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均降水量豐富，年平均相對濕度大，在我國屬高濕區(qū)。重慶是國家重要的現(xiàn)代制造業(yè)基地，現(xiàn)已形成了電子信息、汽車、裝備制造、綜合化工、材料、能源和消費(fèi)品制造等千億級產(chǎn)業(yè)集群。2014年全市實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值5 175.80億元，占全市地區(qū)生產(chǎn)總值的36.3%。截至2014年末，重慶市常住人口2 991.40萬，城鎮(zhèn)化率為59.6%。伴隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，2002～2011年建成區(qū)面積的年平均增長率達(dá)到13.6%，全市人均耕地面積已接近聯(lián)合國糧農(nóng)組織確定的最低人均耕地面積0.053 hm2，人地矛盾突出[6]。

1.2數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來源于2005～2013年《重慶統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》以及2010～2013年重慶市國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報。

1.3研究方法

1.3.1物元分析法。物元分析是研究解決不相容問題的規(guī)律和方法的新興學(xué)科，由我國學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代提出[7]。其主要步驟如下。

(1)確定土地生態(tài)安全物元。在物元模型中，對于所描述的事物N、事物的特征C以及量值V可以組成物元R[8-9]，表達(dá)式為：

R=(N，C，V)。

(1)

(2)確定土地生態(tài)安全的經(jīng)典域物元矩陣。公式為：

(2)

式中,R0j為經(jīng)典域物元；N0j為所劃分的第j等級，j=(1,2,…,n)；ci為第i個評價指標(biāo)；(a0j1,b0j1)為對應(yīng)評價等j級的量值范圍，即經(jīng)典域。

(3)確定土地生態(tài)安全的節(jié)域物元矩陣。公式為：

(3)

式中,Rp為經(jīng)典域物元;ci為第i個評價指標(biāo)；(api,bpi)為關(guān)于評價指標(biāo)ci的量值范圍。

(4)確定待評物元。把待評對象Nx的物元表示為Rx:

(4)

(5)確定關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)函數(shù)。公式為：

(5)

1.3.2用熵權(quán)法確定權(quán)重[10-11]。

(1) 設(shè)定在m項(xiàng)評價指標(biāo)、n個被評價對象的評價體系中，原始矩陣為Dmn：

(6)

(2)利用以下公式對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到歸一化矩陣Rmn。

指數(shù)值越大越好型：

(7)

指數(shù)值越小越好型：

(8)

(3)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的熵值，公式為：

(9)

(4)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。公式為：

(10)

1.3.3綜合關(guān)聯(lián)度的確定。待評對象Nx關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nx)為：

(11)

式中，Kj(Ni)為待評價對象Nx關(guān)于等級j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度;ωi為指標(biāo)權(quán)重值。若Kji=max[kj(xi)]，j=1,2,…,n，則評價對象第i個指標(biāo)屬于等級j,Kji為評價對象中指標(biāo)i在等級j中的單指標(biāo)最大關(guān)聯(lián)度；若Kjx=max[kj(Nx)],j=1,2,…,n，則評價對象Nx屬于等級j，Kjx為評價對象中指標(biāo)Nx在等級j中的最大綜合關(guān)聯(lián)度。

關(guān)聯(lián)度的數(shù)值表示評價單元符合某標(biāo)準(zhǔn)范圍的隸屬程度，當(dāng)K(x)≥1.0時，表示被評價對象超過標(biāo)準(zhǔn)對象上限，數(shù)值越大，開發(fā)潛力越大；當(dāng)0≤K(x)≤1.0時，表示被評價對象符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求的程度，數(shù)值越大，越接近標(biāo)準(zhǔn)上限；當(dāng)-1.0≤K(x)≤0時，表示被評價對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求,但具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件,數(shù)值越大，越容易轉(zhuǎn)化；當(dāng)K(x)≤0時，表示被評價對象不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，且又不具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件。

2　結(jié)果與分析

2.1土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建影響土地生態(tài)安全的因素眾多，因此在對評價指標(biāo)進(jìn)行選取時就需要考慮到與其相關(guān)的自然因素、社會因素、經(jīng)濟(jì)因素，基于這些因素，采用了“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模式構(gòu)建了重慶市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，并利用熵權(quán)法計(jì)算出權(quán)重，結(jié)果見表1。

2.2土地生態(tài)安全評價經(jīng)典域、節(jié)域的確定根據(jù)土地生態(tài)安全的可拓性，本著科學(xué)性、客觀性的原則，將重慶市土地生態(tài)安全劃分為5個等級，分別是安全(R1)、較安全(R2)、臨界安全(R3)、較不安全(R4)、不安全(R5)。參照環(huán)保部頒布的《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》標(biāo)準(zhǔn)[12]、全國平均水平、以及重慶市平均水平等，確定了重慶市土地生態(tài)安全評價的經(jīng)典域和節(jié)域，結(jié)果見表2。

表1　重慶市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重

接下表

注：在指標(biāo)性質(zhì)中，正向指標(biāo)表示數(shù)值越大，土地生態(tài)安全狀況越良好，數(shù)值越小，土地生態(tài)安全狀況越惡劣；逆向指標(biāo)與之相反。

Note：In the property of index, the positive index indicates that the greater the value, the better the land ecological security is, the smaller the value, the worse the land ecological security is; the negative index is on the contrary.

表2　重慶市土地生態(tài)安全評價評判標(biāo)準(zhǔn)

2.3評價結(jié)果與分析運(yùn)用熵權(quán)物元模型計(jì)算2005～2013年重慶市的土地生態(tài)安全指標(biāo)關(guān)聯(lián)度以及每年土地生態(tài)安全評價等級，結(jié)果見表3～5。

從表3～4可以看出，2005～2013年重慶市人口自然增長率、人均耕地面積、人口密度、城鎮(zhèn)化率、單位面積耕地化肥施用量、單位面積耕地農(nóng)藥施用量、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、環(huán)保投資占GDP比重等指標(biāo)生態(tài)安全等級整體呈現(xiàn)上升趨勢，主要原因是重慶市社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展快速，第三產(chǎn)業(yè)所占比重合理，人口發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策合理實(shí)施；生活垃圾無害化處理率、工業(yè)固體廢物綜合利用率、農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)、建成區(qū)綠化面積等指標(biāo)生態(tài)安全等級整體偏低。主要原因一是重慶市人口基數(shù)大；二是重慶市地處亞熱帶季風(fēng)氣候，降水主要集中在夏季，容易引發(fā)自然災(zāi)害。

表3　2005年土地生態(tài)安全關(guān)聯(lián)度及安全等級

表4　2006～2013年土地生態(tài)安全單指標(biāo)評價等級

從表5可以看出，重慶市土地生態(tài)安全評級等級處于“臨界安全”，2005～2007、2009～2013年的土地生態(tài)安全等級具有轉(zhuǎn)化為“較安全”的條件，2008年的土地生態(tài)安全等級具有轉(zhuǎn)化為“臨界安全”的條件，整體上呈現(xiàn)出由“臨界安全”向“較安全”轉(zhuǎn)變的趨勢。從每年同等級中對比分析可以發(fā)現(xiàn)：N2(2013)>N2(2011)>N2(2010)>N2(2012)>N2(2009)>N2(2007)>N2(2006)>N2(2005)。

2005～2013年重慶市土地生態(tài)安全綜合關(guān)聯(lián)度都為負(fù)值，均在(-1，0)區(qū)間，表明重慶市土地生態(tài)安全狀況均未達(dá)到所在的等級，但都具備轉(zhuǎn)化為所在評價等級的條件。從整體上來看，雖然是由“臨界安全”向“較安全”轉(zhuǎn)化，但是從具體綜合關(guān)聯(lián)度上看，2013、2011、2010年較其他幾年更容易向“較安全”轉(zhuǎn)化。

表5　重慶市土地生態(tài)安全評價結(jié)果

3　結(jié)論

基于上述分析可以看出，2005～2013年重慶市土地生態(tài)安全總體上趨于向良好狀態(tài)轉(zhuǎn)變。綜合每年各指標(biāo)土地生態(tài)安全關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度不難看出，農(nóng)民人均純收入、森林覆蓋率、建成區(qū)綠化面積、生活垃圾無害化處理率、工業(yè)固體廢物綜合利用率、人均GDP、農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)對于重慶市土地生態(tài)安全起著重要作用。因此，加強(qiáng)對環(huán)境污染的治理和生態(tài)壞境的保護(hù)、增強(qiáng)抵御自然災(zāi)害的能力是重慶市土地生態(tài)安全發(fā)展的重點(diǎn)方向。

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The Evaluation of Land Ecological Security of Chongqing City Based on the Entropy Matter Element Mode

LIU Meng1, JIANG Shi-zhong2*

(1. Key Lab of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest, Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610101; 2. The Faculty Geography Resource Sciences, Sichuan Normal University,Chengdu, Sichuan 610101)

Taking Chongqing as the research object, land ecological safety evaluation index system was established including pressure, state and response, land ecological safety of Chongqing during 2005-2013 was analyzed and evaluated by entropy method and matter element method. The results showed that the comprehensive correlation degree of land ecological safety in Chongqing during 2005-2013 was negative(-1, 0), indicating land ecological security situation of Chongqing failed to meet the level, but all have conditions transforming into the evaluation grades. The general development trend of land ecological security in Chongqing City is converted to a more secure level, which is closely related to social and economic rapid development and eco-environment protection in Chongqing City.

Chongqing City; Entropy method; Matter element method; Land ecological security

劉夢(1992- ),女，重慶人，碩士研究生，研究方向：資源開發(fā)與區(qū)域發(fā)展。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水資源可持續(xù)利用、氣候變化、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等研究。

2016-06-29

F 301.2

A

0517-6611(2016)24-204-05