PSR框架下土地生態(tài)系統(tǒng)健康診斷

高潔芝 夏夢蕾 孟展 劉友兆

摘要：建立了基于PSR模型的土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用改進(jìn)的熵值法與障礙度模型診斷了四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。研究分析結(jié)果：（1）2000—2013年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體不斷提升，綜合指數(shù)從0.478 5增加到0.643 2，健康水平等級經(jīng)歷了“臨界狀態(tài)—亞健康”的演變歷程；（2）總體來看，壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢；（3）長遠(yuǎn)來看，系統(tǒng)壓力是影響土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的首要因素，2000—2013年系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)的障礙度分別以年均5.14%、4.15%的速度增加，而系統(tǒng)響應(yīng)的障礙度以年均3.87%的速度下降；（4）單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、人均建設(shè)用地等是土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平等級提高的關(guān)鍵制約因素。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài)系統(tǒng)健康；診斷；改進(jìn)的熵值法；PSR模型；四川

中圖分類號： F301.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0240-04[HS）][HT9.SS]

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，環(huán)境與發(fā)展之間的不協(xié)調(diào)問題日益凸顯，土地生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢，土地質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)健康面臨一定的威脅[1-3]。因此，開展土地生態(tài)系統(tǒng)健康研究，剖析土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的制約因素，優(yōu)化土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提升路徑，改善土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，對于加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，保障我國生態(tài)安全，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義[3]。

目前，關(guān)于土地生態(tài)系統(tǒng)健康的研究主要集中在土地生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵、土地生態(tài)系統(tǒng)健康機(jī)理、土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平分析和土地生態(tài)系統(tǒng)健康調(diào)控等幾個(gè)方面[3-8]?？傮w來看，土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)研究尚屬起步階段，定性分析相對較多、定量研究較少；土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價(jià)是對土地生態(tài)系統(tǒng)的綜合診斷，主要包括資源的開發(fā)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、政策管理水平等，但目前的評價(jià)指標(biāo)主要集中于資源、環(huán)境狀況，很少綜合考慮人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平診斷的作用；評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的測算多采用德爾菲法、層次分析法等，此類方法雖因研究較為成熟而被廣泛應(yīng)用，但評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的測算多包含人為因素，時(shí)常因選擇的專家不一樣而產(chǎn)生較大的差異，導(dǎo)致研究結(jié)果趨于不穩(wěn)定[9]。PSR模型綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境，突出了人地關(guān)系；改進(jìn)的熵值法根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的固有信息測算評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，能夠避免一些主觀確權(quán)法所帶來的結(jié)果不穩(wěn)定的問題。

鑒于此，本研究建立了PSR框架下土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用改進(jìn)的熵值法、障礙度模型對四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價(jià)進(jìn)行實(shí)證分析，診斷了土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的制約因素，以期為提高土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平提供一定的參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

四川省地處長江上游，東與重慶市接壤，南與云南省、貴州省相連，西鄰西藏自治區(qū)，北接青海、甘肅、陜西省[9]。四川省包括18個(gè)地級市與3個(gè)自治州，自然資源豐富，光熱條件好，是我國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)、糧食主產(chǎn)區(qū)。伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，發(fā)展與環(huán)境之間的不協(xié)調(diào)問題日益凸顯，土地生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢，土地質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平亟待提升。

PSR框架下土地生態(tài)系統(tǒng)健康診斷數(shù)據(jù)主要來源于《四川統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》《四川農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》《中國農(nóng)業(yè)年鑒（2001—2014）》以及四川省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)等。

1.2研究方法

1.2.1指標(biāo)體系構(gòu)建

土地生態(tài)系統(tǒng)健康是指在自然因素、人為因素共同作用下土地生態(tài)系統(tǒng)仍然能夠維持自我恢復(fù)能力，自身結(jié)構(gòu)合理，功能得到正常發(fā)揮，滿足人類以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[3-8]。土地生態(tài)系統(tǒng)健康診斷是以土地生態(tài)系統(tǒng)為分析對象，綜合剖析自然生態(tài)要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素，評價(jià)自然因素與人為因素帶來的系統(tǒng)破壞、退化程度[9-10]。PSR框架是由聯(lián)合國OECD和UNEP提出的[11-12]，該框架基于因果關(guān)系開展分析，主要目的在于剖析生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，建立人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的因果鏈[13]。本研究借助PSR框架開展土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平診斷（圖1）。

在土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平診斷中引入PSR框架能夠從總體上體現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)與管理決策之間的相互依存、相互制約的關(guān)系（圖1）。從土地生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵、PSR框架出發(fā)，遵循指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、可獲取性、系統(tǒng)性與可比性等原則，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，建立了基于PSR模型的土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

1.2.2評價(jià)模型建立

1.2.2.1標(biāo)準(zhǔn)化處理

本研究采用極差法[3]對土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)開展標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式如下：

[JZ（]正向指標(biāo)：Xij′=（Xij-minXj）/（maxXj-minXj）；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]負(fù)向指標(biāo)：Xij′=（manXj-Xij）/（maxXj-minXj）。[JZ）][JY]（2）

式中：Xij、Xij′代表第i年第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的原始值、標(biāo)準(zhǔn)化值，maxXj、minXj代表第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)最大值、標(biāo)準(zhǔn)最小值。制定評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值（健康值、病態(tài)值）主要依據(jù)國家、地方、行業(yè)及國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域本底背景值，全國平均水平等[3，8-9]。[FL）]

1.2.2.2指標(biāo)權(quán)重的確定

不同評價(jià)指標(biāo)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的影響程度存在一定的差異，需要對評價(jià)指標(biāo)賦以一定的權(quán)重，本研究采用改進(jìn)的熵值法來確定土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，具體步驟如下[9，14]：

（1）土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于不同的評價(jià)指標(biāo)具有不一樣的量綱，需要對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平各評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換[14]：

[HS+6mm]Xij″=（Xij-X[TX-]j）/sji=1，2，…，m；j=1，2，…，n。[JY]（3）

式中：Xij″代表評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；X[TX-]j代表第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的均值；sj代表第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）開展坐標(biāo)平移：Xij=H+Xij″。式中：Xij代表平移后的指標(biāo)值，H代表指標(biāo)平移的幅度。

（3）測算第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)下的i個(gè)樣本值的比重，Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij。

（4）測算第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)熵值。ej=-k∑[DD（]mi[DD）]Pijln（Pij），k>0，ln表示自然對數(shù)，ej>0。假設(shè)Xij對于給定的j一樣，則 [JP3]Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij=1/m，此時(shí)ej達(dá)到最大，即ej=-k∑[DD（]mi=1[DD）][SX（]1m[SX）]ln[SX（]1m[SX）]=[JP]klnm。假設(shè)k=1/lnm，ej=1，因此0≤ej≤1。

（5）測算第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)差異性系數(shù)gj，gj=1-ej。

（6）測算第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重wij：wij=gj/∑[DD（]mi[DD）]gj，j=1，2，…，n。

1.2.2.3計(jì)算綜合指數(shù)

本研究運(yùn)用綜合評價(jià)法測算土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平，具體公式如下[2]：

[JZ（]F=∑[DD（]3i=1[DD）]wi×（∑[DD（]nj=1[DD）]Xij′×wij）。[JZ）][JY]（4）

式中，F(xiàn)代表土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平，wi代表第i子系統(tǒng)權(quán)重，wij代表第i子系統(tǒng)第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，n代表第i子系統(tǒng)所包含的評價(jià)指標(biāo)數(shù)。F越接近1，代表土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平越高。在借鑒國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分的基礎(chǔ)上[3-4]，將土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平劃分成5個(gè)等級，具體為病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)、亞健康與健康（表2）。

1.2.3障礙因素診斷

在土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平診斷的基礎(chǔ)上，開展土地生態(tài)系統(tǒng)健康的病理分析，剖析影響土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的制約因素[15]。障礙因素測算采用因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度、障礙度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行診斷，因子貢獻(xiàn)度（Uj）表示各評價(jià)指標(biāo)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的權(quán)重，指標(biāo)偏離度（Iij）表示土地生態(tài)系統(tǒng)健康各評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與100%之差；障礙度（Yj，yj）分別表示各評價(jià)對象分類指標(biāo)、單項(xiàng)指標(biāo)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的影響程度，計(jì)算公式如下[15-16]：

[HS2][JZ（]yij=Iij×wj/（∑[DD（]nj=1[DD）]Iij×wj），Yij=∑yij。[JZ）][JY]（5）

2結(jié)果與分析

根據(jù)土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系收集相關(guān)數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的熵值法測算各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上測算四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平（圖2）。

2.1綜合評價(jià)結(jié)果

研究結(jié)果顯示，2000—2013年，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體上呈現(xiàn)上升趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況得到進(jìn)一步改善。土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)由2000年的0478 5上升至2013年的0.643 2，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體上不斷好轉(zhuǎn)，年均增長率達(dá)到2.65%，由此可見，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體上不斷提升。參考土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平分級標(biāo)準(zhǔn)， 四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平由臨界狀態(tài)

等級提升為亞健康等級，研究發(fā)現(xiàn)，2000—2013年四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，收入水平持續(xù)提升，生態(tài)保護(hù)意識不斷強(qiáng)化；單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力不斷增加，耕地糧食單產(chǎn)有效提高；生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)力度不斷加強(qiáng)，加大了對廢水、廢氣污染的控制力度，深入開展水土流失治理，水土流失治理率持續(xù)提高，提高了土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平。

2.2分類指標(biāo)對比

2000—2013年，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康壓力指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢，從2000年的0.6598降低至2013年的0611 6，表明土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力狀況有所惡化（負(fù)向指標(biāo)）[9]，人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的干擾有所強(qiáng)化。根據(jù)變化趨勢能夠?qū)毫χ笖?shù)變化劃分為5個(gè)階段：（1）2000—2001年壓力指數(shù)緩慢增長，增長率為1.75%；（2）2001—2009年壓力指數(shù)下降幅度相對較大，遞減率為2.64%；（3）2009—2010年壓力指數(shù)增長幅度較大，增長率為17.16%；（4）2010—2012年壓力指數(shù)緩慢下降，遞減率為1.51%；（5）2012—2013年壓力指數(shù)緩慢增長，增長率為1.62%。不難看出，隨著四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，土地生態(tài)系統(tǒng)壓力總體上持續(xù)提高，近年來，土地生態(tài)系統(tǒng)壓力有所緩解。2000—2013年四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢，2013年?duì)顟B(tài)指數(shù)是2000年的0.96倍，下降幅度不大。除2006年以外，其他年份的土地生態(tài)系統(tǒng)健康響應(yīng)指數(shù)均逐年增大，健康水平迅速提升，2013年土地生態(tài)系統(tǒng)健康響應(yīng)指數(shù)是2000年的3.55倍，年均增長率為19.62%。從圖2可以看出，2000—2005年土地生態(tài)系統(tǒng)健康響應(yīng)指數(shù)上升幅度較大，年均增長率達(dá)到25.89%，促進(jìn)了土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高；2006—2013年土地生態(tài)系統(tǒng)健康響應(yīng)指數(shù)上升幅度較小，年均增長率僅為8.05%。

2.3障礙因素診斷

2.3.1主要障礙因素

依據(jù)障礙因素測度方法，對四川省2000年與2013年土地生態(tài)系統(tǒng)健康障礙度進(jìn)行了測度。2000年，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平提升的障礙因子主要體現(xiàn)在系統(tǒng)響應(yīng)與系統(tǒng)狀態(tài)，具體包括工業(yè)固體廢物綜合利用率、生活污水治理率、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、農(nóng)民人均純收入、水土流失治理率、單位耕地農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力等；2013年，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平提升的障礙因子主要集中在系統(tǒng)壓力與系統(tǒng)狀態(tài)，具體包括單位耕地化肥負(fù)荷、水土流失程度、土地墾殖率、人均耕地面積、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、人均建設(shè)用地、工業(yè)固體廢物綜合利用率等。從土地生態(tài)系統(tǒng)健康單項(xiàng)指標(biāo)來看，2000—2013年，單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、水土流失程度、人均建設(shè)用地、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、土地墾殖率等指標(biāo)障礙度增長幅度較大。結(jié)果表明，雖然四川省一直深入開展水土流失治理，但由于易水土流失區(qū)域較大，且存在反復(fù)的現(xiàn)象，目前，四川省水土流失程度仍較大，還需進(jìn)一步加大治理力度，有效保護(hù)土地資源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的持續(xù)提高，四川省固定資產(chǎn)投資增長速度明顯提升，但這種高速增長是以資源高消耗為代價(jià)的，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，耕地面積不斷下降，土地資源集約利用水平不高。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，單位耕地農(nóng)藥施用強(qiáng)度、單位耕地化肥施用強(qiáng)度仍在提高。

2.3.2分類指標(biāo)的障礙度

在單項(xiàng)指標(biāo)障礙度測度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測度四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平分類指標(biāo)障礙度（圖3）?？傮w來看，系統(tǒng)壓力與系統(tǒng)狀態(tài)的障礙度呈現(xiàn)上升的趨勢，而系統(tǒng)響應(yīng)的障礙度在波動(dòng)中呈下降態(tài)勢。從3類指標(biāo)障礙度測算結(jié)果來看，2008年之前系統(tǒng)響應(yīng)障礙度最大，從2009年開始，系統(tǒng)壓力障礙度最大，其次是系統(tǒng)響應(yīng)、系統(tǒng)狀態(tài)；2012年以后系統(tǒng)狀態(tài)障礙度超過系統(tǒng)響應(yīng)，排名第2。由此可知，提高土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平必須從系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)入手，同時(shí)合理改善系統(tǒng)響應(yīng)?？傮w來看，2000—2013年系統(tǒng)壓力與系統(tǒng)狀態(tài)的障礙度分別以年均514%、4.15%的速度提高，系統(tǒng)響應(yīng)的障礙度以年均387%的速度下降。從長遠(yuǎn)來看，系統(tǒng)壓力會(huì)成為影響四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康的首要因素。

3結(jié)論與建議

2000年以來，四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體不斷提高，2013年土地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)是2000年的1.34倍，且土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平由2000年的臨界狀態(tài)等級提升為2013年的亞健康等級；土地生態(tài)系統(tǒng)健康壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)健康響應(yīng)指數(shù)總體上不斷提高；系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平影響較大，2000—2013年系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)狀態(tài)的障礙度分別以年均5.14%、4.15%的速度提升；制約土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平提升的主要因子包括單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、人均建設(shè)用地等。

根據(jù)土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平診斷結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，強(qiáng)化土地利用監(jiān)管，持續(xù)提升土地利用集約化水平，降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展對土地資源的消耗；普及農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)，加快生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)建設(shè)，持續(xù)推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量化；大力開展農(nóng)村土地整治，推進(jìn)土地科技創(chuàng)新，持續(xù)增加耕地資源數(shù)量、提升耕地資源質(zhì)量；進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)保資金投入，深入開展環(huán)境治理，有效降低水土流失程度，促進(jìn)四川省土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況改善。

實(shí)證分析結(jié)果表明，PSR模型以因果關(guān)系為基礎(chǔ)，綜合分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)、資源環(huán)境之間的關(guān)系，可以更準(zhǔn)確地體現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)與管理決策之間的相互關(guān)系；改進(jìn)的熵值法依據(jù)土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)之間的差異，采用信息熵測算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，能夠避免主觀賦權(quán)法的不穩(wěn)定問題，可以提高土地生態(tài)系統(tǒng)健康診斷的質(zhì)量；PSR框架下的土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系與改進(jìn)的熵值法能夠?qū)崿F(xiàn)對土地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的診斷。

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