基于TOPSIS方法的土地生態(tài)安全評價

汪雨琴　余敦　劉慶芳

摘要：在尋求經(jīng)濟最大化的同時，對土地、資源、生態(tài)、環(huán)境等進行保護以使社會經(jīng)濟處在可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，而對土地生態(tài)安全進行評價并為其提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究方向。運用專家咨詢法和壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型構(gòu)建評價指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，使用逼近理想點排序法對2004—2012年間神農(nóng)架林區(qū)及其壓力-狀態(tài)-響應(yīng)等3個子系統(tǒng)的土地生態(tài)安全狀況進行研究與分析。結(jié)果顯示，神農(nóng)架林區(qū)的土地生態(tài)狀態(tài)在2004—2008年呈波動下降趨勢，2008—2012年呈上升趨勢。就各子系統(tǒng)而言，壓力層于2004—2008年急劇下降，2008—2012年回升，狀態(tài)層呈“W”形，2007年達(dá)到頂峰，2006年和2008年為谷底；響應(yīng)層波動上升。影響評價結(jié)果的指標(biāo)因素主要有單位面積化肥施用量、第一產(chǎn)業(yè)增長速度、人均GDP、城市生活污水處理率、工業(yè)污染治理項目投資額等。通過對神農(nóng)架林區(qū)的土地生態(tài)安全進行評價和研究，可為神農(nóng)架林區(qū)的平衡持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：TOPSIS方法；土地生態(tài)安全評價；壓力層；層次分析法；熵權(quán)法；神農(nóng)架林區(qū)；生態(tài)文明建設(shè)

中圖分類號： X821 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0285-04

收稿日期：2016-08-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41561107）；江西省自然科學(xué)基金（編號：20151BAB203039）；江西省教育廳科技項目（編號：GJJ13263）；江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)研究基金自由申請項目。

作者簡介：汪雨琴（1995—），女，江西樂平人，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。E-mail：1768815643@qq.com。

通信作者：余 敦，博士，副教授，主要從事土地資源管理研究。E-mail：jxauyd@163.com。 土地生態(tài)安全評價研究是土地資源管理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一項重要研究課題，是生態(tài)安全的重要組成部分[1]。充分且集約節(jié)約的利用資源會帶來經(jīng)濟效益，而與此同時若造成對資源的過度利用以及對環(huán)境的過度破壞則會導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)展的不可持續(xù)性[2]。因此，在保證經(jīng)濟、資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展條件下尋求資源的最大化利用以及維持環(huán)境破壞度在其自我修復(fù)限制值內(nèi)具有十分重要的研究意義。通過土地生態(tài)安全評價，能夠相對科學(xué)全面地評價人類活動對土地生態(tài)安全的影響，從而更好地推動生態(tài)文明建設(shè)[3]。有許多學(xué)者以不同區(qū)域為例，運用不同的模型和方法對此進行評價與研究。葉達(dá)等運用正態(tài)云模型以寧夏孫家灘國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)為例對半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)進行評價[4]；畢安平等運用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（pressure-state-response，PSR） 模型對朱溪河流域的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行研究[5]；劉小波等基于改進的SPA方法對四川省樂山市進行研究[6]；榮慧芳等基于熵權(quán)物元模型以皖江城市帶研究區(qū)域展開了研究[7]；肖玲等基于生態(tài)壓力指數(shù)以江西省為對象進行研究[8]；羅文斌等運用物元分析法以浙江省杭州市為例進行了評價和分析[9]。在上述研究的基礎(chǔ)上，本試驗采用逼近理想點排序法（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）對湖北省神農(nóng)架林區(qū)進行土地生態(tài)安全評價研究。神農(nóng)架林區(qū)于1970年建制，屬湖北省管轄，境內(nèi)森林覆蓋率超過85%，是著名的旅游景區(qū)，面臨著經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的矛盾和壓力[10]。TOPSIS是多屬性決策的一種方法[11]，通過各年份與正理想解（各年份中最理想的目標(biāo)值）和負(fù)理想解（各年份中最不理想的目標(biāo)值）的距離來計算土地生態(tài)安全狀況值。本研究選取了單位面積化肥施用量、城鎮(zhèn)化水平、人口密度等17個指標(biāo)，通過PSR方法和指標(biāo)數(shù)據(jù)可獲取性構(gòu)建了指標(biāo)體系，對神農(nóng)架林區(qū)的土地生態(tài)安全進行評價，以期為神農(nóng)架林區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)提供有益參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

神農(nóng)架坐落在湖北省西部，轄5鎮(zhèn)3鄉(xiāng)，地跨31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E，總面積3 253 km2，其中林地占85%以上，近幾年森林覆蓋率甚至超過90%。2014年戶籍人口為79 248人，男女性別比為114.4 ∶100，城鎮(zhèn)化率為4735%，地區(qū)生產(chǎn)總值為20.24億元，其中第三產(chǎn)業(yè) 10.18 億元，占比達(dá)50.3%，旅游發(fā)展、生態(tài)保護、民生保障是當(dāng)?shù)孛媾R的3項重點工作。本研究所涉及的數(shù)據(jù)來源于2004—2012年的神農(nóng)架林區(qū)統(tǒng)計年鑒，指標(biāo)可分為原始指標(biāo)和計算指標(biāo)。原始指標(biāo)如森林覆蓋率等直接由查閱統(tǒng)計年鑒獲得，計算指標(biāo)如第三產(chǎn)業(yè)比重[12]等由統(tǒng)計年鑒中的指標(biāo)計算得出。

2 研究方法

2.1 PSR模型法

PSR模型法是目前比較主流的構(gòu)建評價指標(biāo)體系的方法之一，該指標(biāo)相對更偏向于人類活動和社會經(jīng)濟的影響[13]。最初由加拿大統(tǒng)計學(xué)家提出，后由OECD（經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）和UNEP（聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署）[14-15]用于研究環(huán)境問題。該模型的系統(tǒng)、靈活和可操作性使得其在生態(tài)環(huán)境評價研究中被普遍應(yīng)用[12]。

2.2 Yaahp軟件層次分析法

層次分析法由美國運籌學(xué)家Saaty所提出[16]，是一種偏主觀的賦權(quán)方法，其原理是：先把問題按照相互包含的關(guān)系建立幾個層次，然后逐層對同一層次的要素兩兩進行比較，一致性檢驗通過后，再計算確定各指標(biāo)在該層的權(quán)重，并結(jié)合上一層的權(quán)重確定最終權(quán)重[17]。Yaahp是一款輔助層次分析法的軟件，輸入數(shù)據(jù)后，軟件會自動檢驗一致性并且輸出計算結(jié)果。在節(jié)省時間和人力的同時[18]，保證計算的正確性。

2.3 熵權(quán)法

熵權(quán)法的基本原理是：通過一系列的計算來確定指標(biāo)變異性的大小，并以此來代表該指標(biāo)在所有指標(biāo)中的權(quán)重[19]。本研究運用熵權(quán)法的步驟為：（1）把指標(biāo)中的負(fù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正指標(biāo)，負(fù)指標(biāo)是指數(shù)值越大、生態(tài)安全狀況值越小的指標(biāo)，正指標(biāo)則相反。本研究絕對數(shù)x采用倒數(shù)法（100/x），相對數(shù)x使用差值法（1-x）。endprint

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。用i指代指標(biāo)、j指代年份，xij表示第j個年份的第i個指標(biāo)的值。由于負(fù)指標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為正指標(biāo)，因此標(biāo)準(zhǔn)化處理后，有

2.4 TOPSIS分析方法

TOPSIS是一種經(jīng)典的多屬性決策方法，首先被Hwang和Yoon用來研究多屬性決策問題，現(xiàn)已在各種領(lǐng)域被廣泛運用。本研究的操作步驟為：（1）歸一化處理。設(shè)某一決策問題的決策矩陣為A，其元素為fij，則

3 土地生態(tài)評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

本研究使用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面通過專家咨詢法構(gòu)建出8個二級指標(biāo)、17個三級指標(biāo)。該體系有3個層次（表1），其中在壓力層下分為人口壓力、社會經(jīng)濟壓力和環(huán)境壓力3個二級指標(biāo)，下面又分有人口密度、城鎮(zhèn)化率等6個三級指標(biāo)；狀態(tài)層下分為環(huán)境狀態(tài)、資源狀態(tài)、經(jīng)濟狀態(tài)3個二級指標(biāo)，下面又分有森林覆蓋率、人均耕地面積等5個三級指標(biāo)；響應(yīng)層下分為經(jīng)濟響應(yīng)和環(huán)境治理響應(yīng)2個二級指標(biāo)，下面又分有農(nóng)民人均純收入、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等6個三級指標(biāo)。

3.2 確定權(quán)重

本研究結(jié)合定量的熵權(quán)法和偏定性的層次分析法來確定權(quán)重，具體操作方法為：首先計算出2種方法下各自的權(quán)重值，然后求其平均值，以此作為最終的權(quán)重（表1）。 表1 神農(nóng)架林區(qū)土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

目標(biāo)層準(zhǔn)則層A準(zhǔn)則層B指標(biāo)層C權(quán)重屬性土地生態(tài)安全土地生態(tài)壓力人口壓力人口密度（人/km2）0.064 -人口自然增長率（‰）0.031 - 社會經(jīng)濟壓力城鎮(zhèn)化率（%）0.035 - 經(jīng)濟密度（萬元/km2）0.057 + 環(huán)境壓力單位面積化肥施用量（kg/hm2）0.104 - 有效灌溉面積占耕地面積（%）0.077 + 土地生態(tài)狀態(tài)環(huán)境狀態(tài)森林覆蓋率（%）0.084 + 資源狀態(tài)人均耕地面積（hm2/人）0.058 + 經(jīng)濟狀態(tài)人均GDP（元）0.048 + 第一產(chǎn)業(yè)增長速度（%）0.034 + 第三產(chǎn)業(yè)占比（%）0.037 + 土地生態(tài)響應(yīng)經(jīng)濟響應(yīng)第三產(chǎn)業(yè)增長速度（%）0.050 + 農(nóng)民人均純收入（元）0.054 + 環(huán)境治理響應(yīng)工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率（%）0.063 + 工業(yè)用水重復(fù)利用率（%）0.059 + 城市生活污水處理率（%）0.065 + 工業(yè)污染治理項目投資額（萬元）0.080 + 注：“+”“-”分別表示指標(biāo)與目標(biāo)呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)果與分析

4.1 神農(nóng)架林區(qū)生態(tài)安全評價分析

利用上述TOPSIS按步驟計算出神農(nóng)架林區(qū)的S1、S2、C值，根據(jù)計算得出的神農(nóng)架林區(qū)土地生態(tài)安全評價結(jié)果（圖1），可直觀看出，C值的總體趨勢是波動上升。2004—2006年C值一直是下降的，2007年小幅反彈，2008年落至2004—2012年的最低值，2008—2011年一直增長，但增長速度呈遞減趨勢，2012年增長強勁，增長速度、增長數(shù)量和土地生態(tài)安全狀態(tài)都居2004—2012年之最。S1在 2012年急劇減小，S2在2012年急劇增加，2012年C、S2等2個指標(biāo)的值均居2004—2012年之首。S2在2004—2011年間波動變化較S1更為明顯，它與C值的變化趨勢相同。這表明在2004—2011年間，相對于S1，S2對C值的貢獻率更大。在2004—2011年間，2008年的S2最小，為0.02，2008年最接近負(fù)理想解。

4.2 各子系統(tǒng)生態(tài)評價

神農(nóng)架林區(qū)各子系統(tǒng)生態(tài)安全狀況如圖2 所示。

4.2.1 壓力層 壓力層的C值大致為2004—2008年急劇下降至最低值，2008—2012年回升。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有2個：一是人口方面。人口增長率在2004—2008年間大致呈增長態(tài)勢，2008年到達(dá)頂峰，為0.45%；2009—2012年急劇降至不到 0.2%。二是環(huán)境方面。2008年單位面積化肥施用量達(dá)到頂峰339.45 kg/hm2。人口增長率在2004—2012年間

始終低于同年全國人口增長率；而單位面積化肥施用量（化肥施用強度）雖于2004—2007年保持在150 kg/hm2以下，但自2008年達(dá)到頂峰時期的339.45 kg/hm2以來，2008—2012年均高于255 kg/hm2，高于國家生態(tài)縣建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)安全值 200 kg/hm2。

4.2.2 狀態(tài)層 狀態(tài)層的C值趨勢大致呈“W”形。2007年達(dá)到頂峰，2006、2008年為谷底，2008—2012年是回升狀態(tài)。其中，2007年C值到達(dá)頂峰主要是因為該年的第一產(chǎn)業(yè)增長速度為17.9%，遠(yuǎn)高于其他年份，2008—2012年平穩(wěn)回升主要是因為人均GDP逐漸增長。說明當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的增長能帶動狀態(tài)層的C值好轉(zhuǎn)。

4.2.3 響應(yīng)層 響應(yīng)層的生態(tài)安全狀況為波動上升，以2012年的急劇增大最為顯著，這主要是因為2012年城市生活污水處理率和工業(yè)污染治理項目投資額增加幅度非常大。這體現(xiàn)出當(dāng)?shù)卣畬Νh(huán)境治理的重視，帶動響應(yīng)層的生態(tài)安全狀況逐漸好轉(zhuǎn)。而響應(yīng)層的指標(biāo)權(quán)重占比最高，貢獻率最高，兩者帶動神農(nóng)架林區(qū)的生態(tài)安全狀況值在2012年急劇增長。

5 結(jié)論與討論

本試驗以湖北省神農(nóng)架林區(qū)作為研究區(qū)域，構(gòu)建神農(nóng)架林區(qū)土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，然后運用TOPSIS方法對原始數(shù)據(jù)計算，并從總體層次和壓力狀態(tài)響應(yīng)3個二級層次對計算結(jié)果進行分析。結(jié)果表明，就各子系統(tǒng)而言，壓力層于2004—2008年急劇下降，2008—2012年回升；狀態(tài)層呈“W”形，2007年達(dá)到頂峰，2006、2008年為谷底；響應(yīng)層波動上升。在總體層次上，土地生態(tài)安全狀況于2004—2008年波動下降，2008—2014年逐漸回升，且趨勢明顯。國家和地方政府對環(huán)境治理的重視和投入明顯推動了土地生態(tài)安全狀況的逐步回升，而波動下降的制約點主要在于單位面積化肥施用量等指標(biāo)，這些指標(biāo)在今后推進生態(tài)文明建設(shè)中須要得到重視。endprint

本研究結(jié)果與當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況基本相符，且與利用TOPSIS研究其他區(qū)域?qū)W者的研究結(jié)論[23-25]相似，證明使用TOPSIS來研究土地生態(tài)安全評價是可行的。本研究指標(biāo)的選取和其數(shù)據(jù)主要來源于統(tǒng)計年鑒，部分指標(biāo)局限于其數(shù)據(jù)的不可獲取而無法參與到評價過程中，可能導(dǎo)致指標(biāo)體系的不健全。本試驗主要參考其他學(xué)者對其他區(qū)域的研究，而神農(nóng)架林區(qū)與其他區(qū)域略有不同，它屬于旅游區(qū)。本研究并沒有考慮這個特殊性，這也是今后的研究方向。

參考文獻：

[1]孫奇奇，宋 戈，齊美玲.基于主成分分析的哈爾濱市土地生態(tài)安全評價[J]. 水土保持研究，2012，19（1）：234-238.

[2]余 健，房 莉，倉定幫，等. 熵權(quán)模糊物元模型在土地生態(tài)安全評價中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（5）：260-266.

[3]張正華，吳發(fā)啟，王 健，等. 土地生態(tài)評價研究進展[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報，2005，20（4）：104-107，111.

[4]葉 達(dá)，吳克寧，劉霈珈. 半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)土地資源生態(tài)安全評價——以寧夏孫家灘國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)為例[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，36（3）：1099-1105.

[5]畢安平，朱鶴健. 基于PSR模型的水土流失區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)耦合研究——以朱溪河流域為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21（8）：1023-1030.

[6]劉小波，秦天彬，周寶同，等. 基于改進 SPA 的樂山市耕地生態(tài)安全評價[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，41（3）：147-154.

[7]榮慧芳，張樂勤，嚴(yán) 超. 基于熵權(quán)物元模型的皖江城市帶土地生態(tài)安全評價[J]. 水土保持研究，2015，22（3）：230-235.

[8]肖 玲，董林林，蘭葉霞，等. 基于生態(tài)壓力指數(shù)的江西省生態(tài)安全評價[J]. 地域研究與開發(fā)，2008，27（1）：117-120，125.

[9]羅文斌，吳次芳，汪友結(jié). 基于物元分析的城市土地生態(tài)水平評價：以浙江省杭州市為例[J]. 中國土地科學(xué)，2008，22（12）：31-38.

[10]李 巍，程紅光，高吉喜. 湖北神農(nóng)架林區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略生態(tài)規(guī)劃[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2002，22（4）：375-379.

[11]莊 偉，廖和平，潘 卓，等. 基于變權(quán)TOPSIS模型的三峽庫區(qū)土地生態(tài)安全評估——以巫山縣為例[J]. 西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，36（8）：106-112.

[12]余 敦，高 群，歐陽龍華. 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全警情研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2012（6）：678-683.

[13]謝花林，劉 曲，姚冠榮，等. 基于PSR模型的區(qū)域土地利用可持續(xù)性水平測度——以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)為例[J]. 資源科學(xué)，2015，37（3）：449-457.

[14]李春瑜. 大氣環(huán)境治理績效實證分析——基于PSR模型的主成分分析法[J]. 中央財經(jīng)大學(xué)學(xué)報，2016（3）：104-112.

[15]張 銳，鄭華偉，劉友兆. 基于PSR模型的耕地生態(tài)安全物元分析評價[J]. 生態(tài)學(xué)報，2013，33（16）：5090-5100.

[16]鄧 雪，李家銘，曾浩健，等. 層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2012，42（7）：93-100.

[17]申志東. 運用層次分析法構(gòu)建國有企業(yè)績效評價體系[J]. 審計研究，2013（2）：106-112.

[18]吳文廣，張繼紅，魏龑偉，等. 萊州灣泥螺生態(tài)安全風(fēng)險評估——基于AHP的YAAHP軟件實現(xiàn)[J]. 水產(chǎn)學(xué)報，2014，38（9）：1601-1610.

[19]趙 磊，劉洪彬，于國鋒，等. 基于熵權(quán)法土地資源可持續(xù)利用綜合評價研究——以遼寧省葫蘆島市為例[J]. 資源與產(chǎn)業(yè)，2012，14（4）：63-69.

[20]賈艷紅，趙 軍，南忠仁，等. 熵權(quán)法在草原生態(tài)安全評價研究中的應(yīng)用——以甘肅牧區(qū)為例[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（1）：17-21.

[21]洪惠坤，廖和平，魏朝富，等. 基于改進TOPSIS方法的三峽庫區(qū)生態(tài)敏感區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價[J]. 生態(tài)學(xué)報，2015，35（24）：8016-8027.

[22]李睿璞，關(guān)江華. 基于PSR模型的快速城市化地區(qū)土地利用系統(tǒng)健康性評價——以深圳市為例[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2016（3）：112-117.

[23]陳西蕊，張蓉珍. TOPSIS法在區(qū)域生態(tài)安全動態(tài)評價中的應(yīng)用——以陜西省為例[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，39（7）：177-184.

[24]徐 美，朱 翔，李靜芝. 基于DPSIR-TOPSIS模型的湖南省土地生態(tài)安全評價[J]. 冰川凍土，2012，34（5）：1265-1272.

[25]黃 海，譚晶今，陳 春，等. 基于TOPSIS方法的山東省土地生態(tài)安全動態(tài)評價[J]. 水土保持研究，2016，23（3）：220-224. 賈鳳安，甄麗莎，常 帆，等. 黃土高原新造耕地1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶（ACCD）活性菌株的篩選及其功能特性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（19）：289-294.endprint