基于PSR模型的廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全動態(tài)評價

謝 玲, 嚴土強, 高一薄

〔1.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資環(huán)學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點實驗室(廣西師范大學(xué))， 廣西 桂林 541004; 3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046〕

土地生態(tài)安全是指在一定的時空范圍內(nèi)，土地生態(tài)系統(tǒng)能保持其結(jié)構(gòu)與功能的健康、平衡、可持續(xù)狀態(tài)，并為社會經(jīng)濟與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定保障[1]。因此，土地生態(tài)安全是土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的核心和基石。人類對土地利用的方式和變化，直接影響著土地生態(tài)系統(tǒng)的健康[2]。尤其是在巖溶強烈發(fā)育的喀斯特地區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，石漠化便是其土地生態(tài)系統(tǒng)破壞的表現(xiàn)形式之一[3-4]。廣西壯族自治區(qū)位于中國西南喀斯特地區(qū)，屬于世界三大連片巖溶發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，是世界上面積分布最大、發(fā)育最為強烈的一片[5]。該區(qū)石漠化(輕度石漠化及其以上)土地面積多達2.73×104km2，占廣西區(qū)總國土面積的11.5%[6]。因石漠化地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性，所以石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全的研究對其土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡、土地資源的合理利用都具有重要意義。土地生態(tài)安全的評價是進行區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)研究的重要部分[7]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對土地生態(tài)安全研究極為關(guān)注和重視，關(guān)于土地生態(tài)系統(tǒng)安全研究主要集中于基礎(chǔ)理論探索[8]、評價指標體系選擇[9]、評價方法創(chuàng)新[10]等方面，研究方法主要有灰色關(guān)聯(lián)度法[11]，層次分析法[12]、熵權(quán)物元模型[13]、三角模型[14]、主成分分析法[15]、生態(tài)足跡法[16]、RBF模型[17]等，研究尺度涉及省域[18]、市域[19-20]、縣域[7]、鄉(xiāng)鎮(zhèn)域[21]、村域[22]，研究區(qū)域涉及干旱區(qū)綠洲[23]、三峽庫區(qū)[24]、沿海地區(qū)[25]、農(nóng)牧交錯帶[26]、寒地山區(qū)[27]、黃土高原[28]、城市群城市[11]等，但鮮少對石漠化地區(qū)的土地生態(tài)安全進行研究，尤其是對石漠化較為嚴重的生態(tài)敏感區(qū)土地生態(tài)安全研究甚少。然而，中觀尺度的土地生態(tài)安全演變研究，更能夠從整體上把握廣西石漠化地區(qū)的土地生態(tài)安全狀況，筑牢土地生態(tài)安全屏障，服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)。因此，本文選取廣西輕度石漠化以上的區(qū)域(包括輕度、中度、重度)作為研究區(qū)(以下簡稱石漠化地區(qū))，對其土地利用變化和土地生態(tài)風(fēng)險進行時空分析，以期為研究區(qū)的土地生態(tài)建設(shè)及管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)是喀斯特地貌發(fā)育的典型地區(qū)，是我國石漠化最為嚴重的省份之一。廣西喀斯特地貌主要分布在桂西、桂西北的左江、右江流域，桂中的紅水河、柳江流域及桂東北的漓江流域中下游，以河池、百色、崇左、桂林、南寧地區(qū)發(fā)育最為普遍，輕度及以上石漠化地區(qū)面積各市分別占8 277.34，5 574.46，2 791.55，2 742.79，2 410.2 km2。本文所選研究區(qū)域為廣西輕度及以上石漠化區(qū)域，共涉及10地市69個區(qū)縣，占地面積18.3 km2。研究區(qū)位于北緯23°22′—26°24′，東經(jīng)104°26′-112°04′，年均氣溫16～23 ℃，年平均降水1 500 mm，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)地表受紅水河、郁江、柳江及其支流的強烈切割，屬于黔桂溶洼、粵桂溶原侵蝕山區(qū)，喀斯特發(fā)育典型，石漠化程度較深，地表出現(xiàn)干旱缺水，巖石裸露，植被稀疏，伴隨水土流失、土地生產(chǎn)能力衰退或喪失。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要以《廣西統(tǒng)計年鑒》(2005，2015年)、《廣西政府統(tǒng)計公報》(2005，2015年)、《市縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2005，2015年)，全國地質(zhì)資料館國家地質(zhì)資料數(shù)據(jù)中心(http:∥www.ngac.org.cn)

2.2 指標體系構(gòu)建

參照世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)所提出的“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”(pressure-state-response， PSR)模型，結(jié)合廣西石漠化地區(qū)生態(tài)敏感性特點與土地生態(tài)狀況實際情況，遵循科學(xué)性、綜合性、動態(tài)性、指標數(shù)據(jù)可獲取性及可操作性原則，選取14個評價因子構(gòu)建廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價指標體系詳見表1。

表1 廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價指標體系

2.3 土地生態(tài)安全計算

2.3.1 指標閾值與標準化 綜合評價必須在統(tǒng)一的量綱和標準下進行，因此需要對各個指標實際值作標準化處理。根據(jù)指標因子的特點，評價指標分為正向型指標、逆向型指標兩種類型，標準化方法為：

(1)

(2)

式中：maxXij， minXij——第j項指標的最大值與最小值；Xij——第i年的第j個指標的原始實際值；Rij——指標標準化值。

2.3.2 熵權(quán)法確定權(quán)重 確定權(quán)重的方法主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，在對廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價指標賦權(quán)時，為盡量減小各指標權(quán)重計算，因人為因素干擾帶來的誤差，使其更符合實際，采用熵權(quán)賦權(quán)法并對其修正，以確定各指標權(quán)重。熵權(quán)法是一種根據(jù)各指標的信息量大小來確定權(quán)重的方法，在處理土地生態(tài)安全評價指標時，熵值法更準確更客觀[29]，本研究土地生態(tài)安全指標權(quán)重的計算步驟為：

計算第i個指標下第j個項目指標值的比重Fij:

(3)

由于在上式中，當(dāng)Rij=0時，原式無意義，因此，對Fij的計算加以修正，將其定義為：

(4)

第i個指標的熵值Ei為：

(5)

第i個指標的熵權(quán)ωi為：

(6)

2.3.3 土地生態(tài)安全評價基準值及安全指數(shù)

(1) 土地生態(tài)安全評價基準值的確定?；鶞手档膩碓粗饕獮槟壳皣H公認值和世界平均值[30]，考慮到我國土地生態(tài)環(huán)境的特點和研究區(qū)域的實際情況，部分指標的基準值采用了全國平均值和地區(qū)平均值(表2)。

表2 廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價基準值

(2) 土地生態(tài)安全指數(shù)。區(qū)域土地資源生態(tài)環(huán)境安全評價，要基于安全的視角進行，故使用“安全指數(shù)”來反映土地資源生態(tài)環(huán)境安全的程度和水平。同時，為了數(shù)據(jù)處理方便，需要把數(shù)據(jù)映射到0～1范圍之內(nèi)。本研究采用以下計算方法進行歸一化處理，并計算出安全指數(shù)值(表3)。

表3 單項指標的生態(tài)安全分類計算

注：Mi為指標i的實際值；Ni為指標i的基準值；Pi為指標i的安全指數(shù)，Pi∈(0，1)。

本研究采用綜合評價法，利用土地資源生態(tài)安全評價模型計算得到廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)(表4)

(7)

式中：Q——土地生態(tài)安全綜合指數(shù)；wi——第i項指標的權(quán)重；Pi——第i項土地生態(tài)安全指數(shù)。

表4 廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)

2.4 土地生態(tài)安全評級指標的劃分

運用ArcGIS 10.0中的自然斷點分類工具對廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)進行分類，再綜合空間信息點對應(yīng)的土地生態(tài)安全指數(shù)值，并對自然斷點分類結(jié)果進行適當(dāng)調(diào)整，得出廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價等級標準(表5)。

表5 土地生態(tài)安全評價預(yù)警分級

3 結(jié)果分析

本文由壓力—狀態(tài)—響應(yīng)體系，研究廣西石漠化地區(qū)2005，2015年土地生態(tài)安全，研究結(jié)果顯示，研究區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)介于0.768 4～0.902 5，且從2005—2015年廣西石漠化地區(qū)的土地生態(tài)安全指數(shù)變化存在差異，其安全等級變化如圖1所示，2005年其中貴港土地生態(tài)安全處于不安全狀態(tài)，至2015年研究區(qū)土地生態(tài)安全已無不安全等級，其中貴港、南寧、來賓三地土地生態(tài)安全處于較不安全狀態(tài)。但較為反常的是南寧市的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)從2005年的0.871 3下降至2015年的0.811 3，百色、河池兩地的土地生態(tài)安全有較大提升。研究期內(nèi)廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全整體呈上升的變化趨勢，由此可以說明研究區(qū)土地生態(tài)安全整體水平略有提升。由表1可知，影響廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全的主要因素包括：人口密度、人口自然增長率、單位GDP綜合耗能，其熵值權(quán)重均大于0.073，近年來隨著人口數(shù)量的增長，城市建成區(qū)面積的擴張，人類對土地開發(fā)建設(shè)強度和干擾程度的增大，必然會侵占其它生態(tài)服務(wù)功能較高的土地如林地、耕地、草地等地類，同時也帶來了諸多土地生態(tài)問題。

3.1 土地利用生態(tài)壓力指標評價分析

由表5和圖1可知，2005，2015年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全系統(tǒng)的壓力指數(shù)整體低于系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)指數(shù)，僅南寧2015年的土地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)大于2005年土地生態(tài)安全系統(tǒng)壓力指數(shù)外，廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)整體壓力綜合指數(shù)由2005年的0.241 0上升至2015年的0.248 8，表明研究區(qū)土地生態(tài)安全面臨的壓力略微增大，百色、崇左兩地土地生態(tài)壓力指數(shù)明顯增大，主要因兩地隨著人口密度由2005年的108人/km2，139人/km2增至121人/km2，150人/km2，人口自然增長率的增大也對土地生態(tài)承載壓力進一步加大，同時兩地經(jīng)濟發(fā)展的相關(guān)壓力指標經(jīng)濟密度增長迅速，表明隨著單位土地面積經(jīng)濟量的增長，使得土地經(jīng)濟壓力進一步增大。此外，研究區(qū)的人均GDP不斷上升，由2005年均值的7 199元增至2015年均值的27 971元，高于7 543元的全國平均水平，客觀上為廣西石漠化地區(qū)的土地生態(tài)環(huán)境的建設(shè)提供了更多的經(jīng)費，對土地生態(tài)系統(tǒng)安全水平的改善起到了積極的促進作用。相對來說桂林、柳州、賀州、梧州等地10 a間土地生態(tài)壓力變化不是非常明顯。

圖1 廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)

3.2 土地利用生態(tài)狀態(tài)指標評價分析

2005和2015年研究區(qū)的土地安全狀態(tài)指數(shù)幾乎保持不變，尤其是2015年研究區(qū)各地土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)差異極小，其中2005年和2015年梧州土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)均為最高分別達0.307 7和0.315 2，說明其土地生態(tài)環(huán)境狀況良好。貴港土地生態(tài)安全指數(shù)最低為分別為0.240 9和0.278 9，說明其土地生態(tài)環(huán)境狀況較差。研究期間，廣西石漠化地區(qū)的土地墾殖率由2005年的10.75%增至2015年的16.68%，反映出研究區(qū)土地資源利用程度和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是土地生態(tài)安全提升的標志。其次，評價期內(nèi)，城市化率由2005年的15.8%上升至2015年的30.56%，城市的不斷壯大城市建成區(qū)面積的擴展，使得城市土地生態(tài)環(huán)境面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)；耕地糧食單產(chǎn)由2005年的4.93 kg/人下降至2015年的3.89 kg/人，這是土地生態(tài)能力下降的標志之一；耕地人均糧食單產(chǎn)由2005年的312.41 kg/人下降至2015年的313.08 kg/人，這主要是因為人口增加所導(dǎo)致的，由此可以看出，2005—2015年糧食產(chǎn)量的變化對土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的影響較大，且土地利用生態(tài)狀態(tài)指數(shù)因指標層各指標變化對土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)影響各異，因此，2005，2015年土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)差異極小。同時區(qū)域間又存在顯著差異，賀州地區(qū)的土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)有明顯上升趨勢，南寧、崇左兩地的土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢，說明兩地土地生態(tài)狀態(tài)有變差的趨勢。

3.3 土地利用生態(tài)響應(yīng)指標評價分析

土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)反映人類在面臨土地生態(tài)壓力所采取的相應(yīng)措施。由圖2可知，2005和2015年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)指數(shù)普遍增大，南寧、來賓、貴港3地的土地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)指數(shù)有所降低，這主要與3市的土地生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力增大及土地生態(tài)狀態(tài)變差程度較大，且所采取的相應(yīng)措施遠遠不及土地生態(tài)系統(tǒng)的破壞速度所致。第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重由2005年的31.83%上升至2015年的36.5%，財政收入由2005年的24 304元增至2015年的90 391元，年均增幅達15%，農(nóng)民純收入由2005年的2 302元增至2015年的8 253元，由土地生態(tài)響應(yīng)指標的變化可見，經(jīng)濟的快速發(fā)展，有效的推動了研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的保護。10 a間研究區(qū)的土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)相對于壓力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)的變化最大，從2005年的0.288 1上升至2015年的0.306 3，這也是研究區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)上升的主要原因，其土地響應(yīng)指數(shù)變化地區(qū)間同樣存在差異性，且河池、百色兩地的土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)有較大提升，總體來說，廣西石漠化地區(qū)解決土地生態(tài)安全系統(tǒng)問題的能力在不斷提升。

圖2 2005,2015年廣西石漠化土地生態(tài)安全格局

3.4 各市/縣土地生態(tài)安全空間差異分析

對2005,2015年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全狀況進行評價，得到各指標的權(quán)重及參考相關(guān)研究確立土地生態(tài)安全評價基準值，得出研究區(qū)69個市/縣的土地生態(tài)安全指數(shù)，并依據(jù)得分和土地生態(tài)安全評價預(yù)警表(表4)，得出研究區(qū)土地生態(tài)安全格局圖(圖2)。由圖2可知，從2005—2015年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)略有上升，桂西南生態(tài)功能區(qū)、桂西生態(tài)屏障區(qū)的土地生態(tài)安全有所上升，上述兩區(qū)承載石漠化治理、生物多樣性保護及恢復(fù)林草植被為主的生態(tài)建設(shè)功能為主，因此，其土生態(tài)安全有所提升。桂北、桂中城鎮(zhèn)群隨城市化進程的加快，城市發(fā)展對土地生態(tài)環(huán)境的壓力過大，負面效應(yīng)凸顯，土地生態(tài)安全較差。2005年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全表現(xiàn)出中間較好，東西部較差；2015年河池、百色兩地的土地生態(tài)安全處于較安全級，貴港、南寧、桂林、來賓等地的土地生態(tài)安全處于較不安全級，十年間，廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全空間格局變化較大，變化最大的是西北的河池、百色及南部的南寧，分別由較不安全等級過渡至較安全等級和較安全等級過渡至較不安全等級，中北部及東部的土地生態(tài)安全等級變化具有差異性及多樣性。賀州的土地生態(tài)安全由不安全等級提升為臨界安全等級，貴港等地的土地生態(tài)安全也有所提升。從行政區(qū)劃上看，2005年，不安全等級主要分布在西林、靖西、貴港，臨界安全等級主要分布在百色、桂林、來賓的大部分市、縣。2015年無不安全等級，臨界安全等級主要分布在南寧、貴港的大部分市、縣。

4 結(jié) 論

2005,2015年，影響廣西石漠化地區(qū)土地資源生態(tài)安全的主要因素為人口密度、單位GDP綜合耗能、土地墾殖率、耕地糧食單產(chǎn)、城市化水平、人口自然增長率等。2005,2015年廣西石漠化土地生態(tài)安全系統(tǒng)的壓力指數(shù)整體低于系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)指數(shù)。壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)共同決定廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全評價的綜合指數(shù)。時間上分異，2005—2015年廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全經(jīng)歷了從臨界安全等級向較安全等級的變化趨勢。空間上的分異，2005年貴港的土地生態(tài)安全等級處于不安全級，2015年主要表現(xiàn)為南寧、貴港、來賓等地的土地生態(tài)安全等級處于較不安全級。

對廣西石漠化地區(qū)土地生態(tài)安全問題提出如下對策和建議。

(1) 控制人口數(shù)量的增長，提高人口素質(zhì)，通過嚴格實施國家人口控制政策，使人口、經(jīng)濟增長和土地資源及其生態(tài)環(huán)境的承載力相適應(yīng)。

(2) 增加資金投入，整治石漠化土地。利用生態(tài)自然力進行石漠化生態(tài)和植被恢復(fù)，使現(xiàn)有植被朝頂級群落演替，或利用生物治理技術(shù)，通過人工途徑回復(fù)和重建巖溶山地森林生態(tài)系統(tǒng)。

(3) 建立土地生態(tài)系統(tǒng)長效治理機制，鞏固土地治理成果，有效推進國土綜合治理項目的同時，做好科學(xué)土地生態(tài)環(huán)境長期治理規(guī)劃，構(gòu)建政府主導(dǎo)、企業(yè)主體，多方參與、全民行動的環(huán)境保護規(guī)劃格局，切實推進土地生態(tài)安全的建設(shè)，進一步改善土地生態(tài)狀況。

(4) 進一步加大環(huán)境保護的宣傳力度，借助廣播、網(wǎng)絡(luò)、電視等媒體手段對民眾進行土地生態(tài)普法教育，增強公眾環(huán)境保護意識，使公眾認識到環(huán)境保護對土地生態(tài)安全及自身生活的影響，全民參與到保護土地生態(tài)環(huán)境安全當(dāng)中來。

本文通過構(gòu)建PSR模型，進行評價，所得結(jié)論對研究區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和國土空間規(guī)劃都具有一定的理論意義與現(xiàn)實意義，運用熵權(quán)法計算了研究區(qū)2005，2015年的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)，為調(diào)控措施的制定提供了方向。但本文仍存在一些不足，指標體系仍有完善空間且通過不同數(shù)學(xué)方法對研究區(qū)土地生態(tài)安全評價結(jié)論略有不同，可能是沒有考慮到石漠化程度不同的地區(qū)，土地資源所面臨的生態(tài)風(fēng)險的差異，因此如何構(gòu)建區(qū)域特色針對不同石漠化程度的土地資源的生態(tài)安全評價指標體系仍需要進一步討論。