“絲綢之路經(jīng)濟帶”中國段土地利用系統(tǒng)安全性評價及阻力分析

姜長軍，李貽學(xué)，王一鳴

土地系統(tǒng)自身具有一定的恢復(fù)功能，但這個功能是有限度的，超過了這個限度將很難恢復(fù)（唐華俊等，2015）。在現(xiàn)代化社會經(jīng)濟建設(shè)中，由于粗獷的利用方式，用地需求量不斷增加，土地質(zhì)量也出現(xiàn)不同程度下降，高效合理地利用土地迫在眉睫，土地利用系統(tǒng)安全仍是當(dāng)今研究熱點（劉紀遠等，2014；孫丕苓等，2014）。目前對土地利用系統(tǒng)評價主要集中在區(qū)域土地自然資源與環(huán)境生態(tài)方面：張軍以等（2011）基于PSR框架模型，運用土地生態(tài)安全綜合模型，對該三峽庫區(qū)生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)安全綜合指數(shù)進行研究；劉曉娜等（2014）基于Landsat TM/ETM遙感數(shù)據(jù)，采用決策樹分類方法對西雙版納土地利用/土地覆被時空變化率進行研究；張利等（2015）基于GIS和CA-Markov模型，采用景觀安全格局理論，構(gòu)建了曹妃甸新區(qū)綜合生態(tài)安全格局，并對曹妃甸新區(qū)2021年的土地利用結(jié)構(gòu)和布局進行了預(yù)測和模擬；Rosa et al（1996）提出了模擬氣候、生物變化情景的農(nóng)用地土壤侵蝕和污染風(fēng)險的定性預(yù)測方法；Antonellini et al（2014）利用新型集成模型，研究氣候和土地利用變化對河流水資源的影響。其中對人類的社會經(jīng)濟建設(shè)活動對系統(tǒng)的安全的影響和相關(guān)因素對系統(tǒng)阻礙程度研究不足。由于土地系統(tǒng)是一個由土地、自然環(huán)境、技術(shù)、政策、人等因子組合而成的有機整體，系統(tǒng)內(nèi)各部分的變化都會對系統(tǒng)的安全性造成影響。因此，全面地研究土地利用系統(tǒng)安全性及系統(tǒng)因子對系統(tǒng)安全性的影響具有十分重要的意義。

在構(gòu)建評價體系方面，國內(nèi)外學(xué)者主要用“壓力（P）-狀態(tài)（S）-響應(yīng)（R）”模型（黃海等，2016）。本文以“絲綢之路經(jīng)濟帶”中國段九個地區(qū)為例，為了更加準(zhǔn)確協(xié)調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性、理順?biāo)x因子之間的關(guān)系，采用DPSIR模型從“驅(qū)動力（D）-壓力（P）-狀態(tài)（S）-影響（I）-響應(yīng)（R）”角度構(gòu)建土地利用生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，從本質(zhì)把握住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和決策過程，強調(diào)人與環(huán)境的關(guān)系，把資源、發(fā)展、環(huán)境與人類健康問題有效地整合起來。此外，在土地利用生態(tài)系統(tǒng)安全性評價的基礎(chǔ)上，利用障礙度診斷模型和最小方差法，對不同區(qū)域的障礙因子和阻力模式深入剖析，旨在有效提高土地利用生態(tài)系統(tǒng)的安全性，為研究區(qū)域的土地資源綜合利用提供政策啟示和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

“絲綢之路經(jīng)濟帶”中國段包括西北陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆五省區(qū)，西南重慶、四川、云南、廣西四省市區(qū)。2015年底，研究區(qū)域總?cè)丝诩s為3億人，地區(qū)生產(chǎn)總值達到11.57萬億元。該地區(qū)區(qū)域面積約占全國土地面積的45%，土地資源豐富，但土地總體利用水平較低，同時土地利用生態(tài)系統(tǒng)安全性有待提高。

本研究數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒（2007?—?2016）》、2007?—?2016 年各地區(qū)統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報以及國家統(tǒng)計局官網(wǎng)等。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建DPSIR土地利用系統(tǒng)評價體系

本文在總結(jié)相關(guān)學(xué)者研究成果（王宏等，2010；張繼權(quán)等，2011；陳廣等，2014；陸威等，2016）的基礎(chǔ)上，結(jié)合土地利用系統(tǒng)的驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)五個方面收集指標(biāo)，綜合考慮人類活動等指標(biāo)對土地利用系統(tǒng)的影響，構(gòu)建土地利用系統(tǒng)安全評價指標(biāo)體系，如表1。

表1 土地利用系統(tǒng)安全性評價體系Tab.1 Safety evaluation system of land use system

2.2 基于熵權(quán)的TOPSIS算法

TOPSIS法是多目標(biāo)決策分析中一種常用的有效方法，又稱為優(yōu)劣解距離法（Hwang and Yoon，1981）。本文將傳統(tǒng)的TOPSIS法進行優(yōu)化，主要是將熵值法與TOPSIS計算公式相結(jié)合，熵值法在科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛（袁久和和祁春節(jié)，2013；Zhang et al，2015）。采用熵值法確定權(quán)重客觀性更強，精度更高，可有效避免主觀性誤差，能夠更好地解釋所得到的結(jié)果（王媛等，2013）?；陟貦?quán)的TOPSIS算法具體步驟如下。

2.2.1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于數(shù)據(jù)量綱不同，在此需要對原始數(shù)據(jù)矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理。

公式中：rij表示第j年、第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值；Rij表示第j年、第i個指標(biāo)的原始值。其中，i = 1，2，3，…，m；j = 1，2，3，…，n；m、n 分別表示指標(biāo)數(shù)、年份數(shù)。

2.2.2 熵值法確定指標(biāo)權(quán)重

式中：

，如果fij= 0，則定義

。wi為指標(biāo)權(quán)重；Hi為信息熵。

根據(jù)wi，構(gòu)建土地利用系統(tǒng)安全性評價矩陣：

2.2.3 確定正負理想解及貼近程度

矩陣Y的指標(biāo)值Yij的最大值和最小值表示正理想解Y+和負理想解Y?，正理想解是各指標(biāo)的最優(yōu)解，即指標(biāo)最大值；負理想解是各指標(biāo)的最劣解，即指標(biāo)的最小值。

計算各指標(biāo)評價向量到正、負理想解的距離：

2.2.4 ?計算各分析指標(biāo)與理想解的貼近程度C（即???安全性指數(shù)）

安全指數(shù)C的取值范圍為[0，1]。C越大，表明該區(qū)域在該年的土地利用系統(tǒng)安全性越高。鑒于該區(qū)域土地利用系統(tǒng)安全等級劃分的重要性和準(zhǔn)確性，本文總結(jié)相關(guān)學(xué)者的研究成果（李巧云等，2015；王燕輝等，2017），采用傳統(tǒng)的等距方式劃分等級。根據(jù)土地利用系統(tǒng)貼近度的發(fā)展?fàn)顩r，劃分成五個安全程度狀態(tài)：危險狀態(tài)（0?—?0.2）、不安全狀態(tài)（0.2?—?0.4）、臨界狀態(tài)（0.4?—?0.6）、亞安全狀態(tài)（0.6?—?0.8）、安全狀態(tài)（0.8?—?1）。

2.3 ?障礙度計算及阻力模式劃分

2.3.1 障礙度診斷模型

為了更準(zhǔn)確分析指標(biāo)對該區(qū)域土地利用系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r的影響，本文運用障礙度診斷模型，分別計算出系統(tǒng)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層障礙度。其公式為：

式中：bij=1?rij，即指標(biāo)偏移度；aij、Aij分別表示第j年指標(biāo)層與準(zhǔn)則層障礙度。

2.3.2 最小方差法

本文在分析土地利用系統(tǒng)障礙度時，將LSE模型引入障礙評價。對土地利用子系統(tǒng)進行阻力模式劃分。公式如下：

式中：S2表示方差；、分別表示樣本數(shù)據(jù)、平均值；n為樣本數(shù)。具體測算方法見張耀光（1986），當(dāng)方差最小時，則表示與理論分布最接近（孫才志等，2014）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用生態(tài)系統(tǒng)安全綜合分析

根據(jù)TOPSIS算法計算出2006?—?2015年九個研究區(qū)的土地利用生態(tài)系統(tǒng)的安全性指數(shù)，如圖1。2006年九省市區(qū)安全性指數(shù)全部位于0.20?—?0.40，即該區(qū)域土地利用系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。其中寧夏土地利用安全性指數(shù)最高，達到0.37，而云南安全性指數(shù)最低，為0.21。2006年研究區(qū)域的土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)具體排序為：寧夏＞新疆＞廣西＞陜西＞四川＞青海＞重慶＞甘肅＞云南。

2007?—??2014 年，各地區(qū)土地利用安全性指數(shù)變化較大，但是均在0.40上下波動。2011年云南安全性指數(shù)達到0.56，為研究期間各地域土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)最大值。與研究初期相比，2011年云南省土地利用安全指數(shù)漲幅最大。2011年除陜西、新疆、寧夏安全指數(shù)出現(xiàn)下降外，其他地區(qū)均出現(xiàn)不同程度增長。

2015年研究區(qū)域的土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)具體排序為：重慶＞云南＞四川＞陜西＞新疆＞甘肅＞青海＞寧夏＞廣西。研究區(qū)域安全性指數(shù)主要分布在0.20?—?0.40，處于不安全狀態(tài)，而重慶、云南、四川地區(qū)處于臨界安全狀態(tài)。其中，土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)最大值為0.44，出現(xiàn)在重慶市。與研究初期相比，只有寧夏、新疆、廣西的土地利用安全指數(shù)出現(xiàn)下降，總體安全性呈上升趨勢，但是上升的程度較低。

總的來看，在研究期間九個地區(qū)土地利用系統(tǒng)安全性并未得到根本好轉(zhuǎn)，距離土地利用安全狀態(tài)等級仍有一定的差距。九個地區(qū)是國家的新經(jīng)濟戰(zhàn)略的重心，土地合理利用在經(jīng)濟建設(shè)中具有很高的潛力。在有關(guān)社會基礎(chǔ)建設(shè)、工業(yè)污染治理投資、減少農(nóng)業(yè)面源污染、提高耕地質(zhì)量，防止生態(tài)災(zāi)害、水土流失治理等方面有更大的提升空間。今后的一段時間，隨著“一帶一路”經(jīng)濟戰(zhàn)略的提出，加大土地安全的保護力度，促進人地關(guān)系協(xié)調(diào)，減少土地資源浪費、保護土地生態(tài)環(huán)境，應(yīng)成為促進該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重點措施。

圖1 土地利用系統(tǒng)安全性曲線Fig.1 Safety curve of land use system

3.2 指標(biāo)阻礙度分析

根據(jù)障礙度模型分別計算出九個研究區(qū)域28個指標(biāo)的障礙度，下文僅列出每個研究地區(qū)在研究期間的最大阻礙因子及阻礙度。根據(jù)表2可知各個區(qū)域的最大阻礙因子存在明顯差異。（1）研究期間陜西省單位農(nóng)作物播種面積地膜使用量較大，十年間內(nèi)增長56.7%；四川作為糧食生產(chǎn)大省，農(nóng)用化肥施用折純量達到249.83萬噸，地膜和化肥使用量的增加，破壞了當(dāng)?shù)赝恋厣鷳B(tài)環(huán)境，阻礙土地利用系統(tǒng)安全性的提高。（2）研究期初甘肅、重慶、云南的自然保護區(qū)面積較大，研究期末自然保護區(qū)面積都出現(xiàn)不同程度的減少，其中云南省的自然保護區(qū)面積由422.7萬公頃下降至287.3萬公頃。（3）近幾年青海和寧夏工業(yè)污染治理完成投資規(guī)模不斷增加，但是距離最佳投資規(guī)模仍有一定差距，同時在研究后期青海省全社會住宅投資增加較快，房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，這也在一定程度上影響該地區(qū)土地利用系統(tǒng)的安全性。（4）新疆地區(qū)的水土流失治理面積不斷增加，緩解了該因子對系統(tǒng)的阻礙作用，但是后期人工造林面積減少幅度較大。（5）研究期間廣西地區(qū)土地有效灌溉面積和城市污水日處理能力變化不大，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展和環(huán)境治理水平方面，仍有較大上升空間。

為了明確主要阻礙因子類型，結(jié)合各指標(biāo)的阻礙度，本文篩選出阻礙度大于2%的阻礙因子，同時繪制研究初期和末期包含28個具體指標(biāo)的區(qū)域頻數(shù)分布直方圖（圖2、圖3）。

表2 各地區(qū)主要障礙因子及障礙度 / %Tab.2 Main obstacle factors and obstacle degree / %

圖2 2006年土地利用系統(tǒng)安全性指標(biāo)阻礙頻率分布Fig.2 Obstacle frequency distribution of Land use system in 2006

（1）在2006年的眾多阻礙因子中，人均GDP（C1）、城市化水平（C4）、人均糧食產(chǎn)量（C12）、城市人均公園綠地面積（C15）、農(nóng)業(yè)機械化水平（C19）、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價格指數(shù)（C20）、林業(yè)投資（C22）、城市污水日處理能力（C26）出現(xiàn)頻數(shù)均為9，這意味這8種阻礙因子在所研究區(qū)均具有普遍阻礙作用。這說明社會經(jīng)濟和城市發(fā)展水平不高、相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)性的投資較少、科學(xué)技術(shù)的落后成為制約該地區(qū)的土地利用系統(tǒng)安全發(fā)展的主要因素。

（2）與2006年相比，在2015年農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價格指數(shù)（C20）頻數(shù)依然為9，仍然覆蓋全部研究區(qū)域，其他阻礙因子出現(xiàn)變化，阻礙研究區(qū)域的范圍減少。同時也有部分阻礙因子的阻礙范圍擴大至全部研究區(qū)域，頻數(shù)同樣達到9：地區(qū)GDP年增長率（C2）、全社會住宅投資規(guī)模（C5）、人口密度（C6）、單位農(nóng)作物播種面積地膜使用量（C7）、單位農(nóng)作物播種面積化肥使用量（C8）、城市建設(shè)用地面積（C16）、第三產(chǎn)業(yè)增加值指數(shù)（C21）、電力消耗量（C23）。這說明隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加，加劇了資源消耗和環(huán)境污染，障礙因子由經(jīng)濟發(fā)展、社會投資、技術(shù)等基礎(chǔ)方面轉(zhuǎn)向土地資源和環(huán)境生態(tài)方面。

圖3 2015年土地利用系統(tǒng)安全性指標(biāo)阻礙頻率分布Fig.3 obstacle frequency distribution of Land use system in 2015

（3）從準(zhǔn)則層來看，2006年阻力指標(biāo)主要集中在土地利用系統(tǒng)的驅(qū)動力（D）、狀態(tài)（S）、影響（I）、響應(yīng)（R）四個方面。而在2015年，阻礙因子由以上四個方面轉(zhuǎn)為集中在土地利用系統(tǒng)的壓力（P）方面。這也說明了隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，特別是“絲綢之路經(jīng)濟帶”提出以來，土地資源和環(huán)境壓力不斷加大，成為阻礙該地區(qū)發(fā)展的主要因素之一。

3.3 阻力類型劃分

利用最小方差法（LSE），結(jié)合DPSIR模型，計算出研究區(qū)域在研究初期和研究末期的驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)五個子系統(tǒng)阻礙度，劃分出不同的空間阻力類型。理論上，該地區(qū)土地利用系統(tǒng)阻力模式分為五種：單系統(tǒng)阻力模式、雙系統(tǒng)阻力模式、三系統(tǒng)阻力模式、四系統(tǒng)阻力模式和五系統(tǒng)阻力模式。但在計算過程中，研究地區(qū)只出現(xiàn)四系統(tǒng)阻力模式和五系統(tǒng)阻力模式（表3、表4）。

（1）四系統(tǒng)阻力模式。在2006年，陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、云南、廣西七個區(qū)域為D-S-I-R的阻力類型，即土地利用系統(tǒng)的驅(qū)動力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)四個子系統(tǒng)的綜合作用產(chǎn)生的阻力類型。研究初期上述地區(qū)與東部地區(qū)相比，社會和經(jīng)濟發(fā)展水平不高，受制于經(jīng)濟的發(fā)展，社會基礎(chǔ)建設(shè)不完善，人民消費水平較低，在土地利用方面投資不足，造成了土地利用系統(tǒng)的響應(yīng)子系統(tǒng)和狀態(tài)子系統(tǒng)阻力程度較高，同時由于在研究初期社會發(fā)展水平不高，人口和土地資源利用等因素還未對土地利用系統(tǒng)造成較大程度的影響。隨著經(jīng)濟水平的提高，陜西、甘肅、青海、云南四個地區(qū)在2015年轉(zhuǎn)化為D-P-S-I阻力類型。與2006年相比，土地利用系統(tǒng)的驅(qū)動力、狀態(tài)、影響依然是阻礙該地區(qū)發(fā)展的重要因素，但是土地利用系統(tǒng)的壓力子系統(tǒng)逐漸成為阻礙土地發(fā)展的最重要的因素。人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展越來越需要土地資源的配合，單位農(nóng)作物播種面積地膜使用量、化肥用量、農(nóng)藥用量不斷增加，生活和工業(yè)廢水排放也對土地生態(tài)造成了破壞，這就增大了土地利用系統(tǒng)的的壓力。在新的經(jīng)濟形勢下，陜西、甘肅、青海、云南四個區(qū)域應(yīng)制定更有針對性的政策，引進高技術(shù)企業(yè)，促進產(chǎn)業(yè)升級，同時鼓勵綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展，減少化肥、農(nóng)藥使用量，降低資源消耗和環(huán)境污染。

（2）五系統(tǒng)阻力模式。五系統(tǒng)阻力模式即D-P-S-I-R型。在研究初期處于D-P-S-I-R阻力類型的地區(qū)是重慶、四川。與其他研究區(qū)域相比，重慶、四川兩個地區(qū)最明顯的特點是土地利用壓力子系統(tǒng)阻礙度明顯較高，這是由于兩地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平較高，人口密度相對較大，對土地資源需求程度也隨之增加，化肥、農(nóng)藥的過度使用，造成了環(huán)境破壞，加劇了人地矛盾。與重慶、四川土地利用系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)阻力相比，研究初期壓力子系統(tǒng)不是阻礙土地利用系統(tǒng)安全發(fā)展的最主要的因素。在研究末期，寧夏、新疆、廣西三個地區(qū)由研究初期的D-S-I-R阻力類型轉(zhuǎn)化為D-P-S-I-R型，這是由于本地自然條件和經(jīng)濟條件的制約，水土流失的治理依然存在困難，地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展較為滯后，工業(yè)污染治理投資和林業(yè)投資水平與其他區(qū)域相比，存在明顯不足，還需要進一步提高環(huán)境治理水平，拓寬資金投資渠道，加大對土地環(huán)境生態(tài)方面的投入。隨著經(jīng)濟發(fā)展、資源消耗，五系統(tǒng)阻力模式的地區(qū)發(fā)展特點仍是阻力效率從其他子系統(tǒng)向壓力子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為主，狀態(tài)子系統(tǒng)、響應(yīng)子系統(tǒng)對土地利用系統(tǒng)安全性的阻礙力度會進一步減弱。

表3 2006年各子系統(tǒng)阻力效率及阻力類型Tab.3 Resistance eきciency and resistance type in each subsystem in 2006

表4 2015年各子系統(tǒng)阻力效率及阻力類型Tab.4 Resistance eきciency and resistance type in each subsystem in 2015

4 討論與結(jié)論

（1）本文采用基于TOPSIS算法的DPSIR模型，對“絲綢之路經(jīng)濟帶”中國段的九個區(qū)域的土地利用系統(tǒng)安全性進行研究，構(gòu)建了土地利用系統(tǒng)安全性評價指標(biāo)體系。結(jié)果表明在研究期間，研究區(qū)域土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)全部位于0.20—0.60，即處于不安全狀態(tài)和臨界狀態(tài)。研究結(jié)果反映了“絲綢之路經(jīng)濟帶”中國段的土地利用系統(tǒng)安全性較低，雖然在研究期間土地利用系統(tǒng)安全指數(shù)總體呈現(xiàn)增長趨勢，但是漲幅較低。因此，合理利用土地仍是該地區(qū)下一步建設(shè)的重點之一。

（2）在對研究區(qū)域土地利用系統(tǒng)安全性評價的基礎(chǔ)上，為進一步發(fā)現(xiàn)土地利用系統(tǒng)安全發(fā)展的不利因素，本文采用障礙度模型對28個指標(biāo)進行障礙度計算，同時對不同地區(qū)主要障礙度因子進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加，加劇了研究地區(qū)土地資源消耗和土地生態(tài)污染，障礙因子由研究期初的經(jīng)濟發(fā)展、社會投資、技術(shù)等基礎(chǔ)方面轉(zhuǎn)向研究末期的土地資源利用和環(huán)境保護等方面。另外，不同的障礙因子也對不同地區(qū)起到不同的阻礙作用，未來應(yīng)針對不同地區(qū)的不同障礙因子制定具有差別化的緩解土地資源環(huán)境壓力的政策。

（3）利用最小方差法（LSE）對土地利用系統(tǒng)進行系統(tǒng)類型阻力分析，將研究期初和期末的區(qū)域土地利用系統(tǒng)阻力主要分為兩種模式：四系統(tǒng)阻力模式、五系統(tǒng)阻力模式。各地區(qū)相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)本地的土地利用系統(tǒng)阻力發(fā)展模式，理清思路，制定更具針對性的措施，同時對土地資源利用和土地生態(tài)保護的重點和難點進行突破，不斷提高土地綜合利用水平。

（4）土地利用系統(tǒng)是一個具有動態(tài)性的綜合系統(tǒng)，因此土地利用系統(tǒng)的安全性研究也要具有持續(xù)性，同時針對土地利用系統(tǒng)各個組成因素的細化研究也是下一步研究的重點。

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