基于PSR模型的土地利用系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)*

周博，杜曉霞 ，馬林兵，何桂林

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.中山大學(xué)廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

土地作為一個(gè)自然經(jīng)濟(jì)綜合體，既為一種資源又為一種資產(chǎn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中起著越來越重要的作用。中國的城市化水平顯著提高，目前正處在城市化加速發(fā)展時(shí)期，城市化水平每年在以約1.27%的速度增長，但與此同時(shí)我國城市土地利用存在著諸多問題，土地利用結(jié)構(gòu)不合理、城市生態(tài)環(huán)境惡化，資源環(huán)境供給與城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾日趨嚴(yán)重[1]。我國人均耕地占有面積逐年遞減，根據(jù)2013年全國土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，全國耕地總量135萬km2，人均占有量不足0.1 hm2。沿海發(fā)達(dá)城市人口聚集，土地稀缺問題更為突出，部分地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致土地污染問題嚴(yán)重，土地利用系統(tǒng)健康堪憂。因此，開展土地利用系統(tǒng)健康研究，優(yōu)化土地利用系統(tǒng)健康的改善路徑，提高土地利用系統(tǒng)健康水平，對(duì)于加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，保障中國生態(tài)安全，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)40年代，Leopold[2]首先界定了“土地健康(Land health)”的內(nèi)涵，并通過研究土地健康監(jiān)測其生態(tài)學(xué)參數(shù)，以保證人類在利用土地的時(shí)候不會(huì)使它喪失功能。80年代，加拿大政府開展全國土壤質(zhì)量調(diào)查，進(jìn)行“土壤健康”項(xiàng)目研究[3]。國內(nèi)學(xué)者也曾對(duì)土地健康進(jìn)行探索，蔡為民等[4-7]在分析土地利用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出并探討了土地利用系統(tǒng)健康的概念、本質(zhì)與目的，并初步建立了土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)框架體系；張銳等[8]在界定土地利用系統(tǒng)健康內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型(Pressure-State-Response Model)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用熵值法和灰色預(yù)測模型，對(duì)中國土地利用系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與預(yù)測；鄭華偉等[9]從土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架出發(fā)，構(gòu)建了4個(gè)層次的土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并引用物元分析法及改進(jìn)的熵值法對(duì)四川省土地利用系統(tǒng)健康水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)。目前，我國大部分城市還存在著土地粗放、低效利用導(dǎo)致的土地利用系統(tǒng)健康情況欠佳的問題，且土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究尚處于起步階段，定性分析相對(duì)較多、定量研究較少。鑒于此，本文在界定土地利用系統(tǒng)健康內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以廣州市作為研究區(qū)，構(gòu)建基于PSR模型的土地利用系統(tǒng)健康定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引用系統(tǒng)科學(xué)理論對(duì)土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)進(jìn)行實(shí)證研究，揭示當(dāng)前廣州市土地利用系統(tǒng)健康現(xiàn)狀、潛在的問題及發(fā)展?jié)摿?，并?duì)廣州市土地利用系統(tǒng)健康現(xiàn)狀的改進(jìn)及未來的發(fā)展提出對(duì)策和建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為廣州市轄11區(qū)(荔灣、越秀、天河、白云、黃埔、番禺、花都、南沙、蘿崗、從化和增城區(qū))，總面積約7 434 km2。21世紀(jì)開始，廣州市經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，2001-2012年地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長率達(dá)15.3%，人口年均增長率達(dá)1.3%，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長均處于廣東省領(lǐng)先水平。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所涉及的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境狀況、土地利用現(xiàn)狀等相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于廣東統(tǒng)計(jì)年鑒(2002-2013年)[10]、廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒(2002-2013年)[11]、廣州統(tǒng)計(jì)年鑒(2002-2013年)[12]和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)公報(bào)、廣州市土地利用變更數(shù)據(jù)、廣州市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、《廣州城市總體發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(2001-2010年)》以及廣州市各區(qū)統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

2 研究方法

在土地利用評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法的框架和指標(biāo)體系日漸完善，目前常用的方法是PSR模型。本文以廣州市為研究區(qū)，構(gòu)建基于PSR模型的城市土地利用系統(tǒng)健康指標(biāo)體系，采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，同時(shí)從系統(tǒng)科學(xué)角度出發(fā)，引入綜合評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行分析，探究廣州市土地利用系統(tǒng)健康的具體水平。

2.1 基于PSR模型的指標(biāo)體系構(gòu)建

PSR模型以“因果聯(lián)系”為紐帶將壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)不同的系統(tǒng)進(jìn)行組合，從而對(duì)其巨系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13]。PSR概念模型的主要優(yōu)勢是評(píng)價(jià)環(huán)境系統(tǒng)的持續(xù)性、分析系統(tǒng)內(nèi)在的因果關(guān)系，監(jiān)測各個(gè)指標(biāo)之間連續(xù)反饋機(jī)制，尋找人類活動(dòng)與環(huán)境影響之間的因果鏈，體現(xiàn)了人類活動(dòng)(壓力)、社會(huì)政策調(diào)整(響應(yīng))和土地利用系統(tǒng)變化(狀態(tài))之間的相互制約、相互影響的全過程[14]。因此PSR模型能夠反映每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)土地利用系統(tǒng)健康狀況影響的因素和程度，根據(jù)診斷結(jié)果可進(jìn)一步進(jìn)行決策和管理。

從土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架出發(fā)，遵循指標(biāo)選取的科學(xué)性、系統(tǒng)性、可比性、規(guī)范性、綜合性和可獲取性等原則，借鑒相關(guān)學(xué)者已有的研究成果，構(gòu)建了包含4個(gè)層次的土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 城市土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 The evaluation index system of urban land-use system health

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是綜合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的過程，指標(biāo)權(quán)重的確定關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，為了避免個(gè)人主觀因素的影響過大，本文結(jié)合層次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)和文獻(xiàn)資料法來確定各指標(biāo)的權(quán)重值。AHP方法確立指標(biāo)權(quán)重的基本步驟如下：

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。應(yīng)用AHP法時(shí)，首先將所要進(jìn)行的決策問題置于一個(gè)大系統(tǒng)中，這個(gè)系統(tǒng)中存在互相影響的多種因素，然后根據(jù)因素的屬性和關(guān)系分為若干層次，從而將這些問題層次化，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型[15]。最后結(jié)合數(shù)學(xué)方法與定性分析方法，層層排序，最終計(jì)算得出各指標(biāo)所占的權(quán)重。

2)構(gòu)造判斷(成對(duì)比較)矩陣。在建立了層次結(jié)構(gòu)模型后，此處引入1-9標(biāo)度法兩兩比較各個(gè)層次或某一層次下各因素的相對(duì)重要性。以A表示目標(biāo)，Xi、Xj(i，j= 1，2，…，n)表示因素，Xij表示Xi對(duì)Xj的相對(duì)重要性數(shù)值，并由Xij組成A-X判斷矩陣P。

(1)

3)計(jì)算重要性排序。根據(jù)判斷矩陣，求出其最大特征根λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量W：

P·W=λmax·W

(2)

所求特征向量W經(jīng)歸一化，即為各評(píng)價(jià)因素的重要性排序，即權(quán)重分配。

4)一致性檢驗(yàn)。為檢驗(yàn)以上得到的權(quán)重分配是否合理，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

① 計(jì)算一致性CI(Consistency Index)，計(jì)算公式為：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

式中n為矩陣階數(shù)，且n>1。

② RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，1～9階的判斷矩陣的RI值依次為：0，0，0.52，0.89，1.12，1.24，1.36，1.41，1.45。

③計(jì)算一致性比例CR(Consistency Ratio)：

CR=CI·R

(4)

若有CR > 0.1，則表明上述判斷矩陣的一致性可以接受。同理可求得全部要素層各元素的權(quán)重，并分別對(duì)其判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

按照上述方法計(jì)算得到廣州市土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的權(quán)重(表2)。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 2 The weight of each evaluation index

為消除不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位與量綱差異，使得數(shù)據(jù)之間具有可比性，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.3 土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

土地利用系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的每個(gè)因素層及其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)都是從不同側(cè)面來反映土地利用系統(tǒng)健康的狀況，因此采用綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)將系統(tǒng)中的各個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值與其相應(yīng)的權(quán)重相乘后加和成綜合指數(shù)，可全面客觀地反映系統(tǒng)的整體狀況。土地利用系統(tǒng)健康綜合指數(shù)計(jì)算公式為：

(5)

式中，S表示土地利用系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，Wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，Xi表示第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

本文在借鑒國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)劃分的基礎(chǔ)上，將土地利用系統(tǒng)健康級(jí)別分為：病態(tài)、不健康、臨界狀態(tài)、亞健康以及健康5個(gè)等級(jí)，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)含義見表3。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述研究方法，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及利用相應(yīng)模型運(yùn)算后，得出2001-2012年廣州市土地利用系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)結(jié)果(表4)。

表3 土地利用系統(tǒng)健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其含義Table 3 The health classification standard and its meaning of land-use system

表4 2001-2012年廣州市土地利用系統(tǒng)診斷結(jié)果Table 4 The diagnostic results of land-use system in Guangzhou during 2001-2012

通過EXCEL的制圖功能，將各個(gè)年份的壓力P、狀態(tài)S、響應(yīng)R以及健康綜合指數(shù)以折線圖的形式表示，可以直觀地了解和分析各子系統(tǒng)對(duì)健康綜合指數(shù)的影響情況(圖1)。

圖1 土地利用系統(tǒng)健康結(jié)構(gòu)折線圖Fig.1 Line charts of land-use system structure

3.1 廣州市土地利用系統(tǒng)健康水平時(shí)間差異

根據(jù)土地利用系統(tǒng)健康診斷結(jié)果，2001-2012年廣州市土地利用系統(tǒng)健康綜合指數(shù)有一定幅度的波動(dòng)，但整體水平仍然偏低，其中2001-2009年健康綜合指數(shù)均低于0.6，健康級(jí)別屬于不健康或臨界狀態(tài)，城市土地利用系統(tǒng)整體狀況不容樂觀。2008-2012年廣州市土地利用系統(tǒng)健康水平總體上呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，健康綜合指數(shù)從2008年的0.38上升到2012年的0.70，健康級(jí)別由不健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喗】禒顟B(tài)，表現(xiàn)出較為明顯的時(shí)間差異特征。其中，2004-2009年可看作是健康級(jí)別的過渡時(shí)段，期間健康指數(shù)波動(dòng)范圍極小，維持在臨界狀態(tài)上下；2001-2003年土地利用系統(tǒng)健康指數(shù)較低，為不健康狀態(tài)，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源利用、環(huán)境保護(hù)沖突較為嚴(yán)重；2009-2012年健康綜合指數(shù)保持較為穩(wěn)定的上升狀態(tài)，處于亞健康狀態(tài)，土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整為更合理狀態(tài)。

3.2 廣州市土地利用系統(tǒng)健康水平的影響因素分析

2001-2005年期間，廣州市土地利用系統(tǒng)健康綜合水平較低的主要原因是土地利用狀態(tài)子系統(tǒng)得分較低，且響應(yīng)水平不高，即前期廣州市土地利用系統(tǒng)對(duì)壓力、沖突的抗干擾能力和自我恢復(fù)能力較弱。由于當(dāng)時(shí)的廣州處于2001-2010年城市總體規(guī)劃初期，土地整治工作成效并未顯現(xiàn)，土地利用空間布局、土地集約節(jié)約利用程度等不盡完善，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境沖擊較大，使得廣州市這一階段城市土地利用系統(tǒng)健康整體水平較低。在2005年后，廣州市政府對(duì)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策調(diào)整、加強(qiáng)對(duì)環(huán)境保護(hù)治理力度，使得土地利用系統(tǒng)狀態(tài)子系統(tǒng)的指數(shù)緩慢上升，響應(yīng)指數(shù)逐漸上升，使得即使在環(huán)境壓力較大的情況下，全市土地利用系統(tǒng)總體情況向著良好的方向發(fā)展。

土地利用系統(tǒng)壓力是影響廣州土地利用系統(tǒng)健康水平的另一個(gè)重要因素，其包括人口活動(dòng)、工業(yè)三廢排放和土地利用的壓力等。2001-2012年期間，隨著城市化的不斷推進(jìn)，廣州市人口空間聚集度急劇上升，人口總量迅速增長，另外國民生產(chǎn)總值以及社會(huì)固定投資增長速度較快，經(jīng)濟(jì)和人口的高速增長導(dǎo)致城市的快速擴(kuò)張，各種能源消耗增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力。研究時(shí)段內(nèi)，前期土地利用響應(yīng)子系統(tǒng)指數(shù)較低，后期呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，主要是由于政府對(duì)環(huán)境保護(hù)政策的調(diào)整，隨著政府環(huán)保教育投資的加強(qiáng)、工業(yè)三廢以及生活廢棄物治理率的提高，使得響應(yīng)子系統(tǒng)指數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，對(duì)城市土地利用系統(tǒng)健康水平的穩(wěn)步提高具有積極促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

本文通過梳理和歸納前人學(xué)者的評(píng)價(jià)體系模型以及相關(guān)理論和方法，運(yùn)用層次分析法和多因素綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合PSR模型對(duì)廣州市2001-2012年20余項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理，從宏觀層次和中觀層次對(duì)廣州市近年的土地利用系統(tǒng)狀況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明，廣州市土地利用健康水平總體呈現(xiàn)逐步提高的趨勢，各階段土地利用健康水平變化趨勢與城市實(shí)際發(fā)展情況大致相符。同時(shí)，在政策響應(yīng)水平、相關(guān)投資方面仍需加強(qiáng)，不斷提高土地利用集約程度、環(huán)境保護(hù)力度等，才能更有效地促進(jìn)廣州市土地利用系統(tǒng)的健康發(fā)展。PSR模型能準(zhǔn)確的反映土地利用系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和管理決策之間的相互依存、相互制約的關(guān)系，進(jìn)而有效剖析土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系。但由于研究水平、時(shí)間以及可獲取資料的限制，本文還存在一些不足之處：在構(gòu)建土地利用系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，個(gè)別指標(biāo)的數(shù)據(jù)無法獲取，雖然本文中已用其他可獲取指標(biāo)替換了不可獲取的指標(biāo)，但導(dǎo)致評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中以正向指標(biāo)為主，缺乏負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)體系覆蓋在一定程度上不夠全面。