基于CRITIC權(quán)灰靶模型的土地利用碳排放安全評價
——以陜西省為例

何巖巖， 南 靈

(西北農(nóng)林科技大學經(jīng)濟管理學院，陜西楊凌 712100)

全球氣候變暖引發(fā)各種環(huán)境問題，制約經(jīng)濟社會長足發(fā)展已經(jīng)成為不爭的事實，進行碳排放安全評價和預(yù)測不僅是應(yīng)對氣候變化、環(huán)境治理的需要，也是國家發(fā)展戰(zhàn)略的要求。土地利用碳排放對大氣二氧化碳含量增加的影響僅次于化石燃料燃燒，其安全問題關(guān)乎著區(qū)域、國家乃至世界范圍內(nèi)的和諧、穩(wěn)定以及可持續(xù)發(fā)展。目前，關(guān)于土地利用碳排放的研究主要集中于土地利用碳排放的測算[1]、時空特征分析[2]、碳效率分析[3]、影響因素分解[4]以及脫鉤效應(yīng)分析[5]等方面，碳排放安全評價是在研究碳排放的基礎(chǔ)上，基于生態(tài)安全評價理論拓展出來的新研究領(lǐng)域，目前處于起步階段，具體到土地利用碳排放安全評價及預(yù)測的研究則更為少見。根據(jù)相關(guān)研究[6-8]，土地利用碳排放安全可以理解為土地利用所產(chǎn)生的碳排放在人類自身生產(chǎn)、生活等各個方面的必要需求得以滿足的前提下，與區(qū)域人口、環(huán)境、社會、經(jīng)濟、資源系統(tǒng)保持協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。

對指標合理賦權(quán)在評價中具有舉足輕重的作用，指標權(quán)重確定(criteria importance through intercriteria correlation，簡稱CRITIC)賦權(quán)法既考慮指標內(nèi)部差異性，又兼顧指標間的沖突性，比熵值法等更科學合理[9-10]，但常規(guī)的CRITIC賦權(quán)法在計算權(quán)重時仍有帶量綱的標準差不能直接反映指標內(nèi)部的差異程度以及負相關(guān)系數(shù)不能合理反映指標獨立性權(quán)數(shù)的問題須要改進。評價方法的選擇和參照標準的制定是評價中的關(guān)鍵，灰靶模型在對復(fù)雜的、模糊的、信息不完全的灰色系統(tǒng)進行評價時，具有顯著的優(yōu)勢[11]，已被成功應(yīng)用于適宜性評價[12]、資源稀缺性評價[13]、可持續(xù)性評價[14]等領(lǐng)域，但在生態(tài)系統(tǒng)安全評價方面的應(yīng)用還很少且其等權(quán)不合理問題仍須要改進。

鑒于此，本研究采用融合資源、經(jīng)濟、環(huán)境、社會等系統(tǒng)的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(pressure-state-response，簡稱PSR)模型構(gòu)建土地利用碳排放安全評價指標體系，引入變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的絕對值對常規(guī)CRITIC賦權(quán)法進行改進，并將改進后的CRITIC權(quán)引入傳統(tǒng)灰靶模型，以解決等權(quán)不合理問題，建立基于CRITIC權(quán)的改進灰靶模型并以陜西省為例進行土地利用碳排放安全評價，旨在為相關(guān)部門開展土地利用碳減排，促進陜西省土地低碳綠色可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 指標體系與研究方法

1.1 評價指標體系

PSR模型強調(diào)社會經(jīng)濟運作與環(huán)境變化的互動關(guān)系，具有可測定性、可評價性、可預(yù)測性的特點[15]。為保證指標體系的科學性、完備性、適用性，首先將目標層分為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個準則層；其次，從研究土地利用碳排放影響因素的文獻[共48篇，其中10篇學位論文，20篇中文社會科學引文索引(Chinese social science citation index，簡稱CSSCI)期刊文獻，5篇中國科學引文數(shù)據(jù)庫(Chinese science citation database，簡稱CSCD)期刊，13篇核心期刊]中提取高頻影響因素，分別為經(jīng)濟發(fā)展(38次)、人口增長(38次)、土地利用變化(30次)、能源效率(28次)、能源結(jié)構(gòu)(25次)、森林覆蓋率(20次)等，并參考現(xiàn)有土地評價指標文獻(52篇關(guān)于土地生態(tài)安全評價的文獻、38篇關(guān)于土地利用系統(tǒng)健康評價的文獻、20篇關(guān)于土地可持續(xù)利用評價的文獻、14篇關(guān)于低碳發(fā)展評價的文獻等)，初步選擇44個相關(guān)指標構(gòu)建備選指標集；再次，選擇31位專家(6位教授，6位副教授，12位專業(yè)學者，7位行業(yè)從業(yè)者)發(fā)放問卷進行2輪指標篩選，確定27個具體指標構(gòu)成初步體系；最后，通過CRITIC賦權(quán)法初步賦權(quán)，將權(quán)重小于0.01的影響較小的指標篩去，確定24個指標構(gòu)成評價指標體系(表1)。其中，壓力是指土地利用碳排放安全受到威脅的原因；狀態(tài)是指在各方面壓力的影響下，土地利用系統(tǒng)所維持的樣貌以及土地利用碳排放狀態(tài)；響應(yīng)是指預(yù)防土地利用碳排放安全惡化、維護土地利用碳排放安全所采取的措施。

表1 土地利用碳排放安全評價指標體系及權(quán)重

注：“+”表示正項指標，數(shù)值越大越利于安全；“-”表示負向指標，數(shù)值越大越威脅安全。

1.2 研究方法

1.2.1 改進的CRITIC賦權(quán)法 基于指標相關(guān)性的CRITIC法，是由Diakoulaki提出的一種綜合獨立性權(quán)數(shù)和信息量權(quán)數(shù)的客觀賦權(quán)法[9]。獨立性權(quán)數(shù)和信息量權(quán)數(shù)分別采用相關(guān)系數(shù)和標準差表示，將二者結(jié)合構(gòu)成綜合權(quán)數(shù)，綜合權(quán)數(shù)越大，相對重要性越大[10]，其表達式為

(1)

式中：Ck為常規(guī)的綜合權(quán)數(shù)；Sk為第k個指標的標準差；rik表示第i個評價指標與第k個評價指標的相關(guān)系數(shù)。

但常規(guī)的CRITIC賦權(quán)法存在2個問題，(1)帶量綱的標準差不能直接反映指標內(nèi)部的差異程度；(2)出現(xiàn)負相關(guān)時，用相關(guān)系數(shù)反映指標獨立性權(quán)數(shù)不合理，因此采用變異系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的絕對值對上述公式進行改進，改進后的綜合權(quán)數(shù)表達式為

(2)

式中：Ck′表示改進后的綜合權(quán)數(shù)，Sk為標準差；uk為平均數(shù)；|rik|為第i個評價指標與第k個評價指標相關(guān)系數(shù)的絕對值。因此，第j個指標的CRITIC權(quán)重表示為

(3)

1.2.2 改進的灰靶模型 灰靶模型的核心是在沒有統(tǒng)一評價標準的情況下，通過對比將灰色系統(tǒng)內(nèi)部最重要的指標數(shù)據(jù)優(yōu)選出來構(gòu)造灰靶及其靶心，然后將評價對象分為一系列待評模式并通過與靶心的比較來計算靶心度，進而進行模式分級，具體步驟見參考文獻[11]。傳統(tǒng)灰靶模型靶心度的計算公式為

(4)

傳統(tǒng)的灰靶模型在計算靶心度時，靶心系數(shù)采用等權(quán)疊加得到，與實際情況不符，因此本研究將改進后的CRITIC權(quán)重引入靶心度計算公式中，增加客觀性的同時使模型更符合實際。改進后的靶心度計算公式為

(5)

式中：γ(x0，xi)表示待評模式Xi的靶心度；ωk表示待評模式Uk指標的權(quán)重；γ[x0(Uk)，xi(Uk)]表示待評模式xi的靶心系數(shù)；n表示指標個數(shù)。

2 數(shù)據(jù)來源與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測算

2.1 研究區(qū)域選擇

陜西省地處我國內(nèi)陸腹地，是通往西北、西南的門戶，具有明顯的地理區(qū)位優(yōu)勢。作為國家“一帶一路”戰(zhàn)略安排的重要區(qū)域和西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點區(qū)域，近年來，陜西省工業(yè)化、城市化水平得到了很大的提高。然而，在城市化進程中土地生態(tài)系統(tǒng)受到了人類活動的較大影響，土地利用強度不斷加強，土地利用碳排放壓力逐年增大，土地利用碳排放與區(qū)域人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展受到威脅。因此，進行區(qū)域土地利用碳排放安全評價并提出土地利用碳排放安全調(diào)控對策具有必要性和緊迫性。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)來源于2005—2014年陜西省土地利用變更詳查資料，國民經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2006—2015年《陜西統(tǒng)計年鑒》，森林覆蓋率來自于全國森林清查成果資料，環(huán)境保護投資、濕地面積等環(huán)境數(shù)據(jù)來源于2005—2014年《陜西省環(huán)境狀況公報》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》，文中部分數(shù)據(jù)通過原始數(shù)據(jù)計算得到。需要說明的是：(1)本研究中所用GDP數(shù)據(jù)以2005年為基期進行平減，能源消耗按等價值計算；(2)參考Costanza等的研究[16-17]，本研究中的生態(tài)用地包括耕地、園地、林地、草地、水域和濕地6種類型；(3)由于水域及未利用地面積在陜西省土地總面積中的占比均不超過1.5%，因此只計算耕地、園地、林地和草地的碳吸收，耕地碳吸收量為其上農(nóng)作物光合作用所固定的碳[2]，園地、林地、草地碳吸收采用碳吸收系數(shù)法測算[18]；(4)農(nóng)用地碳排放量包括農(nóng)地利用中農(nóng)用機械使用、化肥施用、灌溉活動、地膜使用等4個方面主要碳源產(chǎn)生的碳排放，建設(shè)用地碳排放量通過單位GDP能耗間接計算[2]。

3 評價過程

3.1 構(gòu)建標準模式

3.2 進行灰靶變換

令x0為灰靶變換，則x0=TX0=(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)，則對待評模式X1中的24個指標進行灰靶變換可得：

?

則x1={x1(U1)，x1(U2)，…，x1(U24)}=(0.920，1.000，1.000，1.000，1.000，1.000，0.690，0.537，0.584，0.909，1.000，0.911，0.958，1.000，1.000，0.854，0.957，0.855，0.848，0.378，0.778，0.503，0.559，0.746)，同理可得由(x1，x2，x3，…，x10)組成的矩陣。

3.3 確定灰關(guān)聯(lián)差異信息空間

令差異信息集Δ={Δ0i(Uk)|i∈I={1，2，3，…，10}，k∈K={1，2，3，…，24}}，則Δ0i(Uk)=|x0(Uk)-xi(Uk)|=|1-xi(Uk)|，其中 Δ0i(Uk) 為待評模式Xi與標準模式X0在Uk指標下的差異信息，因此，Δ01(Uk)={Δ01(U1)，Δ01(U2)，…，Δ01(U24)}=(0.080，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.310，0.462，0.416，0.091，0.000，0.089，0.042，0.000，0.000，0.146，0.043，0.145，0.152，0.622，0.222，0.497，0.441，0.254)，同理可求出由(Δ01，Δ02，Δ03，…，Δ010)組成的矩陣。最終可得Δ0i(max)=0.674，Δ0i(min)=0。

3.4 計算靶心系數(shù)

由此，可以得到靶心系數(shù)γ{x0(U1)，x1(U1)}=0.809，γ{x0(U2)，x1(U2)}=1.000，…，γ{x0(U24)，x1(U24)}=0.571，同理可得由靶心系數(shù)γ{x0(Uk)，xi(Uk)}組成的矩陣。

3.5 計算靶心度

將計算所得的靶心系數(shù)和指標權(quán)重(表1)代入公式(5)得到待評模式X1～X10的靶心度；同理，可按照上述方法求出壓力系統(tǒng)、狀態(tài)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)3個子系統(tǒng)的靶心度(表2)。

表2 陜西省土地利用碳排放安全評價結(jié)果

注：γ(A1)、γ(A2)、γ(A3)分別表示壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等3個準則層的靶心度；γ(A1～3)表示綜合靶心度。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)γ的取值范圍，按照自然斷點法將其劃分成5個等級。γ的值介于0.444～0.904之間，則其等級劃分結(jié)果為高安全(Ⅰ級，γ>0.812)、較安全(Ⅱ級，0.720<γ≤0.812)、一般安全(Ⅲ級，0.628<γ≤0.720)、較不安全(Ⅳ級，0.536<γ≤0.628)、不安全(Ⅴ級，γ≤0.536)。

4.1 土地利用碳排放安全總體評價

總體趨勢來看，2005—2014年陜西省土地利用碳排放安全經(jīng)歷了“下降—波動—上升”3個階段(圖1)，綜合靶心度最高為0.784(2014年)，最低為0.602(2011年)，安全等級橫跨較安全(Ⅱ級)至較不安全(Ⅳ級)。具體來說，2005—2007年陜西省土地利用碳排放安全綜合靶心度快速下降，從各指標具體數(shù)值和變化趨勢來看，由于碳排放增長率的大幅提高導(dǎo)致狀態(tài)系統(tǒng)的急劇惡化。2007—2012年，綜合靶心度在平穩(wěn)中上下波動，此時，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)相互博弈達到相對均衡。2012—2014年，綜合靶心度持續(xù)上升且上升幅度逐漸增大，土地利用碳排放安全系統(tǒng)面臨的壓力減小且維護安全所采取的措施略有成效，這一階段碳排放增長率降低、能源利用效率提高且國家對林業(yè)和環(huán)境保護投資比例逐年增大。

4.2 壓力系統(tǒng)安全評價

2005—2012年土地利用碳排放安全壓力系統(tǒng)靶心度曲折下降，之后呈上升趨勢(圖1)，安全程度整體上先降低后提高。壓力系統(tǒng)指標均為負(表1)，說明影響土地利用碳排放安全的驅(qū)動力因素在2012年之前逐漸增強，2012年之后有所減弱。2005—2012年期間，陜西省的城市化率和人均GDP逐年提高，城市化進程中的土地利用碳排放也隨之增加，使得建設(shè)用地碳排放安全威脅不斷增大；此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的不當使用也對土地利用碳排放安全構(gòu)成威脅。2012—2014年，科技的進步促進能源使用效率大幅度提高，單位GDP能耗、單位工業(yè)增加值能耗等隨之降低，壓力系統(tǒng)靶心度提高。在整個研究時段內(nèi)，單位面積地膜使用量、單位面積農(nóng)藥使用量呈逐年遞增趨勢，平均農(nóng)用地地膜使用量增長79.6 kg/hm2，說明須進一步引導(dǎo)農(nóng)民對農(nóng)資的科學合理使用；單位工業(yè)增加值能耗、單位GDP能耗在整個研究時段內(nèi)呈逐年減少趨勢，這是一個利好因素，今后更應(yīng)該加快科技進步，提高能源利用效率。

4.3 狀態(tài)系統(tǒng)安全評價

土地利用碳排放安全狀態(tài)系統(tǒng)靶心度經(jīng)歷了先快速下滑后趨于平穩(wěn)再快速上升的變化過程(圖1)，變化趨勢與綜合靶心度基本吻合，但變化幅度較之更大。2005—2007年碳排放增長率快速提高，導(dǎo)致狀態(tài)系統(tǒng)靶心度快速下降。2007—2012年狀態(tài)系統(tǒng)靶心度波動變化，先小幅上升再小幅下降，總體波動較為平穩(wěn)，但這一階段狀態(tài)系統(tǒng)始終處于較不安全、不安全等級，安全級別較低，碳排放強度、碳排放增長率的波動變化導(dǎo)致了狀態(tài)系統(tǒng)靶心度的波動變化。2012—2014年狀態(tài)系統(tǒng)靶心度快速上升，主要是由于碳排放增長率的快速下降?？傮w來說，狀態(tài)系統(tǒng)靶心度的變化與土地利用碳排放增長率、碳排放強度的變化密切相關(guān)，而土地利用碳排放增長率的變化又由建設(shè)用地碳排放和農(nóng)用地碳吸收的博弈引起，因此，降低建設(shè)用地碳排放的同時，提高農(nóng)用地的碳匯能力對保證土地利用碳排放安全顯得至關(guān)重要。

4.4 響應(yīng)系統(tǒng)安全評價

土地利用碳排放安全響應(yīng)系統(tǒng)靶心度在曲折中上升，從0.444提高到0.904，最高值0.904出現(xiàn)在2014年(圖1)，由于響應(yīng)系統(tǒng)的指標性質(zhì)全部為正(表1)，說明預(yù)防土地利用碳排放安全惡化、維護土地利用碳排放安全所采取的措施成效逐年顯現(xiàn)出來。狀態(tài)系統(tǒng)靶心度逐年提高的主要原因包括3個方面，(1)科技進步帶來的能源加工轉(zhuǎn)換效率、固體廢物綜合利用率的穩(wěn)步提升；(2)森林覆蓋率、建成區(qū)綠化覆蓋率的提高帶來植被固碳能力的提高；(3)國家對于林業(yè)投資、環(huán)境污染治理投資的增加，而狀態(tài)系統(tǒng)靶心度的波動主要由糧食單產(chǎn)和環(huán)境污染治理投資比例的波動引起。

5 結(jié)論

借鑒土地生態(tài)安全評價理論進行土地利用碳排放安全評價研究，從土地利用碳排放安全的內(nèi)涵出發(fā)，基于PSR模型設(shè)計指標體系，采用改進的CRITIC賦權(quán)法確定指標權(quán)重，并將CRITIC權(quán)賦予灰靶模型對其進行改進，客觀有效地反映了評價期內(nèi)陜西省土地利用碳排放安全的變化特征。

陜西省土地利用碳排放安全評價結(jié)果表明，2005—2014年，影響土地利用碳排放安全的驅(qū)動力因素在增強，但壓力子系統(tǒng)惡化的同時，響應(yīng)子系統(tǒng)發(fā)生明顯好轉(zhuǎn)，狀態(tài)子系統(tǒng)的變化趨勢與綜合變化趨勢基本相吻合，其靶心度經(jīng)歷“下降—波動—上升”3個階段，雖然2012年以后綜合靶心度呈上升趨勢，但土地利用碳排放安全仍處于低層次且不穩(wěn)定狀態(tài)，安全情況不容樂觀。

為促進陜西省土地利用碳排放與區(qū)域人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，相關(guān)部門可從人均GDP、單位面積農(nóng)藥使用量、單位工業(yè)增加值能耗、碳排放增長率、林業(yè)投資以及環(huán)境污染治理投資占GDP的比重等相對敏感的指標入手，采取針對性的措施。決策者應(yīng)該提高解決經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間矛盾的綜合決策能力；推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)，引導(dǎo)農(nóng)民科學合理地使用農(nóng)藥、農(nóng)膜，進行測土配方施肥并逐步以農(nóng)家肥替代化肥；提高能源利用效率，改進生產(chǎn)工藝，提高清潔能源使用率；通過財政轉(zhuǎn)移加大林業(yè)投資、環(huán)境保護資金投入，逐步建立生態(tài)補償機制；加大宣傳力度，提高公眾對土地利用碳排放安全保護重視程度以及參與和監(jiān)督的積極性。

土地利用碳排放安全評價是一項復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，在指標篩選、評價體系構(gòu)建等方面還須進一步研究完善，此外，研究的重點應(yīng)該向時間和空間相結(jié)合方向發(fā)展，并將評價與預(yù)測相結(jié)合。