熵權模糊物元模型在土地生態(tài)安全動態(tài)評價中的應用

解進飛 余健 房莉 等

摘要 土地生態(tài)安全的影響層面廣，受到國家高度重視，科學的生態(tài)安全評價方法對于評價結果的準確性和正確性尤為重要。應用熵權模糊物元分析法對皖江地區(qū)土地生態(tài)安全進行評價。結果發(fā)現：近年來皖江各市的土地生態(tài)安全等級逐漸上升，至2015年基本都處于向“理想安全”級別轉化的狀態(tài)，但還只是一種正在轉化的狀態(tài)，具有不穩(wěn)定性，生態(tài)安全問題絕不能因此而忽視。對皖江地區(qū)土地生態(tài)安全影響的限制性因子主要為單位面積耕地化肥負荷、單位面積耕地農藥負荷、土地自然受災受害面積以及工業(yè)廢氣處理率，而具體到各個市以及各個年份表現卻有一定的差別。但總體看，各市影響因子數量在減少。因此，通過熵權模糊物元模型可以客觀反映制約土地生態(tài)安全健康發(fā)展的障礙因子，能對生態(tài)安全進行相對準確的動態(tài)評價，但評價指標的選擇對區(qū)域生態(tài)安全評價結果具有一定的影響。

關鍵詞 土地生態(tài)安全;物元分析;模型;動態(tài)評價;限制性因子

中圖分類號 S-3文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0001-07

Abstract The impact level of land ecological security is extensive，which is highly valued by the state.The scientific evaluation methods of ecological safety are extremely important for the accuracy and correctness of the evaluation results.Entropy weight matter element analysis method was ??used ?to study land ?ecological ?security of Wanjiang area.The results showed that： the city's land ecological security level had gradually increased in recent years，basically in the transformation to “ideal security”to 2015.Such transformation was unstable.Thus the ecological security could never be ignored. The limiting factors affecting land ecological safety of Wanjiang area mainly included fertilizer load per unit arable land，pesticide load per unit arable land，natural disaster area and industrial waste gas treatment rate.There were ?some differences ?among ?those factors varies in different countries and years.But in general，the number of influencing factors in each city was decreasing.Therefore ，entropy weight fuzzy matterelement model can objectively reflect the obstacle factors restricting the healthy development of land ecological security，and can make relatively accurate dynamic assessment of ecological safety.However，the selection of evaluation indicators has a certain impact on regional ecological security evaluation.

Key words Land ecological security;Matter element analysis;Model;Dynamic evaluation;Restrictive factor

對于土地生態(tài)安全的研究可追溯到20世紀40年代生態(tài)安全方面的研究[1]。生態(tài)安全研究的基礎來源于美國生態(tài)學家在1941年提出的“土地健康”概念，并且將其應用到土地功能狀況的評價[2]?！吧鷳B(tài)安全”的概念是1977年在《建設一個持續(xù)發(fā)展的社會》中提出的[3]，1987在《我們共同的未來》中正式使用“環(huán)境安全”的概念[4]。1989年，國際應用系統(tǒng)分析研究所從保障人類安康狀態(tài)的角度對生態(tài)安全的涵義作進一步解釋，并提出要建立優(yōu)化的全球生態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)[5-6]。當前，區(qū)域生態(tài)安全已成為國內外可持續(xù)發(fā)展研究的熱點之一，國際上對生態(tài)安全的研究已經深入到從經濟安全、國家安全、軍事安全等宏觀領域到食品安全、基因工程、生物安全等微觀領域的各個層面[7-8]。

土地生態(tài)安全是生態(tài)安全問題的一個重要組成部分，健康穩(wěn)定的土地生態(tài)系統(tǒng)功能既能維系國家政治、經濟的穩(wěn)定和國民生存的安全問題，又能夠影響區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[9]。而隨著當今社會經濟的發(fā)展，人類活動范圍以及開發(fā)利用強度的加大，對自然資源的索取以及浪費程度的加深，導致人類生存的空間出現越來越多的生態(tài)問題，如大氣污染、水污染、礦區(qū)不合理開采以及沙漠化、土壤鹽漬化、濫砍亂伐等現象導致的土地生態(tài)安全等。研究表明，由土地生態(tài)安全問題造成的社會經濟損失約占 GDP 總數的6.1%～9.0%，最高可占當年 GDP 總數的11.0%[10]。因此，尋求解決土地面臨的生態(tài)安全問題和減緩以及遏制生態(tài)環(huán)境惡化的方法，合理有效利用資源，已經成為世界各地亟需解決的重大問題[11]。

對土地生態(tài)安全的等級進行評價，分析影響土地生態(tài)安全等級的因子，對土地生態(tài)安全等級的變化進行比較，可以有效探究影響土地生態(tài)安全的限制性因子，從而有針對性地對土地生態(tài)安全等級的提升提出具體的改良措施，指導土地資源的開發(fā)利用和保護。土地生態(tài)安全評價的研究對象，可分為2類，一類是以湖區(qū)[12]、農牧交錯區(qū)[13]、干旱區(qū)[14]等為主的典型生態(tài)區(qū)，另一類是指受人類活動影響較大的省域[15-16]、市域[17]、縣域[18]和鎮(zhèn)域[19]單個行政級別。也有學者對城市群[20-21]的土地生態(tài)安全進行研究，但這些研究大多只是單一年份的研究，缺乏對土地生態(tài)安全動態(tài)性的考慮?，F有的土地生態(tài)安全評價方法主要有P-S-R（壓力-狀態(tài)-響應）模型[22]、層次分析法、主成分分析法[23]、基于GIS技術[24]和物元模型[25]的評價方法等。學者們認為[21]，物元模型分析法既能反映評價對象的穩(wěn)定狀態(tài)，也可以揭示單個評價指標的分異，評價結果可以較為全面客觀地反映研究區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況。物元模型經過一系列的發(fā)展，已經形成了一套規(guī)范的理論體系，并得到廣泛的應用，如水環(huán)境質量評價[26]、底泥污染評價[27]、構建公路輻射式網絡[28]、導彈陣地指揮系統(tǒng)生存能力評估分析[29]等。余健等[25]利用熵權模糊物元模型對皖江九市進行土地生態(tài)安全評價得出物元模型既能得到綜合質量信息，也能反映評價對象的穩(wěn)定狀態(tài)，同時可以揭示評價對象單個評價指標的分異，在土地生態(tài)安全評價方面具有一定的應用價值。該研究在余健研究的基礎上，進一步采用熵權模糊物元模型對皖江各市土地生態(tài)安全的動態(tài)進行評價研究，探討該法在動態(tài)評價中的應用性，以期獲得更具可靠性的方法和更加準確的結論，為土地生態(tài)安全的科學管理提供指導。

1 物元分析模型的原理和方法

物元模型主要用于解決不相容的復雜問題，適合于多因子評價，是由中國學者蔡文教授于20世紀80年代初創(chuàng)立[30-31]。由于土地生態(tài)安全的概念也具有模糊性，其中，某一項指標評價結果往往具有不相容性[32]，因此根據模糊物元分析法可以構建土地生態(tài)安全評價物元模型，主要計算步驟可參考余健等[25]的方法。

1.1 構造模糊物元 物元分析中所描述的對象T及其特征向量C（評價指標）和特征量值v（評價指標現值）共同構成土地生態(tài)安全物元R=（T、C、v）。如果量值v具有模糊性，則稱其為模糊物元。對象T有n個特征向量C1，C2，…，Cn及其相應的量值 v1，v2， …，vn，則稱R為n維模糊物元。m個對象的n維物元在一起便構成m個對象的n維模糊物元Rmn。相應的物元矩陣表示為：

1.4 計算綜合關聯度確定評價等級

1.5 權重的確定

指標權重對生態(tài)安全評價至關重要，由于運用層次分析法（AHP）和特爾菲法（Delphi）確定指標權重時具有較大的主觀性，因此本文采用熵值計算各指標的權重[13]。其原理是：某項指標的值變異程度越大，信息熵越小，該指標提供的信息量越大，相應權重越大，反之，權重越小。根據各項指標的變異程度，可以客觀的計算出各項指標的權重，為多指標綜合評價提供依據。根據熵的定義，m 個評價事物n個評價指標的熵為：

2 土地生態(tài)安全評價指標體系的構建及評價經典域、節(jié)域的確定

2.1 土地生態(tài)安全評價指標體系的構建

基于皖江地區(qū)的自然條件、人類活動和經濟發(fā)展的特點，并根據土地生態(tài)安全的概念，以及各指標數據的可獲得性和物元分析法的可操作性，充分考慮區(qū)域土地生態(tài)安全各評價因子之間的復雜關系，并與國內相關研究成果[31-32]作比較，重點選取與生態(tài)安全密切相關的17 個屬性特征構建評價指標體系（表 1）。結合案例地各指標量值，根據上述熵權計算方法確定各指標權重，結果見表 1。

47卷4期 解進飛等 熵權模糊物元模型在土地生態(tài)安全動態(tài)評價中的應用

2.2 土地生態(tài)安全評價經典域及節(jié)域的確定

依據土地生態(tài)安全的可拓性，將各指標劃分為 5 個等級，分別為：理想安全、較安全、臨界安全、較不安全、極不安全，并且用一級、二級、三級、四級、五級表示。評價經典域的確定主要參照全國平均水平、國家環(huán)境保護總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標（試行）》標準值、國際通行標準取值及安徽省平均水平等，建立土地生態(tài)安全評價的經典域 Roij和節(jié)域 Rp（表2）。

3 皖江各市土地生態(tài)安全評價實證研究

3.1 數據來源 研究選取了皖江地區(qū)馬鞍山、蕪湖、合肥、滁州、安慶、池州、宣城、銅陵8個市（巢湖市于2011年劃入合肥市）進行土地生態(tài)安全評價。評價指標數據（表3）主要來源于安徽省統(tǒng)計年鑒和各市統(tǒng)計年鑒（因部分數據安徽省統(tǒng)計年鑒上沒有記錄，所以參考了各市的統(tǒng)計年鑒）。由于近年來國家退耕還林政策的實施，大于25°耕地已經全部退耕還林，所以C11指標量值全為0。

3.2 結果與分析

3.2.1 物元分析評價。

由表評價指標量值，根據式（4）、（5）計算土地生態(tài)安全評價指標關聯度。以2010年馬鞍山市 C1 指標（單位面積耕地化肥負荷）的計算結果為例介紹各參數的指示意義。將 V1=795.23輸入相應的計算公式后，得到對應的評價等級的關聯度分別為：K（C1）1=-0.428、 K（C1）2=-0.331、K（C1）3=-0.245、K（C1）4=0.325、K（C1）5=-0.135，可以判定2010年馬鞍山市該指標屬于ⅣV 級，即屬于“較不安全”水平。同理可得到其他指標的相關數值（表4）。

從表4可以看出，皖江各市處于“不安全”和“極不安全”級別的指標主要有C1、C2、C9、C13，分別為單位面積耕地化肥負荷、單位面積耕地農藥負荷、土地自然受災受害面積以及工業(yè)廢氣處理率，而具體到各個市以及各個年份來看卻有一定的差別。以馬鞍山市為例，在2010年對馬鞍山市的土地生態(tài)安全等級影響較大的指標主要有C2、C7、C16等，2013年變成了C1、C4、C5，而2015年各項指標對馬鞍山市的土地生態(tài)安全等級負相關的影響降低。其他各市在各年份的主要限制性指標如表5所示。

總體來看，皖江各市的限制性因子隨著年份的增長對土地生態(tài)安全的影響不斷下降，限制性指標的數量也在減少。但是有些限制性指標在皖江各市的各個年份都普遍存在，如C1（單位面積耕地化肥負荷）以及C2（單位面積耕地農藥負荷），這是由于皖江地區(qū)在農業(yè)生產過程中對農業(yè)化肥和農藥的使用不科學，浪費較多和環(huán)保意識較弱。劉雯波等[33]在基于物元模型對蘇南地區(qū)進行土地生態(tài)安全評價中得出，農藥的使用以及工業(yè)廢水廢氣的排放蘇南地區(qū)的土地生態(tài)安全帶來較大的威脅，因此要保持較高的土地經濟效益，優(yōu)化產業(yè)結構，提高第三產業(yè)的比重。在自然環(huán)境方面要注意農藥的合理使用，控制工業(yè)廢水廢氣的排放，都有助于提高土地生態(tài)安全等級。蘇南地區(qū)與該研究的皖江城市帶的地理位置大致相近，且該研究所采用的部分指標與該研究相似，因此該研究得出的結論對于皖江八市的土地生態(tài)安全的發(fā)展具有一定的理論指導意義。

皖江各市在不同年份的主要限制性指標也有著明顯的區(qū)別，如2006年對皖江各市影響最大的指標有C1（單位面積耕地化肥負荷）和C13（工業(yè)廢氣處理率）。2010年對皖江各市土地生態(tài)安全影響的限制性因子主要由C1和C13變成了C1、C7（森林覆蓋率）和C10（城鎮(zhèn)化率）。而到了2013年和2015年皖江各市的主要限制性因子除C1外又增加了C4（人均耕地面積）和C5（人均水資源量）。

3.2.2 關聯度等級分析。

由式（7）、（8）計算各生態(tài)安全評價指標的權重。將表2中的各項指標對應各等級的關聯度量值與其對應用的權重（表 1）輸入式（6）求出各城市土地生態(tài)安全綜合關聯度，并判定其土地生態(tài)安全等級。以2010年馬鞍山市為例，其 K1=-0.257、K2=-0.616、K3=-0.708、K4=-0.553、K5=-0.457，可以判定馬鞍山市土地生態(tài)安全級別為向一級轉化，即向“理想安全”級別轉化。同理，可以得出其他各市的土地生態(tài)安全等級（表6）。

從表6可知，皖江地區(qū)各市土地生態(tài)安全等級在2006—2015年間經歷了一定的波動。合肥市的土地生態(tài)安全等級較為穩(wěn)定，2006年和2010年土地生態(tài)安全等級分別為1級和向1級轉化，2013年土地生態(tài)安全等級為向2級轉化，到了2015年又向1級轉化，因此總體來看，合肥市的土地生態(tài)安全等級是逐漸向“理想安全”等級發(fā)展的。滁州市的土地生態(tài)安全等級在2006年和2010年都是向1級轉化，到了2013年向4級轉化，而到了2015年又趨于“理想安全”。馬鞍山市的土地生態(tài)安全等級經歷了較大幅度的波動，2006年土地生態(tài)安全等級為5級，2010年土地生態(tài)安全等級向1級轉化，2013年和2015年向4級轉化。蕪湖市土地生態(tài)安全等級在2006年向2級轉化，2010年向1級轉化，2013年又向1級轉化，2015年又趨于“理想安全”等級，總體上來說，蕪湖市的土地生態(tài)安全等級還是較穩(wěn)定的。宣城市土地生態(tài)安全等級在2006年為第1等級，在2010年、2013年，2015年的土地生態(tài)安全等級都是向1級轉化。安慶市和池州市的土地生態(tài)安全等級在2006年是向4級轉化，在2010、2013、2015年向1級轉化，因此這2個市的土地生態(tài)安全等級在逐漸趨于優(yōu)化。銅陵市的土地生態(tài)安全等級在2006年向2級轉化，2010年向4級轉化，2013年和2015年向1級“理想安全”等級轉化。

4 結論與討論

（1）運用熵權模糊物元分析法對皖江地區(qū)8個城市在2010、2013、2015年3個年份的土地生態(tài)安全進行評價，總體來看，皖江地區(qū)各市的土地生態(tài)等級都趨于向“理想安全”級別轉化。黃木易等[15]在基于云模型與熵權法的安徽省土地評價中指出：隨著2012年《安徽省生態(tài)強省建設實施綱要》正式發(fā)布實施，進一步促進了生態(tài)環(huán)境的改善。因此，皖江八市土地生態(tài)安全等級都向“理想安全”級別轉化正是在一定程度上體現了生態(tài)文明和生態(tài)強省的建設對土地生態(tài)安全的優(yōu)化效應。馬鞍山、池州、安慶的土地生態(tài)等級之所以由“較不安全”向“較不安全”級別轉化而轉向于“理想安全”級別轉化，是因為這幾個市逐漸加大了對土地資源利用的科學管理力度，單位面積耕地化肥和農藥的使用量得到一定的控制，而且自十八大召開以來，這幾個市的經濟發(fā)展水平得以迅速提高，且城鎮(zhèn)化水平發(fā)展較快，土地資源的利用更加合理和多樣化，政府也加大了對工農業(yè)用地開發(fā)整治的政策和資金力度。另外，由于退耕還林政策的進一步鞏固實施，生態(tài)效益、經濟效益和社會效益得到統(tǒng)一，也促進了土地生態(tài)安全等級的提高。

（2）熵權模糊物元分析法可以對土地生態(tài)安全等級進行評價，也可以對土地生態(tài)安全的限制性因子作出分析。該研究采用熵權模糊物元分析法分析發(fā)現皖江各市土地生態(tài)安全的限制性因子主要為C1、C2、C9、C13，分別為單位面積耕地化肥負荷、單位面積耕地農藥負荷、土地自然受災受害面積以及工業(yè)廢氣處理率，且隨著時間的推進，各市的主要限制性因子的數量也在不斷的減少。而具體到各個市以及各個年份來看卻有一定的差別。宋慧芳等[21]基于熵權物元模型對皖江城市帶土地生態(tài)安全進行分析指出，熵權物元模型既能反映評價對象的穩(wěn)定狀態(tài)，也可以揭示單個評價指標的分異，評價結果較為全面客觀地反映了研究區(qū)域的土地生態(tài)安全狀況。合肥市和滁州市土地生態(tài)安全等級在2006、2010、2013年主要受C1、C5、C7和C13的影響，但到了2015年限制性因素的影響逐漸降低，其原因在于加強對化肥農藥使用的科學管理與合理配置，合理分配利用水資源，加大退耕還林的力度以及對工礦企業(yè)的排放廢氣的監(jiān)督與管理，兩市在相當長的一段時間內土地生態(tài)安全等級將保持在一個較高水平。由于馬鞍山市和銅陵市都是以工礦企業(yè)立足發(fā)展的城市，因此它們的土地生態(tài)安全等級的限制性因子主要有C2、C4、C5、C13，為此有關部門要加強對工礦企業(yè)排放廢氣的監(jiān)督與管理，加大對廢棄礦區(qū)治理與恢復的力度。蕪湖市的土地生態(tài)安全等級在各個年份都處于較高水平，但一些限制性因素亦不可忽略，主要有C1和C5，對此應針對當地的農業(yè)發(fā)展現狀，合理利用水資源和農業(yè)化肥，減少不必要的損失與浪費。2006年安慶市和池州市的土地生態(tài)安全等級的限制性因子主要為C1、C2，到2010、2013年又增加了C10，而到了2015年，這些主要的限制性因子不僅在減少，而且其對土地生態(tài)安全的影響也不斷地向正面發(fā)展，兩市的土地生態(tài)安全等級全部向一級轉化，這是因為近年來當地政府加大了對環(huán)境的保護力度，采取了植樹造林、退耕還林等措施，并對農業(yè)生產進行科學指導，嚴格監(jiān)管工礦污染企業(yè)。李秀霞等[34]基于熵權法評價城市化進程中土地生態(tài)安全，指出只有改變經濟增長方式、優(yōu)化產業(yè)結構、建立土地生態(tài)安全預警機制等才是保護土地生態(tài)合理性對策。

（3）通過分析比較余健等[25]基于熵權模糊物元模型在土地生態(tài)安全評價中的應用及榮慧芳等[21]基于熵權物元模型的皖江城市帶土地生態(tài)安全評價的研究結果，可知皖江各市的土地生態(tài)安全等級在經歷了一定的波動后逐漸上升，這與近年來國家的政策以及國內外學者對土地生態(tài)安全的密切關注是分不開的。馬紅莉等[35]基于熵權物元模型對青海省進行土地生態(tài)安全評價得出，采用熵權法確定指標權重，基于物元理論建立物元模型進行土地生態(tài)安全評價，方法可行，結論可靠，具有應用價值。由于余健等[25]是基于2006年的數據、榮慧芳等[21]是基于2013年的數據，且在評價指標的選擇、經典域節(jié)域和權重的確定上存在一定的差異，因此研究結果也有一定的出入，但總體來看采用熵權法對土地生態(tài)安全評價是切實可行的，具有一定的應用和指導價值，熵權法對土地生態(tài)安全的研究存在的不足值得我們繼續(xù)深入的研究。比如，在指標體系方面，區(qū)域內的土地生態(tài)安全受到社會、經濟、環(huán)境、資源、人口等多方面因素影響，評價其安全狀況是一個相當復雜的問題。盡管有很多國內外學者對土地生態(tài)安全指標體系進行了相應的研究，但是到目前為止并未達成統(tǒng)一，另外評價指標量值范圍的確定還沒有得到解決。這就需要我們在接下來的研究中繼續(xù)深入的探索和發(fā)現，尋求解決這些問題的方法和措施。

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