工業(yè)城市土地生態(tài)安全評價及其障礙因子分析

余曉玲 宋慷慷 林珍銘

摘要：基于“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”模型構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，采用層次分析法和熵值法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法，通過綜合指數(shù)法和障礙度模型，對區(qū)域土地生態(tài)安全狀態(tài)及對應(yīng)的障礙因子進(jìn)行評價和分析。研究結(jié)果表明，（1）2004—2015年期間廣西柳州市土地生態(tài)安全水平有所提升，但土地生態(tài)安全綜合值整體偏低，土地生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題并未得到根本性改變。（2）從單項指標(biāo)來看，單位耕地農(nóng)藥施用量、單位耕地化肥施用量這2個指標(biāo)正在對柳州市土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長久而持續(xù)的影響;酸雨頻率是柳州市土地生態(tài)安全潛在的威脅;人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、農(nóng)村居民人均純收入、城市化水平、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、人均工業(yè)廢水排放量等因素也在威脅著土地生態(tài)安全。（3）由于柳州市曾長期以發(fā)展工業(yè)為優(yōu)先，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過程中對自然環(huán)境造成的破壞較為嚴(yán)重，土地生態(tài)系統(tǒng)相對較為脆弱，不容忽視。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài)安全;層次分析法;熵值法;障礙度;障礙因子;柳州市

中圖分類號： X24? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0271-05

黨的十九大報告中指出：“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境。”建設(shè)美麗中國既是建設(shè)中國特色社會主義的基本方略，也是人民群眾自身的要求。自20世紀(jì)90年代我國開始提出生態(tài)安全（ecological security）問題以來，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)便受到人們的高度重視，現(xiàn)在生態(tài)安全已成為國家安全和區(qū)域安全的重要組成部分[1]。生態(tài)安全有廣義和狹義之分，一般而言應(yīng)包含生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力以及對人類提供完整生態(tài)服務(wù)或人類生存安全的能力[2]。隨著人們對生態(tài)安全的重視，土地生態(tài)系統(tǒng)作為一切資源與環(huán)境的載體[3]，土地生態(tài)安全也隨之成為當(dāng)前研究的熱點。土地生態(tài)安全一般指地球陸地表層巖土部分內(nèi)，由各種有機(jī)物和無機(jī)物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不受破壞，同時該生態(tài)系統(tǒng)為人類提供服務(wù)的質(zhì)量和數(shù)量能夠持續(xù)滿足人類生存和發(fā)展的需要，重點在于土地生態(tài)系統(tǒng)自身的安全性及其為人類所提供生態(tài)服務(wù)的可持續(xù)性[4]。由于當(dāng)前人類對土地的利用強(qiáng)度不斷增加，人地矛盾日益突出，土地生態(tài)安全問題已逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5-6]。

當(dāng)前對土地生態(tài)安全的研究集中于土地生態(tài)安全評價[7]。土地生態(tài)安全評價是土地生態(tài)安全研究中的重要內(nèi)容，能夠?qū)⒊橄蟮纳鷳B(tài)系統(tǒng)安全情況直觀、量化地展示出來，為土地的管理和決策提供科學(xué)的依據(jù)[8]。目前，土地生態(tài)安全評價主要圍繞土地生態(tài)安全評價的基礎(chǔ)理論研究、評價指標(biāo)體系的構(gòu)建、合理的評價方法探索、科學(xué)的評判標(biāo)準(zhǔn)劃定以及合理的評價尺度等方面展開[9]。但是這些研究大多集中于國家級和省級的宏觀尺度，市、縣一級的研究較少。由于生態(tài)研究尺度具有不可推繹性的特點，在土地生態(tài)安全研究中，研究尺度的差異將影響結(jié)果的科學(xué)性[10]，如何科學(xué)合理地選擇研究尺度使研究結(jié)果更具代表性還有待進(jìn)一步研究[11]。

柳州市地處廣西壯族自治區(qū)中北部，屬于喀斯特巖溶地貌地區(qū)，是土地生態(tài)環(huán)境變化敏感區(qū)域。但是在過去，柳州市經(jīng)濟(jì)長期以工業(yè)為主導(dǎo)，曾引發(fā)嚴(yán)重的“酸雨”問題，對土地生態(tài)平衡破壞極為嚴(yán)重。無論是地理位置還是城市屬性，柳州市均具有一定的特殊性。但有關(guān)柳州市土地生態(tài)安全的相關(guān)研究[12-13]主要集中在土地可持續(xù)利用領(lǐng)域，有關(guān)土地生態(tài)安全評價的研究相對較少。鑒于此，筆者以柳州市作為研究對象，從土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，基于“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”模型構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，采用層次分析法和熵值法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法，對柳州市土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評價。并在對2004—2015年柳州市土地生態(tài)安全動態(tài)評價的基礎(chǔ)上，通過對障礙因子進(jìn)行診斷和分析，以期為提高柳州市土地生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)和合理建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

柳州市位于23°54′～26°03′N，108°32′～110°28′E。全市土地面積為1.86萬km2，市區(qū)面積為1 016.75 km2，市內(nèi)土壤大多數(shù)厚度適中，質(zhì)地較好，適合開墾耕作，但土壤中有機(jī)質(zhì)含量低，肥力較低。2015年末，全市戶籍總?cè)丝跒?81.62萬人，人口自然增長率為10.49‰，地區(qū)生產(chǎn)總值為2 298.62億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由2004年的13.5 ∶ 53.5 ∶ 33調(diào)整到2015年的7.2 ∶ 56.6 ∶ 36，工業(yè)始終占據(jù)主導(dǎo)地位，是廣西最大的工業(yè)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2005—2016年的《柳州統(tǒng)計年鑒》和《廣西統(tǒng)計年鑒》，以及2004—2015年的《柳州環(huán)境質(zhì)量通報》。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建 構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系是開展土地生態(tài)安全評價的第一步。由于土地生態(tài)系統(tǒng)是自然、經(jīng)濟(jì)、社會過程相互聯(lián)系和作用的統(tǒng)一體，討論土地生態(tài)安全問題，不能僅就土地生態(tài)而論，而應(yīng)著眼于土地利用系統(tǒng)，將土地生態(tài)安全狀況視為自然要素、經(jīng)濟(jì)要素、社會要素綜合作用的結(jié)果[14-15]?；诖?，依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、相對獨立性、可獲取性、可比性等指標(biāo)體系建立原則，結(jié)合柳州市實際情況，在自然、經(jīng)濟(jì)和社會3個層面上選取22個指標(biāo)，構(gòu)建柳州市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系（表1）。

1.3.2 評價指標(biāo)安全指數(shù)模型 土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)值的確定是土地生態(tài)安全評價的重要環(huán)節(jié)。從柳州市土地生態(tài)環(huán)境特點出發(fā)，通過參考已有的國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)、國際公認(rèn)值、國際平均值以及省際平均值等，綜合確定了柳州土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)值（表1）。在此基礎(chǔ)上，通過評價指標(biāo)安全指數(shù)模型，計算各參評評價指標(biāo)的安全指數(shù)（表2）。

1.3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定 指標(biāo)權(quán)重的確定主要通過主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法2種，主觀賦權(quán)法以層次分析法為代表，客觀賦權(quán)法則以主成分分析法和熵權(quán)法為主。本研究通過將層次分析法與熵權(quán)法結(jié)合，對柳州市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，確定指標(biāo)的綜合權(quán)重。

1.3.3.1 層次分析法 層次分析法采用專家咨詢評分的定性方法確定權(quán)重，然后對無量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，可以把對策的提出過程進(jìn)行模型化與數(shù)量化。層次分析法的主要過程包括以下幾個方面：（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型;（2）專家評分;（3）構(gòu)造判斷矩陣;（4）依次進(jìn)行層次單排序及其一致性檢驗、層次總排序及其一致性檢驗;（5）得到總排序權(quán)值。對于矩陣的計算主要借助MATLAB軟件進(jìn)行。

1.3.3.2 熵權(quán)法 信息熵（Information Entropy）是香農(nóng)（Shannon CE）在1948年提出來的概念，用來反映系統(tǒng)的無序程度，定量判斷系統(tǒng)的演化方向，能盡量消除各指標(biāo)權(quán)重計算的人為干擾，使評價結(jié)果更符合實際。步驟如下：

1.3.3.3 確定指標(biāo)的綜合權(quán)重 在通過層次分析法和熵權(quán)法獲得各指標(biāo)的權(quán)重后，取平均值確定指標(biāo)的綜合權(quán)重（表1）。

1.3.4 土地生態(tài)安全狀態(tài)評價計算

1.3.4.1 土地生態(tài)安全狀態(tài)評價 本研究利用綜合指數(shù)法來測度土地生態(tài)安全性，公式如下：

S=∑ni=1Wi×Pi。

式中：S為土地生態(tài)安全綜合值;n為指標(biāo)總數(shù);Wi為指標(biāo)i的權(quán)重;Pi為指標(biāo)i的安全指數(shù)。

1.3.4.2 土地生態(tài)安全狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn) 筆者在參考相關(guān)研究[3.7-9]的基礎(chǔ)上，結(jié)合柳州市實際情況，設(shè)置了柳州市土地生態(tài)安全水平綜合評判標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

1.3.5 土地生態(tài)安全障礙度 通過建立土地生態(tài)安全障礙度模型，找出各年度主要的障礙因子，從而分析土地生態(tài)安全發(fā)生變化的主要影響因素。為此，引入“指標(biāo)偏離度”的概念，以此為基礎(chǔ)計算各指標(biāo)對區(qū)域土地生態(tài)安全的障礙度。

從標(biāo)準(zhǔn)差的概念可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差是從平均意義上反映每個指標(biāo)與均值的偏差或者說離散程度。因此，在確定了土地生態(tài)安全指數(shù)后，通過下述公式計算指標(biāo)與土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)值的差距，即指標(biāo)偏離度：

Ni=1-Pi。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地生態(tài)安全狀態(tài)的動態(tài)變化

根據(jù)土地生態(tài)安全狀態(tài)評價模型計算得到2004—2015年柳州市土地生態(tài)安全綜合值（表4）。

2004—2015年間，土地生態(tài)安全值從0.451 7上升至 0.657 8，總體而言土地生態(tài)安全狀態(tài)是上升趨勢。但是也要看到，一方面土地生態(tài)安全綜合值整體偏低，即使在最好的年份2012年土地生態(tài)安全綜合值也僅僅是剛剛達(dá)到良好級，其他年份都是在風(fēng)險級或敏感級，另一方面土地生態(tài)安全綜合值的上升幅度很小，年均變化率只有3.5%，說明區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題雖然有所改變，卻并未得到根本性改變，土地生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力依然很大。從土地生態(tài)安全分級標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于敏感級的說明來看，長期處于這個級別的土地生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和功能必然受到很大影響，需要針對突出問題制定相應(yīng)的調(diào)控措施，才能對土地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效的保護(hù)和恢復(fù)，切實降低土地生態(tài)安全風(fēng)險。

雖然在2006年出現(xiàn)小幅度下滑，但是整體而言是平穩(wěn)上升趨勢，且在2012年達(dá)到了良好級。然而2013年土地生態(tài)安全綜合值急劇下滑，下降幅度達(dá)到20%，土地生態(tài)系統(tǒng)再次回到了敏感級，且得分還小于2011年。從自然-經(jīng)濟(jì)-社會3個子系統(tǒng)安全綜合值的變化情況來看，是自然因素子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)因素子系統(tǒng)安全綜合值均出現(xiàn)了大幅度下滑，從而造成了這種局面。其中自然因素子系統(tǒng)的下滑幅度達(dá)到了35%，經(jīng)濟(jì)因素子系統(tǒng)的下滑幅度也達(dá)到22%。由此可見，作為老牌工業(yè)城市，在工業(yè)發(fā)展的長期影響下，柳州市的自然環(huán)境相對較為脆弱，一旦有所疏忽就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。隨著生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)投入的增加，社會經(jīng)濟(jì)對生態(tài)環(huán)境的正向作用增強(qiáng)，當(dāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展出現(xiàn)下滑趨勢時，土地生態(tài)安全得不到保障，也隨之下降。

2.2 土地生態(tài)安全障礙因子分析

根據(jù)障礙度模型計算得到柳州市2004—2015年土地生態(tài)安全各評價指標(biāo)的障礙度，從計算結(jié)果及柳州市的實際情況出發(fā)，以障礙度大于8%的標(biāo)準(zhǔn)將各年度的障礙因子按大小進(jìn)行排序（表5），各障礙因子出現(xiàn)的頻率見表6。

2.2.1 時間維度 從表5可以看出，從時間維度來看，柳州市土地生態(tài)安全水平的障礙因子并不是靜態(tài)的，各年份出現(xiàn)的障礙因子及其障礙度、排序等均處于動態(tài)變化中。

對柳州市土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的障礙因素從2010年開始明顯減少，因此以2010年為界按時間分為2個階段。

第1個階段是2004—2009年，這段時期障礙度最高的指標(biāo)是森林覆蓋率（C2），最高值達(dá)到了58.6%，其次是人均耕地面積（C1）和人均公共綠地面積（C6），其障礙度在不同年度排名第一。建成區(qū)綠化覆蓋率（C5）的出現(xiàn)頻率達(dá)到100%，酸雨頻率（C3）的出現(xiàn)頻率也達(dá)到了83.3%。也就是說，從整體而言在這個階段自然因素對土地生態(tài)系統(tǒng)造成的影響最大。但是這些障礙因子除酸雨頻率之外在2010年后就逐漸消失，也就是說，隨著環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)和環(huán)境保護(hù)制度的完善，柳州市整體生態(tài)環(huán)境都在好轉(zhuǎn)中，這些因素對土地生態(tài)環(huán)境的影響也就隨之而削弱。

第2個階段是2010—2015年，這段時期障礙度最高的指標(biāo)是全社會固定資產(chǎn)投資增長率（C12），達(dá)到了80.6%。從原始數(shù)據(jù)來看，2013年全社會固定資產(chǎn)投資是下降的，也就是負(fù)增長，因此出現(xiàn)了障礙度的峰值，但從出現(xiàn)次數(shù)和頻率來看，這個指標(biāo)并不能構(gòu)成主要障礙因素。主要障礙因素包括第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重（C8）和人口自然增長率（C16），這2個因子交替占據(jù)多個年份的障礙度第一，而單位耕地農(nóng)藥施用量（C13）、單位耕地化肥施用量（C14）、人口密度（C15）、人均工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量（C21）這幾個指標(biāo)的障礙度雖然沒有那么高，但是出現(xiàn)頻率均達(dá)到了100.0%，同樣也是這一階段的主要影響因素。由此可見，這一階段社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對柳州市土地生態(tài)安全的影響較大。

2.2.2 主要障礙因子 2004—2015年出現(xiàn)次數(shù)最多的障礙因子是單位耕地農(nóng)藥施用量（C13）、單位耕地化肥施用量（C14），出現(xiàn)頻率都達(dá)到了100%，也就是每年都會對柳州市的土地生態(tài)安全產(chǎn)生影響。化肥和農(nóng)藥的施用雖然在短期內(nèi)可以促進(jìn)糧食增產(chǎn)，但是從長期來看將對土壤和水環(huán)境造成持續(xù)的污染，對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的安全帶來威脅。盡管從數(shù)值來看，這2個指標(biāo)落到每個年份的障礙度均不算太高，但是積少成多，這2個障礙因子對柳州市土地生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視。

酸雨頻率（C3）指標(biāo)雖然無論在障礙度數(shù)值還是障礙因子出現(xiàn)的次數(shù)和頻率上均不占據(jù)優(yōu)勢，但是必須要看到其中的幾個問題：（1）2004—2008年，酸雨頻率的障礙度排序逐年上升;（2）酸雨頻率在2個階段均有出現(xiàn)，是自然因素子系統(tǒng)在第二階段出現(xiàn)的重要障礙因子;（3）2013年再次出現(xiàn)，結(jié)合2013年自然因素子系統(tǒng)出現(xiàn)綜合值嚴(yán)重下滑的情況，可以看出酸雨頻率指標(biāo)在其中產(chǎn)生了重要的影響。說明酸雨仍然是柳州土地生態(tài)環(huán)境的重要影響因素。

2.2.3 其他障礙因子 其他障礙因子如人均GDP（C9）、農(nóng)村居民人均純收入（C10）、城市化水平（C17）、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平（C18）、人均工業(yè)廢水排放量（C19）雖然障礙度排序靠后，但是在2004—2009年期間的出現(xiàn)頻率均達(dá)到了100%，也是需要注意的影響因素。這4個指標(biāo)對土地生態(tài)安全的影響主要體現(xiàn)在：（1）隨著城市化水平的加快，城市周邊土地迅速轉(zhuǎn)變成為城市建設(shè)用地，土地生態(tài)環(huán)境受到?jīng)_擊，土地生態(tài)安全也隨之受到影響;（2）經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)投入的增加，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平又對土地生態(tài)安全產(chǎn)生了正向作用;（3）工業(yè)城市發(fā)展經(jīng)濟(jì)帶來的負(fù)面影響如工業(yè)“三廢”排放量增加將對土地生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，從而影響土地生態(tài)安全水平。

3 結(jié)論與討論

鑒于土地生態(tài)安全的特性，本研究采用層次分析法和熵值法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)法，基于“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”模型構(gòu)建土地生態(tài)安全評價體系，通過綜合指數(shù)法和障礙度模型，較好地解釋了區(qū)域土地生態(tài)安全狀態(tài)及對應(yīng)的障礙因子。

2004—2015年期間柳州市土地生態(tài)安全水平有所提升，但土地生態(tài)安全綜合值整體偏低，土地生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題并未得到根本性改變。從時間維度來看，2004—2009年間，自然因素對柳州市土地生態(tài)安全水平造成的影響最大，至2010—2015年間則轉(zhuǎn)變?yōu)橐越?jīng)濟(jì)、社會發(fā)展為主要影響因素。從單項指標(biāo)來看，（1）單位耕地農(nóng)藥施用量、單位耕地化肥施用量這2個指標(biāo)正在對柳州市土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長久而持續(xù)的影響;（2）酸雨頻率是柳州市土地生態(tài)安全潛在的威脅;（3）人均GDP、農(nóng)村居民人均純收入、城市化水平、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、人均工業(yè)廢水排放量也是需要注意的指標(biāo)。整體而言，由于近年來環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)和環(huán)境保護(hù)制度的完善，柳州市整體生態(tài)環(huán)境都在好轉(zhuǎn)，自然因素對土地生態(tài)環(huán)境的影響相應(yīng)地隨之而削弱，但人類社會經(jīng)濟(jì)活動仍然是土地生態(tài)安全的主要影響因素。柳州市曾長期以發(fā)展工業(yè)為優(yōu)先，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)過程中對自然環(huán)境造成的破壞較為嚴(yán)重，土地生態(tài)系統(tǒng)相對較為脆弱，一旦有所疏忽就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。需要針對突出問題制定相應(yīng)的調(diào)控措施，才能對土地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效的保護(hù)和恢復(fù)，切實降低土地生態(tài)安全風(fēng)險。

土地生態(tài)安全評價具有相對性和針對性，不同的土地生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)存在的土地生態(tài)問題選取不同的評價指標(biāo)，如研究柳州市的土地生態(tài)系統(tǒng)必須關(guān)注酸雨頻率這一指標(biāo)。但也正因為土地生態(tài)安全涉及的因素較多，其動態(tài)特性和長期趨勢難以評估，評價體系和評價方法還需要在實踐中進(jìn)一步完善。

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