基于PSR-NES耦合模型的土地生態(tài)狀況綜合評估

蔡霄 楊洋 李鵬山 李植 茍葉培 李喆

摘要：文章基于PSR-NES模型構(gòu)建區(qū)域土地生態(tài)狀況評估指標體系，利用排序法和層次分析法原理確定指標權(quán)重，采用綜合指數(shù)法進行加權(quán)疊加得到土地生態(tài)綜合指數(shù)（LEI），并通過重分類對研究區(qū)的土地生態(tài)狀況進行等級劃分，進而通過障礙度判別主要影響因素。結(jié)果表明，2010年和2016年LEI分別介于0.22～0.68和0.26～0.68，LEI的平均值增加了0.01；土地生態(tài)狀況較好的I等區(qū)、II等區(qū)主要集中在研究區(qū)西北部山區(qū)和東南平原區(qū)，III等區(qū)、IV等區(qū)和V等區(qū)主要集中在大邑縣西部極高山區(qū)、丘陵區(qū)和城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)；較2010年I等區(qū)和II等區(qū)面積增加，III等區(qū)、IV等區(qū)和V等區(qū)面積減少。植被覆蓋狀況、水資源分布情況、地形因素、地質(zhì)災(zāi)害危害程度和氣象災(zāi)害等對研究區(qū)土地生態(tài)狀況影響較顯著；該地在災(zāi)后重建和震后恢復(fù)中的響應(yīng)比較積極，高標準農(nóng)田建設(shè)、永久基本農(nóng)田保護區(qū)劃定和生態(tài)紅線劃定工作的開展對改善區(qū)域土地生態(tài)狀況具有積極作用。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài);LEI;PSR-NES模型;影響因素;大邑縣

中圖分類號：F301.2

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-04-020 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

PSR-NES coupling model based land ecologicalstatus comprehensive assessment

CAI Xiao1，2， YANG Yang1， LI Pengshan2， LI Zhi2， GOU Yepei2，? LI Zhe2

（1.School of Geoscience and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China;

2.Chengdu Land Planning and Cadastral Affairs Center， Chengdu 610074， China）

Abstract： In this study， regional land ecological status evaluation index system is established based on PSR-NES Model， index weight is determined by following the principle of ranking method and analytic hierarchy process， weighted stacking is carried out with the comprehensive index method to obtain the land ecological comprehensive index （LEI）， the land ecological status in the research area is graded through reclassification， and then identify major influencing factors through obstacle degree. The results show that LEI in 2010 and 2016 are respectively within 0.22～0.68 and 0.26～0.68 with an increase of 0.01 in the average value; the areas of Grade I and Grade II with better land ecological status are mainly concentrated in the north-west mountains and the south-east plain in the research area while those of Grade III and Grade IV and Grade V in the western extremely high mountains， hilly area and town-construction area; the area of Grade I and Grade II has increased compared to that in 2010 while the area of Grade III and Grade IV and Grade V has reduced. And vegetation coverage status， water resources distribution， topographic factors， the hazard degree of geological disasters and meteorological disasters and so on have more obvious effects on the land ecological status in the research area; this region behaves actively in the activities of post-disaster reconstruction and post-earthquake rehabilitation， and high-standard farmland development， permanent designation of basic farmland preservation area and the development of ecological redline delimitation all play a positive role in improving the regional land ecological status.

Key words： land ecology; LEI; PSR-NSE model; influencing factors; Dayi County

土地是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生活、生產(chǎn)的載體，在人類生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要的作用。隨著社會和經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類一味盲目地追求利益的最大化，而忽視了土地生態(tài)狀況的變化，導(dǎo)致土地生態(tài)狀況嚴重惡化，人地矛盾日益突出［1］，土地生態(tài)問題已經(jīng)成為了我國社會發(fā)展重點關(guān)注的話題［2-4］。

近年來，國內(nèi)外學者就土地生態(tài)系統(tǒng)從生態(tài)承載力［5-6］、生態(tài)質(zhì)量［7-8］、生態(tài)安全［9-10］、生態(tài)退化［11］、生態(tài)適宜性［12-13］、生態(tài)敏感性［14］、生態(tài)脆弱性［15］等多方面開展了一系列的研究，取得了一定的成果。但由于各地區(qū)自然、社會、經(jīng)濟情況的不同，至今未能形成一套系統(tǒng)的土地生態(tài)評估研究體系，其核心問題在于對指標體系和評估方法的研究［16］。土地生態(tài)系統(tǒng)是典型的人地耦合系統(tǒng)，區(qū)域生態(tài)狀況受自然經(jīng)濟和社會因素的多重影響;同時，土地生態(tài)系統(tǒng)存在“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”的人地關(guān)系。故而本文綜合考慮了土地生態(tài)狀況與人類社會經(jīng)濟發(fā)展的相互作用關(guān)系，采用PSR與NES相結(jié)合的PSR-NES耦合模型［17］對研究區(qū)的土地生態(tài)狀況進行綜合評估和分析。

大邑縣處于成都平原向川西北高原過渡地帶，是典型的山地平原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，生態(tài)環(huán)境抗干擾能力弱，生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力差。特別是在經(jīng)歷“5.12 汶川”特大地震和“4.20”蘆山強烈地震及其引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害后，該區(qū)域良好的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞嚴重;加之人類活動的不良影響，嚴重影響了該區(qū)域的土地生態(tài)狀況，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。為此，科學評估大邑縣的土地生態(tài)狀況，分析影響該地土地生態(tài)狀況的主要障礙因素，對于改善區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境，促進區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

大邑縣位于成都平原向川西北高原過渡的前沿地帶，地處東經(jīng)102°54′32″～103°45′37″之間，北緯30°25′41″～30°48′28″之間?？偯娣e約1 327 km2，自西北向東南地形依次為山地、丘陵和平原，其中山地面積約占全縣面積的60％，平原約占全縣總面積的25％，丘陵僅為15％。該區(qū)域處于龍門山地震帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，活動斷裂構(gòu)造仍處于活動狀態(tài)，且受氣流上升的影響，降雨較豐沛，雨量集中且具多局地性暴雨的特點，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴重損害了大邑縣良好的生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文涉及的數(shù)據(jù)源范圍廣、類型多，主要由矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和文本構(gòu)成。包括：基礎(chǔ)地理要素數(shù)據(jù)集、遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害報告、氣象資料和統(tǒng)計資料等方面數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)說明見表1。

數(shù)據(jù)預(yù)處理流程為：首先，根據(jù)評估指標的需要對本文涉及的數(shù)據(jù)進行整理歸類;其次，建立研究區(qū)土地生態(tài)狀況評估數(shù)據(jù)庫，將空間數(shù)據(jù)以西安80坐標系存儲;然后，對相鄰年份的數(shù)據(jù)進行分兩個時段歸置，盡量能夠反映2010—2016年之間的變化;最后，根據(jù)評估指標的屬性和特征對數(shù)據(jù)進行初步處理，使其滿足評估的需要。

2 研究方法

本文基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response，PSR）概念模型結(jié)合自然-經(jīng)濟-社會（Natural-Economic-Society，NES）系統(tǒng)理論，以層次分析法、地統(tǒng)計分析法、綜合指數(shù)法和空間分析法等為主要方法，對研究區(qū)的土地生態(tài)狀況進行等級劃分，綜合比較研究區(qū)的土地生態(tài)狀況，分析土地生態(tài)狀況的空間分布特征及變化特征，剖析引起土地生態(tài)狀況變化的原因，判別影響該地生態(tài)狀況的主要障礙因素，為區(qū)域土地生態(tài)建設(shè)提供科學支撐。

2.1 指標體系構(gòu)建及權(quán)重確定

2.1.1 土地生態(tài)狀況評估指標的構(gòu)建 PSR模型體現(xiàn)了人類與環(huán)境的相互作用關(guān)系，壓力代表人類活動對環(huán)境的作用，狀態(tài)代表環(huán)境在人類影響下的變化情況，響應(yīng)指人類對環(huán)境變化做出反應(yīng)。NES的理念來源于土地生態(tài)系統(tǒng)本身就是自然-經(jīng)濟-社會耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，在土地生態(tài)狀況評估中應(yīng)當充分體現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與過程，特別要體現(xiàn)人類對環(huán)境的影響;因此，在對其進行研究時應(yīng)該綜合考慮自然、經(jīng)濟和社會對生態(tài)狀況造成的影響、現(xiàn)狀及響應(yīng)情況。本文基于PSR-NES耦合模型，構(gòu)建了多層次的區(qū)域土地生態(tài)狀況評估指標體系（見表2）。

2.1.2 確定指標權(quán)重 指標權(quán)重的確定方法有很多，本文采用應(yīng)用較為廣泛的層次分析法，以土地生態(tài)狀況為第一層（目標層）;壓力、狀態(tài)和響應(yīng)為第二層（準則層）;各單因子為第三層（指標層）。然后構(gòu)建判斷矩陣，求解矩陣的最大特征根和特征向量，檢驗矩陣的一致性，由此得出各因子的權(quán)重值（見表2）。

由于指標的復(fù)雜性和多樣性，指標之間無法直接進行比較，需要提前進行無量綱標準化處理使物理系統(tǒng)數(shù)值的絕對值變成某種相對值關(guān)系，用以加權(quán)疊加。本文采用的指標標準化表達式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 指標權(quán)重計算結(jié)果

根據(jù)層次分析法的基本原理得到研究區(qū)22項評估指標的權(quán)重，正指標表示指標值越大生態(tài)狀況越好;負指標表示指標值越小生態(tài)狀況越好，結(jié)果見表2。

3.2 生態(tài)等級劃分結(jié)果

根據(jù)指標權(quán)重確定結(jié)果，通過綜合指數(shù)法的計算，得到研究區(qū)的2010年的土地生態(tài)綜合指數(shù)為0.22～0.68，2016年的土地生態(tài)綜合指數(shù)為0.26～0.68;將其結(jié)果通過自然斷裂點法得到大邑縣土地生態(tài)等級劃分結(jié)果如圖2和圖3所示，各等級的面積及占比見表4。

圖2、圖3和表3顯示：研究區(qū)2016年土地生態(tài)狀況I等區(qū)、II等區(qū)主要集中在大邑縣西北部山區(qū)和東南部平原區(qū)，面積較2010年均呈上升趨勢，增加面積分別為2 875.41 hm2，3 970.62 hm2，占比變化分別為2.24％，3.08％，面積主要增加區(qū)域在東南部平原區(qū)域。土地生態(tài)狀況III等區(qū)、IV等區(qū)、V等區(qū)主要集中在研究區(qū)極高山、丘陵區(qū)以及城鎮(zhèn)建成區(qū)，面積較2010年均呈下降趨勢，減少面積分別為1 930.23 hm2，4 173.75 hm2，696.42 hm2，占比變化分別為1.52％，3.26％，0.54％。

3.3 障礙因素識別結(jié)果

偏離度既反映了各指標值的分布形態(tài)，也反映了高值和低值在空間上的聚散;障礙度一方面反映了各個指標對于總體結(jié)果的主控程度，另一方面反映了各因素對于區(qū)域土地生態(tài)狀況的障礙或制約程度。大邑縣土地生態(tài)狀況評估指標偏離度和障礙度量化結(jié)果見表4。

表4顯示：研究區(qū)2010年偏離度最大的是耕地細碎化程度，為78.51％;其次為河網(wǎng)密度、土地綜合整治成效，偏離度分別為70.56％，68.20％。2016年偏離度最大的是耕地細碎化程度，為78.57％;其次為河網(wǎng)密度、單位面積農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值，偏離度分別為70.56％，64.17％;2010—2016年偏離變化最大的是人均耕地面積，為12.99％。

研究區(qū)2010年障礙度最大的是植被指數(shù)，為15.58％;其次為地形位指數(shù)、氣象災(zāi)害風險等級，障礙度分別為9.12％，7.35％。2016年障礙度最大的是植被指數(shù)，為15.06％;其次為河網(wǎng)密度、地形位指數(shù)，障礙度分別為11.66％，9.21％;2010—2016年障礙度變化最大的是人均耕地面積，為0.85％。

3.4 土地生態(tài)狀況綜合分析

圖1和圖2顯示，大邑縣的土地生態(tài)狀況具有明顯的空間特征，總體上西部山區(qū)優(yōu)于東部平原區(qū)，東部平原區(qū)優(yōu)于中部低山丘陵區(qū)。黑水河中上游流域、江河上游流域和斜江河上游流域的生態(tài)狀況優(yōu)良，平原區(qū)東部和南部優(yōu)質(zhì)耕地集中連片區(qū)的生態(tài)狀況良好;生態(tài)狀況較差的區(qū)域主要集中分布在西北部極高山區(qū)、西部山區(qū)的城鎮(zhèn)和工礦周邊、中部山區(qū)的人口密集區(qū)和陡坡耕地集中區(qū)、東部平原城鎮(zhèn)周邊和交通沿線。

總體上，研究區(qū)2016年的土地生態(tài)指數(shù)較2010年略有增加，高值沒變化均為0.68，低值區(qū)域明顯增大，這說明該區(qū)域土地生態(tài)狀況總體上良好，近幾年的土地生態(tài)狀況有所提高，尤其是生態(tài)狀況較差的區(qū)域改善明顯。該結(jié)果通過表4也可以看出，土地生態(tài)狀況良好的I等區(qū)和II等區(qū)面積增加，范圍擴大;土地生態(tài)狀況處于中等水平的III等區(qū)面積稍有減少，基本趨于穩(wěn)定;土地生態(tài)狀況較差的IV等區(qū)變化較大，面積占比減少了3.26％，土地生態(tài)狀況最差的V等區(qū)范圍也略有減少;這進一步說明該區(qū)域的土地生態(tài)狀況總體上是有所改善的，這在實地調(diào)研中也得到了進一步的印證。

綜合指標權(quán)重大小、偏離度和障礙度可以看出，造成區(qū)域土地生態(tài)狀況較差的原因一方面來自自然因素，主要是極高山區(qū)的季節(jié)性冰雪覆蓋致使植被稀少，地震和暴雨等引起的地質(zhì)災(zāi)害和氣象災(zāi)害導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定;另一方面主要歸結(jié)于人類活動造成的干擾，尤其社會經(jīng)濟發(fā)展過程中生態(tài)用地、生產(chǎn)用地和生活用地之間的沖突明顯。西部山區(qū)的景區(qū)開發(fā)礦產(chǎn)資源開采，尤其是西嶺鎮(zhèn)和花水灣鎮(zhèn)旅游發(fā)展和西嶺鎮(zhèn)的尾礦污染，中部低山丘陵區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)和災(zāi)后搬遷造成的建設(shè)用地擴張和坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的水土流失，東部平原區(qū)的城市擴張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程設(shè)施布設(shè)等均是造成區(qū)域土地生態(tài)狀況不良的主要原因。而該地區(qū)在災(zāi)后重建和震后恢復(fù)中的響應(yīng)比較積極，加之區(qū)域生態(tài)本底較好，近3年地質(zhì)隱患點相對于地震當年都有明顯減少，因此生態(tài)狀況恢復(fù)較快。與此同時，東部平原區(qū)的高標準農(nóng)田建設(shè)、基本農(nóng)田保護區(qū)劃定和生態(tài)紅線劃定在保護優(yōu)質(zhì)耕地資源的同時也在一定程度上改善了區(qū)域土地生態(tài)狀況。

4 結(jié)論與建議

本文基于PSR-NES耦合模型，選擇了糧食單產(chǎn)、人均耕地、人均收入等一般性指標，對研究區(qū)的基本生態(tài)狀況進行評估，考慮到該地區(qū)受“5.12 汶川”和“4.20蘆山”地震的強烈影響，加之人類活動如礦山開采、景區(qū)開發(fā)、城市擴張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等的沖擊，給研究區(qū)的生態(tài)狀況帶來了巨大壓力，本文增加了地質(zhì)災(zāi)害、水土保持生態(tài)建設(shè)、生物多樣性保護等具有地域針對性的指標，對研究區(qū)土地生態(tài)狀況進行綜合評價，梳理研究區(qū)土地生態(tài)狀況的空間分布規(guī)律，剖析引起土地生態(tài)狀況變化的原因，得到主要結(jié)論如下：

1）大邑縣生態(tài)狀況較差的區(qū)域有所改善，總體狀況上良好，且具有明顯的空間特征，總體呈現(xiàn)西部山區(qū)優(yōu)于東部平原區(qū)，東部平原區(qū)優(yōu)于中部低山丘陵區(qū)趨勢。

2）根據(jù)貢獻度、偏離度和障礙度分析，影響研究區(qū)土地生態(tài)狀況的主要障礙因素為植被覆蓋情況、水系分布狀況和地形綜合影響，氣象災(zāi)害尤其是氣象地質(zhì)災(zāi)害和土壤污染也是影響該地土地生態(tài)狀況的主要障礙因素。

3）局部地區(qū)生態(tài)狀況有所改善的主要原因是由于災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)和重建以及流域治理和土地整治中的生態(tài)建設(shè);而造成區(qū)域土地生態(tài)狀況變差的主要原因來自自然生態(tài)壓力以及由頻繁的社會和經(jīng)濟活動引起。

目前，耕地資源安全仍然是該區(qū)域重要的生態(tài)問題，耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)缺乏“三位一體”的管護;地質(zhì)災(zāi)害隱患和防治依然是該區(qū)域土地生態(tài)安全面臨的重點問題，土壤污染修復(fù)和土地綜合整治是今后長期的工作內(nèi)容，并且點位修復(fù)和小范圍整治難以滿足土地生態(tài)狀況的改善。因此建議：

1）進一步深入開展區(qū)域尺度上的土地生態(tài)監(jiān)測指標體系研究，對土地生態(tài)狀況變化較大的區(qū)域進行重點監(jiān)測。

2）深入研究土地資源數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”的綜合管護體系，對耕地資源進行數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”的保護。

3）在區(qū)域尺度上推進大地景觀塑造的土地綜合整治工程，盡快完善土地生態(tài)整治的模式和技術(shù)規(guī)程。

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（編 輯 亢小玉）