城市土地生態(tài)安全評價及障礙因子研究
——以武漢市為例

■ 李德勝/王占岐/藍(lán) 希

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北武漢430074）

城市土地生態(tài)安全評價及障礙因子研究
——以武漢市為例

■ 李德勝/王占岐/藍(lán) 希

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北武漢430074）

構(gòu)建基于可持續(xù)發(fā)展三維度框架的城市土地生態(tài)安全綜合評價指標(biāo)體系，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)投影模型和障礙度模型，對2004、2009和2014年武漢市土地生態(tài)安全動態(tài)變化特征及主要障礙因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1)2004—2014年武漢市土地生態(tài)安全總水平緩慢提升，但安全層次不高，安全等級較低，土地生態(tài)安全系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)調(diào)性逐漸降低；(2)土地生態(tài)安全單項水平中，環(huán)境子系統(tǒng)始終處于緩慢提升階段，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)由快速提升跌入緩慢提升階段，社會子系統(tǒng)則從緩慢退化躍升至緩慢提升階段；(3)武漢市土地生態(tài)安全水平的障礙因子類別、障礙度及因子排序始終處于動態(tài)變化之中，障礙因子經(jīng)歷了從經(jīng)濟(jì)類因素向資源環(huán)境類因素的轉(zhuǎn)變過程。

土地生態(tài)安全；評價；障礙因子；灰色關(guān)聯(lián)投影模型；武漢

0 引言

我國正處于快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化時期，不斷加劇的人類活動，造成了耕地銳減、水質(zhì)污染、水土流失等諸多問題，給土地生態(tài)系統(tǒng)和城市發(fā)展帶來巨大壓力。開展土地生態(tài)安全的多角度研究，及時了解其演化狀態(tài)，有利于為土地利用提供科學(xué)決策依據(jù)，對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展亦有重要意義?，F(xiàn)有研究對土地生態(tài)安全的探討涉及土地生態(tài)安全評價、土地生態(tài)安全預(yù)警、土地生態(tài)安全格局等幾個方面，其中以土地生態(tài)安全評價的研究居多[1-4]。從評價方法來看，常用的有層次分析法、生態(tài)足跡、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析法等[5-8]，亦有研究嘗試物元模型、RBF模型、TOPSIS模型等數(shù)學(xué)模型方法[9-12]。

灰色關(guān)聯(lián)投影模型是從矢量投影的角度探討多目標(biāo)決策的一種新方法，其原理是根據(jù)評價樣本在理想樣本上的投影值大小，作為評價樣本優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并通過特定算法，使重要指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)得到加強(qiáng)，以此反映各評價樣本與理想樣本間的接近程度，在解決多目標(biāo)灰色決策問題方面具有優(yōu)勢[13[14-16]，但在土地生態(tài)安全方面尚未見紙端。土地生態(tài)安全屬于典型的多目標(biāo)決策問題，本文以武漢市為例，開展灰色關(guān)聯(lián)投影模型在土地生態(tài)安全評價中的實證研究，并對影響土地生態(tài)安全的障礙因子進(jìn)行合理診析，以期為區(qū)域土地利用決策和生態(tài)維護(hù)提供方法基礎(chǔ)和理論參考。

1 研究區(qū)域及評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)獲取

武漢市，又稱“江城”，位于江漢平原東部、長江中游，是湖北省省會和全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心?？缛?1世紀(jì)以來，尤其是自2004年國家“中部崛起”戰(zhàn)略實施以來，武漢市圍繞建設(shè)武漢城市圈核心城市的構(gòu)想，開始了快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程，國民經(jīng)濟(jì)保持平穩(wěn)快速增長勢頭，人民生活水平得到顯著提高。2014年，全市GDP總量達(dá)10069.48億元，城區(qū)常住人口達(dá)1033.8萬人。但伴隨著快速工業(yè)化和急速城鎮(zhèn)化，資源不足、空氣污染、能耗過高、城市生態(tài)功能退化等問題層出不窮且愈發(fā)嚴(yán)重，對城鎮(zhèn)化的健康發(fā)展和土地生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)行構(gòu)成威脅。

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取主要來源于《武漢統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》（2005、2010、2015年），部分環(huán)境狀況數(shù)據(jù)來源于《武漢市環(huán)境狀況公報》、《武漢市水資源公報》（2004、2009、2014年）。

1.2 土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

土地生態(tài)系統(tǒng)是一個包含環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等諸因素的復(fù)雜巨系統(tǒng)，城市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)的選取，務(wù)求在遵循全面性、層次性和數(shù)據(jù)可得性等原則的基礎(chǔ)上，借鑒已有的研究成果[1，17，18]，按照可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會三維度基本框架思路，重點(diǎn)選取可以充分反映研究區(qū)土地生態(tài)安全特征的20個指標(biāo)，構(gòu)建包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個層次的城市土地生態(tài)安全綜合評價指標(biāo)體系，詳見表1。

表1 武漢市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系及權(quán)重值

2 研究方法

2.1 土地生態(tài)安全評價的灰色關(guān)聯(lián)投影模型構(gòu)建

2.1.1評價樣本矩陣建立及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

樣本Ai對指標(biāo)Mj的屬性值記為Xij(i=1，2，...，n；j=1，2，...，m)，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為消除不同量綱造成的影響，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式（1）、式（2）中，Yij(i=0，1，2，...，n；j=1，2，...，m)為第i年第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，Xij和X0j分別為指標(biāo)的基礎(chǔ)值和理想值。理想值主要參考國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際通行標(biāo)準(zhǔn)值、湖北省平均水平、國內(nèi)該項指標(biāo)領(lǐng)先的其他特大城市平均值等進(jìn)行確定。

2.1.2構(gòu)造灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣

以理想樣本Y0j(j=1，2，...，m)為母因素，評價樣本Yij為子因素，即可得到兩者的關(guān)聯(lián)度rij：

式（3）中，λ ε(0，1)為分辨系數(shù)，通常取λ=0.5，則灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣R=(rij)(n+1)×m(i=0，1，2，...，n； j=1，2，...，m)。

2.1.3確定灰色關(guān)聯(lián)投影權(quán)重值

運(yùn)用均方差權(quán)值法[19]得到各指標(biāo)初始權(quán)重Wj（表1）。評價樣本Ai與理想樣本A0之間的夾角，稱之為灰色關(guān)聯(lián)投影角θi，稱之為灰色關(guān)聯(lián)投影角，該夾角的余弦為αi：

αi越大，評價樣本Ai越接近理想樣本A0。設(shè)評價樣本Ai的模數(shù)為di：

記Wj*為灰色關(guān)聯(lián)投影權(quán)重值，且滿足：

2.1.4計算灰色關(guān)聯(lián)投影值

綜合考慮模di和夾角余弦值的大小αi，即可得到灰色關(guān)聯(lián)投影值Si：

投影值越大，表明評價樣本越接近理想樣本，即該年份的土地生態(tài)安全水平也就越高，反之，則水平越低。

根據(jù)Si的大小，將土地生態(tài)安全水平劃分為4個等級：當(dāng)Si≤0.25時，為低度安全；當(dāng)0.25＜Si≤0.5時，為中度安全；當(dāng)0.5＜Si≤0.75時，為中高度安全；當(dāng)Si＞0.75時，為高度安全。

2.2 土地生態(tài)安全動態(tài)水平分析

研究區(qū)各年份土地生態(tài)安全水平可用灰色關(guān)聯(lián)投影值Sj進(jìn)行判定，為更直觀地反映其動態(tài)變化特征，引入安全水平變化動態(tài)度v、安全水平標(biāo)準(zhǔn)差σ概念進(jìn)行分析[20]。

安全水平變化動態(tài)度v用于測算不同年份間土地生態(tài)安全水平的相對變化程度，根據(jù)v的大小對土地生態(tài)安全水平變化情況進(jìn)行分類：當(dāng)v＜-20%時為快速退化類型；當(dāng)-20%≤v＞0時為緩慢退化類型；當(dāng)v=0時為維持不變類型；當(dāng)0＜v≤20%時為緩慢提升類型；當(dāng)v＞20%為快速提升類型。安全水平變化動態(tài)度計算公式為：

式（8）中，v為安全水平變化動態(tài)度，Si+1和Si分別表示第i+1和i年份土地生態(tài)安全指數(shù)。

安全水平標(biāo)準(zhǔn)差σ用于測算土地生態(tài)安全水平之間的差異，反映土地生態(tài)安全的協(xié)調(diào)性，σ越小，土地生態(tài)安全協(xié)調(diào)性越高，反之，則協(xié)調(diào)性越低：

2.3 障礙因子診斷

在對區(qū)域土地生態(tài)安全水平進(jìn)行綜合評價后，還需要對影響土地生態(tài)安全水平的障礙因子進(jìn)行分析和診斷，“對癥下藥”解決土地生態(tài)安全問題。引入因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度和障礙度3個變量來進(jìn)行障礙因子診斷[4，21]。因子貢獻(xiàn)度Cj表示單項指標(biāo)對總目標(biāo)的影響程度，一般以單項指標(biāo)的權(quán)重Wj來表示；指標(biāo)偏離度Nij表示單項指標(biāo)與理想目標(biāo)之間的差距，以單項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值Yij與100%之差來表示；障礙度Pij表示第i年單項指標(biāo)對城市土地生態(tài)安全水平的影響程度。障礙度計算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全水平分析

結(jié)合表1，運(yùn)用式(7)-式(9)，計算得到武漢市土地生態(tài)安全指數(shù)、安全水平變化動態(tài)度及安全水平標(biāo)準(zhǔn)差，并判定各年份所屬的安全等級和變化類型，詳見表2、表3。

(1)土地生態(tài)安全總水平緩慢提升，安全層次不高，安全等級較低。從目標(biāo)層來看，2004－2014年，武漢市土地生態(tài)安全水平處于緩慢提升狀態(tài)，提升速度在后期有所放緩。2004年、2009年和2014年的土地生態(tài)安全總水平等級均為低度安全，土地生態(tài)安全指數(shù)分別為0.1432、0.1680和0.1826，說明武漢市土地生態(tài)安全指數(shù)不高，安全等級較低；也說明2004－2009年及2009－2014年的土地生態(tài)安全水平均處于提升狀態(tài)，前一階段的變化動態(tài)度為17.28%，后一階段降為8.72%。這主要是由于在前一階段，武漢市圍繞國家“中部崛起”戰(zhàn)略及湖北省建設(shè)武漢城市圈、建設(shè)“大武漢”戰(zhàn)略的實施，加快了經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)的步伐，經(jīng)濟(jì)總量得到大幅增長，城鄉(xiāng)居民生活水平得到提升，為城市生態(tài)環(huán)境改善提供了良好的基礎(chǔ)。在后一階段，水土資源承載力不足、環(huán)境容量有限等問題逐漸顯現(xiàn)，給城市生態(tài)環(huán)境造成較大壓力，土地生態(tài)安全水平提升速度放緩。

(2)土地生態(tài)安全單項水平各有升降，總體趨勢向好。從表2看，2004－2014年，武漢市土地生態(tài)安全環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會層面的單項水平，均處于低度安全等級。環(huán)境層面動態(tài)變化度在2004－2009年為16.36%，2009－2014年降為2.89%，兩個階段均屬于緩慢提升變化類型。在前一階段，城市生活污水集中處理率、工業(yè)固廢綜合利用率和空氣質(zhì)量優(yōu)良率均得到較大提升，說明這一階段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有較大改善；在后一階段，“三廢”排放增長造成的環(huán)境負(fù)擔(dān)拖慢了安全水平提升的腳步。經(jīng)濟(jì)層面的動態(tài)變化度在2004－2009年為32.93%，屬于快速提升變化類型，2009－2014年則跌至緩慢提升類型，說明武漢市在發(fā)展前期注重經(jīng)濟(jì)總量的快速增長，經(jīng)濟(jì)安全得到快速提升，后期速度則有所放緩。社會層面的動態(tài)變化度在2004－2009年為-0.25%，屬于緩慢退化類型，2009－2014年躍至7.19%，屬于緩慢提升類型，說明武漢市在快速工業(yè)化和急速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中出現(xiàn)的人均資源不足、資源承載力受限等問題已有所顯現(xiàn)，但在后期此類問題逐漸得到重視，社會安全得到緩慢提升。

表2 武漢市土地生態(tài)安全指數(shù)、安全等級、變化動態(tài)度及變化類型

(3)土地生態(tài)安全子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)性逐漸降低。2004－2014年武漢市土地生態(tài)安全的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會子系統(tǒng)的安全水平均有所提升，其中環(huán)境子系統(tǒng)一直處于緩慢提升的階段，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)則由快速提升階段跌為緩慢提升階段，社會子系統(tǒng)從緩慢退化階段躍入緩慢提升階段，各子系統(tǒng)安全水平的變化幅度很不一致，導(dǎo)致三者之間差異逐漸擴(kuò)大。從表3可知，武漢市2004、2009、2014年的土地生態(tài)安全準(zhǔn)則層標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.0059、0.0112、0.0131，指標(biāo)層標(biāo)準(zhǔn)差分為0.0025、0.0031、0.0033，說明各子系統(tǒng)之間及各指標(biāo)之間的標(biāo)準(zhǔn)差均在逐漸增大，土地生態(tài)安全子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性逐漸降低。

3.2 土地生態(tài)安全障礙因子診斷

運(yùn)用式(11)計算武漢市各項指標(biāo)因子的障礙度，由于涉及指標(biāo)較多，為便于分析，選取障礙度排名前六的指標(biāo)因子作為主要障礙因子進(jìn)行診斷。

由表4可知，在時間維度上，影響武漢市土地生態(tài)安全水平的障礙因子在因子類別、障礙度及因子排序上均處于動態(tài)變化中。經(jīng)濟(jì)密度的障礙度在2004年位居第一位，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平過低是制約武漢市土地生態(tài)安全水平的主要障礙因素，至2009年和2014年，該因子分別下降至第二位和第五位，反映出經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有助于武漢市土地生態(tài)安全水平的提升，同時也表明武漢市經(jīng)濟(jì)密度仍有不小的上升空間。人均水資源的障礙度在2004年處于第二位，至2009年和2014年躍升至首位，表明該因子已成為影響武漢市土地生態(tài)安全水平的首要障礙因素。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，用水需求的急劇增長導(dǎo)致人均水資源嚴(yán)重不足，嚴(yán)重制約了武漢市土地生態(tài)安全水平的提升。城市生活污水集中處理率的障礙度在2004年位于第三位，至2009年以后，該因子已不在武漢市主要障礙因子之列，說明近年來政府治理城市生活污水的舉措取得了一定成效，有利于城市生態(tài)環(huán)境的改善。單位耕地面積化肥負(fù)荷的障礙度在2004年居于第四位，2009年和2014年均上升至第三位，表明化肥農(nóng)資的過度使用給土地生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大負(fù)荷。

表3 武漢市土地生態(tài)安全水平標(biāo)準(zhǔn)差

農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入的障礙度分列2004年的末兩位，并分別于2014年和2009年退出了主要障礙因子之列，反映出隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鄉(xiāng)居民收入水的極大提升，它們對城市土地生態(tài)安全水平的障礙逐漸被消除。單位土地面積工業(yè)固廢排放量和人均耕地面積在2009年首次成為障礙因子，至2014年，兩者的障礙度排名分別上升至第二位和第四位，表明快速城市化引起的廢物排放增加和資源缺乏等問題已經(jīng)嚴(yán)重影響城市土地生態(tài)安全狀況，給城市生態(tài)環(huán)境造成極大壓力?？諝赓|(zhì)量優(yōu)良率在2014年加入到主要障礙因子之列，顯示出空氣質(zhì)量優(yōu)劣在土地生態(tài)安全中的重要性。

總體而言，從2004年到2014年，武漢市土地生態(tài)安全障礙因子經(jīng)歷了從經(jīng)濟(jì)密度、農(nóng)民人均純收入等經(jīng)濟(jì)類因素向人均水資源量、單位耕地面積化肥負(fù)荷、空氣質(zhì)量優(yōu)良率等資源環(huán)境類因素的轉(zhuǎn)變，基本上與武漢城市發(fā)展歷程相吻合。

表4 武漢市土地生態(tài)安全主要障礙因子及障礙度

4 研究結(jié)論

(1)基于可持續(xù)發(fā)展三維度框架思路，構(gòu)建了城市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)投影模型，對武漢市土地生態(tài)安全動態(tài)變化情況進(jìn)行了實證分析。研究表明，該套土地生態(tài)安全水平綜合評價方法，能夠基本反映武漢市土地生態(tài)安全的實際情況，可以為區(qū)域土地政策調(diào)整和生態(tài)維護(hù)提供現(xiàn)實依據(jù)，灰色關(guān)聯(lián)投影模型的建模思路明確且較易操作，是開展土地生態(tài)安全評價的一種可行有效方法。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，2004－2014年武漢市土地生態(tài)安全水平處于緩慢上升狀態(tài)，總體水平處于低度安全的較低等級，提升速度在后期有所放緩。從單項水平來看，各子系統(tǒng)有升有降，總體趨勢向好：環(huán)境子系統(tǒng)在后一階段的提升速度有所減緩，但仍屬于緩慢提升階段；經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)經(jīng)歷了由快速提升跌入緩慢提升階段的變化；社會子系統(tǒng)則從緩慢退化躍升至緩慢提升階段。土地生態(tài)安全各子系統(tǒng)之間及各指標(biāo)之間的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，土地生態(tài)安全系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)調(diào)性逐漸降低。從時間維度上看，影響武漢市土地生態(tài)安全水平的障礙因子在因子類別、障礙度及因子排序上都處于動態(tài)變化中，歷年的障礙因子從經(jīng)濟(jì)密度、農(nóng)民人均純收入等經(jīng)濟(jì)類因素向人均水資源量、單位耕地面積化肥負(fù)荷、空氣質(zhì)量優(yōu)良率等資源環(huán)境類因素的轉(zhuǎn)變。各項因子的障礙度變化顯示，資源環(huán)境類因素將成為未來影響土地生態(tài)安全水平的一個主要因素。

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Research on Urban Land Ecological Security Assessment and Obstacle Factors—Taking the City of Wuhan as an Example

LI Desheng, WANG Zhanqi, LAN Xi
(School of Public Administration of China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074)

This paper has conducted an analysis of the dynamic change of land ecological security and main obstacle factors of Wuhan in the year of 2004, 2009 and 2014, through building urban land assessment index system based on reliance for the three-dimensional framework of sustainable development, as well as by using gray relation projection model and obstacle model. The results showed as follows. First, the land ecological security was improved slowly, while internal coordination of land ecological security system was lowered gradually with low security grade. Second, in the land ecological security system, environment subsystem remained slowly improving all the time, economic sub-system fell into slowly from improving sharply and fast, and social subsystems jumped from slowly lowering to slow improvement. Third, obstacle factor category, obstacle degree and ordering of factors with regard to land ecological security of Wuhan were in dynamic change, the obstacle factors experienced the transition from economic to resource and environment factors.

land ecological security; assessment; obstacle factors; a grey relation projection model; Wuhan

F301.2；F062.1

A

1672-6995（2017）08-00040-05

2017-02-17；

2017-02-24

國家自然科學(xué)基金項目（71673258）

李德勝(1987—)，男，江西省贛州市人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院博士研究生，研究方向：土地利用與土地生態(tài)。