基于DPSIR模型的云南省土地生態(tài)安全評價

劉 嬌 張 超 孫曉莉 石青青 葛龍魁

（西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650233）

土地生態(tài)安全的概念源于“生態(tài)安全”[1]，學(xué)術(shù)界至今未形成統(tǒng)一的定義。國內(nèi)梁留科等[2]、崔峰[3]、謝俊奇等[4]學(xué)者認(rèn)為由嚴(yán)超等[5]提出的土地生態(tài)安全概念具有代表性，即指在一定的時空范圍內(nèi)，土地生態(tài)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)與功能在受到外界干擾時，能夠通過自身的調(diào)節(jié)功能保持其處于不受威脅或少受威脅的穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)，并能夠為保障人類社會經(jīng)濟與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定、均衡、充裕的自然資源，從而維持土地自然、社會、經(jīng)濟復(fù)合體長期的協(xié)調(diào)發(fā)展。

國外學(xué)者對生態(tài)安全的關(guān)注較早，自1941年Leopold[6]對土地功能評價中首次提出“土地健康”的概念后，生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境問題逐漸成為研究的熱點。美國環(huán)境學(xué)家Brown[7]于1977年提出“環(huán)境安全”，并將其納入“國家安全”范疇。20世紀(jì)80年代，生態(tài)安全概念得以發(fā)展，1987年世界環(huán)境與發(fā)展委員會（WCED）在《Our common future》[8]中，以“可持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)，首次提出“生態(tài)安全”概念。在此基礎(chǔ)上，國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IASA）于1989年最先定義了生態(tài)安全，為土地生態(tài)安全的研究奠定了基礎(chǔ)[9]。20世紀(jì)90年代以來，圍繞生態(tài)安全定義展開的一系列研究中，國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）評價土地質(zhì)量時提出“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型[10]，通過選取土地質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測人類活動對土地資源造成的壓力，在人為影響下土地環(huán)境呈現(xiàn)的狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)政策和決策對壓力做出響應(yīng)。隨后，歐洲環(huán)境署（EEA）提出“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”（DPSIR）模型[11-12]，被國內(nèi)外諸多學(xué)者采用。國內(nèi)對土地生態(tài)安全的研究起步較晚，目前仍處于探索階段[13]。研究尺度上主要以省、市、縣、鄉(xiāng)等行政區(qū)劃為單元[14]，研究時間點或時間段內(nèi)的動態(tài)變化特征[15]；指標(biāo)體系主要包括“自然-經(jīng)濟-社會”模型[16]、PSR模型和DPSIR模型等。評價方法多借鑒生態(tài)安全研究方法，最為常用的是數(shù)學(xué)模型法[17]，包括綜合指數(shù)法、熵權(quán)物元法[18]；此外，還有BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]、生態(tài)足跡法[20]等。土地生態(tài)安全評價是土地生態(tài)安全管理和建設(shè)的基礎(chǔ)，但目前還未形成完整的評價標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者對云南省生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)[21]、耕地生態(tài)安全[22]等評價進行了相關(guān)探索，但土地生態(tài)安全評價的研究相對缺乏；以云南省為研究區(qū)進行土地生態(tài)安全評價，旨在探究云南省土地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及影響因素，進而促進土地資源可持續(xù)利用，推動生態(tài)文明排頭兵建設(shè)，同時為土地生態(tài)安全相關(guān)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

云南省土地總面積為39.41萬km2，居全國第8位。2018年共設(shè)置縣級行政區(qū)劃單位129個，其中29個為民族自治縣。云南屬山地高原地形，西北高、東南低，海拔高差懸殊；氣候類型豐富多樣，年溫差小，日溫差大；降水充沛，但在季節(jié)和地域上分配不均勻，干濕分明。云南東部屬于喀斯特山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)，土層薄，成土緩慢；西北部及東北部屬于西南山地農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)；西部及高原邊緣的山地、峽谷地區(qū)地形復(fù)雜、高差巨大；中部的滇中高原，是丘陵紅層高原，上層覆蓋紅色風(fēng)化殼，是云南主要農(nóng)業(yè)區(qū)。2017年，全省總?cè)丝? 800.5萬人，少數(shù)民族人口占全省人口27.2%，全省GDP達(dá)16 376.34億元，第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比為14∶38∶48，森林覆蓋率達(dá)59.7%。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

參考相關(guān)研究成果[23-24]，利用“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”（DPSIR）模型構(gòu)建指標(biāo)體系。該模型由歐洲環(huán)境署提出，可以同時評估社會經(jīng)濟和環(huán)境參數(shù)，其評價機理是社會及經(jīng)濟發(fā)展等驅(qū)動因素對環(huán)境施加壓力，導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，而這些變化會對生態(tài)系統(tǒng)、人類健康和自然過程產(chǎn)生影響，并最終產(chǎn)生政治響應(yīng)[25]。綜合考慮云南省土地生態(tài)安全的主要影響因素，遵循科學(xué)性、全面性、可操作性和區(qū)域性等原則，構(gòu)建評價指標(biāo)體系（表1）。各指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于云南統(tǒng)計年鑒（2001—2016年）、云南省16個地州（市）的統(tǒng)計年鑒（2001—2016年）、中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒（2001—2016年）、云南省129個市縣（市、區(qū)）的年鑒（2001—2016年）、各地州（市）和縣（市、區(qū)）的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等。

表 1 云南省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)與權(quán)重Table 1 Evaluation index and weight of land ecological security in Yunnan Province

目前，關(guān)于土地生態(tài)安全評價指標(biāo)基準(zhǔn)值的確定尚未有明確標(biāo)準(zhǔn)。從云南省土地生態(tài)環(huán)境特點出發(fā)，基準(zhǔn)值的選取優(yōu)先采取國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)，沒有國家標(biāo)準(zhǔn)或者國際標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)則參考世界平均值、國內(nèi)公認(rèn)值、全國平均值或全省平均值[26]，具體見表1。

2.2 指標(biāo)計算

1）標(biāo)準(zhǔn)化處理。利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法，分正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[27]，以消除各指標(biāo)間的量綱差異，使其具有可比性。

2）賦權(quán)。為了更為客觀、準(zhǔn)確地計算各指標(biāo)在土地生態(tài)安全評價體系中的重要程度，采用熵權(quán)法為各指標(biāo)賦權(quán)[28]，結(jié)果見表1。

2.3 綜合評價模型

1）指標(biāo)安全指數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)位評分法[29]，分正指標(biāo)和負(fù)指標(biāo)分別計算土地生態(tài)安全指數(shù)。正向指標(biāo)安全指數(shù)計算方法：當(dāng)xij≥rj，sij=1；xij＜rj，sij=xij/rj；負(fù)向指標(biāo)安全指數(shù)計算方法：當(dāng)xij＞rj，sij=rj/xij；xij≤rj，sij=1。xij為 第i個 評 價 單元第j個指標(biāo)的原始值；rj為第j指標(biāo)基準(zhǔn)值；sij為第i個評價單元第j個指標(biāo)的生態(tài)安全指數(shù)。

2）綜合指數(shù)。以各指標(biāo)的安全指數(shù)與對應(yīng)指標(biāo)權(quán)重的乘積之和作為評價區(qū)域土地生態(tài)安全的綜合指數(shù)[26]。生態(tài)安全值越大，表明區(qū)域土地生態(tài)安全狀況越好；反之，則越差。

3）評價等級。參考相關(guān)研究成果[15,27]，結(jié)合云南省實際情況，將土地生態(tài)安全評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為不安全（0～0.4，等級為Ⅴ），臨界安全（0.4～0.6，等級為Ⅳ），較安全（0.6～0.8，等級為Ⅲ），安全（0.8～0.9，等級為Ⅱ），理想安全（0.9～1.0，等級為Ⅰ）等5種狀態(tài)。

2.4 土地生態(tài)安全動態(tài)度變化

土地生態(tài)安全動態(tài)度變化利用單一動態(tài)度和綜合動態(tài)度表示。單一土地利用動態(tài)度是定量描述區(qū)域在一定范圍內(nèi)土地利用變化的速度和幅度[30]，利用單一土地利用類型的動態(tài)度來研究土地生態(tài)安全的動態(tài)度。單一土地生態(tài)安全動態(tài)度見式（1）：

式中：K為單一土地生態(tài)安全動態(tài)度；Za為起始年數(shù)值；Zb為終止年數(shù)值；T為監(jiān)測年數(shù)。

綜合土地利用動態(tài)度是代表土地利用類型變化速率的區(qū)域差異性指標(biāo)，描述人類活動對土地利用類型變化的綜合影響。借用綜合土地生態(tài)安全動態(tài)度表示云南省整體土地生態(tài)安全的總體變化速度，計算見式（2）：

式中：LC為綜合土地生態(tài)安全動態(tài)度；Zai、Zbi分別為研究起始年和終止年的第i個縣（區(qū)、市）的土地生態(tài)安全數(shù)值，T為研究年數(shù)，m為縣域數(shù)[30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全綜合分析

3.1.1 土地生態(tài)安全時間變化分析

土地生態(tài)安全綜合值變化（表2），表示區(qū)域土地生態(tài)安全時間變化的主要特征。由表2可知，2000—2015年，云南省各縣域的土地生態(tài)安全綜合值整體上呈逐年增加的變化趨勢。2000年，各縣域的土地生態(tài)安全綜合值為0.457～0.840，最大值為西山區(qū)，最小值為魯?shù)榭h。2003年，鎮(zhèn)雄縣的土地生態(tài)安全綜合值最小，為0.498，最大值為紅塔區(qū)的0.846。2006年，滄源縣土地生態(tài)安全綜合值為最小0.519，最大值為麒麟?yún)^(qū)0.887；2009年，各縣域的土地生態(tài)安全綜合值為0.622～0.925，2012年時為0.656～0.945。截止2015年，各縣域的土地生態(tài)安全綜合值為0.690～0.953，最大值為楚雄市，最小值為瀾滄縣。15年來，126個縣的土地生態(tài)安全綜合值增加，官渡區(qū)、西山區(qū)和紅塔區(qū)的減小。

表 2 云南省2000—2015年土地生態(tài)安全綜合值Table 2 Comprehensive value of land ecological security in Yunnan Province from 2000 to 2015

續(xù)表 2

期間，最大值與最小值所處區(qū)域不斷變化，最大值所處縣域變化的原因是驅(qū)動力和響應(yīng)2個因素的變化，具體表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟密度、人均GDP、農(nóng)業(yè)機械化水平和當(dāng)年造林面積等指標(biāo)穩(wěn)步提高，且相較其他區(qū)域增速較快。土地生態(tài)安全綜合值最小的縣域是少數(shù)民族人口比重大、耕地面積比重小，以及過量使用化肥的緣故。

3.1.2 土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度

土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度（圖1）表征云南省整體土地生態(tài)安全綜合值的年變化速率。由圖1可知，2000—2015年間，土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度呈先增后減的變化趨勢。2000—2003年，全省土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度為0.75，2003—2006年，上升為1.18，主要原因是狀態(tài)和影響2個變量的綜合動態(tài)度增加。2006—2009年，土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度繼續(xù)上升，達(dá)到最大值1.53，主要原因是狀態(tài)和響應(yīng)2個變量的綜合動態(tài)度提高，表明在人類經(jīng)濟活動的影響下，壓力變量造成的土地生態(tài)安全問題突出。土地生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和影響2個變量的變化速率迅速提高，主要表現(xiàn)為人均耕地面積增加、單位面積糧食產(chǎn)量提高、農(nóng)民人均純收入增加以及農(nóng)村恩格爾系數(shù)下降，這與2006—2009年云南省的實際情況相吻合。2009—2015年期間，土地生態(tài)安全綜合值的變化速率呈下降趨勢，2012—2015年急劇下降為0.60，表現(xiàn)為驅(qū)動力和影響2個變量的動態(tài)度下降。

圖 1 土地生態(tài)安全綜合動態(tài)度Fig. 1 Comprehensive dynamic degree of land ecological security

3.1.3 土地生態(tài)安全子系統(tǒng)分析

驅(qū)動力指數(shù)、壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)、影響指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)的單一動態(tài)度，表示DPSIR子系統(tǒng)的變化情況。

1）驅(qū)動力安全分析。2000—2015年，云南省129個縣（市、區(qū)）的驅(qū)動力單一動態(tài)度均為正值，表明各區(qū)域的驅(qū)動力指數(shù)每年均以一定速率增加，土地生態(tài)安全綜合值增加。盤龍區(qū)的驅(qū)動力指數(shù)由2000年的0.21提高到2015年0.25，為期間最小增長速率1.28%；最大增長速率為綏江縣42.79%。魯?shù)榭h、巧家縣、鹽津縣、大關(guān)縣、永善縣、綏江縣、鎮(zhèn)雄縣等每年保持較高增速，分析其原因是區(qū)域的經(jīng)濟密度、人均GDP和農(nóng)業(yè)機械化水平在這15年期間迅速提高。

2）壓力安全分析。壓力單一動態(tài)度范圍為-2.22%～4.41%，2000年盤龍區(qū)的壓力指數(shù)為0.06，2015年為0.04，為期間的最大降低速率-2.22%；大關(guān)縣的壓力指數(shù)由2000年的0.05提高到2015年的0.09，達(dá)最大增長速率4.41%。壓力指數(shù)整體變化速率平緩，波動較小。負(fù)值表明區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境壓力在減少，正值表示區(qū)域壓力增大。對土地生態(tài)安全壓力指數(shù)增加的83個縣（市、區(qū)）指標(biāo)統(tǒng)計分析，人口密度和化肥施用量2個指標(biāo)均遠(yuǎn)超出土地生態(tài)安全閾值，是區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境壓力增加的原因。

3）狀態(tài)安全分析。狀態(tài)單一動態(tài)度范圍為-1.80%～0.81%，芒市的動態(tài)度為-1.80%，為最大下降速率；最大增速為彝良縣0.81%。狀態(tài)指數(shù)整體變化速率較小。負(fù)值表示受壓力因素影響，區(qū)域土地生態(tài)安全狀況下降；正值表明壓力變量在土地生態(tài)安全承載范圍內(nèi)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有較好的自我修復(fù)和再生能力，狀態(tài)良好。110個縣（市、區(qū)）的狀態(tài)指數(shù)降低主要是受人均耕地面積減少，土地利用強度增大，耕地墾殖率和耕地復(fù)種指數(shù)上升的影響。

4）影響安全分析。土地生態(tài)影響指數(shù)反映土地生態(tài)系統(tǒng)狀況導(dǎo)致的結(jié)果，包括正向影響和負(fù)向影響[1]。影響單一動態(tài)度范圍為-2.17%～10.53%；晉寧縣影響指數(shù)由2000年0.22下降為2015年的0.15，為最大負(fù)影響速率-2.17%，負(fù)向影響速率都比較低；永善縣的正向影響速率為最大10.53%。對區(qū)域產(chǎn)生正向影響的103個縣（市、區(qū)）統(tǒng)計分析，單位面積糧食產(chǎn)量、農(nóng)村居民年人均純收入和第二產(chǎn)業(yè)比重增大。綜上，土地生態(tài)安全處于良好狀態(tài)時，對人類來說益遠(yuǎn)大于弊，提高土地的生產(chǎn)力的同時，也滿足人類對更多物質(zhì)財富的需求。

5）響應(yīng)安全分析。響應(yīng)單一動態(tài)度范圍為-0.99%～7.19%，安寧縣的為最大減小速率-0.99%；貢山縣的響應(yīng)指數(shù)由2000年的0.10提高到2015年的0.20，達(dá)最大增速7.19%。111個縣（市、區(qū)）的響應(yīng)指數(shù)增加，是農(nóng)村人均住房面積、水土協(xié)調(diào)度、第三產(chǎn)業(yè)比重和森林覆蓋等提高的緣故。

3.2 土地生態(tài)安全空間差異分析

利用云南省土地生態(tài)安全等級的縣域數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果（圖2）與各時期土地生態(tài)安全空間分布結(jié)果分布（圖3），來分析云南省土地生態(tài)安全空間變化特征。

圖 2 2000—2015年云南縣（市、區(qū)）土地生態(tài)安全等級數(shù)量分布Fig. 2 Quantitative distribution of land ecological security levels in counties (cities, districts) of Yunnan from 2000 to 2015

圖 3 2000—2015年云南省土地生態(tài)安全等級空間分布Fig. 3 Spatial distribution of land ecological security grades in Yunnan Province from 2000 to 2015

2000年，滇東北，滇西北，滇西南邊界和滇東南邊界上所轄的41個縣（市、區(qū)）土地生態(tài)安全等級為臨界安全（Ⅳ）；滇中有81個縣域的為較安全（Ⅲ），昆明市所轄的官渡區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)、安寧縣以及昆明市周邊的麒麟?yún)^(qū)、紅塔區(qū)和大理市等7個縣域的土地生態(tài)安全等級為安全（Ⅱ）。2009年云南省129個縣（市、區(qū)）的土地生態(tài)安全等級均提高為較安全及以上等級，其中98個縣域的土地生態(tài)安全等級為較安全（Ⅲ）。2000—2009年，滇東北、滇西北、滇西南和滇東南邊界上土地生態(tài)安全等級為臨界安全（Ⅳ）的區(qū)域全部提高到較安全（Ⅲ）或安全（Ⅱ），安全（Ⅱ）的區(qū)域由昆明向四周擴展。這一變化與現(xiàn)代新昆明城市群、滇池經(jīng)濟圈建設(shè)有關(guān)，即帶動宜良、嵩明、安寧、富民衛(wèi)星城鎮(zhèn)建設(shè)，形成以昆明為中心，以玉溪、曲靖、楚雄為節(jié)點的城市群建設(shè)，同時，統(tǒng)籌兼顧縣域、邊界口岸與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)。截止2015年，40個縣域的土地生態(tài)安全等級為較安全（Ⅲ），77個縣域的為安全（Ⅱ），12個縣域的為理想安全（Ⅰ）。

2000—2015年，云南省土地生態(tài)安全空間變化特征，2000—2009年，表現(xiàn)為滇東北，滇西北，滇西南和滇東南等區(qū)域的土地生態(tài)安全等級由Ⅳ級向Ⅲ級提高，2009—2015年，以昆明市為中心，帶動滇中城市群、地州市帶動周邊縣域發(fā)展，從滇中向四周穩(wěn)步提高。

4 結(jié)論與討論

基于2000—2015年云南省129個縣（市、區(qū)）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)建DPSIR模型，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與賦權(quán)基礎(chǔ)上，計算各縣域的土地生態(tài)安全綜合值，通過分析得出結(jié)論如下：

1）2000—2015年云南省各縣域的土地生態(tài)安全綜合值整體上逐年提高，129個縣（市、區(qū)）的驅(qū)動力指數(shù)每年均以一定速率增加。驅(qū)動力指標(biāo)是推動區(qū)域土地生態(tài)安全提高的因素。壓力單一動態(tài)度變化速率較小，人口密度和化肥施用量2個指標(biāo)超出土地生態(tài)安全閾值，是區(qū)域土地生態(tài)安全壓力增大和區(qū)域狀態(tài)指數(shù)降低的原因。人類活動對云南省79.84%的區(qū)域產(chǎn)生正向影響，86%的區(qū)域響應(yīng)指數(shù)增加。

2）2000—2015年，滇東北、滇西北、滇西南和滇東南邊界上土地生態(tài)安全等級為臨界安全（Ⅳ）的區(qū)域，全部提高到較安全（Ⅲ）或安全（Ⅱ），滇中大部分區(qū)域土地生態(tài)安全等級由較安全（Ⅲ）向安全（Ⅱ）發(fā)展，昆明周邊較少的區(qū)域向理想安全（Ⅰ）邁進。云南省土地生態(tài)安全呈現(xiàn)以昆明為中心，向曲靖、玉溪、紅河、楚雄、大理等中心城市發(fā)展，中心城市帶動地方縣域的發(fā)展，由滇東向滇西穩(wěn)步推進。

李江蘇等[31]的研究表明，2006年祿勸縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地資源生態(tài)安全整體為敏感級（0.6，0.8），與本研究所得土地生態(tài)安全綜合值為0.664相一致；馬艷[32]的研究表明，2000—2009年大理州的土地資源生態(tài)安全狀態(tài)呈上升變化趨勢，大理市的土地資源生態(tài)安全狀況最好，云龍縣的最差，與本研究所得結(jié)果相一致。由此可知，本研究基于多期與土地有關(guān)的自然和經(jīng)濟社會等數(shù)據(jù)，采用DPSIR模型構(gòu)建指標(biāo)體系，評價結(jié)果具有可靠性和有效性。土地是自然、經(jīng)濟、社會的綜合體，對云南省土地生態(tài)安全進行評價，了解各縣域土地生態(tài)安全狀況的同時，得出區(qū)域土地生態(tài)安全的影響因素，如經(jīng)濟密度、農(nóng)業(yè)機械化水平、化肥負(fù)荷和當(dāng)年造林面積等，可為區(qū)域人地資源協(xié)調(diào)發(fā)展、土地資源管理和可持續(xù)利用等提供理論及數(shù)據(jù)支撐。研究的不足之處：云南省縣域眾多，收集與土地生態(tài)安全相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)時，尤其普洱市、臨滄市、文山州等所轄的縣域其統(tǒng)計資料與積累的不夠全面，在選取指標(biāo)過程中，去除了一些在土地生態(tài)安全研究中較為重要的指標(biāo)，如石漠化的比例、區(qū)域水資源數(shù)量、萬元GDP能耗等指標(biāo)。