土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型構(gòu)建及應(yīng)用——以臨湘市為例

曹　剛,劉艷中*,張　祚,陳　勇,宋湘湘

土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型構(gòu)建及應(yīng)用——以臨湘市為例

曹剛1,劉艷中1*,張祚2,陳勇1,宋湘湘1

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081；2.華中師范大學(xué)公共管理學(xué)院,湖北 武漢 430070)

引入生態(tài)可持續(xù)性指數(shù),在風(fēng)險(xiǎn)矩陣的框架下與土地生態(tài)安全指數(shù)相結(jié)合,構(gòu)建了土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型,并應(yīng)用于臨湘市土地生態(tài)安全預(yù)警.研究表明:土地生態(tài)安全指數(shù)逐年上升,土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力不斷提高;生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)逐年下降,土地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力的可持續(xù)性逐漸減弱,如不采取相應(yīng)措施,未來將難以避免跌入不可持續(xù)狀態(tài);2005～2019年土地生態(tài)安全警情呈“中警-輕警-中警-輕警”的波折變化,最終穩(wěn)定為輕警,預(yù)測(cè)2020～2025年將延續(xù)輕警,跌入重警的可能性較小,但仍存在跌回中警的風(fēng)險(xiǎn).臨湘市應(yīng)通過發(fā)展生態(tài)友好型產(chǎn)業(yè)?加大環(huán)保投入?有序擴(kuò)張第二產(chǎn)業(yè)和建設(shè)用地?節(jié)制消費(fèi)和應(yīng)用新技術(shù)提高生產(chǎn)力等措施,綜合改善土地生態(tài)安全狀況.研究認(rèn)為二維預(yù)警模型可有效避免傳統(tǒng)模型預(yù)警失真的問題,有利于提高土地生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果的全面性?前瞻性和合理性.

土地生態(tài)安全；二維預(yù)警；生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)矩陣

自然資源的高強(qiáng)度開發(fā)支撐了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,但同時(shí)也引發(fā)了全球氣候變化、資源能源短缺、土地荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1].這些問題引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[2],使得安全的范圍由對(duì)國(guó)家主權(quán)的政治和軍事威脅,延伸到自然環(huán)境的惡化及其對(duì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的潛在威脅[3].土地既是自然資源又是其他自然資源的載體,其生態(tài)安全在安全領(lǐng)域占據(jù)著重要地位.土地生態(tài)安全指在一定時(shí)空內(nèi),土地生態(tài)系統(tǒng)能維持其自身結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定并支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,從而確保復(fù)合系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展的能力[4].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國(guó)土地利用強(qiáng)度不斷增大,不合理利用方式不斷增多,土地生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重威脅,土地生態(tài)安全問題已成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5].如何科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)警區(qū)域土地生態(tài)安全狀況,成為維護(hù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題.

土地生態(tài)安全預(yù)警是基于土地生態(tài)安全現(xiàn)狀預(yù)測(cè)未來演變趨勢(shì),控制和預(yù)防不安全要素,維護(hù)區(qū)域土地生態(tài)安全的手段[5-7],源于生態(tài)安全預(yù)警.國(guó)外生態(tài)安全預(yù)警研究以監(jiān)測(cè)預(yù)警為主,主要集中于土地質(zhì)量和土壤肥力[8]、土壤退化及沙漠化[9]、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境[10]的監(jiān)測(cè)預(yù)警.國(guó)內(nèi)生態(tài)安全預(yù)警以從生態(tài)安全評(píng)價(jià)延伸的評(píng)價(jià)預(yù)警模式為主[11].早期關(guān)于土地生態(tài)安全預(yù)警理論[12]、區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警綜合指標(biāo)體系[13]和耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)預(yù)警系統(tǒng)[14]等的研究,形成了國(guó)內(nèi)土地生態(tài)安全預(yù)警研究的基本框架體系和研究思路,為此后的應(yīng)用研究打下了良好的基礎(chǔ).在理論研究的基礎(chǔ)上,通過引入土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域的指標(biāo)體系和方法,土地生態(tài)安全預(yù)警應(yīng)用研究得以廣泛開展,形成了以PSR[15-17]為主線,DPSIR[18]、EES[19]及綜合模型[20]等為支線,多線并存的指標(biāo)體系庫(kù);以綜合指數(shù)法[21]為主,物元分析模型[22]、投影尋蹤模型[23]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[24]?GM(1,1)預(yù)測(cè)模型[25]等多元發(fā)展的方法庫(kù).傳統(tǒng)的土地生態(tài)安全預(yù)警模式簡(jiǎn)單套用土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型,僅以土地生態(tài)安全指數(shù)作為唯一預(yù)警依據(jù).因此,大量傳統(tǒng)土地生態(tài)安全預(yù)警研究將其重心放在土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)、預(yù)警指標(biāo)體系的完善上.然而,土地生態(tài)安全指數(shù)僅能反映土地生態(tài)系統(tǒng)自身狀態(tài)及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力,卻不能反映這種支撐能力是否具有可持續(xù)性,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不能全面體現(xiàn)土地生態(tài)安全內(nèi)涵和預(yù)警本質(zhì).目前,尚未有研究嘗試將土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力與這一支撐能力的可持續(xù)性相結(jié)合開展預(yù)警.

自Rees[26]提出利用生態(tài)足跡衡量可持續(xù)發(fā)展能力以來,大量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)研究迅速開展[27-29],并衍生出了生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)[30].該指數(shù)表征區(qū)域生態(tài)供給人類活動(dòng)的可持續(xù)能力[31-32],且具有一定的未來表征能力.為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)土地生態(tài)安全預(yù)警在生態(tài)可持續(xù)性和未來表征上的不足,本文嘗試將生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)引入土地生態(tài)安全預(yù)警,與傳統(tǒng)預(yù)警中的土地生態(tài)安全指數(shù)相結(jié)合,在風(fēng)險(xiǎn)矩陣[33]的框架下構(gòu)建土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型,并以臨湘市為例開展土地生態(tài)安全預(yù)警,為維護(hù)區(qū)域土地生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展提供新途徑,為土地生態(tài)安全預(yù)警研究提供新思路.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

臨湘市地處湖南省岳陽市東北部,湖南、湖北兩省交界處,位于29°10′～29°52′N,113°15′～113°45′E,長(zhǎng)江、洞庭湖水系在此交匯.轄區(qū)共有3河16湖,森林覆蓋面積達(dá)51.11%,已查明礦床礦點(diǎn)50多處,具有資源豐富、生態(tài)多樣等特點(diǎn).

臨湘市作為成熟型資源城市,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要區(qū)域(圖1).近年來,該市依托優(yōu)越的地理位置和豐富的資源儲(chǔ)備,社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)形成了巨大壓力.開展土地生態(tài)安全預(yù)警研究,不僅對(duì)促進(jìn)該市土地生態(tài)安全建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要作用,而且對(duì)保障長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶全局生態(tài)安全具有重要意義.

1.2 數(shù)據(jù)來源

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來自于2005～2020年《臨湘市統(tǒng)計(jì)年鑒》《岳陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》、統(tǒng)計(jì)公報(bào)和生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站(http://www.yueyang.gov.cn/hbj/index. htm);土地利用數(shù)據(jù)主要來自于統(tǒng)計(jì)年鑒、《臨湘市土地利用總體規(guī)劃(2006-2020)》及土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 土地生態(tài)安全指數(shù)

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型(PSR)進(jìn)行土地生態(tài)安全評(píng)價(jià).PSR模型以人類與環(huán)境的交互作用關(guān)系建立指標(biāo)體系,由壓力、狀態(tài)、響應(yīng)子系統(tǒng)構(gòu)成,具有指標(biāo)綜合性強(qiáng)?指標(biāo)間存在因果關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).壓力子系統(tǒng)(P)表示人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力,狀態(tài)子系統(tǒng)(S)表示壓力下的環(huán)境狀態(tài),響應(yīng)子系統(tǒng)(R)表示受到環(huán)境改變壓力后人類采取的措施.本文基于PSR模型,以科學(xué)性、全面性、獨(dú)立性和可獲取性為原則[34],充分分析相關(guān)研究指標(biāo)體系構(gòu)建成果[5,15-16],結(jié)合臨湘市土地生態(tài)安全特點(diǎn)、主要影響因素,構(gòu)建了臨湘市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1).選取的指標(biāo)涵蓋社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然等角度,各指標(biāo)均有其表征意義,重點(diǎn)選取了人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、人均GDP等具有典型代表意義的指標(biāo)和林地、耕地、水域比重等體現(xiàn)臨湘用土地特點(diǎn)的特色指標(biāo),以盡可能全面綜合地反映土地生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)功能狀態(tài)和對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力.

圖1 臨湘市區(qū)位示意

為消除指標(biāo)量綱,本文采用極差法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,公式如下:

式中:X表示標(biāo)準(zhǔn)化后的值;X為原始值;Xmax表示第年第項(xiàng)指標(biāo)的最大值,Xmin表示第年第項(xiàng)指標(biāo)的最小值.

為降低主觀因素影響,本文選用熵權(quán)法、變異系數(shù)法綜合確定指標(biāo)權(quán)重[35],如公式(3),結(jié)果見表1.

式中:W表示第項(xiàng)指標(biāo)綜合權(quán)重;ej表示第項(xiàng)指標(biāo)熵權(quán)法所確定的權(quán)重;vj表示第項(xiàng)指標(biāo)變異系數(shù)法所確定的權(quán)重.

2.1.2 土地生態(tài)安全指數(shù)及等級(jí)采用綜合指數(shù)法計(jì)算土地生態(tài)安全指數(shù),公式如下:

式中:LESI表示土地安全指數(shù),X表示第年第項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;W表示第項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重.

表1 臨湘市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注:*土地生態(tài)安全指數(shù).

表2 臨湘市土地生態(tài)安全指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前,土地生態(tài)安全指數(shù)等級(jí)閾值尚未有統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn),參考相關(guān)研究[36-37],并結(jié)合臨湘市實(shí)際情況,將臨湘市土地生態(tài)安全指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí),表2.

2.2 生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)

2.2.1 “消費(fèi)-產(chǎn)出”生態(tài)足跡 傳統(tǒng)的生態(tài)足跡運(yùn)用于區(qū)域可持續(xù)性評(píng)價(jià)中,常得到有悖于可持續(xù)發(fā)展理論的結(jié)論——經(jīng)濟(jì)越不發(fā)達(dá)地區(qū)可持續(xù)性越強(qiáng).對(duì)此,熊德國(guó)等[38]將生態(tài)足跡區(qū)分為消費(fèi)性生態(tài)足跡和生產(chǎn)性生態(tài)足跡,前者表征區(qū)域發(fā)展的公平性,后者表征人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的壓力并用于判定區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性.劉艷中等[39]進(jìn)一步改進(jìn)并構(gòu)建了“消費(fèi)-產(chǎn)出”生態(tài)足跡模型,即消費(fèi)足跡(EFC)反映域內(nèi)對(duì)域內(nèi)?外生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的索取程度,可利用生態(tài)承載力(EC)與消費(fèi)足跡的差值即消費(fèi)盈虧(ERC/EDC);產(chǎn)出足跡(EFO)表示域內(nèi)?外對(duì)域內(nèi)生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的索取程度,產(chǎn)出足跡與可利用生態(tài)承載力的差值即產(chǎn)出盈虧(ERO/EDO).公式如下:

式中:、、分別代表人口數(shù)、生態(tài)生產(chǎn)性土地類型、消費(fèi)產(chǎn)出項(xiàng)目類型;r、y分別代表均衡因子、產(chǎn)量因子;C、o、p、a分別代表項(xiàng)目的人均消費(fèi)量、人均產(chǎn)出量、全球平均產(chǎn)量、地類的人均面積.

2.2.2 可持續(xù)承載生態(tài)虧損額 因?yàn)閰^(qū)域存在資源進(jìn)出口,消費(fèi)足跡產(chǎn)生的壓力不完全來自域內(nèi),產(chǎn)出足跡產(chǎn)生的壓力也不完全由域內(nèi)承載,所以單一的消費(fèi)足跡和產(chǎn)出足跡都難以反映人類活動(dòng)造成的區(qū)域生態(tài)壓力.對(duì)此,周蘭蘭等[40]基于“消費(fèi)-產(chǎn)出”生態(tài)足跡構(gòu)建了可持續(xù)承載生態(tài)虧損額(EL),并以此表征區(qū)域繼續(xù)承受生態(tài)生產(chǎn)性土地虧損面積,判別區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性,公式如表3.

2.2.3 生態(tài)可持續(xù)性指數(shù) 可持續(xù)承載生態(tài)虧損額是絕對(duì)值,其值的對(duì)比可直觀反映區(qū)域不同時(shí)期生態(tài)承載力的差距,進(jìn)而反映生態(tài)可持續(xù)性差距.但因缺乏相對(duì)等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn),無法確定生態(tài)可持續(xù)性所處強(qiáng)弱層級(jí).為解決這一問題,陳章等[41]將其引入生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)(ESI),改進(jìn)并構(gòu)建了基于EL的生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步判定區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性所處的強(qiáng)弱層級(jí).改進(jìn)公式如下:

式中:EL表示生態(tài)可持續(xù)承載生態(tài)虧損額.ESI=0.5,即EL=0時(shí),為可持續(xù)程度臨界點(diǎn),依據(jù)指數(shù)與其距離將生態(tài)可持續(xù)程度劃分為5個(gè)等級(jí),如表4.

表3 可持續(xù)承載生態(tài)虧損額計(jì)算公式

表4 臨湘市生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型

基于前文,在風(fēng)險(xiǎn)矩陣框架下構(gòu)建土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型.風(fēng)險(xiǎn)矩陣法[33]是基于危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和危害的嚴(yán)重程度綜合評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)可視化工具(圖2a),被廣泛運(yùn)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域[42-43],可有效綜合兩個(gè)維度的信息評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn).本研究基于該框架,將土地生態(tài)安全指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)作為兩個(gè)維度,構(gòu)建二維預(yù)警模型,綜合判定警情狀況(圖2b).

圖2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣-土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型

2.4 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

表5 GM(1,1)模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

注:1.均方差;2.小概率誤差.

考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)值變化的模糊性和影響因素的復(fù)雜性,采用灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)對(duì)指數(shù)變化進(jìn)行預(yù)測(cè).在DPS軟件中以2005～2019年臨湘市LESI和ESI數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)2020～2025變化情況,并檢驗(yàn)預(yù)測(cè)精度確保模擬效果,檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[44]見表5.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全指數(shù)分析

表6 臨湘市土地生態(tài)安全指數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 臨湘市土地生態(tài)安全指數(shù)變化趨勢(shì)

土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果及其變化趨勢(shì),見表6、圖3.2005～2019年間,臨湘市生態(tài)安全指數(shù)逐步提高,由較不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為臨界狀態(tài),最后達(dá)到較安全狀態(tài).土地生態(tài)安全指數(shù)在0.371～0.657范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì).從增長(zhǎng)速度看,2013～2019年的年均增速為7.24%,顯著高于2005～2013年的年均增速2.95%.上述結(jié)果表明臨湘市土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力逐漸增強(qiáng),且在2013年后增強(qiáng)效果更為明顯.通過相關(guān)性分析可發(fā)現(xiàn),LESI與3個(gè)子系統(tǒng)指數(shù)均高度相關(guān),但與狀態(tài)和響應(yīng)子系統(tǒng)相關(guān)性較高(圖4a),說明土地生態(tài)安全指數(shù)主要受響應(yīng)和狀態(tài)子系統(tǒng)影響.

壓力指數(shù)在0.297～0.072之間呈持續(xù)下降趨勢(shì).2005～2011年由0.297迅速下降到0.089,此后基本維持在0.080附近波動(dòng).從壓力指標(biāo)分析可知,建設(shè)用地的擴(kuò)張、經(jīng)濟(jì)密度和第二產(chǎn)業(yè)比重的快速上升、人口密度的提高及人均耕地面積的下降,是導(dǎo)致該指數(shù)逐年下降的主要因素(圖4b).

圖4 PSR模型指數(shù)相關(guān)性分析

■負(fù)相關(guān)

2011～2019年壓力指數(shù)的平衡是由經(jīng)濟(jì)密度和第二產(chǎn)業(yè)比重呈相反方向變化合力的結(jié)果.狀態(tài)指數(shù)全程緩慢上升,由0.052上升到0.228,表明研究期間土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)整體轉(zhuǎn)好.該指數(shù)的變化主要受到城鄉(xiāng)居民經(jīng)濟(jì)條件改善和生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,但期間出現(xiàn)林地減損的狀況,對(duì)其產(chǎn)生一定負(fù)面影響(圖4c).響應(yīng)指數(shù)在0.022～0.344之間呈持續(xù)上升趨勢(shì).2009年增速較快,主要原因在于臨湘市環(huán)境保護(hù)支出大幅提高.農(nóng)民人均純收入?城鎮(zhèn)污水處理率?建成區(qū)綠地率的提高對(duì)該指數(shù)影響較大(圖4d).

3.2 生態(tài)可持續(xù)性

臨湘市生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表7.臨湘市生態(tài)可持續(xù)性水平以2015年為界,由中可持續(xù)轉(zhuǎn)化為臨界.ESI逐年下降,由0.790下降至0.546,整體降幅達(dá)30.88%;2005～2010年下降較快,年均下降4.03%;2010～2019年降速減慢,年均下降1.49%;2010年單年降幅最大,達(dá)9.58%.ESI持續(xù)下降源于EFC增速遠(yuǎn)超過EFO增速,導(dǎo)致EL不斷降低.而EL降低速度又遠(yuǎn)低于EFC上升速度,進(jìn)而導(dǎo)致ESI持續(xù)下降.ESI持續(xù)下降表明臨湘市土地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力的可持續(xù)性不斷減弱.盡管在2010年以后有所減緩,但下降的趨勢(shì)并未逆轉(zhuǎn),亟須采取措施轉(zhuǎn)變.

表7 臨湘市生態(tài)可持續(xù)性水平

3.3 土地生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果

在DPS軟件中運(yùn)行灰色GM(1,1)預(yù)測(cè)模型,以2005～2019年土地生態(tài)安全指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)為原始數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)2020～2025年兩項(xiàng)指數(shù)的發(fā)展趨勢(shì),模擬精度達(dá)到一級(jí),模擬效果好(見表8).擬合結(jié)果與實(shí)際對(duì)比見圖5.

表8 預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)

3.3.1 二維預(yù)警模型預(yù)警結(jié)果分析 由前文構(gòu)建的土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型確定臨湘市警情,結(jié)果見表9.可知:2005～2015年隨著土地生態(tài)安全等級(jí)的不斷提高,警情逐漸從中警轉(zhuǎn)入輕警;2016～2018年受生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)下降的影響,警情再次跌入中警;2019年由于土地生態(tài)安全等級(jí)提高至較安全,警情恢復(fù)輕警.預(yù)測(cè)2020～2025將延續(xù)2019年的輕警,其中LESI由0.627上升到0.747,維持較安全狀態(tài);ESI由0.529下降到0.468,仍處于臨界狀態(tài).警情的時(shí)間演變趨勢(shì)表明,臨湘市警情在波動(dòng)中有所緩解,這主要得益于LESI的提高.但由于ESI的持續(xù)下降,極有可能跌入生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài),從而將警情拖回中警.同時(shí),因兩指數(shù)變化具有連續(xù)性,且LESI指數(shù)較高,LESI驟降導(dǎo)致警情跌入重警的可能性較小.但在ESI指數(shù)處于較低水平的情況下,LESI一旦下降,也將導(dǎo)致警情迅速升級(jí).綜上,臨湘市土地生態(tài)安全形勢(shì)仍不容樂觀.

3.3.2 兩種模型預(yù)警結(jié)果對(duì)比分析 分別通過土地生態(tài)二維預(yù)警模型和傳統(tǒng)預(yù)警模型判定警情,二維預(yù)警模型的警情由土地生態(tài)安全指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)綜合判定,傳統(tǒng)預(yù)警模型警情僅依據(jù)土地生態(tài)安全指數(shù)判定,結(jié)果見表9.二維預(yù)警模型判定的警情呈現(xiàn)“中警-輕警-中警-輕警”的變化趨勢(shì),傳統(tǒng)預(yù)警模型警情則呈現(xiàn)“重警-中警-輕警-無警”的變化趨勢(shì).2005～2015年傳統(tǒng)模型判定的警情高于二維模型,原因在于生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)處于中可持續(xù)狀態(tài),弱化了二維預(yù)警模型判定的警情.分析認(rèn)為,2005～2008年臨湘市社會(huì)經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展初期,土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力較弱,但這種支撐能力具有較強(qiáng)的可持續(xù)性,警情為重警的可能性較小;2009～2015年隨著響應(yīng)措施投入加大和土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的改善,土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力不斷加強(qiáng),警情進(jìn)一步趨于好轉(zhuǎn).2025年傳統(tǒng)模型警情預(yù)測(cè)低于二維模型,原因在于傳統(tǒng)模型僅考慮處于高值的LESI,而忽視了處于臨界狀態(tài)的ESI.LESI處于高值反映了土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定,且對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有較強(qiáng)的支撐能力,但ESI的臨界狀態(tài)表明難以確保這一支撐能力具有可持續(xù)性.

表9 臨湘市土地生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果

4 討論

臨湘市土地生態(tài)安全警情在研究期內(nèi)呈改善趨勢(shì),主要得益于土地生態(tài)安全指數(shù)的持續(xù)上升.而生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)不斷下降,意味著盡管土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力不斷增強(qiáng),但這種支撐能力卻越來越難以持續(xù).生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)的下降不僅是臨湘市警情改善的阻力,也是未來警情惡化的隱患.因此,維持土地生態(tài)安全指數(shù)上升和阻止生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)下降,是改善臨湘市土地生態(tài)安全警情的兩個(gè)關(guān)鍵.

傳統(tǒng)土地生態(tài)安全預(yù)警通常采用PSR模型進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)警,但是因其僅能反映土地生態(tài)系統(tǒng)自身狀態(tài)及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力,而不能反映支撐能力的可持續(xù)性,進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果失真.通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)模型預(yù)警失真主要出現(xiàn)在2005～ 2015年和2025年.2005～2015年土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力較弱,但其生態(tài)可持續(xù)性較強(qiáng),能持續(xù)地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供支撐.若僅依據(jù)較低的土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警,則易導(dǎo)致警情偏高.2025年土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力較強(qiáng),而此時(shí)經(jīng)過長(zhǎng)期高強(qiáng)度開發(fā)利用的土地已難以持續(xù)提供這種強(qiáng)支撐能力.若僅依據(jù)較高的土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警,又易導(dǎo)致警情偏低.因此,通過引入生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)表征土地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐能力的可持續(xù)性,可豐富預(yù)警的考慮因素,彌補(bǔ)傳統(tǒng)模型警情判斷失真的缺陷,提高預(yù)警的全面性?前瞻性和合理性.綜上,預(yù)警應(yīng)結(jié)合土地生態(tài)安全內(nèi)涵綜合考慮多因素,而非僅以土地生態(tài)安全指數(shù)為依據(jù).二維預(yù)警模型的構(gòu)建為預(yù)警模型的改進(jìn)提供了一種新思路.

本文僅從土地生態(tài)安全定義視角出發(fā),綜合土地生態(tài)安全指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)兩個(gè)維度信息,初步探索了二維預(yù)警模型的構(gòu)建,從其他視角探索二維?三維甚至多維參數(shù)的選取及預(yù)警模型的構(gòu)建,仍是一項(xiàng)有意義的工作.本研究在綜合判定警情時(shí)未考慮兩個(gè)維度的權(quán)重,各維度權(quán)重的不同可能對(duì)預(yù)警結(jié)果產(chǎn)生何種影響,仍有待進(jìn)一步探索.此外,受限于鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面數(shù)據(jù)暫未獲取,以及PSR指標(biāo)體系在反映社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然關(guān)系方面尚不夠全面,本文未能從空間布局角度全面分析臨湘市土地生態(tài)警情狀況.后續(xù)研究可進(jìn)一步收集鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面數(shù)據(jù),嘗試采用DPSIR模型構(gòu)建更完整的指標(biāo)體系,開展更全面?合理的預(yù)警.

5 結(jié)論

5.1 土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型結(jié)合了土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力與這種支撐能力的可持續(xù)性,可有效避免傳統(tǒng)模型因忽視土地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支撐能力的持續(xù)性而導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果失真的問題,預(yù)警結(jié)果更接近實(shí)際狀況,并能更全面地表征土地生態(tài)安全.同時(shí),由于生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)具有一定的未來表征能力,使得預(yù)警模型更貼近預(yù)警本質(zhì).

5.2 臨湘市土地生態(tài)系統(tǒng)自身穩(wěn)定性及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力持續(xù)改善,且改善效率持續(xù)提高,由較不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)化至較安全狀態(tài).這一改善得益于在生態(tài)文明建設(shè)背景下,臨湘市大力推進(jìn)節(jié)能減排?土地綜合整治和鄉(xiāng)村振興,發(fā)展了生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì),并加大了環(huán)保投入.但持續(xù)的開發(fā)利用使得臨湘市生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)逐漸下降,由中可持續(xù)惡化到臨界,如不采取相應(yīng)措施,將難以避免跌入不可持續(xù)狀態(tài).

5.3 2005～2019年期間,臨湘市土地生態(tài)安全警情呈“中警-輕警-中警-輕警”變化,整體情況較好,預(yù)測(cè)2020～2025年將維持輕警.在土地生態(tài)安全二維預(yù)警模型中,警情受土地生態(tài)安全指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)性指數(shù)的綜合作用.因此,只有尋求兩個(gè)維度的合力,才能快速有效地降低警情,保障土地生態(tài)安全.

5.4 臨湘市應(yīng)從以下四個(gè)方面采取措施維護(hù)和改善土地生態(tài)安全:發(fā)展生態(tài)友好型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì);持續(xù)加大環(huán)保投入,強(qiáng)化污水處理?固廢處理?綠地建設(shè)等環(huán)保措施的實(shí)施;合理規(guī)劃第二產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張,控制建設(shè)用地侵占耕地和林地;節(jié)制消費(fèi)和改良土地,應(yīng)用新技術(shù)提高綜合生產(chǎn)能力.

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Construction and application of two-dimensional early warning model for land ecological security——A case study of Linxiang City.

CAO Gang1, LIU Yan-zhong1*, ZHANG Zuo2, CHEN Yong1, SONG Xiang-xiang1

(1.College of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2.School of Public Administration, Central China Normal University, Wuhan 430070, China)., 2022,42(5)：2305～2314

A two-dimensional early warning model was established by combining the land ecological security index with the ecological sustainability index under the framework of the risk matrix. And then, it was applied to Linxiang’s early warning for land ecological security. The land ecological security index increased yearly. The stability and socio-economic supporting capacity of land ecosystem were enhanced continuously. The ecological sustainability index decreased continuously. The sustainability of land ecosystem’s supporting capacity to socio-economic development was weakened gradually and it would inevitably become unsustainable without any measures. From 2005 to 2019, the warning degrees of land ecological security showed a fluctuated trend of “middle alert-light alert-middle alert-light alert”. It is predicted that the “l(fā)ight alert” will continue from 2020 to 2025. The possibility of falling into “heavy alert” is highly unlikely. But there is still a risk of falling back into the “middle alert”. The research suggests that land ecological security of Linxiang should be comprehensively improved by developing eco-friendly industries, increasing investment in environmental protection, expanding the secondary industry and construction land orderly, reducing consumption, and applying new technologies to improve productivity. It is significant that the two-dimensional early warning model can effectively avoid the problem of distortion in traditional models. The innovation of the two-dimensional early warning model is beneficial to improve the comprehensiveness, rationality, and forward-looking of the early warning results of land ecological security.

land ecological security；two-dimensional early warning；ecological sustainability index；risk-matrix

X24,X9

A

1000-6923(2022)05-2305-10

曹剛(1996-),男,貴州龍里人,碩士研究生,主要從事土地生態(tài)安全研究.

2021-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(72174071,41971237)

* 責(zé)任作者, 教授, Liuyanzhong@wust.edu.cn