基于PSR-EES模型的綏化市土地生態(tài)安全評價及影響因素分析

趙淑娟，劉海英，江涌起

(綏化學院 農業(yè)與水利工程學院，黑龍江 綏化 152061)

0 引言

土地是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件，隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，土地資源利用過程中占用耕地、水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境惡化等問題凸顯，土地資源利用和生態(tài)安全問題越來越受到國內外相關學者關注，并形成了一系列研究成果。國外從20世紀40年代開始對生態(tài)安全進行研究[1]，聯(lián)合國經濟合作與發(fā)展組織(OECD)建立了壓力-狀態(tài)-響應(PSR)模型[2]；1976 年，世界糧農組織(FAO)發(fā)表的《土地評價綱要》對國家和全球生態(tài)環(huán)境健康等問題進行研究[3]，國外學者對生態(tài)安全的研究側重于保護生物和生態(tài)環(huán)境健康狀況。20世紀 90年代以后，國內學者開始從不同角度和運用不同的方法對土地生態(tài)安全問題進行研究，評價指標體系方面大多采用壓力-狀態(tài)-響應(PSR)、自然-經濟-社會(NES)、經濟-環(huán)境-社會(EES)3種模型[4]，張軍以等[5]基于 PSR 模型建立了三峽生態(tài)經濟區(qū)土地生態(tài)安全評價指標體系和分析其土地生態(tài)安全狀況，李玉平等[6]基于ESE模型對河北省土地生態(tài)安全狀況進行評價；在研究方法方面，運用層次分析法、熵權法、模糊綜合評價法、灰色關聯(lián)度法和物元模型法等數學模型[7]；在研究地域方面，包括縣域、市域、省域、重點流域和特殊生態(tài)敏感區(qū)等[8]；我國土地生態(tài)安全研究主要集中在經濟發(fā)達的工業(yè)城市，而對于經濟欠發(fā)達的農業(yè)城市研究較少，尤其對擁有優(yōu)質的寒地黑土資源的綏化地區(qū)研究更少[9]。綏化市以農業(yè)為經濟支柱，是全國重要商品糧基地，保障當地土地生態(tài)安全意義重大，近年來，區(qū)內人地矛盾逐漸突出，占用耕地和林地、水土流失問題日趨嚴峻，土地生態(tài)安全面臨較大的挑戰(zhàn)。因此，本研究運用PSR-EES模型和灰色關聯(lián)度法，對2010—2019年綏化市土地生態(tài)安全狀況進行評價，以期為綏化市土地可持續(xù)利用提供科學的參考依據。

1 研究區(qū)概況及數據來源

1.1 研究區(qū)概況

綏化市位于黑龍江省中南部，地處松嫩平原北端，小興安嶺西麓，地勢東北高，西南低；屬中溫帶大陸性季風氣候，有松花江和呼蘭河兩大水系；總面積35 000 km2，土地集中連片，土壤以黑土、黑鈣土、草甸土、暗棕壤為主，全市耕地面積19 960.7 km2，水域及水利設施用地1 566 km2，林地面積4 920.5 km2，森林覆蓋率達到7.6%；2020年綏化市總人口375.62萬人，城市化率為43.66%，三次產業(yè)結構為48.7∶11.3∶40[10]。綏化市土地利用特點主要表現(xiàn)為：耕地比重大且分布集中，土壤自然肥力較高，后備土地資源充足，土地開發(fā)整理潛力較大；建設用地需求量大，土地利用集約利用程度較低，人地矛盾突出；水土流失、草原退化和堿化現(xiàn)象較嚴重，土地生態(tài)安全問題較為突出。

1.2 數據來源

本研究所用數據主要來源于《綏化市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》、2010—2019年綏化市統(tǒng)計年鑒和2010—2019年綏化市國民經濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

本研究運用PSR-EES模型，在借鑒相關專家的研究成果的基礎上，同時考慮到數據的可獲取性、科學性和代表性，結合綏化市土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，從壓力(P)、狀態(tài)(S)、響應(R)3個層次選取了26項具有代表性的指標[11-15]，其中，正向指標16項，負向指標10項，涵蓋了環(huán)境(E)、經濟(C)、社會(O)3個方面；其中，壓力層指標是人類活動對土地生態(tài)環(huán)境造成的壓力，由于綏化市是農業(yè)城市，經濟發(fā)展水平一般，因此主要選取農藥、化肥和農用塑料薄膜使用量、經濟密度、人口自然增長率和城市化水平等8項指標；狀態(tài)層指標是土地壓力下生態(tài)環(huán)境和社會經濟所表現(xiàn)出來的狀態(tài)，由于過度開墾土地，占用耕地和林地，人均糧食產量下降，森林覆蓋率降低，因此主要選取森林覆蓋率、林地面積比重、人均耕地面積和地均固定資產投資等10項指標；響應層指標是通過狀態(tài)層的反饋在生態(tài)環(huán)境和社會經濟方面做出的響應，由于耕地所占比重大，建設用地需求量大，人地矛盾突出，因此主要選取人均GDP、固定資產GDP比重和人均公園綠地率等8項指標，具體指標見表1。

表1 綏化市土地生態(tài)安全評價指標體系Tab.1 Indicator system for land ecological security assessment in Suihua

2.2 數據標準化處理

由于原始數據性質和單位不同，不能直接進行比較，通過極差歸一化對正向和負向指標進行無量綱處理[4]，不同性質的指標對土地生態(tài)安全的影響是不同的，正向指標值越大，說明土地生態(tài)安全狀況越好；負向指標值越大，說明土地生態(tài)安全狀況越差。具體公式為：

(1)

(2)

式中，Mi為指標的現(xiàn)狀值，Mmax為對應相關指標中最大值，Mmin為對應相關指標中最小值，Si為指標標準化處理后的數值，i為第i項指標，a為常數，取值為0.9。

2.3 權重值計算

為避免主觀賦值造成的偏差，本研究評價指標權重采用客觀賦值法來確定，熵值法和變異系數法是具有代表性的客觀賦值方法，熵值法能夠客觀準確地確定指標權重，但對異常數據計算偏差較大，變異系數是用來衡量各項指標取值的差異程度，可以彌補此缺點[16]，因此把兩種方法結合進行綜合權重計算。

2.3.1 熵值法計算公式

(3)

計算第j項指標的熵值：

(4)

其中k的取值，k=1/ln(n)

計算各項指標的權值：

(5)

其中dj表示第j項指標的熵值，j為指標項，m為指標項數量，wj表示各指標權值。

2.3.2 變異系數計算公式

(6)

(7)

式中，Wi為各項指標的權重值,Bi是第i項指標的變異系數,i是第i項指標。

2.4 土地生態(tài)安全指數

采用綜合指數法對土地生態(tài)安全評價指標的安全指數進行計算[7]，具體計算公式如下：

(8)

式中，A表示土地生態(tài)安全綜合指數，Ci為標準化后的數值，Wz為各指標綜合熵權，i為第i項指標。結合綏化市土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，參考相關研究，將土地生態(tài)安全等級劃分為不安全、較不安全、臨界安全、較安全和安全5個等級[17],見表2。

表2 綏化市土地生態(tài)安全等級標準Tab.2 Ecological security grading standards for land in Suihua

2.5 灰色關聯(lián)度法

由于影響土地生態(tài)安全的影響因素很多，其影響大小各有不同，因此在對該區(qū)域土地生態(tài)安全水平評價的基礎上，對影響土地生態(tài)安全的壓力、狀態(tài)和響應因素進行分析，通過灰色關聯(lián)度法[18]以壓力、狀態(tài)和響應因素為比較序列，以土地生態(tài)安全指數為參考序列進行關聯(lián)度分析，找到主要影響因子，提升土地生態(tài)安全等級和提出改進措施。

假設參考序列為Y0,比較序列為Yi,具體為：

Y0=(y01,y02,y03,…,y0n)

Yi=(yi1,yi2,yi3,…,yin)

運用均值對數據進行無量綱處理,具體公式為：

(9)

比較序列和參考序列在各時刻的差：

ξi(k)=

(10)

為防止關聯(lián)度系數過多導致信息分散和方便比較，采用關聯(lián)度進行計算[19]，具體計算公式如下：

(11)

式中，gi為關聯(lián)度，n為對應元素的個數，ξi(k)為關聯(lián)系數，k為每個比較對象的指標個數，i為比較數列的個數。

3 結果與分析

3.1 綏化市土地生態(tài)安全水平分析

3.1.1 綏化市土地生態(tài)安全綜合水平分析

綏化市土地生態(tài)安全評價指標權重值和生態(tài)安全指數值見表3和表4。

表3 綏化市土地生態(tài)安全評價指標權重值Tab.3 Weight values of land ecological security assessment indicators in Suihua

表4 2010—2019年綏化市土地生態(tài)安全指數值Tab.4 2010—2019 land ecological security index for Suihua

圖1 2010—2019年綏化市土地生態(tài)安全指數值Fig.1 2010—2019 land ecological security index for Suihua

綏化市2010—2019年間土地生態(tài)安全綜合指數呈波動上升趨勢，在 0.4～0.7之間變動，處于臨界安全和較安全2個等級，2010—2016 年綏化市土地生態(tài)安全處于臨界安全狀態(tài)，2017—2018年處于較安全的狀態(tài)，2019年處于臨界安全狀態(tài)，整體向較安全方向發(fā)展，這主要是由于2010—2019年正處于《綏化市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》實施的關鍵時期，總規(guī)中對土地利用結構進行調整，下達土地利用控制指標，加強耕地資源的保護，禁止占用基本農田，土地生態(tài)安全逐漸得到改善，總體上向較安全的狀態(tài)轉變；2010年生態(tài)安全綜合指數為0.437 6，處于臨界安全等級，2010—2011年有所下降，主要是由于區(qū)域內林地面積減少對土地生態(tài)安全造成壓力；2012—2013年一直處于平緩上升狀態(tài)，主要是由于市區(qū)內棚戶區(qū)改造力度的加大，提高城市土地利用集約度，減緩土地生態(tài)安全壓力；2014—2015年又有所下降，主要是由于2014年綏化市制定城市總體規(guī)劃，加大中心城區(qū)建設力度，加強主干道和支路路網建設，城市交通運輸用地面積加大，給土地生態(tài)安全帶來壓力，所以2015年后土地生態(tài)安全綜合指數有所下降；2016—2017年上升幅度較大，2017年土地生態(tài)安全綜合指數達到最大值，主要是由于近些年來綏化市加快農業(yè)生態(tài)示范區(qū)和農業(yè)綜合開發(fā)試驗區(qū)建設，利用寒地黑土生態(tài)資源發(fā)展綠色生態(tài)觀光農業(yè)，改善城市生態(tài)環(huán)境， 2016—2017年綏化市進行生態(tài)園林城市的建設，加大城市公園和廣場建設，城市綠化面積增加，緩解土地生態(tài)安全壓力，2018—2019年又有小幅度下降，主要是由于農村人口流失導致部分土地拋荒閑置，給土地生態(tài)安全帶來一定壓力。

3.1.2 壓力層土地生態(tài)安全分析

綏化市土地生態(tài)安全壓力指數整體呈波動狀態(tài)，2010年壓力指數為0.179 5，2010—2012年呈下降狀態(tài)，從 2010年的 0.197 5 下降到 2012 年的 0.116 5，主要是由于綏化市“十三五”規(guī)劃期間不斷優(yōu)化工業(yè)結構升級和布局，減緩對土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力程度；2010—2012年呈上升狀態(tài)，主要是由于農業(yè)生產過程中農藥和化肥使用量增加影響土地生態(tài)安全狀態(tài)；2013—2016年又呈緩慢下降狀態(tài)，主要是由于全市加強生態(tài)文明建設，嚴格實施環(huán)境污染治理，減緩土地生態(tài)安全壓力；2016年后又呈上升狀態(tài)，主要是由于城市化水平的提高，城市人口數量增加給用地帶來一定壓力；2017年壓力指數達到最高值，為0.206 7，經過計算可知農用化肥施用量較上一年增加了2.61%，農藥使用量增加了1.83%，經濟密度由377.46萬元/km2增長到396.95萬元/km2，農藥和化肥使用量逐漸增加使土地環(huán)境壓力增大，加速土壤污染，影響土地利用效率，降低生態(tài)安全水平；2017—2018年又略有下降，主要是由于隨著現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展，加強基本農田保護，治理鹽堿地，加大水土流失治理力度，減少對土地生態(tài)安全的壓力；2019年又呈小幅度上升，主要是由于近郊農業(yè)蔬菜大棚對農用塑料薄膜使用量的增加使得土地生態(tài)安全壓力有所增加。

3.1.3 狀態(tài)層土地生態(tài)安全分析

綏化市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數總體呈現(xiàn)逐年增高的狀態(tài)，但在2015年和2019年略有降低，降低幅度不大，具體變化狀態(tài)為，狀態(tài)指數由 2010 年的 0.147 4 上升到 2014 年的 0.247 5，土地生態(tài)安全指數平穩(wěn)提高，主要是由于城市化進程的加快使得城市各項基礎設建設更加完善，城市土地利用結構逐漸完善，隨著國土空間規(guī)劃的實施，土地空間布局更加合理，促使其土地安全生態(tài)質量平穩(wěn)上升；2015年出現(xiàn)明顯下降，其值為0.183 9，主要是由于森林覆蓋率、林地面積、第一產業(yè)比重和農電集約度降低，林地面積減少給土地生態(tài)安全帶來壓力，農電單位面積利用率和第一產業(yè)比重降低，使得區(qū)域經濟壓力增大，也使土地生態(tài)安全壓力增大；之后又緩慢上升，由2016年的0.217 4上升到2018年的0.268 3，主要是由于造林面積增加使土地生態(tài)安全狀態(tài)好轉；2019年又出現(xiàn)小幅度下降，主要是由于人均耕地面積減少使得土地生態(tài)安全狀態(tài)發(fā)生變化，其中，2010年狀態(tài)指數為最低值，2018年狀態(tài)指數為最高值。

3.1.4 響應層土地生態(tài)安全分析

綏化市2010—2019 年土地生態(tài)安全響應指數總體呈波動上升狀態(tài)，2010年響應指數為0.092 8，2010—2011年間略有下降，2012—2013年處于上升狀態(tài)，主要是因為綏化市新建西湖、東湖、唯戀、唯實公園、森林植物園，增加城市綠化面積，為市民提供休閑娛樂場所，提高城市人均公園綠地面積，改善了綏化市土地生態(tài)安全狀況；除2014年、2016年、2019年有小幅度下降外，其他年份均呈上升狀態(tài)，2014年、2016年、2019年響應指數呈下降趨勢，主要是因為固定資產投資這三年都增加，固定資產投資越大，越不可持續(xù)，使其響應指數降低；2018年達到最大值，其主要原因是前期人口的快速增長以及城市建設對土地的需求量大，使人均耕地面積減少，破壞土地生態(tài)環(huán)境，使土地生態(tài)安全狀態(tài)受到威脅。

3.2 綏化市土地生態(tài)安全主要影響因素分析

2010—2019年綏化市土地生態(tài)安全影響因素的灰色關聯(lián)度值見表5。

表5 2010—2019年綏化市土地生態(tài)安全影響因素的灰色關聯(lián)度值Tab.5 Grey relational grade values of influencing factors on land ecological security in Suihua from 2010 to 2019

影響綏化市土地生態(tài)安全狀況的因素很多，從灰色關聯(lián)度分析結果來看，2010—2019 年影響土地生態(tài)安全的主要因素有GDP增長率、森林覆蓋率、25°以上耕地百分比和萬元GDP能耗，與土地生態(tài)安全的關聯(lián)度較大，人口自然增長率與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較小。從各年份灰色關聯(lián)度值來看，2010—2012年地均固定資產投資、農民人均純收入與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大；2010—2013年城市人均公園綠地面積、人均糧食產量、人均耕地面積與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大；2014和2018年GDP增長率與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大；2014—2019年GDP增長率與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大；2016—2017年萬元GDP能耗與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大；2017年評價指標與土地生態(tài)安全關聯(lián)度關系最密切，關聯(lián)度較大的因素最多；2014—2016年、2018—2019年評價指標與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大的因素較少；2012年人口自然增長率、地均固定資產投資、人均糧食產量、人均耕地面積、第三產業(yè)比重、城市人均公園綠地面積、人均GDP、農民人均純收入與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大，表明人口的增長和經濟的發(fā)展加大土地生態(tài)安全壓力，對土地生態(tài)環(huán)境造成一定破壞；2014—2016年、2018—2019年GDP增長率與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大，說明經濟因素對土地生態(tài)安全的影響較大，為土地生態(tài)安全提供基礎和保障；2017年共有15項指標與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大，土地生態(tài)安全水平最高，處于較好的發(fā)展狀態(tài)，受經濟、社會和環(huán)境多種因素的共同作用；GDP增長率、地均固定資產投資、人均糧食產量、城市人均公園綠地面積、人均GDP等5項指標是2010—2019年間與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較多的指標，說明經濟增長、環(huán)境綠化和人均糧食產量對土地生態(tài)安全的影響較大，通過增加城市綠化面積，提高地區(qū)經濟，改變土地利用方式，才能使土地生態(tài)安全向更安全方向轉變。

4 結論與建議

4.1 結論

1)綏化市土地生態(tài)安全水平總體呈波動上升趨勢，安全等級由臨界安全向較安全狀態(tài)轉變。其中，2010—2016 年土地生態(tài)安全水平呈波動變化，2017年生態(tài)安全指數達到最高值，2018—2019年呈下降趨勢，2010—2016年、2019 年綏化市土地生態(tài)安全為Ⅲ級，2017 和 2018 年土地生態(tài)安全為Ⅳ級。

2)從準則層的安全指數數值來看，壓力、狀態(tài)和響應指數總體呈波動上升趨勢，壓力指數波動較大，2017年壓力指數最大，農用化肥施用量、農藥使用量和經濟密度均為最大值；狀態(tài)和響應指數相對穩(wěn)定，2018年狀態(tài)指數值最大，森林覆蓋率、林地面積、25°以上耕地、人均糧食產量和人均耕地面積都達到較高水平，土地生態(tài)安全狀態(tài)較好；2018年響應指數值最大，人均GDP達到最大值，說明綏化市土地生態(tài)安全狀況得以改善。

3)從灰色關聯(lián)度結果來看，GDP增長率、森林覆蓋率、25°以上耕地百分比和萬元GDP能耗4項指標與土地生態(tài)安全關聯(lián)度較大，主要影響土地生態(tài)安全狀態(tài)，可以通過改善經濟狀況，積極植樹造林，發(fā)展循環(huán)經濟，節(jié)能減排，坡地退耕還林等措施來提高土地生態(tài)安全水平。

4.2 建議

本研究以時間序列分析綏化市土地生態(tài)安全水平，運用PSR-EES模型和灰色關聯(lián)度法，能夠較好的分析綏化市近10年土地生態(tài)安全狀態(tài)，為了能夠更全面優(yōu)化綏化市土地安全狀態(tài)，后續(xù)研究從空間上分析土地生態(tài)安全水平和影響因素，在評價指標體系構建上增加驅動力和影響準則層，運用多種分析方法對土地生態(tài)安全進行預測。針對目前綏化市土地生態(tài)安全狀態(tài)，建議：積極發(fā)展二、三產業(yè)，提高地區(qū)經濟發(fā)展水平，以高效發(fā)展的經濟帶動區(qū)域土地生態(tài)安全水平的提升；完善城市公園和廣場綠化，提高綠化水平；25°以上耕地要退耕還林還牧，減少水土流失；提高能源利用效率；加大環(huán)境治理力度，減少化肥農藥和地膜使用量；嚴禁占用耕地，加強水土流失治理，加大農田水利設施建設，減輕對土地資源所造成的破壞；推進經濟欠發(fā)達區(qū)域后備土地資源的開發(fā)，提高農業(yè)機械化、電氣化和科技化水平，提高土地集約利用程度；加大對寒地黑土資源的保護力度，協(xié)調好人和土地之間的關系，合理適度地利用土地。