徐州市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)

李文華，雍新琴

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

土地資源是人類物質(zhì)生活的基礎(chǔ)，是萬(wàn)物之源，人類的一切活動(dòng)都依賴于此而實(shí)現(xiàn)[1]。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展引發(fā)了許多土地生態(tài)安全問(wèn)題，例如土壤污染﹑生物多樣性減少﹑水土流失等，這些問(wèn)題破壞了土地的生態(tài)平衡性，給區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。土地生態(tài)安全是土地資源可持續(xù)利用的核心要素[2]，通過(guò)對(duì)土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，可以客觀反映區(qū)域土地生態(tài)安全狀況，掌握其發(fā)展態(tài)勢(shì)，為土地資源的合理利用﹑保護(hù)和規(guī)劃提供參考依據(jù)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多角度﹑多模型﹑多方法等方面在土地生態(tài)安全的研究上做了許多探索并取得不少研究成果。常見(jiàn)的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型有壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[3]﹑CLUE-S 模型[4]和自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)模型[5]。評(píng)價(jià)方法主要包括主成分分析法[5]﹑綜合指數(shù)法[6]﹑TOPSIS 法[7]﹑BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[8]等。隨著科技的不斷發(fā)展，GIS 成為土地安全評(píng)價(jià)研究中至關(guān)重要的技術(shù)手段，為該研究作出不少貢獻(xiàn)。由于徐州市擁有多年的煤炭開(kāi)采歷史，長(zhǎng)期的開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致大片土地被破壞，地面塌陷現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這對(duì)徐州市的土地生態(tài)安全構(gòu)成了一定的威脅。因此，對(duì)徐州市土地生態(tài)安全進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)具有重要意義。

本文從壓力﹑狀態(tài)和響應(yīng)三個(gè)角度選取14 個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用綜合賦權(quán)的方法確定指標(biāo)權(quán)重，并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)求和，得到2012—2021 年徐州市土地生態(tài)安全狀況。最后，根據(jù)徐州市近10年的土地生態(tài)安全狀況，對(duì)其2025—2030 年土地生態(tài)安全進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西部，是華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)﹑科技﹑文化﹑金融﹑醫(yī)療﹑外貿(mào)等多個(gè)領(lǐng)域的重要樞紐，地形以平原為主，中東部有少量丘陵山區(qū)，氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)，該地區(qū)降水相對(duì)集中，四季分明。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于徐州市統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站公布的2013—2022 年《徐州市統(tǒng)計(jì)年鑒》，以及徐州市人民政府公布的數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

本文以PSR 模型為基礎(chǔ)，結(jié)合土地生態(tài)安全內(nèi)涵與徐州市實(shí)際情況，在遵循科學(xué)性﹑可比性﹑可操作性等原則下，考慮社會(huì)﹑經(jīng)濟(jì)﹑環(huán)境等方面對(duì)土地生態(tài)安全的影響程度，篩選出14 個(gè)指標(biāo)（表1），構(gòu)成了徐州市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及社會(huì)﹑經(jīng)濟(jì)﹑環(huán)境等多個(gè)方面，各類指標(biāo)數(shù)據(jù)在正負(fù)性質(zhì)﹑量綱性質(zhì)上存在差異，因此將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化。本研究通過(guò)極差標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中:

正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

式中:Xij為各指標(biāo)的真實(shí)數(shù)值，i=1…m，表示研究期數(shù)；j=1…n，代表評(píng)價(jià)指標(biāo)；Xjmax﹑Xjmin為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

2.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

由于主觀賦權(quán)法多依賴于專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，具有主觀性，因此需結(jié)合客觀賦權(quán)法來(lái)保證賦權(quán)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。本文采用AHP 法與熵權(quán)法結(jié)合的綜合賦權(quán)法，既能削弱層次分析法中的主觀因素對(duì)權(quán)重的影響，也能使熵權(quán)法賦權(quán)結(jié)果更具現(xiàn)實(shí)意義[9]。

2.2.3 .1 層次分析法

利用yaahp 軟件，將目標(biāo)分解成各層次和要素，并依據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)對(duì)各要素對(duì)目標(biāo)的重要影響程度進(jìn)行相對(duì)排序，從而得到各指標(biāo)權(quán)重。第一步，先構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，將其分為目標(biāo)層﹑中間層﹑指標(biāo)層三層，即指標(biāo)層由14 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，壓力﹑狀態(tài)﹑響應(yīng)三部分構(gòu)成中間層，目標(biāo)層為徐州市土地生態(tài)安全；第二步，通過(guò)兩兩對(duì)比的方式，確定各要素對(duì)上一層次影響程度的大小，從而構(gòu)成判斷矩陣；第三步，分別計(jì)算判斷矩陣最大特征根和特征向量，判斷其一致性檢驗(yàn)是否合格，將歸一化后體征向量作為權(quán)重值；若不合格，則重新匹配構(gòu)成矩陣直到一致性檢驗(yàn)合格。

2.2.3 .2 熵權(quán)法

指標(biāo)的信息熵﹑權(quán)重的具體計(jì)算見(jiàn)公式（3）~（4）:

2.2.3 .3 綜合賦權(quán)法

將以上兩種方法獲取的各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行平均加權(quán)求和，得到每個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重（表2）。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)趨向性及權(quán)重

2.2.4 土地安全綜合指數(shù)

根據(jù)上述中各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)值﹑各指標(biāo)權(quán)重，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，得到土地生態(tài)安全綜合指數(shù)，采用公式（6）進(jìn)行計(jì)算:

式中:Qi為第i年的安全評(píng)價(jià)綜合值；Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；Dj為第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.2.5 土地生態(tài)安全等級(jí)劃分

依據(jù)徐州市土地安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和區(qū)域?qū)嶋H情況，參考前人研究成果[10-13]，得到徐州市土地生態(tài)安全狀況判定等級(jí)（表3）。隨著綜合數(shù)值的增加，區(qū)域內(nèi)土地生態(tài)安全情況呈現(xiàn)逐步好轉(zhuǎn)的態(tài)勢(shì)；相反，當(dāng)綜合數(shù)值逐漸減少后，區(qū)域內(nèi)的土地生態(tài)安全形勢(shì)則逐步惡化。

表3 土地生態(tài)安全等級(jí)劃分

2.2.6 灰色預(yù)測(cè)模型GM（1，1）

建模的第一步，對(duì)原始數(shù)據(jù)X（0）={x（0）（i），i=1，2，…，n}進(jìn)行一次累加計(jì)算，得到以下累加序列:

將a、u導(dǎo)入時(shí)間序列，然后將求導(dǎo)得到還原式:

通過(guò)后驗(yàn)差來(lái)檢驗(yàn)精確度，通常C<0.65，即代表可以使用灰色預(yù)測(cè)模型:

式中:S1為原始數(shù)列x（0）（k）的均方差，S2為絕對(duì)殘差數(shù)列的均方差，為殘差均值，P為小誤差概率。

3 結(jié)果與分析

3.1 徐州市土地安全等級(jí)

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出徐州市2012—2021 年土地生態(tài)安全等級(jí)（表4）和土地生態(tài)安全狀況演變態(tài)勢(shì)（圖1）。

圖1 2012—2021 年徐州市土地生態(tài)安全指數(shù)

表4 2012—2021 年徐州市土地生態(tài)安全狀況

3.2 土地生態(tài)安全子系統(tǒng)結(jié)果分析

3.2.1 土地生態(tài)安全壓力系統(tǒng)分析

徐州市土地生態(tài)安全的壓力指數(shù)波動(dòng)較小，整體呈上升趨勢(shì)。可以看出，壓力指數(shù)由2012 年的0.1858 下降至2014 年的0.1154，這主要是由于2012—2014 年單位耕地面積農(nóng)用化肥用量從889.45 kg/hm2下降到868.42 kg/hm2，降幅為2.36%，在一定程度上減少了土地生態(tài)的壓力；到2015 年，指數(shù)由0.1154 上升到0.2029，隨著城市化率的提高會(huì)加劇土地生態(tài)的壓力；2015—2017 年壓力指數(shù)波動(dòng)較小，土地生態(tài)壓力較穩(wěn)定；2017—2019 年，壓力指數(shù)由0.2039 下降到0.1446，同樣由于單位耕地面積農(nóng)用化肥用量從722.41 kg/hm2下降到651.82 kg/hm2，降幅為9.77%，降幅較大，減輕了土地生態(tài)壓力；到2021 年，指數(shù)由0.1446 上升到0.2157，由于人口密度和人口自然增長(zhǎng)率的上漲，土地生態(tài)壓力逐漸加大。近10 年來(lái)，影響徐州市土地生態(tài)壓力指數(shù)下降的原因主要是耕地的化肥用量減少，壓力指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)是由于城市化率的不斷提升，2021 年較2012 年增幅18.4%，導(dǎo)致土地生態(tài)壓力的不斷增加。

3.2.2 土地生態(tài)安全狀態(tài)系統(tǒng)分析

徐州市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)基本呈現(xiàn)較穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，整體呈略微下降趨勢(shì)。狀態(tài)指數(shù)2012—2013 年由0.2675 下降到0.1781，主要是糧食單產(chǎn)下降4.25%；2013—2014 年?duì)顟B(tài)指數(shù)上升到0.3039，達(dá)到近10 年?duì)顟B(tài)指數(shù)峰值的原因是人均耕地面積增幅0.75%﹑建成區(qū)綠地覆蓋率由42.9%上升到43.3%﹑森林覆蓋率由32.1%提高到32.31%﹑糧食單產(chǎn)增幅3.54%；2014—2016 年?duì)顟B(tài)指數(shù)由0.3039 下降到0.2078，是由于森林覆蓋率降幅為14.26%，森林覆蓋率減少使得土地自我恢復(fù)能力變?nèi)?，一定程度上破壞了土地生態(tài)安全水平；2016—2021 年?duì)顟B(tài)指數(shù)波動(dòng)幅度較小，均在0.2~0.3 之間，即2016—2021年徐州市土地生態(tài)安全狀態(tài)較穩(wěn)定。狀態(tài)指數(shù)整體呈略微下降趨勢(shì)的主要原因是人均耕地面積的減少及森林覆蓋率的下降。為保證徐州市土地資源安全狀態(tài)良好，應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)對(duì)自然資源生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度，采用植樹(shù)造林﹑耕地保護(hù)等綜合措施，提升森林覆蓋率，有效增強(qiáng)土地水土保持和自我恢復(fù)能力。

3.2.3 土地生態(tài)安全響應(yīng)系統(tǒng)分析

徐州市的土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)由2012 年的0.0233 上升到2021 年的0.2258，整體呈上升趨勢(shì)。這是由于隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)﹑城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，徐州市2021 人均GDP 相較于2012 年漲幅91.2%，第三產(chǎn)業(yè)比例漲幅7.8%﹑農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平上漲25.2%﹑一般工業(yè)固體廢物綜合利用率上漲5.79%﹑污水處理率上漲21.56%。由此可見(jiàn)，徐州市政府關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及改善民生等問(wèn)題，及時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行反饋與響應(yīng)，各項(xiàng)指標(biāo)均有提高。

3.2.4 土地生態(tài)安全綜合分析

徐州市2012—2021 年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)由0.4766 上升到0.6683，安全等級(jí)從臨界安全到較安全，在很大程度上提高了區(qū)域土地生態(tài)安全。據(jù)表4 與圖1，2012—2013 年﹑2015—2016 年﹑2017—2018 年三個(gè)時(shí)期土地安全綜合指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因主要是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，城鎮(zhèn)化不斷提高，以及人口密度﹑人口自然增長(zhǎng)率加大，導(dǎo)致土地資源安全壓力加大，加重了土地負(fù)擔(dān)。自2018 年起，徐州市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的態(tài)勢(shì)，由0.4683 上升到0.6683，主要原因是人口自然增長(zhǎng)率從8.26%下降到1.25%，單位耕地面積農(nóng)用化肥量下降27.6%。另外單位面積糧食產(chǎn)量﹑污水處理率﹑一般工業(yè)固體廢物綜合利用率﹑第三產(chǎn)業(yè)比例﹑農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平等指標(biāo)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在很大程度上緩解了土地生態(tài)安全壓力，從而使得土地生態(tài)安全綜合指數(shù)不斷提高。在過(guò)去的10 年中，徐州市的土地生態(tài)安全狀況呈現(xiàn)出逐步提升的趨勢(shì)，但生態(tài)安全大多處于臨界安全級(jí)別，即部分土地生態(tài)環(huán)境被破壞，土地生態(tài)功能有退化，土地的生態(tài)恢復(fù)和重建較困難。2021 年安全等級(jí)達(dá)到較安全級(jí)，但要達(dá)到安全級(jí)別仍然任重道遠(yuǎn)。

3.3 灰色模型GM（1，1）預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)建立灰色模型GM（1，1），對(duì)徐州市2025—2030 年土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)徐州市2012—2021 年原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的預(yù)測(cè)結(jié)果是:C=0.4852，P=0.7500。根據(jù)表5 可知，該模型精度等級(jí)合格，說(shuō)明可利用該模型對(duì)土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，2025—2030 年徐州市生態(tài)安全狀態(tài)不斷提升，預(yù)測(cè)值由0.7183 上升到0.8725（表6，圖2），狀態(tài)等級(jí)由較安全級(jí)過(guò)渡到安全級(jí)。

圖2 徐州市2012—2030 年土地生態(tài)安全狀況變化趨勢(shì)

表5 精度等級(jí)判定表

表6 土地生態(tài)安全預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）在研究期內(nèi)，徐州市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)由0.1858 上升到0.2157，整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，主要原因是城市化率的不斷提高，使得土地生態(tài)壓力與日俱增。

（2）在研究期內(nèi)，徐州市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)由0.2675 下降到0.2267，整體呈略微下降趨勢(shì)，這是由于人均耕地面積的不斷減少以及森林覆蓋率的降低，從而使土地資源生態(tài)安全產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。

（3）在研究期內(nèi)，徐州市土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)由0.0233 上升到0.2258，整體呈顯著上升趨勢(shì)，這歸功于第三產(chǎn)業(yè)比例﹑污水處理率﹑人均GDP 等各項(xiàng)指標(biāo)的提升，以及政府部門(mén)對(duì)生態(tài)保護(hù)﹑改善民生的重視。

（4）2012—2021 年，徐州市土地生態(tài)安全綜合數(shù)值由0.4766 上升到0.6683，整體呈曲折波動(dòng)上升趨勢(shì)，土地安全狀態(tài)由“臨界安全級(jí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拜^安全級(jí)”。運(yùn)用灰色模型GM（1，1）對(duì)2025—2030 年徐州市土地生態(tài)安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，未來(lái)徐州市土地生態(tài)安全綜合值將保持上升趨勢(shì)，土地生態(tài)安全綜合指數(shù)由2025 年的0.7183上升到2030 年的0.8725，土地生態(tài)安全狀態(tài)由“較安全級(jí)”上升到“安全等級(jí)”。

5 討論

（1）研究結(jié)果表明，徐州市2012—2021 年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，土地安全狀況由“臨界安全級(jí)”向“較安全級(jí)”過(guò)渡。其中，人口密度上漲﹑城市化率提高﹑森林覆蓋率下降﹑人均耕地面積減少等都在一定程度上影響了徐州市土地生態(tài)安全水平的提高。因此，為了不斷提升徐州市的土地資源生態(tài)水平，徐州市需采取針對(duì)性措施，包括保持合理的人口密度﹑保護(hù)耕地﹑科學(xué)修復(fù)土地﹑加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)意識(shí)等，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)﹑維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）根據(jù)對(duì)2025—2030 年徐州市土地生態(tài)安全水平進(jìn)行預(yù)測(cè)可知，未來(lái)土地安全水平呈不斷上升趨勢(shì)，由“較安全級(jí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍踩燃?jí)”，即土地生態(tài)安全狀況較好，生態(tài)功能基本完整，恢復(fù)與再生能力較強(qiáng)。要達(dá)到該理論預(yù)測(cè)值的目標(biāo)，徐州市未來(lái)的工作重點(diǎn)應(yīng)放在如何將土地生態(tài)安全水平提升至“安全等級(jí)”上，即在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展﹑提高居民收入﹑改善民生的同時(shí)，應(yīng)加大生態(tài)保護(hù)力度，進(jìn)一步減少農(nóng)用化肥用量，以及工業(yè)污染排放；利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，完善土地生態(tài)保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施，提高自我抵御﹑修復(fù)能力，更好地提升徐州市土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）本文根據(jù)徐州市實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)的可獲取性，選取14 個(gè)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)設(shè)計(jì)的全面性和科學(xué)性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)；另外在數(shù)據(jù)時(shí)間的選取上，僅分析了近10 年的數(shù)據(jù)，若拓寬研究時(shí)長(zhǎng)，可以更科學(xué)客觀地體現(xiàn)和預(yù)測(cè)徐州市土地生態(tài)安全狀況及其演變趨勢(shì)。