基于模糊集對分析法的土地生態安全評價——以揚州市為例

吳 未，魏衍英

（南京農業大學土地管理學院，江蘇南京210095）

土地生態安全是指在一定時間和空間范圍內，土地生態系統能夠保持自身結構、功能穩定或不受干擾的狀態[1]，它關系到人類社會的生存與發展，是土地資源可持續利用的核心和基礎[2]。然而，伴隨著城市化、工業化進程的加快，人類對土地利用的廣度和深度不斷增加，人地矛盾日益突出。加之，人類在進行生產活動時，習慣以環境作為代價來換取經濟發展，忽略對生態環境的保護，水土流失、森林植被破壞、土地退化、土壤污染、荒漠化、土地承載力下降等一系列土地生態環境問題頻繁發生，嚴重威脅著區域的生態安全，甚至威脅著整個區域的可持續發展。因此，如何對土地生態安全進行科學合理的評價顯得尤為重要。

目前，國外對土地生態安全的研究側重于土地生態安全評價的理論[3]、指標[4]、方法[5]、具體區域的實證研究[6-7]以及水、土等[8-9]重要資源評價問題的探討，而國內的研究主要涉及土地生態安全評價的理論與指標[10]、評價系統的研究[11-12]、土地承載力評價[13]、土壤質量評價[14]、土地沙漠化評價[15]以及土地生態安全評價[16-17]的實證研究等方面。

目前，對土地生態安全評價的研究主要是評價體系的建設和評價方法的選擇。由于研究視角與尺度的差異，土地生態安全評價指標體系并未統一，當前采用的指標體系主要借鑒世界銀行、聯合國糧農組織、聯合國開發計劃署及聯合國環境規劃署共同建立的《土地質量指標》，結合土地可持續評價構建指標體系，采用系統分解法，將土地生態系統分解為若干子系統，再選取適宜的評價指標對各子系統進行定量評價，最后通過對各子系統持續性的疊加，確定整個系統的安全等級。土地生態安全評價指標體系大致歸納為2種：一種是自然—經濟—社會概念框架模型，另一種是壓力—狀態—響應概念框架模型，也有學者將二者結合起來，以發揮其各自優勢。

在評價方法方面，主要是借鑒相鄰研究領域的方法，如生態足跡[18]、綜合指數[19-20]、主成分分析[21]、物元模型[22]、灰色關聯度[23]、景觀生態安全格局與景觀空間鄰接度[24]、數字生態安全[25]等方法。但由于土地生態系統處于動態變化之中，無法確定其處于哪種具體水平，也就是說沒有一個唯一固定的標準狀態，這無疑給土地生態安全評價增加了難度。

傳統的評價方法對評價過程中涉及到的不確定性研究不足，更不能對其進行很好的刻畫，而集對分析法能夠將不確定性和確定性在同一個系統中進行分析和處理，利用不確定性和確定性之間相互依存、相互聯系、相互滲透的特性，將不確定問題通過一定條件轉化成確定性問題，有效解決了不確定性問題[26-27]，而且已經被廣泛應用于水土資源承載力[28]、水質評價[29]、洪災風險評估[30]、經濟系統脆弱性評價[31]、生態系統健康評價[32-33]等領域，并且取得了比較良好的效果，但其在土地生態安全評價領域的應用仍未見報道。

本研究擬采用集對分析方法，基于2001—2010年揚州市土地生態安全的相關數據，進行土地生態安全狀況評價，以期在驗證該方法有效性和準確度的基礎上，豐富已有土地生態安全評價方法。

1 集對分析方法及模型構建

1.1 集對分析的原理

根據系統成對原理，任何事物或概念都是成對地存在，概念上完全純粹單一的集合無法獨立存在。集對分析從2個集合的同一、差異、對立等維度分析集對中2個集合確定性與不確定性的關系，用聯系數刻畫出其關聯程度。

如給定2個集合A 和B，假設組成集對H（Al，Bk），在某個具體問題背景W 下對集合H 展開分析，可得到N 個特性，其中S 個特性為集合A 和B 所共有，即同一；F 個特性屬于集合A 和B 既不對立又不共有的特性或分屬集合A 或B特性的合集，即差異；P 個特性為集合A 和B 所相對，即對立。此時，集合A 和B 的聯系度u 為：

式（1）中，a，b，c 分別為集合A 和B 在問題W 下的同一度、差異度和對立度，且滿足a＋b＋c＝1；I 和J 分別是差異度和對立度的標記系數，其中，I 取值為[-1，1]，J 取值為-1。又設bI＝b1I1＋b2I2＋…，則可得多元聯系度uA～B為：

式（2）中，a＋b1＋b2＋…＋bk－2＋c＝1；b1，b2，…bk－2為差異度分量，即差異度的不同級別或層次，如輕度、重度等；I1，I2，…，Ik－2為差異不確定分量系數。

通過聯系度u 可以確定集合A 和B 相互關聯的程度，確定評價指標等級。即評價指標值集合與評價等級標準指標值集合的聯系度越大，說明指標值隸屬于等級標準的程度越大。

1.2 模糊集對分析模型的構建

1.2.1 單一指標聯系度的計算 假設x 為某指標的指標值，則xl（l＝1，2，...，m；m 為指標數據個數）組成的集合為Al，且可把該指標第k 級評級標準看成集合Bk（k＝1，2，...，K；K 為評價等級數），則Al 與Bk 可構成一個集對H（Al，Bk）。

對于給定的l 和K，集對H（Al，Bk）對應的uAl～Bk存在信息重疊，而uAl～B1所含信息量最完整，故僅需要計算集對H（Al，B1）的聯系度uAl～B1作為H（Al，Bk）的uAl～Bk即可。

聯系度uAl～B1如式（3）或式（4）所示，其中，式（3）適用于當K＞2時的反向指標，且S1≤S2≤...≤SK-1；式（4）適用于當K＞2時的正向指標，且

1.2.2 指標系聯系度的計算 假設指標系為集合A，所有指標的1級評價標準為集合B，同理，集對H（A，B）的聯系度可以定義為：

式（5）中，wl為指標l 的權重，令：

1.2.3 評價等級的確定 采用置信度準則確定聯系度差異不確定分量系數，避免分級過程中的主觀性[34]，即：

式（6）中，λ 為置信度，hk對應的等級為k，一般在［0.50，0.70］內取值。

1.2.4 土地生態安全態勢值的確定 為了增加級別判斷的準確度，本研究按照評分準則，計算土地生態安全態勢值[35]，即：

式（7）中，Q 為土地生態安全態勢值，k 為土地生態安全所對應的等級；i 表示1，...，k，hi為等級k 取值i 時的態勢值（本研究取hi＝i），根據多個時間段的土地生態安全態勢值，可以繪制土地生態安全態勢圖，從而反映土地生態安全的總體狀況。

2 研究區概況及評價體系的構建

2.1 研究區概況

揚州地處江蘇省中部，南瀕臨長江、與鎮江隔江相望，西與安徽滁州毗鄰，西南與南京相連，北與淮安接壤，東與鹽城、泰州毗鄰，土地總面積6 591.2 km2，地形西高東低，北部為丘陵，沿江沿湖一帶為平原。屬亞熱帶季風性溫潤氣候向溫帶季風的過渡區。至2010年末，總人口459.12萬人，地區生產總值2 229.49億元，三產比為7.2∶55.1∶37.6。近年來，揚州市經濟發展迅速，但對土地生態安全問題重視不足。目前，揚州市水土流失面積已占土地總面積的27.1%，市區酸雨平均發生頻率為32.9%，高發期一度達到86.7%。

2.2 評價體系構建

本研究以PSR概念模型為基礎，結合揚州市土地利用的實際情況，遴選了23個評價指標，運用熵權法得出各指標權重；借鑒以往研究成果及實際需要，將土地生態安全等級標準劃分為I，II，III，IV，V共5個等級，且I～V安全狀況遞減（表1）。

3 結果與分析

3.1 各子系統土地生態安全分析

3.1.1 壓力系統土地生態安全分析 根據公式（3）～（7）計算揚州市土地生態壓力系統聯系度和態勢值，并最終確定壓力系統各年的安全級別（圖1、圖2）。結果表明，2001—2010年，揚州市土地生態安全壓力系統狀況基本呈現穩定狀態，處于II級水平，但在2008，2009年間出現波動性下降，變為III級。雖然2001—2007年安全級別一直為II級，但安全態勢值呈現波動，即在此期間土地生態壓力存在小幅度變化。表明由于人口增加、建設用地擴張、不合理的土地利用方式、人為破壞及自然因素等的綜合影響，揚州市土地生態系統面臨巨大的壓力，目前，揚州市人均耕地僅0.062 hm2，而按照世界糧農組織的一般標準，人均耕地面積小于0.080 hm2即為土地資源出現壓力的臨界值，說明揚州市人均耕地面積面臨嚴重壓力。另外，2001—2010年是揚州市城市化和工業化快速發展的時期，農藥、化肥等的大量使用，導致農業面源污染日趨明顯；2008，2009年土地生態系統壓力相對偏高，這是由于其工業三廢排放量遠遠高于其他年份，說明嚴格控制污染物排放，對維護土地生態安全有重要意義。

3.1.2 狀態系統土地生態安全分析 根據公式（3）～（7）計算揚州市土地生態狀態系統聯系度和態勢值，并最終確定狀態系統各年的安全級別（圖3、圖4）。結果表明，揚州市土地生態狀態在2001—2010年間呈現波動上升的趨勢；2006年以前，狀態系統整體呈持續上升趨勢，其中，2001—2003年變化幅度較大，從IV級迅速上升為II級，而2004—2006年間雖然一直維持在Ⅱ級。但由圖3可知，狀態系統與Ⅱ級水平的隸屬程度有所增加，態勢值持續下降，也就是說在此期間揚州市土地生態狀況實質上是好轉的，這與環境保護響應力度的提升是密不可分的；各級政府高度重視生態環境，大力植樹造林，節能減排，改善水環境，不斷提高生態環境質量。自2007年起，揚州市土地生態狀態出現惡化現象，這種狀況在2008，2009這2 a表現尤為明顯，主要歸因于揚州市自然災害頻發，水土流失問題長期未得到有效解決，嚴重影響了全市土地生態系統健康維護，導致土地生態安全狀況下降。

3.1.3 響應系統土地生態安全分析 根據公式（3）～（7）計算揚州市土地生態響應系統聯系度和態勢值，并最終確定響應系統各年的安全級別（圖5、圖6）。結果表明，土地生態響應態勢值與等級變化一致，2001—2010年間，揚州市土地生態響應系統呈現持續好轉的趨勢，由2001年的Ⅲ級逐漸上升為2010年的I級，發展態勢良好。由于環境保護、資源節約等觀念日益深入人心，揚州市生態環境的響應力度持續增加。近年來，揚州市先后開展“揚州市生態市建設規劃”項目，創建“綠色社區”活動，加大環保設施投入，重點對3大湖泊3 000 m范圍內全面實施“三退三還”，建設環湖200 m的生態、景觀、防護林帶，僅2010年市區新增綠地就達154萬m2。這就是在土地生態壓力、狀態惡化時，土地生態系統仍然可以維持較安全水平的原因。因此，在加強生態問題治理的同時，更要注重對現有生態環境的保護，以預防為主、防治結合。

3.2 土地生態安全總體結果分析

根據集對分析得出（圖7，8），研究期內揚州市土地生態安全與I級標準的聯系度變化不太明顯，而與II級標準的聯系度波動較大，這是土地生態安全變化的主要表現；與III級標準的聯系度在2008年達到最大，這也在一方面降低了土地生態安全與I級、II級標準的聯系度。土地生態態勢值也出現波動性下降，以具體數值的形式展現土地生態安全的變化。總體看來，揚州市2001—2010年間的土地生態安全整體形勢較好，呈好轉態勢，處于較安全水平，但2001，2002，2008年土地生態安全處于III級。

揚州土地生態安全首次好轉出現在2003年，其原因：（1）2001—2007年間揚州市大力加快城市化進程，突出表現在經濟密度、萬人擁有高校在校人數、人均GDP指標上，其在2001—2007年的年均增長率分別為24.83%，16.67%，24.14%，而相應指標在2001—2002年的年均增長率為9.10%，16.08%，8.75%，均低于2001—2007年的平均增長率；（2）2002年以前，三廢排放量增長迅速，農藥化肥過度使用，狀態子系統在2001，2002年分別呈現出較不安全、一般安全狀態，加上人們的環保意識不強，生態安全響應不足，造成揚州市自身的土地生態安全綜合水平較低的局面；（3）2002年，揚州市開始對舊城區進行全面改造，鋪設污水截流管道、疏浚河底、修建河道，加大對生態系統的響應力度，減少生態壓力，這些措施在一定程度上改善了土地生態安全水平，例如，地表水功能區水質達標率從2001年的62%迅速增長至2002年的98.61%，但改善活動并不完全是立竿見影的，它需要一個作用過程，這就是為什么直到2003年土地生態安全綜合水平才表現出明顯好轉。

揚州市土地生態安全第2次好轉出現在2009年。2008年，揚州市氣象災害多發，且影響程度較為嚴重，工業廢氣排放密度一度達到近10 a來的最大值，工業廢水的排放密度也較之前有所增加，環境治理力度并未明顯增強，加上之前環境污染治理不徹底，導致生態問題再次顯現。2009年以后，由于采取了積極環保措施，三廢達標排放率和綜合利用率大幅度上升，這對研究區土地生態環境產生了積極影響，另外，由于科教投入加大，接受高等教育人群擴大，環保和生態意識深入生活，也是研究區土地生態安全水平提升的主要因素。

雖然揚州市土地生態安全整體呈現較好的狀態，但也出現了2008年的波動狀況，這是由極端自然災害（如暴雪）帶來的土地生態壓力增加所致。但也反映出土地生態系統自身的恢復、調節能力以及人類面對突發土地生態問題的反應、處理能力有待提高，環境管理的任務依然艱巨。

3.3 土地生態安全形成原因分析

土地生態安全狀況是各個子系統共同作用形成的，但各子系統、評價指標的作用大小和程度卻不盡相同。本研究采用熵權法進行權重確定，依據其原理，如果某個指標的熵值越小，就表明其指標值的變異程度越大，提供的信息量也越大，在評價中所起的作用也越大，其權重也應越大[36]。因此，可以通過分析揚州市土地生態安全各評價指標的權重來探討影響其土地生態安全狀況的原因。

根據表1中的權重值，從各子系統來看，壓力系統在揚州市土地生態安全評價體系中所占權重最大，是揚州市土地生態安全狀況最主要的決定因素，應成為今后一段時期內揚州市土地生態安全調控的重點。揚州市土地生態壓力主要來自人口增加、建設用地擴張、不合理的土地利用方式、人為破壞及自然因素等的綜合影響。2001—2010年是揚州市城市化和工業化快速發展的時期，農藥、化肥等大量使用、工業“三廢”排放量迅速增加，這無疑給土地生態安全造成巨大壓力。狀態系統權重稍微較小，是壓力、響應系統作用結果的反映，對土地生態安全的貢獻相對較小。響應系統權重適中，對壓力系統有一定的影響和牽制作用，是土地生態安全狀況好轉最有力的驅動因素。土地生態系統的各個系統相互作用、相互影響，共同維持揚州市的土地生態安全。

從具體指標來看，根據表1中單個指標的權重值，2001—2010年間二氧化硫年日平均值的權重為0.073 4，對研究區土地生態安全負面貢獻率最大；森林覆蓋率的權重為0.052 2，對土地生態安全的正面貢獻率最大；另外，還有空氣質量指數、農民人均純收入、經濟密度、環保投資指數4個指標的權重平均超過0.05，充分說明了這些指標對揚州市土地生態安全水平有重要的影響。近年來，揚州市經濟迅速發展，經濟密度由2001年的761.92萬元/km2迅速增長到2010年的3 360.67萬元/km2，增長了341%，人們在沉浸于經濟發展好成績的同時，忽略了對生態系統的保護，致使經濟發展與土地生態保護之間的矛盾越來越尖銳，土地生態系統壓力巨大；另外，揚州市三產結構不夠優化，工業所占比例過大，三廢排放不合理，也造成了不同程度的污染。但森林覆蓋率、空氣質量指數等正向指標不斷增加，并且維持在一個較高的水平，使得揚州市空氣質量好轉，對緩解土地生態壓力、維護土地生態安全產生了重要作用。揚州市土地生態安全的好轉更得益于近年來開展的環境治理。政府環保投資的增加，在一定程度上改善了土地生態環境，農民收入的增加則是環保投資得以實行的基礎。此外，雖然科教投入占GDP的比例、萬人擁有高校在校學生數所占比例雖然不大，但它能從某種程度上展現政府對環境保護的關注度及居民的環保意識，是維持土地生態安全的重要保障。

4 結論與討論

（1）本研究基于壓力—狀態—響應模型構建了揚州市土地生態安全評價指標體系，運用集對分析法對揚州市2001—2010年的土地生態安全進行評價。結果表明，揚州市土地生態安全整體有上升態勢，為II級，但也不乏波動性下降，這在2008年表現尤為明顯。因此，需要鞏固已取得的成果。其中，土地生態壓力系統在2007年以前比較穩定，一直是II級，但在2008—2009年間壓力突然增大，尤其是在工業固廢排放密度、單位面積耕地化肥負荷等方面；狀態系統與土地生態系統總體變化趨勢較一致，逐年不斷改善，但由于受到壓力系統的影響，在2008，2009這2 a出現了一定程度的惡化；土地生態響應系統的狀況持續上升，主要表現在環保投資指數、農民人均純收入等方面。下一階段，政府環保工作的重點一方面是不斷提高人們的生活水平，加大水土流失治理力度，另一方面是控制人口增長、不斷提高科技水平和增加投入、大力保護耕地，引導農民合理施用農藥化肥。

（2）集對分析法將待評定樣本與標準樣本組成一對，逐個比較其同一、差異及對立特性，從不同側面刻畫出2個集合的相互關系。由于土地生態安全的不確定性和模糊性，采用模糊分析法計算土地生態系統的聯系度，更加有效地利用了指標信息，使得評價結果更為客觀，可信度更高。將模糊集對分析法用于揚州市土地生態安全分析與評價，評價結果符合揚州市實際情況，能夠基本反映揚州市土地生態安全的整體發展趨勢。本文作為研究方法的探討，嘗試將模糊集對分析法應用于土地生態安全評價中，基本達到預期的研究目的。但模糊集對分析結果的可靠性依賴于分級標準的準確性，雖然該方法對處理不確定性問題具有很好的應用價值，本研究也在計算聯系度時對等級標準進行了模糊處理。然而，任何理論方法都是對客觀世界的近似，土地生態安全評價研究還需要在實踐中不斷深入和完善。

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