基于PSR模型的安徽省土地生態安全動態評價

摘要：基于PSR框架模型，構建安徽省16個地市土地生態安全評價指標體系，運用熵權法確定各指標權重，計算出安徽省2000 — 2011年土地生態子系統安全值，并運用灰色預測GM（1，1）模型對安徽省2012 — 2017年土地生態子系統趨勢進行預測。結果表明，安徽省2000 — 2017年土地生態安全值整體呈波動上升趨勢，各地市土地生態安全水平差異明顯，平均值由2000年的0.442上升到2017年的0.450，同時，安徽省土地生態安全各子系統中狀態指數和響應指數上升；灰色預測GM（1，1）模型有較高的模擬精度，能夠較好地預測2012 — 2017年安徽省土地生態安全等級及其各子系統的發展趨勢；影響安徽省土地生態安全的主要因素有人均耕地面積、人口密度、人口自然增長率、城鎮化水平、水土協調度、農業機械化水平、自然保護區面積比重等，是今后調控的重點。

關鍵詞： 土地生態安全；PSR模型；灰色預測GM（1，1）模型；動態分析；安徽省

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0589-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.011

Abstract： Based on PSR framework method， the land ecological security evaluation index system of 16 cities of Anhui province was constructed. The land ecological security value of subsystem in Anhui province from 2000 to 2011 was calculated using the index weight which was determined by the entropy weight method， and land ecological security trend from 2012 to 2017 was forecasted using grey prediction GM（1，1） model. The results indicate that， the land ecological security index in Anhui province from 2000 to 2017 was rising on the whole， with the average value increasing from 0.442 in 2000 to 0.450 in 2017， and there was a huge difference among cities； at the same time， the state index and response index of each subsystem of land ecological security also rose. GM（1，1） model had high simulation precision and was able to predict the land ecological security level and the development trend of each subsystem of Anhui province from 2012 to 2017. The main factors that influence the land ecological security of Anhui province included the farmland areas per person， population density， natural growth rate of population， urbanization level， soil coordination degree， agricultural mechanization degree， and the proportion of nature reserves， which are the focus of land ecological security regulation in the future.

Key words： land ecological security；PSR model；grey prediction GM（1，1） model；dynamic analysis；Anhui province

土地生態安全是土地可持續利用的核心和基礎，土地生態安全研究已成為當前土地可持續利用研究的前沿課題[1]。隨著人類對土地的不合理利用，土地生態安全問題愈演愈烈，引起了人們的廣泛關注和重視，眾多學者對土地生態安全展開了研究[2]。綜合已有研究成果，筆者認為土地生態安全是指在一定的時空范圍內，土地生態系統能夠保持其結構與功能在受到外界干擾時，系統本身能夠通過自身的調節功能保持其處于不受威脅或少受威脅的穩定的動態平衡的狀態，并能夠為保障人類社會經濟與農業可持續發展提供穩定、均衡、充裕的自然資源，從而維持土地自然、社會、經濟復合體長期協調發展。目前，國內土地生態安全評價尚屬起步階段，研究多停留在市域土地生態安全現狀的分析，無法揭示省域土地生態安全的變化規律及發展趨勢。但是，省域的土地生態安全研究結果對省域的經濟發展規劃和生態保護規劃有重要意義。因此，本試驗以安徽省作為研究對象，基于2000 — 2011年的基礎數據，采用綜合評價法對安徽省土地生態安全狀況進行分析，同時，采用灰色預測GM（1，1）模型對安徽省2012 — 2017年土地生態安全水平進行預測，以期為安徽省土地資源的可持續利用與管理提供理論基礎和決策參考。

1 材料與方法

1.1 PSR模型及指標體系

1.1.1 PSR框架模型 PSR框架是聯合國經濟合作組織為測度世界環境狀況而提出的一種評價框架，其揭示了環境保護的“作用-反饋-作用”循環機制，體現過程與結果的協調互動關系，被眾多學者引用到土地評價研究中，如土地質量評價、土地生態安全評價等。PSR框架用于宏觀層面的土地生態安全評價中，能夠反映土地生態壓力、狀態、響應系統三者之間“作用-反饋-作用”循環協調關系。

1.1.2 PSR土地生態安全評價指標體系 結合土地生態安全的概念和實際情況，本研究從資源、環境、人文社會壓力與土地質量、自然環境狀態以及社會經濟、環境響應3個維度選取指標，結合國內相關成果[3-5]構建宏觀層面的安徽省土地生態安全評價指標體系。

1）壓力維度。經濟的發展必然對當地的資源環境和社會人文產生壓力，因此，對土地生態安全的評價要考慮緩解壓力的程度，這種壓力維度反映了各行業的發展對土地生態安全的影響。在遵循科學性、代表性和可獲取性原則的同時需考慮區域內的可比性，本研究選擇人均耕地面積、人口密度2個指標表示資源壓力；選取單位播種面積化肥負荷、單位播種面積農藥負荷、單位土地工業廢水負荷、單位耕地地膜使用量4個指標代表環境壓力；選取人口自然增長率、城鎮化水平代表人文社會壓力。一般認為，人均耕地面積越多，城鎮化水平越高則壓力越小，為正向指標；反之，單位播種面積化肥負荷、單位播種面積農藥負荷、單位土地工業廢水負荷、單位耕地地膜使用量、人口自然增長率越高則壓力越大，指標性質為負向。

2）狀態維度。區域內自然環境狀態集中反映了該區域的生態狀況，因此，選取森林覆蓋率、水土流失率、土地墾殖率代表自然環境狀況；選取水土協調度、單位面積糧食產量、農業機械化水平代表土地質量狀態。其中，水土流失率，即中度以上水土流失面積占土地面積的比重；土地墾殖率，即耕地面積占土地面積比重；水土協調度為有效灌溉面積占耕地總面積的比重；農業機械化水平指單位農作物播種面積上的農機總動力，計量單位為kW/hm2。上述6個指標中，森林覆蓋率、水土協調度、單位面積糧食產量、農業機械化水平為正向指標，水土流失率、土地墾殖率為負向指標。

3）響應維度。反映了面對壓力和當前狀態所采取的對策與措施。因此，選取自然保護區面積比重、工業廢水達標排放率作為環境響應，選取萬元GDP消耗、第三產業占GDP比重、單位土地面積GDP作為社會經濟響應。其中，自然保護區面積比重、工業廢水達標排放率、第三產業占GDP比重、單位土地面積GDP為正向指標，萬元GDP消耗為負向指標。

1.2 研究區域概況與數據來源

1.2.1 研究區域概況 安徽省位于中國東部，長江下游，位于東經114°54′ — 119°37′與北緯29°41′ — 34°38′，下轄16個地市，省會合肥。區域總面積13.96萬km2，2010年底總人口6 862萬。安徽地處暖溫帶與亞熱帶過度地區，全省年平均氣溫在14～17 ℃，地形地貌以平原、丘陵和低山為主，平原與丘陵、低山相間排列。全省大致分為5個自然區域，分別為淮北平原、江淮丘陵、皖西大別山區、沿江平原和皖南山區。平原面積占全省總面積的31.3%。因安徽省于2011年撤銷巢湖市，目前全省共16個地級市，為確保數據準確性，研究中不包括巢湖市數據。

1.2.2 數據來源 主要來源于《安徽省統計年鑒》（2001 — 2012年）和各地市統計年鑒及國民經濟和社會發展統計公報（2001 — 2012）。

1.3 研究方法

1.3.1 指標標準化及權重確定 由于土地生態安全評價各指標的量綱不一致，需要對指標進行無量綱化處理。本研究采用直線型無量綱數學方法，計算土地生態安全各評價指標的安全指數，其方法如下：

假設某一指標實際值為Xi（i=1，2，…，n），評價指標的基準值為Si（i=1，2，…，n），該指標的安全指數為P（Xi）。①土地生態安全正向指標安全指數。若Xi≥Si，則P（Xi）=1；若XiSi，則P（Xi）=Si/Xi。

為了使評價結果能夠客觀、合理地反映安徽省實際情況，采用客觀性較強的熵權法進行計算。公式為：

wi= （1）

Ei=-BilnBi/lnn （2）

Bi=P（Xi）/P（Xi） （3）

式中，wi為第i個指標的權重，Ei為第i個指標的熵值。結果如表1所示。

1.3.2 建立土地生態安全評價模型 土地生態安全單項指標安全指數計算公式為：

Si=wiP（xi） （4）

安徽省土地生態安全現狀用單層指標生態安全值從不同方面有所反映，但對指標進行綜合計算可以更全面地反映該區域生態安全現狀，土地生態安全綜合指數計算公式為：

P=Si=wiP（xi） （5）

式中，P為土地生態安全綜合指數；n為生態安全指標的個數。根據土地生態安全綜合指數，參考國內外有關標準和已有的相關研究成果[6-8]，以非等間距的方式確立了安徽省5級土地生態安全評判標準（表2）。其中生態安全值越大，表明區域土地生態安全狀況就越好；反之就越差。

1.3.3 灰色預測GM（1，1）模型 采用灰色預測GM（1，1）模型對未來的各土地生態安全值進行了預測，其預測結果是該系統在未來各個時刻的具體數值。具體計算方法參見文獻[9-11]。

2 結果與分析

2.1 2000 — 2011年安徽省土地生態系統安全值

基于上述的土地生態安全評價模型，計算得2000 — 2011年安徽省土地生態子系統安全值（表3）。對表3中各市各年度生態子系統值加和得到安徽省2000 — 2011年土地生態系統安全值（表4）。

2.2 安徽省2012 — 2017年土地生態系統安全值預測

運用灰色預測GM（1，1）模型對表3中各市2000 — 2011年子系統的安全值進行檢驗，結果表明安徽省土地生態安全各子系統的均方差比（c）均小于0.35，小誤差概率（P）均大于0.95，預測精度等級為一級。說明灰色預測GM（1，1）模型可以用來預測安徽省土地生態安全趨勢，由此得到2012 — 2017年安徽省土地生態子系統預測值（表5）。對表5中的各子系統數據加和得到2012 — 2017年安徽省土地生態系統安全值（表6）。

2.3 安徽省2000 — 2017年土地生態系統安全值分析

1）從土地生態安全值的級別上看，大部分地級市生態安全值呈波動上升態勢。2000年安徽省16個地級市土地生態安全值在0～0.4（惡劣）的有8個城市，分別為合肥、淮北、蚌埠、阜陽、淮南、馬鞍山、蕪湖、銅陵；安全值在0.4～0.6（較差）的有5個地級市，分別為亳州、滁州、安慶、六安、宿州；土地生態安全值在0.6～0.7（一般）之間的是宣城；土地生態安全值在0.7（良好）以上有2個，分別是池州和黃山。2011年土地生態安全值在0～0.4（惡劣）的有9個，分別為合肥、淮北、宿州、蚌埠、淮南、滁州、馬鞍山、蕪湖、銅陵；安全值在0.4～0.6（較差）的有6個，分別為亳州、阜陽、六安、宣城、池州、安慶；安全值在0.6～0.7（一般）的只有黃山市（表4）。2017年，土地生態安全值在0～0.4（惡劣）之間的城市有5個，分別為淮北、宿州、蚌埠、淮南、滁州；安全值在0.4～0.6（較差）的有10個，分別為合肥、亳州、阜陽、六安、馬鞍山、蕪湖、宣城、銅陵、池州、安慶；安全值在0.6～0.7（一般）的只有黃山（表5）。因此，對比18年的數據可以看出，安徽省16個地級市中安全值在0～0.4（惡劣）的城市數量在減少，處于0.4～0.6（較差）的城市數量比較穩定且數量逐步上升；與此同時，個別生態安全較好的城市的土地生態安全值也有所下降，主要是由于生態安全較好的城市隨著時間的推移，生態環境的改善導致壓力指數有所下降而狀態指數和響應指數并沒有相應提高。

2）從土地生態安全值的分布區域上看，安徽省土地生態安全級別較差的地區主要分布在長江以北，土地生態安全級別為一般及較好的地區主要分布在皖南山區，包括池州、宣城、黃山。主要原因是相對于南方低山丘陵而言，長江以北地形平坦，人口眾多，人均耕地面積不足，城鎮化水平不高，多為農業大市，雖然工業化水平比南方高，但與此同時，單位土地的化肥、農藥、地膜和工業廢水排放量依然比較高，而且第三產業占GDP的比重不及皖南低山丘陵地區高。因此，在發展經濟的同時，應該更多地注重環境保護和資源節約。

3）從土地生態安全子系統值上看，2000 — 2017年安徽省全省絕大部分地級市壓力子系統的安全值有所上升，主要特征是單位土地的工業廢水排放量、單位土地的農藥以及化肥使用量逐年上升，只有個別地級市如黃山市和池州市，這類城市的主導產業是旅游業，受農業污染和工業化的影響較小，所以出現壓力指數下降趨勢。而在狀態子系統方面，安徽省全省各地級市的狀態子系統值均在緩慢上升，主要原因是近些年來森林覆蓋率的提高和水土流失率的降低，以及農業機械化水平和單位面積糧食產量的提高。在響應子系統方面，全省大部分城市的響應子系統值也略有增長，環保投入的增加使得工業廢水達標排放率上升，各市均劃定自然保護區嚴守生態紅線，同時大力發展第三產業，這些均導致了響應子系統值的上升。

綜上所述，經濟的發展與土地生態安全兩者之間并非此消彼長的關系，往往在經濟發展的初期，農業是地方經濟的主體，第三產業比重較低，人口自然增長率較高，大多數農業人口束縛在土地上，導致人均耕地面積較少，農藥、化肥、地膜的使用以及工業廢水的排放都會直接導致土地生態安全水平較低。經濟的發展、技術的進步、城鎮化率的提高會轉移農業人口，提高人均耕地水平、農業機械化水平以及工業廢水處理率，進而提高當地的土地生態安全指數。而隨著經濟進一步發展和后工業化時期的到來，產業結構的優化和第三產業吸納勞動力的優勢會進一步促進單位土地GDP的土地生態安全水平的提高。因此，土地生態安全水平低的地區應該大力發展第三產業，提高地區的森林覆蓋率和自然保護區面積，加大對工業廢水的無害化處理，開展土地整理，提高土地產能和人均耕地面積。

3 結論

運用灰色預測GM（1，1）模型對安徽省土地生態安全各系統的發展態勢進行模擬與預測，結果表明，灰色預測GM（1，1）模型有較高的精確度，預測結果比較符合安徽省實際，可以有效地用于土地生態安全預測，其預測結果可以為決策者制定可持續發展戰略規劃提供參考。從評價結果分析得出，安徽省各地級市土地生態安全綜合指數的平均值由2000年的0.442上升到2017年的0.450，由惡劣狀態上升至較差狀態，安全等級有所上升，而隨著皖江城市帶承接產業轉移步伐的加快，對安徽省未來的土地生態安全又提出了新的挑戰。因此，在承接產業轉移的同時要更加注重資源節約和環境保護。

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