基于突變理論的干旱區綠洲城市土地生態安全評價
——以烏魯木齊為例

黃曉東，蒲春玲，宋建華，王承武，閆志明，張 影，劉 超

（1.新疆農業大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會科學院經濟研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

?

基于突變理論的干旱區綠洲城市土地生態安全評價
——以烏魯木齊為例

黃曉東1，蒲春玲1，宋建華2，王承武1，閆志明1，張 影1，劉 超1

（1.新疆農業大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆社會科學院經濟研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

摘 要：城市土地生態安全是城市可持續發展的重要基礎。針對烏魯木齊市土地利用現狀特點，基于PSR框架及突變理論，構建城市土地生態安全評價指標體系及突變級數模型，并運用突變級數法對2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全程度進行了評價。結果表明：2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全綜合安全等級經歷了臨界安全（2009年）→較安全（2010—2012年）→臨界安全（2013年）的發展歷程；從各準則層來看，壓力系統安全水平逐年降低，安全等級經歷了安全→較安全→不安全直線下降的發展歷程；狀態系統安全水平總體呈上升趨勢，安全等級經歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發展過程；響應系統安全水平逐漸上升，安全等級經歷了較不安全→臨界安全→較安全→很安全直線上升的發展歷程；影響烏魯木齊市土地生態安全的指標因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負荷率、單位耕地農藥負荷率、人口密度、人口自然增長率。

關鍵詞：土地生態安全；PSR模型；突變理論；烏魯木齊

城市土地是城市形成與發展的基礎，是城市社會、經濟、政治、文化等各項活動的載體［1］，在城市發展過程中的作用是不可替代的。城市土地生態安全是指人類賴以生存和發展的城市土地生態環境處于健康和可持續發展的狀態。城市土地生態安全關系到城市的可持續發展，是城市土地可持續利用的核心，當前已經成為城市土地可持續利用的熱點課題，引起眾多學者的關注。張小虎等［2］基于三角模型對河南省17個地市的城市土地生態安全進行區域差異分析；李靜等［3］對聊城市土地生態安全做了定性定量結合的評價研究；李明月等［4］以廣州市為研究區域，運用BP神經網絡方法評價城市土地生態安全；袁磊［5］等基于NES框架，通過熵權物元模型對大慶市不同時段的土地生態安全進行評價研究；裴婷婷等［6］對白銀市的土地生態進行了評價，并根據綜合指數界定了白銀市土地生態的安全等級。城市土地生態安全系統具有聯動性、突變型、脆弱性等特點，現有研究缺乏對系統突變特性的考慮。為此，本研究將突變理論與模糊數學結合起來，將突變級數法應用于城市土地生態安全評價，并定量評價了2009—2013年烏魯木齊市的土地生態安全狀況，及時發現城市土地生態安全突變點，為進一步協調發展烏魯木齊的經濟、社會和生態提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況及數據來源

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，介于42° 45′～44°08′N、86°37′～88°58′E之間，地處天山山脈中段北麓、準噶爾盆地南緣，屬中溫帶大陸性干旱氣候。既是全疆的政治、經濟、文化中心，又是第二座亞歐大陸橋中國西部橋頭堡和向西開放的重要門戶。2013年末烏魯木齊市七區一縣人口達262.93萬人，GDP占全疆25.9%。建成區面積從2009年的339 km2增加到2013年的391 km2，年均增加10.4 km2。耕地面積從2009年的802 km2減少到2013年的654 km2，年均減少29.6 km2。2013年工業廢水排放量達4889萬t，工業煙塵排放量5.2萬t，SO2排放量7.4萬t。烏魯木齊市社會經濟快速發展，人口集聚效應加強，城鎮化、工業化進程加快，這必將對城市土地生態系統產生巨大壓力，確保城市土地生態安全是實現城市可持續發展的基礎，因此對烏魯木齊市的土地生態安全進行評價研究勢在必行。

研究數據主要來自于2010-2014年《烏魯木齊市統計年鑒》、2010-2014年《烏魯木齊市國民經濟和社會發展統計公報》、2010—2014年《新疆統計年鑒》以及各相關職能部門的統計數據。

1.2 研究方法

突變理論由Rene Thom創立于20世紀70年代，其基本原理是利用拓撲理論構造數學模型來描述、預測自然現象與社會活動中事物連續性中斷的質變過程［7］。突變級數法是該理論的重要應用之一，主要特點是首先對系統的總評價目標進行多層次矛盾分解，由指標層逐層向目標層綜合，確定各層的突變類型，然后將各層的控制變量帶入相應的突變模糊隸屬函數，通過歸一化公式計算，求出總的隸屬度值，得出總的評價結果［8-11］。按照控制變量的維數不同，常用的突變類型有折疊突變、尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變（表1）。

表1 突變模型

1.3 評價指標體系構建

針對烏魯木齊市土地利用現狀及存在的問題，在借鑒國內相關研究成果［12-17］的基礎上，依據區域性、動態性、數據可得性及可量化等原則，從壓力、狀態、響應3個方面的關系出發，自上而下、逐層分解，構建了涵蓋目標層、準則層、因子層、指標層4個層次的烏魯木齊市土地生態安全評價指標體系（表2）和突變級數模型（圖1），并利用主成分分析法對各層次指標的重要性進行排序。

表2 烏魯木齊市城市土地生態安全評價指標體系

圖1 烏魯木齊市土地生態安全評價突變級數模型-基礎模型

1.4 數據標準化

城市土地生態安全評價指標具有復雜性和多樣性，指標中包含定性指標和定量指標，為消除指標間量綱不統一的缺點，則要將各個指標進行無量綱化處理，統一化成以百分比為單位的指標值，從而整體反映土地生態安全評價結果。采用極差法對各個指標進行無量綱化處理。

式中，Bi為指標標準化后的實際評價數值，Xi、Xmax、Xmin分別為評價指標i的實際值、最小值和最大值。

1.5 評價標準的確定

指標體系評價標準的確定直接影響到評價結果的準確性，城市土地生態安全常規閾值為0.2、0.4、0.6、0.8，由低到高分為5個安全等級，分別為Ⅴ（不安全）、Ⅳ（較不安全）、Ⅲ（臨界安全）、Ⅱ（較安全）、Ⅰ（安全）。由于突變級數法綜合評價值較大，且評價值之間的差距很小，難以用常規的安全閾值來得到評價結果，因此需要將常規閾值轉換為突變級數法使用的閾值。本研究的安全閾值轉換思路為：在突變指標體系和各層指標重要性確定的前提下，設底層指標對應的隸屬度值均為i （i=0.2，0.4，0.6，0.8），然后由低到高按照相應的突變模型和歸一化公式，計算準則層和目標層的安全閾值［18］（表3）。

表3 烏魯木齊市土地生態安全閾值

表4 2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全等級

2 結果與分析

運用公式（1）對原始數據進行標準化處理，然后根據各層指標相應的突變級數模型，利用表1的歸一化公式，由低到高計算準則層和目標層的綜合評價值，最后根據表3得出2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全等級（表4）和土地生態安全趨勢（圖2）。

圖2 2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全趨勢

由圖2可知，烏魯木齊市土地生態安全綜合狀態處于臨界安全→較安全→臨界安全的發展趨勢，2009年處于臨界安全狀態，2010—2012年處于較安全狀態，2013年處于臨界安全狀態。2009-2010年安全隸屬度值由0.7689上升至0.8677，城市土地生態安全系統有較大的改善，主要依賴于壓力系統、狀態系統、響應系統安全水平的全面提升；2010—2011年隸屬度值由0.8677下降至0.8661，主要是受壓力系統和狀態系統安全隸屬度下降的影響；2011—2012年隸屬度值由0.8661下降至0.8623，主要是受狀態系統和響應系統安全隸屬度值下降的影響；2012—2013年隸屬度值由0.8623下降至0.8195，主要是受壓力系統安全隸屬度值下降較大的影響。通過分析可知，2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全水平整體處于上升趨勢，但直到研究期末仍處于臨界安全狀態，說明城市土地生態安全問題并未得到根本解決，其主要原因：（1）人地矛盾突出。烏魯木齊市作為新疆的首府，人口集聚效應明顯。截至2013年末，烏魯木齊市土地面積僅占全疆的0.83%，卻承載著全疆11.61%的人口，人口密度達到191人/km2。（2）環境壓力大。烏魯木齊市耕地面積嚴重不足，2009—2013年間耕地面積比重由5.8201%下降至4.7454%，但單位耕地化肥負荷率卻由2009年的201.62 kg/hm2上升至2013年的262.42 kg/hm2，單位耕地農藥負荷率由2009年的2.68 kg/hm2上升至2013年的3.76 kg/hm2。耕地數量的不足和農藥、化肥的大量施用，都給土地生態環境帶來巨大壓力。（3）可利用的水資源匱乏。由于可供利用的地下水資源量較少，烏魯木齊市用水主要來源于冰川融水，但受氣候影響較大。2009—2013年間人均水資源量由488 m3下降至430 m3，僅為全國人均水資源量的1/5。

壓力系統安全水平逐年降低，安全隸屬度值由2009年的0.9298下降至2013年的0.5748，安全等級經歷了安全→較安全→不安全直線下降的發展歷程。壓力系統安全程度逐漸惡化，主要是由于環境壓力和人口壓力兩方面原因導致的。由于城市人口不斷增加和大量耕地被占用，人均耕地面積由2009年的0.0333 hm2下降至0.0249 hm2。2009—2013年單位耕地化肥負荷率由201.62 kg/hm2上升至262.42 kg/hm2，單位耕地化肥負荷率由2.68 kg/ hm2上升至3.76 kg/hm2。2009—2013年人口自然增長率由4.89‰增加至6.89‰，人口自然增長率的提高進一步增加城市土地生態安全的人口壓力。

狀態系統安全狀態經歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發展過程，總體呈上升趨勢，安全隸屬度值由2009年的0.7820上升至2013年的0.9162。這主要依賴于環境狀態和資源狀態的改善。政府對環境治理和資源的有效利用日益重視，萬元能耗由2009年的1.0988 t標準煤下降至2013年的0.7953 t標準煤；農業灌溉設施投入力度加大，耕地有效灌溉率從77.22%上升到93.15%，有效保障了農業用水的利用率；水土協調比例由75.48%提升至86.65%，烏魯木齊處于西部干旱地區，水土協調比例的提升對城市土地生態環境的改善是至關重要的。

響應系統安全水平逐漸上升，安全隸屬度值由2009年的0.5949上升至2013年的0.9676，安全等級經歷了較不安全→臨界安全→較安全→安全直線上升的發展歷程。通過分析可知，響應系統安全狀態逐年改善，主要原因是：（1）烏魯木齊市社會經濟快速發展，同時產業結構得到合理升級，人民收入得到顯著提高。人均GDP由2009年的38 249元提高到2013年的64 695元，第三產業產值比重由2009年的55.54%提高到2013年的59.08%。（2）政府對環境的治理卓有成效。污水處理率由2009年的49.92%提高到2013年的81.98%，固廢綜合利用率由2009年的65.3%提高到2013年的87.64%。

3 結論與建議

突變級數法的應用避免了主觀確定評價標準引起的不確定性對評價結果準確性的影響，同時該方法的不需要對評價指標確定具體的權重，更加便捷準確，消除了人為賦權的主觀性。結果表明：2009—2013年烏魯木齊市土地生態安全綜合安全等級經歷了臨界安全→較安全→臨界安全的發展歷程。壓力系統安全水平逐年降低，安全等級經歷了安全→較安全→不安全直線下降的發展歷程。狀態系統安全水平總體呈上升趨勢，安全等級經歷了臨界安全→較安全→臨界安全→較安全的發展過程，響應系統安全水平逐漸上升，安全等級經歷了較不安全→臨界安全→較安全→安全直線上升的發展歷程。

（1）研究發現影響烏魯木齊市土地生態安全的指標因素主要是人均水資源量、單位耕地化肥負荷率、單位耕地農藥負荷率、人口密度、人口自然增長率。鑒于此背景，一方面做好城市發展規劃，嚴格控制城市人口的增加，保障城市的可持續發展；另一方面穩步推進壓糧節水工程，壓減小麥等耗水較多的糧食種植作物面積，增加耐干旱的玉米、高經濟附加值作物和飼草飼料的種植面積；與此同時，積極發展現代綠色生態農業，減少農藥、化肥的施用量。

（2）加快推進“烏昌一體化”進程。隨著烏魯木齊經濟發展的不斷深入，各種資源的持續開發和城市規模的不斷擴大，發展空間的限制逐漸顯露，對城市土地生態安全帶來巨大挑戰。烏昌一體化一方面將對烏魯木齊市人口進行分流，減少城市人口壓力；另一方面將有利于將整個烏昌地區三產內部和三產之間的物質循環和能量流動，實現資源的合理利用，形成合理的產業集群，減輕各企業污染排放帶來的環境壓力。

（3）加大對城市土地生態安全保護的宣傳力度。充分利用新聞媒體和社會公共組織普及環保知識，提高全民土地生態環境保護意識。完善城市生態環境保護工作的定量考核制度，健立健全土地生態保護的法律體系，嚴肅查處環境違法違紀案件，嚴厲打擊環境違法行為，切實維護群眾環境權益。

參考文獻：

［1］ 李景剛，張效軍，高艷梅，等. 基于改進熵值模型的城市土地集約利用動態評價—— 以廣州市為例［J］.地域研究與開發，2012（4）：118-123.

［2］ 張小虎，牛海鵬，郭增長. 基于三角模型的城市土地生態安全區域差異分析—— 以河南省為例［J］. 自然災害學報，2014，02：21-30.

［3］ 李靜，李子君，呂建樹. 聊城市土地生態安全評價［J］. 水土保持通報，2011（2）：198-202.

［4］ 李明月，賴笑娟. 基于BP神經網絡方法的城市土地生態安全評價—— 以廣州市為例［J］. 經濟地理，2011（2）：289-293.

［5］ 袁磊，雷國平，張小虎. 資源型城市土地生態安全評價—— 以大慶市為例［J］. 地域研究與開發，2009 （6）：80-85.

［6］ 裴婷婷，陳英，趙亞南，等. 基于P-S-R模型的白銀市土地生態安全評價［J］. 中國農學通報，2014 （2）：215-221.

［7］ Thorn R．Structural Stability and Morphogenesis［M］. Colorado：Westview Press，1994：34-43．

［8］ 陳云峰，孫殿義，陸根法．突變級數法在生態適宜度評價中的應用—— 以鎮江新區為例［J］．生態學報，2006，26（8）：2587-2593．

［9］ 周強，張勇. 基于突變級數法的綠色供應鏈績效評價研究［J］．中國人口·資源與環境，2008，18（5）：108-111．

［10］ 徐美，朱翔，周軍. 基于突變理論的湖南省土地生態安全格局分析［J］. 自然災害學報，2012（6）：199-207.

［11］ 江振藍. 水土流失時空過程及其生態安全效應研究［D］. 杭州：浙江大學，2013.

［12］ 張小虎，牛海鵬，張合兵，等. 糧食主產區耕地集約利用及障礙因素診斷［J］. 水土保持通報，2012 （5）：87-92.

［13］ 麻秋玲，林惠花. 基于突變級數法的福州市生態安全評價［J］. 福建師范大學學報（自然科學版），2013（3）：118-124.

［14］ 胡源. 武漢市耕地資源安全評價研究［D］. 武漢：華中農業大學，2014.

［15］ 李楠，汪景寬，裴久渤.基于突變級數法的遼寧省耕地資源安全評價研究［J］.中國人口·資源與環境，2012（S1）：153-157.

［16］ 李亞男，俞潔，王飛兒，等. 基于突變級數法的千島湖流域生態安全評價［J］. 浙江大學學報（理學版），2014（6）：689-695，724.

［17］ 辛寶楨. 基于突變級數法遼寧省生態安全評價與空間分異研究［D］. 大連：遼寧師范大學，2013.

［18］ 施玉群，劉亞蓮，何金平. 關于突變評價法幾個問題的進一步研究［J］. 武漢大學學報（工學版），2003 （4）：132-136.

（責任編輯 楊賢智）

Urban land ecological security assessment of oasis in arid area based on catastrophe theory —A case study of Urumqi

HUANG Xiao-dong1，PU Chun-ling1，SONG Jian-hua2，WANG Cheng-wu1，YAN Zhi-ming1，ZHANG Ying1，LIU Chao1
（1. College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China；2. Institute of Economics，Xinjiang Academy of Social Sciences，Urumqi 830011，China）

Abstract：The urban land ecological security is the important foundation of urban sustainable development. According to the characteristics of land use status in Urumqi，based on PSR framework and catastrophe theory，the urban land ecological security evaluation index system and catastrophe progression model were built，and the degree of land ecological security of Urumqi in 2009 to 2013 was evaluated by using catastrophe progression method. Results showed that： comprehensive land ecological security level in Urumqi during 2009 to 2013 experienced basic security （2009） →the safer （2010-2012） → basic safety （2013） of the development process. From the criterion level，the pressure system security level decreased year by year，security level experienced very safe→safer→unsafe of plummeting development process； State system security level general showed a upward trend，security level experienced basic security→ the safer→basic safety of the development process；Response system security level gradually rose，security level experienced unsafe → basic security → the safe →very safe of straight rise development process. The main factors affecting the land ecological security in Urumqi were as follows： average per capita water resources，unit farmland fertilizer load rate，unit farmland pesticide load rate，population density，natural population growth rate.

Key words：land ecological security；pressurestate-response model；catastrophe theory；Urumqi

中圖分類號：F301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1004-874X（2016）02-0077-06

收稿日期：2015-08-06

基金項目：國家社會科學基金（14XGL005）；新疆自治區社會科學基金（12BGL130）；新疆自治區科技支撐計劃項目（201442104）；烏魯木齊市“十三五”農業發展規劃項目；新疆自治區產學研聯合培養研究生示范基地項目（xjaucxy-yjs-20141010）

作者簡介：黃曉東（1989-），男，在讀碩士生，E-mail：haungxiaodong0828@163.com

通訊作者：蒲春玲（1961-），女，博士，教授，E-mail：puchunling@163.com