基于三角模型的土地生態安全動態評價
——以西安市為例

祝培甜, 趙中秋, 陳 勇, 劉少青， 李 茜

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

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基于三角模型的土地生態安全動態評價
——以西安市為例

祝培甜, 趙中秋, 陳 勇, 劉少青， 李 茜

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

土地生態安全關乎人類的生存與發展，是土地資源可持續利用的核心。針對西安市的土地利用特點，選取自然、經濟、社會各方面的15項評價指標，從經濟可行性指數(EI)、非社會可接受性指數(NSI)和非資源環境合理性指數(NREI)三方面構建了三角模型，對西安市2005—2013年土地生態安全的狀態和趨勢進行了動態評價。結果表明：(1) 三角模型在土地生態安全評價方面具有可行性；(2) 西安市土地生態安全狀態向積極方向發展。從2005年的不安全狀態，演變為了2013年的一般安全轉態；(3) 西安市土地生態安全的變化相對有弱安全趨勢→很安全趨勢→一般安全趨勢→很安全趨勢→弱安全趨勢五種變化趨勢，總的來說是趨于向安全的方向發展，說明西安市土地利用日趨合理。

土地生態安全; 狀態及趨勢分析; 三角模型; 西安市

土地是人類賴以生存的家園，是社會經濟和生態功能的載體。然而隨著人類對自然資源的利用程度逐漸加大，且不注重保護生態環境，造成了一系列諸如土壤污染、土地沙化、土壤鹽堿化、草場退化等土地生態問題，土地生態安全逐漸受到威脅。土地生態安全是指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]。土地生態安全關乎人類生存與發展，是土地資源可持續利用的核心。因此，研究土地生態安全對緩解人地矛盾，人口、資源與環境的協調發展具有重要的作用[2]。對土地生態安全進行評價，能夠掌握土地生態安全的確切狀態，是進一步進行土地利用規劃、土地生態安全環境等研究的重要依據[3]。

目前，土地生態安全評價已從定性研究更多轉向了定量研究，研究方法主要包括：層次分析法、主成分分析法、神經網絡法、PSR模型、生態足跡法、景觀指數法、模糊綜合評判法、物元模型等[4-7]。然而，這些方法都僅僅能夠對現狀進行分析，不能夠有效地揭示出區域土地生態安全動態演變趨勢，為了克服這一問題，本文引入三角模型對西安市土地生態安全進行評價，以期找到一種更適合的方法對土地生態安全進行研究。

西安市地處陜西中部，是陜西省的省會，陜西乃至整個西北的經濟、文化中心。隨著西安市經濟的迅猛發展，土地生態問題也越來越嚴重。西安市的土地生態安全關乎整個大西北的土地可持續利用，因此對其進行評價就顯得格外重要，評價結果能夠為西安市的土地利用提供一定的參考依據。

1　研究區概況與數據來源

西安市位于黃河流域中部關中盆地，東經107.40°—109.49°和北緯33.42°—34.45°，地處中國陸地版圖中心，是長三角、珠三角和京津冀通往西北和西南的門戶城市與重要交通樞紐，北瀕渭河，南依秦嶺，八水環繞(渭、涇、灃、澇、潏、滈、浐、灞)，自然景觀優美。西安市2014年年末全市總人口862.75萬人，土地總面積10 096.81 km2，年平均氣溫15.8℃，年降雨量423.9 mm，日照總時長2 190.5 h，平均風速2.3 m/s。耕地面積24.41萬hm2，林地面積50.839萬hm2，全市水面面積0.64萬hm2，水資源總量18.87億m3。

近年來，西安市經濟發展迅速，城市化和工業化進程不斷加快，導致區域土地結構與布局不斷發生變化，勢必對區域土地生態安全造成一定的影響。本文研究數據主要來源于2006—2014年的陜西省統計年鑒，以及2006—2014年西安市統計年鑒。

2　研究方法

2.1三角模型概述

三角模型最早是由美國農業部分析土壤類型時提出[8]，它可以對三個相互聯系的體系進行分析和可視化表達，并且可以分析其變化趨勢。三角模型直觀、簡明，容易被有關學者理解，所以廣泛應用于環境科學、土地利用等方面。本文是對土地生態安全進行動態評價，揭示其隨時間演變的發展規律，此外土地生態安全的目標是維持和完善土地生態系統的結構和功能，協調人地關系，提高土地利用的自然、經濟、社會效益，因此對土地生態安全進行研究必須綜合考慮自然、經濟、社會這三個相互關聯的系統。所以，本文利用三角模型的優勢，對西安市土地生態安全進行評價。

土地生態系統是一個自然—經濟—社會的復合系統，因此本文選擇經濟可行性指數(EI)、非社會可接受性指數(NSI)和非資源環境合理性(NREI)三組相互關聯的指數，利用三角模型進行土地生態安全狀態及變化趨勢的定量評價(圖1)。

圖1三角模型圖

圖1中的三角形為等邊三角形，三個頂點分別為EI，NSI和NREI。X軸代表非資源環境合理性指數，Y軸代表經濟可行性指數，Z軸代表非社會可接受性指數，每個軸沿逆時針方向從0到1，每個軸平均分為5個指數范圍，其中0～0.2表示“非常低”，0.2～0.4表示“較低”，0.4～0.6表示“中等”，0.6～0.8表示“較高”，0.8～1表示“非常高”。三角形區域從上到下又分為5個區域：A，B，C，D，E，分別表示五種土地生態安全狀態(圖1，表1)，同時根據EI，NSI，NREI三個指數的相對比例，可以確定7個相對變化趨勢，即T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7(圖1，表2)。

表1土地生態安全狀態評價

區域指標數值范圍EINSINREI相對指數值EINSINREI對土地生態安全狀態A0.8～1.00～0.20～0.2非常高非常低非常低非常安全B0.6～0.80～0.40～0.4較高非常低—較低非常低—較低很安全C0.4～0.60～0.60～0.6中等非常低—中等非常低—中等一般安全D0.2～0.40～0.80～0.8較低非常低—較高非常低—較高弱安全E0～0.20～1.00～1.0非常低非常低—非常高非常低—非常高不安全

表2土地生態安全相對趨勢評價表

趨勢變化范圍指數變化的相對方向EINSINREI相對安全趨勢T10°—60°↑↓↑一般安全T260°—120°↑↓↓很安全T3120°—180°↑↑↓一般安全T4180°—240°↓↑↓弱安全T5240°—300°↓↑↑不安全T6300°—360°↓↓↑弱安全T7無變化———原始狀態

注：“↑”表示值增加，“↓”表示值減小，“—”表示值不變。

2.2構建評價指標體系

評價指標的選取直接關系到評價結果的準確性。指標選取主要遵循如下原則：差異性原則、可操作性原則、數據可獲取性原則[9]。評價因子的選取首先根據參考文獻[10-12]初步建立指標體系；其次依據數據來源、可測性、獨立性等對指標體系進行簡化處理；最后根據土地生態安全的特點、經濟條件和發展目標，確定評價因子及其所屬的指標類型。在具體應用中，評價因子應先通過顯著性水平p=0.05及相關系數r<0.7的相關性檢驗。由于土地生態系統是一個自然—經濟—社會的復合生態系統，涉及自然、經濟、社會三個方面，再結合三角模型的特點，評價指標應從經濟可行性、社會可接受性和資源環境合理性三方面選取。其中經濟可行性指數表征土地生態系統的經濟條件、社會可接受性指數表征土地生態系統的社會條件、資源環境合理性指數表征土地生態系統的自然條件。指標選取的結果見表3。

表3西安市土地生態安全評價指標體系

準則層指標層指標代號指標性質權重(wj)人均GDP(元/人)X1正指標0.2455經濟密度(萬元/km2)X2正指標0.1284經濟可行性第三產業占GDP比重(%)X3正指標0.1593地均固定資產投資(萬元/km2)X4正指標0.2163人均可支配收入(元)X5正指標0.2505人口密度(人/km2)X6負指標0.2831城市化水平(%)X7負指標0.3034社會可接受性恩格爾系數(%)X8負指標0.1646就業率(%)X9正指標0.1305路網密度(km/km2)X10正指標0.1184森林覆蓋率(%)X11正指標0.2321水土流失治理率(%)X12正指標0.3422資源環境合理性工業廢水處理率(%)X13正指標0.1382工業固體廢物綜合利用率(%)X14正指標0.1287建成區綠化覆蓋率(%)X15正指標0.1588

2.3數據標準化

不同指標的量綱不同，因此要對指標值進行標準化處理。本文采用的是極值標準化法。

對于正指標：

Xij=[xij-min(xij)]/[(max(xij)-min(xij)]

(1)

對于負指標：

Xij=[max(xij)-xij)]/[(max(xij)-min(xij)]

(2) 式中：Xij——第i個準則層第j個指標的標準化值；xij——第i個準則層第j個指標的原始值；max(xij)——某項指標的最大值；min(xij)——某項指標的最小值。

2.4確定指標權重

目前，確定權重的方法很多，主要有：主成分分析法、層次分析法、專家打分法、模糊綜合評判法、灰色綜合評價法等。由于層次分析法是主觀與客觀相結合的方法，可信度大，應用范圍廣，所以本文選擇層次分析法確定指標權重。指標權重滿足以下關系：

(3)

(4)

(5)

其中wij表示第i個準則層第j個指標的權重。確定的指標權重見表3。

2.5計算綜合指數

數據標準化和確定指標權重后，就可以計算綜合指數。文章選用加權平均法分別計算西安市2005—2013年的經濟可行性指數(EI)、社會可接受性指數(SI)和資源環境合理性(REI)三個綜合指數，計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

其中i=1，2，…，9分別表示2005年，2006年，…，2013年。

考慮到三角模型是從經濟可行性(EI)、非社會可接受性(NSI)和非資源環境合理性(NREI)三個方面構建，所以要進行如下指數變換：NSIi=1-SIi，NREIi=1-REIi(i=1，2，…，9)，然后用Grapher構建三角圖。EI越大，NSI和NREI越小，土地生態安全性越高。

3　結果與分析

運用式(6)—(8)和指數變換公式計算西安市2005—2013年的土地生態安全指數，見表4。

表4西安市土地生態安全評價各指數值

年份經濟可行性指數非社會可接受性指數非資源環境合理性指數20050.15160.36390.796820060.14800.46170.741420070.41650.48890.677820080.52610.49570.480220090.59130.57540.472920100.59120.50200.513820110.59790.58800.229420120.75870.58600.209520130.76860.69640.1969

從表4可以看出西安市經濟可行性指數(EI)逐年增加，且增加速度比較快，這是因為西安市作為陜西省省會、西北區域中心城市，產業比較興盛，特別是國家實施西部大開發戰略和《關中—天水經濟區發展規劃》以來，經濟發展迅猛，尤其是二三產業，形成了高新技術產業、裝備制造業、旅游產業、現代服務業、文化產業五大主導產業和“五區一港兩基地”的發展格局，西安以每年超過10%的GDP增長率引領著整個陜西經濟的發展。非社會可接受性指數(NSI)逐年緩慢增加，這也就意味著社會可接受性逐年緩慢減小，這是因為西安市經濟的快速發展，也帶動了西安市的快速城市化進程，2005—2013年城市化率增長超過10個百分點，大量人口涌向城市，也就造成了人口密度的集聚擴大，到2013年年底，西安市人口已達807萬，人口的大量涌入會加大對城市能源的消耗，產生各種生產生活廢物，勢必會對區域土地生態環境造成嚴重的影響。非資源環境合理性指數(NREI)總體上逐年快速降低，只有2010年稍有升高，這是因為一方面是西安市幾十年來一直施行飛播造林的政策，使西安市的森林覆蓋率逐年增加，從2005年的38.2%增長到2013年的47.0%，此外西安市于2011年舉辦世園會，建成了如關中園、五大流派園等一系列特色生態園區，且于2013年開始創建園林城市，不斷加強城市的綠化建設，另一方面西安市每年都在加大水土流失治理力度，通過土地整治等工程技術措施有效地防止了土壤流失，提高了水土協調度，使西安市的資源更豐富、環境更美好。

基于表4的西安市土地生態安全評價各指數值數據，運用Grapher軟件得到西安市2005—2013年土地生態安全的狀態及趨勢圖，見圖2。

圖2西安市2005-2013年土地生態安全的轉態及趨勢

3.1土地生態安全狀態分析

從圖2可以看出，西安市土地生態安全狀態主要分為3個階段。第一個階段是2005年和2006年，處于E區，是不安全狀態。這兩年年的EI值很低，都小于0.2，同時NSI和NREI比較高，造成了土地生態安全處于不安全狀態。第二階段是2007—2010年，處于D區，是弱安全狀態。這幾年EI持續快速增長，處于0.2～0.4之間，且有繼續增長的趨勢，這與西安市經濟水平的快速增長密不可分；NSI略有增加，這是由快速城市化造成的；同時NREI快速減小，西安市的資源得到了更加合理的利用，環境也得到了極大的改善，由此造成西安市土地生態安全處于弱生態安全狀態。第三階段是2011—2013年，處于C區，是一般安全狀態。這三年EI繼續增長，處于0.4～0.6之間，依舊是因為經濟水平的提高，特別是二三產業的蓬勃發展；NSI略有上漲，城市的人口壓力進一步加大；NREI急速下降，西安世園會的圓滿舉行與園林城市的創建對其產生了重要的影響，由此造成土地生態安全處于一般安全狀態。總體來說，西安市土地生態安全狀態由E到D再到C，由不安全到弱安全再到一般安全，安全狀態在不斷提高。

3.2土地生態安全趨勢分析

由圖2可以看出，2005—2013年西安市土地生態安全趨勢是由弱安全發展為一般安全，其EI值由0.151 6上升到了0.768 6，上升速度與幅度都很大，表現為西安市經濟水平的急速發展，市民生活水平的不斷提高；NSI值0.363 9上升到了0.696 4，表現為西安市城市化水平的提高，造成城市人口密度的不斷加大，土地的生態壓力不斷加大，社會可接受性下降；NREI值0.796 8下降到了0.196 9，下降的速度和幅度也非常大，表現為西安市資源的保護與合理利用以及環境治理力度的加大。

具體來看，從2005—2013年，西安市土地生態安全評價狀態存在著4個比較明顯的拐點，即有五個變化趨勢，如圖2所示。2005—2006年，土地生態安全趨勢是T4，即弱安全趨勢，EI值和NREI值都有所減小，而NSI值有所增大；2006—2007年，土地生態安全趨勢為T2，即很安全趨勢，EI值和NSI值由所增大，而NREI值有所減小，相對于上一階段T4，土地利用更加合理，土地生態更加安全；2007—2011年，土地生態安全趨勢為T3，即一般安全趨勢，EI值和NSI值波動上升，NREI值波動下降，經濟增長速度有所降低，資源環境更加和諧，總體安全度不如上一個階段；2011—2012年，土地生態安全趨勢為T2，即很安全趨勢，EI值上升，NSI值和NREI值下降，這是最和諧的一種狀態，土地生態最為安全；2012—2013年，土地生態安全趨勢為T4，即弱安全趨勢，EI值和NSI值上升，NREI值下降，表明社會可接受性下降，人們生活舒適度降低。

4　結論和討論

(1) 三角模型在土地生態安全評價方面具有可適性，它可以清晰地展現出土地生態安全的狀態和趨勢。

(2) 總體來說，2005—2013年，西安市經濟可行性指數逐漸升高、非社會可接受性指數緩慢升高、非資源環境合理性指數逐漸降低。反映西安市的社會接受性指數逆向發展，經濟可行性性指數和資源環境合理性指數穩步提升。

(3) 西安市土地生態安全狀態逐漸變好，比較樂觀。自2005年以來經歷了弱安全趨勢、很安全趨勢、一般安全趨勢、很安全趨勢、弱安全趨勢5種變化趨勢。其安全狀態也由2005—2006年的不安全狀態，轉為了2007—2010年的弱安全狀態，最后轉為了2011—2013年的一般安全狀態，總的來說是趨于向安全的方向發展。

從西安市土地生態安全的評價中可以看出，要實現土地生態更加安全，應該注意以下幾個問題：(1) 調整產業結構。繼續大力發展第三產業，使產業結構更加合理，經濟水平更加穩健的提高。(2) 控制西安市的人口。經濟的發展吸引了周邊市縣的人口流入，推動了城市化進程，造成了西安市人口密度的快速增加，這必然導致土地生態安全壓力的增大，因此控制人口顯得十分必要。(3) 大力發展交通業。交通是最重要的基礎設施之一，城市人口的快速增加使人們工作出行與生活出行的難度進一步加大，交通用地的壓力也進一步加大，只有大力發展交通，才能使人們的生活更加便捷，更能融入到土地生態系統當中。(4) 保護資源環境。繼續推行飛播造林的政策，增加森林覆蓋率。另一方面加大水土流失治理力度，以實現可持續發展和促進生態文明建設。(5) 人口、資源與環境的和諧發展。把城市的規劃、建設與秦嶺的利用、八水的恢復治理結合起來，實現山水同構，同時也能突出西安市的山水特色。

[1]余健,房莉,倉定幫,等.熵權模糊物元模型在土地生態安全評價中的應用[J].農業工程學報,2012,28(5):260-266.

[2]孫丕苓,楊海娟,劉慶果.南水北調重要水源地的土地生態安全動態研究:以陜西省商洛市為例[J].自然資源學報,2012,27(9):1520-1530.

[3]黃輝玲,羅文斌,吳次芳,等.基于物元分析的土地生態安全評價[J].農業工程學報,2010,26(3):316-322.

[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,2011,31(2):289-293.

[5]張軍以,蘇維詞,張鳳太,等.基于PSR模型的三峽庫區生態經濟區土地生態安全評價[J].中國環境科學,2011,31(6):1039-1044.

[6]黃海,劉長城,陳春,等.基于生態足跡的土地生態安全評價研究[J].水土保持研究,2013,20(1):193-196,201.

[7]蒙吉軍,趙春紅,劉明達.基于土地利用變化的區域生態安全評價:以鄂爾多斯市為例[J].自然資源學報,2011,26(4):578-590.

[8]趙艷,濮勵杰,張健,等.基于三角模型的城市土地可持續利用評價:以江蘇省無錫市為例[J].經濟地理,2011,31(5):810-815,838.

[9]羅文斌,吳次芳,吳一洲,等.城市土地生態水平物元分析評價:以山東省濱州市為例[J].生態學報,2009,29(7):3818-3827.

[10]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,2014,23(2):21-30.

[11]史興興,馮忠江,劉云亮,等.基于三角模型的河北省正定縣土地利用效益評價[J].水土保持通報,2012,32(2):206-210.

[12]李佳,雷國平,崔明哲,等.基于三角模型的礦業城市土地利用可持續性評價[J].水土保持研究,2012,19(5):196-201.

Dynamic Assessment of Land Ecologic Safety Based on Triangle Model—A Case Study of Xi′an City

ZHU Peitian, ZHAO Zhongqiu, CHEN Yong, LIU Shaoqing， LI Qian

(SchoolofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

The relationship between land use ecology safety and human survival and development is extremely close, and land use ecology is the core idea of land use sustainable development. According to land use characteristics in Xi′an City, we selected 15 indexes from natural economic and social perspectives, and established the evaluation system from economic availability index (EI), non-social availability index (NSI), non resource environment appropriateness index(NREI), and carried out the dynamic assessment of the status and trend of ecologic safety of Xi′an City from 2005 to 2013 based on triangle model. The results showed as follows. The triangle model was appropriate in land ecologic safety assessment. The development of land ecologic safety of Xi′an City showed the positive trend, evolving from unsafety in 2005 to general safety in 2013. The trend of land ecologic safety of Xi′an City varied as the principle: from weak safety to strong safety to general safety to strong safety to weak safety. Overall, land ecologic safety of Xi′an City showed the more positive trend and its land use was becoming more appropriate.

land ecologic safety; status and trend analysis; triangle model; Xi′an City

2015-07-11

2015-08-04

國土資源部公益性行業科研專項項目“典型露天煤礦復墾生物多樣性恢復關鍵技術研究”(201411017)

祝培甜(1991—),男,陜西漢中人,碩士研究生,研究方向為土地整治與生態恢復。E-mail:peitianzhu@163.com

趙中秋(1975—),女,教授,主要研究方向為土地整治與生態恢復。E-mail:zhongqiuzhao@163.com

F301.2

A

1005-3409(2016)01-0244-05