基于投影尋蹤模型的安康市土地生態安全評價

張紅俠，成忠旭，張孝存

(商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000)

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基于投影尋蹤模型的安康市土地生態安全評價

張紅俠，成忠旭，張孝存

(商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000)

從影響土地生態安全的自然、社會、經濟3個方面選取了17項指標，構建了安康市土地生態安全評價體系，并應用投影尋蹤模型進行了相應探討。結果表明：2001～2011年安康市投影值從0.5427上升到3.2170，土地生態安全度不斷提高。安康市土地生態安全的威脅主要源于土地經濟生態系統，同時土地社會生態系統的限制作用不斷減小；其中人均水資源率、人口密度、單位面積糧食產量、單位面積農林牧漁產值、單位面積機械化水平等因子成為安康市土地生態安全的主要限制因素。

土地生態安全；投影尋蹤模型；加速遺傳算法；安康市

近年來，隨著國家社會經濟的發展，包括工業化和城鎮化在內的各項建設進程不斷加快[1]，區域內產生了諸如土地環境惡化、土地污染加重、土地質量下降等影響土地生態安全的問題[2]。土地生態安全在區域生態安全方面起基礎性作用[3]，其安全狀況直接影響了社會經濟發展的進程、資源的合理利用程度以及國家環保建設的強度。土地生態安全研究有助于緩和人地矛盾，促進P(人口)R(資源)E(環境)D協調(發展)，成為國內外學者的研究熱點[4]，但較為少見對國家重要水源地的土地利用狀況的研究[5]，陜西省內目前有孫丕苓等[6]對商洛地區進行了土地生態安全的研究。通過對國家重要水源地的土地生態安全研究，可在保護水源地的基礎上實現區域可持續發展。

安康市因承擔了南水北調中線工程調水總量的82%而成為重要的水源涵養地，同時作為西三角經濟區規劃的次級核心城市，其安全狀況直接影響到陜南生態屏障建設，最終還會制約西三角經濟區的可持續發展，進而對水源地生態安全產生影響。基于以上分析，本文擬采用投影尋蹤法、加速遺傳算法等模型，對安康市土地生態安全進行綜合評價[7]，并計算出土地安全綜合值，以便對安康市土地資源可持續利用提供理論依據的同時，也為其他同類水源地的保護提供參考[6]。

1 研究區概況

安康市地處陜南(31°42′～33°50′N、108°01′～110°12′E)，土地總面積23534.5 km2[8]，以漢江為界被分割為秦嶺地區和大巴山兩大地域單元。在地質上，地處秦嶺地槽褶皺系南部、揚子準地臺北部和漢南古陸東北緣，作為不同走向山脈褶皺帶的復合地帶，發揮著承接南北、過渡東西的作用。地貌上表現為“南北兩山夾，河谷盆地居中間”的特點。氣候上，屬亞熱帶大陸性季風氣候，春暖干燥，夏季多雨多伏旱，秋涼濕潤多連陰雨，冬季寒冷少雨，年平均降水量1050 mm。植被以常綠闊葉林和落葉闊葉林為主，全市森林覆蓋率59.9%[8]，土壤類型主要以黃棕壤為主，占全市的73.46%。安康市管轄范圍包括漢濱區和漢陰、石泉、寧陜、紫陽、嵐皋、平利、鎮坪及旬陽在內的一區九縣。截止2011年全市常住總人口263.07萬人，全市城鎮化率35%[8]。特殊的地理位置造就了其南北兼修的地域特點，成為休閑度假的理想去處，目前形成“2431”(2個4A級景區、4個3A級景區、3個國家森林公園和1個國家自然保護區)的旅游格局，成為西北乃至整個西部地區的生態旅游目的地。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

對安康市土地資源生態安全態勢進行評價的數據均來源于《安康統計年鑒》(2002～2012)及安康統計公報。基于投影尋蹤法原理，在計算出每個指標值后進行了標準化處理[7]。

2.2 研究方法

投影尋蹤法是用于處理高維、非線性數據的數理統計方法[5]，具有完善的理論評價體系，主要研究投影尋蹤的聚類、回歸和學習網絡方面，目前已在遙感、預測和分類等領域取得了較大研究成果[9]。考慮到通過高維非線性來實現評價指標多，數據量大的特點，因此采用構造投影尋蹤評價模型來綜合評價土地生態安全狀況。此外還運用MATLAB 7.0程序中的加速遺傳算法進行了投影值的計算。投影尋蹤評價模型的建模過程包括以下5個步驟[10]。

2.2.1 評價指標體系構建 本文參考國內外相關研究成果，在遵循科學性、系統性和數據可獲取性三原則的基礎上，從自然、社會、經濟3個方面選取了17個因子作為評價指標(表1)[11]，構建了安康市土地生態安全評價指標體系。選取的指標包括正向和負向2種類型，分別用“+”和“-”表示。當為正時，指標值越大，土地生態安全狀況越好；當為負時，指標值越大，土地生態安全狀況越差[7]。

表1 安康市土地生態安全評價指標體系

2.2.2 樣本指標值歸一化處理 因評價指標的指標趨向不同使得數據性質不同，為減少原始數據對結果的影響，需要首先對樣本指標數據進行標準化處理。

對于正向指標計算公式為：

(1)

對于負向指標計算公式為：

(2)

利用公式(1)和公式(2)對原始數據進行歸一化處理，標準化處理結果見表2。

2.2.3 構造綜合投影特征值函數

(3)

2.2.4 構造投影指標函數

(4)

(5)

(6)

公式(6)中：rjk表示樣本j和k的綜合特征值Zj和Zk兩兩之間的距離；R表示密度的窗寬。

(7)

3 結果與分析

3.1 評價過程

(8)

通過公式(7)可計算得出最佳投影方向a，當存在等式約束最優問題時，通常通過加速遺傳算法轉化進而解決最優化問題。

加速遺傳算法是由美國密執安大學的教授提出來的，是一種對存在于自然環境中的生物的遺傳和進化過程進行模擬最終形成適合全局概率優化搜索的算法，主要包括交叉、選擇和變異等操作[12-14]。本文通過加速遺傳算法來求最佳投影方向a，首先對表格中的原始數據建立投影尋蹤評價模型；然后依據表2中的數據得到標準化矩陣：

將X*利用MATLAB 7.0編程處理[9]，選定父代初始種群規模n=400，交叉概率P=0.80，變異概率P=0.80，加速次數為20次，得出最大指標函數值為1.4519，通過計算得到最佳投影方向a的值(表3)。

利用加速遺傳算法得到的最佳投影方向矢量a，若其滿足式(8)的約束條件，則說明取得了較為理想的結果[14]。將a代入公式(3)，得到各年投影值Z(表4)。

3.2 結果分析與發展展望

從表3可以得出，影響安康市土地生態安全狀況的社會經濟因素主要有人均水資源率、人口密度、單位面積糧食產量、單位面積農林牧漁產值及單位面積機械化水平等，自然方面主要影響因素表現在森林覆蓋率和年均降水量方面。這與安康實際相符，近些年因煤礦產業的發展和不斷增長的人口數量，對土地生態環境造成了較為明顯的影響。安康市土地類型以山地為主，種植農作物是農民的根本，許多農民為了提高單產，對農作物不合理的施用化肥、噴灑農藥，造成土壤污染。安康市河流較多，漢江橫貫整個區域，森林覆蓋率對流域內土地生態安全影響最大。

從表4可看出，安康市11年中土地生態安全度由高到低依次為2011>2010>2009>2008>2007>2006>2005>2004>2002>2003>2001，各年投影值Z呈波動上升趨勢。根據投影尋蹤評價模型可知，投影值Z越大，土地生態安全度越高。據此，安康市土地生態安全度整體呈現為良好趨勢。究其原因，2011年安康市人均耕地面積和人口密度減少，生態退耕面積和森林覆蓋率較其他年份高，土地生態條件較好，土地生態安全度隨之提高。部分年份土地生態安全度較低，如2001年安康市人均耕地面積和耕地有效灌溉率較多，生態退耕面積和森林覆蓋率較其他年份低，土地生態條件較差，土地生態安全度也就降低。

表2 安康市2001～2011年土地生態安全評價指標標準化值

表3 最佳投影方向

表4 2001～2011年的投影值

4 安康市土地資源生態安全對策探討

研究安康市土地生態安全評價的最終目的是為了準確把握土地生態安全態勢，提出切實可行的發展建議，以使土地生態系統能以最優的形式為社會經濟可持續發展提供動力，具體建議如下。

4.1 降低人口自然增長率

安康市2001～2011年人口自然增長率從0.37上升到2.57，上升幅度較大，直接或間接地給安康市土地生態安全帶來了巨大壓力。為了緩解安康市目前人地關系矛盾突出的問題，必須控制人口增長，降低人口出生率，尤其是控制城市化進程帶來的人口增長。

4.2 提高森林覆蓋率

森林體系在空氣凈化、防風固沙、水源涵養及水土保持等方面有利于土地生態安全。安康市2001～2011年森林覆蓋率的平均值為56.11%，整體水平有待提高。為了加大對土地生態安全的保護力度，安康市應繼續實行退耕還林政策；加強對林區的保護，防止不法分子對林區的破壞；同時做好森林防火、防蟲害工作，減少自然因素對森林的破壞。

4.3 提高耕地有效灌溉率

提高耕地有效灌溉率可以減少土壤鹽堿化，提高土壤肥力，增強土地生態安全。查詢數據得知，安康市耕地有效灌溉率從2006年開始呈下降趨勢。因此安康市水利部門應加大田間工程建設的力度，對田間溝渠中心工程進行改造，增加溝渠數量，鋪設相關管道，運用現代高科技建立節水灌溉體系，提高水資源利用的同時提高農作物水分生產效率；統一管理水資源，按國家節水標準對田間灌溉用水定期考核、動員各縣力量推行相應的配套政策；安康市分管農業的部門應擴大宣傳，引導農民合理引水，科學灌溉。

4.4 合理施用化肥和噴灑農藥

減少因化肥農藥造成的土壤污染，任務艱巨而繁瑣，安康市作為南水北調的重要水源涵養地，更要進一步加大土壤污染治理力度，從而保證水源干凈。因此，必須在“源頭控制、節能減排”的原則下號召各區縣分門別類合理施用化肥、噴灑農藥；政府應加強對相關廠家廠商的監管力度，實施市場專項治理工作，工商管理部門應對農藥產品的登記和包裝達標狀況進行突擊檢查；加強與農業技術推廣中心的聯系，向農民群眾宣傳和講解有關土肥適用技術的推廣和應用，提高農民科學施肥水平，減少過度使用化肥農藥，提高農業生產化的投入產出比；加強化肥農藥施用造成的農村土壤污染的有效監測。

[1] 袁麗娟.土地資源生態安全評價研究綜述[J].西部資源,2013(3):179-181.

[2] 鄧楚雄,謝炳庚,吳永興,等.上海都市農業生態安全定量綜合評價[J].地理研究,2011,30(4):645-654.

[3] 曾洪云,趙俊三,王慶龍.基于投影尋蹤法的滇中經濟區土地資源生態安全評價[J].云南地理環境研究,2013,25(1):100-105.

[4] 類淑霞,郝晉珉,尚韜.基于土地利用變化的區域土地生態安全動態評價：以北京市朝陽區為例[J].生態經濟,2011(7):38-42.

[5] 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.

[6] 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(9):1520-1530.

[7] 封志明,鄭海霞,劉寶勤.基于遺傳投影尋蹤模型的農業水資源利用效率綜合評價[J].農業工程學報,2005(3):66-70.

[8] 安康市統計局.安康統計年鑒(2002～2012)[M].北京:中國統計出版社,2003-2013.

[9] 付強,趙小勇.投影尋蹤模型原理及其應用[M].北京:科學出版社,2006.

[10] 李紅霞,李霖,趙忠君,等.投影尋蹤法的土地生態安全評價[J].測繪通報,2011(6):67-69.

[11] 李智國,楊子生.中國土地生態安全研究進展[J].中國安全科學學報,2007(12):5-12.

[12] 王芳,馮艷芬,卓莉,等.基于改進遺傳算法投影尋蹤的大城市郊區耕地安全綜合評價[J].熱帶地理,2013,33(4):373-380.

[13] 董立國.遺傳算法和投影尋蹤分類模型在工程評標中的應用[D].邯鄲:河北工程大學,2010.

[14] 李紅霞,李霖,趙忠君.基于模擬退火算法的投影尋蹤模型在土地生態安全評價中的應用研究[J].國土與自然資源研究,2011(1):62-64.

(責任編輯：管珊紅)

Ecological Safety Assessment of Land in Ankang City Based on Projection Pursuit Model

ZHANG Hong-xia, CHENG Zhong-xu, ZHANG Xiao-cun

(College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

In this article, the ecological safety assessment system of land in Ankang City was established by selecting 17 indexes from the aspects of nature, society and economy, and the corresponding exploration was conducted by using projection pursuit model. The results indicated that the projection value in Ankang rose from 0.5427 in the year 2001 to 3.2170 in 2011, suggesting that the degree of land ecological safety increased continuously. The land ecological safety in Ankang City was threatened mainly by the land economic and ecological system, while the restriction of the land social and ecological system to the land ecological safety decreased continuously at the same time. The per-capita water resource rate, the population density, the grain yield per unit area, the agricultural, forestry, animal husbandry and fishery output value per unit area, and the mechanization level per unit area were the main limiting factors of the land ecological safety in Ankang City.

Land ecological safety; Projection pursuit model; Accelerating genetic algorithm; Ankang city

2016-05-13

張紅俠(1978—)，女，陜西咸陽人，副教授，碩士，研究方向：土地資源利用與區域發展。

F301；F323

A

1001-8581(2016)11-0094-05