基于物元分析-DPSIR概念模型的重慶土地生態安全評價

張鳳太，王臘春，蘇維詞（.南京大學地理與海洋學院，江蘇 南京 2009；2.貴州師范學院地理與旅游學院，貴州 貴陽 55008；.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 55000）

基于物元分析-DPSIR概念模型的重慶土地生態安全評價

張鳳太1,2*，王臘春1，蘇維詞3（1.南京大學地理與海洋學院，江蘇 南京 210093；2.貴州師范學院地理與旅游學院，貴州 貴陽 550018；3.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001）

構建基于驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSⅠR）概念框架的土地生態安全評價指標體系，借助灰色關聯模型進行賦權，引入物元分析法對重慶市土地生態安全進行評價，研究結果表明:①1997年重慶土地生態安全屬于不安全等級，2001年屬于較安全、2005年屬于不安全、2009和2012年屬于安全等級，表明1997～2012年重慶市土地生態安全總體呈現轉好趨勢，但由于關聯度均小于0，土地生態安全的水平不穩定；②重慶市土地生態系統脆弱，承載干擾的能力較弱；③1997直轄后，經濟社會的發展，環境保護意識的提升，政府部門生態環境建設力度和環保投入的加大是重慶市土地生態安全有效提升的保障.人口增加，經濟社會以及城市化的快速發展，農業面源污染等是重慶市土地生態安全的制約因素；④該評價模型和指標體系適用性較強，評價結果較為客觀，為土地生態安全評價提供了一個方法的參考.

土地；DPSⅠR概念模型；物元分析；生態安全；重慶

土地生態安全關系著人類未來的可持續發展，對土地生態安全的研究具有重要的現實意義

［1］，已成為生態安全領域研究的熱點.

土地生態安全是指陸地表層由各種有機物和無機物構成的土地生態系統的結構不受破壞，并且，該系統提供服務的質量和數量能夠持續滿足人類生存和發展的需要［1-2］.近年來學術界對土地安全的研究較多，取得了豐富的研究成果，研究內容主要集中在土地生態安全的定義［3］，土地生態的評價指標體系構建［1］、評價模型的設計與選擇［4］，土地生態安全的預警［5］等方面，研究對象主要集中在城市土地生態安全［6］，流域（區域）土地生態安全以及特殊地帶（農牧交錯帶［7］，海岸帶［8］，西南山地生態敏感區［9］）土地生態安全.土地安全評價研究方法主要體現在評價指標體系的構建、指標權重的確定和評價模型的設計與選擇方面，研究方法對土地生態安全評價結果的影響重大.目前，從土地生態安全評價方法來看，張軍以等［1］基于 PSR 框架模型構建評價指標體系，采用熵權賦權法確定權重，運用土地生態安全綜合評價模型，對三峽庫區生態經濟區土地生態安全進行評價分析；王鵬等［10］采用主成分分析方法選取了8項能反映衡陽社會，經濟，生態狀況的指標，對衡陽市土地生態安全進行分析，并重點分析了影響土地生態安全狀況的關鍵因素.余健等［11］籠統的選取與生態安全密切相關單位面積耕地化肥負荷，人均耕地面積，土地多樣性指數、區域開發指數等17個屬性特征構建評價指標體系，采用熵權模糊物元模型對皖江地區馬鞍山，合肥，蕪湖等9個市土地生態安全水平進行評價.楊春紅等［12］基于PSR模型構建土地生態安全評價指標體系，采用主成分分析法確定指標權重，依據土地生態安全綜合指數法對2001～2008年汕頭土地生態安全狀況進行了評價.這些研究無疑對當前土地生態安全的研究起到了巨大的推動作用，但也存在不足：（1）簡單的多指標綜合評價法強調對綜合質量的分析，忽略了從影響因子的角度構建評價指標體系，忽視了土地生態安全演進變化全過程和內在機制.（2）指標權重確定主觀性較強，忽視了指標客觀信息.（3）簡單的將綜合評價分值劃分為若干等級，主觀性較強，存在無法識別單指標，總體與評價等級之間的隸屬程度，會遺漏指標間以及評價結果中間狀態等分異信息，不能很好地解決指標間不相容的矛盾［13］.物元分析模型采取系統物元變換、結構變換等方法，化不相容問題為相容問題，無丟失地綜合各種因素的全部信息，揭示了更多的分異信息，克服了評價過程中人為因素的影響，提高了評價的精度［13］.灰色關聯法，基于灰色理論，其原理是若干統計數列所構成的各條曲線幾何形狀越接近，即越相平行，則它們的變化趨勢越接近，其關聯度就越大，具有數學模型的客觀性，同時分辨系數體現一定的主觀性，主客觀結合，權重確定更趨合理［14］.驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSⅠR）模型綜合考慮影響土地生態安全的經濟、社會、生態、環境等因素，完全刻畫了土地生態安全的演化內在機理，突出了自然環境、資源與人類的耦合關系［15］.鑒于此，本文構建基于驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSⅠR）模型的土地生態安全評價指標體系，引入灰色關聯法和物元分析法對重慶市土地生態安全評價做出實證研究，為重慶土地生態安全研究和生態環境建設提供依據，也為土地生態安全評價研究提供方法參考.

1970年，加拿大統計學家安東尼 · 弗雷德針對環境質量評價學科中生態系統的健康評價提出PSR，即壓力-狀態-響應模型［15-16］.但PSR模型的缺陷是：人類活動對環境的影響只能通過環境狀態指標隨時間的變化而間接地反映出來［17］.因此，歐洲環境署采用系統論方法，基于表述引發生態環境問題的起源與結果關系因果鏈的角度，提出“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”模型（DPSⅠR模型）［18］，DPSⅠR模型能表達影響生態安全各因素之間的信息耦合關系，體現了生態安全的演進變化具有動力學特點［17］.該模型從系統分析的角度看待人和環境系統的相互作用，是一種在環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型，是組織環境狀態信息的通用框架［16］.

目前PSR框架模型在土地生態安全評價中應用較廣泛，DPSⅠR概念模型在區域生態安全評價，水資源安全評價，生態系統健康評價中應用較廣，在土地資源可持續利用，土地利用規劃環境影響評價中有所應用，但是在土地生態安全評價中的應用卻較少且沒形成統一的認識.因此本文參照已有耕地［19］，土地生態安全PSR 模型［1］，農業土地資源持續利用評價［20］，區域生態安全評價的DPSⅠR概念框架［17］，將DPSⅠR概念框架引入到土地生態安全評價當中， DPSⅠR 概念模型涵蓋社會經濟發展、資源利用和環境保護等自然、人文的多個領域，將土地生態看成生態系統的一部分，將土地生態安全與環境問題，社會經濟發展狀況、政府政策導向等方面按照因果順序有機的整合在一起，為土地生態安全評價提供了新的研究思路［20］.土地生態安全評價DPSⅠR概念模型由驅動力了模型，壓力了模型，狀態了模型，影響了模型，響應了模型5部分構成.如圖1：

圖1 土地生態安全評價DPSIRM模型框架Fig.1 Framework of DPSIRM land ecological security evaluation model

社會經濟發展與人口的增長作為長期驅動力（D）對土地生態產生壓力（P），人口增加，經濟社會飛速發展，過度墾殖，城市化占用大量耕地，農業面源污染加劇，造成土地生態系統量和質的變化，人地矛盾突出，土地污染，水土流失，土地生態系統安全面臨脅迫，脅迫反饋到經濟社會中，促使人們做出反思，政府和相關環境與土地管理部門根據對土地生態系統安全的影響程度以及驅動力，壓力，狀態的動態變化情況制定政策，加大環境建設和資金投入的力度，集約利用土地，減少污染物排放，加強土地生態安全的調控，實現土地生態系統與自然環境，人類社會的良性互動耦合.

1 研究方法

1.1 灰色關聯方法確定權重

灰色關聯方法是灰色系統理論中新的分析方法，它根據因素間的相似或相異程度，來衡量因素之間的關聯度［14］，克服了傳統主觀賦權法，如層次分析法（AHP）等主觀任意性，以及單純的客觀賦權，如熵權賦權法的指標之間權重差距過大的局限性.具有數學模型的客觀性，同時分辨系數體現一定的主觀性，主客觀結合，權重確定更趨合理.

1.1.1 數據標準化 標準化方法本研究采用min-max標準化方法，此方法是對原始數據進行線性變換.設minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值x通過min-max標準化映射成在區間［0，1］中的值x'，其公式為：

1.1.2 確定數列的最優向量 由于進行對原始數據進行了標準化處理，所以最優向量為［14-15］：

式中：v為取最大運算符.

1.1.3 計算聯系數 利用灰色關聯計算公式計算聯系數，并依據聯系數計算指標的權重，詳見文獻［14-15］.

1.2 土地生態安全物元分析模型

物元分析方法是我國學者蔡文于20世紀80年代提出，主要用于解決不相容的復雜問題，適合于多因子評價.此方法的優點就是可以無丟失地綜合各種因素的全部信息，并能以定量的數值表示評價結果，從而較完整，客觀地反映事物質量的綜合水平［19］.

1.2.1 確定土地生態安全物元 物元分析中所表述的對象即區域（時段）土地生態安全評價N及特征向量c和特征量值x組成土地生態安全評價物元R=（N，c，x），作為土地生態安全評價的基本單元，稱為一維物元，如果對象N有n個特征向量C1，C2，…，Cn及其對應的量值x1，x2， …xn，則稱R為土地生態安全評價的n維物元，表示為［21-22］：

1.2.2 確定經典域和節域物元矩陣 土地生態安全評價的經典域物元矩陣可以表示為Roj=（Noj，Ci，Xo），其中，Roj為土地生態安全評價的經典域物元，Noj為第j個評價等級（其中，j=1，2…n），Ci代表第i個評價指標.因此，土地生態安全評價的經典域物元矩陣可表示為［22-23］：

式中：（aoji，boji）表示評價等級j的量值范圍，即經典域.

按照土地生態安全評價的經典域物元矩陣確定的方法，其節域物元矩陣可表示為Rp=（Np，Cn，Vn），其中，Rp為節域物元，p為全體評價等級.因此，土地生態安全評價的節域物元矩陣可表示為［22-23］：

式中：（apn，bpn）為節域物元關于特征Cn的量值范圍，即節域.

1.2.3 確定待評價物元 把待評價對象Nm的物元表示為RM：

1.2.4 確定關聯函數和關聯度 令有界區間Xo=［a，b］模定義為：

|Xo=|b-a||

則土地生態安全評價指標關聯函數K（x）如下公式：

其中：

式中：p（X，Xo）為點X與對應的特征向量的有限區間即Xo=［ao，bo］的距離，p（X，Xp）為點X與對應于特征向量節域的有限區間即Xp=［ap，bp］的距離；X、Xo、Xp分別為土地生態安全評價物元的量值，經典域物元量值范圍和節域物元的量值范圍［22-23］. 1.2.5 綜合關聯度計算及評價等級確定 待評價對象NM（M=1，2，3…，m）關于等級j的綜合關聯度Kj（Nm）為：

式中：Wi為土地生態安全各評價指標的權重，Kj（Nm）為待評價對象NM屬于等級j的綜合關聯度，kj（xi）為待評價對象各單一指標屬于第j等級的關聯度.確定評價對象（單一指標）最后屬于那個等級的標準采用大數原則，即Kjm=max［Kj（Nm）］，則NM屬于土地生態安全的標準等級j級，j=1，2，3， …，n；若Kji=max［Kj（xi）］，則評價對象第i指標屬于土地生態安全評價的標準等級j級，j=1，2，3，…，n ；當K值小于負1時，表明待評價對象不符合評價等級要求，同時也不具備轉化成評價等級的條件；當K值大于負1小于0時，說明待評價對象不符合評價等級的要求，但具備轉化為評價等級的條件，且數值越大，越容易轉化；當K值大于0時，說明待評價對象符合評價等級的要求且K值越大說明該評價對象（評價指標）在相對應的等級中越穩定［22-23］.

1.3 基于DPSⅠR概念模型的評價指標體系的構建及評價經典域、節域的確定

1.3.1 土地生態安全DPSⅠR指標體系構建 DPSⅠR概念模型用于表征資源或環境系統的概念與復雜因果關系結構［17］.按照圖1確定的土地生態安全DPSⅠR概念模型，根據重慶市土地資源的特點和利用狀況，參照已有的研究［12,17,24］，遵循指標的全面性，代表性、可操作性等原則，建了基于DPSⅠR概念模型的重慶市土地生態安全評價指標體系.2012年重慶主城區人口795.36萬人，占全市人口的23.8%，占全市城市人口的60.4%，因此是典型的大城市，大農村的地區，農業面源污染是其土地生態安全的主要壓力，因此，本文在選擇表征壓力（P）指標時側重從農業面源污染角度選擇指標.如表2.

表1 土地生態安全指標及含義Table 1 Land ecological security indexes and meaning

1.3.2 土地生態安全評價經典域、節域的確定根據土地生態安全的可拓性，將土地生態安全狀態劃分為4個等級，分別為No1， No2， No3， No4，即安全（Ⅰ級），較安全（ⅠⅠ級）、敏感（ⅠⅠⅠ級）和不安全（ⅠV級）4個等級.本文參考已有的相關研究中關于評價指標等級的確定［15,21-23,25-27］，結合重慶地區土地資源的特點確定各指標的經典域范圍，其中“城鎮人均公共綠地面積”指標按照我國生態市建設中“城鎮人均公共綠地面積”指標數據為標準進行節域確定，“保護區面積占土地總面積比重”按照12%的世界平均水平為標準進行節域確定.依據上述方法確定土地生態安全評價經典域物元矩陣Ro1， Ro2， Ro3， Ro4和節域矩陣Rp，如下：

2 重慶土地生態安全評價

2.1 研究區概況

重慶位于中國內地西南部，長江上游地區，青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶，氣候溫和，屬亞熱帶季風性濕潤氣候.截至2014年末，重慶市常住人口2991.40萬人.城鎮化率59.6%.全市城鎮常住居民人均可支配收入25147元，農村常住居民人均可支配收入9490元.但由于由于歷史，文化，人口，開發模式等多重因素的影響，重慶市的生態環境較脆弱，土壤侵蝕和土地退化情況較嚴重［1］.據2012年重慶市水土保持公報，全市現有水土流失面積3.14萬km2，占全市土地面積的38.02%，全市平均侵蝕模數3392.59t/km2.a，年均土壤侵蝕量為10640.30萬t.重慶市土地生態安全不僅影響三峽水利樞紐工程的安全運行，而且對整個長江流域生態安全有著舉足輕重的作用.

2.2 數據來源及待評價物元確定

研究數據主要來源于《重慶市統計年鑒》（1997～2012），《重慶市水土保持公報》（1997～2012），部分數據通過年鑒數據換算得出，另一部分數據采用趨勢預測獲取.

由于數據獲取的難度等原因，選取1997、2001、2005、2009和2012年重慶市土地生態安全進行評價，并且這些年份均沒有較大自然災害和異常情況，屬于正常年份，可以代表重慶市經濟社會發展的常態水平，依據本文1.2.3節確定待評價物元方法，確定其待評價物元矩陣R如下：

2.3 結果與分析

依據收集獲得的重慶市土地生態安全評價指標數據，代入公式1～2及參考文獻［14、15］灰色關聯計算方法，計算得到各評級指標的權重（表1），將1997、2001、2005、2009和2012年重慶市土地生態安全待評價物元R1997，R2001，R2005， R2009， R2012代入物元分析模型［式（7），（8）］計算出重慶市土地生態安全評價指標關聯度、因子層關聯度與綜合關聯度的結果（表2，3，4）.以1997年為例介紹計算結果，kj（x1）對應四個等級的聯系度分別為No1=-0.052、No2=0.058、No3=-0.471、No4= -0.647，因此可以判斷人口自然增長率指標屬于No2，即“較安全”，同理可以判斷出其他指標的隸屬等級，如表2.Kj（N1997）對應的4個等級的總體關聯度分別為No1=-0.408，No2=-0.329，No3=-0.393，No4= -0.246，依據判斷標準，可以看出1997年重慶市土地生態安全屬于第ⅠV等級，即“不安全”，以此類推可以得出其他年份的安全等級，見表4，同理也可得出重慶市土地生態安全評價因子層（DPSⅠR）的安全等級，見表3.

表2 重慶市土地生態安全評價指標關聯度及評價結果Table 2 Correlation and evaluation results of land ecological security evaluation index in Chongqing

依據單個評價指標提供的分異信息來看（表2），1997～2012年人均GDP、單位面積GDP產出率，森林覆蓋率，城市人均公園綠地而積，保護區面積占土地總面積比重，農村居民家庭人均純收入，工業廢水達標污排放率，工業固體廢物排放率和環保投資占GDP比例等指標出現不同等級的增加趨勢，說明以上指標對于重慶市土地生態安全等級的提升起到了支撐作用.但是，城市化水平，GDP增長率，人口密度，單位耕地面積化肥施用量，單位耕地面積地膜使用量物等指標出現不同等級的下降趨勢，說明這些指標是制約重慶市土地生態安全提升的關鍵因素.表明1997年直轄后，隨著人民生活水平的提高，環境保護意識的提升，加上政府部門生態環境建設力度和環保投入的加大，重慶市土地生態安全得到了有效提升.但是隨著人口的大量增加，城市化的快速發展，農業面源污染得不到有效控制，重慶市土地生態安全面臨巨大威脅.

從因子層（DPSⅠR）分異信息來看（表3），1997～2012年重慶市土地生態安全除了壓力狀態沒有變化外，其他因子層安全均出現不同等級的變化.壓力安全等級雖然沒有變化，但是Kj（N1997，D） =-0.261，Kj（N2001，D） = -0.109， Kj（N2005，D） = -0.290，Kj（N2009，D） =-0.245， Kj（N2012，D） = -0.231，均小于0，“安全”狀態不穩定.驅動力安全1997年和2001年為較安全，2005年為敏感，2009年回歸到較安全，2012年變為安全狀態.狀態安全由1997，2001和2005年的不安全，2009年為較安全，2012年為敏感.影響安全1997和2005年為不安全，2001，2009和2012年為敏感. 1997年和2001年在驅動力和壓力安全等級相對安全的情況下，狀態安全和影響安全等級屬于不安全和敏感狀態，這也說明重慶市土地生態系統脆弱，承載干擾的能力較弱.響應安全1997年為不安全等級，2001，2005，2009和2012年全部為安全等級.其中響應安全等級變化較大，也表明隨著經濟社會發展，在土地生態安全面臨威脅時，重慶市政府和環境部門的管理反映迅速.影響安全等級跨度較大.從以上單個評價指標提供的分異信息來看，2005，2009和2012年狀態安全和影響安全等級轉好，正是由于環保建設和投資加大等響應安全等級的提升而起的作用，正說明，在重慶目前經濟社會發展水平相對較低的大背景，土地生態系統承載干擾能力較低，同時面臨經濟和城市化的飛速發展和人口密度增大的壓力情況下，政府和環境部門的環境調控能力的提高，通過制定嚴格的土地保護政策，加大環境保護的力度，是減緩重慶市土地生態面臨威脅，提升土地生態安全等級的關鍵因素.

從總體來看（表4），1997年重慶土地生態安全屬于不安全等級，2001年屬于較安全，2005年屬于不安全，2009和2012年屬于安全等級，表明1997～2012年重慶市土地生態安全總體呈現轉好趨勢.但是判斷屬于安全等級的關聯度均小于0，即0＞Kj（N2005，D）=-0.177＞Kj（N1997，D）=-0.246＞Kj（N2001，D）=-0.261＞Kj（N2012，D）=-0.302＞ Kj（N2009，D）= -0.312，表明1997～2012年重慶市土地生態安全整體變好，但是十分不穩定.2009年和2012年屬于“安全”狀態，但是其關聯度數值小于零，且數值較小，表明2009年和2012年雖然被認定為“安全”等級，但不完全符合NO1的標準，只是更具備轉化為NO1的條件，但轉化為“安全”等級的難度較大，因此，重慶市土地生態安全的狀況不容盲目樂觀，還需要加強農業面源污染的控制，提升土地資源的管理的水平和加大環保資金投入的力度，保持土地生態安全的平穩增長.

表3 DPSIR因子層關聯度及評價結果Table 3 Correlation of DPSIR factor layer， and the evaluation results

表4 土地生態安全評價指標關聯度及評價結果Table 4 Correlation and evaluation results of land ecological security evaluation index

3 討論

較傳統的簡單的多指標的綜合評價，物元分析法對土地生態安全評價不但揭示了單因子指標之間的分異規律，也能夠展示出綜合安全水平與中間轉化過程的關系.灰色關聯法客觀為主，主觀修正為輔，主客觀結合，賦權更加合理.因此，熵權-物元法適合土地生態安全的評價，有利于提高土地生態安全評價的準確性.

土地生態安全評價指標體系多樣，沒有形成一個統一的標準，評價方法也眾多，本文作為一個方法的嘗試研究，基于DPSⅠR概念框架構建土地生態安全評價模型，利用灰色關聯法賦權，引入物元分析法對重慶市土地生態安全進行評價分析，研究結果與實際情況基本符合，方法可行.研究案例地重慶屬于西部落后地區，生態環境脆弱，因此，方法的普適性是今后仍需努力的地方.

4 結論

4.1 本研究基于DPSⅠR概念框架構建土地生態安全評價模型，利用灰色關聯法賦權，引入物元分析法對重慶市土地生態安全進行評價分析，并且根據已有耕地資源，水資源，土地資源，生態系統健康評價的相關參考文獻，結合重慶地區土地資源的特點參考我國生態市建設標準以及一些指標的世界平均水平確定物元評判標準，研究結果表明：表明1997直轄后.人口增加，經濟社會以及城市化的快速發展，農業面源污染等是重慶市土地生態安全的制約因素；重慶市土地生態系統脆弱，承載干擾的能力較弱；1997年重慶土地生態安全屬于不安全等級，2001年屬于較安全，2005年屬于不安全，2009和2012年屬于安全等級，表明1997～2012年重慶市土地生態安全總體呈現轉好趨勢，但由于關聯度均小于0，土地生態安全的水平不穩定.研究結論與當前重慶市的土地生態現狀相吻合.

4.2 通過對重慶市土地生態安全的實證研究表明，土地生態安全評價的DPSⅠR概念框架從土地生態安全演化的內部機理出發，考慮了社會經濟、自然環境等各方面因素以及因素之間的相互作用，能夠準確地反映土地生態系統內部演化規律和各因素之間的關系，能夠實現對土地生態安全的準確評價.

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Evaluation of land ecological security in Chongqing based on the matter-element analysis-DPSIR model.

ZHANG Feng-tai1,2， WANG La-chun1， SU Wei-ci3（1.School of Geographic & Oceanographic Sciences， Nanjing University，Nanjing 210093， China；2.School of Geography Science & Tourism， Guizhou Normal College， Guiyang 550018， China；3.Institute of Mountain Resource， Guizhou Academy of Sciences， Guiyang 550001， China）. China Environmental Science，2016，36（10）：3126～3134

This paper builded evaluation index system of land ecological security based on driving force-pressure-stateimpact-response （DPSIR） conceptual framework， using grey correlation model of empowerment， and introduced matter-element analysis method to evaluate land ecological security in Chongqing， the results showed that: ①In 1997and 2005， land ecological security of Chongqing belonged to unsafe level； In 2001， at a safer level； In 2009 and 2012， at a safe level， in 1997～2012 showed a trend of turned for the better， but as a result of correlation degree less than zero， the land ecological security level was not stable. ② Fragile land ecological system in Chongqing， weak bearing interference ability； ③After Municipalities directly under the central government in 1997， the development of society and economy，the environmental protection consciousness promoting， government efforts in ecological environment construction and Environmental protection investment increasing were guarantee of effective promotion of land ecological security in Chongqing. Population growth， the rapid development of economic society and urbanization， agricultural non-point source pollution were limiting factors of land ecological security. ④The applicability of the evaluation model and index system was stronger， the evaluation results more objective， provides a reference for land ecological security evaluation method.

land；DPSIR model；the matter-element analysis；ecological security；Chongqing

X821

A

1000-6923（2016）10-3126-09

張鳳太（1979-），男，山東沂南人，副教授，南京大學博士研究生，主要研究方向為水文水資源與區域可持續發展等.發表論文60余篇.

2016-01-29

國家十二五科技支撐計劃項目（2014BAB03B01）

* 責任作者， 副教授， zhfthero@126.com