PSR框架下土地生態系統健康診斷

高潔芝 夏夢蕾 孟展 劉友兆

摘要：建立了基于PSR模型的土地生態系統健康評價指標體系，運用改進的熵值法與障礙度模型診斷了四川省土地生態系統健康水平。研究分析結果：（1）2000—2013年四川省土地生態系統健康水平總體不斷提升，綜合指數從0.478 5增加到0.643 2，健康水平等級經歷了“臨界狀態—亞健康”的演變歷程；（2）總體來看，壓力指數、狀態指數呈現下降趨勢，響應指數呈現上升趨勢；（3）長遠來看，系統壓力是影響土地生態系統健康水平的首要因素，2000—2013年系統壓力、系統狀態的障礙度分別以年均5.14%、4.15%的速度增加，而系統響應的障礙度以年均3.87%的速度下降；（4）單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地農藥負荷、人均建設用地等是土地生態系統健康水平等級提高的關鍵制約因素。

關鍵詞：土地生態系統健康；診斷；改進的熵值法；PSR模型；四川

中圖分類號： F301.24文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0240-04[HS）][HT9.SS]

改革開放以來，我國經濟社會快速發展，環境與發展之間的不協調問題日益凸顯，土地生態環境呈現惡化趨勢，土地質量呈現下降趨勢，土地生態系統健康面臨一定的威脅[1-3]。因此，開展土地生態系統健康研究，剖析土地生態系統健康水平的制約因素，優化土地生態系統健康水平的提升路徑，改善土地生態系統健康狀況，對于加強生態文明建設，保障我國生態安全，促進社會經濟可持續發展具有非常重要的意義[3]。

目前，關于土地生態系統健康的研究主要集中在土地生態系統健康內涵、土地生態系統健康機理、土地生態系統健康水平分析和土地生態系統健康調控等幾個方面[3-8]。總體來看，土地生態系統健康評價研究尚屬起步階段，定性分析相對較多、定量研究較少；土地生態系統健康水平評價是對土地生態系統的綜合診斷，主要包括資源的開發、生態環境質量、政策管理水平等，但目前的評價指標主要集中于資源、環境狀況，很少綜合考慮人類活動、社會經濟等對土地生態系統健康水平診斷的作用；評價指標權重的測算多采用德爾菲法、層次分析法等，此類方法雖因研究較為成熟而被廣泛應用，但評價指標權重的測算多包含人為因素，時常因選擇的專家不一樣而產生較大的差異，導致研究結果趨于不穩定[9]。PSR模型綜合考慮社會、經濟、資源與環境，突出了人地關系；改進的熵值法根據評價指標的固有信息測算評價指標的權重，能夠避免一些主觀確權法所帶來的結果不穩定的問題。

鑒于此，本研究建立了PSR框架下土地生態系統健康評價指標體系，運用改進的熵值法、障礙度模型對四川省土地生態系統健康水平評價進行實證分析，診斷了土地生態系統健康水平的制約因素，以期為提高土地生態系統健康水平提供一定的參考依據。

1材料與方法

1.1區域概況與數據來源

四川省地處長江上游，東與重慶市接壤，南與云南省、貴州省相連，西鄰西藏自治區，北接青海、甘肅、陜西省[9]。四川省包括18個地級市與3個自治州，自然資源豐富，光熱條件好，是我國重要的農業經濟區、糧食主產區。伴隨著經濟社會快速發展，發展與環境之間的不協調問題日益凸顯，土地生態環境呈現惡化趨勢，土地質量呈現下降趨勢，土地生態系統健康水平亟待提升。

PSR框架下土地生態系統健康診斷數據主要來源于《四川統計年鑒（2001—2014）》《四川農村統計年鑒（2001—2014）》《中國環境統計年鑒（2001—2014）》《中國統計年鑒（2001—2014）》《中國農村統計年鑒（2001—2014）》《中國農業年鑒（2001—2014）》以及四川省土地利用變更調查數據等。

1.2研究方法

1.2.1指標體系構建

土地生態系統健康是指在自然因素、人為因素共同作用下土地生態系統仍然能夠維持自我恢復能力，自身結構合理，功能得到正常發揮，滿足人類以及經濟發展的需要[3-8]。土地生態系統健康診斷是以土地生態系統為分析對象，綜合剖析自然生態要素、社會經濟要素，評價自然因素與人為因素帶來的系統破壞、退化程度[9-10]。PSR框架是由聯合國OECD和UNEP提出的[11-12]，該框架基于因果關系開展分析，主要目的在于剖析生態系統的可持續性，建立人類活動與生態環境之間的因果鏈[13]。本研究借助PSR框架開展土地生態系統健康水平診斷（圖1）。

在土地生態系統健康水平診斷中引入PSR框架能夠從總體上體現土地生態系統、社會經濟發展目標與管理決策之間的相互依存、相互制約的關系（圖1）。從土地生態系統健康內涵、PSR框架出發，遵循指標體系構建的科學性、可獲取性、系統性與可比性等原則，在參考相關文獻的基礎上，建立了基于PSR模型的土地生態系統健康評價指標體系（表1）。

1.2.2評價模型建立

1.2.2.1標準化處理

本研究采用極差法[3]對土地生態系統健康評價指標數據開展標準化處理，計算公式如下：

[JZ（]正向指標：Xij′=（Xij-minXj）/（maxXj-minXj）；[JZ）][JY]（1）

[JZ（]負向指標：Xij′=（manXj-Xij）/（maxXj-minXj）。[JZ）][JY]（2）

式中：Xij、Xij′代表第i年第j項評價指標的原始值、標準化值，maxXj、minXj代表第j項評價指標的標準最大值、標準最小值。制定評價指標標準值（健康值、病態值）主要依據國家、地方、行業及國際相關標準，研究區域本底背景值，全國平均水平等[3，8-9]。[FL）]

1.2.2.2指標權重的確定

不同評價指標對土地生態系統健康水平的影響程度存在一定的差異，需要對評價指標賦以一定的權重，本研究采用改進的熵值法來確定土地生態系統健康水平評價指標權重，具體步驟如下[9，14]：

（1）土地生態系統健康水平評價指標標準化處理。由于不同的評價指標具有不一樣的量綱，需要對土地生態系統健康水平各評價指標數據進行標準化變換[14]：

[HS+6mm]Xij″=（Xij-X[TX-]j）/sji=1，2，…，m；j=1，2，…，n。[JY]（3）

式中：Xij″代表評價指標標準化后的值；X[TX-]j代表第j項評價指標的均值；sj代表第j項評價指標的標準差。

（2）開展坐標平移：Xij=H+Xij″。式中：Xij代表平移后的指標值，H代表指標平移的幅度。

（3）測算第j項評價指標下的i個樣本值的比重，Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij。

（4）測算第j項評價指標熵值。ej=-k∑[DD（]mi[DD）]Pijln（Pij），k>0，ln表示自然對數，ej>0。假設Xij對于給定的j一樣，則 [JP3]Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij=1/m，此時ej達到最大，即ej=-k∑[DD（]mi=1[DD）][SX（]1m[SX）]ln[SX（]1m[SX）]=[JP]klnm。假設k=1/lnm，ej=1，因此0≤ej≤1。

（5）測算第j項評價指標差異性系數gj，gj=1-ej。

（6）測算第j項評價指標的權重wij：wij=gj/∑[DD（]mi[DD）]gj，j=1，2，…，n。

1.2.2.3計算綜合指數

本研究運用綜合評價法測算土地生態系統健康水平，具體公式如下[2]：

[JZ（]F=∑[DD（]3i=1[DD）]wi×（∑[DD（]nj=1[DD）]Xij′×wij）。[JZ）][JY]（4）

式中，F代表土地生態系統健康水平，wi代表第i子系統權重，wij代表第i子系統第j項評價指標權重，n代表第i子系統所包含的評價指標數。F越接近1，代表土地生態系統健康水平越高。在借鑒國內外生態系統健康等級劃分的基礎上[3-4]，將土地生態系統健康水平劃分成5個等級，具體為病態、不健康、臨界狀態、亞健康與健康（表2）。

1.2.3障礙因素診斷

在土地生態系統健康水平診斷的基礎上，開展土地生態系統健康的病理分析，剖析影響土地生態系統健康水平的制約因素[15]。障礙因素測算采用因子貢獻度、指標偏離度、障礙度3個指標進行診斷，因子貢獻度（Uj）表示各評價指標對土地生態系統健康水平的權重，指標偏離度（Iij）表示土地生態系統健康各評價指標標準化值與100%之差；障礙度（Yj，yj）分別表示各評價對象分類指標、單項指標對土地生態系統健康水平的影響程度，計算公式如下[15-16]：

[HS2][JZ（]yij=Iij×wj/（∑[DD（]nj=1[DD）]Iij×wj），Yij=∑yij。[JZ）][JY]（5）

2結果與分析

根據土地生態系統健康評價指標體系收集相關數據，采用改進的熵值法測算各評價指標權重，在此基礎上測算四川省土地生態系統健康水平（圖2）。

2.1綜合評價結果

研究結果顯示，2000—2013年，四川省土地生態系統健康水平總體上呈現上升趨勢，土地生態系統健康狀況得到進一步改善。土地生態系統健康綜合指數由2000年的0478 5上升至2013年的0.643 2，四川省土地生態系統健康狀況總體上不斷好轉，年均增長率達到2.65%，由此可見，四川省土地生態系統健康水平總體上不斷提升。參考土地生態系統健康水平分級標準， 四川省土地生態系統健康水平由臨界狀態

等級提升為亞健康等級，研究發現，2000—2013年四川省經濟發展水平不斷提高，收入水平持續提升，生態保護意識不斷強化；單位耕地面積農業機械動力不斷增加，耕地糧食單產有效提高；生態環境保護建設力度不斷加強，加大了對廢水、廢氣污染的控制力度，深入開展水土流失治理，水土流失治理率持續提高，提高了土地生態系統健康水平。

2.2分類指標對比

2000—2013年，四川省土地生態系統健康壓力指數總體上呈現下降趨勢，從2000年的0.6598降低至2013年的0611 6，表明土地生態系統的壓力狀況有所惡化（負向指標）[9]，人類對土地生態系統的干擾有所強化。根據變化趨勢能夠將壓力指數變化劃分為5個階段：（1）2000—2001年壓力指數緩慢增長，增長率為1.75%；（2）2001—2009年壓力指數下降幅度相對較大，遞減率為2.64%；（3）2009—2010年壓力指數增長幅度較大，增長率為17.16%；（4）2010—2012年壓力指數緩慢下降，遞減率為1.51%；（5）2012—2013年壓力指數緩慢增長，增長率為1.62%。不難看出，隨著四川省經濟發展水平不斷提高，土地生態系統壓力總體上持續提高，近年來，土地生態系統壓力有所緩解。2000—2013年四川省土地生態系統健康狀態指數呈波動下降趨勢，2013年狀態指數是2000年的0.96倍，下降幅度不大。除2006年以外，其他年份的土地生態系統健康響應指數均逐年增大，健康水平迅速提升，2013年土地生態系統健康響應指數是2000年的3.55倍，年均增長率為19.62%。從圖2可以看出，2000—2005年土地生態系統健康響應指數上升幅度較大，年均增長率達到25.89%，促進了土地生態系統健康水平的提高；2006—2013年土地生態系統健康響應指數上升幅度較小，年均增長率僅為8.05%。

2.3障礙因素診斷

2.3.1主要障礙因素

依據障礙因素測度方法，對四川省2000年與2013年土地生態系統健康障礙度進行了測度。2000年，四川省土地生態系統健康水平提升的障礙因子主要體現在系統響應與系統狀態，具體包括工業固體廢物綜合利用率、生活污水治理率、工業廢水排放達標率、農民人均純收入、水土流失治理率、單位耕地農業機械動力等；2013年，四川省土地生態系統健康水平提升的障礙因子主要集中在系統壓力與系統狀態，具體包括單位耕地化肥負荷、水土流失程度、土地墾殖率、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、人均建設用地、工業固體廢物綜合利用率等。從土地生態系統健康單項指標來看，2000—2013年，單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、水土流失程度、人均建設用地、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率等指標障礙度增長幅度較大。結果表明，雖然四川省一直深入開展水土流失治理，但由于易水土流失區域較大，且存在反復的現象，目前，四川省水土流失程度仍較大，還需進一步加大治理力度，有效保護土地資源。隨著經濟發展水平的持續提高，四川省固定資產投資增長速度明顯提升，但這種高速增長是以資源高消耗為代價的，建設用地面積持續增加，耕地面積不斷下降，土地資源集約利用水平不高。對于農業生產而言，單位耕地農藥施用強度、單位耕地化肥施用強度仍在提高。

2.3.2分類指標的障礙度

在單項指標障礙度測度的基礎上，進一步測度四川省土地生態系統健康水平分類指標障礙度（圖3）。總體來看，系統壓力與系統狀態的障礙度呈現上升的趨勢，而系統響應的障礙度在波動中呈下降態勢。從3類指標障礙度測算結果來看，2008年之前系統響應障礙度最大，從2009年開始，系統壓力障礙度最大，其次是系統響應、系統狀態；2012年以后系統狀態障礙度超過系統響應，排名第2。由此可知，提高土地生態系統健康水平必須從系統壓力、系統狀態入手，同時合理改善系統響應。總體來看，2000—2013年系統壓力與系統狀態的障礙度分別以年均514%、4.15%的速度提高，系統響應的障礙度以年均387%的速度下降。從長遠來看，系統壓力會成為影響四川省土地生態系統健康的首要因素。

3結論與建議

2000年以來，四川省土地生態系統健康水平總體不斷提高，2013年土地生態系統健康綜合指數是2000年的1.34倍，且土地生態系統健康水平由2000年的臨界狀態等級提升為2013年的亞健康等級；土地生態系統健康壓力指數、狀態指數總體上呈現下降趨勢，土地生態系統健康響應指數總體上不斷提高；系統壓力、系統狀態對土地生態系統健康水平影響較大，2000—2013年系統壓力、系統狀態的障礙度分別以年均5.14%、4.15%的速度提升；制約土地生態系統健康水平提升的主要因子包括單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、土地墾殖率、水土流失程度、單位耕地農藥負荷、人均建設用地等。

根據土地生態系統健康水平診斷結果，進一步優化調整產業結構，加快經濟轉型升級，提高經濟發展質量，強化土地利用監管，持續提升土地利用集約化水平，降低經濟發展對土地資源的消耗；普及農業清潔生產，加快生態循環農業建設，持續推進化肥農藥減量化；大力開展農村土地整治，推進土地科技創新，持續增加耕地資源數量、提升耕地資源質量；進一步加強環保資金投入，深入開展環境治理，有效降低水土流失程度，促進四川省土地生態系統健康狀況改善。

實證分析結果表明，PSR模型以因果關系為基礎，綜合分析社會經濟、人類活動、資源環境之間的關系，可以更準確地體現土地生態系統、社會經濟發展目標與管理決策之間的相互關系；改進的熵值法依據土地生態系統健康評價指標之間的差異，采用信息熵測算評價指標權重，能夠避免主觀賦權法的不穩定問題，可以提高土地生態系統健康診斷的質量；PSR框架下的土地生態系統健康評價指標體系與改進的熵值法能夠實現對土地生態系統健康水平的診斷。

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