基于PSR模型和突變理論的土地利用總體規劃生態風險評價

李丹 韓書成 易森鵬 張燕純

摘要：土地利用總體規劃生態風險評價對于區域生態環境的保護、規劃實施可能導致的不利生態效應的減少、人地協調發展的實現具有重要意義。運用壓力-狀態-響應（PSR）模型，從壓力、狀態、響應3方面構建評價指標體系，并采用改進的突變評價法構建定量模型，以廣州市土地利用總體規劃為例進行實證研究。結果顯示，在規劃實施期內，區域生態風險總體呈降低趨勢，表明該規劃對土地利用生態保護具有積極作用，規劃的編制具有較強的科學性和合理性。但規劃期內生態風險處于較高和高等級別，也反映該規劃的編制對生態風險的考慮不夠全面，規劃還有較大的修改完善空間。

關鍵詞：土地利用總體規劃；生態風險；PSR模型；突變評價法；廣州市

中圖分類號： F301.23文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0222-04[HS）][HT9.SS]

20世紀90年代，隨著人們對環境影響評價認知的深入以及環境風險評價理論的逐步興起和發展[1]，生態風險評價引起學者的高度關注，并逐漸成為發現和解決環境問題的決策基礎[2]。生態風險評價是指研究區域在受到1個或多個脅迫因素影響后，對已經發生或正在發生不利生態效應的可能性進行評價的一種方法[1，3]。當前生態風險評價的研究多以單一具體事物為對象[4-6]，對多風險源、多受體的綜合性規劃分析較少。而土地利用總體規劃作為一項強烈的人類干擾活動，其實施會對生態系統結構和功能產生重大影響，相應地也會產生生態風險[7]，且它對生態環境的影響往往比單一具體事物更為深刻。因此，在土地利用總體規劃中引入生態風險評價機制，對于有效規避生態風險、提高土地利用決策的科學性、實現人地協調發展具有重要意義。

當前國內學者對土地利用總體規劃的生態風險評價主要運用的方法有生態系統服務價值法、綜合評價指數法和正態云模型等[8-12]，這些方法多是單純從指標相互作用關系的靜態設計出發，忽略了區域土地利用生態狀況的動態變化，難以進行較全面的生態監測，且在權重確定上，多采用主觀性較強的層次分析法（AHP）[13-14]，客觀性不足。本研究采用改進的突變評價法構建定量模型，運用突變級數對各個目標進行量化，可以不考慮權重的影響，既克服了主觀性，還易于計算，同時運用壓力-狀態-響應PSR模型構建指標評價體系，以《廣州市土地利用總體規劃（2006—2020年）》為對象開展生態風險評價的實證研究。

1研究方法

1.1突變評價法

突變理論（catastrophe theory）是由法國數學家Thom創立的一門研究突變現象的新興數學科學，主要研究從一種穩定組態躍遷到另一種穩定組態的現象和規律，特別適合內部作用機制尚未確知系統的研究[15]。土地利用總體規劃生態風險產生的實質是系統由安全組態向不安全組態的躍遷， 且規[LM]劃在確定或調整土地利用結構或布局時，內部作用機制復雜[16]，因此應用突變理論進行分析和評價較為適合。

1.1.1常用的突變理論基本模型

1.1.2突變模型的改進

常用突變模型在使用時一般只適用于不多于4個因子的指標評價，當因子指數大于4時，一般只能通過因子分析來減少因子數量，這樣使得評價指標數量大大減少，影響評價指標的全面性和科學性。為擴大突變模型在生態評價中的應用范圍，針對原有模型進行改進，通過對表1中4種常用的突變模型勢函數和歸一化公式的觀察、分析和歸納，可以推出突變模型維數≥5時的勢函數和相應的歸一化公式的一般表達式：

Vn（x）=[SX（]1n+2[SX）]·x（n+2）+[SX（]`1n[SX）]·a1xn+[SX（]1n-1[SX）]·a2x（n-1）+[SX（]1n-2[SX）]·a3x（n-2）+…+anx；[JY]（1）

x1=a11/2，x2=a21/3，x3=a31/4，…，xn=an1/（n+1）。[JY]（2）

式（1）中：n為正整數，當n≤4時，即為表1中的4種常見突變模型。

1.1.3突變評價的步驟

（1）構建評價指標體系。根據指標維數，選取合適的突變評價模型。（2）對原始數據進行指標標準化。將原始數據轉化為0～1范圍內的無量綱可比化數值。（3）歸一運算。利用歸一公式，按照“互補”或“非互補”的原則進行綜合量化遞歸運算，求出評價系統總突變隸屬度值。（4）重復上述步驟，分別計算出不同評價系統的總突變隸屬函數值，從而進行比較分析。

[HTK]1.2構建評價指標體系[HT]

本研究遵循科學性、完整性、有效性、數據可得性和可量化等原則，參考相關學者研究[1，16]，同時結合研究區域的經濟社會發展狀況和土地利用現狀及生態特點，從“壓力-狀態-響應”3個層次出發，遴選出16個指標組成土地利用總體規劃生態風險綜合評價體系（表2）。其中，壓力是指土地利用規劃實施后土地系統可能造成的生態風險，狀態是指土地系統面對風險壓力時所處的狀態，響應是指土地系統面對生態風險時所作出的響應。

2實證分析

[HTK]2.1研究區域概況[HT]

廣州市位于廣東省東南部，東江、西江、北江交匯處，介于112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N之間，土地總面積 74.34萬hm2，屬丘陵地貌，地勢東北高、西南低，北部是丘陵山區，中部是丘陵盆地，南部為沿海沖積平原，海洋性亞熱帶季風氣候顯著，溫暖多雨，光熱充足，夏季長，霜期短。廣州市經濟社會發展速度快，人均GDP 為19.83萬元，人口密度達到1 133人/km2。《廣州市土地利用總體規劃（2006—2020年）》是統籌全市土地利用、開發、整治和保護的綱領性文件，以2005年為規劃基期年，2010年為規劃近期年，2020年為規劃目標年，范圍包括廣州市行政轄區。

2.2數據來源及處理

本研究數據來源于《廣州市土地利用總體規劃（2006—2020年）》、廣州市環境保護局、《廣州統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》（2006—2011年）、《廣州市綠地系統規劃》（2010—2020年），部分數據來源于廣州市年度報表和宏觀年報。

由于原始數據取值范圍和度量單位各不相同，無法進行相互比較。為消除變量間的量綱關系，使數據具有可比性，提供統一的數據計算平臺，運用極差標準化公式[式（1）、式（2）]對獲取到的指標進行標準化處理（表3）。本研究中，指標的正負性質見表2。

正向指標：

[JZ（]yi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）；[JZ）][JY]（3）

負向指標：

[JZ（]yi=（xmax-xi）/（xmax-xmin）。[JZ）][JY]（4）

式中：yi為原始指標xi標準化后的數值；xi為第i項指標；xmax為該項指標的最大值；xmin為該項指標的最小值。

2.3生態風險評價

根據常見的4種突變模型及改進后突變模型的一般表達式和PSR模型構建的指標體系，可以構建相應的評價模型。指標層中，x1～x7適用突變模型的一般表達式，x8～x12也適用突變模型的一般表達式，x13～x16適用蝴蝶突變。逐步向上遞推，3個準則層又進一步構成燕尾突變（圖1）。

以2005年為例，x13～x16構成蝴蝶突變，采用歸一化公式有：

x13=（0）1/2=0，x14=（1）1/3=1，x15=（0.43）1/4=0.81，x16=（1）1/5=1。

由于各控制變量之間存在明顯的相互關聯關系，共同對上一層指標產生作用，因此應采用突變級數法的“互補”原則，將各控制變量的平均值作為系統的突變級數值，進行綜合量化遞歸運算，取均值有：C3=（x13+x14+x15+x16）/4=0.7。

指標x1～x7和x8～x12構成突變的一般表達式，分別采用改進后的歸一化公式（2）計算，C1=0.56，C2=1。逐步向上遞推，準則層指標C1、C2、C3構成燕尾突變，按“互補原則”，可以算得2005年廣州市土地利用總體規劃生態風險值B=0.89。

同理可以求得2010、2020年的生態風險值分別是0.87、0.62。

3結果與分析

由于目前關于土地利用總體規劃的生態風險值沒有統一的等級劃分標準，因此參考已有研究[1，21]，采用絕對意義下的等級標準，將生態風險度由低到高依次劃分為低、較低、中等、較高、高5個等級，對應的范圍分別為[0，0.2）、[0.2，04）、[0.4，0.6）、[0.6，0.8）、[0.8，1]，數值越高，表示規劃實施可能導致的生態風險越大，由此可知，2005、2010年生態風險處于高等級，2020年生態風險處于較高等級（表4）。

總體來看，生態風險值向不斷減少的趨勢發展，尤其是規劃實施至2020年，生態風險值減少幅度明顯，說明土地利用總體規劃的實施具有較大的可行性和科學性。今后國土資源相關部門要嚴格落實規劃的實施，嚴禁擅自修改或調整規劃確定的用地規模、結構和布局等，有序推進規劃的各項目標、任務和計劃的順利完成；要注意發揮土地利用總體規劃對生態環境保護的積極作用，提高規劃實施后的生態效益，實現區域可持續發展。

研究時段內生態風險處于較高和高2個等級范圍內，也反映了土地利用總體規劃的編制對于生態風險的考慮還不夠全面，規劃還有較大的修改完善空間。今后，在對規劃的修編完善中，要提高對生態保護的重視程度和支持力度，降低土地利用生態風險；要充分利用“3S”（遙感、地理信息系統、全球定位系統）等現代化信息技術，加強對土地利用的監督和調查，建立健全土地利用生態保護長效機制，達到有效規避生態風險，提高土地利用總體規劃的科學性和合理性。

4結論

本研究利用PSR模型構建指標體系并運用改進后的突變理論模型進行土地利用總體規劃生態風險評價，有效避免了人為賦予權重的主觀性，比較客觀地計算出2005、2010、2020年廣州市土地利用總體規劃生態風險值。結果顯示，規劃實施期間，廣州市土地利用總體規劃生態風險呈降低趨勢，規劃編制具有較大的科學性和可行性。但研究時段內生態風險值等級處于較高和高等級范圍內，也反映了土地利用總體規劃還不夠完善，生態環境形勢不容樂觀。今后不僅要發揮規劃對保護生態環境的積極作用，還要重視降低規劃實施的生態風險，使規劃更加科學完善。

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