灰色關聯投影模型在城市土地生態安全評價中的應用

李德勝, 王占岐, 侯現慧, 藍 希

〔中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 湖北 武漢 430074〕

灰色關聯投影模型在城市土地生態安全評價中的應用

李德勝, 王占岐, 侯現慧, 藍 希

〔中國地質大學(武漢)公共管理學院,湖北武漢430074〕

[目的] 構建城市土地生態安全綜合評價指標體系，對2004，2009和2014年南昌市土地生態安全動態變化特征及主要障礙因子進行分析，為區域土地利用決策和生態維護提供方法基礎和理論參考。 [方法] 利用灰色關聯投影模型，引入安全水平變化動態度、安全水平標準差，開展土地生態安全動態評價及分析，運用障礙度模型診斷土地生態安全的影響因子和障礙度。 [結果] (1) 2004—2014年南昌市土地生態安全總水平緩慢提升，但安全水平處于低層次的低度安全等級，環境子系統從緩慢提升跌入緩慢退化階段，經濟子系統經歷了由快速提升到緩慢提升階段的變化，社會子系統始終處于緩慢提升變化狀態，土地生態安全系統的內部協調性逐漸提高； (2) 南昌市土地生態安全水平的障礙因子類別、障礙度及因子排序在時序上處于動態變化之中，障礙因子經歷了從經濟類因素向資源環境類因素的轉變過程； (3) 南昌市應針對土地生態系統安全暴露的問題，從土地可持續利用和健康城鎮化入手，促進環境、經濟、社會的和諧發展。 [結論] 土地生態安全評價結果符合客觀實際，并針對土地生態系統暴露的主要問題提出相關對策措施。

土地生態安全; 動態評價; 障礙因子; 灰色關聯投影模型; 南昌市

文獻參數： 李德勝, 王占岐, 侯現慧, 等.灰色關聯投影模型在城市土地生態安全評價中的應用[J].水土保持通報，2017,37(4)：194-200.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.033； Li Desheng, Wang Zhanqi, Hou Xianhui, et al. Application of grey relation projection model to evaluating urban land ecological security[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：194-200.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.033

中國正處于快速城鎮化和工業化時期，人地矛盾日益突出，不斷加劇的人類活動，造成了耕地銳減、水質污染、生物多樣性喪失等諸多問題，給城市土地生態安全及可持續發展帶來巨大壓力。土地生態安全是指一個國家或區域的生態資源環境不受或少受損害與威脅，土地生態系統結構和功能的完整性得以維持和穩定，能夠滿足國家或區域持續生存和發展需求的一種狀況[1-3]。學術界對土地生態安全的研究主要包括土地生態安全評價、土地生態安全預警、土地生態安全格局等幾個方面，其中以土地生態安全評價的研究居多[3-6]。從評價方法來看，常用的有層次分析法[7]、生態足跡[8]、BP神經網絡[9]、主成分分析法[10]等，亦有部分學者嘗試物元模型[3,11]、RBF模型[12]、TOPSIS模型[13]等數學模型方法。灰色關聯投影模型是從矢量投影的角度探討多目標決策與評價的一種新的模型方法，該方法是根據評價樣本在理想樣本上的投影值大小，進行評價樣本優劣的綜合評判，并通過特定的算法，使重要指標的加權系數得到加強，從而全面準確地反映各評價樣本與理想樣本間的接近程度，該方法可以避免只將各評價樣本的單個因素指標值進行比較而引起的偏離，使得評價結果更加全面和接近客觀實際[14]。灰色關聯投影模型已在生態系統健康[15]、土地利用多功能[16]、生態脆弱性[17]等多目標決策研究領域得到了一定應用，但在土地生態安全評價研究中還鮮有涉足。因此，本文嘗試運用灰色關聯投影模型對土地生態安全水平進行評價，以長江中游城市群中心城市之一——南昌市為研究區域，探尋土地生態安全評價的合適有效方法，并對影響土地生態安全的障礙因子進行診斷和分析，以期為區域土地利用決策和生態維護提供方法基礎和理論參考。

1 研究區域及評價指標體系構建

1.1 研究區概況及數據獲取

南昌市，地處江西省中部偏北，位于中國最大淡水湖——鄱陽湖的西南岸，是江西省省會和全省政治、經濟、文化中心。市域土地總面積7 402 km2，全境以平原為主，地勢西北丘陵起伏，東南相對平坦開闊。近年來，南昌市圍繞國家中部崛起戰略和環鄱陽湖生態城市群建設，加快了城市化和工業化的步伐，經濟、社會、環境各方面都取得了顯著的成就。南昌市各項經濟建設突飛猛進，綜合經濟實力不斷增強，2014年，全市固定資產投資達3 463億元，GDP總量突破3 667億元；伴隨著經濟的發展，南昌市城市化水平不斷提高，人民生活水平得到顯著改善，人口城市化率達71%，城鎮居民人均可支配收入29 091元，農民人均純收入12 414元，城鎮人均住房面積32.11 m2；全市資源環境狀況持續改善，城市生活污水集中處理率達91%，建成區綠化覆蓋率達到42.08%，全年空氣質量優良天數達294 d，名列中部6省省會城市第一。與此同時，隨著城市經濟和人口的加速增長，南昌市也面臨著土地資源供需緊張、耕地銳減、環境污染加重等問題，抑制了區域城鎮化的健康發展，給土地生態系統造成巨大壓力，甚至對城市土地的可持續利用和區域社會經濟的和諧發展形成潛在威脅。本文基礎數據主要來源于《南昌統計年鑒》《江西統計年鑒》《中國城市統計年鑒》，部分環境狀況數據來源于《江西省水資源公報》《中國環境統計年鑒》和南昌市環保局官方公布數據。

1.2 土地生態安全評價指標體系構建

城市土地生態安全評價指標的選取，是在遵循全面性、層次性和數據可得性等原則基礎上，參考已有的研究成果[18-20]，借鑒可持續發展的環境、經濟和社會三維度基本框架思路，重點選取可以充分反映研究區域土地生態安全特征的20個指標，構建包含目標層、準則層、指標層3個層次的城市土地生態安全綜合評價指標體系(表1)。

2 研究方法

2.1 土地生態安全評價的灰色關聯投影模型構建

(1) 評價樣本矩陣的建立及數據標準化。設評價樣本集為A，指標集為M，樣本Ai對指標Mj的屬性值，即基礎數據為Xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)，為了消除不同屬性和量綱造成的不可對比性，需要對指標數據進行標準化處理，將理想值組成的理想樣本A0與評價樣本A組成新的矩陣，即標準化后的矩陣Y=(Yij)(n+1)×m(i=0,1,2,…,n;j=1,2,…,m)，對于正向指標和逆向指標分別采用公式(1)和公式(2)進行標準化處理：

Yij=Xij/X0j

(1)

Yij=X0j/Xij

(2)

式中:Yij——第i年第j個指標的標準化值;Xij——指標的基礎值;X0j——指標的理想值。其中，理想值是在研閱現有文獻[16,18]基礎上，參考國家和行業標準(如環保部《生態縣、生態市、生態省建設指標》確定的標準值)、國際通行標準值、江西省平均水平、國內同等城市的平均值進行確定(表1)。

表1 南昌市土地生態安全評價指標體系及權重值

注：①包括武漢、南京、杭州市。

(2) 構造灰色關聯判斷矩陣。對于樣本矩陣Y而言，經過標準化處理后，顯然理想樣本Y0j=1(j=1,2,…,m)，以Y0j為母因素，Yij為子因素，即可得到評價樣本與理想樣本的關聯度rij：

(3)

(3) 確定灰色關聯投影權重值。運用客觀賦權的均方差權值法計算各評價指標的初始權重[21]，各指標的初始權重值詳見表1。

設評價指標的權重矢量集為W，即W=(W1,W2,…,Wm)T>0。將每一個評價樣本看作行向量(矢量)，則得到各評價樣本Ai與理想樣本A0之間的夾角θi，稱之為灰色關聯投影角，該夾角的余弦為αi，且滿足以下條件：

(i=1,2,…,n)

(4)

顯然，Ai和A0——第i(i=1,2,…,n)個評價樣本和理想樣本，Wj——第j(j=1,2,…,m)個指標權重，α∈(0,1]，且該值越大，表示評價樣本Ai與理想樣本A0的變化方向越一致。設評價樣本Ai的模數為di：

(5)

(6)

(4) 計算灰色關聯投影值。將模數的大小di與灰色關聯投影角余弦值的大小αi相結合，計算各評價樣本在理想樣本上的投影值Si，即灰色關聯投影值，即可全面而準確地反映各評價樣本與理想樣本之間的接近程度：

(7)

根據各評價樣本灰色關聯投影值的大小，就能對各評價方案的優秀程度作出科學的判斷，換言之，即可對各年份土地生態安全水平進行綜合評價。投影值Si滿足0≤Si≤1，Si越大，說明該年份土地生態安全指數越高，該年份的土地生態安全水平也就越高，反之，則水平越低。

參考相關研究[12,18]，采用等間距方法，以0.25為步長，依據Si的大小將土地生態安全水平劃分為4等級：當0≤Si≤0.25時，為低度安全；當0.25

2.2 土地生態安全動態水平分析

研究區各年份土地生態安全水平可用灰色關聯投影值(Sj)進行判定，為更直觀地反映其動態變化特征，引入安全水平變化動態度(v)、安全水平標準差(σ)概念進行分析[22]。

安全水平變化動態度v用于測算不同年份土地生態安全水平的相對變化程度，借鑒相關研究[22]，根據v的正負大小情況，采用等間距方法，以0.2為步長從低到高對安全水平變化動態度進行分類：當v<-20%時為快速退化類型；當-20%≤v<0時為緩慢退化類型；當v=0時為維持不變類型；當020%為快速提升類型，計算公式為：

(8)

式中：v——安全水平變化動態度;Si+1，Si——i+1和i年份土地生態安全指數。

安全水平標準差σ用于測算測度土地生態安全水平之間的差異，反映土地生態安全的協調性，σ越小，土地生態安全協調性越高，反之，則協調性越低：

(9)

2.3 障礙因子診斷

在對城市土地生態安全水平進行綜合評價后，還需對影響土地生態安全水平的障礙因子進行分析診斷，以便對癥下藥解決土地生態安全問題。引入因子貢獻度、指標偏離度和障礙度3個變量來進行障礙因子的診析[6,23]。其中，因子貢獻度Cj表示單項指標對總目標(城市土地生態安全水平)的影響程度，一般以單項指標的權重Wj來表示；指標偏離度Nij表示單項指標與土地生態安全目標的差距，以單項指標的標準化值Yij與100%之差來表示；障礙度Pij表示第i年各指標對城市土地生態安全水平的影響程度。障礙度計算公式如下：

Nij=1-Yij

(10)

(11)

3 結果與分析

3.1 土地生態安全水平分析

結合表1，運用公式(7)—(9)，計算得到南昌市土地生態安全指數、土地生態安全水平變化動態度及土地生態安全水平標準差，并判定各年份所屬的安全等級和變化類型，詳見表2—3。

3.1.1 土地生態安全總水平緩慢提升 從目標層來看，2004—2014年，南昌市土地生態安全水平處于緩慢提升狀態，后一階段(2009—2014年)提升速度較前一階段(2004—2009年)有所放緩。2004，2009，2014年的土地生態安全指數分別為0.149，0.171和0.184，安全等級均為低度安全，說明南昌市土地生態安全指數不高，安全層次較低；前一階段的安全水平變化動態度為14.47%，后一階段為7.73%，說明南昌市城市發展仍面臨較大的生態壓力，土地生態安全水平仍有不小的提升空間。

南昌市土地生態安全狀況形成的原因，可以歸納為兩個方面：一是城鎮化的快速推進，成為經濟社會發展的強大引擎，為土地生態安全水平的提升提供了良好的經濟基礎和社會條件。憑借優越的水土資源條件，圍繞國家“中部崛起”戰略實施和昌九工業走廊建設，南昌市加快了城鎮化建設的步伐，城市化水平從2004年的41.76%躍升至2014年的70.86%，快速城鎮化為經濟社會發展注入了強勁的動力，促進了經濟總量和城鄉居民收入的提升，推動經濟發展和土地生態的協調，有利于土地生態安全總體水平的提高。二是受資源環境承載力所限，冒進式的城鎮化發展模式加劇了人地矛盾，造成生態環境的破壞，阻礙了土地生態安全水平的持續提升。大規模的要素投入，推動了城市人口的快速增加和城市空間的蔓延式擴張，導致城鎮化發展速度過快，而發展質量不足，造成人口密度過高，人均耕地和水資源不足等問題，資源約束成為土地生態安全持續發展的瓶頸問題；許多環境問題在經過一段時期的累積之后逐漸顯現、爆發，如土地污染、城市生活垃圾、工業“三廢”等問題，給環境承載力造成巨大壓力，這也是導致土地生態安全水平提升速度在后期逐漸放緩的主要原因。

3.1.2 土地生態安全單項水平有升有降，安全等級有待提升 從準則層來看，2004—2014年，南昌市土地生態安全環境、經濟和社會層面的單項水平，均處于低層次的低度安全等級，安全等級有待進一步提高。環境層面的動態變化度在2004—2009年為14.47%，處于緩慢提升狀態，2009—2014年跌落至-4.17%的緩慢退化階段。由于在前一階段，南昌市圍繞國家衛生城市、國家森林城市創建，加大了城市生活污水處理的力度，加強工業固廢的綜合利用，空氣質量優良率和建成區綠化覆蓋率也有了較大提升，說明這一階段生態環境質量有較大改善，而在后一階段，化肥農資的大量使用、工業固廢和廢水排放強度的增加，給土地生態造成極大的環境負擔，導致環境安全處于緩慢退化狀態。經濟層面的動態變化度在2004—2009年為32.93%，屬于快速提升變化類型，2009—2014年跌至緩慢提升類型。由于在前一階段，南昌市借助國家“中部崛起”戰略契機，圍繞昌九工業走廊建設，經濟發展和工業化的步伐不斷加快，城鄉居民收入大幅提高，經濟安全得到快速提升，在后一階段，則更加注重結構的調整和產業的升級優化，經濟安全提升速度有所放緩。社會層面在2004—2014年屬于緩慢提升變化類型，后一階段的變化動態度較前一階段略有回落，這是由于城鎮化和工業化的推進造成的耕地占用、人均水土資源不足等問題在后期有所顯現，阻礙了土地生態社會安全的持續提升。

表2 南昌市土地生態安全指數、安全等級、變化動態度及變化類型

3.1.3 土地生態安全系統內部協調性逐漸提升 2004—2014年土地生態安全的環境、經濟和社會子系統的安全水平均有所提升，其中環境子系統從緩慢提升跌為緩慢退化階段，經濟子系統則由快速提升階段跌為緩慢提升階段，社會子系統保持緩慢提升不變，各子系統安全水平的變化幅度的不一致，導致它們之間的差異逐漸縮小。從表3可知，南昌市2004年，2009年，2014年的土地生態安全準則層標準差分別為0.018 6，0.017 8，0.015 3，呈逐漸減小態勢，說明土地生態安全子系統之間的的協調性逐漸提升；指標層標準差分別為0.003 0，0.003 1，0.002 9，呈先略增后減小的變化特征，2004—2014年土地生態安全各單項因子間的協調性處于總體提升狀態(表3)。

表3 南昌市土地生態安全水平標準差

3.2 南昌市土地生態安全主要障礙因子診斷

運用公式(11)計算南昌市各項指標因子的障礙度，由于指標較多，為便于研究，選取障礙度排名前七位的指標因子作為主要的障礙因子進行診析。由表4可知，在時間維度上，影響南昌市土地生態安全水平的障礙因子在因子類別、障礙度及因子排序上均處于動態變化中。

表4 南昌市土地生態安全主要障礙因子及障礙度

從經濟層面來看，經濟密度的障礙度在2004年，2009年均居首位，表明2004—2009年經濟發展水平過低是影響南昌市土地生態安全水平的主要障礙因素，至2014年，經濟密度的障礙度下降至第4位，反映出經濟的快速發展，有助于南昌市土地生態安全水平的提升，但同時也表明南昌市經濟密度仍有不小的上升空間。農民人均純收入、城鎮居民人均可支配收入的障礙度分列2004年的第2,4位，2009年，農民人均純收入障礙度下降至第6位，至2014年退出了主要障礙因子之列，而城鎮居民人均可支配收入則從2009年開始不再是主要的障礙因子，表明在經濟快速發展背景下，城鄉居民的收入水平有了極大的提升，它們對城市土地生態安全水平的障礙逐漸被消除。

從社會層面來看，人均水資源、城區人口密度和和人均耕地面積是主要的障礙因子。其中，人均水源的障礙度排序比較穩定，在研究期間一直處于前三甲，可見，隨著近年來城鎮化進程的不斷加快，城市用水需求大幅增加，人均資源缺乏成為南昌市土地生態安全水平提高的瓶頸制約。而城區人口密度和人均耕地面積則在2009年首次成為障礙因子，到了2014年，兩者仍位列主要障礙因子之列，且障礙度數值均有所上升，表明城市人口增長和城市空間擴張等問題仍在持續給城市生態環境施加壓力。

從環境層面來看，影響土地生態安全的因素主要來自于農業污染和工業“三廢”造成的壓力。單位耕地面積化肥負荷的障礙度在2004年居于第6位，并在此之后繼續保持上升，到2009年和2014年分別躍至第3位和第2位，說明化肥農資的大量使用，對耕地造成了巨大的生態負荷，成為制約南昌市土地生態安全水平提高的主要因素。城市生活污水集中處理率處于2004年障礙度排名的末位，在2009年之后，該障礙因子得以消除，說明近年來政府治理城市生活污水的舉措取得了一定成效，有利于城市生態環境的改善。單位土地面積廢水排放量在2009年首次成為障礙因子之后，躍升至2014年的次席，說明該因素對土地生態安全水平的影響程度不斷加深，也進一步表明大量的污水排放，掩蓋了污染治理的成效，給城市化發展造成脅迫，也對城市土地生態水平產生影響[24]。空氣質量優良率在2014年加入到主要障礙因子之列，表明了空氣質量優劣在土地生態安全中的重要性。

總體而言，在2004—2014年，南昌市土地生態安全障礙因子經歷了從經濟密度、農民人均純收入、城鎮居民人均可支配收入等經濟類因素向單位耕地面積化肥負荷、單位土地面積廢水排放量、人均水資源量、空氣質量優良率等資源環境類因素的轉變，這種轉變基本上與南昌城市發展歷程相吻合。

4 討論與結論

(1) 基于可持續發展三維度框架思路，構建了城市土地生態安全評價指標體系，運用灰色關聯投影模型，對南昌市土地生態安全動態變化情況進行了實證分析，研究表明，該方法進行的土地生態安全水平綜合評價，基本符合南昌市土地生態安全的實際情況，可以為區域土地政策調整和生態維護提供現實依據，灰色關聯投影模型的建模思路明確且較易操作，是開展土地生態安全評價的一種可行有效方法。

(2) 研究發現，2004—2014年南昌市土地生態安全總水平緩慢上升，土地生態安全等級處于較低層次，各子系統單項水平有升有降，土地生態安全等級有待提升，環境子系統從緩慢提升跌入緩慢退化階段，經濟子系統經歷了由快速提升跌入緩慢提升階段的變化，社會子系統屬于緩慢提升變化類型；土地生態安全各子系統之間的標準差逐漸增大，土地生態安全系統的內部協調性逐漸提升；影響南昌市土地生態安全水平的障礙因子在因子類別、障礙度及因子排序上都處于動態變化中，障礙因子經歷了從經濟密度、農民人均純收入等經濟類因素向單位耕地面積化肥負荷、單位土地面積廢水排放量、人均水資源量等資源環境類因素的轉變，各項因子的障礙度變化顯示，資源環境類因素將成為未來影響南昌市土地生態安全水平的主要因素。

(3) 根據土地生態安全評價結果，針對土地生態系統暴露的主要問題，南昌市要從土地可持續利用和健康城鎮化入手，適應我國經濟社會發展新常態，著力于環境、經濟、社會的和諧發展，抓住鄱陽湖生態經濟區建設的契機，改變單純依靠資源投入的傳統經濟發展方式，推行資源節約、環境友好的生活生產方式，引導清潔生產、低碳出行，大力改善城市生態環境；培養水土資源節約和保護意識，促進水資源的持續利用，保護耕地紅線，限制城鎮用地盲目擴張，探索城市土地的節約集約利用，引導化肥等農資的科學合理使用，減輕耕地污染負荷；推進新型城鎮化建設，以人的福祉提升為城市發展的目標，不應盲目追求城市的大而全。

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Application of Grey Relation Projection Model to Evaluating Urban Land Ecological Security

LI Desheng, WANG Zhanqi, HOU Xianhui, LAN Xi

〔School of Public Administration, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430074, China〕

[Objective] An comprehensive evaluation index system of urban land ecological security was established and the dynamic change of land ecological security and the main obstacle indicators were analyzed in 2004, 2009 and 2014. These were expected to provide bases for regional land use decision-making and ecological maintenance. [Methods] Dynamic evaluation and land ecological security were analyzed using grey relation projection model, dynamic degree and standard deviation. The obstacle indicators and its degree of land ecological security were measured by obstacle degree model. [Results] (1) The total degree of land ecological security during 2004—2014 increased slowly, but generally it was still in a lower level. The environmental subsystem had experienced two stages from slow promotion to gradual degradation; simultaneously, the economic one also had experienced two stages from rapid promotion to slow promotion; meanwhile, the social one always had been in a slow promotion stage. The internal coordination degree of land ecological security was improved gradually. (2) The categories, the obstacle degree, and the order of obstacle factors of land ecological security were all in dynamic change, the obstacle factors had evolved from economic factors to resources and environmental types. (3) In order to treat these problems exposed in land ecosystem security, it should be proceed with sustainable land use and healthy urbanization, hereby to achieve the coordinative development among economy, environment and the society of Nanchang City. [Conclusion] The evaluation results of land ecological security research were thought accordant with the objective reality. In view of the main problems exposed to the land ecosystem, relevant countermeasures are put forward wherein.

landecologicalsecurity;dynamicevaluation;obstacleindicators;greyrelationprojectionmodel;NanchangCity

B

： 1000-288X(2017)04-0194-07

： F301, X826

2017-01-05

：2017-02-14

國家自然科學基金項目“新型城鎮化背景下城市建設用地績效評價及提升機制研究”(71673258)

李德勝(1987—),男(漢族),江西省贛州市人,博士研究生，研究方向為土地利用與土地生態。E-mail:lidesheng2005@163.com。