基于TOPSIS方法的土地生態安全評價

汪雨琴　余敦　劉慶芳

摘要：在尋求經濟最大化的同時，對土地、資源、生態、環境等進行保護以使社會經濟處在可持續發展的狀態，而對土地生態安全進行評價并為其提供基礎數據和研究方向。運用專家咨詢法和壓力—狀態—響應模型構建評價指標體系，結合層次分析法和熵權法確定指標權重，使用逼近理想點排序法對2004—2012年間神農架林區及其壓力-狀態-響應等3個子系統的土地生態安全狀況進行研究與分析。結果顯示，神農架林區的土地生態狀態在2004—2008年呈波動下降趨勢，2008—2012年呈上升趨勢。就各子系統而言，壓力層于2004—2008年急劇下降，2008—2012年回升，狀態層呈“W”形，2007年達到頂峰，2006年和2008年為谷底；響應層波動上升。影響評價結果的指標因素主要有單位面積化肥施用量、第一產業增長速度、人均GDP、城市生活污水處理率、工業污染治理項目投資額等。通過對神農架林區的土地生態安全進行評價和研究，可為神農架林區的平衡持續發展提供理論參考。

關鍵詞：TOPSIS方法；土地生態安全評價；壓力層；層次分析法；熵權法；神農架林區；生態文明建設

中圖分類號： X821 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0285-04

收稿日期：2016-08-10

基金項目：國家自然科學基金（編號：41561107）；江西省自然科學基金（編號：20151BAB203039）；江西省教育廳科技項目（編號：GJJ13263）；江西農業大學科學研究基金自由申請項目。

作者簡介：汪雨琴（1995—），女，江西樂平人，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。E-mail：1768815643@qq.com。

通信作者：余 敦，博士，副教授，主要從事土地資源管理研究。E-mail：jxauyd@163.com。 土地生態安全評價研究是土地資源管理和區域可持續發展的一項重要研究課題，是生態安全的重要組成部分[1]。充分且集約節約的利用資源會帶來經濟效益，而與此同時若造成對資源的過度利用以及對環境的過度破壞則會導致經濟發展的不可持續性[2]。因此，在保證經濟、資源和環境可持續發展條件下尋求資源的最大化利用以及維持環境破壞度在其自我修復限制值內具有十分重要的研究意義。通過土地生態安全評價，能夠相對科學全面地評價人類活動對土地生態安全的影響，從而更好地推動生態文明建設[3]。有許多學者以不同區域為例，運用不同的模型和方法對此進行評價與研究。葉達等運用正態云模型以寧夏孫家灘國家農業科技園區為例對半干旱區農業開發進行評價[4]；畢安平等運用壓力-狀態-響應（pressure-state-response，PSR） 模型對朱溪河流域的生態經濟系統進行研究[5]；劉小波等基于改進的SPA方法對四川省樂山市進行研究[6]；榮慧芳等基于熵權物元模型以皖江城市帶研究區域展開了研究[7]；肖玲等基于生態壓力指數以江西省為對象進行研究[8]；羅文斌等運用物元分析法以浙江省杭州市為例進行了評價和分析[9]。在上述研究的基礎上，本試驗采用逼近理想點排序法（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）對湖北省神農架林區進行土地生態安全評價研究。神農架林區于1970年建制，屬湖北省管轄，境內森林覆蓋率超過85%，是著名的旅游景區，面臨著經濟發展和生態環境保護的矛盾和壓力[10]。TOPSIS是多屬性決策的一種方法[11]，通過各年份與正理想解（各年份中最理想的目標值）和負理想解（各年份中最不理想的目標值）的距離來計算土地生態安全狀況值。本研究選取了單位面積化肥施用量、城鎮化水平、人口密度等17個指標，通過PSR方法和指標數據可獲取性構建了指標體系，對神農架林區的土地生態安全進行評價，以期為神農架林區的生態文明建設提供有益參考。

1 研究區概況與數據來源

神農架坐落在湖北省西部，轄5鎮3鄉，地跨31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E，總面積3 253 km2，其中林地占85%以上，近幾年森林覆蓋率甚至超過90%。2014年戶籍人口為79 248人，男女性別比為114.4 ∶100，城鎮化率為4735%，地區生產總值為20.24億元，其中第三產業 10.18 億元，占比達50.3%，旅游發展、生態保護、民生保障是當地面臨的3項重點工作。本研究所涉及的數據來源于2004—2012年的神農架林區統計年鑒，指標可分為原始指標和計算指標。原始指標如森林覆蓋率等直接由查閱統計年鑒獲得，計算指標如第三產業比重[12]等由統計年鑒中的指標計算得出。

2 研究方法

2.1 PSR模型法

PSR模型法是目前比較主流的構建評價指標體系的方法之一，該指標相對更偏向于人類活動和社會經濟的影響[13]。最初由加拿大統計學家提出，后由OECD（經濟合作與發展組織）和UNEP（聯合國環境規劃署）[14-15]用于研究環境問題。該模型的系統、靈活和可操作性使得其在生態環境評價研究中被普遍應用[12]。

2.2 Yaahp軟件層次分析法

層次分析法由美國運籌學家Saaty所提出[16]，是一種偏主觀的賦權方法，其原理是：先把問題按照相互包含的關系建立幾個層次，然后逐層對同一層次的要素兩兩進行比較，一致性檢驗通過后，再計算確定各指標在該層的權重，并結合上一層的權重確定最終權重[17]。Yaahp是一款輔助層次分析法的軟件，輸入數據后，軟件會自動檢驗一致性并且輸出計算結果。在節省時間和人力的同時[18]，保證計算的正確性。

2.3 熵權法

熵權法的基本原理是：通過一系列的計算來確定指標變異性的大小，并以此來代表該指標在所有指標中的權重[19]。本研究運用熵權法的步驟為：（1）把指標中的負指標轉化為正指標，負指標是指數值越大、生態安全狀況值越小的指標，正指標則相反。本研究絕對數x采用倒數法（100/x），相對數x使用差值法（1-x）。endprint

（2）數據標準化處理。用i指代指標、j指代年份，xij表示第j個年份的第i個指標的值。由于負指標已經轉化為正指標，因此標準化處理后，有

2.4 TOPSIS分析方法

TOPSIS是一種經典的多屬性決策方法，首先被Hwang和Yoon用來研究多屬性決策問題，現已在各種領域被廣泛運用。本研究的操作步驟為：（1）歸一化處理。設某一決策問題的決策矩陣為A，其元素為fij，則

3 土地生態評價指標體系的構建

3.1 構建指標體系

本研究使用PSR模型構建指標體系，從壓力、狀態、響應3個方面通過專家咨詢法構建出8個二級指標、17個三級指標。該體系有3個層次（表1），其中在壓力層下分為人口壓力、社會經濟壓力和環境壓力3個二級指標，下面又分有人口密度、城鎮化率等6個三級指標；狀態層下分為環境狀態、資源狀態、經濟狀態3個二級指標，下面又分有森林覆蓋率、人均耕地面積等5個三級指標；響應層下分為經濟響應和環境治理響應2個二級指標，下面又分有農民人均純收入、工業廢水排放達標率等6個三級指標。

3.2 確定權重

本研究結合定量的熵權法和偏定性的層次分析法來確定權重，具體操作方法為：首先計算出2種方法下各自的權重值，然后求其平均值，以此作為最終的權重（表1）。 表1 神農架林區土地生態安全評價指標體系

目標層準則層A準則層B指標層C權重屬性土地生態安全土地生態壓力人口壓力人口密度（人/km2）0.064 -人口自然增長率（‰）0.031 - 社會經濟壓力城鎮化率（%）0.035 - 經濟密度（萬元/km2）0.057 + 環境壓力單位面積化肥施用量（kg/hm2）0.104 - 有效灌溉面積占耕地面積（%）0.077 + 土地生態狀態環境狀態森林覆蓋率（%）0.084 + 資源狀態人均耕地面積（hm2/人）0.058 + 經濟狀態人均GDP（元）0.048 + 第一產業增長速度（%）0.034 + 第三產業占比（%）0.037 + 土地生態響應經濟響應第三產業增長速度（%）0.050 + 農民人均純收入（元）0.054 + 環境治理響應工業廢水排放達標率（%）0.063 + 工業用水重復利用率（%）0.059 + 城市生活污水處理率（%）0.065 + 工業污染治理項目投資額（萬元）0.080 + 注：“+”“-”分別表示指標與目標呈正相關或負相關。

4 結果與分析

4.1 神農架林區生態安全評價分析

利用上述TOPSIS按步驟計算出神農架林區的S1、S2、C值，根據計算得出的神農架林區土地生態安全評價結果（圖1），可直觀看出，C值的總體趨勢是波動上升。2004—2006年C值一直是下降的，2007年小幅反彈，2008年落至2004—2012年的最低值，2008—2011年一直增長，但增長速度呈遞減趨勢，2012年增長強勁，增長速度、增長數量和土地生態安全狀態都居2004—2012年之最。S1在 2012年急劇減小，S2在2012年急劇增加，2012年C、S2等2個指標的值均居2004—2012年之首。S2在2004—2011年間波動變化較S1更為明顯，它與C值的變化趨勢相同。這表明在2004—2011年間，相對于S1，S2對C值的貢獻率更大。在2004—2011年間，2008年的S2最小，為0.02，2008年最接近負理想解。

4.2 各子系統生態評價

神農架林區各子系統生態安全狀況如圖2 所示。

4.2.1 壓力層 壓力層的C值大致為2004—2008年急劇下降至最低值，2008—2012年回升。導致該現象的主要原因有2個：一是人口方面。人口增長率在2004—2008年間大致呈增長態勢，2008年到達頂峰，為0.45%；2009—2012年急劇降至不到 0.2%。二是環境方面。2008年單位面積化肥施用量達到頂峰339.45 kg/hm2。人口增長率在2004—2012年間

始終低于同年全國人口增長率；而單位面積化肥施用量（化肥施用強度）雖于2004—2007年保持在150 kg/hm2以下，但自2008年達到頂峰時期的339.45 kg/hm2以來，2008—2012年均高于255 kg/hm2，高于國家生態縣建設標準安全值 200 kg/hm2。

4.2.2 狀態層 狀態層的C值趨勢大致呈“W”形。2007年達到頂峰，2006、2008年為谷底，2008—2012年是回升狀態。其中，2007年C值到達頂峰主要是因為該年的第一產業增長速度為17.9%，遠高于其他年份，2008—2012年平穩回升主要是因為人均GDP逐漸增長。說明當地經濟的增長能帶動狀態層的C值好轉。

4.2.3 響應層 響應層的生態安全狀況為波動上升，以2012年的急劇增大最為顯著，這主要是因為2012年城市生活污水處理率和工業污染治理項目投資額增加幅度非常大。這體現出當地政府對環境治理的重視，帶動響應層的生態安全狀況逐漸好轉。而響應層的指標權重占比最高，貢獻率最高，兩者帶動神農架林區的生態安全狀況值在2012年急劇增長。

5 結論與討論

本試驗以湖北省神農架林區作為研究區域，構建神農架林區土地生態安全評價指標體系，然后運用TOPSIS方法對原始數據計算，并從總體層次和壓力狀態響應3個二級層次對計算結果進行分析。結果表明，就各子系統而言，壓力層于2004—2008年急劇下降，2008—2012年回升；狀態層呈“W”形，2007年達到頂峰，2006、2008年為谷底；響應層波動上升。在總體層次上，土地生態安全狀況于2004—2008年波動下降，2008—2014年逐漸回升，且趨勢明顯。國家和地方政府對環境治理的重視和投入明顯推動了土地生態安全狀況的逐步回升，而波動下降的制約點主要在于單位面積化肥施用量等指標，這些指標在今后推進生態文明建設中須要得到重視。endprint

本研究結果與當地的實際情況基本相符，且與利用TOPSIS研究其他區域學者的研究結論[23-25]相似，證明使用TOPSIS來研究土地生態安全評價是可行的。本研究指標的選取和其數據主要來源于統計年鑒，部分指標局限于其數據的不可獲取而無法參與到評價過程中，可能導致指標體系的不健全。本試驗主要參考其他學者對其他區域的研究，而神農架林區與其他區域略有不同，它屬于旅游區。本研究并沒有考慮這個特殊性，這也是今后的研究方向。

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