湖北省土地資源生態承載力評價

范媛媛，林 苗，王高強，劉 海，3,4*

(1.湖北大學 資源環境學院， 湖北武漢 430062； 2.湖州市測繪院，浙江湖州 313000； 3.武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢 430079； 4.江西省基礎地理信息中心，江西南昌 330209)

土地資源是指已經被人類利用和可預見的未來能夠被人類利用的土地，是人類最重要的物資生活資料[1]。隨著人口增長，經濟發展和城市化進程的加快，人們對自然資源的過度利用和消耗，引發了一系列的生態環境問題，如耕地減少、森林破壞、水土流失、土地荒漠化等[2]。我國土地資源遼闊，但人口數量較多，造成人均土地面積較少，約為世界人均土地面積的 1/3，人地矛盾日趨尖銳[3]。因此，在中共十八大提出優化國土空間開發格局的戰略要求下，開展土地資源生態承載力評價，協調好經濟發展和資源環境的關系，顯得尤為重要。

目前，區域土地資源生態環境安全評價方法總體上是借鑒生態環境安全研究領域的方法[4]。主要有綜合指標法、供需平衡法、自然植被凈第一生產力測算法、生態足跡法等[5-6]。綜合指標法相對其他方法可以全面考慮影響研究區域的土地資源生態環境因素，且計算結果明了，針對性強[7]。當前國內外構建指標體系模型，主要有“數量-質量-保障”模型，“自然-經濟-社會”模型，PSR(“壓力-狀態-響應”) 模型等[8-10]。PSR模型基于資源、環境及社會經濟都應具有壓力、狀態和響應的特征，清晰地揭示出土地資源利用中人地相互作用的密切關系[11-12]，被廣泛應用于資源環境保護和可持續發展評價[13]。

湖北省位于我國中部，是我國經濟發展承南啟北的中部樞紐。自然條件優越，農業資源豐富，是我國農業生產基地和糧食生產主要產區。但近年來，隨著城市化進程的加快，不合理的土地利用方式加劇了該區域土地資源生態環境的脆弱性，該區域土地資源生態環境問題應引起重視[4]。筆者以湖北省為研究對象，運用綜合指標法，基于PSR模型構建湖北省土地生態環境承載力評價體系，采用GIS技術對湖北省市域尺度的土地資源生態承載力空間格局現狀進行比較分析，以期為湖北省土地資源可持續發展規劃及生態文明建設提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1研究區概況湖北省地處我國中部、長江中游、洞庭湖以北，地理坐標為108°21′～116°07′E、 29°05′～33°20′ N。北接河南省，東連安徽省，東南和南與江西、湖南兩省相鄰，西靠重慶市，西北與陜西省為鄰。東西長約740 km ，南北寬約470 km ，面積1.89×105km2，占全國總面積的1.95% ，居全國第13位[14]。

1.2數據來源研究數據主要來源于地理空間數據云下載的湖北省高程數據、2016年《湖北省環境質量狀況公報》《湖北統計年鑒》及各地市統計年鑒等，其中部分指標是經過計算得到。

1.3研究方法通過單因子研究和多因子綜合2個方面，對與研究區域相關的因子進行研究分析。首先利用GIS技術，分別對各單項參評因子進行加權疊加分析，獲得壓力、狀態、響應因子的評價結果，然后對這3個因子加權疊加，得到湖北省土地資源生態環境承載力空間分布格局，最后通過統計分析將承載力進行分級量化，評估湖北省土地資源生態環境承載狀況。

1.3.1PSR模型。PSR模型是由經濟合作與發展組織(OECD)提出并應用于世界環境狀況研究的評價模型，其基本理念是將人類活動給自然環境造成的壓力、環境質量、資源數量狀態以及社會經濟和環境等方面的相應政策和管理措施響應作為一個整體系統進行考慮，探討影響人地系統協調穩定的因素[15-16]。

PSR模型中壓力指標是指來自自然環境及人類活動對土地資源產生的壓力，具體由經濟、社會和自然多方面的壓力構成；狀態指標是土地資源生態環境在壓力下所處的狀況，用來反映特定時間階段的土地資源的環境質量、資源數量及經濟等狀態；響應指標是能夠反映處理土地資源的能力，包括經濟響應、政策響應和社會響應等方面因素。

1.3.2指標權重確定。選取的每個指標對土地資源生態環境承載力的影響不同，因此在綜合計算土地資源生態環境承載力之前需要確定每個指標在整個指標體系結構中所占的權重。目前，確定權重的方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法。常見的主觀賦權法有層次分析法(AHP)[17]、特爾斐法(Delphi，又名專家打分法)[18]等。常見的客觀賦權法有均方差法[19]、主成分分析法[20]、熵值法[18]和離差最大化法[21]等。為排除主觀因素對指標選取的影響，該研究采用主成分分析法確定每個指標的權重。

以湖北省的 17個地級市為樣本，以各項指標的標準化數據為變量構建矩陣，采用統計分析軟件進行數據處理，得出矩陣的特征根和相應的方差貢獻率，選擇主成分并得到因子提取結果和因子回歸系數。主成分是原始變量的線性組合，因此包含了絕大部分原始變量的信息，所以可以根據因子回歸系數計算出每個樣本城市的各個因子權重。

(1)

式(1)中，Wj為第j個指標未進行歸一化處理時的權重；gq為第q個主成分對總體方差的貢獻率；aqj為第j個指標在第q個主成分中的系數；m為主成分的個數，一般按特征值大于1，累計貢獻率達到85%的原則選取主成分的個數。歸一處理后即可得各評價因子的權重Wj。

1.3.3數據標準化處理。確定評價指標以后，由于各參評因子具有不同的量綱，真實數據差異較大，不具有可比性。因此在進行單因子疊加分析前，必須首先對各個因子進行標準化處理。該研究采用極差標準化進行數據變換，將所有數據結果統一到0～1。評價因子具有正、負2種相關性，對于正相關評價因子來講，值越高，表明評價結果越好，反之亦然[22]。歸一化方法如下：

yi=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(2)

式(2)中，yi表示第i個指標歸一化后的值；xi表示第i個指標的原始值；ximax、ximin分別表示第i個指標的最大值與最小值。評價指標包含有正向指標(即評價指標值越大，評價得分越高)與負向指標(評價指標值越小，評價得分越低)，對于正向指標采用上述公式，將直接進行歸一化后的值作為標準值，對于負向指標，用(1-yi)作為標準值。

2 結果與分析

2.1指標體系的建立在參考借鑒相關土地資源生態環境承載力評價研究的基礎上，結合湖北省的實際情況，從資源、環境和社會經濟等方面著手選取指標，并遵循指標選取的科學性、實用性、全面性和數據可獲性等原則，基于 PSR 模型，通過壓力-狀態-響應指標框架構建了目標層、準則層和指標層，包括壓力指標體系、狀態指標體系和響應指標體系 3 個子系統共 17 個指標的土地資源生態環境承載力評價指標體系(表1)。

表1 湖北省土地資源環境承載力指標體系

2.2單因子評價

2.2.1壓力。壓力指標反映人類的各種生產與經營等活動對土地資源生態環境施予的“壓力”，使土地資源生態環境的“狀態”、數量、質量發生變化[23]。如圖1，湖北省土地資源生態環境承載力壓力指標呈現東高西低的特點，東部地區地勢低平，人口密度大，資源環境壓力大，土地利用壓力大，人地矛盾突出。西部地區地貌以山地為主，且是國家重點生態功能區與重要生物多樣性保護區，人口密度小，資源環境壓力小，土地利用壓力小。

從行政單元看，武漢市、鄂州市、黃石市土地資源生態環境承載力壓力值偏高，對土地資源生態環境造成了較大的空間壓力，表現為人口密度較大，人均耕地面積較小，單位耕地面積化肥使用量較大，土地質量遭受脅迫的程度高；十堰市、神農架林區、恩施州壓力值偏低，表現為土地墾殖率低，土地脅迫指數低，土地生態壓力小。

圖1 湖北省土地資源生態承載力壓力指標空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological carrying capacity pressure index of land resources in Hubei Province

2.2.2狀態。狀態指標反映研究區域土地資源及其生態環境當前的狀態[13]。如圖2，湖北省土地資源生態環境承載力狀態指標呈現中心低四周高的特點，中部地區由于城鎮化和工業化的迅速發展，人類活動對土地資源的過度攫取，造成了土地資源壓力過大，土地供需矛盾突出，威脅到了當地的生態環境，因此土地資源環境狀態較低。承載力高的區域受人類活動干擾較少，生物豐度和植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，因而狀態峰值相對較高。

從行政單元看，狀態值較高的區域為十堰市、神農架林區、恩施州、襄陽市、宜昌市、黃岡市、黃石市、咸寧市。其中十堰市、神農架林區、宜昌市、襄陽市的資源狀態和景觀狀態較好，表現為森林覆蓋指數、水網密度指數和生物豐度較高；黃岡市、黃石市、咸寧市景觀狀態較好，表現為生物豐度較高。

2.2.3響應。響應指標反映決策者針對當前由于被人類活動改變了的自然資源、環境和社會經濟狀態而采取一定的政策和經濟措施來做出的響應[24-25]。如圖3，響應指標呈現東高西低的特點。西部地區受人類干擾活動影響較小，但是該區域屬于生態脆弱地區，生態穩定性差，對外界干擾敏感性強，科技、人力資源不足，資金投入嚴重滯后，遭遇破壞后其生態環境恢復力差；中、東部雖然人口密度大、人類活動較為頻繁，但是該區域土地生態保護意識較好，人類通過政策調整、環境保護等方面改善土地生態環境狀態，保持良好的結構和功能，進而實現土地生態環境可持續性。

從行政單元來看，神農架林區、十堰市、恩施州的響應值較低；這些區域單元響應值的指標均偏低。宜昌市、襄陽市、武漢市、鄂州市的響應指標較高，說明政府重視對該區域土地資源及其生態環境的惡劣“狀態”做出“響應”并予以干預、修復。

2.3綜合評價通過上述單因子進行加權疊加獲得湖北省土地資源生態環境承載力，為了便于比較各市土地資源生態環境承載力大小，利用自然分段法建立土地資源承載力等級分級值(表2)，將土地綜合資源承載力分級量化。

表2 湖北省土地資源生態環境承載力等級劃分標準

結合圖4、5可知，湖北省土地資源生態環境承載力呈現中西部低、東部高的特點，土地資源生態環境承載力高的區域，均位于湖北省的山區，如西部的武陵山區，東部的大別山、幕埠山，這些區域具有天然的生態屏障，資源環境狀態較好，壓力值和響應值偏低，壓力值表現為生態系統脆弱，土地脅迫指數低，污染負荷指數低，人口密度較小導致壓力值較??；響應值表現為有效灌溉面積偏低、人均GDP偏低。

土地資源生態承載力一般的區域，位于湖北省的西北、西南、東北部，壓力指標、響應指標、狀態指標較為均衡；土地資源生態承載力低的區域，主要位于湖北省中部平原區。該區域地勢平坦，人口密度大，人類活動對自然資源開發和破壞較大，因此狀態值較低，壓力值和響應值較高，壓力值表現為人口密度和人均耕地面積偏低，響應值表現為環境綜合指數偏低。

圖2 湖北省土地資源生態承載力狀態指標空間分布 Fig.2 Spatial distribution of ecological carrying capacity state indicator of land resources in Hubei Province

圖3 湖北省土地資源生態承載力響應指標空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological carring capacity respouse parameters of land resources in Hubei Province

從行政單元看，十堰市、隨州市、荊門市、天門市、仙桃市、恩施州、孝感市、荊州市、潛江市土地資源生態承載力低，其中十堰市、恩施州狀態值偏高，響應值偏低，壓力值偏低；荊門市、天門市、仙桃市、孝感市、荊州市、潛江市狀態值偏低，響應值偏高，壓力值偏高；隨州市態值偏低，響應值偏高，壓力值偏低。襄陽市、神農架林區、宜昌市、武漢市、黃岡市、咸寧市土地資源生態承載力一般表現為壓力值、狀態值、響應值較為均衡；鄂州市、黃石市土地資源生態承載力較高，表現為壓力值、狀態值、響應值均偏高。

圖4 湖北省土地資源生態承載力空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological carrying capacity grade classification of land resources in Hubei Province

圖5 湖北省土地資源生態承載力等級劃分空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological carrying capacity of land resources in Hubei Province

3 結論與建議

該研究運用綜合指標法，基于PSR模型構建湖北省土地生態環境承載力評價體系，采用GIS技術對湖北省市域尺度的土地資源生態承載力空間格局現狀進行比較分析，結果表明：土地承載力高的區域位于湖北省東部、西部山區，這些區域狀態值較高，壓力和響應值較低。土地資源生態承載力一般的區域，位于湖北省的西北、西南、東北部，壓力指標、響應指標、狀態指標較為均衡；土地承載力值低的區域主要位于湖北省中、西部平原區，這些區域狀態值較低、壓力值和響應值較高。

對于土地生態承載力值高區，今后應重點治理水土流失問題，減少化肥、農藥使用量，降低土地生態壓力，進一步改善土地生態安全狀況。對于土地生態承載力一般區，今后應加強對土地的合理開發，轉變經濟發展方式，增強該區域土地生態承載力。而對于土地生態承載力值低區，應加大環境保護投資治理資金投入，減少化肥使用量，減少土地污染；提高森林覆蓋率，減輕土地生態環境壓力。由于湖北省土地資源生態環境系統處于動態變化中，土地資源生態環境安全的保護工作應當持之以恒。

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