基于云模型的土地生態質量評價及障礙因素診斷
——以陜西省榆林市為例

麻小婷， 南 靈， 何巖巖

(西北農林科技大學經濟管理學院，陜西楊凌 712100)

隨著我國社會經濟的高速發展，工業化、城市化進程加快，各類資源開采利用的程度日益嚴重，人們一味地向土地索取經濟利益，導致一系列的土地生態問題。土地荒漠化加快、水土流失日益嚴重、森林資源銳減、地下水位下降、生物多樣性降低、環境污染范圍擴大等。

土地生態問題頻發是制約我國社會經濟長遠發展的一大難題。要解決土地生態問題，進行生態環境保護就離不開對土地生態質量的評價。綜合現有研究來看，我國對生態質量評價的研究多集中于農業生態質量評價、城市生態質量評價、景觀生態質量評價及自然保護區生態質量評價[1-6]，對土地生態質量評價的研究極少，須要豐富對土地生態質量評價研究。

本研究借鑒生態質量評價及生態環境評價的相關研究進行土地生態質量評價。綜合現有研究來看，使用頻率較高的評價方法有綜合評價法、生態足跡法、物元模型法、景觀生態模型法、數字地面模型法等[7-10]。通過研究發現，這些傳統方法對土地生態質量的評價無法兼顧評價對象的模糊性和隨機性。隨著云理論的產生，這一缺陷有了有效的解決渠道。近些年來也有學者將云理論引入到生態環境評價之中，如龔艷冰將正態云模型與熵權法相結合，對河西走廊城市化生態風險進行評價，其評價結果較傳統模糊綜合法更為合理[11]；張揚等學者將正態云模型引入土地生態安全評價，并結合層次分析法對湖北省土地生態安全進行了評價[12]；周啟剛等運用正態云模型對三峽庫區土地利用生態風險進行了評估，有效解決了由于某些數據獲取、量化過程中的不準確性而造成的評估指標及結果的模糊性和隨機性[13]。在指標權重的確定方面，大多數研究多采用某一單一賦權法，指標權重的合理性有待驗證[14-16]。目前幾乎沒有學者運用云模型結合基于相對熵的組合賦權法對土地生態質量進行評價，這還要進行不斷的探索與實踐。

榆林地區在生態環境方面具有較強的區域色彩。榆林市地處黃土高原和毛烏素沙地交界處，風蝕沙化和水土流失嚴重。截至2014年底，榆林市水土流失面積為3.69萬km2，約占整個陜西省水土流失面積的26.8%。再者榆林市礦產資源豐富，而礦產資源所在區域也正是榆林市地下水資源的富集區，資源開采過程中也造成了嚴重的生態破壞。筆者將云模型引入土地生態質量評價之中，結合相對熵的組合賦權法構建土地生態質量評價模型；以榆林市為研究對象，應用基于正態云模型的土地生態質量評價方法對其土地生態質量進行評價，最終借助障礙度模型對土地生態質量的障礙因子進行診斷，豐富了土地生態質量評價的研究，為其他學者提供理論及實踐借鑒；同時還可以為榆林市的可持續發展提供參考，促進人地和諧，對預防榆林市土地生態環境惡化及土地退化有著重要的意義。

1 云理論

1.1 云模型簡介

20世紀90年代，我國著名學者李德毅院士在研究不確定性人工智能過程中，為了反映自然語言中的不確定性(尤其是隨機性和模糊性)、實現語言值與數值的轉化，創新性地在傳統Fuzzy理論及概率統計的基礎上提出一個可以實現定性概念與其定量描述間不確定轉換的數學模型——云模型[17-18]。多年來，經過眾多學者研究與發展，云模型的分布形態也日益增多，且已成功應用于多個領域。憑借其普遍的實用性，在正態分布及鐘形隸屬函數基礎上演化而來的正態云模型成為目前研究最多且應用最廣泛的云模型[19-20]。

正態云用3個數值來表征某一定性概念的整體性定量特性，分別為期望(Ex)、熵(En)、超熵(He)，它們被稱之為云模型的數字特征。它們共同反映了定性概念論域的中心值、定性概念的模糊度及離散程度，將模糊性和隨機性結合起來。

1.2 云發生器

2 模型構建

2.1 土地生態質量評價模型構建

2.1.1 基于相對熵的組合賦權法確定權重 鑒于單一賦權方法在確定指標權重時表現出偏離客觀實際、缺少理論支持、與實踐經驗相悖等缺陷，本研究基于相對熵理論，將層次分析法及改進的熵權法結合起來，形成綜合主、客觀賦權法優點的組合賦權法，以期得到更加合理的指標權重。

假設有n個評價指標，此時記單一賦權法的集合為：P=(p1,p2,…,pn)，pij為第i種單一賦權法中第j個指標的權重(i=1,2,…,n；n=2；j=1,2,…,m)。pik為第i種單一賦權法中第k個指標的權重；pjk為第j種單一賦權法中第k個指標的權重，任意2個權重向pi、pj間的相對熵為：

當且僅當j∈{1，2，…，m}，?pik=pjk時，有h[pi,pj]=0，此時，h[pi，pj]可以用于度量2種賦權法的符合程度。故組合權重W的計算步驟如下：(1)應用AHP法確定評價指標主觀權重p1=(p11,p12,…,p1m)，應用改進的熵權法確定指標客觀權重p2=(p21,p22,…,p2m)。

(2)基于相對熵的思想，根據優化模型[21-23]

得最優解：

(1)

解出與各單一賦權法求得的指標權重最接近的指標權重，即集結權重Q=(q1,q2,…,qm)。

(3)計算各個賦權結果pi與集結權重Q=(q1,q2,…,qm)的貼近度h[pi,q]。

(4)計算組合權系數θk(k=1，2，…，n)。

(2)

(5)最后，根據不同賦權法指標權重的組合公式

(3)

計算出各個指標最終權重wj，得到權重向量W=(w1,w2,…,wm)。

2.1.2 基于正態云模型的土地生態質量評價模型 將正態云模型與基于相對熵的組合賦權法結合起來，構建土地生態質量評價模型，建立步驟如下：(1)建立土地生態質量評價指標體系X=(x1,x2,…,xm)，確定評價等級D并建立土地生態質量評價指標標準域V=(v1,v2,…,vd)。

(2)將AHP及熵權法與相對熵原理結合起來確定各指標的組合權重W=(w1,w2,…,wm)。

(3)在土地生態質量評價指標體系X與評價指標標準域V之間進行單一指標的評估并建立模糊關系矩陣R。

(4)

(5)

其中：超熵Hejζ是熵Enjζ的熵，直接反映云滴的離散程度，通常通過經驗或試驗取值。Hejζ越小，云越薄，反之亦然。

(4)在確定了各個指標所對應的每一等級的正態云模型數字特征后，基于各個指標的實際值，通過正向正態云發生器，確定出土地生態質量評價各個指標對應每個等級的正態云模型隸屬度矩陣F=(fjζ)m×d，考慮到由正態云模型得出的隸屬度矩陣的隨機性特征，為提高評估的可信度，重復運行正向云發生器N次，計算各指標在不同隸屬度下的平均綜合評估值：

(5)基于(2)中求得的評價指標權重集W，將其與(4)中求得的隸屬度矩陣F進行模糊轉換，即可得出評價指標標準域V上的模糊子集G(j=1，2，…，m)：

式中：gζ表示評價對象對于評價等級ζ的隸屬度。根據最大隸屬度原則，選擇最大隸屬度所對應的評價等級作為評價對象的最終評價等級。

2.2 土地生態質量評價障礙因子診斷模型的構建

在土地生態質量評價的基礎上對影響土地生態質量的障礙因子進行分析與診斷，以便有針對性地解決土地生態質量問題。本研究引入障礙度模型實現這一目的[24-25]，具體模型如下：

(6)

式中：Bj第j個評價指標與土地生態質量全目標之間的差距，即1與第j個評價指標標準化值之差：Bj=1-bj；Oj為第j個評價指標的障礙度。

3 實證分析與結果

3.1 評價指標體系的構建及權重的確定

3.1.1 評價指標體系的構建 構建科學、合理的評價指標體系是進行土地生態質量評價的一大前提。本研究遵循系統性、完備性、可操作性、科學性及數據可得性等原則對土地生態質量評價指標進行分析與篩選。

通過對50篇生態環境評價相關文獻進行分析，分別統計各個評價指標在相關參考文獻中出現頻率，得出生態評價指標在相關參考文獻中出現頻率統計表，合并相似指標，拋棄區域性個性指標，最終篩選出高頻指標32個，其中出現頻次排前3的指標為：單位面積化肥施用量(39次)、森林覆蓋率(37次)、節能環保支出占GDP比(36次)。在此基礎上結合德爾菲法，向20位相關專家(包含教師7人、科研人員6人、相關從業者5人、當地政府人員2人)發放問卷，經2輪篩選最終確定榆林市土地生態質量評價指標17個；基于2003、2014年榆林市相關數據(榆林市統計年鑒、地理空間數據云、國家科技基礎條件平臺-國家地球系統科學數據共享平臺-黃土高原科學數據中心http：//loess.geodata.cn)，從土地生態質量狀態、響應、壓力3個方面進行分析，建立榆林市土地生態質量評價指標體系(表1)。

3.1.2 指標權重確定 基于層次分析法及熵權法，應用相對熵理論，確定榆林市土地生態質量評價指標的權重。

p層次分析法=(0.074 0，0.116 7，0.064 5，0.059 1，0.044 7，0.026 7，0.020 2，0.034 7，0.063 4，0.030 9，0.036 0，0.014 9，0.015 8，0.072 1，0.154 1，0.089 1，0.083 0)；

p改進熵權法=(0.030 5，0.034 1，0.031 6，0.026 1，0.033 0，0.047 8，0.042 9，0.074 5，0.062 7，0.059 5，0.141 5，0.047 3，0.040 0，0.056 5，0.107 2，0.119 6，0.045 1)。

根據“2.1”節中式(1)、式(2)可得AHP及改進的熵權法的組合權系數，分別為0.481 3、0.518 7，在此基礎上根據式(3)計算出相對熵的組合權重，即最終權重W：

W=(0.051 4，0.073 9，0.047 4，0.042 0，0.038 6，0.037 6，0.032 0，0.055 3，0.063 0，0.045 8，0.090 8，0.031 7，0.028 4，0.064 0，0.129 8，0.104 9，0.063 3)。

3.2 榆林市土地生態質量評價

3.2.1 評價標準的制定 結合土地生態質量相關研究及研究區實際狀況，本研究將土地生態質量劃分為5個等級，從高到低依次表示為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。目前土地生態質量評價尚未確立統一的評價標準，本研究對評價指標評價標準(表2)的確定主要是在參考《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》《陜西省生態園林縣城標準(試行)》、國際公認值、全國平均水平、區域背景或本底值、理論最佳值及相關研究的基礎上，從榆林市土地生態環境現狀與特征出發，綜合分析、歸納并加以修正而最終確定。

3.2.2 評價結果 根據建立的土地生態質量評價指標體系及評價指標標準，利用式(4)、式(5)將各個指標所對應的等級用相應的正態云模型表示(表3)。

表1 榆林市土地生態質量評價指標體系

注：根據指標因子對土地生態質量的影響，將所選的指標分為正、負趨向性指標分別用“+”、“-”表示。正趨向性指標值越大，表示土地生態質量狀況越好(或者是越有利于土地生態質量的提升)；反之負趨向性指標值越大，則表示土地生態質量狀況越差(或者是越不利于土地生態質量的提升)。

基于土地生態質量評價各指標相對應的正態云模型，假定N=100，根據各個方案對應的指標值，利用正態云發生器，重復計算100次，建立評價指標的正態云隸屬度矩陣。最后，根據公式G=W×F=(g1，g2，…，gd)計算榆林市各縣(市、區)土地生態質量值，并根據最大隸屬度原則確定質量等級(表4)。

由計算結果可知，2003年榆林市土地生態質量等級分布情況大體為西、北部高，中、南部低。其中，土地生態質量等級為優(Ⅰ)的縣(市、區)有5個，等級為中(Ⅲ)的區有1個，等級為劣(Ⅴ)的縣有6個。

2014年榆林市土地生態質量等級為優(Ⅰ)的縣減少為4個，等級為良(Ⅱ)的縣(區)增加2個，等級為差(Ⅳ)的縣增加1個，等級為中(Ⅲ)的縣(區)增加至4個，等級為劣(Ⅴ)的縣減少至1個。整體來看，榆林市土地生態質量等級相較于2003年有所上升。其中，綏德縣、靖邊縣及定邊縣土地生態質量等別并無變化，分別為劣、優、優。榆陽區、神木市、府谷縣土地生態質量等別在2003年的基礎上降了2個等級，而佳縣、清澗縣、橫山區、米脂縣及子洲縣土地生態質量等別2014年均有不同程度的上升，其中佳縣及清澗縣均上升了4個等級，上升程度最大。主要因榆陽區為榆林市的核心區域，而神木市及府谷縣礦產資源豐富，在經濟快速發展的同時致使環境污染、生態破壞，農業生產過程中化肥、農藥、農膜投入過多，導致各縣(區)土地生態質量壓力增大、狀態惡化、等級降低。而佳縣、清澗縣、橫山區、米脂縣及子洲縣等區域經濟發展速度相對緩慢，環境破環程度較輕，化肥、農藥、農膜投入相對適度，同時又注重環保治理，進而土地生態質量等級上升。

在對榆林市各縣(市、區)土地生態質量評價的基礎上，為了進一步了解影響其土地生態質量的關鍵因素、實現土地的可持續發展，下文借助障礙度模型對影響榆林市各縣(市、區)土地生態質量的障礙因子進行診斷。

表2 土地生態質量評價指標評價標準

表3 土地生態質量正態云隸屬度

3.3 障礙因子診斷

在上述土地生態質量評價的基礎上，根據式(6)對2003年及2014年榆林市土地生態質量障礙度進行計算，并對結果進行排序(表5、表6)。

3.3.1 準則層障礙因子 由表5可知，準則層3個指標對榆林市各縣(市、區)土地生態質量的障礙度存在一定差異。

2003年準則層障礙度大體排序為土地生態質量響應(56.36)、土地生態質量狀態(33.16)、土地生態質量壓力(4.46)。土地生態質量響應障礙度最小的區域為綏德縣(42.73)，最大的為靖邊縣(73.24)；土地生態質量狀態障礙度最小的區域為靖邊縣(18.74)，最大的為吳堡縣(43.31)；土地生態質量壓力障礙度最小的區域為子洲縣(0.98)，最大的為榆陽區(11.88)。

2014年準則層障礙度大體排序為土地生態質量響應(39.30)、土地生態質量狀態(38.86)、土地生態質量壓力(11.81)。土地生態質量響應障礙度最小的區域為米脂縣(27.60)，最大的為清澗縣(55.51)；土地生態質量狀態障礙度最小的區域為靖邊縣(26.01)，最大的為吳堡縣(52.64)；土地生態質量壓力障礙度最小的區域為橫山區(4.41)，最大為榆陽區(24.36)。

總體而言，研究期內影響榆林市土地生態質量的障礙因子主要集中于土地生態質量狀態、土地生態質量響應2個準則層，土地生態質量響應障礙度有較大變化。與2003年相比，2014年榆林市各縣(市、區)土地生態質量響應平均障礙度下降值大約為17，這與榆林市近些年來大力實行生態文明建設等治理措施有很大關系。然而，由于社會經濟發展過程所帶來的一系列環境問題，榆林市土地生態質量狀態平均障礙度提升值大約5.7，土地生態質量壓力平均障礙度提升值約為7。因此，必須立足長遠，盡快緩解土地生態質量壓力。

表4 榆林市各縣(市、區)土地生態質量評價結果

表5 榆林市土地生態質量準則層障礙度

3.3.2 指標層障礙因子 榆林市各縣(區)障礙度排前5位的指標層障礙因子見表6。根據各障礙因子出現在表6的頻次及均值得知，2003年障礙度排前5的指標為廢水處理率、水土流失治理率、節能環保支出占GDP比重、耕地自然質量平均等別、有效灌溉面積比；2014年障礙度排前5的指標為廢水處理率、植樹造林種草面積、耕地自然質量平均等別、節能環保支出占GDP比重及有效灌溉面積比。從各縣區單指標障礙度變化來看，由于城市化及工業化的推進，2014年神木縣單位面積廢水排放量障礙度上升較大(15.70)；單位面積農膜使用量障礙度上升較大的區域為佳縣(13.91)；隨著人們對生態環境保護重視程度的日益增加，節能環保支出占GDP比重障礙度有所下降，下降幅度較大的區域為靖邊縣(7.82)；植樹造林種草面積障礙度上升較大的區域為橫山區(12.34)、米脂縣(6.58)；水土流失治理率障礙度下降較大的區域為靖邊縣(7.96)； 從單指標平均障礙度變化來看，2014年上升幅度較大的指標為單位面積廢水排放量、單位面積二氧化硫排放量、單位面積農膜使用量及單位面積化肥施用量；另外水土流失治理率、廢水處理率、節能環保支出占GDP比重、人均沙地面積及25°以上耕地面積比平均障礙度有所下降。

研究發現，經過榆林市多年的努力，土地沙化面積有所降低，大部分地區節能環保支出占GDP比重有所上升，但仍然呈現出節能環保支出與日益增長的GDP不相符的狀態；雖然榆林市一直致力于水土保持、水土流失的綜合治理，但水土流失面積多年來基本沒有變化，并且治理率還大幅下降，因此治理力度還要在現有程度上進一步加大。除此之外，榆林市社會經濟的飛速發展還伴隨著廢水排放量、二氧化硫排放量、農膜使用量及化肥施用量的增加，典型區域為榆陽區及神木市。

表6 榆林市土地生態質量指標層障礙度排序

4 結論與建議

4.1 結論

本研究將云模型引入土地生態質量評價之中，結合基于相對熵理論的組合賦權法構建了土地生態質量評價模型。從土地生態質量壓力、土地生態質量狀態和土地生態質量響應3個方面構建土地生態質量評價指標體系，運用基于正態云模型的土地生態質量評價模型對榆林市各縣(市、區)的土地生態質量進行系統科學的評價，并借助障礙度模型對影響榆林市土地生態質量的障礙因素進行分析、診斷。結果表明：(1)2003年榆林市土地生態質量等級分布情況大體為西部、北部高，中部、南部低；2014年榆林市各縣(市、區)土地生態質量等別變化不盡相同，但整體上相較于2003年有所上升。(2)從準則層障礙度看，研究期內影響榆林市土地生態質量的障礙因子主要集中于土地生態質量狀態、土地生態質量響應2個準則層。相較于2003年準則層各指標障礙度，2014年土地生態質量狀態、質量響應障礙度增長值均大于 5.5。而土地生態質量響應障礙度下降程度較大，降幅最小的橫山區下降數值為6.47，降幅最大的靖邊縣下降數值高達36.07。(3)從指標層障礙度看，各縣(市、區)的主要障礙因子障礙度排序不盡相同，主要障礙因子大體包括水土流失治理率、廢水處理率、節能環保支出占GDP比重、有效灌溉面積比、耕地自然質量平均等別、植樹造林種草面積。2014年障礙度上升的主要障礙因子包括單位面積廢水排放量、單位面積二氧化硫排放量、單位面積農膜使用量及單位面積化肥施用量。

4.2 建議

榆林市各縣(市、區)土地生態質量評價結果差異較大，為改善榆林市土地生態質量狀況，應該對不同區域采取不同的措施。

(1)針對人均水資源量、有效灌溉面積比及植樹造林種草面積障礙度上升，人均沙地面積較大、水土流失嚴重的地區，繼續實行退耕還林還草，增加植樹造林種草面積，對禁牧效果進行實時監督，對社會公布濫伐林木、違規放牧舉報電話；引入先進技術，加強農業水利等基礎設施的建設，實現水資源的高效利用；加大水土保持、水土流失綜合治理力度及人為破壞的執法力度，引進相關人才并建立水土保持科研隊伍，對水土流失情況進行實時監測；嚴格控制礦產資源開發，繼續推進礦區土地復墾，開展污損土地整治。

(2)針對單位面積廢水排放量、單位面積二氧化硫排放量、單位面積農膜使用量及單位面積化肥施用量障礙度加大的地區，引進國內外先進的污染物處理技術及處理人才，加大污染物處理投入，按不同行業及企業的實際情況設定其廢水循環使用量；提升并嚴格約束廢水、廢氣、固廢排放標準，提高污染嚴重產業的進入門檻，加大執法力度，對排污企業進行突擊檢查，凡2次以上檢查不合格的企業需接受罰金加倍處理，對生產技術落后、污染物排放嚴重不達標的企業按具體情況進行無限期停產整改甚至淘汰；推行環保耕作方式(如秸稈還田)；宣傳、普及農業科學技術(如測土配方施肥)，提升農藥、化肥使用效率，制定獎懲措施鼓勵增加有機肥的使用及農膜的回收；邀請有關專家入村進行宣傳教育、答疑解惑，提高廣大群眾環境保護意識。

(3)針對節能環保支出占GDP比重普遍較低的狀況，推進社會經濟生態同步、可持續發展，以政策、法規的形式對節能環保支出的增長幅度或對節能環保支出占GDP的比重進行明確；提高排污費收取標準擴大收費范圍，抑制個別企業“寧繳費不治理”的現象；增強對環境保護的重視程度，加大資金投入，引進并推廣污染物處理新技術、新設備；嚴格控制?？顚Ｓ茫訌姽澞墉h保支出監測，適當降低節能環保支出在城市環境基礎設施建設的使用，將其更多地投入到污染物治理及污染物處理新技術、新設備的引進方面。