基于PSR模型的廣西石漠化地區土地生態安全動態評價

謝 玲, 嚴土強, 高一薄

〔1.廣西師范大學 環境與資環學院， 廣西 桂林 541004； 2.巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室(廣西師范大學)， 廣西 桂林 541004; 3.新疆大學 資源與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊 830046〕

土地生態安全是指在一定的時空范圍內，土地生態系統能保持其結構與功能的健康、平衡、可持續狀態，并為社會經濟與農業可持續發展提供穩定保障[1]。因此，土地生態安全是土地生態系統可持續發展的核心和基石。人類對土地利用的方式和變化，直接影響著土地生態系統的健康[2]。尤其是在巖溶強烈發育的喀斯特地區，生態環境極其脆弱，石漠化便是其土地生態系統破壞的表現形式之一[3-4]。廣西壯族自治區位于中國西南喀斯特地區，屬于世界三大連片巖溶發育區之一的東亞片區中心，是世界上面積分布最大、發育最為強烈的一片[5]。該區石漠化(輕度石漠化及其以上)土地面積多達2.73×104km2，占廣西區總國土面積的11.5%[6]。因石漠化地區土地生態系統的敏感性，所以石漠化地區土地生態安全的研究對其土地生態系統的平衡、土地資源的合理利用都具有重要意義。土地生態安全的評價是進行區域土地生態系統研究的重要部分[7]。近年來國內外學者對土地生態安全研究極為關注和重視，關于土地生態系統安全研究主要集中于基礎理論探索[8]、評價指標體系選擇[9]、評價方法創新[10]等方面，研究方法主要有灰色關聯度法[11]，層次分析法[12]、熵權物元模型[13]、三角模型[14]、主成分分析法[15]、生態足跡法[16]、RBF模型[17]等，研究尺度涉及省域[18]、市域[19-20]、縣域[7]、鄉鎮域[21]、村域[22]，研究區域涉及干旱區綠洲[23]、三峽庫區[24]、沿海地區[25]、農牧交錯帶[26]、寒地山區[27]、黃土高原[28]、城市群城市[11]等，但鮮少對石漠化地區的土地生態安全進行研究，尤其是對石漠化較為嚴重的生態敏感區土地生態安全研究甚少。然而，中觀尺度的土地生態安全演變研究，更能夠從整體上把握廣西石漠化地區的土地生態安全狀況，筑牢土地生態安全屏障，服務生態文明建設。因此，本文選取廣西輕度石漠化以上的區域(包括輕度、中度、重度)作為研究區(以下簡稱石漠化地區)，對其土地利用變化和土地生態風險進行時空分析，以期為研究區的土地生態建設及管理提供科學依據。

1 研究區概況

廣西壯族自治區是喀斯特地貌發育的典型地區，是我國石漠化最為嚴重的省份之一。廣西喀斯特地貌主要分布在桂西、桂西北的左江、右江流域，桂中的紅水河、柳江流域及桂東北的漓江流域中下游，以河池、百色、崇左、桂林、南寧地區發育最為普遍，輕度及以上石漠化地區面積各市分別占8 277.34，5 574.46，2 791.55，2 742.79，2 410.2 km2。本文所選研究區域為廣西輕度及以上石漠化區域，共涉及10地市69個區縣，占地面積18.3 km2。研究區位于北緯23°22′—26°24′，東經104°26′-112°04′，年均氣溫16～23 ℃，年平均降水1 500 mm，氣候屬亞熱帶季風氣候區。研究區地表受紅水河、郁江、柳江及其支流的強烈切割，屬于黔桂溶洼、粵桂溶原侵蝕山區，喀斯特發育典型，石漠化程度較深，地表出現干旱缺水，巖石裸露，植被稀疏，伴隨水土流失、土地生產能力衰退或喪失。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究社會經濟數據主要以《廣西統計年鑒》(2005，2015年)、《廣西政府統計公報》(2005，2015年)、《市縣國民經濟和社會發展統計公報》(2005，2015年)，全國地質資料館國家地質資料數據中心(http:∥www.ngac.org.cn)

2.2 指標體系構建

參照世界經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)所提出的“壓力—狀態—響應”(pressure-state-response， PSR)模型，結合廣西石漠化地區生態敏感性特點與土地生態狀況實際情況，遵循科學性、綜合性、動態性、指標數據可獲取性及可操作性原則，選取14個評價因子構建廣西石漠化地區土地生態安全評價指標體系詳見表1。

表1 廣西石漠化地區土地生態安全評價指標體系

2.3 土地生態安全計算

2.3.1 指標閾值與標準化 綜合評價必須在統一的量綱和標準下進行，因此需要對各個指標實際值作標準化處理。根據指標因子的特點，評價指標分為正向型指標、逆向型指標兩種類型，標準化方法為：

(1)

(2)

式中：maxXij， minXij——第j項指標的最大值與最小值；Xij——第i年的第j個指標的原始實際值；Rij——指標標準化值。

2.3.2 熵權法確定權重 確定權重的方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法，在對廣西石漠化地區土地生態安全評價指標賦權時，為盡量減小各指標權重計算，因人為因素干擾帶來的誤差，使其更符合實際，采用熵權賦權法并對其修正，以確定各指標權重。熵權法是一種根據各指標的信息量大小來確定權重的方法，在處理土地生態安全評價指標時，熵值法更準確更客觀[29]，本研究土地生態安全指標權重的計算步驟為：

計算第i個指標下第j個項目指標值的比重Fij:

(3)

由于在上式中，當Rij=0時，原式無意義，因此，對Fij的計算加以修正，將其定義為：

(4)

第i個指標的熵值Ei為：

(5)

第i個指標的熵權ωi為：

(6)

2.3.3 土地生態安全評價基準值及安全指數

(1) 土地生態安全評價基準值的確定。基準值的來源主要為目前國際公認值和世界平均值[30]，考慮到我國土地生態環境的特點和研究區域的實際情況，部分指標的基準值采用了全國平均值和地區平均值(表2)。

表2 廣西石漠化地區土地生態安全評價基準值

(2) 土地生態安全指數。區域土地資源生態環境安全評價，要基于安全的視角進行，故使用“安全指數”來反映土地資源生態環境安全的程度和水平。同時，為了數據處理方便，需要把數據映射到0～1范圍之內。本研究采用以下計算方法進行歸一化處理，并計算出安全指數值(表3)。

表3 單項指標的生態安全分類計算

注：Mi為指標i的實際值；Ni為指標i的基準值；Pi為指標i的安全指數，Pi∈(0，1)。

本研究采用綜合評價法，利用土地資源生態安全評價模型計算得到廣西石漠化地區土地生態安全綜合指數(表4)

(7)

式中：Q——土地生態安全綜合指數；wi——第i項指標的權重；Pi——第i項土地生態安全指數。

表4 廣西石漠化地區土地生態安全綜合指數

2.4 土地生態安全評級指標的劃分

運用ArcGIS 10.0中的自然斷點分類工具對廣西石漠化地區土地生態安全指數進行分類，再綜合空間信息點對應的土地生態安全指數值，并對自然斷點分類結果進行適當調整，得出廣西石漠化地區土地生態安全評價等級標準(表5)。

表5 土地生態安全評價預警分級

3 結果分析

本文由壓力—狀態—響應體系，研究廣西石漠化地區2005，2015年土地生態安全，研究結果顯示，研究區土地生態安全指數介于0.768 4～0.902 5，且從2005—2015年廣西石漠化地區的土地生態安全指數變化存在差異，其安全等級變化如圖1所示，2005年其中貴港土地生態安全處于不安全狀態，至2015年研究區土地生態安全已無不安全等級，其中貴港、南寧、來賓三地土地生態安全處于較不安全狀態。但較為反常的是南寧市的土地生態安全綜合指數從2005年的0.871 3下降至2015年的0.811 3，百色、河池兩地的土地生態安全有較大提升。研究期內廣西石漠化地區土地生態安全整體呈上升的變化趨勢，由此可以說明研究區土地生態安全整體水平略有提升。由表1可知，影響廣西石漠化地區土地生態安全的主要因素包括：人口密度、人口自然增長率、單位GDP綜合耗能，其熵值權重均大于0.073，近年來隨著人口數量的增長，城市建成區面積的擴張，人類對土地開發建設強度和干擾程度的增大，必然會侵占其它生態服務功能較高的土地如林地、耕地、草地等地類，同時也帶來了諸多土地生態問題。

3.1 土地利用生態壓力指標評價分析

由表5和圖1可知，2005，2015年廣西石漠化地區土地生態安全系統的壓力指數整體低于系統狀態指數與系統響應指數，僅南寧2015年的土地生態生態系統壓力指數大于2005年土地生態安全系統壓力指數外，廣西石漠化地區土地生態系統整體壓力綜合指數由2005年的0.241 0上升至2015年的0.248 8，表明研究區土地生態安全面臨的壓力略微增大，百色、崇左兩地土地生態壓力指數明顯增大，主要因兩地隨著人口密度由2005年的108人/km2，139人/km2增至121人/km2，150人/km2，人口自然增長率的增大也對土地生態承載壓力進一步加大，同時兩地經濟發展的相關壓力指標經濟密度增長迅速，表明隨著單位土地面積經濟量的增長，使得土地經濟壓力進一步增大。此外，研究區的人均GDP不斷上升，由2005年均值的7 199元增至2015年均值的27 971元，高于7 543元的全國平均水平，客觀上為廣西石漠化地區的土地生態環境的建設提供了更多的經費，對土地生態系統安全水平的改善起到了積極的促進作用。相對來說桂林、柳州、賀州、梧州等地10 a間土地生態壓力變化不是非常明顯。

圖1 廣西石漠化地區土地生態安全指數

3.2 土地利用生態狀態指標評價分析

2005和2015年研究區的土地安全狀態指數幾乎保持不變，尤其是2015年研究區各地土地生態狀態指數差異極小，其中2005年和2015年梧州土地生態狀態指數均為最高分別達0.307 7和0.315 2，說明其土地生態環境狀況良好。貴港土地生態安全指數最低為分別為0.240 9和0.278 9，說明其土地生態環境狀況較差。研究期間，廣西石漠化地區的土地墾殖率由2005年的10.75%增至2015年的16.68%，反映出研究區土地資源利用程度和結構的優化，是土地生態安全提升的標志。其次，評價期內，城市化率由2005年的15.8%上升至2015年的30.56%，城市的不斷壯大城市建成區面積的擴展，使得城市土地生態環境面臨著嚴峻的挑戰；耕地糧食單產由2005年的4.93 kg/人下降至2015年的3.89 kg/人，這是土地生態能力下降的標志之一；耕地人均糧食單產由2005年的312.41 kg/人下降至2015年的313.08 kg/人，這主要是因為人口增加所導致的，由此可以看出，2005—2015年糧食產量的變化對土地生態系統狀態的影響較大，且土地利用生態狀態指數因指標層各指標變化對土地生態系統狀態影響各異，因此，2005，2015年土地生態狀態指數差異極小。同時區域間又存在顯著差異，賀州地區的土地生態狀態指數有明顯上升趨勢，南寧、崇左兩地的土地生態狀態指數出現下降趨勢，說明兩地土地生態狀態有變差的趨勢。

3.3 土地利用生態響應指標評價分析

土地生態安全響應指數反映人類在面臨土地生態壓力所采取的相應措施。由圖2可知，2005和2015年廣西石漠化地區土地生態系統響應指數普遍增大，南寧、來賓、貴港3地的土地生態系統響應指數有所降低，這主要與3市的土地生態系統面臨的壓力增大及土地生態狀態變差程度較大，且所采取的相應措施遠遠不及土地生態系統的破壞速度所致。第三產業占GDP的比重由2005年的31.83%上升至2015年的36.5%，財政收入由2005年的24 304元增至2015年的90 391元，年均增幅達15%，農民純收入由2005年的2 302元增至2015年的8 253元，由土地生態響應指標的變化可見，經濟的快速發展，有效的推動了研究區土地生態系統的保護。10 a間研究區的土地生態響應指數相對于壓力指數和狀態指數的變化最大，從2005年的0.288 1上升至2015年的0.306 3，這也是研究區土地生態安全綜合指數上升的主要原因，其土地響應指數變化地區間同樣存在差異性，且河池、百色兩地的土地生態響應指數有較大提升，總體來說，廣西石漠化地區解決土地生態安全系統問題的能力在不斷提升。

圖2 2005,2015年廣西石漠化土地生態安全格局

3.4 各市/縣土地生態安全空間差異分析

對2005,2015年廣西石漠化地區土地生態安全狀況進行評價，得到各指標的權重及參考相關研究確立土地生態安全評價基準值，得出研究區69個市/縣的土地生態安全指數，并依據得分和土地生態安全評價預警表(表4)，得出研究區土地生態安全格局圖(圖2)。由圖2可知，從2005—2015年廣西石漠化地區土地生態安全指數略有上升，桂西南生態功能區、桂西生態屏障區的土地生態安全有所上升，上述兩區承載石漠化治理、生物多樣性保護及恢復林草植被為主的生態建設功能為主，因此，其土生態安全有所提升。桂北、桂中城鎮群隨城市化進程的加快，城市發展對土地生態環境的壓力過大，負面效應凸顯，土地生態安全較差。2005年廣西石漠化地區土地生態安全表現出中間較好，東西部較差；2015年河池、百色兩地的土地生態安全處于較安全級，貴港、南寧、桂林、來賓等地的土地生態安全處于較不安全級，十年間，廣西石漠化地區土地生態安全空間格局變化較大，變化最大的是西北的河池、百色及南部的南寧，分別由較不安全等級過渡至較安全等級和較安全等級過渡至較不安全等級，中北部及東部的土地生態安全等級變化具有差異性及多樣性。賀州的土地生態安全由不安全等級提升為臨界安全等級，貴港等地的土地生態安全也有所提升。從行政區劃上看，2005年，不安全等級主要分布在西林、靖西、貴港，臨界安全等級主要分布在百色、桂林、來賓的大部分市、縣。2015年無不安全等級，臨界安全等級主要分布在南寧、貴港的大部分市、縣。

4 結 論

2005,2015年，影響廣西石漠化地區土地資源生態安全的主要因素為人口密度、單位GDP綜合耗能、土地墾殖率、耕地糧食單產、城市化水平、人口自然增長率等。2005,2015年廣西石漠化土地生態安全系統的壓力指數整體低于系統狀態指數與系統響應指數。壓力指數、狀態指數和響應指數共同決定廣西石漠化地區土地生態安全評價的綜合指數。時間上分異，2005—2015年廣西石漠化地區土地生態安全經歷了從臨界安全等級向較安全等級的變化趨勢。空間上的分異，2005年貴港的土地生態安全等級處于不安全級，2015年主要表現為南寧、貴港、來賓等地的土地生態安全等級處于較不安全級。

對廣西石漠化地區土地生態安全問題提出如下對策和建議。

(1) 控制人口數量的增長，提高人口素質，通過嚴格實施國家人口控制政策，使人口、經濟增長和土地資源及其生態環境的承載力相適應。

(2) 增加資金投入，整治石漠化土地。利用生態自然力進行石漠化生態和植被恢復，使現有植被朝頂級群落演替，或利用生物治理技術，通過人工途徑回復和重建巖溶山地森林生態系統。

(3) 建立土地生態系統長效治理機制，鞏固土地治理成果，有效推進國土綜合治理項目的同時，做好科學土地生態環境長期治理規劃，構建政府主導、企業主體，多方參與、全民行動的環境保護規劃格局，切實推進土地生態安全的建設，進一步改善土地生態狀況。

(4) 進一步加大環境保護的宣傳力度，借助廣播、網絡、電視等媒體手段對民眾進行土地生態普法教育，增強公眾環境保護意識，使公眾認識到環境保護對土地生態安全及自身生活的影響，全民參與到保護土地生態環境安全當中來。

本文通過構建PSR模型，進行評價，所得結論對研究區生態文明建設和國土空間規劃都具有一定的理論意義與現實意義，運用熵權法計算了研究區2005，2015年的土地生態安全綜合指數，為調控措施的制定提供了方向。但本文仍存在一些不足，指標體系仍有完善空間且通過不同數學方法對研究區土地生態安全評價結論略有不同，可能是沒有考慮到石漠化程度不同的地區，土地資源所面臨的生態風險的差異，因此如何構建區域特色針對不同石漠化程度的土地資源的生態安全評價指標體系仍需要進一步討論。