基于突變級數法的土地生態安全評價及其影響因素研究
——以廣西壯族自治區為例

蘇正國, 李 冠, 陳 莎, 聶 鑫

諸多生態安全問題的根源都指向人類不合理的土地開發利用[1]。土地生態安全評價目的是識別當下土地生態系統的健康狀態以及發現人類土地利用中不利于土地生態系統健康平衡的行為[2]。作為最大的發展中國家，由于自然資源稟賦優勢與社會經濟開發熱點呈現出空間不匹配，導致我國部分地區土地開發不均衡[3]。由此不可避免地出現土地利用過度透支區域土地的生態承載能力，更為嚴重的是，土地利用對生態環境的負面影響具有不可逆性，因此，在新時代背景下，土地生態安全問題成為我國實現可持續發展的關鍵問題。區域土地生態環境安全評價和監測一直以來都是土地生態安全研究領域的一個重點課題[4]。而且，如何維持土地利用在高安全區域內運行也成為區域可持續土地利用的一大嚴峻挑戰[5]，是現階段中國推進生態文明建設的首要問題。科學評價區域土地生態安全狀態是區域可持續發展測度的基礎[6]，也是優化配置土地資源、預警土地生態安全的重要依據[7-8]。已有研究中，眾多關注點都集中在探討科學的土地生態安全評價模型以及指標體系的構建，如：在評價模型的選取上，大多采用“經濟—環境(自然)—社會”模式(EES模式)[9-11]；經濟合作發展組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)共同提出了環境指標的P-S-R概念模型也得到了廣泛的應用[12-16]。此外，學者們還關注如何應用多種數理分析手段評價土地生態安全狀態，如：BP神經網絡方法的應用[9,13,17]；采用物元分析法及其改進算法等構建土地生態安全評價物元模型[6,18]；應用GIS和RS相結合的手段對網格尺度下土地生態安全的空間效應進行評價[2,19]；此外，生態足跡評價法[20]、模糊數學評價法[21]、突變級數法[14]、主成分分析法[22]、TOPSIS法[23]、正態云模型[24]以及改進灰靶模型[25]等方法和模型也不斷被引入土地生態安全評價中。雖然諸多評價模型與方法是評判土地生態安全的重要基礎，但是，相對于土地生態安全狀態的判斷與評價，識別土地生態安全格局演變的影響因素，對于土地管理實踐來說具有更加重要的現實意義。由于影響土地生態安全的因素非常復雜，且各因素之間的關系往往是非線性的，難以通過特定的數學模型進行準確描述[9]。而且，土地生態系統具有開放性、非平衡性和非線性特征[25]，土地生態狀態的改變是一個非連續的過程，需要考慮土地生態系統變化所導致的突變效應[14,27]。因此，基于非平穩態的視角來評價和分析土地生態安全格局的變化，通過識別影響土地安全狀態的土地利用因素，將有助于在土地利用和管理過程中，制定針對性的防范措施。當前，廣西壯族自治區正處在社會經濟發展的爬升期，人口快速增長、城市化和工業化快速推進引起了持續的土地利用變化，土地生態安全格局也處于一個連續的非平穩狀態。基于此，本文應用改進的PSR模型，通過突變級數法(catastrophe progression method， CPM)對該區土地生態安全進行評價，并且通過灰色關聯分析從中辨析影響土地生態安全狀態變化的關鍵因素，為優化土地利用模式，落實該區生態文明建設提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

廣西壯族自治區(以下簡稱廣西)位于中國南疆，地理坐標104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N。東連廣東省，南臨北部灣并與海南省隔海相望，西與云南省毗鄰，東北接湖南省，西北靠貴州省。全區土地面積2.38×105km，占全國土地總面積的1/40，在各省、自治區、直轄市中排名第9位。其中山地、丘陵和石山面積占全區土地總面積的69.7%，平原和臺地占27%，水域面積占3.3%，足見廣西土地資源具有山多地少的特點。2015年，全區耕地面積4.43×106hm2，人均耕地約0.09 hm2；生產總值(GDP)達16 803.12億元，第一、二、三產業增加值占地區生產總值的比重分別為15.3%，45.8%和38.9%。按常住人口4 796萬人計算，人均地區生產總值35 190元。

1.2 數據來源

本文所使用的社會、經濟和人口數據來源于《中國環境統計年鑒(2005—2015年)》《中國城市統計年鑒(2005—2015年)》和《中國統計年鑒(2005—2015年)》，土地利用現狀數據來自于歷年的土地利用變更調查。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

人類社會進步的需求所引致的土地開發利用活動對土地生態系統帶來壓力，在此壓力下社會、環境和整體資源所呈現的狀態，以及人類社會面對上述生態壓力和狀態的情況下所主動采取的響應措施，都會影響土地生態安全格局的變化。為此，可以根據PSR框架土地生態安全系統劃分為土地生態壓力系統，土地生態狀態系統以及土地生態響應系統[14,23]。因而，土地生態安全格局以及演變便可以通過土地生態系統中的壓力、狀態和響應3個子系統的相互關系進行分析和推演(圖1)。

圖1 PSR框架下土地生態安全格局演變簡化模型

由于土地生態系統結構復雜且影響因素眾多，因此本研究在參照前人PSR框架模型的基礎上[14]，將土地生態安全解構為土地生態系統壓力、土地生態系統狀態、土地生態系統響應3個評價準則。在構建因素層時借鑒“自然—經濟—社會”(NES)模型和“人口—經濟—環境—發展”(PRED)框架，選擇自然壓力、經濟壓力、社會壓力3個因素構成因素層，隨后在系統壓力準則層下增加人口壓力因素，在系統狀態準則層下將經濟狀態因素調整為資源狀態因素。指標層是每個評價因素的具體指標，共計19個(表1)。

2.2 突變級數模型

土地生態系統是一個復雜開發巨系統，其內部結構尚未明確，系統的連續變化會導致不連續的突變現象。因此，研究基于突變理論構建土地生態安全評價模型。此評價模型的構建是依據落在分叉集內的控制變量的取值會使評價對象的狀態發生突變[14]，常見的突變模型有4種(表2)，結合建立的評價指標體系，得到土地生態安全評價的突變級數模型(圖2)。為了降低權重的主觀性和增強權重的合理性，研究采用熵權法確定各指標權重(表1)。

表1 土地生態安全評價指標體系

注：“+”表示指標值越大，土地生態安全性越高； “-”表示指標值越小，土地生態安全性越高。

圖2 土地生態安全突變級數評價模型

2.3 數據預處理

在確定了各級指標的排列順序后，將2005—2015年原始數據轉換成突變模糊隸屬度函數值。對于正向指標，數值越大越好，以樣本中最大值為基準，將其突變模糊隸屬度函數值取為1.0；而對于逆向指標越小越好，以樣本中最小值為基準，將其突變模糊隸屬度函數值取為1.0，采用上述準則變換后得到2005—2015年各評價指標的突變模糊隸屬度函數值。

表2 突變模型的描述

2.4 評價標準的確定

設立科學客觀的評價標準才能確保評價結果的正確性。一般地，評價區間的確定都是采用定量等分法，然而，由于突變級數法計算后的數值通常較高，而且各分值之間差額較小，難以通過定量等分法進行衡量。為此，研究借鑒已有研究的通用處理，將等分的等級指數帶入突變級數模型，確定準則層和目標層的評價等級標準(表3)。

2.5 灰色關聯度分析

運用突變級數法進行生態安全指數計算和等級評價時，運用熵權法的目的僅在于得到各指標的重要性排序，并在運用突變模型時通過互補性原則或非互補性原則進行計算，而運用灰色關聯度方法能夠對系統發展變化態勢提供量化的度量，非常適合動態歷程分析[28]。灰色關聯度計算公式為：

(1)

式中：ξ(xi)——灰色關聯度；ρ——分辨系數，一般在0～1之間，通常取0.5。Δmin——兩極最小差； Δmax——兩極最大差； Δoi(k)——各比較數列Xi曲線上的每一個點與參考數列X0曲線上的每一個點的絕對差值。

如有必要，可將各個時刻(即曲線中的各點)的關聯系數集中為一個值，即求其平均值，作為比較數列與參考數列間關聯程度的數量表示，關聯度ri公式為：

(2)

ri值越接近1，說明相關性越好。

表3 土地生態安全評判標準

3 計算結果與分析

3.1 土地生態安全演變結果分析

結果表明，廣西土地生態安全狀態總體呈上升趨勢，安全指數由2005年的0.853 7上升至2015年的0.936 8(圖3)。根據表3中的安全等級評判標準，研究期內，廣西的土地生態安全等級明顯好轉，安全水平由較不安全轉變為臨界安全。具體來看，2005—2009年，土地安全水平呈現明顯提升特征，平均每年以2%的速率上升。土地安全等級從較不安全水平提升至較安全水平，主要得益于土地生態系統狀態改善帶來的積極作用。首先，廣西擁有森林、濕地、海洋等多種類型自然生態系統，豐厚的自然資源本底確保了各種生態服務功能的穩定輸出。城市環境空氣質量達標率、江河水質達標率以及近海水域水質達標率等各項指標都優于全國平均水平。廣西良好的環境質量本底是維持和提升廣西生態安全水平必不可少的先決條件。其次，自《廣西壯族自治區主體功能區規劃》和《廣西壯族自治區土地利用總體規劃(2006—2020年)》頒布實施以來，區域土地利用依據生態功能管制分區要求有針對性地調整和優化產業發展方向和生態保護與建設重點，社會、經濟和生態的積極響應取得了良好的成效。2010—2012年，土地生態安全水平呈現先上升后逐漸趨于平穩的趨勢。土地生態安全水平的變化源于這一階段土地生態系統壓力及系統狀態都處于較平穩的狀態，而土地生態系統響應在逐步上升。然而，自2013年開始，生態安全總體水平出現下滑態勢，這主要是由于近年來生態系統壓力狀態惡化明顯所致，但是，由于生態系統響應狀況逐年提高帶來了正向的推動作用，因此有效地遏制了土地生態安全水平的大幅度下滑。

自2005年以來，廣西嚴格控制森林資源開發利用強度，并且大力推進造林工作，2005—2010年年均造林面積達143 453 hm2，2010年全區森林覆蓋率達到54%，并且依然保持著上升趨勢。同時，土地生態利用日趨受到重視，不良土地利用造成的生態破壞和環境污染的趨勢得到遏制，重點行業污染物排放強度明顯下降，工業廢水排放達標率由2005年的83.69%提升至2015年的98.56%。通過發展高效優質現代農業、特色林果畜禽業等復合型農林牧業，使農民收入大幅增加，人均GDP增長了2.5倍，并且農業機械化水平的提高也促進了土地生態安全狀態水平的提升。可以看出，穩定的系統狀態以及積極的系統響應，是土地生態安全狀態等級穩定和改善的動因。然而，土地生態安全水平自2013年以后較前幾年相比有一定下降趨勢，降低到了臨界安全水平，主要由于全國經濟開始進入“新常態”，從高速增長轉為中高速增長，與前3 a相比，2013—2015年平均GDP增長率下降了5.89%，經濟下行壓力較大，土地生態安全壓力驟然加劇；同時，近年來為保證糧食產量，農用化肥的施用量出現了大幅增加，土壤污染和破壞問題不容忽視。總體來說，廣西土地生態系統依然面臨嚴峻挑戰，需要警惕和重視。

3.2 土地生態安全子系統變化情況

就土地生態系統壓力來看，2005—2015年生態系統壓力等級變化趨勢為先上升后下降，大體可分為兩個階段(圖3)。第一個階段為2005—2011年，這個階段屬于土地生態安全壓力指數的上升期，系統壓力指數從2005年的0.794 8上升到2011年的0.905 7，達到了臨界安全的水平。2009年的系統安全水平有小幅下降，這主要是由于受到經濟危機的沖擊，但明顯看出土地生態系統安全水平總體上并沒有持續惡化。這一階段的壓力減緩主要歸功于環境壓力和經濟壓力的改善，表現在遏制污染的能力上升和經濟水平的提升，工業SO2排放量由2005年的9.75×105t減少至2011年的3.86×105t，GDP增長率基本保持在平均每年15%以上的速率，經濟密度增長了116.6%，實現了翻番，城市化水平由33%上升為41%，農村人均純收入也實現了94.1%的增長。同時，在“十一五”期間，廣西壯族自治區積極推進建設“富裕廣西、文化廣西、生態廣西、平安廣西”各方面工作，通過調整優化產業結構，特別是禁止向高污染企業供地，限制高耗能企業落地，加強資源綜合利用等措施，在實現經濟快速發展的同時有效控制了排污總量。第二階段為2011—2015年，這一階段土地生態安全壓力指數呈下降趨勢，而且降幅較大，從2011年的臨界安全狀態下降至2015年的較不安全狀態。這一階段壓力狀態的變化受到眾多因素影響，人口、社會、經濟壓力都有大幅增加。首先，城市人口密度提高了20.9%，人口的快速增長使土地壓力日益加劇；其次，城市化進程也加大了對土地生態安全的威脅，而且，隨著廣西地區進入快速城市化時期，建設用地快速擴張及其不可避免的占用農用地行為，無形中加大了土地生態系統的壓力。不僅如此，從2011年開始，GDP增長率從11.21%降到了2015年的7.21%，工業生產低位徘徊、工業投資和民間投資大幅下滑、出口仍然兩位數下降等問題突出，經濟下行壓力給土地生態系統帶來更大的壓力。

2005—2015年廣西地區的土地生態系統狀態總體比較理想，系統狀態基本穩定在較安全和安全水平。上文已經提到了廣西地區擁有優越的自然條件、良好的生態資源和獨特的地緣優勢，而且多年來土地生態安全狀態一直維持在較高水準。同時，隨著城市化、工業化的有力推進，工業機械化水平的進一步提高，以及大規模開展農村土地整治工程有助于改善和提升農村地區土地利用效率，確保了研究期內廣西土地生態質量狀況穩中有升。

2005—2015年廣西地區的生態系統響應呈穩步上升趨勢，由2005年的0.728 9上升至2015年的0.989 1，從較不安全等級轉變到安全等級。事實上，近年來，生態廣西建設方面取得了明顯成效，最為突出的是在桂中北巖溶山地生態區全面實施石漠化綜合治理，通過封山育林、退耕還林還草、小流域治理等一系列綜合措施，恢復自然植被，提高水源涵養和水土保持能力，顯著地提升了土地生態安全水平；其次，廣西地區近年來的造林舉措極大改善了土地生態安全狀況，改善生態環境，同時環境污染治理投資也有所提升。

圖3 廣西地區2005-2015年生態安全狀態變化

3.3 土地生態安全水平影響因素灰色關聯分析

根據灰色關聯度計算結果(表4)，按照不同年份各指標因素關聯度排序可將研究期大致分為3個階段。第一階段(2005—2008年)。這一階段，森林覆蓋率、造林面積兩個因素與土地生態安全總體水平的關聯度最高，證明這一階段生態安全水平的改善主要歸功于造林工程的持續推進和自然生態的改善，同時農業機械動力和相關經濟指標的關聯度在逐漸攀升。結果表明，積極改善生態環境，提升生態安全質量的響應行為，對土地生態系統安全等級的提升起到顯著的正向作用，也進一步支持了前文的分析。第二階段(2008—2013年)。隨著社會經濟水平以及城市化水平的不斷提升，土地生態安全與經濟密度、第三產業比重的關聯度最高。灰色關聯結果表明，自2008年全球金融危機后，經濟發展方式的改變引致土地利用結構和強度的變化，區域經濟發展的波動對土地生態系統壓力影響加強。這一結果也表明了經濟安全對土地生態安全水平影響的重要性，土地作為人類生產、生活的承載基礎，經濟平穩增長和社會發展對維持土地生態安全不可或缺。第三階段(2013—2015年)。這一階段，與土地生態安全水平變化關聯度最高的指標為人口自然增長率及代表環境治理響應的相關指標，如環境污染治理占GDP的比重和工業廢水排放達標率，人口的增加，不僅直接帶來了土地利用的改變，而且會由于人們對物質和精神產品的需求增加促使經濟社會的發展，促進了非農產業和城鎮的不斷發展，這個時候更加需要全社會重視土地生態系統響應的靈敏性和有效性，控制污染，減少生態破壞，保障社會進入后工業時代階段維持土地生態系統的健康運轉。從整個研究期來看，與土地生態安全水平變化關聯度最高的五項指標為造林面積、城市化水平、森林覆蓋率、第三產業比重以及單位耕地面積化肥施用量。由此可見，經濟發展特別是城市化進程必然對土地生態安全帶來外在的剛性壓力。同時，通過加強土地生態系統的正向回饋，提升土地生態安全系統響應能力，有助于維持和提升區域土地生態安全水平。

表4 研究區2005-2015年土地生態安全水平影響因素灰色關聯度

4 結 論

本研究以改進的PSR模型為基礎構建土地生態安全評價指標體系，同時綜合考慮土地生態系統潛在的突變特性及其對評價結果的影響，運用突變級數法揭示了廣西地區土地生態安全2005—2015年的總體變化趨勢，并運用灰色關聯度甄別不同階段土地生態安全水平變化的影響因素。研究結果為其他地區進行土地生態安全評價提供了借鑒，也為客觀評價廣西近年來土地生態安全水平，識別影響土地生態安全的負面因素提供依據。總體來看，2005—2015年廣西地區土地生態系統安全有所提升，雖然2008年受到經濟危機的沖擊土地生態安全水平有所下降，但通過調整供地和加強土地生態建設，發展生態經濟等組合措施的運用，自2010年開始廣西地區土地生態系統安全水平逐步提升，至2012年達到較安全的狀態。但需要注意的是，2014年進入經濟新常態以來，經濟增速減緩，經濟下行壓力依舊很大，而且，廣西地區對一、二產業依賴過高(兩者之和超過地區生產總值的60%)，農業和工業對生態環境造成的影響甚至是破壞不容忽視。同時，近年來廣西地區的人口數量和密度在不斷升高，城市化更加發達，人類活動對自然的影響將會更加明顯，而人口壓力的增大將會使得資源供需矛盾愈發突出。

基于研究期間廣西地區土地生態系統安全格局演變特征及其影響因素，本文建議： ①有效控制和減緩土地生態系統壓力狀態。隨著廣西地區工業化、城市化進程的進一步推進，土地生態系統將面臨來自發展所帶來的剛性壓力。因此，需要通過土地宏觀調控手段推進經濟的高質量發展，加快產業結構轉型速度，減少對礦產資源的依賴，降低企業整體的地均能耗；同時，加強土地生態建設，有序推動循環經濟和生態產業的發展，根據資源環境條件、經濟發展潛力、重點環境問題等因地制宜地開展各項生態建設活動。 ②堅持穩定和提升土地生態系統狀態水平。農業和農村的發展水平將決定和影響土地生態系統狀態。根據廣西現階段農業和農村發展的瓶頸，要堅定落實鄉村振興戰略，積極推動興邊富民政策。積極開展土地整治和農村綜合整治工程，大力發展現代農業，提高農業科技水平，降低工農業生產能耗，提高生產效率，同時延長產業鏈，不斷提升農民生活水平。 ③積極夯實和拓寬土地生態系統響應路徑。全民生態環境意識進一步提高，可持續發展理念深入人心是建設生態廣西的必要基礎。為此，需要不斷提升土地生態環境基礎建設的投入水平，加強喀斯特巖溶地區的綜合治理，建立污染企業用地的退出機制，全面促進經濟、社會、資源、人口、環境的均衡發展。