基于DPSIR-TOPSIS模型的江西省土地生態安全動態評價

江春燕， 羅志軍， 趙 杰， 趙 越

(江西農業大學國土資源與環境學院/江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，江西南昌 330045

土地融合了經濟、資產、生態環境等具有可持續發展的特殊功能，因此土地資源生態安全狀況與區域經濟的協調發展密切相關。土地生態安全的概念，目前尚未形成科學的界定，其來源于20世紀80年代末興起的“生態安全”一詞，目前主要有以下2種：(1)土地生態安全是指在一定時空范圍內，土地生態系統為人類提供一定的數量和質量的服務，且能夠持續滿足人類生存與發展的需求，以及土地生態系統能夠維護其基本結構和重要功能不受或少受威脅的一種良好狀態[1]。(2)土地生態安全究其本質而言，指動植物等所有生物與土地及其衍生物間的動態交互作用與反作用過程，且保持該過程能夠持續進行[2]。然而，隨著社會的發展進步與人類活動的加劇，造成了土地資源的不合理利用，我國一些地區陸續出現了較為嚴重的水土流失、草場退化、與森林資源危機等一系列土地生態問題。土地生態安全評價是指對土地生態系統健康有危害或有危險的狀況所作出的具體評價，主要是對某些生態特性進行選擇性的專項評價，比如其協調程度與發展趨勢如何，同時對土地生態系統的健康程度與土地利用的生態風險等級狀況進行科學可行的診斷[3]。

近年來，眾多學者們對區域土地生態安全評價進行研究，國外的土地生態安全評價主要偏向于土地生態風險、可持續發展評價等方面[4]。國內的學者多集中在評價指標體系的構建和評價模型的研究上。在指標體系的構建方面，學者們主要從壓力-狀態-響應(PSR)模型[5]建立區域土地生態安全評價指標體系自然-社會經濟-環境系統的概念模型[6]；在評價方法方面，定量數學模型已經廣泛應用于土地生態安全評價，物元模型[6-8]、熵權法[8]、突變理論[9]、神經網絡[10]、生態足跡[11]、層次分析方法(AHP)[12]、灰靶模型[13]等方法均有較廣泛的運用。為了更加詳細準確地描述系統的復雜性和各因素相互之間的因果聯系，歐洲環境署于1998年在PSR模型基礎上提出了用于衡量環境及可持續發展的驅動力-壓力-狀態-影響-響應(簡稱DPSIR)概念模型。目前，DPSIR模型在我國農業土地資源可持續發展與利用[14]、水環境質量評價[15]、區域規劃環境的影響因素評價[16]、土地生態安全動態發展評價[17]等方面得到了廣泛應用。TOPSIS評價方法是一種集離散、多維度于一體的決策模型，它是由先通過設定好“正理想解”和“負理想解”，然后測算各評價單元的數據與“正理想解”“負理想解”距離而得到該單元與“正理想解”相對接近程度，從而作出對各評價單元的正確排序和評價[3]。目前，對于江西省的土地資源生態安全評價研究主要集中在圍繞鄱陽湖區域各城市的評價[7]或者針對某一個市如省會城市南昌的土地生態安全評價[18]，而對于以整個江西省域的土地生態安全動態評價并不多，目前主要有王點等的江西省土地利用生態風險評價[19]和戴娟等的江西省土地生態安全狀況時空格局研究[20]。因此，本研究采用相對較成熟的DPSIR模型構建江西省土地生態評價體系，采取客觀評價與主觀評價相結合的基于熵權的逼近理想解法(TOPSIS法)，以江西省為例，對土地資源生態安全狀況進行動態性評價和各地市土地資源生態安全差異性評價，同時具有針對性的提出了具體對策。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

江西省地處24.49°～30.08°N、113.58°～118.48°E，屬于華東地區。江西省總面積16.69萬km2，管轄11個地級市，其中南昌市為省會城市。從2006—2015年，全省生產總值十連增，相比于2006年增長了258.07%，但是全省GDP增長率總體趨勢有所放緩，由2006年的18.83%下降到2015年的6.42%。根據2016年江西省統計年鑒數據可知，截至2015年年底，江西省總人口為4 565.63萬人，人口密度為 273人/km2，全省林業用地面積1 072.02萬hm2，森林覆蓋率 63.1%，生態環境狀況總體較好。隨著社會經濟發展與人口增加，耕地質量逐年降低，水土流失問題嚴重，土地供需矛盾持續上升、水質不斷惡化等，科學評價江西省土地生態安全狀況及其動態變化，及時采取相應的對策，對不斷改善江西省土地生態安全狀態和社會經濟協調發展均有一定的科學實踐意義。

1.2 數據來源

本研究數據來源于《江西省統計年鑒》(2007—2016年)、二調變更數據庫和各地市的2015年國民經濟和社會發展統計公報等，對于偶有缺失或不全的數據用數學內插法進行補充。

2 研究方法

2.1 評價指標體系的構建

對于土地生態安全系統而言，DPSIR的基本思想為：“驅動力”是指引起土地資源生態安全狀態發生變化的原因，“壓力”主要表現為人類社會經濟發展“驅動力”在生態環境保護與土地開發利用上的競爭作用；“狀態”集中體現在各種“壓力”下土地生態系統的現實表現，是壓力和驅動力共同作用的反應；“影響”是用來描寫土地生態安全水平發生相應變化的效應；為實現土地資源生態安全，人類必須對此作出相對應的措施和對策的“響應”。在參考相關文獻研究成果的基礎上[14-17]，遵循可比性、可操作性、普及性與區域性相結合原則，同時考慮數據的可獲取性，建立江西省土地生態安評價指標體系和各指標權重(表1)。

表1 江西省土地生態安全評價DPSIR指標體系及權重

2.2 評價指標權重的確定與標準化處理

2.2.1 指標標準化處理 由于各指標間數量級、正負指標不同，須要對其進行處理。

正向指標：xij=(rij-minrj)/(maxrj-minrj)；

負向指標：xij=(maxrj-rij)/(maxrj-minrj)。

式中：rij(i=1，…，n；j=1，…，m)為第i年第j個指標值；n、m分別為年份數和指標數；maxrj、minrj分別為第j個指標的最大值、最小值。本研究數據為2006—2015年，通過DPSIR模型構建20個土地生態安全評價指標，所以n=10，m=20。

2.2.2 熵權法權重計算 目前，國內確定指標權重的方法有熵權法、德爾斐法、專家打分法等，為消除主觀人為因素影響，使評價結果更符合實際，本研究選擇熵權系數法對土地生態安全評價指標賦予權重，具體步驟如下：

(1)確定比重Pij(i表示年份，j表示指標)。

(2)計算第j個指標的熵值ej。

令k=1/lnm，則有0≤ej≤1，且當Pij=0時，令Pij×lnPij=0。

(3)依次計算第m項指標的差異系數。

dj=1-ej。

式中：dj值大小，表示該項指標重要程度。

(4)計算指標權重。

式中：n為評價年數；m為指標個數。

2.3 綜合評價模型

TOPSIS評價方法的步驟依次為：

(1)加權規范化決策矩陣U的確定：

U=|uij|n×m=WjXij。

式中：Wj指指標權重；Xij為指標標準化后的矩陣；n為年數；m為指標個數。

(2)根據以上公式計算出正理想解并且確定負理想解。正理想解U+是指加權規范化決策矩陣U中的最大值，同時用負理想解U-代表最小值。

(3)計算各個年份的評價對象與正理想解的距離Q+和負理想解的距離Q-。

式中：Q+值越小，表示評價單元與正理想解的距離越近，即土地資源生態安全水平越高；Q-值越小，表明評價單元離負理想解的距離越近，即土地資源生態安全水平越低。

(4)算出各評價單元與正負理想解的貼近度Fi。

式中：貼近度Fi即土地生態安全值，為0～1，其數值顯示越大，表明土地生態狀況越安全，反之則越危險。

土地資源生態環境安全狀態的評價標準是否適宜，分級設定是否能準確表現實際情況。直接影響評價結果的正確性和可靠性，本研究參照已有研究成果的劃分標準和等級設置將江西省土地生態安全狀況劃分為5級[3]。再利用以上全部公式計算得到各研究單元的綜合貼進度，如表2所示。

表2 土地資源生態安全等級劃定

3 結果與分析

3.1 土地生態安全綜合評價

通過統計江西省2006—2015年的土地利用數據和查閱統計年鑒得到的各年社會經濟統計數據，經過標準化處理，采用TOPSIS模型計算得出該省2006—2015年正理想解Q+、負理想解Q-和綜合貼進度F(表3)。

從表3可以看出，江西省2006—2015年的土地生態安全狀況總體上處于不斷轉好的趨勢。Q+呈現逐漸減少的趨勢，不斷接近正理想解，Q-則呈現出不斷上升的態勢，逐漸偏離負理想解。江西省的土地生態安全值(貼進度)從2006年的0.264 6逐年上升到2015年的0.565 1，上升了0.300 5，漲幅達1.14倍，土地資源生態安全狀況由Ⅱ級提升到Ⅲ級別，即臨界安全狀態。其中，2006、2007、2009年3年期間土地生態資源生態安全狀況雖然總體上不斷提升，但依舊處較不安全狀態，即中警狀態。江西省土地生態安全狀況處于較不安全級別是與過度追求社會經濟效益而忽略生態效益有著分不開的關系。由于忽略了生態效益，全省土地生態系統服務功能發生退化，土地生態環境、生態系統結構遭到破壞，生態環境問題較為嚴重，生態環境災害出現較多。隨著生態建設的不斷加強、深入，全省土地生態安全狀況不斷得到改善。2010年，土地生態安全狀況由較不安全級轉為臨界安全級，土地生態安全問題得到一定程度的緩解。10年來，江西省土地生態安全狀況雖然不斷改善，但土地生態安全狀態仍處于臨界安全級，未來依舊面臨來自工業“三廢”污染、大氣污染、土地資源退化、耕地減少、耕地質量下降、水土流失等問題的威脅，繼續加大土地資源的保護力度，應成為江西省發展中重點關注的內容之一。

表3 2006—2013年江西省各指標的Q+、Q-及貼進度F的值

3.2 生態安全狀況分析

依據土地生態安全計算模型，基于江西省2006—2015年的各項指標數據計算得出總系統層和分系統層的生態安全指數(圖1)。

如圖1所示，2006—2015年江西省土地生態安全指數介于 0.26～0.57，土地生態安全由較不安全逐漸轉為臨界安全狀態。目前，土地生態系統結構受到一定程度破壞，生態功能開始發生退化，基本功能尚能維持，生態問題明顯，偶爾有生態環境災害發生，受干擾后易惡化。從生態安全動態變化趨勢來看，江西省2005—2015年的土地生態安全呈波動上升，生態安全狀況在近年有所好轉，并于2013年達到峰值。

3.3 各子系統生態安全狀況分析

3.3.1 驅動力系統方面 江西省土地生態驅動力指數呈現明顯的波動上升趨勢，并于2009年達到最小值不安全巨警狀態，且2012—2015年均處于較安全良好狀態，表明研究期間江西省土地生態驅動力因素已得到較好的改善，具體分析可知主要得益于研究期間人口自然增長率的持續降低，GDP增長率不斷放緩，有效灌溉面積的持續增長，還有失業率保持的近乎平穩。

3.3.2 壓力系統方面 江西省土地生態壓力指數呈波動下降趨勢，并于2010年達到最低值，除2013年個別情況外均處于較不安全狀態，表明研究期間江西省土地生態安全壓力負荷在不斷增大，其中分析可知，人口密度近乎緩慢增長和二氧化硫排放量的減少仍在一定程度上延緩了土地生態壓力的增長速度，但是，因為工業廢水的排放量持續增加對土地生態安全造成一定的壓力，已經成為威脅江西省土地生態安全的主要因素之一。

3.3.3 狀態系統方面 生態安全指數由不安全的巨警狀態波動起伏上升至臨界安全的低端狀態，一方面受益于各地政府對生態環境保護工作的資金和人力物力等的大量投入。主要體現在：植樹造林、退耕還林等措施使森林覆蓋率提升并保持至63.1%，有效增強土地自我修復、水土保持能力。另一方面則受益于經濟發展水平的提高，江西省人均GDP指標由2006年的1.079 8萬元升至2015年的3.672 4萬元，客觀上為生態環境建設，植樹造林等工作提供了更多的經費，對土地生態狀態系統安全水平的提高起到了一定的促進作用。

3.3.4 影響系統方面 生態安全指數一直持續上升，由臨界安全的低端提升到安全的理想狀態。仔細分析可知，這主要得益于各級政府出臺的一系列保護耕地，努力提高糧食產量并且大力發展第三產業的政策，使得江西省的經濟密度不斷提高。且近幾年農村土地的“三權分立”和農村土地流轉的有效實施，使得可以在保證農村農田的耕地面積和糧食產量的前提下，進城務工提高了農村的人均收入。

3.3.5 響應系統方面 江西省土地生態安全響應指數總體上呈波動上升趨勢，由較不安全狀態升至臨界安全狀態，從局部來看，較狀態系統和驅動力系統穩定。表明江西省對省域土地生態系統的保護能力在不斷增強，采取的環境保護措施對土地生態安全的提升起到了積極作用，如加大當年造林面積、提高工業固廢綜合利用量、擴大公園綠地面積等。由此可見，土地生態安全的資金及人力的投入對土地生態安全的變化起著至關重要的作用。因此，各級政府須要不斷改善土地生態環境的響應機制，土地生態安全建設須要各級政府和公眾的共同努力。

3.4 土地生態安全分區評價

由于土地資源的自然條件、社會經濟發展水平的差異和人類活動對土地資源生態環境的干擾強度，江西省土地資源的生態安全狀況在空間上也存在很大的差異，本研究將江西省11個地市作為生態安全空間差異評價單元。在評價的過程中，運用前述土地資源生態安全評價方法，結合各個生態評價單元2015年的指標數據，進行定量計算分析，得出各個生態評價單元2015年的土地資源生態安全貼近度(圖2)。

由圖2可知，2015年江西省各地市中除了萍鄉市土地生態安全狀況處于較不安全級別之外，其他10個市的土地生態安全都處于Ⅲ級臨界不安全級別，其中九江、宜春、景德鎮、新余、撫州、鷹潭6個城市貼進度為0.4～0.5臨界安全級別中的較低水平。上饒、贛州、吉安3市土地資源生態安全貼近度為0.5～0.6，臨界不安全級別上限區間，只有南昌市的土地生態安全值為0.6，處于臨界安全級別與較安全級別的交點，且高于全省水平。

3.5 土地生態安全的對策分析

根據對江西省整體土地生態安全水平、各子系統生態安全狀況及2015年各地市土地生態安全差異的分析，提出如下幾點對策：

(1)繼續加強耕地的保護工作，保持適量的生態用地。保證耕地面積是維系江西省土地生態安全和整個社會經濟協調發展的前提，特別是基本農田保護，保護現有林地、草地以及自然保護區，重視水土資源節約與高效利用，實施退耕還林還草生態建設工程。

(2)加大資金與人力投入，建立有效的生態補償機制。江西省作為農業與資源大省，對自然資源的依賴程度較高，加大生態保護投入的力度，將土地資源生態價值歸入到社會經濟核算中，這些工作須涉及農、林、環保、水利、國土資源等多個政府部門，須要全社會和政府各部門共同參與和積極配合，逐步完善土地資源開發補償、土地生態破壞治理恢復基金等一系列有效的土地生態補償機制，有利于展開土地生態恢復與重建工作。

(3)因地制宜，分區規劃。針對江西省各地市的不同區域、地類，堅持分區規劃、重點防治，優化土地利用結構和布局。按照經濟結構的調整方向，選擇適宜的植被種類，綜合治理水、田、林、路，建立穩固的鄱陽湖流域生態防護林體系。加強新一輪土地利用總體規劃編制的科學性和可實踐性，并從土地利用動態監測、土地用途管制等方面加強規劃的落實。

(4)健全土地資源生態安全保護的法律體系。關于耕地保護、水土流失、土地破壞、土地浪費等現象，首先可以開展土地生態安全保護宣傳提高全民土地生態保護意識，然后實行《土地管理法》《水土保持法》《環境保護法》等相關法律，在立足于江西省實情，借鑒國內外優秀經驗，制定一部有關土地資源生態安全保護的專業性法律，并規定具體的實施細則。以此來規范開發利用土地的行為和工業廢水排放量及凈化處理措施，實現生態環境和社會經濟的雙收。

(5)建立土地生態安全預警系統。由于生態環境受到破壞后具有嚴重危害性和不可再生性，預防為主的原則成為我國資源環境與生態保護的一項重要原則，即采取一系列有效的預防措施來保護土地生態安全具有重大意義，進而維護整個社會經濟的協調發展。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究以江西省作為評價區域，基于DPSIR概念模型構建江西省土地生態安全評價指標體系，采用逼近理想解法(TOPSIS法)進行江西省2006—2015年的動態評價和各子系統間安全指數的分析，并針對2015年評價區域內各地市土地生態安全的差異性進行評價。最后得出結論如下：(1)2006—2015年的土地資源生態安全水平整體處于不斷提升的趨勢，土地生態安全指數由2006年的0.264 6處于較不安全即中警狀態轉為2015年的0.565 1處于臨界安全狀態即預警狀態。(2)研究期內，各子系統中，壓力系統由2006年0.428 8臨界安全低級狀態降到2015年0.350 9較不安全的高級狀態，這主要是由于人口密度的增加和工業廢水排放量的升高造成的結果。驅動力系統、狀態系統、影響系統、響應系統生態指數均呈現波動上升趨勢，這主要得益于全省在注重社會經濟發展的同時兼顧生態環境的保護。(3)2015年江西省各地市的土地生態安全值中，南昌市為0.6，且高于全省水平。其土地生態安全水平排名為南昌>吉安(上饒)>贛州>撫州>鷹潭>新余>宜春(景德鎮)>九江>萍鄉。

4.2 討論

區域土地生態安全評價的研究較多，但限于數據的可獲得性，構建土地生態安全評價指標體系主要是參考學者們的研究而來，選取指標有限，在數理方面、模型設計等方面也需要更多的創新與深入。本研究的土地生態安全評價研究僅從發展現狀及其影響因素方面進行了評價，未涉及土地生態安全的未來發展態勢，今后的研究中應更加注重指標體系的選擇，同時區域生態安全評價應從對已有現狀和影響因素的分析走向對未來趨勢的預測分析。