馬艷



摘要:為了有效地開展土地生態安全評價與演變趨勢預測,以湖北省為例,基于PSR指標體系,運用熵權TOPSIS法測算研究區土地生態安全的發展狀態,并基于測算結果,運用分數階GM(1,1)模型對湖北省2017—2019年土地生態安全的演變趨勢進行預測分析。結果表明,2000—2016年湖北省土地生態安全總體水平不斷提高,經歷了較不安全-臨界安全-較安全的演變過程,但2016年的較安全水平不高,具有不穩定性。壓力子系統總體呈下降趨勢,狀態與響應子系統保持逐年增加態勢。社會經濟、生態環境和土地集約利用水平是土地生態安全提升的關鍵因素;2017—2019年湖北省土地生態安全區水平將保持上升趨勢,處于較安全狀態。研究證明分數階GM(1,1)模型具有較高的預測精度,能夠較好地預測湖北省土地生態安全綜合值。
關鍵詞:熵權TOPSIS法;分數階GM(1,1)模型;土地生態安全評價;預測
中圖分類號:F301? ? ? ? ?文獻標識碼:A
文章編號:0439-8114(2019)08-0028-07
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.007? ? ? ? ? ?開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Abstract: The purpose was to effectively evaluate values and predict the trend of land ecological security in Hubei province. Based on the PSR (pressure-state-response) model, the land ecological security assessment index system of Hubei province was built by entropy method and TOPSIS method, and the land ecological security situation of the province were evaluated. Meanwhile, according to the performance evaluation result, comprehensive performance change trend of Hubei province land ecological security in 2017—2019 were predicted and analyzed by using GM(1,1) model with fractional order. The research results showed that the land ecological security comprehensive value in Hubei province was gradually improved from risk stage to critically safe and to safer stage during 2000 to 2016, but the stage of safer was not high in 2016. The pressure index showed a downward trend, while the state and response indexes showed a generally upward trend. Crucial constraints on the improvement of land ecological security included the development of society and economic, the ecological environment and intensive land use. The land ecological security in Hubei province would show a steady upward trend from 2017 to 2019. GM(1,1) model with fractional order had high simulation precision and was able to predict the land ecological security stage.
Key words: methods of entropy-weight and TOPSIS; GM(1,1) model with fractional order; evaluation of land ecological security; prediction
土地作為一切人類活動的基石,是一切存在和發展的先決條件,人類社會要實現其自然、經濟、社會的可持續發展必須依托健康穩定的土地生態環境。然而,中國城鎮化發展進程中由于忽略外部經濟性造成的環境污染和生態破壞,出現的土壤污染、土地質量下降、耕地占用、生態價值補償等問題無不與土地生態安全息息相關。由此可見,土地生態是否安全,將對人類經濟、社會、生活等各個方面產生根本性的影響,土地生態安全問題的研究也顯得尤為重要。
近年來,學術界對土地生態安全的研究已由簡單的定性描述階段發展到以各種模型為主的定量評價階段,在指標體系的構建、權重確定、評價方法的探討和預測研究上均取得了一定的成果。在指標體系構建上,大致可歸納為2種,一種是FAO(1995)在其《土地質量指標》研究項目中提出的壓力-狀態-響應(P-S-R)指標體系;另一種是自然-經濟-社會(N-E-S)指標體系;也有學者將二者結合起來,以發揮其各自優勢[1,2]。在權重確定方面,通常包括靜態賦權和動態賦權2類。靜態賦權以熵值法、AHP法等運用較為普遍。由于土地生態安全的影響因素多樣化,土地生態安全狀態隨時序變化,因此近年來以物元法、變權思想為代表的動態賦權法[3-6]逐步受到重視。目前多采用指數型變權函數,然而權重調整效果一般,大部分變權后的結果與變權前的結果類似于普遍意義上的向下調整,幅度較為一致,此種變權方法是否有效還有待進一步認證。在評價方法方面,目前較為常用的評價方法是綜合指數法,因其計算簡單應用最為廣泛,但該方法也存在無法識別單指標的生態安全狀態水平、遺漏指標間分異信息的缺陷。因此,主成分分析法、模糊綜合評價法、物元分析、TOPSIS法、突變基數法、集對分析法等在后續研究中廣為運用[7,8],力圖解決綜合指數評價法的不足。在預測預警方法上,灰色模型法、BP神經網絡、RBF神經網絡等方法在生態安全領域均有運用[9-15]。雖然有學者采用BP神經網絡法對土地生態安全預測取得了一定的成果,但該方法對建模條件要求苛刻,存在模型精度難以控制的缺陷。此后也有學者采用RBF模型對土地生態安全進行預測[16,17],但該模型不適用于研究小樣本數據,其預測方法選擇的合理性有待商榷。鑒于此,本研究選取湖北省為研究區域進行實證,采用相對成熟的PSR框架構建評價指標體系,運用熵權法計算客觀權重,TOPSIS法測度相對貼近度作為湖北省土地生態安全水平的代表值,選取對信息量要求較小、預測精度較高的分數階GM(1,1)模型預測全省土地生態安全綜合指數的動態變化,以期為改善區域土地生態系統狀況,優化區域土地利用方式,提高土地生態安全水平提供一定的參考依據。
1? 湖北省土地生態安全評價模型
1.1? 研究區域概況
湖北省地處長江中游,東鄰安徽,南界江西、湖南,西連重慶,西北與陜西接壤,北與河南毗鄰。東西長約740 km,南北寬約470 km。全省國土總面積18.59萬km2,占全國總面積的1.94%。豐富的土地資源、優越的自然條件為全省的經濟發展提供了重要的物質基礎。近年來在長江經濟帶建設與中部崛起戰略背景的發展契機下,湖北省社會經濟得到了迅猛推進與快速發展,2016年全省GDP達到32 297.91億元,城鎮化率由42.6%增至58.1%,人口自然增長率從2000年的0.37%持續增長至2016年的0.51%。然而,隨著城鎮化進程的不斷推進,土地資源開發利用強度加大,使得全省人均耕地面積常年處于0.053~0.055 hm2,接近聯合國糧農組織確定的人均耕地0.053 hm2的警戒線,更低于0.059 hm2的全國平均水平,人地矛盾較為突出,土地生態系統安全狀況亟待改善。
1.2? 指標體系構建
參考土地生態安全研究的相關成果[2,12-14],結合湖北省土地利用的實際情況,按照指標選取的科學性、動態性、實用性、可操作性等原則,基于PSR模型構建湖北省土地生態安全綜合指標體系(表1)。目標層旨在反映湖北省土地生態安全的總體水平;系統層用于反映壓力、狀態和響應3個子系統對目標層的影響程度。其中壓力子系統表征土地生態安全惡化的不利因素,狀態子系統說明土地生態系統在不利因素的影響下所處的狀態,響應子系統表征政府保護土地生態安全所施行的可量化的措施以及政策效果。指標層中各項指標的原始數據來源于2001—2017年《湖北統計年鑒》《湖北農村統計年鑒》《中國統計年鑒》和湖北省歷年土地利用變更調查數據。為剔除價格變動因素的影響,與GDP相關的指標均采用基期為2000年的不變價格進行現價換算。由于2012、2015年的旱澇保收率數據缺失,為保證數據的完整性,采用5年移動平均法,補充缺失數據。
1.3? 評價方法
1.3.1? 熵權TOPSIS法? TOPSIS法又稱雙基點法,是系統工程中常用的一種決策方法[18]。其基本原理如下:首先針對指標體系中的每一個評價指標分別確定正理想解與負理想解,作為該評價指標的最優和最劣水平;其次,計算被評價對象與之前所選定的正理想解、負理想解的歐式距離;最后,根據公式計算被評價對象的相對貼近度,以此代表被評價對象相對于理想解的優劣程度。鑒于此,本研究借助該思路分析土地生態安全與理想狀態的差距,系統分解土地生態安全問題。具體步驟如下:
3)確定評估目標的正、負理想解。
4)計算被評價對象與正、負理想解的歐式距
1.3.2? 分數階GM(1,1)預測模型? 灰色模型具有小樣本、貧信息的特點,可通過研究已知的部分信息中有價值的部分,認知未知信息,實現不確定系統的科學預測[19]。GM(1,1)模型作為灰色系統理論最為核心和基礎的模型,自創立以來得到了廣泛應用。然而,傳統GM(1,1)預測模型對高增長序列往往有較大的滯后誤差。而分數階GM(1,1)預測模型能基于新信息優先原理,借助分數階所蘊含的in between思想,通過選擇合適的累加階數,使高增長序列變平緩,從而提高模型的預測精度[20,21]。分數階GM(1,1)模型的建模步驟與基礎GM(1,1)模型基本一致,兩者區別在于灰色生成算子類型,前者為分數階累加生成算子,后者為一次累加生成算子,模型效果也因灰色生成序列性質不同而存在差異。分數階GM(1,1)模型的建模步驟如下:
1)收集原始數據形成非負序列X(0),對原始序列作r階累加生成處理,得到新序列X(r);
2)運用OLS估計模型辨識參數和,將新序列的變化趨勢用微分方程描述。
5)精度檢驗(殘差檢驗、后驗差檢驗)
較為常用的精度檢驗為殘差檢驗和后驗差檢驗。殘差檢驗的實質在于了解絕對誤差和相對誤差的水平和分布。一般給定檢驗的顯著性水平?琢為0.01、0.05、0.10,當相對誤差小于?琢時,模型等級為優、良、中、差。后驗差檢驗的實質在于計算方差比與小誤差概率,依據方差比C和小誤差概率P的具體水平,可參照表2進行判斷模型是否通過檢驗適用于預測。
1.3.3? 評價標準劃分? 按照等分的原則,參考相關文獻分級方法[22],依據安全綜合指數將湖北省土地生態安全狀態分為5個等級,確定其評價標準如表3所示。
2? 結果與分析
根據熵值法計算指標權重(表4),調整歸一化矩陣得到湖北省土地生態安全評價指標加權決策矩陣,依據TOPSIS法計算各子系統、安全綜合值系統的正負理想解及相對貼近度(表5)。
2.1? 土地生態安全綜合評價結果
從表5來看,2000—2016年湖北省土地生態安全狀態基本保持不斷上升的趨勢,d+逐漸變小,逐步趨于正理想解,d-則呈波動性上升趨勢,逐漸偏離負理想解,土地生態安全綜合值由2000年的0.33上升至2016年的0.62,17年間全省土地生態安全狀態經歷了較不安全-臨界安全-較安全的發展過程。結合圖1趨勢走向,以2006年為分水嶺,將變化過程分為兩個階段:第一階段(2000—2006年),湖北省土地生態安全水平處于較不安全階段。土地生態安全綜合指數在波動中呈緩慢增長態勢。在2006年前,重經濟增長、輕環境保護的發展思路導致土地生態系統受到較大的人為干擾和破壞,由于人口基數大,人多地少造成的人地關系緊張、資源緊缺的現狀沒有得到根本上的重視與改善,人與自然和諧相處的目標短期內難以達成。第二階段(2007—2016年),湖北省土地生態安全水平開始好轉,土地生態安全綜合指數呈較快增長態勢,從2007年的0.43上升到2016年的0.62,安全等級由較不安全轉化為較安全狀態,整體較第一階段有明顯增長。主要原因在于經濟水平的持續提升,生態環境保護逐步成為社會共識,森林覆蓋率的提高和城市綠化率增加,與此同時環保治理的投入加大,改善了生態環境。值得注意的是,雖然近3年(2014—2016年)研究區土地生態安全綜合值進入了較安全狀態,但土地生態安全屬于低層次的較安全狀態,存在不穩定性,土地生態問題仍然值得重視。
依據熵權法的基本原理,如果某個指標的權重越大則其在綜合評價中所起的作用也越大[16]。由此可通過分析湖北省土地生態安全各項指標的權重來探析影響生態安全狀況的主要原因。結合表4可知,響應子系統的權重值增高,說明人類社會經濟活動響應能力的增強,有助于改善土地生態安全的水平。壓力和狀態子系統的權重值相對較低,應成為今后一段時間持續改善與重點關注的方面。從具體指標來看,n1人口自然增長率、n3城鎮化水平、n5單位耕地化肥負荷、n11森林覆蓋率、n15單位播種耕地糧食產量、n16環保治理投資額、n17農業機械化水平、n18耕地旱澇保收率、n19經濟密度、n20人均GDP、n21第三產業占GDP比重、n22工業固體廢棄物綜合利用量、n23水土流失治理面積等指標的權重值較大,均大于0.03,是影響湖北省土地生態安全水平的主要因素。其中,n1、n3、n16、n19、n20、n21為社會經濟因素,n5、n11、n22、n23為環境因素,n15、n17、n18為土地集約利用水平。說明持續提升湖北省土地生態安全水平的等級需要重視以下方面:①控制人口增長、優化人口結構,進一步轉變經濟發展方式,降低經濟增長對土地資源的過度消耗;②重視生態環境的保護,加強對水土流失和水患嚴重地區的土地綜合治理力度,提高處理工業固體廢棄物的綜合利用率,減輕環境污染對水土資源的侵害;③加快推進農業科技創新,合理施用化肥、農藥,加強高標準基本農田建設,提高土地集約利用的能力。
2.2? 子系統土地生態安全水平分析
土地生態安全綜合值僅代表了評價對象的綜合效果,圖1還反映了研究區內土地生態安全3個子系統17年(2000—2016年)的變化情況,從圖1可以發現,研究區土地生態安全系統在壓力、狀態、響應3個子系統上的表現因發展的側重不同而表現出差異。
2.2.1? 壓力子系統? 由表5可知,壓力子系統指標與正理想解的歐式距離在不斷擴大,與負理想解的歐式距離在不斷減小,相對貼近度也在不斷降低,說明土地生態系統受到外界帶來的壓力在不斷增加。從圖1可以看出,2000—2016年湖北省土地生態安全壓力子系統安全指數呈波動下降趨勢,壓力子系統指數由2000年的0.64下降至2016年的0.33,安全等級從臨界安全下降至較不安全,在2007年以前,壓力子系統指數在0.6~0.7,呈小幅波動態勢,而2007年以后,壓力子系統指數開始逐年遞減,直到2015年才有略微提升。這表明湖北省土地生態安全壓力面臨的形勢不容樂觀,研究期內人類活動對土地生態的干擾強度并未減輕。究其原因:一是人口快速增長。數據顯示,湖北省人口自然增長率從2000年的3.7‰持續增長至2016年的5.07‰,人口密度由303.72人/km2增加到316.57人/km2,人口壓力增大;二是城鎮化的推進加劇了資源需求與供給的矛盾。近年來,湖北省城鎮化的發展速度已由研究期初的42.66%升至期末的58.1%,城鎮化綜合水平的不斷攀升也造成了環境污染和生態破壞。如,2000—2016年,單位耕地化肥負荷由0.751 t/hm2增加到1.024 t/hm2,單位土地廢水負荷由12 538.2 t/km2增加到16 894.2 t/km2,城市生活垃圾清運量由650.57 t增加到827.13 t,人類活動對土地生態系統的干擾增加,破壞了土地生態系統原有的平衡,給土地生態壓力子系統造成了巨大的壓力。
2.2.2? 狀態子系統? 2000—2016年,湖北省土地生態安全狀態子系統安全指數整體呈現上升趨勢,由2000年的0.27大幅上升至2016年的0.86,安全等級從較不安全上升為安全。相比于壓力子系統逐年下降的趨勢,狀態子系統的警情呈現較好態勢的原因主要在于一方面人居環境的不斷改善,森林覆蓋率和水土協調度不斷提高,分別由研究期初的25.98%和63.05%上升至期末的38.4%和68.67%;另一方面在于耕地利用效率的提升,單位耕地糧食產出持續增加所致。狀態子系統指數的變動主要分為兩個階段:第一階段(2000—2006年)為波動下降期。土地生態安全狀態子系統的狀況不斷惡化,于2006年達到最低值,主要由于當年湖北省遭遇50年不遇的大旱,降水量偏少,水資源緊缺所致。第二階段(2007—2016年)為快速上升期。森林覆蓋率持續增加,城市綠化工作力度不斷增強,人居環境逐步改善。隨著科技投入的增加,土地綜合整治力度逐年加大,有效耕地面積得到了增加,單位播種耕地糧食產量穩步提升,由2000年的5.34 t/hm2增加到2016年的6.071 t/hm2,大大提升了土地利用的產出水平,使得狀態系統安全指數逐漸上升。
2.2.3? 響應子系統? 2000—2015年湖北省土地生態安全響應子系統警情指數波動上升,整體上保持上漲的趨勢,由2000年的0.07上升至2014年的0.74,2016年跌至0.65,但仍處于較安全區間內,從整個研究期來看,警情等級從最初不安全逐步好轉至較安全區域。結合表4各指標權重分析,壓力、狀態、響應3系統的權重對土地生態安全綜合指數貢獻率的比重分別為0.275、0.270、0.445,響應系統對安全值起到了重要作用,說明湖北省在治理和改善土地生態安全方面采取了積極有效的政策與措施。研究期內全省經濟持續快速發展,區域經濟密度由2000年的190.71萬/km2增長到2016年的991.25萬/km2,人均GDP同期內也由6 293.41元/人飆升至55 038.4元/人;此外,環保治理的重視程度逐年加強,環保治理投資額2016年已達到262 884萬元,較2000年增長了3倍;工業固體廢棄物綜合利用量由1 514.30萬t提升至5 253.00萬t,水土流失治理和除澇工作力度也在增強。以上措施的實施都大大提高了研究區土地生態安全的經濟效益和集約利用能力,間接緩減了土地的生態壓力,提升了湖北省土地資源生態安全的響應能力。
2.3? 模型預測結果
利用表5中所得2000—2016年湖北省土地生態安全綜合指數作為原始數據,構建原始序列x(0),在此基礎上利用MATLAB軟件,采用試錯法,通過不斷的嘗試,確定階數為1.182,對原始序列的r階累加生成序列x(r),構造矩陣B與Y。
運用式(12)確定原始序列的模型擬合值,由此得到2017—2019年的預測值分別為0.663 5、0.706 9和0.750 1,具體變化趨勢見圖2。由圖2可知,土地生態安全系統綜合指數預測值與2000—2016年的真實值曲線基本吻合,保持整體水平向好的趨勢特征。2017—2018年,湖北省土地生態安全水平逐步好轉,自2014年首次達到較安全水平,2015年有所回落后,2017—2019年的3年間,始終處于較安全狀態,安全指數維持在0.6~0.8。通過進一步的精度檢驗發現,分數階GM(1,1)模型的平均相對誤差為0.040 9,模型整體的預測精度達95.91%,說明模型預測精度較高。后驗差比檢驗結果顯示,方差比為0.244 0,小誤差概率為1,說明模型整體效果為優,因此,階數為1.182的分數階GM(1,1)模型效果很好,可運用該模型對湖北省2017—2019年土地生態安全水平進行預測。
3? 小結與討論
在分析湖北省土地安全現狀的基礎上,構建PSR指標體系,運用熵值法計算客觀權重,采用TOPSIS法計算相對貼近度作為湖北省土地生態安全水平的代表值,對2000—2016年的土地生態安全子系統與安全綜合系統指數進行分析,根據指標權重的貢獻,探究土地生態安全系統的主要影響因素。運用分數階GM(1,1)模型,對2017—2019年的安全系統綜合警情指數進行預測,分析湖北省土地生態安全的未來變化趨勢。實證結果符合實際情況,也驗證了其他專家學者的研究結果[6,22]。證明本研究方法和思路可行,對后續研究有一定的參考價值。
2000—2016年湖北省土地生態安全水平不斷提高,經歷了較不安全-臨界安全-較安全的演變過程,壓力子系統指標與正理想解的歐氏距離在不斷擴大,與負理想解的歐氏距離在不斷減小,子系統綜合值也在不斷降低。狀態、響應子系統的綜合值基本保持增加態勢。現階段土地生態安全狀態雖然轉好,但屬于低層次的較安全等級且存在不穩定性,土地生態問題仍然突出,值得重視。影響湖北省土地生態安全水平的主要因素是社會經濟、生態環境和土地集約利用水平,包括人口自然增長率、城鎮化水平、單位耕地化肥負荷、森林覆蓋率、單位播種耕地糧食產量、農業機械化水平、耕地旱澇保收率、經濟密度、人均GDP、第三產業占GDP比重、工業固體廢棄物綜合利用量、水土流失治理面積等,在今后的土地生態安全建設中需要引起重視。
全面系統的指標體系和有效的評價方法是土地生態安全評價的基礎和保障。受數據可得性和連續性等方面的制約,本研究僅從省域層面對土地生態安全進行了探究,未對地級市層面進行時空格局、微觀機制和風險調控等方面深入研究,這是本研究的不足也是今后努力的方向。
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收稿日期:2018-09-14
基金項目:教育部人文社會科學青年基金項目(17YJCZH126)
作者簡介:馬? 艷(1984-),女,湖北武漢人,講師,博士,主要從事土地生態安全研究,(電話)13026159025(電子信箱)mayan1126@hotmail.com。