基于壓力-狀態-響應模型的天津市土地生態安全評價研究

邱亮亮,王 倩,周笑白,王 斌,張 贊,李 煒

(1.天津師范大學 地理與環境科學學院,天津 300387;2.天津市生態環境監測中心,天津 300191)

1 引言

土地是人類賴以生存的物質資源，健康穩定的土地生態功能是地區的人類健康、生態安全、經濟發展和社會安定的重要基石。近年來，隨著人口增加和城鎮化進程加速，我國對土地資源的開發強度不斷增強，土地在充分體現其經濟價值的同時也出現了一系列生態安全問題，如土壤肥力下降、水土流失、土地污染等。要解決土地生態安全存在的問題，需對土地生態安全進行全面、客觀、準確的評價。明確區域存在的土地安全問題，對生態安全建設、保護和維持土地安全起著至關重要的作用。

土地生態安全評價是土地生態安全研究的核心內容，是從生態安全的角度出發，評價土地生態系統健康水平和服務功能狀況[1]。土地安全評價的流程如下：選擇評價指標—確定指標權重—選擇標準值—計算綜合安全指數。根據安全指數和評價等級值，綜合評價和分析區域的土地安全，并基于此評價結果提出對策。土地安全評價方法主要包括數學模型法(層次分析法、壓力-狀態-響應法、BP神經網絡法、灰度模型法等)、土地承載力分析法、生態足跡法、景觀生態學方法等[2～5]。其中，應用較為廣泛的是綜合指數評價法中的“壓力一狀態一響應”(PSR)法，是世界銀行、聯合國糧農組織、聯合國開發署、聯合國環境署在1996年土地質量指標研究項目中提出的。該模型通過利用土地質量指標測量人類活動對土地資源的壓力和這些壓力對土地質量狀態的影響及社會對這些變化的響應，分析土地環境功能，其結果與土壤相關政策和管理決策聯系緊密。

天津市是我國重要的特大城市之一。本研究將基于PSR方法，建立天津市的土地生態健康評價體系，開展天津市土地安全評價，分析天津市土地安全存在問題，對促進天津市可持續發展具有積極的意義。

2 研究對象

天津市地處華北平原北部，毗鄰首都北京，位于東經116°43′～118°04′，北緯38°34′～40°15′。作為國家的4個直轄市之一，天津市的常住居民超過1000萬人，是環渤海經濟圈的中心，也是我國北方最大的沿海工業城市。近年來，天津市人口和經濟增長迅速，2005～2015年，常住人口1043.00萬人增長到1546.95萬人，全市生產總值從3905.64億元增長到16538.19億元。人口激增帶來的是人地矛盾的不斷增加，而化工、冶煉等工業企業的發展也給地區土壤環境質量造成了一定的安全隱患。

3 天津市土地安全評價模型建立

3.1 指標篩選

在充分了解天津土地生態規律的基礎之上，綜合土地生態壓力、土地生態狀態和土地生態響應三個方面的對于土地生態安全的具體影響，確定22項安全評價指標(圖1)。評價指標對于土地生態安全的影響可能是積極的，也有可能是消極的。所以將這些評價指標分為兩種，分別是負安全趨向性指標以及正安全趨向性指標。

(1)正安全趨向性指標: 這類指標越高就表示土地被破壞和影響的程度越小，即生態安全性水平越高，這些指標主要包括林地面積比重、人均耕地面積比重以及森林覆蓋率等；人均GDP、經濟密度, 第三產業產值比重、農電集約度、就業率、機耕程度、水土流失治理面積比重、城市化程度越高說明該地區對于土地生態安全的保護力度越大。

(2)負安全趨向性指標: 這類指標越高就表示土地被破壞和影響的程度越大，即生態安全性水平越高，這些指標主要包括農藥使用量、耕地面積比重以及人口密度等。所謂耕地壓力指數就是產出維持該地區居民糧食消耗量的最低人均耕地面積與實際人均耕地面積之間的比值[28]，該指標主要的作用就是用來判斷耕地面積的緊張程度，如果值越大，說明可供利用的耕地面積非常少，所以土地生態安全情況越差。

圖1 天津市土地生態安全評價指標體系

其中，水土協調度指某地單位區域內水資源與土地(耕地)資源的協調情況。農電集約度指農業相關的配套設施達到最好的配合集中情況。農業機械化水平指農業生產中使用機器設備作業的數量占總作業量的百分數。耕地壓力指數指最小人均耕地面積與實際的人均耕地面積之比。

3.2 評價方法

天津市土地生態單指標安全值數學模型為:

S(i)=P(i)W(i)

(1)

式(1)中:S(i)為土地生態指標安全值，P(i)為土地生態的安全指數，W(i)為該指標權重。雖然單項指標安全值可以從各個方面反映天津市土地生態安全的現狀，但是想要系統全面地反映天津市土地生態安全現狀，還需對指標結果綜合計算，土地生態安全指標綜合值的數學模型為:

(2)

式(2)中，T-土地生態綜合安全值；P(i)-各指標安全指數；W(i)-各指標權重；N-指標項數；計算后結果見表2。制作出了天津市土地生態安全標準綜合評判表(表1)，本表中的安全值的取值范圍是0～1，而且根據這個取值范圍將其劃分為5個等級，其中取值越趨近于1就表示土地生態安全沒有得到破壞和影響。如果結果趨近于0則表示土地生態安全情況越差，分別對5個等級的安全狀況進行詳細的解釋。

3.3 評價指標權重

本研究采用層次分析法(AHP法)計算相關指標權重。具體來說，將遞階層次中的某一元素設置為準則S，那么相對于準則S的權重就是在S支配下的下一層元素C1,C2…Cn相對于S的重要性。但這種重要性是無法進行定量分析的，所以只能進行定性分析，所以在衡量權重的過程中就需要將每兩個指標進行比較，具體來說，就是在S的基準下，要比較兩個元素之間的重要性，就需要對這兩個元素進行賦值，賦值的比例標度一般為1～9之間，其中1表示的是二者具有相同的重要性，前者的重要性比后者的重要性大的程度越高，那么賦值也就越高[6]。在S準則層中，將所有元素進行兩兩比較，形成一個比較判斷矩陣：

A=(aij)nXm

(3)

式(3)中：aij為Ci和Cj對于S準則的重要性比例標度。判讀矩陣A可得如下的性質：aij>0，aij=1/aij，aii=1。

將判斷矩陣A的n個行向量計算值依次歸一化后的算術平均值，近似作為權重向量，即：

(4)

結合以上方式展開計算并落實檢驗工作后，將會得到單項指標權重數值，結果如表1所示。

3.4 基準值的確定

基準值主要是國際的公認值為基礎。分析我國的生態的情況，通過對相關文獻資料分析[7～11]，將全國的平均值作為一些指標的基準值，以這些數據為基礎，并采用以下的計算方法，來衡量某一區域內土地的生態指標情況。

設X(i)為第i個算數評價指標的實際值，Y(i)為第i個算數評價指標的基準值，P(i)為第i個評價指標的安全指數，0

(1) 正安全趨向性指標: 當X(i)大于等于Y(i)，則P(i)值為1；當X(i)小于Y(i)，則P(i)值為X(i)與Y(i)的比值。

(2)負安全趨向性指標: 當X(i)小于等于Y(i)，則P(i)值為1；當X(i)大于Y(i)，則P(i)值為Y(i)與X(i)的比值。

表1 天津市土地生態安全標準綜合評判

4 天津市土地安全評價

4.1 數據來源

本研究選取2005年、2010年和2015年的22項指標作為研究對象，研究數據主要來自天津統計年鑒(2006年，2011年，2016年)，天津濱海新區年鑒(2006年，2011年，2016年)，中國統計年鑒(2006年，2011年，2016年)。

4.2 評價結果與分析

4.2.1 評價結果

土地生態安全評價是一個不斷變化的動態過程，對該過程進行評價是獲取土地生態發展演化的重要手段，本表以2005-2015年為時間序列，以5年為一個時間節點，運用土地生態安全評價模型對天津市土地生態安全進行分析，結果表明天津市2005年、2010年和2015年的土地安全綜合利用值為0.646095、0.576704和0.625785，按照相關參考文獻及天津市土地生態安全標準(表1)進行分析[7～10,12]，2005年土地生態安全評價等級為敏感級，2010年土地生態安全評價等級為風險級，2015年的土地生態安全評價等級為敏感級，呈現出先惡化后改善的趨勢(表2)。不同因子的變化趨勢如表3所示。

表2 天津市土地生態壓力狀態響應及安全綜合值

4.2.2 土地生態安全年度變化分析

2005～2015年，天津市土地生態安全綜合值先減小后上升，土地安全生態狀況從2005年的敏感級掉到2010年的風險級，之后土地生態安全狀況改善，2015年返回敏感級，但是仍比2005年的0.646095低了0.02031。2005年到2015年，土地生態壓力安全值不斷上升，十年間升高了0.045031；土地生態狀態安全值不斷降低，十年間降低了0.067932；土地生態響應值先減小后增加，2005年到2010年減小了0.047184，2010年到2015年增加了0.051336(表2)。

造成天津市土地生態安全值先減小后上升的原因是：2005～2010年，地方政府過于注重經濟的發展，而忽視了生態環境的保護和可持續發展，一些地區粗放耕種，過度墾殖，掠奪式經營造成土地覆地被破壞和生態環境惡化，企業及個人保護環境的意識淡薄；2010～2015年，政府、企業和個人開始意識到土地生態環境保護的重要性，開始了政府主導，企業和個人積極配合，堅持可持續發展戰略，不再一味的追求GDP，具備了紅線意識。使土地生態安全狀況不斷改善，土地生態安全綜合值開始上升。

4.2.3 土地生態安全影響因子分析

根據土地生態安全的分項指標，分析天津市土地生態安全變化，結果如表3所示。

4.2.3.1 土地生態壓力

天津市的土地生態壓力安全值2005年、2010年和2015年分別為0.201389、0.244196和0.246420，土地生態壓力安全值不斷上升，但均處在全國平均水平以下，其主要原因如下。

(1)人口密度不斷上升。2005～2015年人口密度不斷上升，特別是2010～2015年，人口密度從1050人/km2增加到了1100人/km2，都超過了全國平均人口密度的104人/km2的10倍以上，而且遠遠超過了國際公認值的128.78人/km2的警戒線。10年間外來人口不斷大量涌入天津。 人口自然增長率從2005年的1.43%增加到2010年的2.6%，又驟減至2015年的0.23%，已經低于世界平均值的1.33%，但由于人口自然增長率的增減所引發的人口數量下降具有滯后性，所以短

表3 天津市土地生態安全評價指標及安全值

期內并不能緩解天津市人口壓力過大的問題。

(2)土地壓力較大。2005～2015年間，起到正反饋效應的人均耕地面積比下降，而這兩年的比例均與國際公認值存在較大差距，而機耕程度和農業機械化水平小幅上升，農電集約度大幅增加，三者都遠遠超過全國平均值。但是，起到負反饋作用的農田化肥施用量和農藥施用量，則大大超過了國際標準，并且使用量還在逐漸增加，分別從24.42 kg/hm2和0.34 kg/hm2增加到619.5 kg/hm2和3.77 kg/hm2，造成了嚴重污染。

(3)社會壓力增加。2005～2015年間，天津的城市化水平不斷提高，經濟密度不斷變大。2015年，經濟密度更是緊隨北京、上海、廣東和深圳四個一線城市之后，位列第五名。10年間經濟密度增長具體體現在房地產行業快速發展，天津市工業化和商業化程度進一步提高，且密度發展造成非農建設用地大量增加，耕地大量減少，給土地造成了很大的壓力。2005～2015年間，以薊州區為代表的旅游度假產業，以濱海新區為代表的存儲服務和高新技術產業以及文化教育等對土地壓力不是很大的產業同樣在高速的發展，一定程度上緩解了天津市的土地生態壓力；城市化率在2010年到2015年這五年間增長較快，期間受到“十二五”規劃政策的指導，各地中心城區很快形成，并且以示范小鎮為載體，天津市實現了百萬農民搬入小城鎮的目標，城市化率從2010年的81%增加到2015年的90%；

綜合來看，土地生態的人口、土地和社會的壓力安全值呈上升趨勢，使土地生態壓力安全值從2005年的0.201389到2015年的0.24642，上升了0.045031。

4.2.3.2 土地生態狀態

天津市2005年、2010年和2015年的土地生態狀態安全值分別為0.216384、0.149231和0.148452，10年間土地生態狀態安全值呈不斷下降，均處在全國的下游水平，其中2005～2010年土地生態狀態安全值下降較多，5年間下降了0.067153，2010～2015年土地生態狀態安全值比較接近，但仍有小幅下降。綜合來看2005年到2015年天津市土地狀態安全值下降的原因以及安全值偏低的原因主要如下。

(1)耕地銳減，耕地產能下降。2005～2010年起正反饋作用的林地面積比重、森林覆蓋率和水土協調度均有較高幅度提高，且接近全國平均值，而草地面積雖然也有小幅度增加，但與全國平均值仍有較大差距，其原因為天津市的地理位置和氣候條件適宜耕作，草地并不具有優勢。起負反饋作用鹽漬耕地面積比雖然有小幅度的減少，但仍高于世界平均值。而耕地面積比重從2005年的56.61%銳減到2010年的38.4%，導致2005～2010年土地狀態安全值下降較多，出現這種現象的原因是2005～2010年大量耕地被違規占用，農村宅基地由于缺乏規劃，盲目擴張，亂占耕地，加之城市吸引力加大，國家缺少對改善農民收入的政策傾斜，農業土地產出率不高，土地撂荒現象增多。

(2)土地覆蓋合理性差。天津市的土地利用類型以居民點、工礦和農用地為主，耕地占比遠高于全國平均水平，林地、森林覆蓋率和水域面積與全國平均值相當，牧草地面積偏少，遠低于全國平均水平。

(3)建設用地激增，人地資源競爭加劇。2005～2015年，城市化進程加快，非農建設用地大大增加，從2005年的2183.45 km2增加到2010年的3057.79 km2，再增加到2015年的3251.75 km2，土地利用率非常高，造成土地后備資源率大大降低。

4.2.3.3 土地生態響應

從土地生態響應來看，天津市土地生態狀態安全值較高，2005年、2010年與2015年分別為0.229722、0.182577和0.233913。排在全國前列，這主要是因為：

(1)經濟發展有利于土地安全。天津市的人均GDP遠遠高于全國平均水平，2015年的人均GDP更達到了全國平均水平52000元的兩倍。這表明2005年到2015年天津經濟發展已經達到了很高的水平，經濟發展水平高證明了天津對土地資源的經濟投入能力很強。

(2)產業結構有利于土地安全。第三產業比重持續提高，且分別高出全國平均水平的16%和18%，這說明了隨著天津經濟規模不斷擴大，資源環境壓力日益增大，第三產業超越制造業成為我市經濟增長的主動力將是常態，也將成為吸納就業的絕對主力。

5 結論與建議

5.1 結論

本研究建立了基于PSR模型的天津市土地生態安全評價指標體系，從土地生態環境壓力、土地生態環境狀態和土地生態環境響應三個方面建立了評價指標體系。在分析國內外研究成果的基礎上選取了評價質變，并運用層次分析法確定各指標權重，綜合評價了天津市2005～2015年的土地生態安全情況，并據此對天津市土地生態安全存在的問題進行了分析，主要結論如下。

(1)天津市2005年土地生態安全評價等級為敏感級，2010年土地生態安全評價等級為風險級，2015年的土地生態安全評價等級為敏感級，呈現出先惡化后改善的趨勢。

(2)土地生態壓力安全值不斷上升，但均處在全國平均水平以下；2005年、2010年、2015年天津市土地生態狀態均處在全國的下游水平，且安全值呈不斷下降趨勢；天津市土地生態狀態安全值較高，排在全國前列。

(3)天津市土地生態安全的主要問題在于人口增加、經濟發展和污染造成的生態壓力增大，土壤人地矛盾增加，但天津市較高的經濟水平和不斷優化的產業結構有助于改善天津土地生態安全狀況。

5.2 建議

(1)完善土地資源管理的法律法規體系和生態環境保護法律法規體系,以地方立法形式劃定生態保護紅線，保障天津市的基本農田和生態用地，建立集約化的工業企業用地和居住用地，提高用地效率。

(2)加強環境保護，減少環境污染。嚴格控制耕地土壤施肥量，嚴格管控對土壤可能存在污染的行業企業。加強防治“三廢”，加大土壤監測和治理的力度污染治理力度，防治水土流失。

(3)繼續完善土地生態安全評價體系，建立高效靈敏土地生態安全預警體系，實現土地可持續利用。