基于DPSIR模型的山東省土地生態安全時空變異分析

楊慶禮

(南京農業大學公共管理學院 江蘇 南京 210095)

改革開放以來，我國經濟飛速發展，城市化水平不斷提高，在注重土地利用質量與效率的同時，土地生態安全成為越來越受學界關注的話題。土地生態安全的概念可以最早追溯到國外學界提出的“土地健康”概念，后經國內外學者的不斷探討研究，與“生態安全”、“環境安全”等概念有機結合，在1987年召開的環境特別會議上由世界環境與發展委員會首次提出了“生態安全”的概念[1]。為科學合理評價土地生態安全，國際經濟合作與發展組織與歐洲環境署先后提出了“壓力-狀態-響應”(PSR)模型和“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”(DPSIR)模型，在模型的內涵與完備程度方面不斷進步，從不同角度分析評估土地生態安全變化，亦為國內外諸多學者采用[2]。在評價方法上國內外學者從不同的研究領域參考借鑒，廣泛使用綜合指數法[3]、生態足跡法[4]、BP神經網絡法[5]、系統動力學方法[6]等，在經濟帶[3]、城市群[4]、省域[7]、市域[6]、鄉鎮[9]等不同空間尺度范圍內開展對各地區土地生態安全的研究并取得了切實可信的成果。

山東省作為我國華東地區的重要省份，有著獨特的地理位置和發展條件，是我國的人口、經濟和糧食生產大省，其土地生態安全對我國土地生態安全和經濟社會的可持續發展有著極其重要的意義，而學界對以山東省為單位的土地生態安全研究相對較少。鑒于此，本文以學界通用的DPSIR模型為依據選定指標體系，使用熵權法等計算2009-2018年山東省土地生態安全時空變異情況，并對驅動力(D)、壓力(P)、狀態(S)、影響(I)和響應(R)五個分系統生態安全指數進行分析，為進一步提高山東省土地利用能力，加強土地生態安全保護水平提供借鑒參考。

一、研究方法

(一)基于DPSIR模型的指標體系構建

本研究選取由歐洲環境署提出、學界常用的DPSIR模型構建指標體系[3-9]，其中：驅動力(D)系統反應土地生態安全變化的影響因素，壓力(P)系統反應土地開發利用中的不利影響；狀態(S)系統反應土地生態安全的現實表現結果，影響(I)系統反應土地生態安全發生變化后的效應，響應(R)系統反應以土地生態安全為目標的相關投入。結合區域現實生產生活狀況與數據可獲得性，最終選取指標20個，將原始數據標準化后使用熵權法計算得出的指標權重如表1所示：

表1 山東省土地生態安全時空變異分析指標體系

(二)生態安全指數計算

為消除數據量綱與正負指標帶來的影響，首先對原始數據進行標準化處理：

(1)

(2)

式中：xij為第i年第j個指標值;maxxj、minxj分別為第j個指標的最大值、最小值。特別的，正向指標采用式(1)進行標準化，負向指標采用式(2)進行標準化。

指標標準化以后采用熵權法計算各指標權重，首先計算第i個指標信息熵的值Hi：

(3)

然后對指標熵權Wi進行計算：

(4)

最后采用綜合指數法計算生態安全指數：

(5)

上式中:對某項指標而言，Hi為其信息熵，Wi為其熵權值，aij為第i年j項指標標準化后的數值；Sij為極差標準化值；Ai為山東省第i年的生態安全指數。n、m分別為年份數和指標數，數值分別為10和20。

二、研究區域概況與數據來源

(一)研究區概況

山東省地處我國華東沿海地區，經緯度范圍34°24′～38°23′N、114°20′～122°43′E。2019年《山東統計年鑒》顯示：截止到2018年底，山東省共有常駐人口10047萬人，其中包含就業人員6180.6萬人，當年地區生產總值76469.67億元，生產糧食5319.5萬噸。山東省是我國的人口、經濟與糧食生產大省。然而隨著人口的持續增加和城市化的快速擴張，人多地少的土地矛盾愈發尖銳，耕地數量減少、水土流失嚴重等問題對土地生態安全造成的挑戰愈發嚴重。山東省作為環渤海經濟圈的重要組成部分和黃河入海口的關鍵生態節點，評估其土地生態安全對維持良好的土地使用狀態與促進社會經濟健康發展有重要意義。

(二)數據來源

本研究數據來源于2010—2019年的《中國統計年鑒》、《山東統計年鑒》、《中國農村統計年鑒》、《中國林業統計年鑒》、《中國區域經濟統計年鑒》、《中國第三產業統計年鑒》、《中國城鄉建設統計年鑒》、《中國農業機械工業年鑒》、《中國農業統計資料》和各地區生產總值能耗降低率等指標公報與國民經濟和社會發展統計公報。部分指標經計算得出，個別缺失數據采用線性回歸后預測的方式進行補充。

三、結果與分析

(一)土地生態安全狀況時空變異分析

根據上述模型與方法，計算2009-2018年山東省土地生態安全指數與各系統得分如表2所示。

表2 山東省土地生態安全時空變異情況

從表二不難發現，近十年來山東省生態安全指數不斷提高，土地生態安全狀況不斷改善。2009-2014年，山東省土地生態安全狀況穩步提高，平均每年生態安全指數得分較前年升高30個百分比，其中狀態系統、影響系統和響應系統得分的提高影響較大。2015年山東省土地生態安全指數評分出現下降，驅動系統得分降低。2016-2018年土地生態安全指數得分總體提高，并在2017年達到近十年土地生態安全得分指數的巔峰，但在2018年出現小幅回落。總體而言，盡管存在因結構性調整出現土地生態安全評分小幅回落的現象，山東省土地生態安全狀況在近十年來不斷提升，各分系統發展狀況亦向好發展。

(二)子系統生態安全時空變異分析

山東省土地生態安全驅動力系統評分近十年來總體呈上升趨勢，在2016年和2017年相對達到巔峰，在2015年和2018年略有回落。驅動力系統四項指標中，地區生產總值和有效灌溉面積穩步上升，失業率保持平穩水平，而人口自然增長率在2015年全面放開二胎政策后出現大幅上升，人口自然增長率的提高將為土地的利用和經濟社會的發展提供進一步的驅動。

山東省土地生態安全壓力在2009-2011年持續惡化，用水總量和肺氣中二氧化硫排放量不斷增加，粗放型、高污染型的地區發展模式給土地生態系統造成極大壓力。2012年以后，隨著堅持節約資源和保護環境基本國策的不斷推進，區域用水總量、廢氣中二氧化硫排放量和萬元GDP能耗等相關指標值不斷降低，來自資源環境方面的生態安全壓力得到有效應對。然而隨著城市化的不斷擴大和農民工進城趨勢的不斷發展，山東省城市人口密度亦在不斷擴大，近十年來升高約12.8%，為脆弱的城市生態系統安全維護造成巨大壓力。

山東省土地生態安全狀態系統評分在2009-2014年不斷上升到達峰值，在2014年以后逐漸出現下降趨勢。從指標構成來看，地區森林覆蓋率和人均地區生產總值不斷上升并在2018年達到頂峰，社會發展和環境保護成果顯著，但是人均耕地面積和農業機械總動力在短暫的波動后不斷下降，伴隨著城市的擴張和工業的發展出現了一部分亂占耕地的現象。山東省作為農業生產大省，亦承擔一定基本農田保護和糧食生產的任務，這樣不均衡的土地生態安全狀態將不利于進一步的發展。

山東省土地生態安全影響系統評分近十年來不斷上升并在2018年達到頂峰。糧食產量和經濟密度分別從2009年的4442.7萬噸和10.05億元每平方公里增長到2018年5319.5萬噸和14.81億元每平方公里，增長速率高達19.74%和47.37%，而城鄉居民人均可支配收入亦大幅增長一倍以上。這表明近年來山東省政府出臺的一系列措施效果顯著，土地生態安全治理效果斐然。

山東省土地生態安全響應系統評價得分自2009年以來不斷上升，到2014年和2015年趨于穩定，在2016年再次上升到較高水平并保持到2018年。2009年以來，山東省全社會固定資產投資總額和一般工業固廢利用量不斷上升，增長幅度分別為202%和46%。但是，城市綠地面積和建成區綠化覆蓋率在總體呈現上升趨勢下，在近幾年出現回落，不利于土地生態安全的進一步發展。

四、結論與討論

本研究以山東省作為評價區域，使用DPSIR模型構建山東省土地生態安全評價體系，綜合運用熵權法等數學方法對2009-2018年來山東省土地生態安全生態水平和時空變異分析進行評價，并得出以下結論：(1)就目標層而言，研究期內山東省土地生態安全指數不斷提高，土地生態安全狀況向好發展，生態文明體制改革成效斐然。(2)就系統層而言，研究期內驅動(D)、壓力(P)、狀態(S)系統得分總體呈上升趨勢，但在近幾年開始下降；影響(I)和響應(R)系統得分逐年上升并在2018年左右達到最高值。(3)就指標層而言，研究期內絕大多數指標向好發展，但仍有農業機械總動力、建成區綠化覆蓋率等指標存在波動，對土地生態安全評價造成一定影響。

本研究研究框架和指標體系選擇在學界研究的基礎上，結合區域特點和數據可獲得性進行確定。且本研究關注點在于自2009年起近十年來山東省土地生態安全的時空變異分析，對其未來發展態勢缺少關注，在后續研究中可以進一步深化研究并提出相關建議。