基于突變理論的沿海城市土地生態安全評價

王 杰，梁中華，楊文晶

(1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224002；2.遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116037；3.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215500)

1 引言

土地是全球發展和生態生存的基礎。土地生態系統在區域、國家和國際社會經濟發展中發揮著重要作用，土地生態安全關系到區域可持續發展[1-2]。當前，隨著農業的集約化、人口的增長、城市化和工業化的加劇，土地生態系統面臨著巨大的壓力，這些都阻礙了人類的可持續發展。生態環境的惡化，使生態安全形勢成為社會不得不面對和試圖解決的最緊迫問題之一。為此，有必要制定準確診斷土地生態系統狀況的方法和指標，以促進生態恢復、管理和調控。土地生態安全評估是建立在對生存威脅進行類比的基礎上的，基于這一思路，本文以鹽城市為例，結合PSR模型框架，提出了一種適合于土地生態安全評價的突變模型。本研究旨在論證該方法，并對鹽城市2009年～2018年土地生態安全度進行評價，以確定該區域可持續發展的要求。

圖1 研究區概況

2 研究區域以及研究方法

2.1 研究區概況

鹽城市(北緯32°34′～34°28′，東經119°27′～120°54′)，位于中國東部黃海西岸，是江蘇省陸地面積最大(16972 km2)和海岸線最長的城市。第三產業投資占GDP的42.82%，而環境保護投資僅占3.19%。鹽城市土地生態系統由于對土地資源的持續、過度利用和開發，已經成為一個高度緊張和功能失調的地區。鹽城市2009年～2018年GDP和生態足跡總量呈穩步上升趨勢，對區域生態環境造成了更大的壓力。因此，迫切需要有方法和指標來準確診斷土地生態系統的狀況，促進生態恢復、管理和調控。

2.2 研究方法

(1)突變理論

突變理論的提出是為了合理地解釋給定系統中參數(輸入)的連續變化導致行為(輸出)的不連續變化現象。在這一節中，簡要討論了突變理論的基本假設和結果，其形式對此類應用非常有用。

設：f=Tk×Tn；T為動力系統的光滑(不可微)函數M；Tk為輸入變量(控制、參數)的空間；Tn為輸出變量(響應、行為)的空間。

基本假設是M試圖局部最小化f。給定任何這樣的函數f，如果點c∞Tk并且是固定的，則得到局部勢函數fc：Tn→T。因此，fc可以表示為：

V=V(x，u)

(1)

式中：V為勢函數；x為響應變量；u為控制變量。

表1 突變模型描述

(2)PSR模型

PSR模型基于因果關系的概念，本文提出一套評價指標體系。最初，制定了一套55個指數。隨后，從中選出28個指數，支持驗證分析所需的共識。具有適當研究領域技能的專家評估了與評估相關的28項指標。在進行主成分分析以降低數據維度后，共生成18個指標。

由于不同的指標在維度上完全不同而不具有可比性，因此有必要將原始數據轉換為無量綱形式。模型采用以下兩種形式。

①正效應指標的標準化：對于某些指標，其值越高，對土地生態安全的積極影響越大，這意味著該類指標對生態安全的風險較小。其標準化方法為：

(2)

②負效應指數的標準化：對于其他指標，其值越高，對土地生態安全的負面影響就越大，這意味著這類指標對生態安全的風險就越大。它們的標準化方法是：

(3)

式中：Zij為本次評價中j指標的i標準化值；xij為第i個實際值，max為該指標的最大值；min為該指標的最小值。

3 突變理論的應用

災變評估指標體系可分為多層次子系統。如果較高層次的指標(響應變量)包含兩個較低層次的指標(控制變量)，則可以假設為尖點系統。應確定這兩個控制變量的相對重要性(u1，重要；u2，不重要)，然后可以使用符合規范化公式的遞歸算法從隸屬函數中獲得控制變量，鹽城市的災變評估模型就是采用這種方法開發的。

3.1 分數變換

災變評估的綜合值普遍較高，差異不明顯。這可以歸因于這樣一個事實，即突變級數是根據歸一化公式計算的。因此，直接利用突變評估的結果很難確定實際的安全級別。通常，多屬性評估的綜合值使用相等分布函數劃分為5個等級。據此，土地生態安全等級可分為：0.2(非常不安全)、0.4(不安全)、0.6(中等)、0.8(安全)和1.0(非常安全)。問題是如何將突變評估的結果轉化為常用的綜合值。本文采用的評分變換方法是：假設所有指標的相對隸屬度為n，則高層次指標的相對隸屬度也應為n，通過適當的突變模型可以得到綜合隸屬度。通過這種方法，計算出每個安全等級的突變級數值(見表2)。

表2 不同安全等級下突變模型的結果與常用值的對應值

3.2 結果分析

從生態壓力指數可以看出，土地生態安全水平在2010年和2014年被評估為安全，2009年、2011年、2012年和2013年處于中等水平，2015年和2016年不安全，2017年和2018年非常不安全。2010年的土地生態壓力指數最大值為0.932，2018年最小值為0.186。近十年來，鹽城市快速的城市化進程，從2009年的32.6%上升到2018年的52.4%，伴隨著人口的增長，是當前鹽城市土地生態問題的根本原因。隨著人口密度的增加和財富的增加，對公共基礎設施(道路、水利設施和公用事業)、住房、工業和商業增長以及其他建設項目的需求開始呈現為“農村蔓延”。統計數據表明，城市化極大地促進了鹽城市道路系統的規模化和擴張。城市的巨大機遇也吸引了大量的人口涌入城市，這對土地生態系統造成了進一步的壓力。

圖2 鹽城市2009年～2018年土地生態安全水平

至于“響應指數”，安全級別在最初2年被評估為安全。然而，在接下來的幾年里，處于不安全和非常不安全的水平。雖然鹽城市投資了一批環保項目，科研人員的比例不斷提高，但工業污染問題并沒有得到有效解決。地方官員的績效評估主要與經濟增長相關，除非嚴重的環境災害被公之于眾并引起關注，否則不將環境保護列為標準之一。

在研究的10年中，綜合土地生態安全在前2年被評估為非常安全，2011年～2016年為中期和不安全，最近2年為非常不安全。結果表明，鹽城市土地生態系統狀況不容樂觀，應引起決策者和公眾的關注。當前，耕地迅速減少，人均耕地數量明顯減少，建設用地需求旺盛，土地資源與人口增長矛盾突出，土地利用逐年增加，土地資源過度開發，生態用地減少等嚴重問題，尤其是森林和自然保護區土地，對區域環境造成巨大壓力。

4 結語

2009年～2018年間，鹽城市土地生態系統總體上處于較低的生態安全等級。結果顯示了隨時間的變化導致目前的狀況，本文提出的方法可以用來預測和管理土地生態系統。值得注意的是，這一評估主要依賴于現有的統計數據集，因此，評估的生態安全水平，無論是安全的還是不安全的，都是一個相對的概念。然而，盡管這種方法缺乏絕對的準確性，但研究清楚地表明了土地生態系統狀況隨時間的變化。因此，本文所述的土地生態安全指數應成為決策者和土地管理者制定加強土地生態系統保護和促進生態重建措施的有用工具。為更徹底地緩解這些問題，還應考慮進一步的政策選擇，包括控制人口增長和移民；保護濕地和林地；應用科學發展觀；協調經濟發展和土地利用；加強土地利用規劃的控制功能。