基于演化PSR模型的喀斯特地區土地生態安全評價
——以廣西永?？h為例

楊昌明，陸汝成，林樹高

（南寧師范大學自然資源與測繪學院，南寧 533000）

隨著人口、工業化、新型城鎮化的迅速發展，不合理的土地資源開發導致土地石漠化、水土流失、水土污染等問題，嚴重影響了中國城市的可持續發展道路，因此土地生態安全問題日益受到重視。土地生態安全作為社會安全的重要內容之一［1］，是可持續發展的核心要義，已成為研究熱點［2］。國內外學者從不同角度對土地生態安全進行研究，國外學者主要從生物的保護和生態系統的健康狀況進行研究［3，4］。國內學者基于多種模型，從不同視角對相關區域開展了較為廣泛的研究，為各研究區域的生態安全建設及管理提供了科學依據。國內對土地生態安全的研究主要從研究尺度、指標體系、評價方法等方面展開研究［5］，研究對象包括省、市、流域等，近年來，縣域和生態脆弱區已成為重點研究區域；對于指標體系的研究，大部分學者主要基于PSR 模型、DPSIR 和EES 模型構建土地生態安全評價指標體系，P-S-R（壓力-狀態-響應）模型能夠提供清晰的評價思路，被廣泛應用于土地生態安全評價［6］，而D-P-S-I-R（驅動力-壓力-狀態-影響-響應）模型繼承了PSR 模型的優點，對其缺點加以修正，現已廣泛應用于城市的土地生態安全評價［7］。以經濟-環境-社會（EES）為基礎構建的評價模型，能夠客觀地反映研究區域的安全狀況和呈現區域突出的生態問題［8］。此外一些衍生模型也陸續出現，如DPSIR 與EES 的結合［9］；從評價方法來講，主要有土地綜合指數法［10］、TOPSIS 模型［11］與突變級數法［12］等?，F有研究主要以廣西壯族自治區為對象，謝玲等［13］通過PSR 模型分析了廣西石漠化地區土地生態安全動態變化狀況；趙海楊等［14］利用熵權法開展廣西土地生態安全評價，并提出對策建議；蘇正國等［12］運用突變級數法對廣西土地生態安全及主要影響因素進行研究。永?？h屬于典型喀斯特地貌區，系廣西壯族自治區桂林市下轄縣，是廣西重要的農產品主產區、現代農業與工業的示范基地，開展土地生態安全綜合評價和分析其主要影響因素，可為促進該地區土地可持續利用和開展國土綜合整治與生態修復工作提供借鑒。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

研究區地處廣西東北部，桂林西南部，地處北緯24°37′48″—25°26′39″，東經109°36′50″—110°14′19″，橫跨中國第二階梯向第三階梯過渡地帶，山多、丘陵多，屬于典型的喀斯特地貌。全縣土地總面積22 794.81 km，占廣西土地總面積的1.21%；截至2018 年底，耕地總面積為26 892.76 hm2，人均耕地面積為 925.11 m2，總人口 29.07 萬人；2018 年全縣農林牧漁業總產值49.43 億元，糧食總產量11.67 萬t，工業總產值 51.93 億元，GDP 達 109.07 億元，農民人均純收入達14 049.00 元。但是永福縣喀斯特地貌區耕地后備資源不足、城鎮急劇擴張、不合理的采沙與采礦等原因增加了土地資源與環境的壓力，土地安全問題日漸突出，為此，開展土地生態安全研究對該區域的可持續發展具有重要意義。

1.2 數據來源

研究使用的土地利用數據來源于永福縣自然資源局提供的土地利用變更調查數據，社會、人口、經濟等數據來源于2007—2019年《中國縣域統計年鑒》《廣西統計年鑒》《桂林經濟社會統計年鑒》以及2006—2018 年《永?？h國民經濟和社會發展統計年鑒》。

2 研究方法和評價指標體系的構建

2.1 研究方法

2.1.1 熵值法 熵值法是一種客觀賦權方法，通過計算各指標權重來反映指標的離散程度，從而判斷其對綜合評價的影響程度。計算步驟如下［15］。

1）運用極差法對數據進行標準化處理。

式中，Zij表示指標的標準化數值，Zi表示第i年指標數值，max(Zij)表示第j項指標最大值，min(Zij)表示第j項指標最小值。

2）計算第j項指標的熵值ej。

式中，ej表示信息熵值表示第i年第j個指標值比重。

3）權重的計算。

式中，Wj表示第j個指標權重，dj=1-ej，dj表示差異系數。

2.1.2 變異系數法 變異系數法也是一種客觀的賦權方法，用標準差與平均數的比值來衡量，記為C×V。計算方法如下［16］。

求取標準差σ：

式中，Xij表示第i年的第j個指標值，Xj表示指標的均值。

求平均值μ：

變異系數：

將變異系數進行歸一化處理得到各評價指標的變異系數權重，即：

式中，Wi表示變異系數權重，Ui表示變異系數。

2.1.3 綜合指數法 根據永?？h的特點，本研究選用土地綜合指數法對其進行土地生態安全評價。計算公式如下。

式中，S為土地生態安全的綜合指數，Wj為第j項指標的權重，Xij為第i年第j項指標的標準化值，m為指標的總個數。

2.1.4 土地生態安全評價等級劃分標準 對永福縣土地生態安全評價等級進行界定，有助于提高評價結果的正確性，探討其土地生態安全的變化趨勢。根據已經測算的綜合值及永福縣生態環境的特點，并基于相關學者的研究成果［17，18］，將永福縣土地生態安全評價標準劃分為5 個等級（表1）。

2.1.5 灰色關聯法 借助灰色關聯法，以研究區的社會、經濟、技術驅動因素為比較序列，以城市用地結構信息熵為參考序列進行關聯度分析，確定研究區城市用地結構演變的主要驅動因子，為下一步調控用地資源配置，轉變城市職能提供依據。具體步驟和計算公式如下。

1）假設參考序列為X0，比較序列為Xi，其中X0=(x01,x02,x03,…,x0n)，Xi=(xi1,xi2,xi3,…,xin)。

2）運用均值法對數據進行無量綱化處理：

式中，xi(n)為無量綱化結果，Xin為原始數據為數列平均值。

3）計算關聯系數：

式中，ξi(k)為關聯系數；|x0(k)-xi(k)|為第i個指標x0(k)與xi(k)的絕對差與分別為各分析區域2 個比較數列所有絕對值中的最小值與最大值；ρ為分析系數，其取值范圍為0~1，通常取值為0.5。

4）求關聯度。計算如下：

式中，ri為關聯度，n為對應元素個數。

2.2 基于演化PSR 模型的指標體系的構建

人口、經濟、新型工業化的發展對土地施加壓力，而隨之資源、環境、社會等因壓力呈現一定的狀態，人類在面對各種壓力、狀態時會采取響應措施，這一系列活動會導致土地生態安全格局發生極大的變化。所以，本研究基于聯合國環境規劃署提出的PSR 模型［19］，把土地生態安全系統劃分為壓力系統、狀態系統、響應系統［20］，根據3 個子系統的相互關系分析和推演永福縣土地生態安全格局的演變。

遵循可操作性、區域性、代表性和客觀性等原則［21］，基于已有研究成果［22］，將土地生態安全分為壓力系統、狀態系統和響應系統3 個評價的準則層，結合永?？h土地生態安全的特點，借鑒EES 和PRED模型，選取包括環境-經濟-社會與人口-經濟-環境-發展在內的21 項評價指標體系（表2）。

表1 永福縣土地生態安全指標分級評價標準

3 結果與分析

3.1 永福縣生態安全評價綜合分析

通過式（9）計算得到永?？h2006—2018 年土地生態安全綜合指數及安全等級（圖1）。由圖1 可知，永福縣土地生態安全綜合指數在0.200~0.800，由2006 年的 0.329 上升到 2018 年的 0.642，安全等級由較不安全向較安全轉變，整體向較安全方向發展。

具體來看，2006—2011 年永福縣土地生態安全處于較不安全狀態，呈波浪式變化，綜合系統指數由0.329 上升到0.338，整體略顯上升的趨勢，雖然在2007 年有小幅度的改善，上升至臨界安全狀態，但之后又降到較不安全的狀態，這主要是由于2007 年以來，永?？h追求經濟發展，增加資源開發強度，造成生態環境的嚴重破壞，如二氧化硫的大量排放增加了生態系統壓力。隨著《永福縣土地利用總體規劃（2006—2020 年）》的頒布以及造林工程措施的實施，永?？h土地生態安全逐漸得到改善，但總體上此階段還處于較不安全的狀態；2012—2015 年，永福縣土地生態安全綜合指數從0.512 上升到0.577，生態安全處于臨界安全狀態，這是由于《全國林地保護利用規劃綱要（2010—2020 年）》和“十二五規劃”等一系列規劃的實施，改善了土地生態安全質量，致使永?？h經濟、社會與人類趨于較為協調的發展狀態；2016—2018年，土地生態安全綜合指數由0.623上升到0.642，雖然稍有下降，但總體還是處于較安全的狀態，這是由于《桂林市永?？h土地整治規劃（2016—2020 年）》、供給側結構性改革與鄉村振興等政策措施的實施，使發展向資源節約型、環境友好型方向轉變，永?？h土地生態安全逐漸提高，人地關系矛盾得到緩解，逐漸實現可持續發展。

3.2 永福縣土地生態安全各子系統變化分析

1）土地生態安全壓力系統分析。由圖1 可知，永福縣土地生態安全壓力系統指數整體呈上升趨勢，從 2006 年的 0.131 上升到 2018 年的 0.168。具體分析可知，2006—2007 年壓力指數出現較大幅度的上升，主要是由于人口和經濟的快速增長，增加了土地的壓力。經過計算可知人口自然增長率由6.53‰上升至8.55‰，GDP 增長了9.93 個百分點，經濟密度由 120.37 萬元/km2增長到 157.18 萬元/km2。2007—2008 年，由于受金融危機的影響，經濟發展受到阻礙，政府部門積極加強對環境的重視力度，嚴格控制工業二氧化硫的排放量，使土地壓力指數下降；2008—2011 年壓力指數處于比較平緩的變化狀態；2011—2014 年，壓力指數呈先上升后下降的趨勢，這是因為“十二五規劃”的頒布，使經濟發展模式發生轉變，永?？h積極推進農業現代化、加強新農村建設與實行“一帶一路”帶動區域經濟發展等措施促進地區經濟發展，但同時農藥的使用量逐漸增加與擴大對土地的需求量迫使環境壓力也隨之增大，而后來呈下降的趨勢是因為政府部門積極采取土地整治、林地保護、土地的規劃利用等措施改善和保護了土地資源環境，特別是2014 年壓力指數降到最低值0.116，是因為土地規劃的調整及《廣西壯族自治區人民政府辦公廳關于印發自治區新型城鎮化規劃（2014—2020 年）主要目標和重點任務分工方案的通知》（桂政辦發〔2014〕94 號）文件的出臺等，力求保護優先、集約、節約的利用資源，減輕了土地的承載壓力；2014—2018 年土地壓力指數呈先上升后平穩變化的趨勢，是因為永?？h實施土地整治規劃、增減掛鉤與“宜居鄉村建設，產業富民”等措施，促使經濟、城鎮化、工業化的快速發展，同時嚴格實施環境污染治理，提高污水排放達標率，降低污染氣體排放量等，減緩對土地生態系統的壓力程度。

2）土地生態安全狀態系統分析。由圖1 可知，永?？h土地生態安全狀態系統指數總體呈上升趨勢，由 2006 年的 0.127 上升到 2018 年的 0.210。具體來看，2006—2011 年狀態指數處于下降的趨勢，特別是2008 年降到最低值，主要是由于土地復種指數、人均糧食產量及第三產業產值比重降低所致，受金融風潮和自然災害影響，產業發展受到阻礙，尚未實現資源的合理利用，耕地利用效率下降；2012—2018 年，狀態指數平穩提高，其中2017 年狀態指數降低，主要是受特大洪水的影響，其他時段指數變化是因為永福縣的自然本底特征具有一定的優越性與基礎設施的逐漸完善，并合理地控制城鎮化、工業化發展，開展大規模的土地整治項目、鄉村振興以及提高農業機耕水平等，促使其土地安全生態質量平穩上升。

3）土地生態安全響應系統分析。由圖1 可知，永?？h2006—2018 年土地生態安全響應系統指數總體呈上升趨勢，從2006 年的0.071 上升到2018 年的0.264。具體來看，2006—2007 年響應指數呈急速上升的變化態勢，主要是相關部門開始關注前期因人口的快速增長以及工業化和城鎮化的粗放發展模式，導致的人均耕地減少、生態環境破壞等問題，并且積極開展各種措施以改善生態環境質量；2007—2010 年響應指數整體呈下降趨勢，主要是為力求經濟的快速發展，永?？h增加了對資源的開發強度，使其響應指數降低，但是2009 年永福縣的污染防治工作取得一定的成效，工業廢水排放達標率達96%，萬元GDP 能耗也有所降低，所以2009 年呈上升趨勢；2010—2018 年響應指數呈上升趨勢，是因為永福縣加強對生態的治理與保護力度，通過封山育林、退耕還林、人工造林等措施，對石漠化、小河流域等進行綜合治理并取得較好的成效，加強了對生態脆弱、敏感區的保護，提高水土保持、水源涵養的能力，統籌“山水林田湖草”的系統治理，力推鄉村振興，加強新興產業開發，提高新能源的開發利用，實行生態移民等脫貧方法，極大地提高了永?？h土地生態安全狀況。

3.3 永?？h土地生態安全水平影響因素分析

對永福縣不同時段的土地生態安全影響因素進行關聯分析，結果見表3，根據關聯度的結果將研究時段分為3 個階段。

1）2006—2010 年，人口自然增長率、城鎮化率與土地生態安全水平關聯度達到較高值。說明該時段人口與經濟是影響土地生態安全水平的主要因素，人口與經濟發展增加了土地利用壓力，并對環境造成一定的破壞，但后期控制人口的快速增長以及加強對環境保護的重視力度，使土地生態安全綜合指數呈波浪式變化。

2）2010—2014 年，土地生態安全關聯度最高的影響因素是工業二氧化硫排放量和土地復種指數。結果表明，影響土地生態安全水平的主要因素是環境與土地資源的利用情況，通過改善生態環境狀態以及轉變土地利用方式，提高資源的合理利用率，才能使土地生態安全向“安全”方向轉變。

3）2014—2018 年，土地生態安全關聯度從高到低依次是農業機械化水平、人口密度、工業廢水排放達標率及第三產業占GDP 比重等。人口的快速增長不僅導致土地利用方式、結構和強度的變化，也增加了人們對生活質量的追求，從而開始提升對物質和精神產品的需求，因此不斷地加大生產力、提高開發強度，其中難免會對環境、資源等造成嚴重的破壞，應積極采取各種響應措施，保護環境、節約集約的利用資源，保障土地生態安全。

表3 永福縣2006—2018 年土地生態安全影響因素灰色關聯分析結果

總體來看，2006—2018 年影響土地生態安全的主要因素有固定資產投資占GDP 比重、農業機械化水平、人口密度、森林覆蓋率、工業二氧化硫排放量、第三產業占GDP 比重、水土協調度、土地復種指數等。顯而易見，通過加強基礎設施的建設、對落后技術和設施的更新改造以及對房地產的開發投資等措施提高農業科技水平，增加對環境保護的重視力度，采取土地整治、生態修復、開發新興產業等措施提高土地的利用率，轉變經濟發展模式，提高第三產業等污染量小的產業發展水平，再結合地區生態本地特征，提高區域土地生態的安全水平。

4 小結與討論

結合研究區特點，綜合參考已有的指標體系，基于演化的PSR 模型構建指標體系，采用熵值法和變異系數法求取指標權重，利用綜合指數法對其進行綜合評價，并運用灰色關聯度的分析方法探討影響生態安全系統的影響因子，結論如下。

1）永福縣土地生態安全水平總體呈上升趨勢，安全等級由較不安全向較安全轉變。其中，2006—2010 年土地生態安全呈波浪式變化，2010—2018 年總體呈上升趨勢，主要原因是前期采取粗放式發展，對土地生態安全不夠重視，后期向資源節約型、環境友好型發展，注重發展的可持續性。

2）從子系統的安全指數分析來看，壓力、狀態、響應的安全指數總體呈上升趨勢，但2017 年之后壓力指數有下滑的趨勢。其中響應指標起非常關鍵的作用，要改善永福縣土地生態安全系統狀況，需要加強對環境的重視程度，積極采取相應的措施保護生態環境。

3）從灰色關聯結果來看，影響永?？h土地生態安全水平的因素較為復雜、多樣。主要有固定資產投資占GDP 比重、農業機械化水平、人口密度、森林覆蓋率、工業二氧化硫排放量、第三產業占GDP 比重、水土協調度、土地復種指數等。所以，要改善永?？h土地生態安全狀況，可以通過控制人口數量、增加基礎設施的建設、調整土地的利用結構、轉變經濟發展模式、增加對環境的保護力度等提高其土地安全水平。

本研究以喀斯特地區與縣域的角度分析了永福縣土地生態安全水平，探究影響其土地生態安全水平的主要影響因素，可為永福縣因地制宜地實施生態安全保護與經濟的可持續發展提供參考，也可為其他喀斯特地區、生態問題多樣區的土地生態安全研究提供借鑒。下一步要研究的重點是促使指標進一步優化，并從空間上探討影響土地生態安全水平的因素及永?？h未來土地生態安全發展的態勢。