基于突變理論方法的我國黃河流域土地生態安全評價

田 澤，陳柯婧，潘晶晶，馮 馨

(1.河海大學商學院，江蘇 常州 213022；2.西交利物浦大學國際商學院，江蘇 蘇州 215123)

2020年8月，中共中央發布《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》，明確提出“黃河是中華民族的母親河，要把黃河流域生態保護和高質量發展作為事關中華民族偉大復興的千秋大業”。由此，黃河流域高質量發展上升為國家戰略，要求統籌推進黃河流域山水林田湖草沙綜合治理、系統治理和源頭治理，促進全流域高質量發展。土地開發利用是流域生態鏈中不可或缺的一部分，直接或間接地關系到水環境、糧食安全、生物多樣性以及社會資源等的可持續發展，故土地生態安全不僅是其自身的安全狀態，也是土地生態系統對于人類的安全。近年來，隨著城市化用地不合理使用、污水排放嚴重以及交通設施的投入建設，土地生態安全問題日益突出，土地生態安全評價問題受到廣泛關注[1]。我國土地生態安全的評價以多指標評估體系的構建和綜合指數的測算為主，模型多為P-S-R(Pressure-State-Response)及其改進模型DPSIR[2-6]，其他常用的構建框架基礎有生態系統結構-生態質量-生態系統服務[7]和自然-生態環境-景觀[8]。除此之外，譚文兵等[9]運用灰色關聯投影模型進行了土地生態安全動態變化特征的分析；Jiao等[10]提出了基于模糊理論的生態適宜性評價模型；李潔等[11]從影響土地生態安全的因素出發構建土地生態安全綜合評價指標體系。而土地生態安全的影響因素也是多樣的，如經濟社會發展水平、環保力度、人口密度、廢水排放及農藥化肥施用、城鎮化水平[12-17]。其中，土地生態與經濟發展水平之間存在一定的關系，李昊等[18]通過面板數據聚類分析法得出2008—2014年陜西省經濟發展和土地生態安全水平之間較為符合環境庫茲涅茨曲線倒“U”型關系。唐茂鋼等[19]構建了引入土地資本的內生經濟增長模型，并利用自適應半參數回歸模型對土地生態價值與居民收入的關系進行實證分析。Negi等[20]指出土地合理利用與管理能夠改善家庭收入，但代價是森林退化、畜牧業減少和農業多樣性喪失。

國內外一些學者進行了多種方法的綜合應用與對比研究，Ou等[12]運用熵物元模型、綜合指數法和地理信息系統(GIS)空間法對其區域生態安全進行評價；Sani等[15]指出，GIS和多準則決策分析(MCDA)越來越多地應用于生態系統的評估與管理，測試并論證了將遙感(RS)、GIS和MCDA技術結合起來解決森林地區土地分配復雜問題的潛力；周迎雪等[21]得出物元模型、TOPSIS模型和綜合指數3種評價模型得出的評價結果總體排名一致；Gupta[22]采用德爾菲法對土壤因子進行土地生態評價，利用GIS進行定量分析，將灰色關聯分析(GRA)與層次分析法(AHP)相結合，建立了改良的土地生態適宜性評價模型。

筆者借鑒王亮等[13]、王楓等[23]、劉旭紅[24]關于區域生態效率評價研究及突變級數法在區域土地生態安全評價問題中的運用及驗證方法，運用 DPSIR模型構建了土地生態安全評價指標體系，結合熵權法和突變理論得出評分，豐富了現有的土地安全研究理論和方法，避免人為賦值的主觀性。通過對黃河流域2009—2018年省際土地生態安全的客觀評價，分析了沿黃各區土地生態安全存在的主要問題，進而為黃河流域土地利用可持續發展提供理論依據和參考。

1 研究方法及理論模型

1.1 突變理論模型及其應用

突變理論的主要研究內容是在參數的變化下，系統狀態由漸變、量變發展為突變、質變的過程，該理論自提出后得到了廣泛的應用，如經濟危機模型、社會輿論模型、對策模型等，這些問題的共同特點在于人們施加控制因素影響社會狀態是有一定條件的，只有在控制因素達到臨界點之前，狀態可以被控制，一旦發生根本性質變，它就表現為控制因素無法控制的突變過程。而在土地生態系統中，一些指標漸變至某一臨界值時，可能會引起整個系統的失衡與崩潰，故土地生態安全的演變也可以看成是一種突變過程。突變模型根據控制變量的個數主要可以分為3種類型：尖點、燕尾和蝴蝶模型，具體如表1所示。

表1 突變系統類型及其數學公式

表1中：x為突變系統中的一個響應變量(高等級指標)；f(x)為狀態變量x的勢函數；a、b、c、d為狀態變量的控制變量(低等級指標或子指標)，其順序按指標的重要程度由大到小確定的，當一個評價目標被分解為2個、3個、4個指標時，分別運用尖點突變系統、燕尾突變系統、蝴蝶突變系統來計算評價目標值。如以驅動力因素為例，其子指標有4個，則采用蝴蝶突變模型計算，與a、b、c、d對應的指標依次為D3、D1、D2、D4。在用歸一化方程進行計算的過程中，若一個指標體系內的各個指標間存在明顯的相互關聯關系，則采用互補性原則，即結果取各指標的突變級數值的平均數；若各指標之間不存在明顯的相互關聯關系，則采用非互補性原則，即結果取各指標突變級數值的最小值[23]。

1.2 DPSIR模型的概念和框架

DPSIR模型是一種在環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型，它是作為衡量環境及可持續發展的一種指標體系而開發出來的，它從系統分析的角度看待人和環境系統的相互作用。它將表征一個自然系統的評價指標分成驅動力(drivingforces)、壓力(pressure)、狀態(state)、影響(impact)和響應(responses)5個模塊，每個模塊中又分為若干個指標，以及一些環境狀態對社會的反饋和人類改善環境所采取的措施。

在PSR和DSR模型的基礎上，歐洲環境署(European Environment Agency)提出了DPSIR概念框架。在DPSIR框架中，“驅動力”是指造成生態環境變化的潛在的原因；“壓力”是指人類活動對其緊鄰的環境以及自然環境的影響，是生態環境的直接作用的因子；“狀態”是指生態環境在上述壓力下所處的狀況；“影響”是指系統所處的狀態對人類健康和社會經濟結構的影響；“響應”為人類在促進可持續發展進程中所采取的對策和制定的積極政策。已有的研究表明，DPSIR模型強調經濟運作及其對生態環境的影響之間的聯系，具有綜合性、系統性、整體性、靈活性等特點，能揭示生態環境與人類活動的因果關系并有效整合資源、發展、環境與人類健康。DPSIR框架結構清晰、簡單明了，為生態建設環境效應評價指標體系的建立提供了一個基本框架。

但基于突變系統模型中對控制變量數量的要求，每層指標數最好不超過4個，故筆者將DPSIR模型改進為CSIR模型，即將影響土地生態安全的間接因素驅動力和直接因子壓力兩個模塊合并為原因。

1.3 評價指標體系及數據來源

通過對目標層、準則層、指標層的劃分，參考黃烈佳等[2]對于土地生態安全評價的邏輯思路，筆者對土地生態安全的“驅動力”“壓力”“狀態”“影響”和“響應”指標集作如下界定。

a.驅動力指標集主要包括社會經濟發展和人口增長。隨著我國人口的不斷增加，加上工業化、城鎮化進程加快，城鎮化人口及建成區面積比重急劇上升，土地利用面臨著方式多元化和需求多樣化的趨勢，社會生產方式的進步需要更加優化的土地生態環境作為支撐。

b.壓力指標集主要包括城市建設用地需求、工農業污染物排放等。人口密度越大，住房及附帶城區現代化建設的用地需求越高。工農業污染直接對土地生態安全產生負面影響，如單位土地廢水排放總量，基于近年來研究數據可以發現，化肥、農藥的過度施用對土地生態環境造成了破壞。

c.狀態指標集主要包括土地質量變化和土地生態系統改變等。土地質量可以通過人均農作物播種面積、有效灌溉面積來體現。其中，人均農作物播種面積越大，即表明達到可耕種條件的土地面積越多、荒廢的耕地越少，未耕種的土地長期不生產利用則會導致肥力下降，甚至荒漠化，這對土地生態安全存在一定消極影響。土地生態系統的改變可以用森林覆蓋率和建成區綠化覆蓋比來衡量。

d.影響指標集主要包括人地矛盾、土地污染和土地生產力下降等。土地生產力的衡量指標包括糧食單位面積產量、單位面積農林牧漁業總產值、農產品生產價格指數等，均可以反映在一定人口、化肥農藥的施用以及廢水排放量等因素的作用下，土地所能夠產出的農業經濟價值；而人均水資源量可以反映出土地的土壤肥力及水土流失情況。

e.響應指標集主要包括政府施行環境保護政策、加大土地生態保護資金投入等。主要是指的工業污染治理的投資、人工造林、生活垃圾無害化處理及水土流失治理等措施的采取，這些措施及其資金投入很大程度上有利于土地生態環境的改善，是對于土地情況的一種正向反饋。

基于上述突變理論，為避免主觀因素對權重的干擾，采用熵值法對各指標的相對重要性進行判斷，即只需求得各指標的熵值，該值越小則對結果的影響越大，從而進行重要性排序，其中準則層的重要性程度由其子指標體系的平均熵值來確定。

圖1為評價指標體系系統圖。各指標相應數據來源于《中國統計年鑒》及各省區統計年鑒，其中部分缺失數據采用線性插值法及均值法進行填補，括號中數據為各指標的熵值，符號為各指標性質。

圖1 評價指標體系

2 實證分析

2.1 研究區概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東9個省區，最終在山東省東營市墾利縣注入渤海。黃河流域地處于95.04°～117.99°E,31.48°～41.56°N之間，干流全長5 464 km，流域面積約為75.244 2萬km2。黃河流域土地資源豐富，現有耕地1 626.67萬hm2，林地1 020萬hm2，牧草地2 793萬hm2，宜于開墾的荒地約200萬hm2，河套平原、汾渭盆地、引黃灌區等我國重要的農業生產基地也位于此。然而，隨著人口數量不斷攀升，人類活動愈加頻繁，導致黃河流域部分地區水土流失現象嚴重,土地生態安全問題也持續惡化。

2.2 數據預處理

在使用歸一化方程計算之前，筆者采用閥值法對原始數據進行了預處理，指標性質有安全趨向正逆之分[24]，計算公式分別為

正向指標和逆向指標：

(1)

(2)

式中：x′ij為第i個省市第j項指標的規格化值；xij為第i個省市第j項指標的實際值；xmax,j和xmin,j分別為第j項指標各個地區中的極大極小值。2018年各省區土地生態安全評價指標數據的預處理結果如表2所示。

表2 2018年黃河流域各省市土地生態安全評價指標標準化值

2.3 指標集成與評價值測算

各層指標的突變模型系統類型為：D、P、S、I、R、A均有4個控制變量，為蝴蝶突變模型系統，其中A的控制變量為C、S、I、R；C為尖點突變系統，控制變量為D和P。由于各指標間關系的模糊性，設定A和C指標系統采用非互補性原則，其余指標系統按照互補性原則進行計算[23]，根據上述遞級突變評價模型，以山西省2018年數據為例，對其土地安全生態綜合評價值進行計算：

a.D指標系統中，根據熵值4個控制變量的重要性排序為D3、D1、D2、D4，故其突變級數值為

b.同理，P指標系統為

依次求得xS=0.822 7,xI=0.675 5,xR=0.914 1。

c.C指標系統中，控制變量D和P按照其各子指標熵值的均值來進行重要性排序，可得突變級數值為

表3 2009—2018年黃河流域各省區土地生態安全綜合評價值

由于突變模型的歸一化方程中所有數的取值均在0～1之間，計算得到的數值都比較高且差異不大，無法清晰直觀地評價各省區的土地生態安全情況，故采用分位數分級法進行土地生態安全評價劃分。先計算出各省區歷年的驅動力、壓力、狀態、影響、響應和綜合評價值，將數值從小到大排列，再取20%、40%、60%和80%分位的數值作為分級斷點，劃分每一指標系統的評價值區間，如表4所示。

表4 土地生態安全評價等級

2.4 綜合評價值分析

a.從省域層面來看，黃河流域九省區2009—2018年土地生態安全評價均值分別為：山西 0.831 73，內蒙古0.894 91，山東0.843 21，河南0.790 91，陜西0.822 86，甘肅0.844 78，青海 0.831 81，寧夏0.860 41，四川0.841 29。將其按照大小排序為：內蒙古、寧夏、甘肅、山東、四川、青海、山西、陜西、河南。內蒙古處于領先地位，河南排名落后，其余省區居中且相差不大。

從圖2可以看出，總的來說，研究期間內各省區土地生態安全綜合評價值有所上升，其中寧夏和內蒙古表現突出，土地生態安全狀況基本保持不變，生態安全綜合評價值一直保持著穩步上升的勢頭，特別是內蒙古自2012年以來一直保持著極度安全狀態，表現較佳。山東基本處于中等安全狀態，土地安全綜合評價值波動不大；山西、青海、陜西三省均逐步由不安全狀態向中等安全狀態轉變；四川近10年土地安全綜合評價值波動較大，于2015年增長至峰值，隨后又有所回落；相對而言，河南安全狀況較差，一直處于極不安全狀態，但總體狀況逐步好轉。

圖2 各省區歷年土地生態安全綜合評價值變化

b.從分流域層面來看,依照地理分界點，內蒙古、青海、甘肅、寧夏、四川隸屬黃河上游，黃河中游包括山西、陜西和河南，下游則為山東省，故結合綜合評價值水平與歷年變化態勢分析，可粗略得出黃河上游的土地生態安全表現相對較優，下游次之，中游較差。

2.5 各項指標評價值分析

為更加客觀具體地評價黃河流域各省區土地生態安全，進一步探究其主導影響因素，本文對九省區評價指標體系中的各指標系統歷年評價值進行了測算和安全等級評估(表5)，以便于對比各省區相對土地安全狀況，從而更好地以問題為導向提出對策建議。

表5 各省區各指標系統評價值及安全等級

a.從省區角度來看，各地區均有表現較好的指標系統，也有各自的短板。①歷年綜合評價值均為最優的內蒙古，雖然其驅動力系統的安全等級均為極度安全，但其余系統均為中等安全，表現一般。這是由于內蒙古人口密度與單位土地廢水排放總量均于2018年增長至2008年的3倍多，農藥、化肥用量也均增長了50%，說明該地區隨著人口增加，水污染和農業污染問題日益突出，直接對土地生態環境造成了負面作用；影響系統為不安全，這是由于近年來內蒙古糧食單位面積產量、單位面積農林牧漁業產值、人均水資源量及農產品生產價格指數增速不明顯，經濟效益不佳，說明該地區目前的土地生態環境不利于當地居民健康和社會經濟發展。②河南省的土地狀態系統等級為極度安全，且其評價值為0.904 3，明顯領先于其他省區，這是由于其有效灌溉面積比較廣，人均農作物播種面積、森林覆蓋率及建成區綠化覆蓋率均適中，說明該地區土地資源利用率高、結構分配適宜。

b.從指標角度來看，①驅動力系統中，甘肅地區土地生態系統表現級別為極不安全，主要是由于其人口自然增長率過快，2009—2017年一直處于黃河流域各省區前列，但人均GDP處于中下水平，且建成區面積比2009—2014年也持續高于其他地區，之后略有下降，再加上城鎮化進程也在逐年加快，間接造成了當地土地生態安全的惡化。②壓力系統中，值得重視的是河南省，河南一直是人口大省，單位土地廢水排放總量也持高不下，且農用化肥使用量遠超其他省區，農藥使用量也僅次于山東省，導致土地資源緊缺且污染嚴重，土地利用壓力過大。由于該指標系統權重最高，對綜合評價值的影響最大，所以河南省應重點改善該系統中的4個子指標，即從人口密度、廢水排放、農藥及化肥施用4個方面著手，控制人口增長、提高農業現代化及環保投入力度，切實解決水污染問題，以改善土地生態安全狀況。③狀態系統中表現級別最落后的是青海省，該省人均農作物播種面積和有效灌溉面積比歷年均最小，建成區綠化覆蓋率也較低，但森林覆蓋率遠高于其他省區，說明青海省的土地利用率不足，農用面積比重較小，資源浪費嚴重，這也與當地的地勢和氣候劣勢有關。④影響系統中改善空間較大的為寧夏回族自治區，該系統中權重最大的指標為水資源，人均水資源量較低，歷年平均僅有157 m3/人，且寧夏的單位面積農林牧漁產值也較低，說明該地區的土地生態環境對當地居民的生活負面影響顯著。⑤響應系統中青海省評價值遠低于其他省區，另外甘肅、寧夏等地區安全等級也僅為中等安全，說明西部地區在解決土地生態問題、促進土地資源可持續發展進程中所采取的對策效果不佳或政府投入力度不足，這幾個省區應重點改善土地生態環境治理工作。

3 結論與建議

3.1 結論

a.整體而言，關于黃河流域九省區研究期內的土地生態安全，內蒙古處于領先地位，河南省表現落后，其余省區居中且相差不大。

b.時空分布看，研究期間內各省區土地生態安全綜合評價值總體呈現出上升態勢；空間上，從綜合評價均值來看，黃河上中下游的區域優劣勢特征不顯著，但結合歷年變化趨勢可得黃河上游的土地生態安全表現相對較優，下游次之，中游較差。

c.九省區土地生態安全問題各有短板，主要問題有：①人口壓力過大，人地矛盾日益突出。河南一直是人口大省，土地資源緊缺，且單位土地廢水排放總量也居高不下，土地污染嚴重、壓力過大；甘肅地區城鎮化進程逐年加快，間接造成了當地土地生態安全的惡化。②水環境與農業污染嚴重。內蒙古地區水污染和農業污染問題日益突出，直接對土地生態環境造成了負面作用，進而嚴重影響到當地農業經濟效益和居民水資源用量。山西和寧夏人均水資源匱乏，土地產出不足，受土地生態環境優劣的影響較大。③土地利用結構不均衡。青海省土地有效利用率較低，優質土地有限，農用面積比重較小。由此帶來過度墾伐，土地資源浪費嚴重，對生態環境破壞極大。④土地治理力度不足、響應不及時。寧夏在解決土地生態問題、促進土地資源可持續發展進程中所采取的對策效果不佳，政府投入力度不足，無法及時有效解決已有問題。

3.2 對策建議

a.合理規劃人口、城市與產業協調發展。加快經濟發展，調控人口承載能力；通過政策引導、區域合作、人才引進等措施組織一定規模的勞動力區域內外的輸出，緩解流域省區間的人力資源錯配問題。大力發展科技與教育事業，提高人口的科學文化素質。

b.加強水資源優化管理和水環境保護工作。一方面要把水資源作為最大的剛性約束，大力發展節水產業和技術，大力推進農業節水，實施全社會節水行動，推動用水方式由粗放向集約轉變；另一方面要統籌大氣、土壤、生態等要素，對污染較重的河流明確產業準入與淘汰要求。

c.重視農業資源的合理配置與可持續發展。嚴把“入口關”，從源頭抓起，推行農業清潔化生產，做好農業廢棄物的回收、處理及再利用工作，并建立無公害生態農業基地；優化土地利用結構，嚴格控制建設用地規模的過度擴張，同時也要完善建成區綠化工作，因地制宜，平衡農業生產用地與退耕還林面積；在農業領域全面地發展和應用現代信息技術，加速傳統農業改造，大幅度地提高農業生產效率和農業生產力水平，促進農業持續、穩定、高效發展。

c.全面加強黃河流域生態保護，確保水環境治理的有效和可持續。可參照河長制，建立和完善省負總責、市縣逐級落實的工作機制，堅持山水林田湖草生態空間一體化保護和環境污染協同治理，形成上游“中華水塔”穩固、中下游生態宜居的土地生態安全格局。