基于PSR模型的德州市土地利用系統健康評價

王 飛,董廷旭*，劉富剛

(1.綿陽師范學院資源環境工程學院，四川綿陽 621006；2.德州學院生態與資源環境學院，山東德州 253023)

0 引言

土地是人類生存以及生產建設的根本.關于土地利用系統健康狀況的研究日益得到人們關注.早在上世紀，利奧波德便提出了“土地健康-Land health”的含義[1]，此后，不少研究立足于土地功能本身，從土壤、植被、水文、耕地等不同尺度研究土地利用系統健康狀況[2].我國土地健康研究起步較晚，主要是從內涵及指標方面進行了相關探討[3].而且，學者圍繞土地利用系統健康開展了很多關于土地利用系統評價體系構建以及評價方法的研究，包括PSR模型[4]、物元分析[5]、集對分析[6]、TOPSIS算法[7]、層次分析[8]等.有的研究采用基于時間序列的預測、灰色預測和神經網絡等方法對未來的土地利用系統健康狀況進行模擬和預測[9].現在, 國內關于土地利用系統健康的研究以土地利用系統健康的概念和對土地利用系統的健康狀況的評價為主[10].因此，本文以德州市為研究對象，以利用PSR模型-確立評價體系-全面分析與評價為研究思路，對德州市的土地利用系統健康狀況進行診斷，分析其影響因素，以促進德州市土地資源的持久性利用.

圖1 德州市區位及地勢圖

1 研究區概況

德州市地處冀魯兩省交界處，是進京的重要通道，全市總面積10 356 km2，包括1區2市8縣.截至2018年底，總居人數581萬，省內地區生產總值位居十一.截至2014年末，德州市土地資源共有1.04×106hm2：農用地占比最大，建設用地居于第二位，最末位的是其他土地.

德州市戰略地位突出—列入京津冀國家發展戰略，區位優勢顯著—與“雄安新區”僅相距160 km.因此，德州市的可持續發展具有重要戰略意義，必須加強其土地資源的可持續利用.

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

相關研究數據來自：《德州市統計年鑒》[11]《中國城市統計年鑒》[12]《德州市國民經濟和社會發展統計公報》德州市土地利用變更數據以及德州市政府部門網站，以上研究數據的選取年份均為2014年至2018年.

2.2 PSR(壓力-狀態-響應)模型

Pressure-壓力系統是指以土地資源不退化為前提而施行的相關政策以及適宜的土地利用程度；State-狀態系統指示在土地利用時其系統的健康情況以及應對風險的能力；Response-響應系統代表針對土地利用時其系統的現狀或未來可能會出現的問題我們所的應對舉措[13].

對環境系統是否可持續以及系統之間是否存在因果關系的評價是PSR模型的最大優勢，其目的是尋找人與自然之間的關系[14]，有利于人們制定合理的策略改善土地利用系統的狀況[15].因此，結合PSR模型與“綜合指數模型”有助于綜合分析與評價德州市土地利用系統的健康狀況，以此提高德州市土地利用的節約化、持久化.

2.3 評價指標體系構建

以PSR模型為基準，共選取三個目標層和十五項具體指標，涵蓋人類活動-社會發展-土地利用-環境保護四個維度[16]，詳見表1.

2.3.1 指標權重的確定 獲取各指標權重值使用熵值法[17]，其具體步驟如下：

(1)數據標準化處理.區分正、逆指標[18]，然后使用極差標準化法進行標準化處理以解決各指標單位不同帶來的問題，相應公式為:

①正向指標

(1)

式中：p指單個評價年份，m指總評價年份數量；q指單個評價指標，n指總的評價指標；Lpq、Lpq`指標準化前后原始值和標準化值；MaxLp、MinLq指指標最值(包含最大和最小).

②負向指標

(2)

式中：p指單個評價年份，m指總評價年份數量；q指單個評價指標，n指總的評價指標；Lpq、Lpq`指標準化前后原始值和標準化值；MaxLp、MinLq指指標最值(包含最大和最小).

(2)指標的比重.計算第p個年份第q項評價指標的比重，公式為：

(3)

式中：p指單個評價年份，m指總評價年份數；q指單個評價指標，n指總的評價指標；Lpq`指標準化值；Mpq指指標比重.

(3)指標信息熵.公式為：

(4)

式中：k>0,eq>0,k=1/lnm，p指單個評價年份，m指總評價年份數；q指單個評價指標，n指總的評價指標；eq指“指標信息熵”.

(4)指標信息熵冗余度.公式為：

(5)

式中：q指單個評價指標，n指總的評價指標；eq指指標信息熵；dq指信息熵冗余度.

(5)評價指標權重.公式為：

(6)

式中：q指單個評價指標，n指總的評價指標；wp指p的指標權重值.

2.3.2 評價綜合指數的確定 采用綜合指數模型對德州市土地利用系統進行健康評價，以較準確的評價系統的整體情況[19].公式為：

(7)

式中：q指單個評價指標，n指總的評價指標；Lpq`指p年第q項指標標準化數值；wp指p的指標權重值；Z指綜合指數，數值大小與其所反映的土地利用系統健康水平呈正相關關系.

2.3.3 健康等級的劃分標準 參考土地利用系統健康等級劃分標準[20]，對德州市土地利用系統的健康等級進行劃分，詳見表2.

3 結果與分析

3.1 計算過程及結果

將數據進行分類、整理，評價指標結果詳見表3.計算綜合指數，分析德州市土地健康狀態.過程如下：第一，利用公式(1)-(2)進行計算得到表4.

第2，利用公式(3)-(6)進行計算得到表5.

第三，利用公式(7)計算綜合指數，評價結果見表6.

第四，用EXCEL繪制折線圖表示各指數，詳見圖2.

圖2 德州市土地利用系統健康指數Fig.2 HealthIndexofLandUseSysteminDezhoucity

3.2 德州市土地利用系統健康評價

3.2.1 綜合分析與評價 德州市土地利用系統健康狀況診斷結果整體表現為穩中趨好，從圖2中我們可以看出，2014-2018年，德州市土地利用系統的健康狀況表現為一定幅度的波動，其總體特征呈現為不健康狀態-臨界狀態-臨界狀態(臨界狀態-臨界狀態).其中2014-2016年健康指數從0.438變化至0.352，呈緩慢下降趨勢，健康等級由臨界狀態過渡到不健康狀態；2016-2018年健康綜合指數略有上升，從0.352上升至0.569，健康等級由不健康狀態變為臨界狀態，土地利用系統健康狀況略有改善.其中2016年可以作為德州市2014-2018年的土地利用系統健康水平的過渡時段.由此可知，德州市土地利用系統在向著良好的方向發展.

3.2.2 土地利用系統相關指數分析 (1)壓力指數分析.從圖2可知，2014-2018年德州市土地利用系統壓力指數呈現出一定的波動，但幅度不大.2014-2015年德州市土地利用系統壓力指數(P)從0.157上升到0.209，呈緩慢上升趨勢，年均增長率為33.12%；2015-2016年壓力指數(P)由0.209下降至0.103，下降程度變化最大.(2)狀態指數分析.從圖2可知,2014-2018年德州市土地利用系統狀態(S)指數由0.213變化為0.223，總體上呈現出緩慢增加的趨勢.2014-2015年，德州市土地利用系統狀態(S)指數由0.213緩慢下降到0.133；2015-2018年狀態(S)指數從0.133上升至0.223，年均增長率為16.91%，增幅較大.(3)響應指數分析.從圖2可知,2014-2018年響應(R)指數從0.068上升到0.204，總體上呈現出增加的趨勢，增長幅度較大.其中，2014-2015年響應(R)指數從0.068下降至0.067；2015-2018年增長速度較快，響應(R)指數從0.067增加至0.204，年均增長率為51.12%.

3.2.3 德州市土地利用系統健康水平驅動因素 通過以上分析可知，2014-2018年德州市土地利用系統健康指數分值較低，均位于0.6以下，相對來說一直比較穩定地處于不健康或臨界狀態，這說明德州市2014-2018年該時間段內土地利用系統存在如下問題：第一，德州市土地利用系統其系統結構、恢復能力、服務功能水平較低；第二，土地系統調節能力較弱；第三，“社會-資源-環保”存在矛盾；第四，土地利用系統健康狀況年際差異較小.

綜合分析表2和圖2可知：(1)壓力指數的減小指示德州市的經濟水平的提升，特別需要指出的是2016年人口自然增長率最大，說明人類活動對德州市土地利用系統的生態壓力影響較大；2016-2017年壓力指數(P)從0.103增加至0.175，上升幅度微弱；2017-2018壓力指數(P)從0.175降低為0.142，人口自然增長率得到一定程度的控制，GDP年增長率以及城鎮化率提升，對土地利用系統的生態壓力影響相對減弱.(2)狀態指數緩慢增加的主要原因包括：德州市經濟發展較為迅速，伴隨經濟發展，人們收入增加，社會、經濟、人口以及自然等因素的發展狀況較好，土地利用情況改善的力度較大.(3)響應指數從整體上來說增長明顯較快，發展水平得到極大提高.這主要是因為德州市加強了對環保和教育工作的重視程度，有效的解決了生產生活中產生的廢棄物，也就是說德州市問題解決方面也就是土地整治以及與其相關的其他工作進展較好.

因此，影響2014年至2018年德州市土地利用系統健康綜合水平的因素，主要是狀態-響應系統對健康指數得分的貢獻較小，使得系統健康綜合指數偏低，系統自身的抵抗和恢復能力較弱，造成土地利用系統面對外界的壓力以及干擾時不能及時做出反應，影響系統的正常發展.但德州市政府越來越重視社會經濟發展與環境保護之間的關系，并提出積極的政策調整人地關系，2018年生態環境質量持續改善.因此，2018年土地利用系統相對于其他年份有較大的改善，全市土地利用系統健康狀況總體朝著良好的方向發展.

綜上，土地利用系統壓力即“社會發展、人口增長、能耗增加”是影響德州市土地利用系統健康水平的重要因素.但政府積極應對環境保護工作，加強對環保教育的重視程度、提高對雙廢(廢水、垃圾)的處理效率和質量，使得土地利用系統響應指數后期表現為緩慢增加的趨勢，德州市土地利用系統健康水平得到改善.

4 結論與建議

采用PSR模型以及綜合指數法，對德州市2014-2018年土地利用系統健康狀況進行評價研究,得到以下結論：(1)德州市土地利用系統其系統結構、恢復能力、服務功能水平較低；(2)土地系統自我調節能力較弱；(3)社會-資源-環保存在矛盾；(4)土地利用系統健康狀況年際差異較小.

據此，提出以下建議改善德州市土地利用系統健康水平：(1)德州市政府應繼續加強教育和環保投資力度，合理安排工農業生產建設，保持健康的土地利用系統結構，最大程度實現土地效益；(2)通過增綠-惜水-改土即保護森林、珍惜水資源、減少土壤污染等相關措施，逐步提高該區土地利用系統的恢復力和服務功能，使德州市土地系統的調節能力得到進一步改善；(3)合理控制德州市人口增長，使土地系統得到良好的休整與適應，實現土地系統的最佳狀態；(4)德州市政府應繼續適時宣傳資源持久性利用理念，以增強保護環境和土地資源的意識，從而促進德州市土地利用系統的健康發展.