基于PSR模型的延安市土地生態安全評價

朱景蕊，張 華

（遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029）

土地生態安全是指土地所處的生態環境處于一種不受或少受威脅與破壞的健康、平衡狀態，即在一定地域空間范圍內，通過土地資源科學合理地利用和管理，維持土地資源與人類的協調發展，從而實現自然、經濟和社會的可持續發展。土地是人類生產生活的基礎保障，土地生態安全評價能夠為區域生態環境的保護與治理、土地規劃與合理利用、相關部門決策的制定提供服務［1］，由此引起眾多學者的關注。國內學者主要運用PSR模型［2］、自然-社會-經濟模型［3］、DPSIR模型［4］、EES模型［5］、三角模型［6，7］等，對不同區域尤其是環境變化較為敏感的西北部生態脆弱區土地生態安全做了大量研究［6-10］。例如，馬軒凱等［6］運用三角模型，對西北干旱地區綠洲城市庫爾勒市的土地生態安全狀況進行評價，并對其主要影響因子進行分析；程東林等［7］運用三角模型，從經濟持續性、社會和諧性、生態合理性3方面選取指標，構建土地生態安全評價指標體系，對西北生態脆弱區城市蘭州市的土地生態安全狀況進行時序性評價；劉凌冰等［8］、楊倩倩等［9］采用PSR框架模型，構建土地生態安全評價指標體系，對西北荒漠化地區和西北干旱區的土地生態安全狀況進行動態評價。

延安市位于黃土高原腹地，是西北地區乃至全國水土流失最嚴重的區域之一，其土地利用生態問題尤為突出。近年來，周曉［11］基于延安市2000、2010、2015年的遙感影像解譯數據，從植被生長狀況、土地利用程度、氣候穩定性和水土流失4個方面構建評價指標體系，對延安市土地利用變化與土地生態風險進行評價分析；許康［12］基于土地利用變更調查數據，對延安市土地利用景觀生態、生態系統服務價值和土地生態敏感性進行評價分析；劉曉涵［13］基于2000、2005、2010、2017年4期的土地利用覆被遙感數據，結合統計年鑒數據，對延安市土地利用變化的原因進行探討分析；吳金華等［14］基于ArcGIS區統計評價方法，對延安市土地生態敏感性進行評價。上述研究成果為促進延安市土地資源可持續利用提供了科學依據。基于長時間序列延安市土地生態安全動態變化態勢的相關研究尚不多見，本研究以延安市2009—2019年統計年鑒數據為數據源，運用PSR模型，從壓力、狀態、響應3個層面選取適宜的影響因子構建土地生態安全評價指標體系，基于土地生態安全壓力指數、狀態指數、響應指數和綜合指數，對2009—2019年延安市土地生態安全動態變化態勢進行系統評價分析，并建立因子障礙度模型，辨識其土地生態安全的主要限制因素，以期為延安市土地可持續利用決策的制定提供科學支撐。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

延安市地處黃河中游，介于北緯35°21′—37°31′，東經107°41′—110°31′，地勢西北高東南低，地貌以高原和丘陵為主，屬于黃土高原丘陵溝壑區。該區屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候，全年氣候變化受制于季風環流，晝夜溫差大，氣象災害頻發。境內有多條河流，均屬黃河水系。土壤以黃綿土為主，土質疏松，透水性和可耕性好，多集中分布在坡度較大且植被稀疏地區，土壤侵蝕嚴重，2019年水土保持治理面積達5.96×104hm2，累計水土保持治理面積達1.61×106hm2。植被類型主要有暖溫帶落葉闊葉林、暖溫帶針葉林和暖溫帶灌叢群落。延安市總面積3.7×104km2，下轄2個市轄區、10個縣，代管1個縣級市。2019年城鎮化率38.71%，生產總值GDP達1.66×1011元，人均生產總值7.37×104元。

1.2 數據來源

本研究的基礎數據主要來源于《延安市統計年鑒（2009—2019年）》《陜西統計年鑒（2009—2019年）》《陜西區域統計年鑒（2009—2019年）》。

2 研究方法

2.1 研究指標體系構建及權重確定

PSR模型是20世紀80年代聯合國經濟合作開發署與聯合國環境規劃署提出的定量測量生態安全的概念模型。其中，P代表壓力，反映人類活動對環境資源造成的負荷；S代表狀態，反映自然資源與生態系統的狀況；R代表響應，表明人類面臨的資源環境問題所采取的措施。本研究基于PSR模型選取能客觀反映延安市土地利用及社會經濟發展狀況的31個因子，構建土地生態安全評價指標體系（表1），其中，正向指標（+）指數值越大，生態安全狀況越好，負向指標（-）指數值越小，生態安全狀況越好［15］。

表1 延安市土地生態安全評價指標體系

1）數據標準化處理。采用最大離差法對原始數據進行標準化處理。

正向指標：

負向指標：

式中，Xij為各指標的實際測量值，i為年份序列，j為指標序列，Pij為各項指標的標準量化值，Pij∈［0，1］。其中，0表示同一指標中某一年相比其他年份所處的最差狀態；1表示同一指標中某一年相比其他年份所處的最好狀態。

2）指標權重確定。采用熵值法確定各指標的權重，首先進行指標的同度量，計算公式如下：

令ej為第j項指標的信息熵，公式如下：

式中，fij為指標Pij的比重，若假設fij=0時，則fij×lnfij=0；常數K與系統的年份序列項數n有關，一般定義K=1 lnn；Wj為各指標權重值。

2.2 土地生態安全指數計算

1）土地生態安全綜合指數（ESCV）。計算公式如下：

2）土地生態安全壓力（P）、狀態（S）、響應（R）指數（ESC）。計算公式如下：

式中，0≤W≤1。ESC為土地生態安全壓力、狀態、響應指數值。其數值越大，表征延安市土地生態安全在壓力、狀態、響應的安全程度越高。

2.3 土地生態安全等級劃分

土地生態安全評價的最關鍵環節是制定評價標準，中國現階段土地生態安全評價尚未形成統一的評價標準，需要因地制宜。土地生態安全等級劃分參照國家標準及相關行業標準和大量參考文獻［2，15-18］，設置土地生態安全5個等級作為延安市土地生態安全的等級標準（表2）。

表2 延安市土地生態安全等級劃分

2.4 因子障礙度模型

土地生態安全評價僅是對區域土地生態安全系統的定量評估，要想辨識出土地生態安全的主要限制因素，還需要對研究區域進行因子障礙度計算及排序［17］。通過引入因子貢獻度（Ii）、指標偏離度（Jij）、指標障礙度（Aij）3個指標建立因子障礙度模型，對延安市土地生態安全狀況進一步分析。

式中，Ii=Wj，Jij=1-Ej。Ej為單項指標的安全指數；Ii為第j項指標對系統的貢獻程度，一般可以用Wj來表示；Jij為第i年第j項指標土地生態安全值的偏離度，即不安全指數；Aij為指標層的第j項指標在第i年的障礙度。

3 結果與分析

3.1 土地生態安全壓力指數變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態安全壓力指數整體呈下降趨勢（圖1），由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市的土地生態安全狀況面臨的壓力不斷增大（集合負向指標計算的指數值越小，生態壓力相對越大，生態安全程度越低［18］）。具體來看，2009—2019年延安市原煤產量增幅150.75%、農業塑料薄膜使用量增幅55.93%、農業化肥施用量增幅23.94%、常住人口增幅3.92%、人口密度增幅3.91%，這主要由于西部大開發戰略政策帶動了更多外來人口遷入延安市，使延安市人口密度增大，人地矛盾日益突出。加之延安市經濟結構以第一、二產業為主，農業化肥和塑料薄膜的大量使用，造成農業面源污染加重，使土地質量下降；同時以采煤采油為主的工業快速發展，對土地資源造成壓力。

圖1 2009—2019年延安市土地生態安全壓力指數

3.2 土地生態安全狀態指數變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態安全狀態指數整體呈波動上升的趨勢（圖2），由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，其中，2009—2012年處于上升階段，升幅275.41%；2012—2013年處于下降階段，降幅35.52%；2013—2016年處于上升階段，升幅103.27%；2016—2017年處于下降階段，降幅18.22%；2017—2019年處于上升階段，升幅19.04%。由此表明，延安市土地生態安全狀態雖波動較大，但明顯向好的方向發展。究其原因，2009—2012年，延安市經濟快速協調發展，即工農業發展和第三產業協調發展，同時2012年延安市開始實施“中疏外擴、上山建城”的發展戰略［19］，建立新城區，緩解了城區土地后備資源不足的問題，使得生產總值增幅77.38%、全部工業總產值增幅72.31%、第三產業增加量增幅50.54%、旱澇保收面積增幅26.68%；2012—2013年，由于延安市地處黃土高原腹地，土層易破碎，如遇到一定強度和時長的降水，極易可能發生山體滑坡、泥石流等自然災害，2013年因遇特大暴雨自然災害［20］，對延安市的通訊、交通、水利設施等基礎設施造成嚴重破壞，使得國家基建面積減幅64.54%、旱澇保收面積減幅44.43%、年末牛羊存欄量減幅14.12%；2013—2016年，延安市第三產業快速發展帶動了經濟整體發展，將政府盈余的財政收入用于災后重建工作，緩解了土地資源短缺的問題，第三產業增加量增幅34.83%、國家基建面積增幅484.63%、年末牛羊存欄量增幅28.30%、旱澇保收面積增幅24.10%；2016—2017年，延安市極端氣候頻繁出現，時常造成冰雹災害［21］，使得國家基建面積減幅47.83%、年末牛羊存欄量減幅21.81%、糧食產量減幅14.75%；2017—2019年，延安市積極促進經濟發展，提高了單位土地面積的產值，使得生產總值增幅27.20%、第三產業增加量增幅23.95%、農林牧副漁總產值增幅14.18%。

圖2 2009—2019年延安市土地生態安全狀態指數

3.3 土地生態安全響應指數變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態安全響應指數整體呈小幅度波動上升趨勢（圖3），由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%。其中，2009—2015年處于上升階段，升幅362.65%；2015—2017年處于下降階段，降幅16.59%；2017—2019年處于上升階段，升幅35.52%。由此表明，延安市土地生態安全響應在波動中明顯向好的方向發展。究其原因，2009—2015年，延安市積極響應國家第十一個五年計劃和全面建成小康社會和西部經濟強市的政策［22］，并積極發展紅色旅游文化，使得全社會固定資產投資增幅193.67%、旅游綜合收入增幅257.46%、農村居民人均可支配收入增幅129.90%、農林水支出增幅125.45%、節能環保支出增幅73.89%、人均生產總值增幅63.19%；2015—2017年，延安市全社會固定資產投資的減少，導致經濟收入減少，使得當年造林投入的資金和造林面積減少［23］，全社會固定資產投資減幅21.59%、當年造林面積減幅30.62%；2017—2019年，延安市積極響應國家第十三個五年計劃，尤其在2017年大力實施“高端能化強市，特色產業富民，文化旅游帶動，生態環境提升，城鄉一體發展”戰略［24］，促進經濟與生態協調發展，旅游綜合收入增幅65.82%、人均生產總值增幅27.22%、節能環保支出增幅97.39%。

圖3 2009—2019年延安市土地生態安全響應指數

3.4 土地生態安全綜合指數變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態安全綜合指數整體呈現波動上升趨勢（表3），由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%。其中，2009—2012年處于上升階段，升幅20.14%，2012—2013年處于下降階段，降幅18.58%，2013—2016年處于上升階段，升幅27.35%，2016—2017年處于小幅度下降階段，降幅16.33%，2017—2019年處于上升階段，升幅30.82%。從土地生態安全等級劃分標準來衡量，雖然延安市2009、2013年土地生態處于較不安全狀態，2010—2012、2014—2018年土地生態處于臨界安全狀態，但2019年處于較安全狀態，即延安市土地生態由2009年的較不安全轉變為2019年的較安全。究其原因，延安市2009—2019年積極響應國家相關政策，注重經濟發展并著力協調經濟結構，同時加強生態環境保護的力度，這些使土地生態安全狀態得到改善以及土地生態安全響應水平得到提高，土地生態安全狀況整體向好的方向發展。但由于延安市經濟發展過程中超出土地生態承載力，使土地生態安全面臨的壓力增大，同時研究時段的延安市自然氣象災害頻發，導致部分年份的土地生態安全狀態變差，因此，延安市2009—2019年部分年份的土地生態安全處于較不安全的狀態。

表3 2009—2019年延安市土地生態安全綜合指數及安全等級

3.5 土地生態安全因子障礙度模型分析

由于延安市土地生態安全評價因子較多，選取障礙度數值排前3位的評價因子進行排序（表4）發現，2009—2019年影響延安市土地生態安全的主要障礙因子為農業化肥施用量（C5，屬于壓力指數層）、原煤產量（C4，屬于壓力指數層）、年末牛羊存欄量（C14，屬于狀態指數層），表明農業化肥施用量、原煤產量、年末牛羊存欄量是影響延安市土地生態安全的主要限制因素。

表4 2009—2019年延安市土地生態安全指標層主要障礙因子障礙度及前三排序

4 小結與討論

2009—2019年延安市土地生態安全壓力指數整體呈下降趨勢，由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市土地生態安全狀況面臨的壓力不斷增大；延安市土地生態安全狀態指數整體呈波動上升趨勢，由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，表明延安市土地生態安全狀態在波動中明顯向好的方向發展；延安市土地生態安全響應指數整體呈小幅度波動上升趨勢，由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%，表明延安市土地生態安全響應在波動中明顯向好的方向發展。

由于土地生態安全壓力、狀態、響應的狀況共同決定了土地生態安全綜合狀況。2009—2019年，延安市土地生態安全綜合指數整體呈波動上升趨勢，由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%；土地生態安全等級由2009年的較不安全提高到2019年的較安全。

通過因子障礙度模型得出，農業化肥施用量（C5）、原煤產量（C4）、年末牛羊存欄量（C14）是影響延安市土地生態安全的主要限制因素。

綜上所述，延安市2009—2019年土地生態安全狀況整體有所好轉，這主要得益于延安市積極響應國家相關政策，在注重經濟發展的同時著力協調經濟結構，并重視生態環境保護的建設，但仍需注意經濟發展過快所導致的農業化肥使用量和原煤產量增加，并且極端氣候所導致的年末牛羊存欄量減少，從而導致土地生態安全造成一定破壞的現象。因此，延安市應積極采取土地生態環境保護和氣象災害預警的相關措施，提高土地響應水平，使土地狀態得到有效改善，盡量減少土地生態安全面臨的壓力，注重經濟和生態效益充分結合，形成經濟效益與生態效益相結合的良性循環態勢。