基于物元分析的瑞麗市土地生態安全評價及障礙因素診斷

梁 睿，黃義忠，牟禹恒，魏成國

(昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650500)

【研究意義】生態文明建設是推動經濟社會高質量發展的必然要求，土地生態安全是生態文明建設的重要基石，對維持生態環境穩定性具有舉足輕重的作用。土地生態安全是指在一定的時間范圍內，區域能夠維持其土地生態安全系統穩定的狀態[1]，從而為人類及自然環境提供可持續的生態服務，實現各系統協調發展[2]。目前，經濟、環境與人口對土地的壓力逐漸增大，資源需求量逐漸增加[3]，對土地生態安全造成嚴重威脅[4]，成為相關研究領域重點關注的問題。【前人研究進展】國外學者主要圍繞生態健康評價與生態工程[5]、土地糧食安全[6]、生態系統服務價值[7]、生態風險評價[8]等展開。中國土地生態安全研究起步較晚，始于20世紀80年代，較多是的是評價、方法及模型等方面的內容。從評價內容來看，土地環境健康效應評價[9]、土地生態預警[10]、土地生態脆弱性評價[11]等研究較多；從評價模型來看，PSR模型[12]、EES模型[2]、DPSIR模型[13]、DPSIRM模型[14]等得到廣泛應用；從評價方法來看，理想點法[15]、BF神經網絡法[16]、生態足跡法[17]、生態系統服務價值法[18]等運用較多。研究表明，物元分析法克服了由于人為因素對分析、評價和預測結果的干擾[19]，同時能夠區分各指標的信息，準確反映土地生態因子與結果的隸屬度，從而定量評價具有多個特征的待評單元[20]。【本研究切入點】瑞麗市作為云南沿邊貿易區，擁有得天獨厚的氣候條件及經濟優勢。【擬解決的關鍵問題】本研究以生態視角建立DPSIR模型，綜合選取18項指標構建評價指標體系，為避免主觀因素的偏差，在熵權法的基礎上運用物元模型對瑞麗市2010—2017年土地生態安全進行定量研究，結合障礙度模型對主要影響因素進行分析，為建設生態小鎮提供科學依據，對強化國家邊境生態安全具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

瑞麗市位于云南省西部、德宏州西南部，與緬甸國家級口岸城市木姐毗鄰，轄3鄉3鎮(圖1)，國土面積944.75 km2。截止2019年，瑞麗市總人口達到22.69萬人，人口密度240人/km2，人均GDP為6.57萬元，人均耕地面積0.06 hm2。地勢東南偏低，西北偏高。南亞熱帶季風性氣候使得瑞麗市全年分旱雨兩季，全年基本無霜，年平均氣溫為21 ℃，年平均日照達2330 h，年平均降水量達1394.8 mm。

圖1 研究區區位圖

1.2 數據來源

本文研究數據主要來源于《瑞麗統計年鑒》(2010—2017年)，《中國縣域統計年鑒》(2010—2017年)，瑞麗市相關國民經濟和社會發展統計公報，2010—2017年土地利用現狀數據。

1.3 研究方法

1.3.1 土地生態安全評價指標體系建立 根據瑞麗市自然條件和經濟發展情況，借鑒國內相關研究成果[4,21]，從驅動力(Driving forces)、壓力(Pressure)、狀態(State)、影響(Impact)、響應(Responses)5個方面選取18項評價指標構建土地生態安全評價指標體系[21]，見表1。

表1 瑞麗市土地生態安全評價指標體系

1.3.2 土地生態安全評價物元模型 20世紀80年代，中國學者蔡文教授[22]首創物元模型，以研究促進事物轉化，用數學方法有效解決多因子間不相容的問題。本文包含計算指標較多，單獨指標評價結果具有不相容性[2]，鑒于物元模型可以準確解決多指標間不相容的問題，反映事物的實際情況，基于物元變換理論構建瑞麗市土地生態安全評價物元模型。

(1)土地生態安全物元。土地生態安全物元模型R由土地生態安全N、特征向量c和特征量值u構成，N包含n個特征，表示為c1，c2，…，cn，對應的量值表示為u1,u2,…，un，則R可以表示為：

(1)

(2)經典域和節域。構建土地生態安全經典域物元矩陣：

(2)

式中，Roj表示經典域物元；Noj表示土地生態安全的第j個評價等級，j=1,2，…，n；ci表示第i個評價指標；(aoji,boji)表示對應評價等級j的量值范圍，即經典域。

構建土地生態安全節域物元矩陣：

(3)

式中，表示節域Rp物元；Upi=(api,bpi)表示節域物元關于ci的取值范圍；Np表示全體評價等級。

本文將土地生態安全劃分為理想安全(I級)、較安全(II級)、臨界安全(III級)、較不安全(IV級)、不安全(V級)5個等級。根據云南省平均水平、國家環保總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》標準值、研究區土地相關標準等，參照有關研究[23]確定瑞麗市土地生態安全評價經典域和節域取值范圍(表2)。

表2 土地生態安全評價指標經典域和節域的取值范圍

(3)待評物元。設RX為待評對象NX的物元，則：

(4)

(4)關聯函數及關聯度。土地生態安全指標關聯函數H(X)的定義為：

(5)

式中，G(X,X0)表示點X至有限區間X0的距離；G(X,X0)表示點X至有限區間Xp的距離；|X0|=|b0-a0|；X、X0、Xp分別為待評物元量值、經典域物元量值范圍和節域物元量值范圍。

(5)綜合關聯度及評價等級。待評事物NX對于等級j的綜合關聯度Hj(NX)為：

(6)

式中，Hj(NX)為待評事物NX關于等級j的綜合關聯度；hj(Xi)為待評事物NX關于等級j的單指標關聯度(1,2，…，n)；wi為第i個評價指標的權重。

關聯度h(X)表示的是待評事物達到某一標準的程度。當h(X)≥0時，表示待評事物符合標準，結果越大于0越符合；當-1.0≤h(X)<0 時，表示待評事物不符合標準，但具備向理想標準轉化的條件，且數值越接近0越容易轉化；當h(X)<-1.0 時，表示待評事物2個條件都不符合。

1.3.3 障礙因子診斷 在研究區域土地生態安全物元分析評價結果的基礎上，嘗試引入障礙度模型對影響土地生態安全的障礙因子進行診斷，厘清其主要障礙因子，以便進一步進行病理診斷。引入因子貢獻度wi(單因素對總目標的權重)、指標偏離度Ti(單因素與土地生態安全目標之間的差距，即單項指標標準化值與100%之差)、障礙度Oi3個指標進行障礙因子診斷。

Ti= 1-xi j

(7)

(8)

2 結果與分析

2.1 瑞麗市土地生態安全狀況分析

以瑞麗市2010—2017年指標數據為基礎，利用min-max標準化對數據進行標準化處理，熵權法計算各指標權重，結果見表3。將瑞麗市各評價指標數據及權重輸入公式(5)和(6)，計算得到土地生態安全評價指標關聯度及綜合關聯度。以2010年D1人均GDP(元/人)為例，將D1=19514輸入公式計算得到D1對應的各評價等級關聯度：H1(D1)=-0.0492，H2(D1)=-0.0469，H3(D1) =-0.0399，H4(D1)=-0.0275，H5(D1)=0.0275，依據關聯度最大值確定指標土地生態安全為Ⅴ級，即“不安全”水平，同樣方法計算其他指標相關數值(表4)。將2010年各指標的各評價等級關聯度輸入對應公式，計算得到各評價等級綜合關聯度分別為H1(N2010)=-0.2779，H2(N2010)=-0.1871，H3(N2010)=-0.3244，H4(N2010)=-0.3657，H5(N2010)=-0.3554，K值均為負值，可判定2010年瑞麗市土地生態安全等級為Ⅱ級，即屬于“向較安全轉化”，同理可得瑞麗市2010—2017年土地生態安全級別。

表3 瑞麗市土地生態安全評價指標權重

表4 瑞麗市2010—2017年土地生態安全評價指標關聯度

由表5可知，瑞麗市2010—2017年土地生態安全水平在“向較安全轉化”和“向理想安全轉化”2個等級間波動，總體上土地生態安全等級在提升，且級別較高，但綜合關聯度均為負值，說明瑞麗市土地生態安全評價不符合標準要求，穩定性較差。針對瑞麗市維持邊境生態安全和建設生態智慧小鎮的需求，土地生態安全級別應整體符合Ⅰ級標準并保持穩定。

表5 瑞麗市2010—2017年土地生態安全綜合關聯度

2010—2013年瑞麗市土地生態安全等級略有波動，除了2012年為“向理想安全轉化”等級，其余均為“向較安全轉化”等級。雖然0>H1(N2012)>H2(N2012)，但數值差距較小，說明土地生態安全級別不夠穩定，有跌回“向較安全轉化”水平的可能；自2013年后，土地生態安全級別向Ⅰ級發展的趨勢才趨于穩定，4年的土地生態安全等級均為“向理想安全轉化”，雖然H1(NX)>H2(NX)，且差距不大，但均為負值，說明2014—2017年瑞麗市土地生態安全級別即使處于Ⅰ級，也不完全符合Ⅰ級的標準，具備轉化為Ⅱ級的條件，“向理想安全轉化”水平不穩定。

2.2 各子系統土地生態安全狀況分析

從子系統(DPSIR)分異信息(表6)來看，2010—2017年瑞麗市土地生態安全除了狀態系統和影響系統沒有變化外，其他子系統生態安全均出現不同等級的變化。

表6 瑞麗市2010—2017年土地生態安全各子系統關聯度

驅動力系統方面，其2010—2011年安全等級為Ⅱ級，2012年安全級別降至Ⅳ級并延續至2017年，關聯度值均為負值，說明驅動力生態安全系統不穩定，雖然人均GDP逐年增長，但依然徘徊在“較不安全”水平，而城鎮化水平由Ⅳ級降至Ⅴ級，成為影響土地生態安全驅動力系統的主要因素。

壓力系統方面，2010—2014年安全等級為Ⅴ級，2015—2017年上升至Ⅳ級，說明經濟社會發展使土地壓力得到緩解。雖然人口密度一直保持“較安全”水平，但地均GDP和單位耕地糧食產量安全等級一直處于“臨界安全”水平以下。近年來瑞麗市社會經濟向好對建設用地、糧食產量及耕地質量帶來一定壓力，在對經濟做“加法”的同時應注重土地生態的“減法”。

狀態系統方面，其8年間安全等級均為Ⅰ級，綜合關聯度值為負值，表明瑞麗市狀態安全系統處于“向理想安全轉化”水平。其中，人均建設用地面積安全等級為Ⅴ級，其余指標安全等級均保持在Ⅲ級及以上，說明提高建設用地集約度、補充耕地面積等方面對提升土地生態安全有重要意義。

影響系統方面，其8年間安全等級均為Ⅰ級，綜合關聯度值由負值轉為正值，說明瑞麗市影響安全系統由“向理想安全轉化”水平轉為“理想安全”水平，并趨于穩定。從單指標來看，人均生態用地面積和森林覆蓋率保持在“理想安全”水平，農民人均可支配收入隨著經濟社會的發展也由“較不安全”水平轉為“理想安全”水平。

響應系統方面，其安全等級由Ⅱ級變為Ⅰ級，由“向較安全轉化”水平轉為“向理想安全轉化”水平。其中，除了城市污水處理率一直在Ⅲ級水平附近徘徊外，其余指標都在Ⅲ級及以上，說明人們的環保意識、政府和環境部門的管理效能是推動土地生態安全水平好轉的重要因素。

2.3 障礙因子分析

在前述評價結果的基礎上，根據障礙度模型，即公式(5)和(6)，計算得到瑞麗市2010—2017年土地生態安全指標障礙度，結果見表7。

表7 瑞麗市2010—2017年土地生態安全主要障礙因子

2010—2012年，障礙度最大的因子分別為地均GDP(P2)和耕地面積占比(S3)，障礙度第二的因子包含人均GDP(D1)和地均GDP(P2)，反映了當地經濟活力低，結合表4指標關聯度計算結果，D1和P2的指標關聯度均為Ⅴ級，說明經濟發展緩慢是當時限制瑞麗市土地生態安全提升的主要因素之一。S3在2011年障礙度排第1，在2012年排第5，之后并退出主要障礙因子，而其指標關聯度在研究期間均保持在Ⅰ級，表明在耕地數量處于理想安全狀態時，耕地質量成為影響土地生態安全的重要因素。

2013—2017年，障礙度最大的因子均為人均建設用地面積(S4)，根據中國《城市用地分類與規劃建設用地面積標準》(GBJ 1337—90)，人均建設用地面積應在60～120 m2/人，根據瑞麗市生態小鎮建設標準，人均建設用地面積應控制在110 m2/人以內，而研究期間瑞麗市S4均在150 m2/人以上，嚴重超過國標上限，且逐年增加，處于“不安全”水平，急需進行建設用地整理，提高建設用地集約利用度。障礙度排第2位和第3位的因子在5年間各不相同，這表明阻礙土地生態安全提升的主要因素不僅是經濟投入及產出、耕地面積和人均建設用地面積，還包含了耕地質量、產業發展、生態用地、污染防治等多方面因素，需從主要障礙因子入手以提高瑞麗市土地生態安全水平。

3 討 論

隨著中國與周邊國家政治、經濟合作的加強，邊境地區的小城鎮將逐漸成為邊疆邊境區域最活躍的經濟中心[24]，人口與經濟的發展對土地造成壓力，土地生態安全已成為邊境口岸城鎮生態安全的核心問題[25]。瑞麗市作為中國面向南亞、東南亞開放的重要前沿和窗口之一，擁有開放前沿的區位優勢，隨著自貿試驗區發展帶來的人口涌入和經濟增長，土地生態安全會愈發受到威脅。2010—2017年瑞麗市土地生態安全水平由“向較安全轉化”至“向理想安全轉化”等級提升，但綜合關聯度值一直為負，穩定性較差。因此，瑞麗市在發展旅游經濟和產業經濟的同時，應盡量改善經濟結構，轉變自身的生活方式，避免為了經濟增長造成對生態環境的惡意破壞，減輕對土地的壓力；此外，還需對土地資源配置進行優化，提高建設用地集約度，保護并適量增加生態用地來有效緩和人地矛盾，實現瑞麗市各類用地的統籌優化布局，以促進土地生態安全的穩定發展。

柳江等[25]從陸疆跨境資源與環境問題方面探討跨境生態安全研究及其調控機制，發現沿邊土地利用覆被變化以及森林退化是影響跨境生態安全的主要因素。Tian等[26]在壓力、狀態、反應概念模型的基礎上構建了區域生態安全評價指標體系，并采用綜合指標法對區域的生態安全進行了評價。Wang等[27]提出一種基于改進的人工蜂群算法(MABCA)的城市土地生態安全空間探索模型，對城市生態用地的危險區域進行模擬，實現生態危險區的空間檢測。羅文斌等[28]采用物元分析法對中國城市土地生態安全水平進行評價，發現物元評價可以揭示每一個評價指標的水平狀態和變化趨勢等分異信息，適合用于城市土地生態安全水平評價。結合前人的研究發現，運用于土地生態安全評價的模型較多，物元分析法在獲取綜合評價結果的基礎上還可以獲取單項指標的評價結果，有較好的適用性；土地利用覆被變化、森林退化等問題會對土地生態安全產生不良影響，從而影響新型城鎮化進程。

本研究對瑞麗市進行土地生態安全評價，由于統計年鑒包含的數據有限，未能離散到更小的評價單元，選擇的評價指標較為片面，因此研究存在一些不足，缺乏一定的嚴謹性。未來應從擴大時間序列、細化評價單元、綜合選取社會經濟及生態環境指標[29]等方面進行完善，應從時間和空間兩方面對土地生態安全狀況進行評價。較傳統簡單的多指標綜合評價，物元分析法對土地生態安全評價不但揭示了單因子指標之間的分異規律，也能夠展示出綜合安全水平與中間轉化過程的關系。熵權法客觀為主，主觀修正為輔，主客觀結合，賦權更加合理，因此，熵權物元模型運用數學方法從客觀上解決了指標間的不相容性，使評價結果更加準確。但關于經典域與節域界定等問題目前還缺乏統一的標準，缺乏指標經典域范圍的系統界定，未來還有待精琢和細化。

4 結 論

(1)2010—2017年瑞麗市土地生態安全狀況包括了“向較安全轉化”和“向理想安全轉化”2個等級。總體來看，研究期內瑞麗市土地生態安全級別上升，但綜合關聯度一直為負值，說明生態安全狀況未穩定，考慮到國家邊境生態安全的特殊性和生態小鎮構建生態宜居人居環境的戰略目標，需建立穩定的生態本底條件，從而有力防護外界干擾。

(2)從各子系統(DPSIR)土地生態安全來看，研究期間瑞麗市土地生態安全除了狀態系統和影響系統沒有變化外，其他子系統生態安全均出現不同等級的變化。應根據系統協調發展理論制定土地生態發展策略，全面提高瑞麗市土地生態安全等級。

(3)從指標層障礙度來看，影響瑞麗市土地生態安全的障礙因子主要包括地均GDP、耕地面積占比、第三產業比重、人均建設用地面積、單位耕地糧食產量等。對此，瑞麗市應針對主要障礙因子制定統籌發展戰略，在穩定產業、經濟發展的同時，嚴格控制建設用地盲目擴張，提高耕地質量，為鞏固國家邊境生態安全和建設生態小鎮打牢基礎。