基于PSR-TOPSIS模型的江西省土地生態安全評價及障礙因子診斷

李佳茹 劉雁 郭小萌 呂志超

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

土地是人類賴以生存的物質基礎[1]，其保持良好的生態安全狀態是國家和區域生態安全重要的組成部分[2]。近年來伴隨社會經濟發展，城鎮化率和工業化水平也在逐年提高，不合理不科學的土地利用方式造成水土流失、土壤污染等問題亟待解決。中共十九大以來，生態文明建設的相關研究成為熱點領域，呈現蓬勃發展的態勢，取得許多重要研究成果[3]。近年來，學者們關于土地生態安全的探討主要包括基礎理論、評價體系和研究方法[4]。評價尺度主要集中在時間尺度和空間尺度[5]，主要評價方法有景觀生態學方法、主成分分析法、綜合指數法、生態足跡法，以及基于PSR框架構建土地生態安全評價模型等[3-8]。本文在基于國內相關研究成果及研究區現狀的基礎上，采用PSR-TOPSIS模型對2003—2018年江西省土地生態安全狀況進行綜合性評價，運用障礙度模型計算出主要致脆因子，以期為江西省可持續發展及維護生態系統穩定提供理論指導。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

江西省位于我國東南部，屬華東地區。全省面積16.69萬km2，省內地貌類型以山地、丘陵為主。江西省位于長江中下游南岸，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18℃，年平均降水量為1675mm。江西省為長江三角洲、珠江三角洲和閩南三角地區的腹地，京九線、浙贛線縱橫貫穿全境，航空和水運便捷，但經濟發展帶來的資源和環境破壞也日益嚴重。另外，隨著社會經濟的發展，城鎮化率由2003年的27.69%上升為2018年的57.34%，建設用地面積也不斷增加，土地生態安全所面臨的壓力與日俱增。

1.2 數據來源

研究數據來源于《江西統計年鑒》(2004—2019年)、《江西省國民經濟與社會發展統計公報》(2003—2019年)。部分研究數據可直接獲取，其他數據可由原始數據經數學運算后得出。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

土地生態安全影響因素主要包括自然環境、經濟、社會等各方面，是一個結構復雜的綜合性系統[8]。構建科學合理的指標體系是土地生態安全定性定量評價的重要一步。目前，國際理論界常用聯合國經濟合作開發署(OEDC)提出的壓力-狀態-響應框架模型(PSR)來評價土地生態安全狀態。在綜合自然、經濟、社會因素的基礎上從土地生態安全壓力層面、狀態層面、響應層面對指標進行篩選分類，并根據生態安全評價指標選取的完整性、可比性、科學性、層次性和可操作性原則，在參考前人研究成果的基礎上[3-7]，選取18個能反映出江西省土地資源利用現狀的因素，構建江西省土地生態安全評價及障礙因素指標體系。

2.2 指標權重的確定

2.2.1 指標標準化處理

選取的18項綜合指標中包含自然、經濟和社會3個層面，由于各項指標對土地生態安全的影響不同，將18項指標按照其對土地產生的正向效益和負向效益分為正向指標和負向指標。在運算前采用極差法對原始數據進行數據標準化處理以消除各指標之間不同量綱的影響[9,10]。其方法如下。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

2.2.2 指標權重的確定

為減少主觀賦權的人為干擾，選取熵權法進行指標的賦權[8-15]，方法如下，結果見表1。

計算第j項指標在第i年的比重fij：

(3)

計算第j項指標的熵ej：

(4)

式中，當fij=0時，令fijlnfij=0。

計算指標權重Wj：

(5)

2.3 TOPSIS評價模型

TOPSIS法主要應用于多指標評價研究中，其原理是通過測算所選對象與“最優解”和“最劣解”的距離來進行排序，計算各指標與理想解的貼近度，最終揭示各方案結果。本研究在構建PSR模型的基礎上，運用TOPSIS模型[13-15]對江西省土地生態安全水平進行綜合性評價。

表1 江西省土地生態安全評價指標體系

建立加權規范化矩陣：

(6)

確定理想解L+和L-：

正理想解：

L+={maxLij|i=1,2,3，…m}

(7)

負理想解：

L-={minLij|i=1,2,3，…m}

(8)

式中，maxL+和minL-為加權規范化矩陣的最大值和最小值。

計算指標到正理想解和負理想解的距離Zi+和Zi-：

(9)

(10)

計算指標貼近度Ci：

(11)

式中，指標貼近度值越大，表示第i年的土地生態安全狀態越好，指標貼近度值越小則狀態越差。參考張洪等[14]研究成果，結合江西省實際情況，采取等間距劃分法將指標貼近度的值劃分為以下5個等級，見表2。

表2 江西省土地生態安全等級劃分

2.4 障礙因子診斷模型

在評價區域土地生態安全基礎上，使用障礙因子診斷模型提煉和分析主要障礙因子，有助于改善和提升土地生態安全狀態[13-15]。

(12)

Nij=∑Mij

(13)

3 結果與分析

3.1 江西省土地生態安全綜合狀況分析

在PSR模型選取18個影響因子的基礎上，結合TOPSIS模型法對江西省土地生態安全狀況進行計算分析，得到江西省土地生態安全貼近度變化情況圖，見圖1，以及土地生態安全Z+和Z-變化情況圖，見圖2。

圖1 2003—2018年江西省土地生態安全貼近度變化情況

圖2 2003—2018年江西省土地生態安全Z+、Z-變化情況

從圖1可以看出，2003—2018年江西省土地生態安全水平大體上處于II～III級，土地生態安全處于較不安全和基本安全狀態，整體呈現緩慢上升趨勢。只有2018年達到VI級，土地生態安全處于較安全的狀態。具體來看，貼近度由2003年的0.443上升到2018年的0.635，增加了0.192。其中，2007—2008年、2009—2016年、2017—2018年呈上升趨勢，在2003—2007年、2016—2017年有小幅度下降。由圖2可以看出，Z-值總體上呈上升趨勢，由2003年的0.151上升到2018年的0.208，總體上上升了0.057，逐漸偏離負理想解。Z+值總體上呈下降趨勢，由2003年的0.189下降到2018年的0.119，總體上下降了0.070，逐漸趨近于正理想解。研究期內，江西省土地生態安全狀況可以分為3個階段。2003—2007年，土地生態安全狀態由III級下降至II級，其原因在于該時期人口眾多，不合理的經濟發展方式對土地生態安全的壓力增大；2007—2013年，江西省土地生態安全狀態處于緩慢上升狀態，其中2012—2013年增幅最大，由0.379增至0.417，上升了0.038，生態安全狀況由II級回到III級，隨著科學發展觀的提出，江西省落實了以人為本和可持續的發展觀，從而緩解了環境和土地生態安全的壓力，使土地生態安全狀況得到緩慢回升；2013—2018年，土地生態安全狀態處于大幅提升狀態，由III級升至VI級，達到較安全水平，指標貼近度由0.417升至0.635，增加了0.218，這表明江西省在維護土地生態平衡，堅持可持續發展，推動生態文明建設方面取得了重要進步。

3.2 江西省土地生態安全子系統分析

通過TOPSIS模型計算出江西省土地生態安全各子系統發展狀況圖，見圖3，可以得到2003—2018年江西省土地生態安全各子系統發展水平和變化程度。

3.2.1 土地生態安全壓力層面

由圖3可知，在2003年江西省土地生態安全壓力子系統貼近度遠高于狀態子系統和響應子系統，2003—2018年壓力層面土地生態安全整體狀況呈現下降趨勢，從0.697下降至0.413，土地生態安全等級由VI級下降為III級。2003—2011年，貼近度呈現出大幅下降趨勢，由0.697下降至0.267，主要原因在于該時期工業廢水排放量和工業固體廢棄物排放量逐年增加，并且在農業生產中，化肥施用量的增加也為土地生態安全帶來了壓力。2011—2016年，貼近度發展有緩慢回升后呈現緩慢下降趨勢，主要原因在于該時期江西省政府大力發展生態建設，堅持走可持續發展路線，減少工業廢水排放量和工業固體廢棄物排放量，農業化肥施用量也控制在一定范圍中，土地生態安全狀況得到了一定的緩解。2016—2018年，貼近度呈明顯上升趨勢，主要原因在于該時期內江西省政府持續貫徹可持續發展觀，在上一階段的基礎上不斷加強生態建設力度，土地生態安全狀況得到了較好的鞏固，表明2003—2018年江西省土地生態安全建設取得了一定成效。但總體來說，江西省土地生態安全壓力狀況仍面臨較大挑戰。

圖3 2003—2018年江西省土地生態安全各子系統貼近度發展趨勢

3.2.2 土地生態安全狀態層面

由圖3可知，2017年土地生態狀態子系統貼近度出現回彈，主要原因在于該時期農林牧漁業的產值有所降低，另外,建設用地面積的快速增加也給土地生態安全狀況造成較大壓力。總體來看，土地生態安全狀態子系統貼近度整體上呈現出上升趨勢，從2003年的0.175上升至2018年的0.848，土地生態安全等級由I級大幅提升至V級，由不安全狀態發展到安全狀態。總體上看，江西省狀態子系統發展趨勢較好。結合所收集數據分析認為，該時間段研究區內建成區綠化覆蓋率、固定資產投資完成額飛速增長，第一產業人口比重快速下降，經濟發展水平逐漸趨向于高質量發展，對江西省土地生態安全產生了積極響應。

3.2.3 土地生態安全響應層面

由圖3可知，土地生態安全響應子系統貼近度整體呈現上升趨勢，從0.289上升至0.766，總體上升0.477，土地生態安全等級由II級上升為VI級。其中，2003—2005年呈下降趨勢，并在2005年達到最低值0.043，而后除了2017年由于當年造林面積、工業固體廢棄物綜合利用率下降造成的回彈外，響應子系統的貼近度由2005年的0.043上升至2018年的0.766。結合數據分析，土地生態安全響應子系統貼近度大幅提升的主要原因是該時期第三產業占GDP比例大幅增加，由2003年的37.6%上升至2018年的47.4%，工業固體廢棄物的利用率由22.13%增加至42.41%，這說明政府出臺的一些列相關發展措施有效減輕了土地的生態壓力，使土地生態安全朝更健康更安全的趨勢發展。

3.3 障礙因子診斷分析

3.3.1 準則層障礙因子分析

通過障礙因子模型可以得到2003—2018年江西省準則層指標障礙度，見表3。

表3 2003—2018年江西省土地生態安全準則層指標障礙度

由表3可知，江西省土地生態安全準則層障礙度變化較為顯著。總體上來看，2003—2010年阻礙土地生態安全的主要障礙因子為狀態子系統，狀態子系統障礙度在2003—2008年均在39%以上。在2010年后，土地生態安全的主要障礙因子變為壓力子系統。具體來看，2003—2018年狀態子系統障礙度和響應子系統障礙度都有所降低，尤其是狀態系統障礙度，由2003年的51.45%下降至2018年的27.08%。總的來說，準則層障礙因子由狀態子系統向壓力子系統轉移，這符合社會發展趨勢。由于政府調控能力的增強和可持續發展理念的雙重加持，使得環境保護力度逐漸增強，推動土地生態安全良性發展。但城鎮化的快速發展和人口增多使土地生態負荷壓力增大，因此江西省土地生態安全問題仍需重視。

3.3.2 指標層障礙因子分析

選取每年障礙度排名前5的指標作為主要致脆因子進行分析，見表4。

表4 2003—2018年江西省土地生態安全主要障礙因子

由表4可知，在2003—2007年，主要障礙因子集中在狀態子系統和響應子系統，出現次數最多的分別為建成區綠化覆蓋率(C11)、農林牧漁業總產值(C9)和人均公園綠地面積(C5)。這表明在該時期內，農業在產業結構中占比較大，粗放型的經濟發展方式對研究區土地生態安全造成較大威脅，并且該時期內隨著城鎮化的發展，城市人口增多對環境的壓力逐漸增大，研究區內可持續發展理念及相關政策沒有落實到位。直到2008年，隨著相關政策的不斷強化以上因子才退出主要障礙因子行列，除2017年，由于人口增長導致建成區綠化覆蓋率配套不足導致其重新進入主要障礙因子行列外，一直沒有回彈。2008—2018年，主要障礙因子集中在壓力子系統和狀態子系統，主要為人口密度(C1)、工業固體廢棄物產生量(C6)、工業廢水排放量(C4)、農業化肥施用量(C3)和建設用地面積(C12)，表明該時期人口的增加和城鎮建設用地的擴張對土地生態的壓力不斷加劇，農業生產條件仍是土地生態安全的制約因素，而工業固體廢棄物產生量(C6)、工業廢水排放量(C4)成為障礙因子則表明工業廢水和固體廢棄物在江西省土地生態安全狀況改善中仍占有重要地位。除上述主要障礙因子外，第三產業占GDP比重(C16)和工業固體廢棄物排放量(C18)也交替出現在主要障礙因子行列，這說明產業結構仍需進一步調整，工業固體廢棄物的處理力度仍需進一步增大。

4 結論與建議

4.1 結論

總體來說，2003—2018年江西省土地生態安全發展趨勢良好，由III級基本安全升至VI級較安全狀態。發展過程可大致分為3個階段，2003—2007年小幅下降階段，2007—2013年緩慢上升階段，2013—2018年大幅上升階段。同時，各子系統發展并不均衡，與狀態子系統和響應子系統相比，壓力子系統的發展明顯滯后。狀態子系統提升最為顯著，這說明今后應繼續加強環境建設，堅持走可持續發展路線。

從準則層障礙度看，研究區土地生態安全障礙度整體變化顯著。其中，壓力子系統變化最為顯著，其次是狀態子系統，響應子系統變化最不顯著。整體上準則層主要障礙因子由狀態子系統向壓力子系統轉移。這一結果與壓力子系統貼近度發展滯后相符合，這說明在今后的工作中，緩解土地生態安全的壓力仍然是重中之重。

從指標因子障礙度層面來看，主要障礙因子由建成區綠化覆蓋率(C11)、農林牧漁業總產值(C9)和人均公園綠地面積(C5)過渡為人口密度(C1)、工業固體廢棄物產生量(C6)、工業廢水排放量(C4)、農業化肥施用量(C3)、建設用地面積(C12)、第三產業占GDP比重(C16)和工業固體廢棄物排放量(C18)，這符合社會發展趨勢，表明人口、農業和工業是造成土地生態安全問題的重要因素。

4.2 建議

綜合上述評價結果，提出以下建議，以期維護江西省土地生態安全。進一步推進產業結構調整升級。產業結構在區域經濟發展中占重要地位，要推動經濟發展方式轉變，注重環保產業發展，大力發展環境友好型、資源集約型企業。減少工業廢水和工業固體廢棄物的排放，在農業生產中合理利用化肥和農藥。從上述分析中可以看出，農業生產中使用的化學物品以及工業生產過程中產生的廢棄物排放是土地生態安全的主要制約因素。適度控制人口增長。人口增長過快會導致資源緊張，生態環境破壞加劇，適度控制人口增長有利于環境保護，緩解人類和資源之間的矛盾。增加植樹造林面積，適當減少建設用地面積。