基于PSR模型的昆明市土地生態安全評價

王歡 彭海英

(云南財經大學國土資源與持續發展研究所，云南 昆明 650221)

引言

土地是人類進行生產生活基本的物質保障，是人類一切活動得以進行的物質基礎[1]。“生態安全”最早由Lester R Brown提出，其在《建設一個可持續發展的社會》中指出想要實現人與自然的和諧共生就必須樹立可持續發展理念，重視生態安全保護[2]。當前，生態文明建設和生態安全保護被提到新的高度，先發展再保護的社會經濟發展道路與土地利用方式逐漸退出歷史舞臺，人們更加重視生態環境保護與社會經濟發展之間矛盾的權衡。區域生態安全和區域土地生態安全成為生態文明建設的重點，受到眾多學者的關注。

有關學者對土地生態安全評價的研究重點主要集中于以下方面：指標構建模型，李青松等在PSR模型的基礎上構建指標體系，分別對甘肅省、西藏自治區山南市等研究區域的土地生態安全進行評價，測算出2008—2017年甘肅省土地生態安全綜合指數有較大幅度的提高[3]，2010—2020年山南市土地生態安全指數由0.41增長至0.69，土地生態安全水平提高[4]；王文萱等將DPSIR模型作為評價指標體系的基礎模型評價湖南省、重慶市等區域的土地生態安全，結果表明，湖南省2000—2016年土地生態安全水平顯著提高且區域間發展不平衡[5]，重慶市的土地生態安全等級由1997年的不安全級逐漸轉變為2012年的敏感級，截至2012年，重慶市土地生態環境較為脆弱[6]；王大海等從環境、經濟、社會方面(EES模型)出發，構建評價指標體系對哈爾濱市土地生態安全進行評價[7]。評價方法，主要有主成分分析法[8]、綜合分析法[9]、層次分析法[10]等，王鵬等運用主成分分析法測算得出衡陽市市區土地生態安全水平高于其他縣級地區[8]；王一山等運用綜合評價分析法計算出2017年烏魯木齊市土地生態安全整體處于中等水平[9]。影響因子分析，主要有灰色關聯度分析法[11]、因子貢獻度分析法[12]、障礙因子診斷模型[13]等，蘇正國等采用灰色關聯度分析方法測算出與2005—2015年廣西地區土地生態安全關聯度最高的前4項指標依次為造林面積、城鎮化水平、森林覆蓋率以及第三產業比重[11]；王軍等運用因子貢獻度分析法得出影響河北省農業生態安全的主要因子為農作物單產水耗、農藥使用強度以及化肥使用強度等[12]。

昆明市是我國面向中東、東南亞、南亞以及非洲等地區的前沿，具有獨特的區位發展優勢。2011—2020年，昆明市人均GDP由39168元增長至80584元；城鎮化率由66%提高至79.67%；社會經濟水平迅速提高，產業化水平以及區域農業現代化水平迅速發展[14]。與此同時，建設用地不斷擴張[15]；人口持續增加，由2011年的653.8萬人增長至2020年的846.3萬人，區域內人多地少等矛盾日益尖銳。目前以昆明市作為研究區域進行的土地評價大多集中于土地集約利用[16，17]、土地適宜性[18]等方面，對土地生態安全進行評價的研究較少。對昆明市土地生態安全進行評價研究能夠有效揭示區域土地生態安全現狀及其變化過程，在此基礎上對影響土地生態系統發展演化的因素起到監督作用[19]。

本研究從自然和社會經濟出發，在PSR模型的基礎上構建評價指標體系，測算2011—2020年昆明市土地生態安全水平，采用灰色關聯法測算各因子對昆明市土地生態安全水平的影響程度，為保障區域土地生態系統可持續發展以及爭當全國生態文明建設排頭兵提供科學基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

昆明市地理坐標E102°10′～103°40′，N24°23′～26°22′，地處我國西南地區。2020年末昆明市平均人口為846.3萬人，城鎮化率為79.67%。其主要地貌類型是湖盆巖溶高原地貌，平均海拔約為1891m，地勢呈由北向南階梯狀逐漸遞減形態。昆明市以亞熱帶高原季風氣候為主要氣候類型，日照時間長，霜期短，年平均降雨量為1062.8mm，旱雨季分明。

1.2 數據來源

本研究的數據主要來源于《云南統計年鑒(2012—2021年)》《昆明統計年鑒(2012—2021年)》《昆明市國民經濟和社會發展統計公報(2012—2021年)》及政府相關網站信息。

1.3 土地生態安全評價體系構建

1.3.1 指標選取

壓力(Pressure)-狀態(State)-響應(Response)(P-S-R)框架模型是20世紀80年代末由聯合國環境規劃署(UNEP)與經濟合作與發展組織(OECD)共同發展起來的一種評價框架，能深刻地揭示人類活動、社會經濟、生態環境之間的因果關系[20]。本研究在PSR模型的基礎上構建昆明市土地生態安全評價指標體系，旨在通過所選取的評價指標測度人類在土地上進行的生產生活活動對昆明市土地生態系統所產生的壓力，在壓力下昆明市土地生態系統所呈現的狀態及社會對造成現有土地狀態變化的壓力響應，包括政策調整、環境保護措施以及其他響應[21]。

本研究遵循數據可獲取性、系統性、科學性、可行性等原則[22]，從土地生態安全的概念出發，結合昆明市實際情況，基于PSR模型框架，參考相關研究成果構建2011—2020年昆明市土地生態安全評價指標體系[23，24]。從與昆明市土地生態安全相關的社會、環境、經濟方面的壓力；環境、資源和社會經濟方面的狀態；社會、經濟方面的響應3個維度選取了年平均人口、化肥施用量、建成區綠化覆蓋率、當年完成營造林面積、人均GDP等18項指標，見表1。根據指標對評價結果產生的積極和消極影響將指標趨向性分為正向和負向。

表1 昆明市土地生態安全評價指標體系

1.3.2 計算步驟

1.3.2.1 指標數據標準化

由于指標的單位、性質不同，需要對各項指標的原始數據進行標準化處理。對于不同趨向的指標采取不同的公式進行處理。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

式中，φij指第j(j=1，…，n)年第i(i=1，…，m)項指標進行無量綱化處理后的值；Cij是指第j年第i項指標的原始值；Cmin、Cmax分別指2011—2020年第i項指標的最小值和最大值。

為消除φij=0時的影響，將φij整體向右平移0.0001個單位。

1.3.2.2 指標權重賦值

熵權法是客觀給各項評價指標賦權的方法，其能夠有效避免對指標進行主觀賦權的部分不足之處[25]。在將數據進行標準化處理后，運用熵權法為各項指標賦權。將Pij定義為第j(j=1，…，n)年第i(i=1，…，m)項指標的比重；Ei為第i項指標的熵值；Wi為第i項指標的權重。具體計算步驟：

(3)

(4)

(5)

各項指標權重如表1所示。

1.3.2.3 計算綜合指數

本研究選擇綜合指數法測算昆明市2011—2020年的土地生態安全值。計算公式：

(6)

式中，Vi指研究區域土地生態安全值，當Vi越趨近于1時表明該研究區域土地生態安全水平越高，反之，則越低。

1.3.2.4 評價等級劃分

為明確昆明市2011—2020年土地生態系統的安全等級和狀態，將定量的土地生態安全值進行定性的描述分析，本研究參考當前已有的研究成果[26，27]，將昆明市土地生態安全等級劃分為5個等級：惡劣級、敏感級、臨界安全級、良好級以及安全級，見表2。

表2 昆明市土地生態安全等級劃分

1.4 灰色關聯分析

本研究采用灰色關聯法計算評價體系中各因子對研究區域土地生態安全系統的影響程度。灰色關聯分析用于研究2個因素之間的相關聯程度，測算得出的數值越大，表明因素之間的關聯程度越大[28]。計算公式：

(7)

式中，ξ(Ci)指因子間的灰色關聯度；Δ(min)、Δ(max)指兩極的最小差值以及最大差值；ρ指分辨系數，取值0.5；Δoi(K)指各比較數列Ci曲線上每一個點與參考數列Co曲線上各個點的差值的絕對值。

2 結果與分析

2.1 土地生態安全水平分析

2.1.1 土地生態安全壓力指數分析

昆明市2011—2020年土地生態安全壓力指數見圖1。由圖1可知，昆明市2011—2020年土地生態安全壓力指數波動較大但有明顯提高。其中，2011—2012年，昆明市土地生態安全壓力指數下降，由0.13降低到0.11；2012—2014年，壓力指數上升，由0.11提高到0.19；2014—2016年，壓力指數由0.19下降到0.12；2016—2020年，壓力指數由0.12提高到0.29。

圖1 2011—2020年昆明市土地生態安全壓力指數

2.1.2 土地生態安全狀態指數分析

昆明市2011—2020年土地生態安全狀態指數見圖2。由圖2可知，昆明市2011—2020年土地生態安全狀態指數大幅提高，由0.11提高到0.37；期間，2013年狀態指數由0.16降低到0.10。

圖2 2011—2020年昆明市土地生態安全狀態指數

2.1.3 土地生態安全響應指數分析

2011—2020年昆明市土地生態安全響應指數見圖3。由圖3可知，昆明市2011—2020年土地生態安全響應指數由0.01上升至0.21，呈持續上升趨勢。

圖3 2011—2020年昆明市土地生態安全響應指數

2.1.4 土地生態安全綜合指數分析

2011—2020年昆明市土地生態安全綜合指數及等級劃分表，見表3。由表3可知，昆明市10年間土地生態安全值整體有較大幅度上升。其中，2011—2012年，綜合指數由0.25提高到0.34，安全等級處于敏感級；2012—2013年，綜合指數由0.34下降到0.33，安全等級處于敏感級；2013—2020年，綜合指數由0.33提高到0.88，安全等級到達安全級；2015年，綜合指數有所下降，下降到0.40，安全等級處于臨界安全級。

表3 2011—2020年昆明市土地生態安全綜合指數及等級劃分

2.2 灰色關聯度分析

昆明市土地生態安全準則層指數與昆明市土地生態安全值之間的灰色關聯度，見表4。2011—2020年昆明市土地生態安全狀態指數與綜合指數間的灰色關聯度最高，其次是響應指數和壓力指數。10年間，當狀態指數上升，綜合指數隨之提高；當狀態指數下降，綜合指數隨之降低，這表明二者之間的演變趨勢基本一致。綜合指數與響應指數之間的關聯度為0.682，表明昆明市10年來所采取的土地生態相應的保護措施對其土地生態整體改善有較大的貢獻。

表4 昆明市土地生態安全綜合指數影響因素灰色關聯分析

昆明市土地生態安全狀態指數與狀態指標之間的灰色關聯度，見表5。昆明市土地生態安全狀態指數與綜合指數之間的灰色關聯度最高，而與昆明市土地生態安全狀態指數灰色關聯度最高的指標是第三產業占GDP比重。社會經濟發展方式的改變引起土地利用的強度和結構變化，經濟發展的波動對土地生態的影響加強，產業結構優化升級能夠促進土地生態系統狀態的改善[11]。2011—2020年，第三產業占GDP比重由48.4%提高至64.1%，導致昆明市土地生態安全狀態指數整體提高。2013年，有效灌溉面積由1322km2減少至1210km2，以及建成區綠化覆蓋率由43.63%降低至39.25%，導致昆明市土地生態安全狀態指數下降。

表5 昆明市土地生態安全狀態系統影響因素灰色關聯分析

昆明市土地生態安全壓力指數與壓力指標之間的灰色關聯度，見表6。由表6可知，年平均人口與昆明市土地生態安全壓力指數的灰色關聯度最高，其次是城鎮化率、人口自然增長率、化肥施用量、農藥施用量以及GDP增長率。表明年平均人口逐年增長以及人口自然增長率較高導致的人口壓力過大問題，與土地生態系統發展的聯系更加密切。2012年由于年平均人口增長、農藥施用量以及GDP增長率均達到10年間的最高值，導致壓力指數下降。2015年年平均人口較2014年增長21.61萬人，2016年持續增長；人口自然增長率提高，由2014年的5.71‰提高至2016的6.21‰；2016年化肥施用量達到10年間最高值20.52萬t，以及農藥施用量增長等因素導致壓力指數下降，由0.19下降至0.12。

表6 昆明市土地生態安全壓力系統影響因素灰色關聯分析

昆明市土地生態安全響應指數與響應指標之間的灰色關聯度，見表7。由表7可知，農村居民人均收入與昆明市土地生態安全響應指數的灰色關聯度最高，其次是城市居民人均收入、人均GDP、污水處理率以及當年完成營造林面積。與狀態、壓力、響應指數關聯度最高的指標分別為第三產業占GDP比重、年平均人口以及農村居民人均收入，表明10年間土地生態系統發展狀態與社會經濟發展水平之間的聯系更加密切。

表7 昆明市土地生態安全響應系統影響因素灰色關聯分析

3 結論與討論

3.1 討論

2011—2020年昆明市土地生態安全值有較大幅度提高，安全等級由敏感級逐漸演變為安全級。其中，2011—2014年昆明市土地生態安全水平呈較不穩定狀態，安全等級較低且安全綜合指數在2013年有所下降，土地生態系統惡化，這與潘永平等的研究結論一致。潘永平等以云南省作為研究區域進行土地生態安全評價研究，通過預警模型測算出2011—2014年昆明市土地生態系統處于惡化狀態[29]。表明本研究測算結果符合昆明市土地生態安全實際情況，具有一定的參考價值和科學意義。本研究運用灰色關聯度分析法測算出影響昆明市2011—2020年土地生態安全狀態、壓力、響應系統的主要因素分別為第三產業占GDP比重(C13)、年平均人口(C1)、農村居民人均收入(C18)，均側重于社會經濟發展方面的指標。表明隨著社會經濟發展水平的不斷提高，區域經濟發展的波動對土地生態安全的影響不斷加強[11]。通過提高區域經濟、土地利用的方式能使土地生態安全朝著更好的方向發展[30]。昆明市土地生態安全水平整體有顯著提高，主要得益于昆明市有關部門積極響應國家相關政策，不斷優化調整經濟結構，完善環境保護措施。但需注意年平均人口逐年增長以及人口自然增長率較高等因素導致的人口壓力過大；化肥、農藥施用量較大；農村、城市居民人均收入有待提高的問題。因此，可以從以下幾方面加強土地生態建設，以進一步維持和提高昆明市土地生態安全水平：根據現有資源條件，有計劃地控制研究區域的人口增長，緩解人地矛盾突出的問題[31]；提倡在農業生產中降低農藥和化肥的使用，加大生態農業的推廣力度[32]；在發展經濟效益時要密切關注生態效益，注重經濟效益與生態效益的充分結合[33]。

3.2 結論

本研究結合昆明市土地生態安全系統實際情況，在PSR模型的基礎上構建評價指標體系，運用熵權法測算各項指標的權重，計算土地生態安全值，根據安全值及劃分標準進行安全等級劃分，采用灰色關聯分析法測算出各項指標對昆明市土地生態安全水平的影響。測算結果符合昆明市土地生態安全系統的實際情況，具有一定的參考價值和科學意義。

2011—2020年，昆明市土地生態安全綜合值呈上升趨勢，安全等級由敏感級逐漸演變為安全級，2019年處于良好級區間，2020年到達安全級區間，昆明市土地生態安全整體水平提高。壓力指數于2011—2016年波動較大，2016年后持續上升；狀態指數總體有較大提高，且逐漸高于壓力指數和狀態指數；響應指數低于壓力指數與狀態指數，但呈持續上升趨勢。

與昆明市土地生態安全綜合值之間關聯度最高的準則層因素分別依次為狀態指數、壓力指數與響應指數。與狀態指數、壓力指數以及響應指數的關聯度最高的指標分別為第三產業占GDP比重、年平均人口、農村居民人均收入。