關中平原城市群土地生態安全評價

吳艷霞,邱 樂

(西安理工大學 經濟與管理學院,陜西 西安710054)

土地生態安全是指生態系統中土地資源所具備的維持生態系統穩定和功能發揮的能力,作為生態安全細分領域的重要組成部分,對區域整體生態環境的可持續發展發揮著至關重要的作用[1]。隨著人口的增長及城鎮化的發展,過度開發和不合理利用導致區域土地破碎化和連片的生態斷裂,土地生態系統功能減弱,人地矛盾加劇[2-3],土地生態安全問題日益突出。

土地生態安全評價是對一個區域土地生態系統健康狀態和可持性發展程度進行綜合性評估的過程,主要用于評估土地生態安全存在的風險和隱患、監測和評價土地生態保護工作的效果[4],進而采取相應的防范和管理措施。目前,國內學者針對土地生態安全評價問題展開了深入研究,但在研究尺度、指標體系選取和評價方法等方面有所不同:從研究尺度來看,涵蓋省[5-6]、市[7-8]、縣[9-10]、城市群[11-12]、河流流域[13-14]等區域范圍;從研究指標體系來看,主要包括PSR[15-16]、DPSIR[17]、EES[18]、NES[19]等評價模型;從研究方法來看,主要有TOPSIS[20]、生態足跡法[21]、物元模型[22]、主成分分析法[23]、突變理論法[13]等。回溯相關文獻,發現當前在區域土地生態安全研究中將城市群作為研究區的定量研究成果較少,且多數研究止步于對土地生態安全水平的測度和評價,對于制約其提升的關鍵因素關注較少,這不利于土地生態安全研究體系的完善和實踐工作的開展。鑒于此,本研究以關中平原城市群作為研究區,基于2012—2021年相關數據,通過DPSIR模型構建土地生態安全評價指標體系,采用熵權TOPSIS法評價土地生態安全狀況,分析土地生態安全指數時空演化情況,并借助障礙度模型診斷影響該區域土地生態安全水平提升的關鍵障礙因子,以期為改善土地生態安全狀況提供依據和參考。

1 數據來源與研究設計

1.1 研究區概況及數據來源

關中平原城市群地處我國內陸中心位置,以西安市為核心,涉及陜西、甘肅和山西3省,包括陜西的渭南、銅川、寶雞、咸陽、西安和商洛,甘肅的慶陽、天水和平涼,以及山西的臨汾和運城等共11個地級市,轄區面積10.71萬km2。關中平原城市群擁有豐富的土地資源,是我國重要的農業產區之一,廣闊肥沃的平原地帶有利于農作物種植和農業發展。同時,該區域內還蘊藏著大量礦產資源,如煤、炭、鋁等,為工業發展提供了重要支撐。近年來關中平原城市群經濟發展迅猛,綜合實力穩步提升。2021年常住人口數量4 367萬人,地區生產總值25 349.33億元,城鎮化率達到60.11%。

本研究所用數據主要來源于2013—2022年陜西省、甘肅省和山西省統計年鑒,2013—2022年關中平原城市群11個地市統計年鑒、《中國城市統計年鑒》,以及2012—2021年關中平原城市群11個地市國民經濟運行與社會發展統計公報。部分數據可直接獲得,部分數據通過數學運算得到。

1.2 評價指標體系構建及權重確定

1)指標體系構建。“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”(DPSIR)模型整合了資源、發展、環境與人類健康等要素,能有效反映社會環境和自然環境之間的因果關系,結構清晰,簡單明了,為環境管理和評估指標體系構建提供了一個基本框架。因此,本研究堅持綜合性、可操作性、科學性等原則,在參考相關文獻[3,5,7,11,13,17]的基礎上,充分考慮關中平原城市群實際情況,分別從經濟、人口、環境、資源等方面遴選出24個指標,構建土地生態安全評價指標體系(表1)。

表1 關中平原城市群土地生態安全評價指標體系

2)指標值標準化處理。考慮到各指標值單位不同、數值相差較大,無法進行直接比較,因此利用極差標準化方法對原始數據進行標準化處理,以消除不同指標的量綱。

3)確定指標權重。權重反映了指標對土地生態安全影響的程度,為了避免主觀賦權影響評價結果的可靠性,參考相關文獻[14],本研究采取客觀性較強的熵權法確定權重。

4)建立評價模型。參考相關研究[3,10],采用TOPSIS法評價模型,通過計算各方案與正、負理想解間的加權歐氏距離并進行排序,得到關中平原城市群土地生態安全指數,并分析其時空演化情況。

1.3 障礙因子分析

參考相關文獻[24],采取障礙度模型,測算阻礙關中平原城市群土地生態安全的主要障礙因子。

1.4 土地生態安全等級劃分

采用自然斷點法將關中平原城市群土地生態安全評價標準劃分為5個等級,并參考已有研究成果進行調整,形成等級劃分標準,見表2。

表2 關中平原城市群土地生態安全等級劃分標準

2 土地生態安全評價

2.1 土地生態安全時空演變分析

2.1.1 時間序列分析

基于上述模型和方法,測算得到 2012—2021年研究區整體土地生態安全指數,見圖1。由圖1可以看出,2012—2021年研究區土地生態安全指數總體呈波動上升趨勢,由2012年的0.558上升至2021年的0.603,增長率為8.06%;土地生態安全狀況由“臨界級”逐漸轉變為“良好級”,說明研究區土地生態安全狀況逐步好轉,土地結構、功能尚好,生態環境受到小范圍破壞。具體來看,2012—2016年土地生態安全指數持續上升。這一時期,2012年黨的十八大召開后加大了對環境違法行為的懲治力度,研究區以此為契機,限制化肥、農藥施用和廢水等排放,使土地污染狀況得到初步改善。經過2016—2017年的短暫調整,2017—2020年土地生態安全指數繼續上升。這一時期,國家發展改革委、住房和城鄉建設部出臺了《關中平原城市群發展規劃》,提出將生態環境保護作為城市群建設的大前提和硬任務,推進生態共建、環境共治,為研究區優化土地生態安全格局指明了路徑。借此,關中平原城市群各地市立足區域資源、環境稟賦,優化產業發展結構和區域布局,強化水土資源優化配置,進一步改善土地生態狀況。2020—2021年土地生態安全指數出現小幅下降,可能與國內經濟整體增速放緩的大形勢有關。進一步分析,限制研究區土地生態安全狀況進一步改善的問題集中在采礦等固體廢物處理不合理導致的土壤和地下水污染,以及新增造林面積減少等。

圖1 2012—2021年關中平原城市群整體土地生態安全指數變化

2.1.2 空間演化分析

基于評價結果與等級劃分標準,運用ArcGIS繪制2012、2021年研究區各地市土地生態安全等級分布情況,見圖2。由圖2可以看出,從總體上看,2012、2021年研究區11個地市的土地生態安全等級都處于“敏感級”與“良好級”之間,總體空間分布格局由2012年的“中部優,東西劣”演變為2021年的“中部與西部優,東部仍劣”。

圖2 關中平原城市群各地市土地生態安全等級分布

2012年,關中平原城市群還未正式批復成立,以省為界線的土地生態安全空間分異格局較為顯著,處于“敏感級”的3個城市——慶陽市、平涼市、天水市均隸屬甘肅省。這些地市經濟發展水平較低,產業結構單一,并且本身具有較為嚴重的生態環境問題,如森林覆蓋率低、林分質量較差、涵養水源和調節小氣候能力不強、水土流失嚴重等,而政府財政支出多用于發展經濟,對于土地修復治理與生態改善的投入較少。土地生態安全狀況處于“臨界級”的城市有4個,分別是銅川市、商洛市、臨汾市和運城市。銅川市以采礦和冶煉產業為主,采礦活動容易引發土地沉降和水土流失,冶煉過程產生的廢物廢水等會對土壤和地下水造成污染;商洛市位于秦嶺山區,森林資源豐富,但城市建設用地不斷增加導致森林覆蓋率下降,同時地理環境復雜又容易引發自然災害;臨汾市和運城市煤炭資源豐富,煤炭開采是其支柱產業,但是大規模資源開發也引發了土地破壞、質量下降等生態問題。寶雞市、咸陽市、渭南市和西安市4個地市的土地生態安全均處于“良好級”,這與這些地市實施了較合理的經濟發展與土地生態治理政策有關。

相比2012年,2021年研究區西部主要地市的土地生態安全等級發生了明顯變化,慶陽市、平涼市和天水市由“敏感級”演化為“良好級”,研究區“敏感級”完全退出。這與這些地市在經濟發展的同時加強了生態環境治理有關,通過實施生態屏障建設與水土流失綜合治理,2021年慶陽市、平涼市水土流失治理面積均超過700 km2。銅川市從“臨界級”向“良好級”轉變,分析其原因,銅川市多年來致力于改變能源結構偏煤的現狀,在能源、化工等行業進行清潔生產改造,采取了專項治理措施等有針對性的污染治理行動,筑起了一道土地生態安全防線。西安市是研究區內土地生態安全等級唯一下降的城市,從“良好級”降至“臨界級”,這與其城市化加速推進的過程中土地利用結構改變、人口大量聚集(2021年西安市人口密度達到1 223人/km2),加劇了土地生態安全壓力有關。其余地市土地生態安全指數變化較小,土地生態安全等級未發生變化。

2.2 土地生態安全評價指標體系子系統分析

2012—2021年關中平原城市群土地生態安全評價指標體系各子系統土地生態安全指數變化見圖3,具體來說:

圖3 2012—2021年關中平原城市群土地生態安全評價指標體系子系統土地生態安全指數變化

1)驅動力。除了2019—2020年,2012—2021年期間研究區驅動力子系統的土地生態安全指數總體呈明顯增加趨勢,從2012年的0.462到2021年的0.651,增長了40.9%,其中增長率最高的是天水市,平涼市次之,西安市最低。總體來看,2012—2021年研究區驅動力子系統的土地生態安全等級逐步從“敏感級”上升至“良好級”,這受益于黨的十八大以來我國經濟邁上新臺階,關中平原城市群各地市人均GDP逐年穩步增長,城鎮化水平顯著提升,同時生態文明寫入黨章、生態安全納入國家安全體系都是研究區土地生態安全狀況改善的直接驅動力。

2)壓力。2012—2021年研究區壓力子系統的土地生態安全指數總體變化不大,從2012年的0.537到2021年的0.557,增長了3.7%。總體來看,2012—2021年研究區壓力子系統的土地生態安全等級均為“臨界級”。近年來關中平原城市群各地市更加重視農業污染治理,逐步限制農業化肥與農藥施用量,萬元GDP能耗也不斷下降,這在一定程度上緩解了土地生態負荷,但受城市化發展帶來的土地生態系統擾動破壞與經濟社會發展壓力影響,壓力子系統土地生態安全狀況變化并不明顯。

3)狀態。除了2012—2013、2018—2019年,2012—2021年期間研究區狀態子系統土地生態安全指數總體呈增加趨勢,從2013年的0.533到2021年的0.606,增加了13.7%。總體來看,2012—2021年研究區狀態子系統的土地生態安全等級處于“臨界級”,2021年升至“良好級”。近年來關中平原城市群各地市通過提高水資源與土地資源的協調度,優化水土資源配置,提高建成區綠化覆蓋率和人均公園綠地面積,取得了良好效果,但不利因素是在經濟發展過程中城市建設用地增加等會對土地生態空間造成擠壓,造成土地生態安全等級下降。

4)影響。除了2016—2017、2020—2021年,2012—2021年期間研究區影響子系統的土地生態安全指數總體呈增加趨勢,從2012年的0.568到2021年的0.649,增加了14.3%,其土地生態安全等級由“臨界級”向“良好級”轉變。隨著科學技術的發展,關中平原城市群各地市加大了對高科技農業的投入力度,提高了土地利用效率和單位耕地面積糧食產量,同時調整經濟發展思路,加快發展數字經濟與共享經濟,推動產業提質增效,提高了單位建設用地第二三產業增加值。

5)響應。除了2016—2019年,2012—2021年期間研究區響應子系統的土地生態安全指數總體呈增加趨勢,從2012年的0.615到2021年的0.680,增加了10.6%,土地生態安全等級穩定在“良好級”。2012年以來,關中平原城市群各地市將生態文明理念融入到城市群建設的全過程。通過回溯指標發現,近年來各地市人均造林面積、水土流失治理面積、生活垃圾無害化處理率、工業固廢綜合利用率等均有所增加,一系列響應措施對城市群環境容量擴充起到了積極作用,土地生態環境狀況逐步得到改善。

3 障礙因子診斷分析

通過障礙因子診斷模型計算2012—2021年研究區土地生態安全障礙因子。對于準則層,各指標障礙度變化不顯著,總體上狀態指標障礙度一直高于40%,位居第一;其次是影響與響應,位居第二三位;驅動力和壓力指標障礙度較低,且呈波動下降趨勢。

對于指標層,僅選取障礙度排名前5的指標作為關鍵障礙因子,結果見表3。2012—2021年研究區土地經濟密度(S3)一直居于首位,說明經濟發展緩慢是制約研究區土地生態安全水平提升的主要因素;人均水資源量(I5)與人均耕地面積(S2)分別位居第二三位,研究區水資源空間分布不均,人均水資源量還不及全國平均水平的1/3,水資源短缺與耕地面積不足對于土地生態安全的影響是持續的,屬于長期性障礙因子;之后是人均GDP(D3)、農業機械總動力(I3)、水土流失治理面積(R5)。可見,土地經濟密度(S3)、人均水資源量(I5)、人均耕地面積(S2)、人均GDP(D3)、農業機械總動力(I3)與水土流失治理面積(R5)是阻礙土地生態安全水平提升的主要障礙因子。

表3 2012—2021年關中平原城市群土地生態安全障礙因子分析

4 結論

本研究基于2012—2021年關中平原城市群相關數據,通過DPSIR模型構建土地生態安全評價指標體系,采用熵權TOPSIS法評價土地生態安全狀況,分析土地生態安全指數時空演化情況,并借助障礙度模型診斷影響該區域土地生態安全水平提升的關鍵障礙因子。結果表明:①2012—2021年研究區土地生態安全指數總體呈波動上升趨勢,由2012年的0.558上升至2021年的0.603,增長率為8.06%,土地生態安全狀況由“臨界級”逐漸轉變為“良好級”,說明研究區土地生態安全狀況逐步好轉,土地結構、功能尚好,生態環境受到小范圍破壞。②2012—2021年研究區土地生態安全整體向好,由“中部優,東西劣”向“中部與西部優,東部仍劣”演變,但各地市變化不一,其中慶陽市、平涼市和天水市由“敏感級”演化為“良好級”,銅川市從“臨界級”向“良好級”轉變,但西安市土地生態安全等級從“良好級”降至“臨界級”。③從DPSIR各子系統來看,驅動力子系統土地生態安全狀況變化顯著,其土地生態安全指數由0.462上升至0.651,土地生態安全等級由“敏感級”上升至“良好級”,壓力子系統提升最少,一直處于“臨界級”,狀態與影響子系統土地生態安全等級由“臨界級”升至“良好級”,響應子系統一直處于“良好級”狀態。④從指標層障礙因子診斷結果來看,土地經濟密度、人均水資源量、人均耕地面積、人均GDP、農業機械總動力與水土流失治理面積是阻礙土地生態安全提升的主要障礙因子。