范 津

(海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114200)

0 引 言

在一種少受或者不受破壞和威脅的生態(tài)環(huán)境中，土地所處的平衡、健康狀態(tài)就是土地生態(tài)安全。換而言之，土地生態(tài)安全是指通過合理利用和管理一定時空范圍內(nèi)的土地資源，使其少受或不受威脅保持土地生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)所處的平衡、健康狀態(tài)，并提供充裕、均衡、穩(wěn)定的自然資源保障農(nóng)業(yè)與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，維持經(jīng)濟(jì)、社會、土地自然的長期協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。

土地是人類活動衣食住行的基本來源和賴以生存的最基本條件，健康的土地生態(tài)功能關(guān)系著人民生存、國防建設(shè)、社會經(jīng)濟(jì)和國家政治安全，也是決定社會穩(wěn)定和維系經(jīng)濟(jì)安全的關(guān)鍵因素[2]。目前，土地生態(tài)安全已成為土地資源可持續(xù)利用研究和生態(tài)安全問題研究的前沿課題[3-5]，對保障農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。其中，GIS技術(shù)、物元模型、主成分分析、PSR模型等土地生態(tài)安全評價常用的方法[6-12]。依據(jù)評價分析土地生態(tài)安全的相關(guān)資料，中國現(xiàn)有研究還處于初級階段，現(xiàn)存的問題如下：評價方法單一，參評因子繁多，缺乏系統(tǒng)全面的指標(biāo)體系，尚未形成普遍適用的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，權(quán)重值與標(biāo)準(zhǔn)值確定時具有較大主觀性等。文章依據(jù)土地生態(tài)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)框架模型，選擇18項(xiàng)典型參評因子構(gòu)建評價體系，并運(yùn)用綜合指數(shù)模型和灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型評價預(yù)測了遼寧省2010-2019年的土地生態(tài)安全狀況及其未來9a的變化趨勢，在此基礎(chǔ)上判定制約土地生態(tài)安全的關(guān)鍵因子，為制定科學(xué)的調(diào)控措施、促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供決策依據(jù)，維持經(jīng)濟(jì)、社會與土地自然的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

遼寧省位于E118°53′-125°46′、N38°43′-43°26′，東與韓國、日本隔海相望，南與渤海、黃海相鄰，也是既沿邊又沿海的省份，其總面積14.8萬km2，下轄沈陽、鐵嶺、大連、葫蘆島、朝陽等14個地級市和2個省管縣，地勢大致為自東西兩側(cè)向中部、自北向南傾斜，地貌形態(tài)大體為“六山一水三分田”。該區(qū)域分布有大凌河、太子河、饒陽河、渾河和遼河等河流，水文特征為河道平緩、泄洪能力差、易發(fā)生洪澇、含沙量高、河床狹窄、徑流量年內(nèi)分配不均等，比較適合中小水電站建設(shè)。遼寧省水資源匱乏、人口密度較高且降水量時空分布不均，水資源利用存在邊際效益低、開發(fā)難度大、開采成本高、可利用總量少等特點(diǎn)，加之用水浪費(fèi)嚴(yán)重及局部地下水過度開采等問題，使得生態(tài)環(huán)境壓力和水資源可持續(xù)利用更加突出。研究區(qū)屬于中國重要的畜牧業(yè)、重工業(yè)和農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)基地，其對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占據(jù)著重要地位。因此，非常有必要探究其土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其變化趨勢，維持經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與土地生態(tài)安全的協(xié)調(diào)關(guān)系，這也是關(guān)系到東北地區(qū)興衰及國家戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵因素。

1.2 數(shù)據(jù)來源

PSR框架模型有機(jī)融合了環(huán)境響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)作和人類活動的相互聯(lián)系，涵蓋自然環(huán)境與人類活動兩大體系，比較適用于環(huán)境現(xiàn)象的評判。因此，文章利用土地生態(tài)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型，選擇經(jīng)濟(jì)密度、人均耕地面積、城市化水平、森林覆蓋率、GDP增長率等18項(xiàng)典型因子構(gòu)建評價體系，并運(yùn)用綜合指數(shù)法和灰色預(yù)測GM(1,1)模型評價預(yù)測了遼寧省土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其變化趨勢。

研究數(shù)據(jù)來源于遼寧省2010-2019年社會發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)、官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)信息，以及遼寧調(diào)查年鑒、統(tǒng)計(jì)年鑒、城市統(tǒng)計(jì)年鑒等[13-16]。

2 土地利用生態(tài)安全評價

2.1 評價指標(biāo)體系

文章對遼寧省生態(tài)安全因子進(jìn)行綜合分析，遵循區(qū)域性、可比性、可操作性和科學(xué)性等原則選取18項(xiàng)參評指標(biāo)，并運(yùn)用PSR框架模型建立土地生態(tài)安全評價體系。土地生態(tài)安全評價體系與指標(biāo)權(quán)，見表1。

2.2 指標(biāo)權(quán)重

總體上，可以將常用的權(quán)重計(jì)算方法劃分為主、客觀賦權(quán)兩類，前者考慮了決策者的個人偏好和知識經(jīng)驗(yàn)，所以該方法很容易引起評價結(jié)果存在偏差；后者以完善、系統(tǒng)的理論體系和運(yùn)算流程為依據(jù)，并且能夠以客觀實(shí)際為載體獲取有效的數(shù)據(jù)信息，由于未考慮決策者的主觀判斷使得評判結(jié)果易出現(xiàn)明顯誤差。因此，文章綜合考慮客觀的數(shù)據(jù)信息和主觀的經(jīng)驗(yàn)判斷，將AHP法和主成分分析法求解的主、客觀權(quán)重相集成，由此保證權(quán)重計(jì)算的合理性和可靠性。該方法存在運(yùn)算量少、客觀性強(qiáng)、原理清晰、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)流程見文獻(xiàn)[17-18]。

評價過程中能否合理的確定土地生態(tài)安全基準(zhǔn)，將對評價結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。通常情況下，應(yīng)考慮以下方面科學(xué)確定評價基準(zhǔn)：①評價標(biāo)準(zhǔn)值選取區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境本底值與背景值；②參考已有國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)或者發(fā)展良好地區(qū)的現(xiàn)狀值，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況確定標(biāo)準(zhǔn)值；③針對個別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不完整但非常重要的參數(shù)，可以選用相近指標(biāo)暫時替代。充分考慮遼寧地區(qū)土地利用現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境特征，選用全國平均值替代部分指標(biāo)基準(zhǔn)值。評價指標(biāo)實(shí)際值，見表2。

表1 土地生態(tài)安全評價體系與指標(biāo)權(quán)重

2.3 無量綱化處理

無量綱化處理是將不同單位的初始參數(shù)值利用數(shù)學(xué)的方法，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，由此消除不同指標(biāo)之間的不可通透性，并以各種無量綱指標(biāo)相對值的形式反映土地生態(tài)安全狀況。

針對參數(shù)值越大則土地生態(tài)越安全的正向指標(biāo)，若設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為“安全值”，則有pi=0、xi≥yi；pi=1-xi/yi；若設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為“不安全值”，則有pi=1、xi≤yi；pi=yi/xi、xi>yi。

針對參數(shù)值越小則土地生態(tài)越安全的負(fù)向指標(biāo)，若設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為“安全值”，則有pi=0、xi≤yi；pi=1-yi/xi；若設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值為“不安全值”，則有pi=1、xi>yi；pi=xi/yi，xi

其中，xi、yi為參評因子i的實(shí)際值和基準(zhǔn)值，pi為土地生態(tài)安全指數(shù)。采用上述計(jì)算方法，對2010-2019年各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值(表2)統(tǒng)一處理，由此獲取相應(yīng)的安全指數(shù)，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全指數(shù)，見表3。

表2 評價指標(biāo)實(shí)際值

續(xù)表2 評價指標(biāo)實(shí)際值

表3 遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全指數(shù)

2.4 生態(tài)安全綜合指數(shù)

根據(jù)上述運(yùn)算流程確定各指標(biāo)權(quán)重及其標(biāo)準(zhǔn)化值，綜合評價值A(chǔ)i的計(jì)算公式為：

(1)

式中：xj、wj為參評因子j的標(biāo)準(zhǔn)化值與權(quán)重值；Ai為區(qū)域i的土地生態(tài)安全綜合評價值。

2.5 生態(tài)安全等級

為了能夠定性描述土地生態(tài)系統(tǒng)的定量評價結(jié)果，按照不同等級和實(shí)際情況綜合判斷生態(tài)系統(tǒng)安全態(tài)勢。結(jié)合遼寧省土地利用實(shí)際情況和相關(guān)研究成果，在咨詢有關(guān)專家的基礎(chǔ)上劃定生態(tài)安全評判標(biāo)準(zhǔn)。等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表4 等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

然后按照等級判別標(biāo)準(zhǔn)和綜合評價結(jié)果，確定遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全狀況及其等級，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全等級，見表5。

表5 遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全等級

為了能夠更加直觀的反映土地生態(tài)壓力、狀態(tài)、響應(yīng)子系統(tǒng)和綜合指數(shù)的變化趨勢，將以上評價值繪制成圖，土地生態(tài)安全變化特征，見圖1。

圖1 土地生態(tài)安全變化特征

2.6 生態(tài)安全動態(tài)預(yù)測

原始數(shù)據(jù)選取遼寧省2010-2019年生態(tài)安全綜合指數(shù)，并對研究區(qū)未來9a生態(tài)安全變化趨勢利用灰色系統(tǒng)法進(jìn)行預(yù)測。生態(tài)安全值的時間動態(tài)模型運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM(1,1)預(yù)測法和Matlab2012軟件構(gòu)建，表達(dá)式如下：

x(t+1)=48.2670-47.8152exp(0.0098t)

(2)

式中：t、x為預(yù)測時間和土地生態(tài)安全水平。設(shè)P、C代表最小誤差概率和實(shí)際觀測值與模型計(jì)算的初始數(shù)列還原值之間的殘差值方差，若滿足C<0.65、P>0.7則判定為合格，依據(jù)模型檢驗(yàn)結(jié)果P=0.9000、C=0.4846，可認(rèn)為該模型符合精度要求。因此，對遼寧省2020-2028年的生態(tài)安全態(tài)勢利用生成的時間動態(tài)模型進(jìn)行預(yù)測。土地生態(tài)安全變化趨勢，見圖2。

圖2 土地生態(tài)安全變化趨勢

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全變化趨勢

從圖2可知，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全表現(xiàn)出波動變化的趨勢，且總體處于較低水平。2010-2011年土地生態(tài)壓力和響應(yīng)曲線均表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，該時段為下降期，進(jìn)一步分析，該時段工業(yè)廢氣單位排放量的增多以及固體廢物綜合利用率、農(nóng)民人均收入、人均GDP、環(huán)保支出占GDP比例的減少使得生態(tài)安全水平有所下降；2011-2012生態(tài)安全響應(yīng)曲線明顯上升，該時段為上升期，可見土地生態(tài)安全受人為因素的影響比較明顯，依據(jù)表2可知，此時段固體廢棄物利用率和工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率總體維持在較高水平，并且呈不斷上升趨勢，這主要與加大環(huán)境治理投入、第三產(chǎn)業(yè)占比明顯增大等因素相關(guān)，顯著提升了土地生態(tài)安全水平和環(huán)境質(zhì)量；2012-2013年人均GDP、農(nóng)民人均收入、固體廢物利用率和工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等正向指標(biāo)安全指數(shù)減少，在一定程度上降低了生態(tài)安全水平，所以此時段為下降期；2013-2014年第三產(chǎn)業(yè)占比、自然保護(hù)區(qū)面積占比、固體廢物綜合利用率、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率和城市化水平等貢獻(xiàn)較大的正向指標(biāo)增加，對提高生態(tài)安全水平發(fā)揮著積極作用，因此該時段為上升期；2014-2019年土地生態(tài)安全受人為干擾的程度下降，治理工程改善生態(tài)安全的作用減弱，所以該時段為下降期，結(jié)合表2可知單位耕地農(nóng)藥施用量、化肥施用量、經(jīng)濟(jì)密度、人口自然增長率、人口密度等負(fù)向指標(biāo)呈增大趨勢，這些因素增大了土地生態(tài)的壓力負(fù)荷，加之第三產(chǎn)業(yè)占比和環(huán)保支出占GDP比的減少，在一定程度上降低了土地生態(tài)安全水平[19-20]。

3.2 生態(tài)安全評價

從表5可知，遼寧省2010-2019年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)總體處于0.42-0.48，安全等級達(dá)到Ⅲ級臨界安全狀態(tài)，10a間綜合指數(shù)的波動幅度較小，雖然個別年份的生態(tài)安全值有所增加，但整體變化并不明顯，可見該區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)尚可維持基本功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有變化、生態(tài)環(huán)境受到一定破壞、服務(wù)功能已有退化、生態(tài)問題顯著、受干擾后發(fā)生惡化、時有發(fā)生生態(tài)災(zāi)害。將未來9a的生態(tài)安全狀態(tài)運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示2020-2028年生態(tài)安全值呈明顯的減少趨勢，安全等級下降至Ⅳ級較不安全狀態(tài)，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地資源合理利用產(chǎn)生明顯的制約。

4 結(jié) 論

文章以遼寧省為例，對其2010-2019年的土地生態(tài)安全水平利用PSR框架模型和綜合指數(shù)法科學(xué)評價，并對其未來變化趨勢運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM(1,1)法預(yù)測。結(jié)果顯示，遼寧省土地生態(tài)安全水平呈波動下降的趨勢，未來的土地生態(tài)安全狀況將達(dá)到Ⅳ級較不安全等級。

由于人均耕地面積的逐年減少及人口自然增長率、人口承載量、化肥使用量、單位耕地農(nóng)藥等指標(biāo)的逐年增大，在一定程度上加大了生態(tài)安全壓力指數(shù)；水土流失比重、工業(yè)廢氣單位排放量、固體廢物綜合利用率、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)的逐年增大，對生態(tài)狀態(tài)指數(shù)起到負(fù)面作用；第三產(chǎn)業(yè)占比、自然保護(hù)區(qū)面積比重、環(huán)保支出占GDP比的逐年減少，對降低生態(tài)響應(yīng)指數(shù)發(fā)揮著顯著作用。因此，為提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境的服務(wù)功能、促進(jìn)土地生存環(huán)境的健康發(fā)展及土地資源的高效利用，建議繼續(xù)加大環(huán)保投入、加強(qiáng)水土流失治理、提倡土地的高效集約利用、提高森林覆蓋率和農(nóng)藥化肥利用率。