基于PSR模型的土地生态安全评价——以淮北市为例

周庆婷，何 刚，杨静雯，赵疏航

(安徽理工大学 经济与管理学院，安徽 淮南 232001)

2018年《关于全面实行永久基本农田特殊保护的通知》提出对于人类来说最珍贵的资源是土地，加快建设数量、质量、生态“三位一体”耕地保护新格局，对建设生态文明有着重大意义。为了最大限度地实现中国土地资源的价值，满足发展的需要，需要不停的提高耕地质量，避免污染和破坏土地资源，注重管理和保护耕地质量[1]。土地生态安全一般是指经济、社会和自然生态能够协调统一，是由土地经济安全，土地社会安全和土地自然生态安全形成的安全综合体系，目的是在区域范围里实现可持续发展。近年来，工业化和城市化加速发展，使得人地矛盾日益突出，对土地的不合理利用程度已经超过土地自身的生态承载力，导致大部分地区生态环境逐步恶化，如森林绿地面积减少、土地荒漠化、耕地的水土流失、环境污染日益严重等。为了更好的发挥城市土地作用，保障人们生产生活，研究和保护城市土地生态安全势在必行，这已成为城市生态建设重点，也是学者们研究的热门课题[2]。

一、文献综述

目前学者对于土地生态安全评价的研究众多，郭旭东等以中国土地生态学为对象，利用文献检索和综合分析的方法分析了中国土地生态学的进展及发展方向，提出了改进土地生态安全评价技术方法的建议[3]。谢玲等以广西石漠化地区为研究对象，构建基于PSR模型的土地生态安全指标体系，建立生态安全综合模型，得出广西石漠化地区土地生态安全主导因素、综合指数，并从时间和空间上讨论了安全等级的变化趋势[4]。于海洋等以精河县为研究对象，构建基于DPSIR的土地生态安全评价指标体系，利用RS和GIS技术，分析了精河县土地利用/覆被与土地生态安全变化，得出了精河县生态水平处于临界安全的等级[5]。汪雨琴等以神农架林区为对象，建立TOPSIS模型对神农架林区土地生态安全水平进行了实证分析[6]。肖姚等以江苏省昆山市为研究单元，采取综合指数法、关联测度法对昆山市土地生态综合质量和关键景观格局因子进行定量分析，得出了昆山市土地生态质量空间差异以及不同用地结构类型区影响土地生态质量的关键景观格局因子差异[7]。汪磊等以山东省为研究对象，运用主成分聚类组合评价模型对山东省土地生态安全现状进行实证研究，分析得出山东省土地生态安全空间分布不均衡[8]。李德胜等以南昌市为研究对象，构建灰色关联投影模型和障碍度模型，对土地生态安全动态变化特征及主要障碍因子进行实证分析[9]。

综上所述，发现已有的成果主要是从单一的静态时间序列上的土地生态安全评价，且多强调评价方法；利用PSR模型对以煤炭资源型城市的研究并不是很多，通过不同子系统的协调度来分析影响土地生态安全变化的研究具有较大拓展空间。PSR模型综合考虑社会、经济、资源与环境，突出人地关系。鉴于此，本文将PSR模型与障碍度模型相结合，深入研究土地生态安全总体变化并诊断主要障碍因子[10]。最后提出针对煤炭资源型城市改善土地生态安全的对策与建议，希望为淮北市未来发展提供方向。

二、研究方法

(一)评价指标体系的建立

PSR模型即压力-状态-响应模型，它的基本思想是人们进行活动时对生态环境造成压力，反过来改变了环境的状态，人们再根据这些变化做出反应行为[11]。结合淮北市土地利用现况和经济发展水平，筛选20个指标构建评价指标体系(如表1所示)。

表1 淮北市土地生态安全指标体系

(二)原始数据标准化

由于每个评价指标的单位和量纲不同并且指标方向被划分为正向、反向，所以在分析时执行无量纲处理。本文采用最大离差法进行标准化。公式为：

正向指标：

yij=aij-min{aij}/max{aij}-min{aij}(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

(1)

负向指标：

yij=max{aij}-aij/max{aij}-min{aij}(i=1，2，…n；j=1，2，…m)

(2)

式(1)、(2)中：yij为标准化的值；max{aij}为第j个指标中的最大值；min{aij}为第j个指标中的最小值。

(三)权重确定

熵权法用于每个指标重要程度的确定，若是指标的信息熵越小，那么该指标拥有的信息量越大，则权重就越大(如表2所示)。公式为：

各指标熵值：

(3)

最后根据得到的信息熵来计算权重wj：

(4)

表2 淮北市土地生态安全评价体系权重

(四)评价综合指数及等级划分

单项指标不能完全反映淮北市土地生态安全现状，现将各个指标进行综合。公式为：

(5)

式(5)中：p为土地生态安全系数；cij为各个指标的标准化值；wj为指标权重。

参考众多土地生态安全评价标准，结合淮北市的自然社会情况，划分符合淮北市土地生态安全评价等级表[12](如表3所示)。

表3 土地生态安全分级标准

(五)障碍因子诊断

为综合分析并提高土地生态安全水平，需要评估单独指标和分类指标的障碍程度，寻找主要障碍因子[13]。公式为：

(6)

式(6)中：xij指标偏离度为单独指标和土地生态安全理想值之间的差

(7)

式(7)中：yi表示单独指标对土地生态安全的影响；vj为因子贡献率表示单因子对总目标的权重(wi·wij)

Yi=∑yi

(8)

式(8)中：Yi表示第i年分类指标对土地生态安全的影响

三、实证分析

(一)研究区域简介

淮北市位于安徽省北部，东经116°24′～ 117°03′、北纬33°16′～34°10′，它位于山东、江苏、安徽、河南四省交界处。地形东北高西南低，海拔在15～40米之间，大部分是以平原为主；气候温和，季风明显，雨水适中。2017年总人口216.9万人，面积2 741km2，生产总值(GDP)达929亿元，比2016年增长16.3 %。淮北是国家重要的能源城市，矿产资源蕴藏量十分丰富，目前已发现 56种矿产，在经济与社会发展中有着重要作用。与同类煤矿资源型城市比较，研究区域每年新增塌陷地约533hm2，截止2017年因采煤塌陷土地高达35.3万亩，塌陷区房屋倒塌、道路断裂、生态环境遭到严重破坏[13]。山体滑坡塌陷导致了土地面积不断减少，土地生态环境亟待改善。因此，评价以煤炭资源型城市淮北区域土地生态安全具有重要意义。

(二)数据来源

数据主要来自2008—2017年《淮北市统计年鉴》、2008—2017年《淮北市国民经济和社会发展统计公报》、2008—2017年《安徽省统计年鉴》、2008—2017年《中国煤炭工业年鉴》和2008—2017年《中国城市统计年鉴》等资料。

(三)土地生态安全评价

1. 土地生态安全综合分析。2008—2017年淮北市土地生态安全综合指数呈下降再上升的趋势(见表4)，2008—2012年生态安全综合指数从0.408 74下降到0.233 86，安全等级从敏感级下降到恶劣级。2012—2015年生态安全指数从0.233 86上升到0.447 58，安全等级从恶劣级上升到敏感级。2015—2016年生态安全指数从0.447 58上升到0.559 08，安全等级从敏感级上升到临界安全。2016—2017年生态安全指数从0.559 08上升到0.614 01，安全等级从临界安全上升到比较安全。这在对以煤炭资源型城市淮南区域开展土地生态安全评价中也得到了相同的结论，两者土地生态安全指数都呈波动上升的态势[14]，由此可知，淮北市过去对土地生态环境造成很大的破坏，但最近几年在经济快速发展的同时，淮北市的经济社会也进入了提质提效、转型崛起的新阶段，注重对土地生态环境的保护。人类活动持续影响和破坏土地生态环境，但就目前来说淮北市的土地生态还是处于比较安全的状态。

表4 2008—2017年淮北市土地生态安全评价结果

2. 土地生态安全子系统分析。可从以下三个子系统进行分析：

(1)压力安全分析。从压力系统角度分析，2008—2017年淮北市土地生态安全压力指数总体上呈下降再上升的趋势。2008—2012年压力指数从0.100 41下降到0.046 97，2012—2017年压力指数从0.046 97上升到0.139 61。其中2008—2012年单位面积耕地的化肥使用量由0.650t/hm2上升到0.745t/hm2，增加了土地的负荷，一定程度上在施加土地压力。2013年单位面积耕地的化肥使用量下降到0.452t/hm2，化肥使用量的不断减少，有效的改善了土壤土质。土地压力缓解主要得益于2013年淮北市政府紧紧围绕“精致淮北”建设总部署，把稳增长放在首位，牢牢把握发展机遇，注重发展方式，所以转型效果十分显著。同时城镇化水平也在每年不断上升，从2008年的54.8%上升到2017年的63.6%，大大加快了淮北市城市化的速度。从整体上看，土地生态压力指数呈增长趋势，淮北市土地生态环境趋于良性发展。

(2)状态安全分析。从状态系统角度分析，淮北市土地状态安全指数2008—2012年0.248 97下降到0.064 01，2012—2017年0.064 10上升到0.197 00。总的来说，淮北市土地状态安全未来正在往好的方向转变。2008—2012期间淮北市过度依赖煤矿开采，以煤矿用地的工业用地不断扩张，到2012年第二产业由59.9%增加到66.1%，工矿用地增加了20.5%，严重降低了土地生态状态安全指数。淮北市政府意识到对土地生态环境造成破坏，重新规划用地，进行生态恢复，扎实开展“转型发展攻坚年”活动。2012—2017年森林覆盖率17.15%上升到25.7%；当年造林面积1 021hm2上升到4 133hm2，增加了三倍；同时到2017年建成区绿地覆盖率高达44.37%，以上措施大大改善了淮北市土地生态环境。

(3)响应安全分析。从响应系统角度分析，2008—2017年淮北市土地生态响应指数从0.059 54上升到0.277 40，平均每年增长18.65%。结果显示，淮北市在追求经济发展同时，在土地生态环境这一方面采取积极有效的措施，不断实践中国碳谷·绿金淮北战略和坚守“一二三四五”总体发展路线，动能的发展不断加速转型，经济社会发展有了转型升级全新的面貌。经济迅速发展，2008—2017年人均GDP从17 029元上升到41 885元；注重发展旅游业，2008—2017年旅游收入12.5亿元上升到95.8亿元，年均增长率25.3%；不断优化升级产业结构，2017年第三产业占34.2%；加大环保投资，2017年污水处理率达98.06%，环保投资占GDP 0.549%，一般工业固体废物综合利用率92.76%，以上表明淮北市土地生态环境各方面均在不断的改善。

(四)障碍因子诊断

1.主要障碍因子。根据土地生态安全障碍因子诊断计算方法，对2008年和2017年淮北市土地生态安全障碍度进行计算(见表5)。2008年系统状态和系统响应两方面阻碍淮北市土地生态安全水平上升，主要包括森林覆盖率、当年造林面积、环保投资比重、旅游收入、人均GDP、污水处理率、人均耕地面积等；2017年系统状态和系统压力两方面阻碍土地生态安全水平上升，主要包括居民用地及工矿用地、环保投资比重、耕地面积比重、第一产业比重、人口自然增长率、单位面积耕地农药使用量、单位面积耕地化肥使用量等。从单独指标障碍度变化趋势来看，2008—2017年居民用地及工矿用地、耕地面积比重上升幅度较大；而森林覆盖面积、当年造林面积、旅游收入、人均GDP、城市污水处理率下降幅度较大，这类障碍因子在不断减少对土地生态安全的影响。通过计算诊断出的主要障碍因子在研究安徽省区域土地利用绩效评价结论中也有体现[15]，结果表明，淮北市政府虽然重新规划城市用地，但效果并不明显，仍然存在盲目扩大占地规模、建设不合理和重复建设等，造成土地资源浪费。但是与此同时人们自我环保意识不断增强，积极参与到土地生态环境的改造，在植树造林、污水处理以及工业固体废物重新利用等方面投入了更多的资金。

表5 2008和2017年淮北市土地生态安全障碍因子排序

图1 2008—2017年各分类指标障碍度

2.分类指标障碍度。在单独指标障碍度计算基础上，进一步计算2008—2017年淮北市土地生态安全分类指标障碍度(见图1)。总体来说，系统压力安全和系统状态安全障碍度不断增加，而系统响应安全障碍度不断减少。从分类指标障碍度数值来考察，2008年系统响应安全障碍度排第一，其次是系统状态、压力安全；2008—2015年系统状态安全位于第一，其次是系统响应、压力安全；2015—2017年系统状态安全仍为第一，而系统压力安全超过系统响应安全位于第二位。由此可知，淮北市土地生态安全受系统压力安全和系统状态安全障碍作用较大，要着重从这两个方面入手，同时也要兼顾系统响应安全。

四、结论和建议

(一)结论

研究表明，2008—2017年淮北市土地生态安全水平不断提高，土地生态安全综合指数2017年是2008年的1.502倍，安全等级已从2008年的“敏感”上升为2017年的“比较安全”。系统压力安全指数和系统状态安全指数呈下降后上升的趋势，系统响应安全指数呈上升趋势。从分类指标障碍度来看，2008—2017年系统压力安全和系统状态安全障碍度不断增加，而系统响应安全的障碍度正在减少；淮北市土地生态安全受系统压力安全和系统状态安全障碍作用比较大。从主要障碍因子来看，影响淮北市土地生态安全水平的主要因素包括污水处理率、人均耕地面积、居民用地及工矿用地、耕地面积比重、第一产业比重、单位面积耕地农药使用量以及单位面积耕地化肥使用量等。利用PSR模型能科学全面地反映淮北市土地生态安全状况及变化情况，但指标体系受主客观影响和数据可获取性的局限仍不完善，需进一步充实。

(二)建议

第八次全国生态环境保护大会提出，积极推进生态文明的建设、改善生态环境，坚决防治污染，把中国的生态文明推向新的高度。针对淮北市土地生态安全提出具体的建议：注重在农药和化肥中实行科学应用原则，重视化肥的开发、生产和应用；合理使用化学农药，以保证农药对土壤污染降到最低。重视土地生态系统管理制度和生态补偿法律制度，加快生态补偿立法，完善长效补偿的机制，在国家规划体系和区域管理体系中保护其重要地位。保证土地资源质量，避免由于土地质量下降而造成资源损失，多采取以退耕还林、退耕还草以及休耕为主的一系列土地保护举措。