基于DPSIR模型的山东省土地生态安全时空变异分析

杨庆礼

(南京农业大学公共管理学院 江苏 南京 210095)

改革开放以来，我国经济飞速发展，城市化水平不断提高，在注重土地利用质量与效率的同时，土地生态安全成为越来越受学界关注的话题。土地生态安全的概念可以最早追溯到国外学界提出的“土地健康”概念，后经国内外学者的不断探讨研究，与“生态安全”、“环境安全”等概念有机结合，在1987年召开的环境特别会议上由世界环境与发展委员会首次提出了“生态安全”的概念[1]。为科学合理评价土地生态安全，国际经济合作与发展组织与欧洲环境署先后提出了“压力-状态-响应”(PSR)模型和“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)模型，在模型的内涵与完备程度方面不断进步，从不同角度分析评估土地生态安全变化，亦为国内外诸多学者采用[2]。在评价方法上国内外学者从不同的研究领域参考借鉴，广泛使用综合指数法[3]、生态足迹法[4]、BP神经网络法[5]、系统动力学方法[6]等，在经济带[3]、城市群[4]、省域[7]、市域[6]、乡镇[9]等不同空间尺度范围内开展对各地区土地生态安全的研究并取得了切实可信的成果。

山东省作为我国华东地区的重要省份，有着独特的地理位置和发展条件，是我国的人口、经济和粮食生产大省，其土地生态安全对我国土地生态安全和经济社会的可持续发展有着极其重要的意义，而学界对以山东省为单位的土地生态安全研究相对较少。鉴于此，本文以学界通用的DPSIR模型为依据选定指标体系，使用熵权法等计算2009-2018年山东省土地生态安全时空变异情况，并对驱动力(D)、压力(P)、状态(S)、影响(I)和响应(R)五个分系统生态安全指数进行分析，为进一步提高山东省土地利用能力，加强土地生态安全保护水平提供借鉴参考。

一、研究方法

(一)基于DPSIR模型的指标体系构建

本研究选取由欧洲环境署提出、学界常用的DPSIR模型构建指标体系[3-9]，其中：驱动力(D)系统反应土地生态安全变化的影响因素，压力(P)系统反应土地开发利用中的不利影响；状态(S)系统反应土地生态安全的现实表现结果，影响(I)系统反应土地生态安全发生变化后的效应，响应(R)系统反应以土地生态安全为目标的相关投入。结合区域现实生产生活状况与数据可获得性，最终选取指标20个，将原始数据标准化后使用熵权法计算得出的指标权重如表1所示：

表1 山东省土地生态安全时空变异分析指标体系

(二)生态安全指数计算

为消除数据量纲与正负指标带来的影响，首先对原始数据进行标准化处理：

(1)

(2)

式中：xij为第i年第j个指标值;maxxj、minxj分别为第j个指标的最大值、最小值。特别的，正向指标采用式(1)进行标准化，负向指标采用式(2)进行标准化。

指标标准化以后采用熵权法计算各指标权重，首先计算第i个指标信息熵的值Hi：

(3)

然后对指标熵权Wi进行计算：

(4)

最后采用综合指数法计算生态安全指数：

(5)

上式中:对某项指标而言，Hi为其信息熵，Wi为其熵权值，aij为第i年j项指标标准化后的数值；Sij为极差标准化值；Ai为山东省第i年的生态安全指数。n、m分别为年份数和指标数，数值分别为10和20。

二、研究区域概况与数据来源

(一)研究区概况

山东省地处我国华东沿海地区，经纬度范围34°24′～38°23′N、114°20′～122°43′E。2019年《山东统计年鉴》显示：截止到2018年底，山东省共有常驻人口10047万人，其中包含就业人员6180.6万人，当年地区生产总值76469.67亿元，生产粮食5319.5万吨。山东省是我国的人口、经济与粮食生产大省。然而随着人口的持续增加和城市化的快速扩张，人多地少的土地矛盾愈发尖锐，耕地数量减少、水土流失严重等问题对土地生态安全造成的挑战愈发严重。山东省作为环渤海经济圈的重要组成部分和黄河入海口的关键生态节点，评估其土地生态安全对维持良好的土地使用状态与促进社会经济健康发展有重要意义。

(二)数据来源

本研究数据来源于2010—2019年的《中国统计年鉴》、《山东统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《中国林业统计年鉴》、《中国区域经济统计年鉴》、《中国第三产业统计年鉴》、《中国城乡建设统计年鉴》、《中国农业机械工业年鉴》、《中国农业统计资料》和各地区生产总值能耗降低率等指标公报与国民经济和社会发展统计公报。部分指标经计算得出，个别缺失数据采用线性回归后预测的方式进行补充。

三、结果与分析

(一)土地生态安全状况时空变异分析

根据上述模型与方法，计算2009-2018年山东省土地生态安全指数与各系统得分如表2所示。

表2 山东省土地生态安全时空变异情况

从表二不难发现，近十年来山东省生态安全指数不断提高，土地生态安全状况不断改善。2009-2014年，山东省土地生态安全状况稳步提高，平均每年生态安全指数得分较前年升高30个百分比，其中状态系统、影响系统和响应系统得分的提高影响较大。2015年山东省土地生态安全指数评分出现下降，驱动系统得分降低。2016-2018年土地生态安全指数得分总体提高，并在2017年达到近十年土地生态安全得分指数的巅峰，但在2018年出现小幅回落。总体而言，尽管存在因结构性调整出现土地生态安全评分小幅回落的现象，山东省土地生态安全状况在近十年来不断提升，各分系统发展状况亦向好发展。

(二)子系统生态安全时空变异分析

山东省土地生态安全驱动力系统评分近十年来总体呈上升趋势，在2016年和2017年相对达到巅峰，在2015年和2018年略有回落。驱动力系统四项指标中，地区生产总值和有效灌溉面积稳步上升，失业率保持平稳水平，而人口自然增长率在2015年全面放开二胎政策后出现大幅上升，人口自然增长率的提高将为土地的利用和经济社会的发展提供进一步的驱动。

山东省土地生态安全压力在2009-2011年持续恶化，用水总量和肺气中二氧化硫排放量不断增加，粗放型、高污染型的地区发展模式给土地生态系统造成极大压力。2012年以后，随着坚持节约资源和保护环境基本国策的不断推进，区域用水总量、废气中二氧化硫排放量和万元GDP能耗等相关指标值不断降低，来自资源环境方面的生态安全压力得到有效应对。然而随着城市化的不断扩大和农民工进城趋势的不断发展，山东省城市人口密度亦在不断扩大，近十年来升高约12.8%，为脆弱的城市生态系统安全维护造成巨大压力。

山东省土地生态安全状态系统评分在2009-2014年不断上升到达峰值，在2014年以后逐渐出现下降趋势。从指标构成来看，地区森林覆盖率和人均地区生产总值不断上升并在2018年达到顶峰，社会发展和环境保护成果显著，但是人均耕地面积和农业机械总动力在短暂的波动后不断下降，伴随着城市的扩张和工业的发展出现了一部分乱占耕地的现象。山东省作为农业生产大省，亦承担一定基本农田保护和粮食生产的任务，这样不均衡的土地生态安全状态将不利于进一步的发展。

山东省土地生态安全影响系统评分近十年来不断上升并在2018年达到顶峰。粮食产量和经济密度分别从2009年的4442.7万吨和10.05亿元每平方公里增长到2018年5319.5万吨和14.81亿元每平方公里，增长速率高达19.74%和47.37%，而城乡居民人均可支配收入亦大幅增长一倍以上。这表明近年来山东省政府出台的一系列措施效果显著，土地生态安全治理效果斐然。

山东省土地生态安全响应系统评价得分自2009年以来不断上升，到2014年和2015年趋于稳定，在2016年再次上升到较高水平并保持到2018年。2009年以来，山东省全社会固定资产投资总额和一般工业固废利用量不断上升，增长幅度分别为202%和46%。但是，城市绿地面积和建成区绿化覆盖率在总体呈现上升趋势下，在近几年出现回落，不利于土地生态安全的进一步发展。

四、结论与讨论

本研究以山东省作为评价区域，使用DPSIR模型构建山东省土地生态安全评价体系，综合运用熵权法等数学方法对2009-2018年来山东省土地生态安全生态水平和时空变异分析进行评价，并得出以下结论：(1)就目标层而言，研究期内山东省土地生态安全指数不断提高，土地生态安全状况向好发展，生态文明体制改革成效斐然。(2)就系统层而言，研究期内驱动(D)、压力(P)、状态(S)系统得分总体呈上升趋势，但在近几年开始下降；影响(I)和响应(R)系统得分逐年上升并在2018年左右达到最高值。(3)就指标层而言，研究期内绝大多数指标向好发展，但仍有农业机械总动力、建成区绿化覆盖率等指标存在波动，对土地生态安全评价造成一定影响。

本研究研究框架和指标体系选择在学界研究的基础上，结合区域特点和数据可获得性进行确定。且本研究关注点在于自2009年起近十年来山东省土地生态安全的时空变异分析，对其未来发展态势缺少关注，在后续研究中可以进一步深化研究并提出相关建议。