黃 海, 譚晶今, 陳 春, 劉長城

(重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院, 重慶 400074)

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基于TOPSIS方法的山東省土地生態(tài)安全動態(tài)評價

黃 海, 譚晶今, 陳 春, 劉長城

(重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院, 重慶 400074)

如何通過科學的指標體系和評價方法，對土地生態(tài)安全狀況進行客觀評價，對促進土地資源可持續(xù)利用具有重要意義。以山東省為研究區(qū)域，依據“驅動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應”(DPSIR)概念框架模型，構建土地生態(tài)安全評價指標體系,建立土地生態(tài)安全的TOPSIS評價模型，對山東省的土地生態(tài)安全狀況進行了評價。評價結果表明：山東省2006—2013年的土地生態(tài)安全狀況總體上處于不斷轉好的趨勢，但仍然不容樂觀。并從維護土地資源生態(tài)安全及其可持續(xù)利用視角，提出具體對策。研究表明通過DPSIR建立土地生態(tài)安全評價指標體系，采用TOPSIS方法對土地生態(tài)安全評價是科學可行的。

土地生態(tài)安全評價; 驅動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(DPSIR); TOPSIS模型; 山東省

土地是人類生存和發(fā)展的基本條件，然而隨著人類活動的加劇和對土地資源的不合理開發(fā)利用，我國出現(xiàn)了較為嚴重的水土流失、土地沙漠化與土地污染等一系列土地資源生態(tài)問題，正是在這樣的背景下，土地資源生態(tài)安全成為當前土地資源可持續(xù)利用研究的前沿課題，引起了學者們的廣泛關注。作為土地生態(tài)安全研究的重要內容之一，土地生態(tài)安全評價是指對土地生態(tài)系統(tǒng)健康危害或危險狀況所作的評價，它建立在一般土地評價的基礎上，選擇對若干生態(tài)特性進行專項評價，進而查明土地生態(tài)類型與土地利用現(xiàn)狀之間的協(xié)調程度及發(fā)展趨勢，診斷土地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度和土地利用的生態(tài)風險[1]。通過對區(qū)域的土地生態(tài)安全進行動態(tài)評價，可以促使土地資源管理從單純的土地“數(shù)量管理”走向“數(shù)量管控、質量管理、生態(tài)管護”三位一體管理，為全面推進土地資源管護模式轉變，切實提升區(qū)域土地生態(tài)安全保障能力，構建綠色國土空間格局提供強有力的科技和信息支撐。

近年來眾多學者們對區(qū)域土地生態(tài)安全評價進行了研究，總體來看，研究重點主要集中在評價指標體系的構建和評價模型的研究上。在指標體系的構建方面，學者們主要從自然—社會經濟—環(huán)境系統(tǒng)[2-5]和“壓力—狀態(tài)—響應”(PSR模型)[6-7]構建區(qū)域土地生態(tài)安全評價指標體系；在評價方法方面，定量數(shù)學模型已經廣泛應用于土地生態(tài)安全評價，物元模型、熵權法、突變理論、神經網絡等方法均有較廣泛的運用[2-9]。為了更準確地描述系統(tǒng)的復雜性和各因素相互之間的因果關系，歐洲環(huán)境署于1998年在PSR模型基礎上提出了用于衡量環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的“驅動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應”(簡稱DPSIR)概念模型。近年來，DPSIR模型在我國水環(huán)境評價、農業(yè)土地資源可持續(xù)利用、區(qū)域生態(tài)安全評價、規(guī)劃環(huán)境影響評價等方面得到了廣泛應用[10-12]。DPSIR概念模型涵蓋資源利用、環(huán)境保護和社會經濟發(fā)展等多個領域，可以將土地利用及其環(huán)境問題、社會經濟發(fā)展狀況、政府政策導向等方面按照因果順序有機的整合在一起，為構建土地資源生態(tài)安全評價指標體系提供了較好的研究思路[13]。TOPSIS評價方法是一種離散、多維度的決策模型，通過設定“正理想解”和“負理想解”，測算各評價單元數(shù)據與“正理想解”、“負理想解”距離而得到該單元與“正理想解”相對接近程度，實現(xiàn)對各評價單元的排序和評估[14]。本文采用DPSIR 模型構建山東省土地生態(tài)安全評價指標體系，并采用TOPSIS方法對其土地生態(tài)安全進行動態(tài)評價。

1　研究區(qū)概況

山東省位于東經114°36′—122°43′，北緯34°25′—38°23′，處在黃河中下游，全省共有17個地市。從2006—2013年，全省實現(xiàn)生產總值8連增，相比于2006年增長了172%，但是全省GDP增長率有所放緩，由2006年的15%下降到2013年的9.8%。根據2013年土地利用變更調查成果，山東省土地總面積約1 579萬hm2，其中農用地1 159.3萬hm2，建設用地272萬hm2，未利用地面積147.7萬hm2。2013年全省總人口為9 685萬人，人口密度為616人/km2。隨著社會經濟的快速發(fā)展及人口增加等原因，耕地絕對數(shù)量及人均數(shù)量逐漸減少、土地質量逐年下降、水土流失十分嚴重、土地后備貧乏且開發(fā)利用難度大、土地供需矛盾尖銳、水資源匱乏且水質不斷惡化等問題，土地生態(tài)安全形勢日趨嚴峻?？茖W評價山東省土地生態(tài)安全狀況及其動態(tài)變化，及時采取相應的對策，對保障全省土地資源可持續(xù)利用和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

2　研究方法

2.1評價指標體系的構建

DPSIR概念模型的基本思想是：由于人類經濟活動的“驅動”給自然資源和環(huán)境施加了“壓力”，改變了環(huán)境和自然資源的“狀態(tài)”，給系統(tǒng)內部和外部造成了“影響”，人類社會則通過調整環(huán)境與經濟政策對這些變化做出“響應”，減緩環(huán)境壓力、維持系統(tǒng)的持續(xù)性[10-12]。對于土地生態(tài)安全系統(tǒng)而言，“驅動力”是指引起土地生態(tài)安全系統(tǒng)發(fā)生變化的原因，可分為自然和社會經濟驅動力；“壓力”集中表現(xiàn)為社會經濟“驅動力”在土地資源利用上與生態(tài)環(huán)境保護的競爭；“狀態(tài)”是在各種“壓力”下土地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)實表現(xiàn)，是驅動力和壓力共同作用的結果；“影響”是用來描述區(qū)域土地資源系統(tǒng)狀況變化的生態(tài)環(huán)境效應；為實現(xiàn)土地生態(tài)安全，人類必須采取相應的措施和對策，即人類社會的“響應”。

參考相關文獻研究成果[13]，遵循可比性、可操作性、非兼容性、普遍性與區(qū)域性相結合原則，同時考慮數(shù)據的可獲取性，構建山東省土地生態(tài)安全評價指標體系如表1所示。

2.2評價指標權重確定與指標標準化處理

本文采用層次分析法確定各指標的權重，土地生態(tài)安全為第一層次；驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應為第二層次；各單因子為第三層次，構造判斷矩陣，求解最大特征根和特征向量，由此得出各因子的權重結果(表1)。

由于土地生態(tài)安全評價指標具有復雜性、多樣性的特點，指標之間無法直接進行比較，因此采用簡單的數(shù)學變換消除各指標量綱影響，將具有不同含義的指標統(tǒng)一起來，以表征土地資源生態(tài)安全。本文采用以下指標標準化模型計算各評價指標的安全指數(shù)：

對于正向指標，其標準化公式為：

(1)

對于逆向指標，其標準化公式為：

(2)

式中：r(i，j)——第i個評價對象的第j個評價指標值(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)；m，n——年份數(shù)和評價指標數(shù)；rmax(j)，rmin(j)——第j個指標的最大值和最小值。

2.3綜合評價模型

TOPSIS評價方法的步驟依次為：

(1) 建立加權規(guī)范化矩陣U：

(3)

式中：Wj——指標權重；Xij——標準化后的矩陣。

(2) 確定正理想解和負理想解。用加權規(guī)范化決策矩陣U中的最大值和最小值分別代表正理想解U+和負理想解U-，其中：

正理想解：

(4)

負理想解：

(5)

表1　山東省土地生態(tài)安全評價DPSIR指標體系及權重

注：“+”表示指標值越大，土地生態(tài)越安全；“-”表示指標值越大，土地生態(tài)越不安全。

(3) 計算各個年份的評價對象與正理想解的距離Q+和負理想解的距離Q-：

(6)

(7)

式中：Q+越小，評價對象就越接近正理想解，土地生態(tài)狀況就越安全；Q-越小，評價對象就越接近負理想解，土地生態(tài)狀況就越危險。

(4) 計算各評價對象與理想解的貼近度Fi：

(8)

式中：貼近度Fi即土地生態(tài)安全值，為0～1，其數(shù)值顯示越大，表明土地生態(tài)狀況越安全，反之則越危險。

土地生態(tài)安全評價標準和等級設置是否科學合理直接影響評價結果的正確性和可靠性，本文參照已有研究成果的劃分標準和等級設置[2,4-5]，按綜合貼進度的大小，將山東省土地生態(tài)安全狀況劃分為5級(表2)。

表2　土地生態(tài)安全標準綜合評判分級

3　結果與分析

3.1土地生態(tài)安全綜合評價

通過對山東省2006—2013年的土地利用統(tǒng)計數(shù)據和查閱統(tǒng)計年鑒得到的各年經濟社會統(tǒng)計數(shù)據，經過標準化處理，采用TOPSIS模型計算得出該省2006—2013年正理想解Q+、負理想解Q-和綜合貼進度F(表3)。

從表3可以看出，山東省2006—2013年的土地生態(tài)安全狀況總體上處于不斷轉好的趨勢。Q+呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，不斷接近正理想解，Q-則呈現(xiàn)出不斷上升的態(tài)勢，逐漸偏離負理想解。山東省的土地生態(tài)安全值(貼進度)從2006年的0.213 5逐年上升，到2013年達到0.483 6，上升了0.270 1，漲幅達1倍多，土地資源生態(tài)安全狀況由風險級別提升到敏感級別，即預警狀態(tài)。其中，2006—2011年土地生態(tài)資源生態(tài)安全狀況雖然不斷提升，但依舊處于風險級別，即中警狀態(tài)。山東省土地生態(tài)安全狀況處于風險級別是與過度追求社會經濟效益而忽略生態(tài)效益有著分不開的關系。由于忽略了生態(tài)效益，全省土地生態(tài)系統(tǒng)服務功能發(fā)生退化，土地生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)結構遭到破壞，生態(tài)環(huán)境問題較為嚴重，生態(tài)環(huán)境災害出現(xiàn)較多。隨著生態(tài)建設的不斷加強、深入，全省安全狀況不斷改善，進入2012年，土地生態(tài)安全狀況由風險級轉變?yōu)槊舾屑?，土地生態(tài)問題得到緩和。盡管如此，總體上山東省土地生態(tài)安全形勢仍然不容樂觀，8年來，土地生態(tài)安全狀況雖然不斷改善，但土地生態(tài)安全級別處于敏感級，未來依舊面臨來自工業(yè)“三廢”污染、大氣污染、土地資源退化、耕地減少、耕地質量下降、土地沙化、水土流失等問題的威脅，繼續(xù)加大土地資源的保護力度，應成為山東發(fā)展中重點關注的內容之一。

表3　2006-2013年山東省各指標的Q+，Q-及貼進度F的值

3.2土地生態(tài)安全分區(qū)評價

由于土地資源的自然稟賦條件、社會經濟發(fā)展水平的差異和人類活動對土地資源生態(tài)環(huán)境的干擾強度，山東省土地資源的生態(tài)安全狀況在空間上也存在很大的差異，本文將山東省17個地市作為生態(tài)安全空間差異評價的評價單元。在評價的過程中，運用前述土地土地資源生態(tài)安全評價方法，結合各個生態(tài)評價單元2013年的指標數(shù)據，進行定量計算，最后得出各個生態(tài)評價單元2013年的土地資源生態(tài)安全貼近度。評價結果如圖1所示。

圖1山東省各地市土地生態(tài)安全評價結果

由圖1可以看出，2013年，山東省各地市中除了菏澤市土地生態(tài)安全狀況處于風險級別之外，其他16個市的土地生態(tài)安全狀況都處于敏感級別，其中淄博、棗莊、東營、濟寧、日照、臨沂和濱州7個城市貼進度為0.4～0.5，處于敏感級別中的較低水平。濟南、青島、煙臺、濰坊、泰安、威海、萊蕪、德州、聊城9個城市土地資源生態(tài)安全貼近度為0.5～0.6，處于敏感級別上限區(qū)間，高于全省水平。

3.3土地生態(tài)安全的對策分析

(1) 加強耕地保護，保持適當?shù)纳鷳B(tài)用地。保證耕地的面積是維系山東省土地生態(tài)安全和整個社會經濟可持續(xù)發(fā)展的基礎，因此，切實加強耕地保護特別是基本農田保護是維護土地生態(tài)安全的重要任務。保護現(xiàn)有林地、草地以及自然保護區(qū)，重視水土資源的優(yōu)化配置和高效利用及水土資源的節(jié)約、集約和保護，盡量避免對資源的大幅占用和浪費，全面保護可利用資源，因地制宜，實施退耕還林還草生態(tài)建設工程，并制定關于水土資源合理高效的開發(fā)利用規(guī)則和方案，不斷增加植被。

(2) 優(yōu)化土地利用結構和布局。山東省作為經濟大省，經濟總量雖大，但是單位面積的土地產值不高。按照經濟結構的調整方向，因地制宜地調整不合理的土地利用結構和布局，提高單位面積的產量和產值，加強新一輪土地利用總體規(guī)劃編制的科學性和可操作性，并從土地用途管制、土地利用動態(tài)監(jiān)測等方面加強規(guī)劃的落實和對土地利用的“龍頭”作用。

(3) 加大生態(tài)保護投入，建立有效的生態(tài)補償制度。山東省作為資源大省與農業(yè)大省，對自然生態(tài)資源的依賴程度較高。在積極推動經濟發(fā)展和生態(tài)保護的同時，還必須在財政支出方面提高對土地生態(tài)保護的投入，將土地生態(tài)價值納入到經濟核算制度中，逐步建立并完善土地資源開發(fā)補償、土地生態(tài)破壞治理恢復基金等一系列有效的土地生態(tài)補償機制，改變資源粗放利用和傳統(tǒng)的農業(yè)發(fā)展模式，為經濟發(fā)展創(chuàng)造優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境條件。

(4) 控制人口增長，緩和人地矛盾。山東省作為全國第二人口大省，人口形勢非常嚴峻，龐大的人口基數(shù)以及人口增長已經成為山東省土地可持續(xù)利用及社會經濟可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。因此，在堅持執(zhí)行計劃生育基本政策的前提下，必須要做好優(yōu)生優(yōu)育的工作，降低人口自然增長率，控制人口數(shù)量，提高人口素質，以實現(xiàn)人口與土地資源的和諧發(fā)展。

4　結論與討論

土地資源生態(tài)安全事關土地資源的可持續(xù)利用和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，如何建立科學的評價指標體系，選擇恰當?shù)脑u價模型對土地資源安全狀況進行評價和動態(tài)監(jiān)測是新時期土地管理工作的重要內容。本文基于DPSIR概念模型構建山東省土地生態(tài)安全評價指標體系，該模型已經在包括環(huán)境研究的諸多領域成功應用；并采用TOPSIS方法進行土地生態(tài)安全綜合評價，有著堅實的數(shù)學基礎和精密的計算過程，研究方法上對其他地區(qū)的土地生態(tài)安全評價以及后續(xù)的研究工作具有較好的參考價值。

本文以山東省作為評價區(qū)域，把整個省域作為一個評價單元進行了2006—2013年的動態(tài)評價，屬于宏觀尺度的土地生態(tài)安全動態(tài)評價。由于數(shù)據的可獲取性的原因，只是針對2013年評價區(qū)域內各地市土地生態(tài)安全的差異性進行了評價。進一步的研究應該對整個省域按自然特征、行政區(qū)劃或經濟發(fā)展水平進行空間劃分，更加精細地對各單元土地生態(tài)安全的時空差異作出評價，同時有針對性地采取相應的對策，以更好地保障土地資源的生態(tài)安全水平。

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Land Ecological Security Appraisal for Shandong Province Based on TOPSIS Model

HUANG Hai, TAN Jingjin, CHEN Chun, LIU Changcheng

(SchoolofArchitecture&UrbanPlanning,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

How to establish the appraisal index and adopt scientific method for the objective appraisal of land ecological security is important for maintaining sustainable land use. Taking the Shandong Province as example for the research, we adopted the conceptual model of ‘Driving forces-Pressure-State-Influence-Response’ to set up the land ecological appraisal index system. The TOPSIS model was used to the appraisal of land ecological security of Shandong Province. The appraisal results showed the land ecological kept improving during the period from 2006 to 2013. But it was not optimistic because it was still graded ‘Sensitive’. The countermeasures were put forward for maintaining land ecological security and land sustainability for Shandong Province. The research can prove that DPSIR model and TOPSIS method are scientific and feasible for the appraisal of land ecological security.

land ecological security appraisal； DPSIR； TOPSIS model； Shandong Province

2015-05-29

2015-06-08

國家自然科學基金(41201178/D010204);重慶市教委科技項目(KJ110406)

黃海(1972—),男,重慶人,博士,副教授,主要從事土地評價與規(guī)劃研究。E-mail:lottery98@163.com

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1005-3409(2016)03-0220-05