張紅俠，成忠旭，張孝存

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

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基于投影尋蹤模型的安康市土地生態(tài)安全評價

張紅俠，成忠旭，張孝存

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

從影響土地生態(tài)安全的自然、社會、經(jīng)濟(jì)3個方面選取了17項指標(biāo)，構(gòu)建了安康市土地生態(tài)安全評價體系，并應(yīng)用投影尋蹤模型進(jìn)行了相應(yīng)探討。結(jié)果表明：2001～2011年安康市投影值從0.5427上升到3.2170，土地生態(tài)安全度不斷提高。安康市土地生態(tài)安全的威脅主要源于土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)，同時土地社會生態(tài)系統(tǒng)的限制作用不斷減小；其中人均水資源率、人口密度、單位面積糧食產(chǎn)量、單位面積農(nóng)林牧漁產(chǎn)值、單位面積機(jī)械化水平等因子成為安康市土地生態(tài)安全的主要限制因素。

土地生態(tài)安全；投影尋蹤模型；加速遺傳算法；安康市

近年來，隨著國家社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，包括工業(yè)化和城鎮(zhèn)化在內(nèi)的各項建設(shè)進(jìn)程不斷加快[1]，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了諸如土地環(huán)境惡化、土地污染加重、土地質(zhì)量下降等影響土地生態(tài)安全的問題[2]。土地生態(tài)安全在區(qū)域生態(tài)安全方面起基礎(chǔ)性作用[3]，其安全狀況直接影響了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程、資源的合理利用程度以及國家環(huán)保建設(shè)的強(qiáng)度。土地生態(tài)安全研究有助于緩和人地矛盾，促進(jìn)P(人口)R(資源)E(環(huán)境)D協(xié)調(diào)(發(fā)展)，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[4]，但較為少見對國家重要水源地的土地利用狀況的研究[5]，陜西省內(nèi)目前有孫丕苓等[6]對商洛地區(qū)進(jìn)行了土地生態(tài)安全的研究。通過對國家重要水源地的土地生態(tài)安全研究，可在保護(hù)水源地的基礎(chǔ)上實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

安康市因承擔(dān)了南水北調(diào)中線工程調(diào)水總量的82%而成為重要的水源涵養(yǎng)地，同時作為西三角經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃的次級核心城市，其安全狀況直接影響到陜南生態(tài)屏障建設(shè)，最終還會制約西三角經(jīng)濟(jì)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而對水源地生態(tài)安全產(chǎn)生影響?；谝陨戏治?，本文擬采用投影尋蹤法、加速遺傳算法等模型，對安康市土地生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價[7]，并計算出土地安全綜合值，以便對安康市土地資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)的同時，也為其他同類水源地的保護(hù)提供參考[6]。

1 研究區(qū)概況

安康市地處陜南(31°42′～33°50′N、108°01′～110°12′E)，土地總面積23534.5 km2[8]，以漢江為界被分割為秦嶺地區(qū)和大巴山兩大地域單元。在地質(zhì)上，地處秦嶺地槽褶皺系南部、揚(yáng)子準(zhǔn)地臺北部和漢南古陸東北緣，作為不同走向山脈褶皺帶的復(fù)合地帶，發(fā)揮著承接南北、過渡東西的作用。地貌上表現(xiàn)為“南北兩山夾，河谷盆地居中間”的特點。氣候上，屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，春暖干燥，夏季多雨多伏旱，秋涼濕潤多連陰雨，冬季寒冷少雨，年平均降水量1050 mm。植被以常綠闊葉林和落葉闊葉林為主，全市森林覆蓋率59.9%[8]，土壤類型主要以黃棕壤為主，占全市的73.46%。安康市管轄范圍包括漢濱區(qū)和漢陰、石泉、寧陜、紫陽、嵐皋、平利、鎮(zhèn)坪及旬陽在內(nèi)的一區(qū)九縣。截止2011年全市常住總?cè)丝?63.07萬人，全市城鎮(zhèn)化率35%[8]。特殊的地理位置造就了其南北兼修的地域特點，成為休閑度假的理想去處，目前形成“2431”(2個4A級景區(qū)、4個3A級景區(qū)、3個國家森林公園和1個國家自然保護(hù)區(qū))的旅游格局，成為西北乃至整個西部地區(qū)的生態(tài)旅游目的地。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

對安康市土地資源生態(tài)安全態(tài)勢進(jìn)行評價的數(shù)據(jù)均來源于《安康統(tǒng)計年鑒》(2002～2012)及安康統(tǒng)計公報?；谕队皩ほ櫡ㄔ?，在計算出每個指標(biāo)值后進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理[7]。

2.2 研究方法

投影尋蹤法是用于處理高維、非線性數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法[5]，具有完善的理論評價體系，主要研究投影尋蹤的聚類、回歸和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)方面，目前已在遙感、預(yù)測和分類等領(lǐng)域取得了較大研究成果[9]?？紤]到通過高維非線性來實現(xiàn)評價指標(biāo)多，數(shù)據(jù)量大的特點，因此采用構(gòu)造投影尋蹤評價模型來綜合評價土地生態(tài)安全狀況。此外還運(yùn)用MATLAB 7.0程序中的加速遺傳算法進(jìn)行了投影值的計算。投影尋蹤評價模型的建模過程包括以下5個步驟[10]。

2.2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建 本文參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，在遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性和數(shù)據(jù)可獲取性三原則的基礎(chǔ)上，從自然、社會、經(jīng)濟(jì)3個方面選取了17個因子作為評價指標(biāo)(表1)[11]，構(gòu)建了安康市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系。選取的指標(biāo)包括正向和負(fù)向2種類型，分別用“+”和“-”表示。當(dāng)為正時，指標(biāo)值越大，土地生態(tài)安全狀況越好；當(dāng)為負(fù)時，指標(biāo)值越大，土地生態(tài)安全狀況越差[7]。

表1 安康市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

2.2.2 樣本指標(biāo)值歸一化處理 因評價指標(biāo)的指標(biāo)趨向不同使得數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，為減少原始數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響，需要首先對樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

對于正向指標(biāo)計算公式為：

(1)

對于負(fù)向指標(biāo)計算公式為：

(2)

利用公式(1)和公式(2)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果見表2。

2.2.3 構(gòu)造綜合投影特征值函數(shù)

(3)

2.2.4 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)

(4)

(5)

(6)

公式(6)中：rjk表示樣本j和k的綜合特征值Zj和Zk兩兩之間的距離；R表示密度的窗寬。

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 評價過程

(8)

通過公式(7)可計算得出最佳投影方向a，當(dāng)存在等式約束最優(yōu)問題時，通常通過加速遺傳算法轉(zhuǎn)化進(jìn)而解決最優(yōu)化問題。

加速遺傳算法是由美國密執(zhí)安大學(xué)的教授提出來的，是一種對存在于自然環(huán)境中的生物的遺傳和進(jìn)化過程進(jìn)行模擬最終形成適合全局概率優(yōu)化搜索的算法，主要包括交叉、選擇和變異等操作[12-14]。本文通過加速遺傳算法來求最佳投影方向a，首先對表格中的原始數(shù)據(jù)建立投影尋蹤評價模型；然后依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

將X*利用MATLAB 7.0編程處理[9]，選定父代初始種群規(guī)模n=400，交叉概率P=0.80，變異概率P=0.80，加速次數(shù)為20次，得出最大指標(biāo)函數(shù)值為1.4519，通過計算得到最佳投影方向a的值(表3)。

利用加速遺傳算法得到的最佳投影方向矢量a，若其滿足式(8)的約束條件，則說明取得了較為理想的結(jié)果[14]。將a代入公式(3)，得到各年投影值Z(表4)。

3.2 結(jié)果分析與發(fā)展展望

從表3可以得出，影響安康市土地生態(tài)安全狀況的社會經(jīng)濟(jì)因素主要有人均水資源率、人口密度、單位面積糧食產(chǎn)量、單位面積農(nóng)林牧漁產(chǎn)值及單位面積機(jī)械化水平等，自然方面主要影響因素表現(xiàn)在森林覆蓋率和年均降水量方面。這與安康實際相符，近些年因煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和不斷增長的人口數(shù)量，對土地生態(tài)環(huán)境造成了較為明顯的影響。安康市土地類型以山地為主，種植農(nóng)作物是農(nóng)民的根本，許多農(nóng)民為了提高單產(chǎn)，對農(nóng)作物不合理的施用化肥、噴灑農(nóng)藥，造成土壤污染。安康市河流較多，漢江橫貫整個區(qū)域，森林覆蓋率對流域內(nèi)土地生態(tài)安全影響最大。

從表4可看出，安康市11年中土地生態(tài)安全度由高到低依次為2011>2010>2009>2008>2007>2006>2005>2004>2002>2003>2001，各年投影值Z呈波動上升趨勢。根據(jù)投影尋蹤評價模型可知，投影值Z越大，土地生態(tài)安全度越高。據(jù)此，安康市土地生態(tài)安全度整體呈現(xiàn)為良好趨勢。究其原因，2011年安康市人均耕地面積和人口密度減少，生態(tài)退耕面積和森林覆蓋率較其他年份高，土地生態(tài)條件較好，土地生態(tài)安全度隨之提高。部分年份土地生態(tài)安全度較低，如2001年安康市人均耕地面積和耕地有效灌溉率較多，生態(tài)退耕面積和森林覆蓋率較其他年份低，土地生態(tài)條件較差，土地生態(tài)安全度也就降低。

表2 安康市2001～2011年土地生態(tài)安全評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

表3 最佳投影方向

表4 2001～2011年的投影值

4 安康市土地資源生態(tài)安全對策探討

研究安康市土地生態(tài)安全評價的最終目的是為了準(zhǔn)確把握土地生態(tài)安全態(tài)勢，提出切實可行的發(fā)展建議，以使土地生態(tài)系統(tǒng)能以最優(yōu)的形式為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供動力，具體建議如下。

4.1 降低人口自然增長率

安康市2001～2011年人口自然增長率從0.37上升到2.57，上升幅度較大，直接或間接地給安康市土地生態(tài)安全帶來了巨大壓力。為了緩解安康市目前人地關(guān)系矛盾突出的問題，必須控制人口增長，降低人口出生率，尤其是控制城市化進(jìn)程帶來的人口增長。

4.2 提高森林覆蓋率

森林體系在空氣凈化、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)及水土保持等方面有利于土地生態(tài)安全。安康市2001～2011年森林覆蓋率的平均值為56.11%，整體水平有待提高。為了加大對土地生態(tài)安全的保護(hù)力度，安康市應(yīng)繼續(xù)實行退耕還林政策；加強(qiáng)對林區(qū)的保護(hù)，防止不法分子對林區(qū)的破壞；同時做好森林防火、防蟲害工作，減少自然因素對森林的破壞。

4.3 提高耕地有效灌溉率

提高耕地有效灌溉率可以減少土壤鹽堿化，提高土壤肥力，增強(qiáng)土地生態(tài)安全。查詢數(shù)據(jù)得知，安康市耕地有效灌溉率從2006年開始呈下降趨勢。因此安康市水利部門應(yīng)加大田間工程建設(shè)的力度，對田間溝渠中心工程進(jìn)行改造，增加溝渠數(shù)量，鋪設(shè)相關(guān)管道，運(yùn)用現(xiàn)代高科技建立節(jié)水灌溉體系，提高水資源利用的同時提高農(nóng)作物水分生產(chǎn)效率；統(tǒng)一管理水資源，按國家節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)對田間灌溉用水定期考核、動員各縣力量推行相應(yīng)的配套政策；安康市分管農(nóng)業(yè)的部門應(yīng)擴(kuò)大宣傳，引導(dǎo)農(nóng)民合理引水，科學(xué)灌溉。

4.4 合理施用化肥和噴灑農(nóng)藥

減少因化肥農(nóng)藥造成的土壤污染，任務(wù)艱巨而繁瑣，安康市作為南水北調(diào)的重要水源涵養(yǎng)地，更要進(jìn)一步加大土壤污染治理力度，從而保證水源干凈。因此，必須在“源頭控制、節(jié)能減排”的原則下號召各區(qū)縣分門別類合理施用化肥、噴灑農(nóng)藥；政府應(yīng)加強(qiáng)對相關(guān)廠家廠商的監(jiān)管力度，實施市場專項治理工作，工商管理部門應(yīng)對農(nóng)藥產(chǎn)品的登記和包裝達(dá)標(biāo)狀況進(jìn)行突擊檢查；加強(qiáng)與農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心的聯(lián)系，向農(nóng)民群眾宣傳和講解有關(guān)土肥適用技術(shù)的推廣和應(yīng)用，提高農(nóng)民科學(xué)施肥水平，減少過度使用化肥農(nóng)藥，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化的投入產(chǎn)出比；加強(qiáng)化肥農(nóng)藥施用造成的農(nóng)村土壤污染的有效監(jiān)測。

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(責(zé)任編輯：管珊紅)

Ecological Safety Assessment of Land in Ankang City Based on Projection Pursuit Model

ZHANG Hong-xia, CHENG Zhong-xu, ZHANG Xiao-cun

(College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

In this article, the ecological safety assessment system of land in Ankang City was established by selecting 17 indexes from the aspects of nature, society and economy, and the corresponding exploration was conducted by using projection pursuit model. The results indicated that the projection value in Ankang rose from 0.5427 in the year 2001 to 3.2170 in 2011, suggesting that the degree of land ecological safety increased continuously. The land ecological safety in Ankang City was threatened mainly by the land economic and ecological system, while the restriction of the land social and ecological system to the land ecological safety decreased continuously at the same time. The per-capita water resource rate, the population density, the grain yield per unit area, the agricultural, forestry, animal husbandry and fishery output value per unit area, and the mechanization level per unit area were the main limiting factors of the land ecological safety in Ankang City.

Land ecological safety; Projection pursuit model; Accelerating genetic algorithm; Ankang city

2016-05-13

張紅俠(1978—)，女，陜西咸陽人，副教授，碩士，研究方向：土地資源利用與區(qū)域發(fā)展。

F301；F323

A

1001-8581(2016)11-0094-05