黃木易，褚 楚，何 翔

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皖江城市帶示范區(qū)土地資源生態(tài)安全警情測(cè)度及時(shí)空分析①

黃木易1，褚 楚2*，何 翔1

(1 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2 安徽建筑大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，合肥 230601)

依據(jù)PSR“壓力–狀態(tài)–響應(yīng)”框架，選擇24個(gè)指標(biāo)構(gòu)建土地資源生態(tài)安全指標(biāo)體系，將皖江城市帶示范區(qū)土地資源生態(tài)安全警情級(jí)別分為“無(wú)警、輕警、中警、重警和巨警”5級(jí)，基于云模型與熵權(quán)法對(duì)皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情進(jìn)行了測(cè)量分析，揭示了其警情時(shí)空變化規(guī)律及影響因子。結(jié)果表明：①時(shí)序變化上，2005—2013年，皖江城市帶多數(shù)城市警情趨于上升，下降的僅為合肥市。②從“一軸雙核兩翼”的空間結(jié)構(gòu)來(lái)看，主軸線上安慶、池州、銅陵、巢湖、蕪湖、馬鞍山沿江大多數(shù)城市近年來(lái)警情呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中，銅陵和馬鞍山兩市警情一直處于重警以上狀態(tài)，土地資源生態(tài)安全壓力較大?！半p核”和“兩翼”城市中的合肥、蕪湖、滁州和宣城市，只有滁州和宣城市土地資源生態(tài)安全狀況相對(duì)較好。③針對(duì)云模型系統(tǒng)分析結(jié)果，創(chuàng)新土地節(jié)約集約用地長(zhǎng)效機(jī)制、增加生態(tài)建設(shè)和環(huán)保財(cái)政投入、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等是緩解該區(qū)域土地生態(tài)安全警情和促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用的保障。分析顯示，皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情處于上升趨勢(shì)，整體狀況趨于惡化。警情格局的變化在一定程度上體現(xiàn)了該區(qū)域高速社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)土地資源產(chǎn)生的壓力響應(yīng)。

云理論；土地資源；生態(tài)安全警情；時(shí)空分析；皖江城市帶

人類任何經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)均離不開(kāi)土地，土地環(huán)境是各種自然的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的結(jié)果[1]。人類面臨的許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題其深層次的原因都直接或間接地與土地資源的利用有關(guān)，因此，生態(tài)環(huán)境狀況能直接或間接地反映土地資源利用的合理性。作為人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)以及生存空間，全球土地資源的稀缺性與有限性已成為人類可持續(xù)發(fā)展中普遍關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題之一[2-6]。生態(tài)安全是21世紀(jì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的一個(gè)新主題[7]。關(guān)于土地利用與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的研究已經(jīng)被統(tǒng)一到LUCC研究框架下[8-14]。其中，土地資源的生態(tài)安全是資源安全的重要方面，它是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)，土地生態(tài)系統(tǒng)能夠保持其結(jié)構(gòu)與功能不受威脅或少受威脅的健康、平衡的狀態(tài)，維持土地自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)復(fù)合體長(zhǎng)期協(xié)調(diào)發(fā)展[15]。因此，土地資源生態(tài)安全既是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的先決條件。

目前，在評(píng)價(jià)類問(wèn)題中，廣泛采用的評(píng)價(jià)方法主要有隸屬度函數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評(píng)價(jià)與主成分分析法等。這些評(píng)價(jià)方法在一定程度上對(duì)研究問(wèn)題的不確定性及定性因素的影響考慮不足[16]。云模型是李德毅院士創(chuàng)新提出發(fā)現(xiàn)狀態(tài)空間理論及云與語(yǔ)言原子模型思想之后，逐步完善形成的定性定量不確定性轉(zhuǎn)換模型[17]。云模型可以有效解決評(píng)價(jià)過(guò)程中的隨機(jī)性和模糊性問(wèn)題，而熵權(quán)方法又可以解決評(píng)估中指標(biāo)權(quán)重難以客觀確定的問(wèn)題。該方法近年來(lái)廣泛應(yīng)用在水質(zhì)、省域土地生態(tài)安全及城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究上[11,18-19]，而基于PSR(即“壓力–狀態(tài)–響應(yīng)”，pressure-state-response)框架引入云理論進(jìn)行城市群土地資源生態(tài)安全警情測(cè)度分析并不多見(jiàn)。本文以人類活動(dòng)影響顯著的熱點(diǎn)地區(qū)為研究對(duì)象，依據(jù)PSR框架，基于云理論對(duì)2005—2013年皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情進(jìn)行評(píng)估與分析，以揭示生態(tài)安全警情的變化規(guī)律和影響因素。研究結(jié)果在一定程度上可為皖江城市帶未來(lái)土地生態(tài)保護(hù)與規(guī)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展建設(shè)提供決策理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

皖江城市帶示范區(qū)包括合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、池州、巢湖、滁州、宣城9市全境和六安市金安區(qū)、舒城縣，共59 個(gè)縣(市、區(qū))，輻射安徽全省，對(duì)接長(zhǎng)三角地區(qū)，是全國(guó)六大城市群增長(zhǎng)極之一，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍。2005年至2013年地區(qū)生產(chǎn)總值從2 254.5億元增至12 555.5億元，分別占安徽全省的41.9%和65.9%，GDP年均增長(zhǎng)率高于全國(guó)水平的8.46個(gè)百分點(diǎn)。

1.2 正態(tài)云理論

由于大量社會(huì)和自然科學(xué)中定性知識(shí)的云期望曲線都近似服從正態(tài)或半正態(tài)分布，因此正態(tài)云模型具有普適性[20-21]。正態(tài)云的數(shù)字特征用期望Ex(expected value) 、熵En(entropy) 、超熵He(hyper entropy) 3個(gè)數(shù)值來(lái)表征，這些反映了定性概念和定量特性。其中，期望Ex代表定性概念論域的中心值；熵En度量了定性概念在論域中可被接受的數(shù)值范圍；超熵He是關(guān)于熵的不確定性度量。云的生成可以通過(guò)云發(fā)生器(cloud generator，CG)，它是云生產(chǎn)的算法，其中正向云發(fā)生器是最基本的算法，它可以實(shí)現(xiàn)定性信息向定量范圍和分布規(guī)律的轉(zhuǎn)換。本文利用Matlab 7.0模擬正態(tài)云模型，其數(shù)字特征參數(shù)分別為Ex=1，En=0.5，He=0.1，N=1 000為云滴數(shù)。如圖1所示。

1.3 土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重確定

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”指標(biāo)體系是由經(jīng)合組織(OECD)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在20世紀(jì)八九十年代提出用于解決環(huán)境問(wèn)題的框架[22]。PSR模型使用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”來(lái)反映人和自然環(huán)境的關(guān)系，即人類從自然環(huán)境中獲取資源的同時(shí)又相互影響，為了降低自然環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，人類就要采取相應(yīng)的措施。如此循環(huán)反復(fù)，構(gòu)成了人類與自然環(huán)境之間的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”關(guān)系[23]。本文在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[8-13,24-26]，結(jié)合皖江城市帶的實(shí)際情況，建立了土地資源生態(tài)安全指標(biāo)體系，包括5個(gè)安全評(píng)價(jià)等級(jí)，24個(gè)指標(biāo)，如表1所示。評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源主要為《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、環(huán)境狀況公報(bào)、生態(tài)建設(shè)公報(bào)和各地方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

熵值反映系統(tǒng)的無(wú)序化程度和度量信息量的大小。在評(píng)價(jià)中，指標(biāo)因子的熵值越大，其反映的信息越少；反之，則該指標(biāo)反映的信息量越大，表示該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響作用越大。綜合評(píng)估中，權(quán)重的確定對(duì)評(píng)價(jià)的結(jié)果至關(guān)重要，熵權(quán)能夠客觀反映指標(biāo)權(quán)重的大小。目前常用的方法主要有專家評(píng)分法、模糊綜合評(píng)判法和層次分析法等。為了克服主觀評(píng)價(jià)中的個(gè)人偏好與客觀評(píng)價(jià)中的不確定性影響，本文基于熵權(quán)法[19]計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及云模型模糊隸屬度計(jì)算

根據(jù)建立的皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合云模型可以建立評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)云隸屬度函數(shù)。以評(píng)價(jià)因子人均耕地面積(1)指標(biāo)為例，該評(píng)價(jià)指標(biāo)分成5個(gè)等級(jí)，即評(píng)價(jià)語(yǔ)集C={高，較高，中，較低，低}。按照云數(shù)字特征計(jì)算公式得到各指標(biāo)的正態(tài)云模型參數(shù)。本文基于Matlab7.0模擬該評(píng)價(jià)指標(biāo)的正態(tài)云，如圖2所示。人均耕地面積(1)指標(biāo)隸屬度標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云模型分布圖，表示該指標(biāo){無(wú)警，輕警，中警，重警，巨警}等級(jí)分別對(duì)應(yīng)了{(lán)高，較高，中，較低，低}級(jí)別的隸屬度。依據(jù)土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各個(gè)指標(biāo)值，令N=1 000，應(yīng)用正態(tài)云模型的云發(fā)生器，將每個(gè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量化值作為輸入值，產(chǎn)生隸屬度矩陣。以2013年合肥市為例，將合肥市各指標(biāo)量化數(shù)據(jù)代入正態(tài)云發(fā)生器，重復(fù)計(jì)算1 000次，得到不同隸屬度，依據(jù)公式計(jì)算均值作為合肥市在指標(biāo)下某一等級(jí)的隸屬度。合肥市在24個(gè)影響因素下的不同等級(jí)的隸屬度矩陣如表2所示。

表1 皖江城市帶土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)警情測(cè)度分析指標(biāo)體系

注：表中逗號(hào)兩端數(shù)值分別表示的是各區(qū)間的最大值和最小值。

2.2 研究區(qū)土地資源生態(tài)安全警情綜合評(píng)估

根據(jù)各年份評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)，利用熵權(quán)法得到各指標(biāo)的權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重集W={0.017 0，0.082 3，0.041 5，0.055 3，0.111 2，0.000 5，0.033 3，0.020 7，0.017 8，0.059 3，0.025 6，0.110 5，0.040 7，0.054 6，0.261 6，0.001 1，0.008 3，0.000 4，0.003 1，0.002 2，0.043 2，0.002 7，0.000 8，0.006 5}，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊隸屬度矩陣與指標(biāo)權(quán)重集依據(jù)公式進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換[22]，得到皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情測(cè)度的結(jié)果。依據(jù)最大隸屬度原則，選擇最大的隸屬度所對(duì)應(yīng)的評(píng)估等級(jí)作為警情測(cè)度的最終結(jié)果，研究區(qū)生態(tài)安全警情綜合評(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖3。

2.3 研究區(qū)土地資源生態(tài)安全警情時(shí)空變化

以2013年合肥市為例，土地資源生態(tài)安全{無(wú)警，輕警，中警，重警，巨警}5個(gè)警情等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)值分別為{0.213 7，0.489 5，0.276 4，0.344 4，0.324 7}，依據(jù)最大隸屬度原則，2013年合肥市生態(tài)安全警情等級(jí)為輕警，如表2所示。從評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度矩陣可以看出，處于中警及以下等級(jí)的指標(biāo)有17個(gè)，但達(dá)到重警及以上等級(jí)的指標(biāo)仍有7個(gè)，分別為單位面積耕地農(nóng)藥負(fù)荷、耕地面積占土地總面積比重、單位固定資產(chǎn)投資占用土地面積、土地受自然災(zāi)害面積比重、環(huán)保支出占政府支出比重、非農(nóng)人口比重和第三產(chǎn)業(yè)比重指標(biāo)，說(shuō)明合肥市仍需針對(duì)上述指標(biāo)加以投入和改善。如減少農(nóng)藥化肥施用量、調(diào)整優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、提高土地利用集約度、增加生態(tài)環(huán)保的財(cái)政投入、加快產(chǎn)業(yè)調(diào)整與升級(jí)、大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)等。

表2 合肥市土地資源生態(tài)安全云模型隸屬度矩陣(2013年)

按照上述方法，依次得到2005—2013年皖江城市帶各個(gè)地區(qū)的生態(tài)安全警情水平，其時(shí)序變化特征見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，2005年，皖江城市帶處于中警以下和中警及以上警情的城市分別有7個(gè)和3個(gè)，其中，中警以下的城市有滁州、六安、巢湖、蕪湖、宣城、池州和安慶市，中警及以上的城市有合肥、馬鞍山和銅陵市；2009年中警以下和中警及以上城市均為5個(gè)，其中，兩翼城市滁州市和宣城市警情略有下降；2013年，中警以下城市僅為2個(gè)，分別為合肥和宣城市，而中警及以上城市達(dá)到7個(gè)，有滁州、六安、馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州和安慶市(2011年巢湖地級(jí)市撤銷，故不參與2011年后的分析)?？傮w上，2005—2013近10年來(lái)，皖江城市帶土地生態(tài)安全警情趨于上升的城市有6個(gè)，分別為滁州、六安、馬鞍山、蕪湖、池州和安慶市，趨于下降的城市僅為合肥市。其中宣城市一直處于較低警情等級(jí)，而資源型城市馬鞍山和銅陵市則一直處于重警以上等級(jí)，土地資源生態(tài)安全狀況不容樂(lè)觀。皖江城市帶生態(tài)安全警情空間分布特征見(jiàn)圖4所示。

皖江城市帶作為全國(guó)六大城市群增長(zhǎng)極之一，是整個(gè)安徽省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，“十一五”、“十二五”期間，皖江城市帶乃至安徽省社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了很大的發(fā)展。2005年至2013年地區(qū)生產(chǎn)總值從2 254.5億元增至12 555.5億元，分別占安徽省的41.9% 和65.9%。2005—2008年，皖江城市帶實(shí)際利用外資額年均增速達(dá)到43%，分別比全國(guó)、長(zhǎng)三角、中部地區(qū)平均增速高7.8、25.4和15.4個(gè)百分點(diǎn)。2013年利用外商直接投資74.6億美元，占全省的69.8%?？梢哉f(shuō)，皖江城市帶生態(tài)安全警情格局的變化體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)區(qū)域土地資源壓力響應(yīng)的空間特征。針對(duì)PSR框架下的皖江城市帶土地資源生態(tài)安全警情云模型評(píng)估的分析結(jié)果，應(yīng)該針對(duì)性的提出土地生態(tài)安全警情上升惡化的問(wèn)題解決方案，有效保障該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展：①加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)建設(shè)用地規(guī)劃管理，促進(jìn)土地節(jié)約集約度，提高企業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻，增加土地利用強(qiáng)度、投資強(qiáng)度和土地產(chǎn)出率約束，創(chuàng)新資源節(jié)約集約的長(zhǎng)效機(jī)制；②增加環(huán)保財(cái)政投入，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)環(huán)保影響評(píng)價(jià)與監(jiān)管、小城鎮(zhèn)污水治理、農(nóng)村環(huán)境綜合整治和土地污染與災(zāi)害評(píng)價(jià)與治理力度，推動(dòng)示范區(qū)生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，為人們生產(chǎn)生活創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境條件；③加強(qiáng)對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的培育與扶持，優(yōu)化創(chuàng)業(yè)環(huán)境，提高產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的輻射帶動(dòng)作用；④加快產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級(jí)，淘汰高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)節(jié)能減排、發(fā)展低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減輕產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的壓力。隨著安徽省新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷深入，皖江城市帶示范區(qū)應(yīng)牢固樹(shù)立土地利用可持續(xù)發(fā)展觀，全面提升社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，走內(nèi)涵式發(fā)展道路。

3 結(jié)論

本研究以皖江城市帶為例，結(jié)合PSR“壓力–狀態(tài)–響應(yīng)”框架，引入云理論對(duì)經(jīng)濟(jì)活躍地區(qū)的土地資源生態(tài)安全警情進(jìn)行測(cè)度與分析。正態(tài)云模型使土地資源生態(tài)安全的定量評(píng)估兼顧了隨機(jī)性和模糊性，由最大隸屬度確定生態(tài)安全警情等級(jí)，解決了評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的不確定性問(wèn)題。分析表明，2005—2013近10年來(lái)，皖江城市帶示范區(qū)土地資源生態(tài)安全中級(jí)以下警情的城市數(shù)在減少，中級(jí)及以上等級(jí)城市數(shù)在增加，生態(tài)安全整體狀況處于惡化趨勢(shì)。從皖江城市帶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)“一軸雙核兩翼”的空間結(jié)構(gòu)來(lái)看，主軸線上的安慶、池州、銅陵、巢湖、蕪湖、馬鞍山6個(gè)沿江城市近年來(lái)大多數(shù)警情呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中，銅陵和馬鞍山兩市警情一直處于重警以上狀態(tài)，土地資源生態(tài)安全壓力較大?！半p核”和“兩翼”城市中的合肥、蕪湖、滁州和宣城市，只有滁州和宣城市生態(tài)安全狀況相對(duì)較好。生態(tài)安全警情等級(jí)的上升與快速的城市化和工業(yè)化推動(dòng)具有很大的關(guān)聯(lián)。

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Evaluation and Spatial-temporal Characteristics of Land Resource Ecological Security Alarm: A Case of Wanjiang City Belt

HUANG Muyi1, CHU Chu2*, HE Xiang1

(1 School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 2 Department of Science and Technology, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

The study established a set of evaluation index system containing 24 indexes for land resource ecological security (LRES) under P-S-R framework model, divided LRES of the Wanjiang City Belt (one axis, dual cores, two wings) into 5 levels of no warning, slight waning, middle warning, serious warning and heavy warning, and then analyzed LRES, its spatio-temporal changes and the influential factors by using the methods of cloud model and entropy weight. The results showed that from 2005 to 2013 the alarm level of LRESs of six cities in the axis tended to rise, while that of Hefei tended to decline. Resource-based cities of Ma'anshan and Tongling had been heavy warning level, facing serious pressure of LRES. Only LRESs of Chuzhou and Xuancheng in the dual core and the two wing were relative good. Overall, the alarm level of LRES in Wanjiang City Belt was worsening and the overall situation tended to deteriorate. The change of alarm level of LRES in Wanjiang City Belt reflected the pressure response of rapid economic growth to the land resources. The cloud model analysis on LRES alarm showed that the measures, such as presenting land saving and intensive innovative mechanism, increasing financial investment for ecological construction and environmental protection, optimizing the industrial structure of Wanjiang City Belt, developing the low-carbon and circular economy, should be taken to ease the regional alarm level of LRES and promote sustainable use of land resources.

Cloud theory; Land resources; Ecological security alarm; Spatial-temporal analysis; Wanjiang City Belt

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.029

F301；X826

A

安徽省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(AHSKQ2016D23)、安徽省高校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013SQRL047ZD)和安徽省財(cái)政、住建廳徽派建筑保護(hù)省級(jí)專項(xiàng)(HPZX2013-01)資助。

(chuchu@ahjzu.edu.cn)

黃木易(1978—)，男，安徽蕪湖人，博士，副教授，研究方向?yàn)橥恋毓芾砑?S技術(shù)應(yīng)用。E-mail：huangyang78@163.com