基于PSR模型的延安市土地生態(tài)安全評價

朱景蕊，張 華

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029）

土地生態(tài)安全是指土地所處的生態(tài)環(huán)境處于一種不受或少受威脅與破壞的健康、平衡狀態(tài)，即在一定地域空間范圍內(nèi)，通過土地資源科學(xué)合理地利用和管理，維持土地資源與人類的協(xié)調(diào)發(fā)展，從而實現(xiàn)自然、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。土地是人類生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)保障，土地生態(tài)安全評價能夠為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護與治理、土地規(guī)劃與合理利用、相關(guān)部門決策的制定提供服務(wù)［1］，由此引起眾多學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者主要運用PSR模型［2］、自然-社會-經(jīng)濟模型［3］、DPSIR模型［4］、EES模型［5］、三角模型［6，7］等，對不同區(qū)域尤其是環(huán)境變化較為敏感的西北部生態(tài)脆弱區(qū)土地生態(tài)安全做了大量研究［6-10］。例如，馬軒凱等［6］運用三角模型，對西北干旱地區(qū)綠洲城市庫爾勒市的土地生態(tài)安全狀況進行評價，并對其主要影響因子進行分析；程東林等［7］運用三角模型，從經(jīng)濟持續(xù)性、社會和諧性、生態(tài)合理性3方面選取指標(biāo)，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，對西北生態(tài)脆弱區(qū)城市蘭州市的土地生態(tài)安全狀況進行時序性評價；劉凌冰等［8］、楊倩倩等［9］采用PSR框架模型，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，對西北荒漠化地區(qū)和西北干旱區(qū)的土地生態(tài)安全狀況進行動態(tài)評價。

延安市位于黃土高原腹地，是西北地區(qū)乃至全國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，其土地利用生態(tài)問題尤為突出。近年來，周曉［11］基于延安市2000、2010、2015年的遙感影像解譯數(shù)據(jù)，從植被生長狀況、土地利用程度、氣候穩(wěn)定性和水土流失4個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，對延安市土地利用變化與土地生態(tài)風(fēng)險進行評價分析；許康［12］基于土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，對延安市土地利用景觀生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和土地生態(tài)敏感性進行評價分析；劉曉涵［13］基于2000、2005、2010、2017年4期的土地利用覆被遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，對延安市土地利用變化的原因進行探討分析；吳金華等［14］基于ArcGIS區(qū)統(tǒng)計評價方法，對延安市土地生態(tài)敏感性進行評價。上述研究成果為促進延安市土地資源可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)?；陂L時間序列延安市土地生態(tài)安全動態(tài)變化態(tài)勢的相關(guān)研究尚不多見，本研究以延安市2009—2019年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，運用PSR模型，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個層面選取適宜的影響因子構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，基于土地生態(tài)安全壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)、響應(yīng)指數(shù)和綜合指數(shù)，對2009—2019年延安市土地生態(tài)安全動態(tài)變化態(tài)勢進行系統(tǒng)評價分析，并建立因子障礙度模型，辨識其土地生態(tài)安全的主要限制因素，以期為延安市土地可持續(xù)利用決策的制定提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

延安市地處黃河中游，介于北緯35°21′—37°31′，東經(jīng)107°41′—110°31′，地勢西北高東南低，地貌以高原和丘陵為主，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候，全年氣候變化受制于季風(fēng)環(huán)流，晝夜溫差大，氣象災(zāi)害頻發(fā)。境內(nèi)有多條河流，均屬黃河水系。土壤以黃綿土為主，土質(zhì)疏松，透水性和可耕性好，多集中分布在坡度較大且植被稀疏地區(qū)，土壤侵蝕嚴(yán)重，2019年水土保持治理面積達5.96×104hm2，累計水土保持治理面積達1.61×106hm2。植被類型主要有暖溫帶落葉闊葉林、暖溫帶針葉林和暖溫帶灌叢群落。延安市總面積3.7×104km2，下轄2個市轄區(qū)、10個縣，代管1個縣級市。2019年城鎮(zhèn)化率38.71%，生產(chǎn)總值GDP達1.66×1011元，人均生產(chǎn)總值7.37×104元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于《延安市統(tǒng)計年鑒（2009—2019年）》《陜西統(tǒng)計年鑒（2009—2019年）》《陜西區(qū)域統(tǒng)計年鑒（2009—2019年）》。

2 研究方法

2.1 研究指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重確定

PSR模型是20世紀(jì)80年代聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的定量測量生態(tài)安全的概念模型。其中，P代表壓力，反映人類活動對環(huán)境資源造成的負荷；S代表狀態(tài)，反映自然資源與生態(tài)系統(tǒng)的狀況；R代表響應(yīng)，表明人類面臨的資源環(huán)境問題所采取的措施。本研究基于PSR模型選取能客觀反映延安市土地利用及社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的31個因子，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系（表1），其中，正向指標(biāo)（+）指數(shù)值越大，生態(tài)安全狀況越好，負向指標(biāo)（-）指數(shù)值越小，生態(tài)安全狀況越好［15］。

表1 延安市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用最大離差法對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo)：

負向指標(biāo)：

式中，Xij為各指標(biāo)的實際測量值，i為年份序列，j為指標(biāo)序列，Pij為各項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)量化值，Pij∈［0，1］。其中，0表示同一指標(biāo)中某一年相比其他年份所處的最差狀態(tài)；1表示同一指標(biāo)中某一年相比其他年份所處的最好狀態(tài)。

2）指標(biāo)權(quán)重確定。采用熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重，首先進行指標(biāo)的同度量，計算公式如下：

令ej為第j項指標(biāo)的信息熵，公式如下：

式中，fij為指標(biāo)Pij的比重，若假設(shè)fij=0時，則fij×lnfij=0；常數(shù)K與系統(tǒng)的年份序列項數(shù)n有關(guān)，一般定義K=1 lnn；Wj為各指標(biāo)權(quán)重值。

2.2 土地生態(tài)安全指數(shù)計算

1）土地生態(tài)安全綜合指數(shù)（ESCV）。計算公式如下：

2）土地生態(tài)安全壓力（P）、狀態(tài)（S）、響應(yīng)（R）指數(shù)（ESC）。計算公式如下：

式中，0≤W≤1。ESC為土地生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)值。其數(shù)值越大，表征延安市土地生態(tài)安全在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的安全程度越高。

2.3 土地生態(tài)安全等級劃分

土地生態(tài)安全評價的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是制定評價標(biāo)準(zhǔn)，中國現(xiàn)階段土地生態(tài)安全評價尚未形成統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，需要因地制宜。土地生態(tài)安全等級劃分參照國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和大量參考文獻［2，15-18］，設(shè)置土地生態(tài)安全5個等級作為延安市土地生態(tài)安全的等級標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 延安市土地生態(tài)安全等級劃分

2.4 因子障礙度模型

土地生態(tài)安全評價僅是對區(qū)域土地生態(tài)安全系統(tǒng)的定量評估，要想辨識出土地生態(tài)安全的主要限制因素，還需要對研究區(qū)域進行因子障礙度計算及排序［17］。通過引入因子貢獻度（Ii）、指標(biāo)偏離度（Jij）、指標(biāo)障礙度（Aij）3個指標(biāo)建立因子障礙度模型，對延安市土地生態(tài)安全狀況進一步分析。

式中，Ii=Wj，Jij=1-Ej。Ej為單項指標(biāo)的安全指數(shù)；Ii為第j項指標(biāo)對系統(tǒng)的貢獻程度，一般可以用Wj來表示；Jij為第i年第j項指標(biāo)土地生態(tài)安全值的偏離度，即不安全指數(shù)；Aij為指標(biāo)層的第j項指標(biāo)在第i年的障礙度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全壓力指數(shù)變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)整體呈下降趨勢（圖1），由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市的土地生態(tài)安全狀況面臨的壓力不斷增大（集合負向指標(biāo)計算的指數(shù)值越小，生態(tài)壓力相對越大，生態(tài)安全程度越低［18］）。具體來看，2009—2019年延安市原煤產(chǎn)量增幅150.75%、農(nóng)業(yè)塑料薄膜使用量增幅55.93%、農(nóng)業(yè)化肥施用量增幅23.94%、常住人口增幅3.92%、人口密度增幅3.91%，這主要由于西部大開發(fā)戰(zhàn)略政策帶動了更多外來人口遷入延安市，使延安市人口密度增大，人地矛盾日益突出。加之延安市經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以第一、二產(chǎn)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)化肥和塑料薄膜的大量使用，造成農(nóng)業(yè)面源污染加重，使土地質(zhì)量下降；同時以采煤采油為主的工業(yè)快速發(fā)展，對土地資源造成壓力。

圖1 2009—2019年延安市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)

3.2 土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)整體呈波動上升的趨勢（圖2），由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，其中，2009—2012年處于上升階段，升幅275.41%；2012—2013年處于下降階段，降幅35.52%；2013—2016年處于上升階段，升幅103.27%；2016—2017年處于下降階段，降幅18.22%；2017—2019年處于上升階段，升幅19.04%。由此表明，延安市土地生態(tài)安全狀態(tài)雖波動較大，但明顯向好的方向發(fā)展。究其原因，2009—2012年，延安市經(jīng)濟快速協(xié)調(diào)發(fā)展，即工農(nóng)業(yè)發(fā)展和第三產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，同時2012年延安市開始實施“中疏外擴、上山建城”的發(fā)展戰(zhàn)略［19］，建立新城區(qū)，緩解了城區(qū)土地后備資源不足的問題，使得生產(chǎn)總值增幅77.38%、全部工業(yè)總產(chǎn)值增幅72.31%、第三產(chǎn)業(yè)增加量增幅50.54%、旱澇保收面積增幅26.68%；2012—2013年，由于延安市地處黃土高原腹地，土層易破碎，如遇到一定強度和時長的降水，極易可能發(fā)生山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，2013年因遇特大暴雨自然災(zāi)害［20］，對延安市的通訊、交通、水利設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，使得國家基建面積減幅64.54%、旱澇保收面積減幅44.43%、年末牛羊存欄量減幅14.12%；2013—2016年，延安市第三產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展帶動了經(jīng)濟整體發(fā)展，將政府盈余的財政收入用于災(zāi)后重建工作，緩解了土地資源短缺的問題，第三產(chǎn)業(yè)增加量增幅34.83%、國家基建面積增幅484.63%、年末牛羊存欄量增幅28.30%、旱澇保收面積增幅24.10%；2016—2017年，延安市極端氣候頻繁出現(xiàn)，時常造成冰雹災(zāi)害［21］，使得國家基建面積減幅47.83%、年末牛羊存欄量減幅21.81%、糧食產(chǎn)量減幅14.75%；2017—2019年，延安市積極促進經(jīng)濟發(fā)展，提高了單位土地面積的產(chǎn)值，使得生產(chǎn)總值增幅27.20%、第三產(chǎn)業(yè)增加量增幅23.95%、農(nóng)林牧副漁總產(chǎn)值增幅14.18%。

圖2 2009—2019年延安市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)

3.3 土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)整體呈小幅度波動上升趨勢（圖3），由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%。其中，2009—2015年處于上升階段，升幅362.65%；2015—2017年處于下降階段，降幅16.59%；2017—2019年處于上升階段，升幅35.52%。由此表明，延安市土地生態(tài)安全響應(yīng)在波動中明顯向好的方向發(fā)展。究其原因，2009—2015年，延安市積極響應(yīng)國家第十一個五年計劃和全面建成小康社會和西部經(jīng)濟強市的政策［22］，并積極發(fā)展紅色旅游文化，使得全社會固定資產(chǎn)投資增幅193.67%、旅游綜合收入增幅257.46%、農(nóng)村居民人均可支配收入增幅129.90%、農(nóng)林水支出增幅125.45%、節(jié)能環(huán)保支出增幅73.89%、人均生產(chǎn)總值增幅63.19%；2015—2017年，延安市全社會固定資產(chǎn)投資的減少，導(dǎo)致經(jīng)濟收入減少，使得當(dāng)年造林投入的資金和造林面積減少［23］，全社會固定資產(chǎn)投資減幅21.59%、當(dāng)年造林面積減幅30.62%；2017—2019年，延安市積極響應(yīng)國家第十三個五年計劃，尤其在2017年大力實施“高端能化強市，特色產(chǎn)業(yè)富民，文化旅游帶動，生態(tài)環(huán)境提升，城鄉(xiāng)一體發(fā)展”戰(zhàn)略［24］，促進經(jīng)濟與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，旅游綜合收入增幅65.82%、人均生產(chǎn)總值增幅27.22%、節(jié)能環(huán)保支出增幅97.39%。

圖3 2009—2019年延安市土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)

3.4 土地生態(tài)安全綜合指數(shù)變化趨勢分析

2009—2019年延安市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)整體呈現(xiàn)波動上升趨勢（表3），由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%。其中，2009—2012年處于上升階段，升幅20.14%，2012—2013年處于下降階段，降幅18.58%，2013—2016年處于上升階段，升幅27.35%，2016—2017年處于小幅度下降階段，降幅16.33%，2017—2019年處于上升階段，升幅30.82%。從土地生態(tài)安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)來衡量，雖然延安市2009、2013年土地生態(tài)處于較不安全狀態(tài)，2010—2012、2014—2018年土地生態(tài)處于臨界安全狀態(tài)，但2019年處于較安全狀態(tài)，即延安市土地生態(tài)由2009年的較不安全轉(zhuǎn)變?yōu)?019年的較安全。究其原因，延安市2009—2019年積極響應(yīng)國家相關(guān)政策，注重經(jīng)濟發(fā)展并著力協(xié)調(diào)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，同時加強生態(tài)環(huán)境保護的力度，這些使土地生態(tài)安全狀態(tài)得到改善以及土地生態(tài)安全響應(yīng)水平得到提高，土地生態(tài)安全狀況整體向好的方向發(fā)展。但由于延安市經(jīng)濟發(fā)展過程中超出土地生態(tài)承載力，使土地生態(tài)安全面臨的壓力增大，同時研究時段的延安市自然氣象災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致部分年份的土地生態(tài)安全狀態(tài)變差，因此，延安市2009—2019年部分年份的土地生態(tài)安全處于較不安全的狀態(tài)。

表3 2009—2019年延安市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)及安全等級

3.5 土地生態(tài)安全因子障礙度模型分析

由于延安市土地生態(tài)安全評價因子較多，選取障礙度數(shù)值排前3位的評價因子進行排序（表4）發(fā)現(xiàn)，2009—2019年影響延安市土地生態(tài)安全的主要障礙因子為農(nóng)業(yè)化肥施用量（C5，屬于壓力指數(shù)層）、原煤產(chǎn)量（C4，屬于壓力指數(shù)層）、年末牛羊存欄量（C14，屬于狀態(tài)指數(shù)層），表明農(nóng)業(yè)化肥施用量、原煤產(chǎn)量、年末牛羊存欄量是影響延安市土地生態(tài)安全的主要限制因素。

表4 2009—2019年延安市土地生態(tài)安全指標(biāo)層主要障礙因子障礙度及前三排序

4 小結(jié)與討論

2009—2019年延安市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)整體呈下降趨勢，由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市土地生態(tài)安全狀況面臨的壓力不斷增大；延安市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)整體呈波動上升趨勢，由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，表明延安市土地生態(tài)安全狀態(tài)在波動中明顯向好的方向發(fā)展；延安市土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)整體呈小幅度波動上升趨勢，由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%，表明延安市土地生態(tài)安全響應(yīng)在波動中明顯向好的方向發(fā)展。

由于土地生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的狀況共同決定了土地生態(tài)安全綜合狀況。2009—2019年，延安市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)整體呈波動上升趨勢，由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%；土地生態(tài)安全等級由2009年的較不安全提高到2019年的較安全。

通過因子障礙度模型得出，農(nóng)業(yè)化肥施用量（C5）、原煤產(chǎn)量（C4）、年末牛羊存欄量（C14）是影響延安市土地生態(tài)安全的主要限制因素。

綜上所述，延安市2009—2019年土地生態(tài)安全狀況整體有所好轉(zhuǎn)，這主要得益于延安市積極響應(yīng)國家相關(guān)政策，在注重經(jīng)濟發(fā)展的同時著力協(xié)調(diào)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，并重視生態(tài)環(huán)境保護的建設(shè)，但仍需注意經(jīng)濟發(fā)展過快所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)化肥使用量和原煤產(chǎn)量增加，并且極端氣候所導(dǎo)致的年末牛羊存欄量減少，從而導(dǎo)致土地生態(tài)安全造成一定破壞的現(xiàn)象。因此，延安市應(yīng)積極采取土地生態(tài)環(huán)境保護和氣象災(zāi)害預(yù)警的相關(guān)措施，提高土地響應(yīng)水平，使土地狀態(tài)得到有效改善，盡量減少土地生態(tài)安全面臨的壓力，注重經(jīng)濟和生態(tài)效益充分結(jié)合，形成經(jīng)濟效益與生態(tài)效益相結(jié)合的良性循環(huán)態(tài)勢。