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摘要:以湖北省大冶市为例,运用“压力-状态-响应”模型构建土地生态安全指标体系,熵权法确定指标权重,PSR模型与物元方法相结合评价资源枯竭型城市土地生态安全现状和发展趋势。结果表明:(1)基于PSR模型的指标体系能够更准确地表明系统各要素之间的关系,物元分析方法能揭示单个评价指标的分异信息和综合评价结果的中间信息,PSR模型与物元方法的结合能更好地评价土地生态安全。(2)1996—2010年湖北省大冶市土地生态安全水平较低,呈现“M”形发展趋势,等级关联度较弱有下降趋势;(3)建设用地占用耕地面积比重、人均生活用水量、单位土地面积废水排放量、水土协调度等指标对湖北省大冶市土地生态安全水平提升有很大的影响;结合大冶市土地利用現状,要积极开展农村土地整治,减少建设用地占用耕地面积,提高水土协调度,规划工矿废弃地复垦,促进土地生态系统安全状况改善。
关键词:土地生态安全;物元分析;PSR模型;大冶市
中图分类号: X144文献标志码: A
文章编号:1002-1302(2017)05-0271-06
作者简介:刘艳芳(1959—),女,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要从事土地资源管理及地理信息应用工程研究。E-mail:yfliu610@163.com。
通信作者:明立彩,硕士研究生,主要从事区域规划与经济地理研究。E-mail:595699093@qq.com。
[ZK)]
土地是自然界最宝贵的自然资源之一,是我们人类赖以生存和发展的物质基础,随着近代社会经济和科学技术的迅猛发展以及人口的急剧增加,人类对土地的需求量日益加大[1]。另外,加速的工业化与城市化使得土地利用强度不断加剧,并且传统农业生产经营方式的转变,使得农药化肥大量使用,土壤养分含量发生变化,导致区域内生物、生态环境和生态系统遭到了空前的冲击与破坏,某些破坏已经达到甚至超过土地资源的生态承载能力,而土地资源的生态破坏反过来又影响到区域乃至一个国家人类的健康生活和社会的可持续发展[2]。同时,土地生态安全作为生态安全的基石,是实现粮食安全、经济安全与社会安全的基础和保障,涉及国家的长治久安[3]。在土地利用与环境变化、土地可持续利用评价等研究逐渐深入的背景下,生态安全研究已成为土地资源可持续利用研究的前沿课题。因此,土地生态安全研究具有重要的理论意义和现实意义[4]。
土地生态安全是生态安全和国家生态安全的一个重要方面,是人类生存环境处于健康可持续发展的状态,具体指一定时空范围内,通过对土地资源的合理利用和管理,使土地生态系统能够保持其结构与功能不受威胁或少受威胁的健康、平衡的状态,并能够为保障人类社会经济和农业可持续发展提供稳定、均衡、充裕的自然资源,从而能够维持土地自然、社会、经济复合体长期协调发展[5]。可见,生态安全具有持续性、稳定性、长期性的特点,是一种资源环境状态,它既要求生态环境自身处于良性循环之中,又要求资源、环境状态满足社会经济发展需要,同时保持资源环境与社会经济之间关系相协调。土地生态安全受自然、社会、经济等多因素影响,这些因素之间又相互作用和制约,并且土地生态安全在一定程度上制约着社会经济的可持续发展[6]。
目前,我国的土地生态安全评价研究正由定性研究向定量研究发展,并已落实到区域,呈现出以空間尺度为主流、时间尺度为支流、区域土地生态安全评价为核心,辅以流域和国家安全评价的研究格局[7]。主要研究有土地生态安全内涵[8]、土地生态安全评价[9]、土地生态安全预警[10]、土地生态安全设计研究等[11],研究区域主要集中选在东部沿海发达地区,对于中部地区资源枯竭型城市的研究比较少,且指标体系不够完善,评价方法比较单一,多采用综合评价法,存在一定的不足:(1)综合评价方法,先主观确定土地生态安全等级取值范围并划分若干等级,然后测算评价对象的土地生态安全水平综合分值,最后根据评价综合分值归等定级,主观性较强[12];(2)将分散的信息通过模型集成,再进行综合分值归等定级来评价研究对象的土地生态安全综合水平,不能有效识别指标与评价等级之间的隶属程度,容易遗漏单个指标之间的评价信息[13];土地生态安全是推进新型城镇化的重要内容之一,湖北省大冶市是国家首批资源枯竭型城市经济转试点,是湖北省城乡一体化试点市,建设发展与生态安全保护矛盾突出。本研究以大冶市为例,运用压力-状态-响应(PSR)模型综合考虑社会、经济、资源与环境构建土地生态安全指标体系,熵权模型确定指标权重[14],并引入物元分析法[15]对土地生态安全进行实证研究,综合评价大冶市1996—2010年土地生态安全状况与演化趋势,诊断土地生态安全的制约因子以及生态安全状况不断得到改善的必要条件,为改善土地生态系统安全状况、协调人地关系、促进土地资源可持续利用提供一定的依据。
1研究区概况与数据来源
1.1研究区域概况
大冶市位于湖北省东南部,依托长江,背靠湖北省武汉市,北连黄石市、鄂州市,南毗江西省九江市,西邻咸宁市,东达安徽省安庆市,交通便利,是湖北省武鄂黄黄都市圈的重要组成城市,地跨29°40′~30°15′N、114°31′~115°20′E。西北与鄂州市为邻,东北与蕲春、浠水县隔江相对,西南与武汉市、咸宁市毗邻,东南与阳新县接壤。距省会武汉市仅60 km。全市总面积1 566.3 km2,辖1个乡、9个镇、3个街道、1个国有农场。大冶市矿藏资源丰富,是世界青铜文化发祥地,中国矿冶名城,“冶金腹地”的“铜都”大冶,素有“百里黄金地,江南聚宝盆”之美誉,是全国六大铜矿基地基之一、十大铁矿基地之一,硅灰石储量世界第一,其矿产开发史可上溯到 3 000 多年前。大冶市是一个典型的资源枯竭型城市,如何做好工矿废弃地复垦利用试点、承接产业转移是当前发展的重中之重。
1.2研究区数据来源 数据主要来源于1996—2011年《湖北省统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国城市统计年鉴》、1996—2011年《大冶市统计年鉴》《湖北省环境统计公报》《大冶环境统计公报》、政府网站以及百度搜索。
2土地生态安全评价指标体系的构建
土地生态安全评价的关键是建立科学合理的评价指标体系以及对选取指标权重的确定。因此,构建土地生态安全评价指标要针对研究区特点和主要生态问题,既要能反映社会和经济,又要能反映生态系统自身的发展,还要能反映各个系统的协调程度[10]。
2.1PSR模型
土地生态安全评价多借鉴PSR模型,它是20世纪80年代末,经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出的,该模型以因果关系为基础,突出环境受到的压力和环境退化之间的因果关系。目前,基于“压力-状态-响应”的PSR模型的“自然-经济-社会”评价体系涵盖了土地自然、经济、社会3个主要方面,能客观地反映区域土地生态安全的状态和问题,还能体现土地生态系统综合协调的思想[16]。借鉴国内外指标体系的构建,结合大冶市实际状况,因地制宜地构建大冶市的生态安全评价指标体系,筛选25项指标,以生态安全为总目标,分别以压力、状态、响应为系统层,以“压力-状态-响应”模型中的具体指标为指标层(表1),利用这些指标确定并描述大冶市生态安全的状态与水平
式中:Hj表示第j项指标的熵;fij表示第i个评价对象第j项指标占所有评价对象该指标和的比重;k表示波尔兹曼常量;Wj表示第j项指标的权重;再根据专家评判方法对权重适当调整,结果见表1。
3土地生态安全评价方法及过程
定量测度土地生态安全状态和水平是土地生态安全研究的重要内容之一。目前对土地生态安全评价研究比较常用的方法主要有综合指数评价法[17]、土地承载力法[18]、景观生态学法[19]等,其中以综合评价指数法居多,主要通过综合分值归等定级来评价研究对象的土地生态安全综合水平,不能有效识别指标与评价等级之间的隶属程度,容易遗漏单个指标之间的评价信息,因此,本研究基于PSR模型引入物元模型。
物元模型由中国学者蔡文教授在20世纪80年代初创立,以形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓规律,用于解决不相容的复杂问题,适合于多因子评价。通过引入负数的概念建立关联度,可以无丢失地综合各种因素的全部信息,并能以定量的数值表示评价结果,从而较完整、客观地反映事物质量的综合水平,可应用于生态环境、水资源承载力、农用地分级和土地生态水平等综合评价研究
渐再重新提升,土地生态安全水平有逐渐变好的趋势,但比较2010年与1996年的安全水平,2010年综合关联度明显小于1996年,因此大冶市土地生态安全不容乐观。
从单个评价指标分析,大冶市土地生态安全评价指标相对应各个水平等级的关联度计算结果,1996—2010年大部分指标发生等级跳跃。根据单个评价指标提供的分异信息,25°以上坡耕地面积比重、万元GDP能耗、粮食单产在理想安全与较安全状态之间,安全状况良好,人均公共绿地面积从较不安全状态过渡到较安全状态,从这几项指标分析对大冶市土地生态安全影响相对较小。而2000—2003年大冶市土地生态安全从“较不安全”状态转变为“不安全”状态,处于“V”形发展最低端,同时,大冶市建设用地占用耕地面积比重、人均生活用水量、单位土地面积废水排放量等上升,水土协调度下降,说明以上指标对大冶市土地生态安全水平的提升有很大的作用。环保资金投入比重、高新技术产业增加值、工业固废综合利用率、单位耕地面积农药使用量、城镇化率、等指标出现不同等级的上升趋势,说明这几项指标对大冶市土地生态安全水平的提升也有很大作用。
4.2PSR模型評价
采用权重加权求和得到大冶市土地生态安全压力系统、状态系统、响应系统的安全值和综合安全指数(图1),1996—2010年的土地生态安全综合关联度见图2。对比分析图1、图2,由图1可知,大冶市土地生态安全水平正向增长,分析图2大冶市土地生态安全综合关联度得出,大冶市土地生态安全状况堪忧,2000—2006年大冶市土地生态安全水平较低,均处在不安全状态和较不安全状态,2007年开始有所好转,但之后关联度逐年降低,稳定度差。目前大冶市耕地面积 52 931.48 hm2,园地面积2 020.77 hm2,林地面积 47 391.58 hm2,草地面积4 521.51 hm2,城镇村及工矿用地20 660.52 hm2,交通运输用地2 597.77 hm2,水域及水利设施用地20 754.47 hm2,其他土地4 693.43 hm2,结合大冶市土地利用现状分析,大冶市人均耕地面积逐年减少,城镇村及工矿用地面积大,土地利用仍较粗放,农村建设用地利用效率较低,农村居民点用地不减反增,建设用地占用大量耕地面积,同时,历史遗留下来的工矿废弃地点多面广,有待复垦利用,通过对当地土地利用状况的调查发现,大冶市土地拋荒问题极其严重,具体原因是丘陵地形不利规模化生产,工矿企业占地污染严重。应该根据当地实际情况进行农村居民点整治、基本农田整理,提高土体生态安全水平,努力构建环境友好型和资源节约型社会。
5结论与讨论
(1)通过1996—2010年大冶市15年土地安全评价分析表明,基于PSR模型的“自然-经济-社会”评价体系涵盖了土地的自然、经济、社会等主要方面,满足指标体系的系统性、可操作性、可比性等要求,客观地反映区域土地生态安全的状态和问题以及土地生态系统的各要素之间的关系。熵权法根据评价指标间的离散程度,用信息熵来确定评价指标权重,结合专家评判法,在一定程度上改善和提高了评价的质量;物元分析方法可以揭示单个评价指标的分异信息和综合评价结果的中间信息,挖掘土地生态安全存在的具体问题,PSR模型和物元分析法适用于土地生态安全评价。(2)1996—2010年大冶市土地生态系统的安全状况经历了从较不安全→不安全→较不安全这样一个“V”形变化,综合水平有所提升,但并未达到临界安全或较安全状态,并且现有安全状态的等级关联度较弱,有下降趋势。根据评价分析结果,提高大冶市土地生态安全、维持可持续发展,要积极开展农村土地整治,增加土地利用集约度,减少建设用地占用耕地面积,结合土地利用现状,加大中低产田改造力度;加强水土流失治理,提升水土协调度,提高环境污染治理投资比例,降低人均生活用水量,减少生活污水及工业废水排放;转变经济发展方式,优化产业布局,规划工矿废弃地复垦。 本研究运用PSR“压力-状态-响应”模型、熵权法结合物元方法,以大冶市为例分析资源枯竭型城市土地生态安全,得出大冶市土地生态安全主要问题所在,为大冶市土地利用规划的制定提供参考依据,达到了预期研究目的。存在的不足有:仅从时间尺度整体分析,未结合空间分析,指标选取面广不具有针对性等,下一步研究重点为选取针对性指标,进行时空差异对比分析。
参考文献:
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关键词:土地生态安全;物元分析;PSR模型;大冶市
中图分类号: X144文献标志码: A
文章编号:1002-1302(2017)05-0271-06
作者简介:刘艳芳(1959—),女,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要从事土地资源管理及地理信息应用工程研究。E-mail:yfliu610@163.com。
通信作者:明立彩,硕士研究生,主要从事区域规划与经济地理研究。E-mail:595699093@qq.com。
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土地是自然界最宝贵的自然资源之一,是我们人类赖以生存和发展的物质基础,随着近代社会经济和科学技术的迅猛发展以及人口的急剧增加,人类对土地的需求量日益加大[1]。另外,加速的工业化与城市化使得土地利用强度不断加剧,并且传统农业生产经营方式的转变,使得农药化肥大量使用,土壤养分含量发生变化,导致区域内生物、生态环境和生态系统遭到了空前的冲击与破坏,某些破坏已经达到甚至超过土地资源的生态承载能力,而土地资源的生态破坏反过来又影响到区域乃至一个国家人类的健康生活和社会的可持续发展[2]。同时,土地生态安全作为生态安全的基石,是实现粮食安全、经济安全与社会安全的基础和保障,涉及国家的长治久安[3]。在土地利用与环境变化、土地可持续利用评价等研究逐渐深入的背景下,生态安全研究已成为土地资源可持续利用研究的前沿课题。因此,土地生态安全研究具有重要的理论意义和现实意义[4]。
土地生态安全是生态安全和国家生态安全的一个重要方面,是人类生存环境处于健康可持续发展的状态,具体指一定时空范围内,通过对土地资源的合理利用和管理,使土地生态系统能够保持其结构与功能不受威胁或少受威胁的健康、平衡的状态,并能够为保障人类社会经济和农业可持续发展提供稳定、均衡、充裕的自然资源,从而能够维持土地自然、社会、经济复合体长期协调发展[5]。可见,生态安全具有持续性、稳定性、长期性的特点,是一种资源环境状态,它既要求生态环境自身处于良性循环之中,又要求资源、环境状态满足社会经济发展需要,同时保持资源环境与社会经济之间关系相协调。土地生态安全受自然、社会、经济等多因素影响,这些因素之间又相互作用和制约,并且土地生态安全在一定程度上制约着社会经济的可持续发展[6]。
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1研究区概况与数据来源
1.1研究区域概况
大冶市位于湖北省东南部,依托长江,背靠湖北省武汉市,北连黄石市、鄂州市,南毗江西省九江市,西邻咸宁市,东达安徽省安庆市,交通便利,是湖北省武鄂黄黄都市圈的重要组成城市,地跨29°40′~30°15′N、114°31′~115°20′E。西北与鄂州市为邻,东北与蕲春、浠水县隔江相对,西南与武汉市、咸宁市毗邻,东南与阳新县接壤。距省会武汉市仅60 km。全市总面积1 566.3 km2,辖1个乡、9个镇、3个街道、1个国有农场。大冶市矿藏资源丰富,是世界青铜文化发祥地,中国矿冶名城,“冶金腹地”的“铜都”大冶,素有“百里黄金地,江南聚宝盆”之美誉,是全国六大铜矿基地基之一、十大铁矿基地之一,硅灰石储量世界第一,其矿产开发史可上溯到 3 000 多年前。大冶市是一个典型的资源枯竭型城市,如何做好工矿废弃地复垦利用试点、承接产业转移是当前发展的重中之重。
1.2研究区数据来源 数据主要来源于1996—2011年《湖北省统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国城市统计年鉴》、1996—2011年《大冶市统计年鉴》《湖北省环境统计公报》《大冶环境统计公报》、政府网站以及百度搜索。
2土地生态安全评价指标体系的构建
土地生态安全评价的关键是建立科学合理的评价指标体系以及对选取指标权重的确定。因此,构建土地生态安全评价指标要针对研究区特点和主要生态问题,既要能反映社会和经济,又要能反映生态系统自身的发展,还要能反映各个系统的协调程度[10]。
2.1PSR模型
土地生态安全评价多借鉴PSR模型,它是20世纪80年代末,经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出的,该模型以因果关系为基础,突出环境受到的压力和环境退化之间的因果关系。目前,基于“压力-状态-响应”的PSR模型的“自然-经济-社会”评价体系涵盖了土地自然、经济、社会3个主要方面,能客观地反映区域土地生态安全的状态和问题,还能体现土地生态系统综合协调的思想[16]。借鉴国内外指标体系的构建,结合大冶市实际状况,因地制宜地构建大冶市的生态安全评价指标体系,筛选25项指标,以生态安全为总目标,分别以压力、状态、响应为系统层,以“压力-状态-响应”模型中的具体指标为指标层(表1),利用这些指标确定并描述大冶市生态安全的状态与水平
式中:Hj表示第j项指标的熵;fij表示第i个评价对象第j项指标占所有评价对象该指标和的比重;k表示波尔兹曼常量;Wj表示第j项指标的权重;再根据专家评判方法对权重适当调整,结果见表1。
3土地生态安全评价方法及过程
定量测度土地生态安全状态和水平是土地生态安全研究的重要内容之一。目前对土地生态安全评价研究比较常用的方法主要有综合指数评价法[17]、土地承载力法[18]、景观生态学法[19]等,其中以综合评价指数法居多,主要通过综合分值归等定级来评价研究对象的土地生态安全综合水平,不能有效识别指标与评价等级之间的隶属程度,容易遗漏单个指标之间的评价信息,因此,本研究基于PSR模型引入物元模型。
物元模型由中国学者蔡文教授在20世纪80年代初创立,以形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓规律,用于解决不相容的复杂问题,适合于多因子评价。通过引入负数的概念建立关联度,可以无丢失地综合各种因素的全部信息,并能以定量的数值表示评价结果,从而较完整、客观地反映事物质量的综合水平,可应用于生态环境、水资源承载力、农用地分级和土地生态水平等综合评价研究
渐再重新提升,土地生态安全水平有逐渐变好的趋势,但比较2010年与1996年的安全水平,2010年综合关联度明显小于1996年,因此大冶市土地生态安全不容乐观。
从单个评价指标分析,大冶市土地生态安全评价指标相对应各个水平等级的关联度计算结果,1996—2010年大部分指标发生等级跳跃。根据单个评价指标提供的分异信息,25°以上坡耕地面积比重、万元GDP能耗、粮食单产在理想安全与较安全状态之间,安全状况良好,人均公共绿地面积从较不安全状态过渡到较安全状态,从这几项指标分析对大冶市土地生态安全影响相对较小。而2000—2003年大冶市土地生态安全从“较不安全”状态转变为“不安全”状态,处于“V”形发展最低端,同时,大冶市建设用地占用耕地面积比重、人均生活用水量、单位土地面积废水排放量等上升,水土协调度下降,说明以上指标对大冶市土地生态安全水平的提升有很大的作用。环保资金投入比重、高新技术产业增加值、工业固废综合利用率、单位耕地面积农药使用量、城镇化率、等指标出现不同等级的上升趋势,说明这几项指标对大冶市土地生态安全水平的提升也有很大作用。
4.2PSR模型評价
采用权重加权求和得到大冶市土地生态安全压力系统、状态系统、响应系统的安全值和综合安全指数(图1),1996—2010年的土地生态安全综合关联度见图2。对比分析图1、图2,由图1可知,大冶市土地生态安全水平正向增长,分析图2大冶市土地生态安全综合关联度得出,大冶市土地生态安全状况堪忧,2000—2006年大冶市土地生态安全水平较低,均处在不安全状态和较不安全状态,2007年开始有所好转,但之后关联度逐年降低,稳定度差。目前大冶市耕地面积 52 931.48 hm2,园地面积2 020.77 hm2,林地面积 47 391.58 hm2,草地面积4 521.51 hm2,城镇村及工矿用地20 660.52 hm2,交通运输用地2 597.77 hm2,水域及水利设施用地20 754.47 hm2,其他土地4 693.43 hm2,结合大冶市土地利用现状分析,大冶市人均耕地面积逐年减少,城镇村及工矿用地面积大,土地利用仍较粗放,农村建设用地利用效率较低,农村居民点用地不减反增,建设用地占用大量耕地面积,同时,历史遗留下来的工矿废弃地点多面广,有待复垦利用,通过对当地土地利用状况的调查发现,大冶市土地拋荒问题极其严重,具体原因是丘陵地形不利规模化生产,工矿企业占地污染严重。应该根据当地实际情况进行农村居民点整治、基本农田整理,提高土体生态安全水平,努力构建环境友好型和资源节约型社会。
5结论与讨论
(1)通过1996—2010年大冶市15年土地安全评价分析表明,基于PSR模型的“自然-经济-社会”评价体系涵盖了土地的自然、经济、社会等主要方面,满足指标体系的系统性、可操作性、可比性等要求,客观地反映区域土地生态安全的状态和问题以及土地生态系统的各要素之间的关系。熵权法根据评价指标间的离散程度,用信息熵来确定评价指标权重,结合专家评判法,在一定程度上改善和提高了评价的质量;物元分析方法可以揭示单个评价指标的分异信息和综合评价结果的中间信息,挖掘土地生态安全存在的具体问题,PSR模型和物元分析法适用于土地生态安全评价。(2)1996—2010年大冶市土地生态系统的安全状况经历了从较不安全→不安全→较不安全这样一个“V”形变化,综合水平有所提升,但并未达到临界安全或较安全状态,并且现有安全状态的等级关联度较弱,有下降趋势。根据评价分析结果,提高大冶市土地生态安全、维持可持续发展,要积极开展农村土地整治,增加土地利用集约度,减少建设用地占用耕地面积,结合土地利用现状,加大中低产田改造力度;加强水土流失治理,提升水土协调度,提高环境污染治理投资比例,降低人均生活用水量,减少生活污水及工业废水排放;转变经济发展方式,优化产业布局,规划工矿废弃地复垦。 本研究运用PSR“压力-状态-响应”模型、熵权法结合物元方法,以大冶市为例分析资源枯竭型城市土地生态安全,得出大冶市土地生态安全主要问题所在,为大冶市土地利用规划的制定提供参考依据,达到了预期研究目的。存在的不足有:仅从时间尺度整体分析,未结合空间分析,指标选取面广不具有针对性等,下一步研究重点为选取针对性指标,进行时空差异对比分析。
参考文献:
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