基于模糊物元和熵權法的土地生態安全評價

陶曉燕

（1.中原工學院經濟管理學院，鄭州450007；2.四川大學經濟學院，成都610065）

0 引言

目前，對土地生態安全的評價研究主要集中在評價指標體系的構建和評價方法的選擇方面。所建立的評價指標體系或者包括土地資源壓力、土地資源狀態和人文環境響應三個因素；或者包括自然、經濟和社會三個因素。土地生態安全評價方法的研究還處在實踐和探索階段，比較常見的方法包括：綜合指數評價法、土地承載力分析法、景觀生態學方法等等。土地生態系統的安全與否具有模糊性，對其評價是一個多指標決策過程，評價指標間可能有不相容問題，這使得評價存在著不確定性和模糊性。上述評價方法在實際評價過程中，均在處理級別區間內部差異、白化信息和確定權重方面存在不足。20世紀80年代，蔡文教授提出的物元分析理論是用于解決矛盾和不相容問題的有力工具，模糊數學則是解決模糊問題的利器[3]。目前，模糊物元理論已經應用于水質評價、城市生態系統健康評價、區域環境質量評價、耕地質量評價、預警分析等領域中。本文在物元分析的基礎上結合模糊集概念和熵權理論，建立基于模糊物元理論和熵權法的土地生態安全評價模型，與傳統方法相比，此模型能有效避免評價標準不確定性帶來的影響，更全面、客觀地評價土地生態安全狀況，從而為土地生態安全的綜合評價提供一條新途徑。

1 評價指標體系的構建

土地生態安全受到多種因素的影響，因此，確定土地生態安全評價指標是一項探索性很強、很復雜的工作，迄今為止還沒有一個明確的、統一的標準。評價指標的選擇不僅要考慮生態環境狀態，也要反映出對土地生態安全有潛在影響的重要因素的變化以及人類活動的影響，還要考慮指標數據的可獲得性。本文根據PSR（即壓力（Pressure）—狀態（State）—響應（Response））模型，遵循科學性、整體性、可度量性、可操作性等原則，從壓力、狀態、響應三個方面選取相應的指標，從而構成土地生態安全評價指標體系（如表1所示）。

表1 土地生態安全評價指標體系及指標分級標準

由于各個指標對土地生態安全影響的性質不相同，因此本文將其分為正向指標和負向指標兩大類。正向指標的值越大，表明土地生態安全狀況越好。負向指標的值越大，表明土地生態安全狀況越差。各指標的安全趨向性見表1。

指標分級標準的制定是土地生態安全評價的關鍵環節，至今為止還沒有一個統一的評價標準。根據評價決策的實際需要，本文將土地生態安全劃分為5級：安全、較安全、臨界安全、較不安全、不安全。本文確定各項指標所對應的各個級別的分界點（如表1所示）。

2 基于模糊物元理論的土地生態安全評價模型

2.1 模糊物元

2.1.1 模糊物元與復合模糊物元

模糊物元就是以有序的三元組“事物，特征，模糊量值”作為描述事物的基本元[7]。若用R表示模糊物元，M表示事物，C表示事物M的特征，x表示與事物特征C相應的模糊量值，則有模糊有序物元R=(M,C,x)。若事物M有n個特征C1C2,…,Cn及其相應的模糊量值x1,x2,…,xn，則稱R為n維模糊物元。如果m個事物用其共同的n個特征及其相應的模糊量值來描述，則構成m個事物的n維復合模糊物元Rmn，即

式中，Rmn表示m個事物的n維復合模糊物元，Mj(j=1,2,…,m)為第j個事物，Ci(i＝1,2,…,n)為第i個特征，xij為第 j個事物第i個特征對應的模糊量值。本研究將評價對象的土地生態安全狀況作為物元的事物，以各項評價指標及其相應的模糊量值構造復合模糊物元，即以“土地生態安全，評價指標，安全指數”作為描述土地生態安全狀況的基本元，安全指數的計算見下文。

2.1.2 土地生態安全參照標準

土地生態安全參照標準是判定土地生態系統中交互脅迫效應產生警報情況的依據，應當按照從優隸屬度的原則進行設定，即各單項評價指標相應的模糊量值，從屬于標準方案各對應評價指標相應的模糊量值隸屬程度。在上文劃分的5級安全級別內，確定各個級別的取值范圍（見表2）。其中，正向指標和負向指標的取值范圍不同，見表2。

表2 土地生態安全級別劃分與指標范圍的對應關系

d1＞d2＞d3＞d4，分別表示對應不同安全級別指標的臨界值。

2.1.3 標準模糊物元矩陣

正向指標的安全指數的計算公式為

安全：

較安全：

臨界狀態：

較不安全

不安全：

負向指標的安全指數的計算公式為：

安全：

較安全：

臨界狀態：

較不安全：

不安全：

若計算后得到的uij＜0，則指標的安全指數取值為0；若uij＞10，則指標的安全指數取值為10[10]。根據各評價指標的安全指數，建立標準模糊物元矩陣：

式中，Rij(i＝1,2,…,n；j=1,2,…,m)為事物 j的 Ci項特征的標準模糊物元。

2.2 確定指標權重

評價指標權重的確定方法有很多種，分為主觀賦權法和客觀賦權法兩種。為避免主觀因素的影響，本文使用熵權法計算指標權重系數，從而得到指標權重的集合Wi(W1,W2,…,Wn)。熵權法的計算步驟見文獻[11]。

2.3 土地生態安全評價模型

依據標準模糊物元矩陣和指標權重，可以計算土地生態安全總指數，計算模型為：

式中，Ii為土地生態安全總指數，Wi為指標權重集，Rij為標準模糊物元矩陣[10]。這樣，依據安全參照標準中與安全級別相對應的指數區間，就可以判斷土地生態系統的安全狀況。

3 應用舉例

3.1 研究區概況

安徽沿江地區（合肥、馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州、安慶、宣城、巢湖、滁州9個城市）是安徽省發展條件最優、發展活力最強、發展潛力最佳的重要區域。隨著“沿江開發”戰略的實施，人口迅速增加，工業化、城鎮化水平快速提高，耕地面積顯著減少，人多地少的矛盾日益尖銳，土地生態質量不斷下降。因此，評價沿江地區的土地生態安全具有重要的意義。文中所需數據來源于2007年安徽省和以上9個城市的統計年鑒、經濟和社會發展統計公報、環境質量報告等。

3.2 計算過程及結果

根據式(1)，將9個城市的土地生態安全狀況作為9個事物，共有18個特征（指標），構建復合模糊物元。計算各指標的安全指數時，對于正向指標，按照式(2)～(6)計算其安全指數；對于負向指標，按照式(7)～(11)計算其安全指數，從而建立標準模糊物元矩陣。利用熵權法計算各評價指標的權重，從而得到指標權重集合Wi=(0.0567,0.0482,0.0501,0.0667,0.0537,0.0625,0.0528,0.0590,0.0531,0.0712,0.0610,0.0558,0.0523,0.0504,0.0520,0.0506,0.0539,0.0502)。依據標準模糊物元矩陣和指標權重，計算得到2008年9個城市的土地生態安全總指數。根據土地生態安全評價模型，對各城市的土地生態安全狀況進行評價，見表3。

表3 安徽省沿江地區土地生態安全綜合評價結果

按照同樣的方法，可計算得到各城市各評價要素的土地生態安全評價結果，見圖1。

3.3 計算結果分析

根據表3，9個城市土地生態安全的排序結果為：宣城＞合肥＞馬鞍山＞銅陵＞蕪湖＞滁州＞池州＞巢湖＞安慶。9個城市都屬于“臨界安全”級，表明土地生態安全狀況處于臨界水平，土地生態系統服務功能已有退化，土地生態環境受到一定破壞，生態系統結構有變化。總體上看，安徽省9個沿江城市的土地生態安全狀況總體上不容樂觀，有待于進一步改善。

從3個評價要素看，在9個城市中，狀態要素的安全狀況最好，屬于“較安全”級或“臨界安全”級。壓力要素中，宣城屬于“臨界安全”級，而其他城市都屬于“較不安全”級。在響應要素中，安徽、馬鞍山、蕪湖、銅陵4個城市屬于“臨界安全”級，而其他5個城市屬于“較不安全”級。對9個城市而言，壓力要素和響應要素應該引起足夠的重視。

圖1 9個城市各評價要素安全評價結果

4 結論

本文采用模糊物元理論對安徽省沿江9個城市（合肥、馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州、安慶、宣城、巢湖、滁州）2007年的土地生態安全狀況進行了評價。9個城市都屬于“臨界安全”級（臨界安全）。總體上看，安徽省9個沿江城市的土地生態安全狀況總體上不容樂觀，有待于進一步改善。評價結果符合實際情況，可以為土地環境規劃與污染防治決策提供較為科學的參考依據。

[1] 任志遠,張艷芳.土地利用變化與生態安全評價[M].北京:科學出版社,2003.

[2] 肖篤寧,陳文波,郭福良.論生態安全的基本概念和研究內容[J].應用生態學報,2002,13(3).

[3] 李如忠.基于模糊物元分析原理的區域生態環境評價[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2006,29(5).