基于能值分析的哈爾濱所轄市縣土地資源生態安全評價

李玉清，宋 戈，王 越，王學偉

（1.東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030；2.東北大學土地管理研究所，沈陽110819；3.東北農業大學 村鎮發展研究中心，哈爾濱150030）

土地資源生態安全作為生態安全的重要組成部分，是決定區域生態安全的基礎，直接關系著區域可持續發展［1］。科學評價城市周邊所轄市縣土地資源生態安全，對合理利用土地資源，促進城市周邊所轄市縣經濟、社會、生態可持續穩定健康發展具有重要意義。

目前，國外對土地資源生態安全多是針對于稀缺性資源或景觀［2－3］、土地資源管理方式［4］和土壤退化［5］等方面進行研究。國內研究多是從土地資源生態系統自身穩定性［6］、土地生態系統結構功能對人類社會發展提供穩定資源［7］等角度進行分析，研究區多集 中 在 典 型 生 態 脆 弱 區［8－9］、沿 海 經 濟 較 發 達 地區［10－11］以及國內 大 中城 市［12－14］。但以 受 到 城市 擴 張沖擊下的城市所轄市縣為研究區對土地資源生態安全狀況進行研究的甚少。研究方法多是主成分分析法［15］、層次分析法［16］與 PSR 模型［17－18］、物元模型［19］相結合構建評價指標體系對其進行研究。這些方法與模型相結合雖能綜合自然、社會經濟多方面評價指標，但沒有將對生態安全測度比較重要的因素，尤其是生態影響因素考慮進來［20］，其指標權重、相關性、指標質量差異等因素的確定過于主觀而失去指標本身意義，會直接影響評價結果。而能值分析法以能值為基準，引入太陽能值轉換率，統一量化自然生態系統和社會經濟系統中的各個指標，解決不同系統物質間統一評價的問題，有效避免評價過于主觀性。本文以哈爾濱所轄市縣為研究區，以城市擴張沖擊下的土地資源生態安全狀況為研究對象，從土地資源生態系統的物質流、能量流、信息流等生態流角度入手，運用能值分析法和“壓力—狀態—影響—響應”（PSIR）模型［20］構建土地資源生態安全評價指標體系及土地資源生態安全能值指數（EULESI），對2004—2011年哈爾濱所轄市縣土地資源生態安全狀況進行評價，以期為全面了解及有效開展城市所轄市縣的土地資源生態安全評價研究，為城市擴張中土地資源生態安全建設、土地資源利用和土地規劃提供科學依據，也為其他地區開展類似研究提供參考。

1 研究區概況

哈爾濱市地處我國東北北部，位于黑龍江省南部，氣候屬中溫帶大陸性季風氣候，冬長夏短，雨水充沛，多年平均降雨量380.71～470.33 mm，年均日照時數2 157.44～2 553.72 h，年太陽輻射總量（4.60～5.00）×109J／m2，地形多為山地、丘陵和平原，土壤肥沃。2004年哈爾濱市在經濟發展、城市擴張的需求下，由原來的“七區十二縣（市）”變為“八區十縣（市）”。哈爾濱所轄10縣（市）包括尚志市、雙城市、賓縣、方正縣、依蘭縣、巴彥縣、五常市、木蘭縣、延壽縣和通河縣。2011年哈爾濱所轄市縣土地面積4.59萬k m2，總人口為521.74萬人，其中農業人口占73.79%。哈爾濱是全國農業發展的重要地區，研究區更是商品糧供應的重要區域。2011年哈爾濱所轄市縣糧食產量為1.38×107t，占全市糧食總產量的96.73%；農林牧漁業生產總值為678.21億元，占全市農林牧漁業生產總值的76.99%。2011年哈爾濱所轄市縣工業產值為508.66萬元，占全市工業生產的13.03%。近年來隨著研究區大力發展農業、工業，以犧牲土地資源為代價，工業“三廢”、農業化肥農藥以及地膜使用過度，水土流失、土地沙化等生態環境問題相繼出現，破壞土地生態系統平衡性與穩定性，土地資源生態安全問題已影響到該區域的農業、經濟社會可持續健康發展。

2 研究方法與數據處理

2.1 數據來源與處理

本研究數據源于2005—2012年的《哈爾濱市統計年鑒》、《黑龍江省統計年鑒》等統計年鑒數據。利用能值轉換率［21］，將土地生態系統的各種物質和能量形式的投入轉化為太陽能值。計算2004—2011年哈爾濱所轄市縣土地資源生態系統能值數據，并利用能值分析［22－23］建立的能值指標，對能反映土地資源生態系統與社會經濟關聯的能值流指標進行計算（表1）。

表1 土地資源生態能值流指標 10 22sej／a

2.2 研究方法

（1）基本原理。土地資源生態安全評價是對土地資源生態系統內安全狀況的客觀描述，其關鍵在于建立適宜的模型以及相應的指標體系。以往土地資源生態安全評價是盡可能多地選取反映生態系統特點的表征指標，確定指標權重，通過要素層權重的分配得到綜合評價結果因受到人為因素影響過于主觀。本文基于能值分析的土地資源生態安全評價方法，在傳統的PSR模型框架基礎上，綜合考慮土地資源生態系統與人類社會經濟交互作用，添加反映生態安全測度的生態影響因素層，改進為PSIR模型。將能值分析法與PSIR模型相結合，綜合考慮城市土地資源生態系統內部能流、物流、人口流和貨幣流代謝的運行趨勢及其相互作用，結合數據來源，整理分類，繪制能量流圖（圖1）。

圖1 研究區土地資源生態系統能量流動圖

（2）評價指標體系的構建。根據研究區土地資源生態安全實際情況，將其分為系統壓力、系統狀態、系統影響、系統響應4方面，構建基于能值分析的壓力—狀態—影響—響應（PSIR）城市土地資源生態安全評價指標體系（表2）。壓力子系統，包含社會經濟和人類活動對土地資源需求和對其生態系統破壞等壓力；狀態子系統，反映當前系統內部各種生態流與

EISD可用以綜合評價系統可持續發展程度，EISD值越高，說明單位環境壓力下的社會經濟效益越高，系統可持續發展性能越好。所謂可持續發展強調“自然、經濟、社會”復雜關系的整體協調，是“發展、協調、持續”的綜合反映和內在統一。土地資源生態安全是為人類在生產、生活和健康等方面不受或少受土地資源生態破壞與環境污染等影響的保障程度。保障人類基本生存所需條件是土地資源生態安全的基本含義，其次是保證國家及人類社會可持續發展。所以，土地資源生態安全的本質以人類社會可持續發展為目的，是實現可持續發展的基礎和必要條件，沒有土地資源生態安全就沒有可持續發展。土地資源生態安全作為生態安全的重要組成部分，更是實現和維護可持續發展的首要工作。

本文基于能值分析的土地資源生態安全評價指標體系，選取環境負荷率（EIR）、能值產出率（EYR）、可更新有機能值／能值比（RER）以及環境潛力（EP）分別代表壓力子系統、狀態子系統、影響子系統和響應子系統，構建表征土地資源生態安全水平綜合指標——土地資源生態安全能值指數（Emery-based urban land resource ecological security index，EULESI）。由于土地資源生態安全與其狀態、響應子系統呈正相關，與壓力、影響子系統呈負相關，所以其計算外界交流的狀況；影響子系統，表征土地資源生態安全穩定性及生產力與活力等生態安全測度情況；響應子系統，表征由影響能值指標的狀態改變所導致的變化。

（3）城市土地資源生態安全可持續能值指數的構建。在評價系統可持續發展能力綜合指標中，陸宏芳等構建了評價系統可持續發展能值指標EISD［24］，即：公式為：

EULESI值越大，表示土地資源生態安全程度越高。該安全指標可用于某一研究區土地生態安全發展趨勢研究，也可用于不同區域間土地生態安全的橫向比較研究。通過檢驗構建EULESI的科學合理性，將2004—2011年研究區EULESI值與EISD值變化趨勢進行person相關性比較分析，如果二者相關系數為0.8～1.0表明極強相關、0.6～0.8強相關、0.4～0.6中等相關，則說明EULESI指標構建具有科學性；如果二者相關系數為0.2～0.4表征弱相關、0.0～0.2極弱相關或無相關，則說明EULESI指標構建不具有合理性。

表2 土地資源生態安全評價指標體系

為了準確評價土地資源生態安全程度，反映土地生態環境建設和保護程度，構建土地資源生態安全等級。由于土地資源生態安全等級劃定尚未形成統一標準，借鑒國內外研究［21，25－26］，綜合考慮研究區土地資源生態系統狀況并將評價結果確定為不安全（＜1.5）、較不安全（1.5～3.0）、臨界安全（3.0～4.5）、較安全（4.5～6.0）和安全（＞6.0）5個評價等級。

3 評價結果與分析

3.1 壓力分析

由圖2可看出，2004—2011年環境負荷率總體呈增長態勢，但有所波動，在2005年達到最低值4.902，隨后2006—2007年有所增長，到2011年出現最高值8.707，表明研究區綜合發展對土地資源生態環境壓力在逐漸增大，其原因在于對研究區不可更新資源開采量的增加；2004—2010年廢棄物／可更新能值比值總體趨于平穩，2011年數值驟然增加，是2010年數值的2.75倍，說明研究區經濟發展的效率有增加趨勢，經濟發展對土地資源生態環境構成嚴重威脅；從能值貨幣比指標看，2004—2011年數值呈先增長后下降的態勢，2004—2006年數值由3.352一直上升，且2006年達到最大值4.242，之后降至2011年的3.133，表明在城市規模擴張和工業化程度的增強下，研究區經濟發展、農業生產過程中，土地自然資源對其作出巨大貢獻，特別是對不可更新資源的利用；2004—2011年能值密度普遍呈上升趨勢，數值由3.791增長至5.543，可知研究區能值使用集約程度屬于高度開發的地區，經濟活動頻繁，對該地區土地生態系統間接構成威脅。總體來看，是由于對礦石、燃油、燃煤的過度開采以及工業開發及污染過重對土地生態環境造成巨大壓力。

圖2 研究區壓力子系統研究期間各指標變化趨勢

3.2 狀態分析

由圖3可知，2004—2011年研究區能值產出率數值從3.385降至3.368，總體呈下降態勢，表明土地資源生態系統雖投入大量的工業輔助能和可更新有機能，但系統產出能值的利用效率較低，同時研究區近8 a來能值產出率一直大于1，表明土地資源生態系統整體功能性相對較好；從人均能值使用量、電力能值比指標來看，2004—2011年數值均呈上升趨勢，分別從3.340增加至4.885和從0.261升至0.432，表明隨著人口數量的增長，輸出能值的絕對數量增加很快，而電能作為維持經濟發展的主要能源，雖在總利用能值中所占比重較小，但發展空間仍較大；從能值交換率來看，2004—2011年數值從0.435驟降至0.196，普遍呈下降趨勢，表明近8 a來研究區土地資源輸入量逐漸減小，而對經濟能值產出持續增長。

圖3 研究區狀態子系統研究期間各指標變化趨勢

3.3 影響分析

由圖4得出，研究區土壤損耗／可更新有機能值比數值從2004年的0.040升至2011年的0.054，總體呈上升態勢，表征土地損耗能值逐年增加，且有繼續增加趨勢；2004—2011年系統穩定性指數數值從0.499降至0.452，且波動較大，可知研究區土地資源生態系統各子系統物質流、能量流連接失和，系統的自控、調節、反饋作用差，自身穩定性較低；從可更新有機能值／能值比來看，2004—2011年數值穩定不變，但仍起伏波動，從2004年的0.017增加至2008年的0.020，且為最大值，之后數值逐漸下降至2011年的0.017，可以得出可更新有機能值占總能值比較小，原因在于研究區勞動力能值較小；2004—2011年研究區系統生產優勢度數值均接近于1，總體呈增加趨勢，表明研究區產業結構比例協調，生產優勢明顯。

3.4 響應分析

從圖5看出，2004—2011年能值自給率數值從0.942跌至0.883，總體呈下降趨勢，略有小幅波動，表明研究區土地資源生態系統響應程度不高，其經濟發展對土地資源的開發利用程度較高、依賴較大。從廢棄物／能值比來看，2004—2011年數值波動較大，總體呈上升趨勢，從2004年0.390降至2005年0.335，2006年略有回升，在2011年達到峰值0.676，說明廢棄物能值過大是導致數值呈上升趨勢的原因，特別是生活垃圾等固態廢棄物和工業污水等液態廢棄物排放量增多導致。環境潛力值與環境承載力2004—2011年雖均呈下降態勢，但起伏波動劇烈，環境潛力的變化直接導致環境承載力的下降，說明研究區實際人口數遠超過自然環境所能承載的適宜人口數，土地資源生態環境承受巨大負荷。

圖4 研究區影響子系統研究期間各指標變化趨勢

圖5 研究區響應子系統研究期間各指標變化趨勢

3.5 土地資源生態安全能值指數分析

對ESID與EULESI指數進行person相關性分析，二者相關系數為0.84，具有極強相關性，且由圖2可知，二者變化趨勢基本相同，因此EULESI指數構建具有科學合理性，可用于表征研究區土地資源生態安全水平。由表3可知，2004—2011年可持續發展能值指數（ESID）由5.452降至2.048，總體呈下降態勢，土地資源生態安全水平波動劇烈。具體而言，由2004年最高值5.452降至2006年的4.798，這階段研究區處于較安全水平。雖然近3 a來整體處于較安全水平，但數值逐漸下滑，表明城市擴張后的研究區土地資源生態系統逐漸受到外界影響，但不十分明顯。之后數值繼續下滑至2008年的2.295，這段時期研究區土地資源生態安全水平為較不安全，年平均下滑速度為1.251 5，表明研究區系統已受到外界嚴重影響，并持續惡化。2009—2010年數值有所回升，在臨界安全范圍內波動，環境負荷率的降低和環境潛力的增加顯示研究區土地資源生態安全水平有所改善。但至2011年數值達到最低值2.048，土地資源生態安全水平再度嚴重，反彈為較不安全狀態，并有繼續發展趨勢。

表3 EULESI指數評價安全等級

4 結論與討論

4.1 結 論

（1）通過person相關性分析得知，EISD與EULESI二者具有極強相關性，相較于EISD指數，EULESI指數對土地資源生態安全評價研究更具有敏感性和代表性，同時作為評價土地資源生態安全水平指標具有科學性，可用于其他類似地區相關研究評價指標。

（2）受到城市擴張沖擊下的2004—2011年研究區土地資源生態安全總體呈遞減趨勢，土地資源生態安全水平波動較大，處于較不穩定發展階段，總體處于較不安全水平。2004—2006年研究區土地資源生態安全處于較安全水平；2007—2008年處于較不安全水平；2009—2010年均處于臨界安全水平；2011年數值處于近8 a來最低值，處于較不安全水平。

4.2 討 論

本文從土地資源生態系統的物質流、能量流、信息流等生態流角度入手，綜合考慮土地資源生態系統與人類社會經濟交互作用，引入表征生態安全測度的生態影響要素層，運用能值分析和“壓力—狀態—影響—響應”（PSIR）模型構建的評價指標體系及土地資源生態安全可持續能值指數（EULESI），有效避免了選取指標過多，指標權重的確定過于主觀的弊端，從而對2004—2011年哈爾濱所轄市縣土地資源生態安全水平進行評價，得出的評價結果與實際相符。這說明本研究構建的評價指標體系及EULESI指數合理，評價方法科學可行，這也為其他同類地區土地資源生態安全相關研究提供參考，也為城市擴張下哈爾濱所轄市縣生態安全建設、土地資源利用和土地整治提供科學依據。

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