土地生態安全評價與障礙因子診斷——以河南省周口市為例

樊鵬飛，段朋輝，2，劉志丹，2，彭宏杰，梁流濤，2*

1.河南大學環境與規劃學院，河南開封475004

2.河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室，河南開封475004

土地生態安全評價與障礙因子診斷——以河南省周口市為例

樊鵬飛1，段朋輝1，2，劉志丹1，2，彭宏杰1，梁流濤1，2*

1.河南大學環境與規劃學院，河南開封475004

2.河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室，河南開封475004

為探究糧食生產核心區內土地生態安全狀況及其障礙因子，破解河南省三大國家戰略規劃實施過程中的土地困境提供支持。本文采用改進PSR模型、相對熵賦權法、障礙因子診斷模型對河南省周口市的土地生態進行評價與障礙因子分析。結果表明：（1）12年間系統壓力呈現緩慢上升-快速下降-逐漸上升的變化趨勢；系統狀態呈現快速下降-逐漸上升-緩慢下降的變化態勢；系統響應與系統壓力呈現出拉鋸式循環增減變化態勢；系統綜合指數從2001年的0.3456下降到2003年的0.3230，又快速上升到2009年的0.4534，再緩慢下降到2012年的0.4394，相應的安全等級也經歷了從敏感級到一般安全級再到臨界安全級的倒“U”型變化；（2）有55.5%的障礙因子集中在系統壓力層，主要障礙因子包括人均耕地、地均化肥和農藥負荷、農林水務和環保治理支出比重等指標。研究地域和研究方法的創新豐富了土地生態安全評價研究，為類似區域提供參考借鑒；河南省土地生態安全保護必須從系統壓力入手，以構筑綠色和諧的國土空間格局為著眼點，以轉變經濟發展方式為落腳點，以增加“三農”和環保項目的財政支持為發力點，走一條不以犧牲糧食生產和生態環境的“三化”協調“五化”同步之路。

土地生態安全；改進PSR模型；障礙度；周口市

土地是人類賴以生存和發展的基礎［1］，健康的土地生態系統關系到國家的政治安全、經濟安全、國防安全和人民生存安全［2］。土地生態安全是指通過合理利用和管理，使土地資源生態狀況能持續滿足社會經濟發展需要，系統結構和功能不受或少受威脅的狀態［3］。以2009年8月國家發改委《關于印發河南省糧食生產核心區建設規劃的通知》為標志，河南省糧食生產核心區建設上升為國家戰略，對區域內土地生態安全提出了嚴格要求。與此同時，同樣上升為國家戰略的中原經濟區和鄭州航空港經濟綜合實驗區建設也在如火如荼的開展，伴隨而來的工業化、城鎮化極易引起區域內土地生態退化和環境失調，從而對區域內土地生態安全構成潛在威脅。因此，開展土地生態安全評價與障礙因子診斷研究，對于河南省破解三大國家戰略規劃實施過程中的土地困境，保障中原經濟區在全國率先走出一條不以犧牲糧食生產和生態環境的“三化”協調、“五化”同步新道路，具有重要的理論價值與實踐意義。

學者在此方面做了大量研究［4-6］，但還存在需要改進之處：一是研究區域主要集中在東部沿海發達地區和西部生態脆弱區［7，8］，對于中部糧食生產核心區關注較少；二是在權重的確定上，科學性和準確性有待增強；三是多數研究側重于評價和趨勢分析，較少進行障礙因子診斷。基于此，本研究以糧食生產核心區河南省周口市為例，運用改進的P-S-R模型［9，10］和相對熵組合賦權法來開展土地生態安全評價和障礙因素分析。

1　研究方法與數據來源

1.1土地生態安全評價方法

1.1.1改進的PSR模型和指標體系構建一般的P-S-R模型對系統內部各部分之間的相互作用機理缺乏細致描述，實際應用中需要適當改進［10］。本研究強調土地生態系統的綜合特征，認為人口、環境和社會經濟都具壓力、狀態和響應表征［11］，它們之間不是單純的被影響關系，而是主動和被動交互作用的關系。本研究運用改進的P-S-R模型［8，9，12］，分析了糧食生產核心區內的人類與土地生態系統的相互作用機理（如圖1）：壓力作為生態問題的根源，來源于人類和土地自身，包括人口壓力、環境壓力以及社會經濟壓力；伴隨著壓力、響應以及系統自身變化，土地生態系統的結構和功能狀態開始發生改變，土地資源狀態、生態環境狀態以及社會經濟狀態都在隨著變化；壓力和狀態的變化會以一定的方式反饋給人類，人類會依據反饋程度來對壓力做出調整并采取相應的響應機制，包括經濟響應和社會響應兩方面［7，13］。

圖1　人與土地生態系統系統的相互作用機理Fig.1 Mechanism of interaction between human and land ecosystem

參考相關研究［14，15］，結合周口市實際情況，構建土地生態安全評價指標體系（見表1）。根據指標作用方向的不同，將其分為正向指標（P）和逆向指標（M）：P值越大表明區域內維護土地資源生態安全的能力越強，如森林覆蓋率、生態用地占比、農民人均收入等，指標越高于基準值，越對土地生態安全有利，越低于該值則越不利；M值越大表明對區域土地資源生態安全的威脅越大，如人口密度、地均化肥和農藥負荷、單位GDP產能等，基準值為安全上限，越高于該值越對土地生態安全不利，越低于則越有利。

1.1.2指標標準化為了能夠更加真實的測算出區域內土地生態安全狀況與理想標準的差距，本研究利用各個指標的基準值來進行無量綱化：

式中，Xij（i=1，2，3，…n；j=1，2，3，…m）為第i個評價指標在第j年中的實際值，Si（i=1，2，3，…n）為第i個評價指標的基準值，Yij為該指標的標準化安全指數，0≤Yij≤1。

表1　基于改進PSR模型的土地生態安全評價指標體系Table 1 Evaluation index system of land eco-security based on improved PSR model

1.1.3指標權重的確定在充分考慮了主客觀賦權法的優劣勢基礎上，本研究選擇了組合賦權法，通過引入相對熵理論對組合系數的確立進行了一定改進，計算過程如下：

（1）層次分析法確定權重所謂層次分析法是一種定性與定量相結合的方法，先請相關專家對各指標進行兩兩比較，逐層進行判斷打分，并構造出矩陣。結合Yet Another AHP軟件用方根法求得最大特征根對應的特征向量，并通過一致性檢驗，權重向量為：uki=（uk1，uk2，uk3…uk27）T

（2）熵權法確定權重作為一種經典的客觀賦權法，熵權法原理是某項指標的值變異程度越大，信息熵越小，該指標提供的信息量越大，相應權重也越大，反之，權重越小［8］。首先，要計算各個指標的熵值；然后，計算出該指標對應的變異系數；最后，確定各指標的熵權。所確定的指標權重向量為：uki=（uk1，uk2，uk3…uk27）T

式中，Wi即為組合權重，Qk為組合系數，uki為第k種賦權法中第i指標的權重。由此可以看出，組合賦權法的關鍵是組合系數的確定。為此，本研究引入“可信度”概念［24］，即一種賦權法的權重可信度越高，其權重系數越大。本研究利用相對熵來確定可信度。引入集合權重，即通過最優解得到一個與各單一賦權法所得權重最接近的集結權重，記為V=（v1，v2，…,vN），U=（u1，u2，…，uR）為各單一賦權方法集合，uki為第k種賦權法中第i個指標的權重。利用相對熵思想，構建求最優解模型［25］：

求得上式中的最優解為；可以通過計算每一種賦權結果uki與集結權重V=（v1，v2，…,vN）的貼近度h［uk，v］（k=1，2，3，…，R），利用貼近度計算可信度即組合系數：

經過計算，可以分別得到層次分析法和熵權法所確定的指標權重，把它們帶入式（4）-（5）可測算出組合系數θk分別為0.4071和0.5929，最后帶入式（3）得到了最終的組合權重，結果見（表1）。

1.1.4綜合評價指數的計算作為評價區域土地資源生態安全狀況的綜合指標，土地生態安全綜合指數（LESI）是根據各指標的標準化值和相應的權重計算得到的，計算公式如下：

式中：Sij為第i個評價指標在第j年中的單項安全值；Fj為第j年的土地生態安全綜合值；Yij為指標i在第j年中的標準化安全數；Wi為指標i的綜合權重。

1.1.5土地生態安全評價標準與級別劃分在參考其他研究基礎上［3-6］，結合糧食生產核心區實際，采用文獻調研和模糊隸屬度的方法，將安全程度劃分為5個等級（見表2）。需要強調的是，由于研究區范圍較小，自然和社會經濟差異不明顯，其生態安全綜合值的跨度不大，因而相應的安全程度的劃分標準也不同于一般大尺度研究。

表2　土地生態安全程度劃分Table 2 The ecological security level of land

1.2土地生態安全障礙因素計算方法

本研究既要對糧食生產核心區內土地生態安全狀況進行評價，又要對障礙因子進行診斷。引入“因子貢獻度”、“指標偏離度”、“障礙度”，并根據障礙度的大小排序來確定影響因子的主次關系［26，27］。因子貢獻度Ti，表示單項因素對總目標的作用程度，即單因素對總目標的權重Wi；指標偏離度Si，表示單項指標與生態安全目標之間的差距，可設為指標標準化值與100%的差值；障礙度Pij，表示指標對生態安全的影響，即障礙診斷的結果，公式如下：

1.3數據來源

原始數據來源于周口市各縣區統計年鑒（2001～2013）、河南省統計年鑒（2001～2013）、中國統計年鑒（2001～2013）、中國農村統計年鑒（2001～2013），河南省土地利用現狀數據集，河南省和周口市環境公報和環境監測數據，相關數字影像數據，相關研究報告、書籍、論文期刊和大量的實地調查資料。各指標基準值的確定主要是通過參考相關文獻和統計公報，采用目前國際公認值、世界均值、全國均值、地區均值等。

2　結果與分析

依據以上所構建的指標體系和研究方法，利用公式（1）～（7）計算得到周口市2001～2012年間的土地生態系統的單項指數和綜合指數（圖1）。

圖2　土地生態安全系統評價結果Fig.2 The evaluation results of land eco-security system

2.1土地生態安全單項指數

2.1.1壓力指數從圖2可以看出，壓力指數在這12年間呈現出波動變化態勢，可以將其劃分為三個階段：2001～2006年波動上升，并于2005年達到了歷史最高點0.1590；2006～2008年快速下降，并在2008年達到了歷史最低點0.1424，下降幅度達到了10.44%；2008～2012年波動上升階段，并于2012年達到0.1513，增幅達到6.25%。從各單項值計算結果看，人口自然增長率、人均耕地面積、工業“三廢”排放、化肥和農藥施用量、人均建設用地面積的變化在很大程度上影響了壓力層的變化。通過對原始數據分析得知，周口市土地資源生態安全仍然面臨著巨大的壓力，主要表現在如下幾個方面：（1）人口壓力大，人口數量多且呈現出不斷增長態勢。周口市的人口規模從2001年的1047.7萬增加到2012年的1126.5萬，人均耕地面積也由0.0816 hm2/人下降到0.076 hm2/人。人地矛盾日益尖銳，土地承載壓力不斷增加，極易引發土地生態環境的惡化。（2）環境壓力不斷增加。周口市的工業化和農業現代化的步伐不斷加快，但卻是以一定程度上犧牲生態環境為代價的。在考察期內，周口市的單位耕地面積化肥負荷從2001年的0.6855 t/hm2增加到2013年的0.8567 t/hm2，農藥施用量從最低的0.019 t/hm2到最高的0.023 t/hm2。

2.1.2狀態指數狀態指數在評價期內呈現出下降-上升-緩慢下降的變化態勢。2001～2003年為快速下降期，狀態指數從2001年的0.1183迅速下降到2003年的歷史最低點0.0961，降幅為18.76%。在本時期內單位GDP的能耗和電耗量不斷增加，工業廢水排放達標率不斷降低，說明區域內的生態環境狀態日益惡化。2003～2010年為不斷上升期，狀態指數從2003年的0.0961增加到2010年的0.1547，年增長率高達6.96%，區域生態環境逐漸改善。由于政策轉變，“三農”工作得到了更多重視，政府加大了對農業生產和農村生態環境治理投入，有效灌溉面積、旱澇保收率和排灌機械動力都逐年增加，周口市還大力發展綠色農業，淮陽、扶溝逐漸建立起了集中連片的有機蔬菜、生態農業生產基地，這些都使得系統的狀態層指數不斷提高。2010～2012年為緩慢下降期，狀態指數從2010年的0.1547逐漸下降到2012年的0.1505，降幅為2.71%。受金融危機影響，政府為刺激經濟，新建一批相對落后產能，單位GDP能耗和電耗量開始增加，工業廢水排放達標率逐漸降低。此外，受極端氣候影響，周口市近年來旱澇災害頻發，這些都使得狀態層指數緩慢降低。

2.1.3響應指數響應指數呈現出緩慢下降-快速上升-逐漸下降的變化趨勢，該變化與壓力層的變化呈拉鋸式循環增減態勢。2001～2003年為緩慢下降期，響應指數從2001年的0.0772下降到2003年的歷史最低點0.0722。由于對環境保護的認識還處于模糊階段，農林水務和環境治理投入較低，工業SO2去除率和生活污水處理率也比較低，使得響應指數緩慢降低。2003～2009年為快速上升期，響應指數從2003年的0.0722快速上升到2009年的歷史最高點0.1560，年增長率高達13.68%。從統計結果看，周口市農林水務和環境治理支出比重逐年增加，生活垃圾處理率和工業SO2去除率也逐漸高出基準值。此外，第三產業比重和農民人均收入也在快速增長，這些都使得周口市應對生態問題的能力不斷提高。2009～2012年為逐漸下降時期，響應指數逐步下降到2012年的0.1375，降幅為1.85%。受經濟減速影響，穩增長成為頭等大事，相應的對生態環境治理的重視程度出現一定程度的下降。

2.2土地生態安全綜合指數

從整體上看，周口市2001～2012年間土地生態安全綜合指數較低且呈現出下降-上升-下降的變化趨勢。由于對土地生態安全的認識還處于模糊階段，保護力度不夠，2001～2003年為下降期，綜合值從2001年的0.3456下降到2003年的0.3230，安全等級屬于敏感級。由于采取了多種響應措施，2003～2009年綜合指數快速上升，從2003年的0.3230飆升到2009年的0.4534，增幅達到40.43%，相應的狀態曲線和響應曲線也呈現出不斷上升的態勢，安全級別由敏感級上升為一般安全級。受響應曲線大幅度的下降的影響，2009～2012年綜合指數緩慢下降，從2009年的0.4534緩慢下降到2012年的0.4394，安全等級由一般安全降為臨界安全。

2.3土地生態安全障礙因子診斷

根據公式（8）～（9）可計算得到2001～2012年間的各指標障礙度。由于所選用的指標因子較多，本研究統計12年間障礙度≧7%的指標出現頻次，最終篩選了9個頻次較高的指標，作為影響糧食生產核心區土地生態安全的主要障礙因子（見表3）。

表3　土地生態安全主要障礙因素Table 3 Main obstacle factors of land eco-security

2001～2012年間出現頻率最高的障礙因子分別是人均耕地、地均化肥負荷、地均農藥負荷、農林水務支出比重以及環保治理支出比重，它們的出現頻率均高達91.67%；出現頻率第二高的指標因子為地均工業廢水承載量，頻率達到了83.33%；出現頻率第三高的因子為年降水量，頻率也達到了75%；出現頻率第四高的因子為生態用地占比和單位GDP能耗，頻率為66.67%。從層級分布看，這9個主要障礙因子中，壓力層占到5個，且都為人口壓力和環境壓力要素；狀態層占到2個，分別為土地資源要素和生態環境要素；響應層也占到2個，都為經濟響應要素。可以看出，制約周口市土地生態安全的障礙因子主要來源于壓力層，集中在人口壓力和環境壓力上，由于該區域農業人口多、耕地面積比重大，耕作方式是否合理會對區域土地生態安全造成較大影響。因此，提高土地生態安全水平必須從系統壓力入手，特別要注意農業耕作方式的改善。對于狀態層中障礙因子所包括的土地要素和環境要素，主要由于周口市經濟結構和用地結構不合理，建設用地占比大大高于生態用地，一些區域還存在著犧牲生態環境發展經濟的現象。因而，作為糧食生產核心區的周口市，更應該走一條不以犧牲糧食生產和生態環境的“三化”協調“五化同步”之路。響應層中的障礙因子主要為經濟響應，表明糧食生產核心區內的土地生態安全保護應當更加注重經濟手段，從提高農民人均收入入手，增加財政支持力度，構建起完善的經濟響應機制。

3　結論

本文嘗試針對糧食生產核心區開展土地生態安全評價與障礙因子診斷研究，在評價模型和指標體系的構建、指標數據標準化以及權重的確定方面都進行了一定程度的改進和創新，主要結論如下：

（1）通過對2001～2012年間周口市土地生態安全評價，結果表明：壓力指數在這12年間呈現出上升-下降-上升的波動變化態勢，變化幅度最高達到10.44%；狀態指數呈現出快速下降-逐漸上升-緩慢下降的變化態勢，顯示出區域內土地生態安全的不穩定性；響應指數與壓力指數的變化呈現出拉鋸式循環增減態勢，呈現出緩慢下降-快速上升-逐漸下降的變化趨勢；綜合指數較低且呈現出下降-上升-下降的變化趨勢，相應的安全等級也經歷了從敏感級到一般安全級，再到臨界安全級的變換。

（2）通過對2001～2012年間周口市的土地生態系統進行障礙因子診斷，結果表明：主要障礙因子分別是人均耕地、地均化肥和農藥負荷、農林水務和環保治理支出比重、地均工業廢水承載量和年降水量、生態用地占比和單位GDP能耗。從層級分布看，壓力層占5個，且都為人口壓力和環境壓力要素；狀態層占2個，分別為生態環境要素和土地資源要素；響應層占2個，都為經濟響應要素。可以看出，提高糧食生產核心區內土地生態安全水平必須從系統壓力入手，積極采取響應措施，以構筑綠色和諧的國土空間格局為著眼點，以轉變經濟發展方式為落腳點，以增加“三農”和環保項目的財政支持為發力點，走一條不以犧牲糧食生產和生態環境的“三化”協調“五化”同步之路，保障河南省國家糧食生產核心區建設，與建設中原經濟區、鄭州航空港經濟綜合實驗區互動前行。

［1］王永培.中國地區經濟差距的測度與分解1978-2010［J］.當代經濟管理，2012，34（11）：55-59

［2］李智國，楊子生.中國土地生態安全研究進展［J］.中國安全科學學報，2007，17（12）：5-13

［3］黃輝玲，羅文斌，吳次芳.基于物元分析的土地生態安全評價［J］.農業工程學報，2010，2（63）：316-322

［4］謝花林，劉曲，姚冠榮，等.基于PSR模型的區域土地利用可持續性水平測度—以鄱陽湖生態經濟區為例［J］.資源科學，2015（3）：449-457

［5］曲衍波，齊偉，商冉，等.基于GIS的山區縣域土地生態安全評價［J］.中國土地科學，2008，22（4）：38-44

［6］左偉，周慧珍，王橋.區域生態安全評價指標體系選取的概念框架研究［J］.土壤，2003（1）：2-7

［7］楊春紅，張正棟，田楠楠，等.基于P-S-R模型的汕頭市土地生態安全評價［J］.水土保持研究，2012（3）：209-214

［8］張文斌.基于改進PSR模型的西北干旱區土地利用系統健康評價—以玉門市為例［J］.中國農學通報，2014（34）：109-114

［9］高珊，黃賢金.基于PSR框架的1953-2008年中國生態建設成效評價［J］.自然資源學報，2010（2）：341-350

［10］白易，張奇，石哲，等.基于改進PSR模型的恩平市土地可持續利用評價［J］.水土保持通報，2009（4）：341-350

［11］董金瑋，鄭新奇.基于改進PSR模型的濟南市生態安全評價研究［J］.資源開發與市場，2007（1）：364-369

［12］Tong C.Review on Environmental Indicator Research［J］.Research on Environmental Science，2000，13（4）：53-55

［13］楊倩倩，陳英，金生霞，等.西北干旱區土地資源生態安全評價—以甘肅省古浪縣為例［J］.干旱地區農業研究，2012（4）：195-199

［14］劉勇，劉友兆，徐萍.區域土地資源生態安全評價［J］.資源科學，2004，26（3）：69-75

［15］李明月，賴曉娟.基于BP神經網絡方法的城市土地生態安全評價［J］.經濟地理，2011，31（2）：289-293

［16］Department of Economic and Social Affairs.World Urbanization Prospects：The 2014 Revision［M］.New York：the United Nations，2014

［17］楊利民，于閩.我國未來人口發展對耕地的需求分析［J］.經濟地理，2013，33（2）：168-171

［18］李玉平，蔡運龍.河北省土地生態安全評價［J］.北京大學學報：自然科學版，2007（6）：784-789

［19］國家林業局.全國森林資源統計：第八次全國森林資源清查［M］.北京：中國林業出版社，2013

［20］解雪峰，吳濤，肖翠，等.基于PSR模型的東陽江流域生態安全評價［J］.資源科學，2014（8）：1702-1711

［21］張秉祥，韓軍彩，陳靜，等.華北地區空中水汽含量與降水量的關系［J］.干旱氣象，2012，30（2）：207-214

［22］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50137-2011，城市用地分類與規劃建設用地標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011

［23］中華人民共和國建設部.CJJT85-2002，城市綠地分類標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002

［24］李春燕，南靈.陜西省土地生態安全動態評價及障礙因子診斷［J］.中國土地科學，2015（4）：72-81

［25］周宇峰，魏法杰.組合賦權法在企業效績評價中的應用［J］.工業工程與管理，2007（4）：23-27

［26］趙宏波，馬延吉.東北糧食主產區耕地生態安全的時空格局及障礙因子—以吉林省為例［J］.應用生態學報，2014（2）：515-524

［27］孫茜，張捍衛，張小虎.河南省資源環境承載力測度及障礙因素診斷［J］.干旱區資源與環境，2015（7）：33-38

Evaluation and Diagnosison Land Eco-security and Obstacle Factors——Taking Zhoukou City of Henan Province as a case

FANPeng-fei1，DUANPeng-hui1，2，LIUZhi-dan1，2，PENGHong-jie1，LIANGLiu-tao1，2*
1.College of Environment and Planning/Henan University，Kaifeng 475004，China
2.Key Laboratory of Geospatial Technology for Middle and Lower Yellow River Regions of Education Ministry，Henan University，Kaifeng 475004，China

To explore the situation of land eco-security and its obstacle factors in the core area of grain production，and provide support for the land dilemma in implementation process of the three national strategic planning of Henan Province.This paper took methods including the improved PSR model，relative entropy weight method and obstacle factor diagnosis model.The result showed that：（1）Press index showed a gradually rise-rapid fall gradually rise fluctuation trends during 12 years；State index showed a rapid decline-gradually increase-slowly downward trends；Response index and the press index showed a seesaw circulation trends；Composite index decreased from 0.3456 in 2001 to 0.3230 in 2003，then quickly increased to 0.4534 in 2009，finally drop to 0.4394 in 2012.The security levels also experienced from sensitive to general safety level then became critical safety level—presented a inverted U shape change.（2）The obstacle factors mainly concentrated in the system pressure layer.It included the per capital cultivated land，fertilizer and pesticide load，the proportion of agriculture and environmental protection spending.It concluded that the innovation of region and methods not only enriched the study of land eco-security evaluation，but also provided a reference for the similar regions.Henan Province must start from the system pressure to construct green and harmonious land spatial patterns，enlarge financial support to the"three rural"and environmental protection and transform economic developing mode.It should exploit a path of three-agriculture coordination and five-oriented synchronization rather than did it at the cost of grain production and the ecological environment.

Evaluation of land eco-security；improved PSR model；obstacle degree；Zhoukou City

F323.21

A

1000-2324（2016）02-0207-07

2015-10-28

2015-11-20

國家自然科學基金（41301641）；教育部人文社會科學研究一般項目（11YJC790095）；國家博士后科學基金（2012M510175和2013T60695）

樊鵬飛（1990-），男，碩士研究生，主要從事土地利用與估價研究.E-mai18438703566@163.com

Author for correspondence.E-mail：liangliutao415@163.com