基于三角模型的特大山地城市城鄉結合區土地利用系統風險評價
——以重慶市巴南區為例

,2

(1.重慶工商大學 資源與環境學院,重慶 400067;2.重慶市土地勘測規劃院,重慶 400020;3.重慶工商大學融智學院，重慶 400067)

土地是人類生存和發展的重要載體,人類的一切活動都離不開土地[1]。而土地利用系統是以土地利用為基礎,以自然、經濟、社會為支撐的資源—環境—經濟—社會的復合系統[2]。安全合理的土地利用系統是人類社會穩定進步的基礎，因此為了完善土地利用系統結構、了解土地利用系統在發展過程中的變化狀態,土地利用系統的風險評價是十分必要的。

目前,關于土地利用系統風險評價的研究主要集中在土地利用系統的生態風險和健康評價等方面。研究生態風險可將生態風險的研究拓展到土地利用和生態環境協調理論相結合來進行研究系統風險分析[3],也可通過研究生態的穩定性、土地利用的合理性來研究生態風險[4],或針對特殊的生態受體進行風險評價[5,6],或從“壓力—狀態—響應”的生態風險狀態變化角度建立指標和從土地利用、生態環境協調度的角度建立評價指標[7,8]等。研究生態風險多使用“壓力—狀態—響應”的模型、RRM模型等。研究健康風險或從土地利用系統的分析基礎上,提出土地利用系統健康評價的框架及其指標體系[9];或基于PSR模型來評價土地利用系統健康狀態,評價影響健康評價的障礙因子[10,11]。較少學者使用三角模型通過結構、功能、效益三個角度來進行評價,將土地利用系統分成不健康、亞健康、初級健康、中級健康和高級健康來進行評價分析[12]。直接關于土地利用系統風險的文研究較少,本文使用三角模型來進行土地利用系統風險評價，以促進土地利用系統風險研究的完善。

山地城市是一種特殊的城市狀態,具有地貌復雜、生態環境敏感、城市建設用地緊張、人口高密度集聚、發展相對滯后的特點[13]。城鄉結合區則是一個復雜的生態經濟系統,既有城市又有鄉村的雙重性質,我國城鄉結合區普遍存在著用地類型轉化速度快、建設用地比重大、土地資源特別是耕地資源浪費嚴重、用地格局混亂等特點,并由此引發嚴重的生態、環境和社會問題[14]。人類社會的持續發展要求需要合理的土地利用系統作為支撐[15]。 綜上所述,本文研究特大山地城市土地利用系統的風險評價,從土地利用系統結構角度構建三角模型來進行土地利用系統的風險評價是具有突破性的,對山地城市城鄉結合區土地利用系統的風險進行分級評價,并以此為山地城市的土地利用規劃管理、土地生態安全預警提供直接的依據[16]。

1 研究區概況

巴南區位于渝西南部,106°26′2″—106°59′53″E、29°7′44″—29°45′43″N之間,是重慶主城區中面積最大的行政區(圖1)。巴南區東與涪陵、南川接壤,南與綦江相連,西與江津、九龍坡、大渡口毗鄰,北與南岸、江北、渝北、長壽交界，幅員面積1834.23km2,常住人口918692人,轄區8個街道、14個鎮。巴南區地處長江南岸,為丘陵地貌,區內地勢南高北低,高程相差較大,礦產資源和生物資源豐富,獨特的地理位置和經濟前景使該區成為重慶全力發展強有力的資源儲備區。

重慶市是特大的山地城市,巴南區的大區域都是城鄉結合區,所以巴南區是典型的山地城市城鄉結合區。山地城市城鄉結合區存在的土地問題比一般城鄉結合區的土地問題更加復雜,用地矛盾更加突出,土地利用系統也更加容易出現風險隱患。重慶市是直轄市,巴南區又是重慶主城區之一,特殊的政治經濟位置使巴南區在山地城市的城鄉結合區中具有特殊的性質。綜上所述,本研究選區是有價值和意義的。

圖1 巴南區區位

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

數據來源于2005年、2008年、2011年、2015年的《重慶市統計年鑒》和相關年份的重慶市巴南區國民經濟和社會發展統計公報。運用Erdas 9.1軟件對三峽庫區2004年、2007年、2010年、2012年、2014年五期Landsat TM遙感影像進行輻射校正、幾何校正等預處理,得到研究區五期Laiukat TM遙感影像的土地利用數據。

2.2 數據預處理

首先由于選取的評價指標不同,在進行評價前必須先將指標標準化,再通過熵權法確定權重。指標分為正向指標和負向指標,不同性質的指標數據標準化過程也不一樣。

(1)

式中,i為指標數;j為樣本數量;Xij為第i個指標第j期樣本實際數據;Yij為第i個指標的第j期樣本的歸一化后的標準值,再通過下式計算:

(2)

式中,K=ln(n)-1,求出每個指標的信息熵;Ei是第i個指標的信息熵。通過信息熵,計算信息冗余度di:

di=1-Ei

(3)

通過冗余度得到各指標的權重Wi:

(4)

2.3 建立風險評價指標體系

土地利用系統是一個以土地利用為基礎的自然、生態、社會復合系統[17]。其中,生態環境子系統代表土地利用系統的生態健康程度;自然資源子系統代表土地利用系統的資源狀況,包括可利用的自然資源和潛在的自然資源;社會經濟子系統代表該區域人類活動的影響。三個子系統相互影響,共同構成土地利用系統。

本文根據重慶巴南區的土地利用系統實際情況和地理位置,按土地利用系統的結構提出土地利用系統風險評價指標框架,以土地利用系統的生態環境子系統、自然資源子系統和社會經濟子系統為目標層,以及各目標層下的16個指標為指標層建立土地利用系統風險評價指標體系(圖2)。

圖2 土地利用系統結構

本文從社會經濟角度選擇恩格爾系數、城市化水平、人均GDP、固定資產投資增長率、農業商品率、人口密度、失業率。恩格爾系數、人均GDP是區縣的人均生產總值,用以判斷區縣社會經濟發達程度的指標之一。城市化水平是以城鎮化率的數值為直接表現,城市化水平也是衡量社會經濟文明程度、發達程度的指標;人口密度是衡量該區域經濟發展狀況的指標;農業商品率著重體現了農村農業產品的經濟發展狀況,農業商品率越高,農業商品的流通率越高,農村農業發展越靈活、越發達、越健康;失業率是影響社會動蕩的主要原因。

本文從自然資源的角度選擇森林覆蓋率、人均耕地面積、人均建設用地面積和人口自然增長率。森林覆蓋率是潛在的資源；人均耕地是目前正在投入利用并還可持續多元利用的資源;人均建設面積是已經被破壞潛力,只能作單一用途的資源;人口自然增長率關系到現在和未來資源的分配問題,考慮到我國的人口國情和巴南區的實際情況,判斷為負向指標。

本文從生態環境角度選取農林水支出、房屋竣工面積、路網密度、農藥、肥料等指標。農林水支出可代表政府對生態環境的改善；房屋竣工面積和路網密度表示對環境造成污染和浪費起改善的作用；肥料、農藥表示對生態環境起負面作用。

表1 土地利用系統風險評價指標體系

2.4 評價方法

三角模型的建立:三角模型是由數學圖像正三角形變化而來,將三角形的三邊視作X、Y、Z三個數據軸,利用三種大方向的指標在三角形中的位置走向進行綜合評價。用三角模型進行評價最早的是美國的農業部門,他們通過分析砂—粉砂—粘土的各自含量來分析確定土壤類型[18]。三角模型通過研究三個相互關聯的指標并以三者線性的方式通過建立一個三角模型,以一種直觀可視的方式將三者的聯系綜合表現出來,并能得到一個評價目標的趨勢線,對評價目標的過去狀況進行分析評價,并對未來做出一定的預判。

本文以土地利用系統的社會經濟子系統、自然資源子系統和生態環境子系統作為評價的三個大方向,即得到風險評價的社會經濟風險指數(Economic Social Risk Index,ESI)、自然資源風險指數(Natural Resources Risk Index,NRI)和生態環境風險指數(Ecological Environment Risk Index,EEI)。由于ESI、NRI、EEI是標準化后數值,所以可比較簡單地得到非經濟社會風險指數(Non Economic Social Risk Index,NESI)、非自然資源風險指數(Non Natural Resources Risk Index,NNRI)。基于三角模型的特點,本文研究選用NESI、NNRI、EEI三項風險指數作為三角模型的三個評價坐標。

各項風險評價指標的風險指數為正向值,即經濟社會風險指數、自然資源風險指數和生態環境風險指數為正向指標。當風險值越大,土地利用系統結構越合理,土地利用系統的風險也就越小。同理,非經濟社會風險指數和非自然資源風險指數也是負向指標。當這兩者的風險值越小,對應的經社會風險值和自然資源風險值越大,土地利用系統的風險就越小。ESI值、 NESI值、NRI值、NNRI值、EEI值的加權公式為:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,Yij為第i個指標的第j期樣本的歸一化后的標準值;Wi為第i個指標由熵權法計算得到的權重。

三角模型的評價方法:由于三角模型的特殊性,在這幾種風險之中一般選擇非經濟社會風險指數(NESI)、非自然資源風險指數(NNRI)、生態環境風險指數(EEI)三個指標作為評價指標。三個坐標軸數據相互關聯、相互制約,任一種指標的數值較大時,另外兩個指標中必然會有一個指標的數值會比較小。如生態環境風險指數較高時,自然非經濟風險指數也會比較高,而非自然資源風險指數就會比較低。生態環境與經濟社會總是相對的,生態環境的好壞與經濟社會的發達程度是完全不同的兩個方向的進步,想要社會經濟進步必然要使用一部分自然資源、犧牲一部分生態環境為代價;而希望得到良好的生態環境必然是以保存自然資源、犧牲社會經濟進步才能達到。要達到科學合理、健康安全的土地利用系統,必然要達到經濟社會、生態環境和自然資源三者的平衡。

從圖3可見,三角模型評價結果圖是一個正三角形,非自然資源風險值(NNRI)位于三角形的上頂點,代表非自然資源風險指數的數據軸是三角形的右腰線,生態環境風險指(EEI)在三角形的左頂點,代表生態環境風險指數的數據軸是三角形的左腰線,非經濟社會風險值(NESI)在三角形的右頂點,代表非經濟社會風險指數的數據軸是三角形的底邊。三個坐標軸以逆時針為方向,將各個坐標軸從0—1平均地分為五等份:(0—0.2)非常危險、(0.2—0.4)一般危險、(0.4—0.6)中等、(0.6—0.8)一般安全、(0.8—1)非常安全。按照三個數據軸的風險狀況分區,整個三角模型將分為A、B、C、D、E五個區,用五個區表示不同的風險程度,見表2。

圖3 三角模型風險評價標準

區域 指標范圍 風險狀況 NESINNRIEEINESINNRIEEI風險程度A0—0．20—0．20．8—1．0非常危險非常危險非常安全高級安全B0—0．40—0．40．6—0．8一般危險一般危險一般安全中級安全C0—0．60—0．60．4—0．6中等中等中等初級安全D0—0．80—0．80—0．4一般安全一般安全一般危險低級安全E0—1．00—1．00—0．2非常安全非常安全非常危險不安全

3 結果與分析

3.1 風險指數動態變化分析

由表1通過式(5)—(9)計算得到各年的非社會經濟風險指數、非自然資源風險指數和生態環境風險指數數值,見表3。2004—2015年間巴南區的社會經濟、自然資源、生態環境的變化走向，見圖4。

表3 風險指數

圖4 風險指數

非自然資源風險在這11年間主要是先緩慢上升,再極緩慢下降,然后再上升,最后在2015年下降,但主體變化不大。非自然資源風險從最初2004年的0.85提升到2007年的一個小高峰0.91,變化率為6.96%,然后在緩慢下降到2012年的0.98,再上升到最高點0.92,最后在2015年下降到0.86,下降變化率達-5.52%,表明巴南區的非自然資源風險2004—2015年變化程度不大,變化率未超過7%。政府雖然加大了對農林水資源項目的投入,但隨著巴南區常駐人口的增加和社會生活對環境的需求量增加,巴南區的自然資源風險并沒有得較大改善,只是較緩慢的上升。

非經濟社會風險指數2004—2015年為波動變化,但主體呈下降趨勢,與非自然資源風險指數的變化趨勢相比正好相反。非經濟社會風險指數從2004年開始緩慢下降,到2007年下降到0.74,下降變化率達10.44%;然后緩慢上升到2010年的0.77,變化率3.77%;再下降到近幾年的最小值0.73,變化率4.23%;再上升到2014年的0.75,最后下降到2015年的0.74。總體來看,巴南區的非經濟社會風險值在下降,表明巴南區的經濟社會風險值在上升。巴南區的經濟發展在重慶市整體經濟飛速發展的帶動下有了較快的發展,社會經濟發展速度與規模在逐步上升。

生態環境風險指數2004—2015年基本上都在上升,且上升程度較大。巴南區生態環境風險指數從2004年的0上升到2007年的0.04,后面幾年生態環境風險的上升幅度緩慢增加,2010年生態環境風險指數上升到0.19。雖然該區域的生態環境風險指數變化不大,但實際上變化劇烈程度達到335.84%;2012年巴南區生態環境風險值達到0.24,變化率達到29.87%,在NESI、NNRI、EEI三項風險指數歷年的變化率中僅次于2007—2010年的生態環境風險值變化率。2014年巴南區生態環境風險值未發生變化,與2012年持平,表明在2012—2014年巴南區生態環境投入增加是隨著社會進步而產生人們對生態環境的需求增加成正相關;2015年巴南區的生態風險值增加到0.29,變化率達21.13%。由此可見,巴南區近年的生態環境風險指數是不斷增加的,且增加的速度快、跨度大。隨著巴南區近11年對生態環境保護工作的投入增加和民眾對保護生態的意識不斷增強,巴南區的生態環境風險指隨著時間的推移而快速提高,巴南區的生態環境在不斷改善和提升。

綜合巴南區三項數據趨勢的走向,其非經濟社會風險指數、非自然資源風險在總體下降,而生態環境風險指數在上升。即巴南區總體的土地利用系統結構逐年趨于合理健康的水平。巴南區的土地利用系統風險基數雖然很低,但整體上是朝著好的方向發展的。

3.2 巴南區土地利用系統風險狀態變化分析

通過在Grapher中輸入巴南區各年份的NESI、NNRI、EEI數值,建立巴南區土地利用系統風險三角模型圖,見圖5。從圖5可見,巴南區的土地利用系統在三角模型風險等級的劃定中,2004—2015年屬于E區,而在判斷風險變化的趨勢分析中屬于T5區,表明2004—2015年巴南區的土地利用系統處于非常危險的等級。從圖3的三角坐標中可見,雖然巴南區的土地利用系統處于危險狀況,但情況在不斷好轉,2004—2015年巴南區的土地利用系統在不斷趨近較合理的狀況(表4)。

圖5 2004—2015年巴南區的風險等級

年份 指標范圍 風險狀況 NESINNRIEEINESINNRIEEI指標范圍20040．820．850．00非常安全非常安全非常危險不安全20070．740．910．04一般安全非常安全非常危險不安全20100．770．890．19一般安全非常安全非常危險不安全20120．730．900．24一般安全非常安全一般危險不安全20140．750．920．24一般安全非常安全一般危險不安全20150．740．860．29一般安全非常安全一般危險不安全

綜上所述,重慶市巴南區土地利用系統的風險等級是不安全的但又各有不同,主要表現在:①2004年巴南區的土地利用系統風險程度最高。2004年,巴南區的非經濟社會風險指數為0.82,非自然資源風險指數為0.85,生態環境風險指數為0。即經濟社會風險指數0.18、自然資源風險指數0.15、土地利用系統的社會經濟、自然資源和生態環境風險都屬于最高級。②2007年重慶市巴南區土地利用風險的等級未發生變化,但非經濟社會風險程度在下降,即巴南區的經濟社會發展的安全合理性在2007年有所提升。在2007年巴南區開始新農村建設,工業生產總產值達206億元,年均增長20.3%,第三產業與2002年相比增加22億元,開始擺脫農業和重污染制約,但效果不明顯,非自然資源風險指數與生態風險變化不大。③2010年,重慶市巴南區的土地利用系統仍處于不安全狀態,即風險極大。巴南區的非社會經濟社會風險指數和非自然資源風險指數變化不大,而生態環境風險指數發生了巨大變化,生態環境風險指數從接近零提升到了0.19,該變化與產業結構的變化息息相關。2010年,巴南區第三產業得到了突破,新農村建設進入正軌,城鄉整體面貌煥然一新,但總體提升不大。④2012年,巴南區非經濟社會風險指數和生態環境風險指數隨著時間的變化而緩慢降低,非自然資源風險指數仍然沒有發生明顯變化,2014年的各項風險指數變化也不大,2015是巴南區風險等級最低的一年。總之,巴南區的土地利用系統風險程度在逐年降低,但并沒有發生本質性的變化,一直處于不安全的風險等級之中。但風險較穩定、波動性低,且在較低的風險波動變化中,不斷朝著風險低的方向發展,較小的經濟變動有助于我國經濟在安全的情況下探索更加科學合理的經濟社會發展方向。

4 結論與討論

本文使用三角模型來評價巴南區土地利用系統風險,通過土地利用系統的非社會經濟風險指數(NESI)、非自然資源風險指數(NNRI)和生態環境風險指數(EEI)并對比了各研究年的變化,主要得到以下結論:①2004—2015年重慶市巴南區土地利用系統風險一直處于不安全等級,風險程度較高,風險的波動幅度較小,但風險有平穩下降和逐年改善的趨勢。土地利用系統風險穩定是經濟良好發展的前提,同時穩定的風險有助于提前預防和解決各種可能由高土地利用系統風險誘發的問題。②重慶市巴南區的土地利用系統風險狀況不能改善的主要原因是自然資源風險指數沒有得到提高。巴南區經濟社會風險指數和生態環境風險指數都有明顯的上升,經濟社會風險指數從2004年的0.18到2015年的0.26,生態環境風險指數從2004年的0到2015年的0.29。但巴南區自然資源風險指數變化不大,其中只有森林覆蓋率呈上升趨勢,人均耕地面積變化不大,而人均建設用地面積和人口自然增長率在下降的趨勢中變化。③本文雖然以土地利用系統的組成結構為基礎來建立風險評價指標體系,但指標體系不夠完善,在廣度和深度上不夠。由于篇幅所限,本文沒有對造成風險的具體風險因子和風險驅動機制進行探究和分析。

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