四川省土地生態經濟系統穩定性時空格局

楊遠琴, 任 平*, 洪步庭, 第珊珊

(1. 四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 四川 成都 610066;2. 四川師范大學 地理與資源科學學院, 四川 成都 610066)

我國是一個人多地少的農業大國,隨著社會經濟的發展,正面臨著耕地資源短缺、生態環境不斷惡化等影響土地生態經濟系統穩定性的一系列問題[1].如何協調經濟發展與生態環境保護的關系,促進土地生態經濟系統穩定協調可持續發展成為當今社會共同面臨的問題.

土地生態經濟系統是指在人類社會參與下的土地生態系統和土地經濟系統之間相互作用、相互耦合而成的具有一定結構和功能的復合系統[2].而土地生態經濟系統的穩定性是指當土地生態經濟系統受到外來作用影響時,經過系統自身的調節能否回到原來的平衡穩定狀態.因此對土地生態經濟系統穩定性進行分析,正確評估土地生態經濟系統運行狀態,對于合理開發區域土地資源,維護土地生態經濟系統的安全運行,實現土地資源可持續利用具有重要的理論價值和實踐意義[3].

文獻[4-5]對土地生態經濟系統運行機制進行了研究,梅偉[6]對土地生態經濟系統效益進行了評價,文獻[7-9]對土地生態經濟系統與土地資源可持續利用的關系進行了探討.而對土地生態經濟系統穩定性的研究很少,且存在一些亟待解決的問題:一是研究方法比較單一;二是研究尺度過大,多為省域尺度;三是缺乏地區間的相互比較,且研究年限較短,沒有進行土地生態經濟系統穩定性的時空格局演變分析,難以找出土地生態經濟系統穩定性的演變規律[10].基于以上存在的問題,本文對四川省21個市(州)2005—2014年的土地生態經濟系統穩定性研究進行了創新:一是對研究方法進行了創新,熵權TOPSIS法(逼近理想排解法)是一種運用距離作為評價標準的綜合評價法,即通過計算評價對象與最優解、最劣解的距離,以此來判定評價對象的優劣[11].運用熵權TOPSIS法可以計算出土地生態經濟系統穩定性與最優解、最劣解的相對距離,并揭示土地生態經濟系統穩定性與理想狀態的差距,以此判定土地生態經濟系統穩定性狀況,且熵權TOPSIS法既有利于多指標之間的對比,也有利于不同年份之間的分析,計算簡單方便,因此引入熵權TOPSIS法對四川省2005—2014年各市(州)的土地生態經濟系統穩定性進行分析.二是縮小了研究尺度,本文以市域為研究對象.三是對各市(州)之間進行了比較,且延長了研究年限.運用ArcGIS空間分析法分析其時空格局演化過程,既包括了各個市(州)時間序列上的縱向分析,又有各市(州)間的相互比較,且分別計算了土地生態系統、土地經濟系統的穩定性,以揭示四川省各市(州)土地生態經濟系統穩定性時空格局演化原因及其規律,以期為實現四川省土地資源可持續利用提供決策參考.

1 研究區與研究方法

1.1研究區概況與數據來源四川省位于中國西南腹地,地處長江上游,轄區面積48.6萬km2,地貌復雜,土壤類型多樣,共轄18個地級市、3個自治州.2016年底,常住人口8 262萬人,實現地區生產總值2 680.5億元,比上年增長7.7%,其中,第一、二、三產業增長率分別為3.8%、7.5%和9.1%.

本文使用的數據來源于2006—2015年《四川省統計年鑒》以及四川省21個省轄市(州)的市(州)統計年鑒.

1.2評價體系的建立土地生態經濟系統由土地生態系統與土地經濟系統耦合而成,其中土地生態系統由土地系統和生態環境系統耦合而成,土地經濟系統由經濟、土地和社會系統耦合而成,所以土地生態經濟系統包含經濟、土地、環境和社會4個子系統[12].本文在遵循科學性、實用性、地域性、可操作性和動態性的原則下,以實現經濟、土地、環境和社會4個子系統的綜合發展為出發點,力求全面反映土地生態系統和土地經濟系統能長期協調發展,選取經濟、土地、環境和社會4個方面各5個指標,共20個指標[13],構建起四川省土地生態經濟系統穩定性評價指標體系(表1).

1.3評價方法

1.3.1熵權TOPSIS法 熵權TOPSIS法是系統工程中有限方案多目標決策分析的一種常用的決策技術[14].首先利用熵權法計算指標權重,構造各評價指標的最優解和最劣解,再根據評價對象與最優解和最劣解的相對接近程度進行排序,以此作為評價對象相對優劣的依據[15].具體步驟如下.

1) 數據標準化處理.由于各評價指標通常具有不同的量綱和數量級,因此需對原始數據進行標準化處理.本文采取極差標準化法對數據進行無量綱化處理.

正向指標

Yij=(xij-minXij)/(maxXij-minXij),

(1)

負向指標

Yij=(maxXij-Xij)/(maxXij-minXij),

(2)

其中,Yij為指標標準化值,Xij為指標屬性值,maxXij、minXij分別為某一指標的最大值和最小值.

2) 確定指標權重W(見表1).熵權法指通過計算熵值來判斷某個指標的離散程度,指標的離散程度越大,該指標對綜合評價的影響越大,即權重越大[16].熵權法屬于客觀賦權法之一,可以降低指標權重賦值的主觀隨意性,計算過程如下:

① 計算第j項指標下第i個評價對象指標值的比重

一屆屆的學生與自己所在學校的校園建筑朝夕相處，難免每個人都會在學校的某個角落里，有著特別的記憶。一間教室、一間宿舍里都有可能有著一段難忘的回憶，但是這些故事情感與共鳴感的傳播只局限在當事人的人際交往圈中，無法達到多個人際交往圈的重疊并產生更高程度上的情感共鳴。我們團隊所做的校園漫游社交APP正是為此而生。團隊旨在將這個APP建立成為一個情感寄托與聯系的平臺，為還在學校的以及已經畢業的莘莘學子，創造一個記錄服務校園生活，分享交流對學校的情感，穩固學生與學校的關系，建立牢固關系紐帶的一個記錄分享服務型平臺。

(3)

② 計算第j項指標的熵值

(4)

③ 計算第j項指標的差異性系數

gj=1-ej;

(5)

④ 計算第j項指標的權重

(6)

3) 確定加權規范化決策矩陣

Z=|Zij|mn=|wjYij|mn.

(7)

4) 確定最優解Z+和最劣解Z-:

Z+=[maxZij],j=1,2…,n,

(8)

Z-=[minZij],j=1,2…,n.

(9)

5) 計算各評價對象與最優解、最劣解的距離:

(10)

(11)

(12)

其中,0≤Ci≤1,Ci值越大表明評價對象越接近最優解,穩定性越好,反之越低.

1.3.2計算標準差和變異系數 各市(州)土地生態經濟系統穩定性有絕對差異和相對差異之分,一般分別用標準差σ和變異系數CV來衡量.標準差可反映一組數據內各數值間的離散程度,即反映各數值與平均值的差異程度;變異系數為標準差與其平均數的比值,是用來衡量變異程度的統計量,可以反映地區的相對均衡度,能夠反映四川省各市(州)間土地生態經濟系統穩定性的變化程度.

表1 四川省土地生態經濟系統穩定性評價指標體系及權重

(13)

(14)

1.3.3空間相關性分析 Moran’s I統計值可以反映鄰接或臨近區域同一地理現象或同一屬性值的關聯程度,用于驗證各市(州)土地生態經濟系統穩定性是否在空間上存在集聚特征,并描述其空間分布態勢:

(15)

2 結果與分析

2.1四川省土地生態經濟系統穩定性綜合評價由(1)～(12)式計算四川省各市(州)土地生態系統、土地經濟系統和土地生態經濟系統穩定性貼近度值(圖1).從圖1可知,2005—2014年四川省各市(州)土地生態經濟系統穩定性貼近度值整體上處于波動上升狀態,省平均水平由2005年的0.293增長到2014年的0.579,說明在2005—2014年間,四川省土地生態經濟系統穩定性在逐漸提升,但并沒有處于一個優良狀態,只是在不斷向協調可持續的良好方向發展.

德陽市在2005—2008年間位居第一,得益于德陽市良好的經濟基礎和較好的生態環境保護,其土地生態系統與土地經濟系統的貼近度值都較高(2005—2008年間平均值分別為0.483、0.457).但涼山州在2009年后超越德陽市,在2009—2014年間位居四川省第一,這是因為涼山州地廣人稀,生態環境保護得好,土地生態系統貼近度值高(2009—2014年間平均值為0.685);另一方面,涼山州結合自身優勢和政策支持,加快了經濟發展速度,土地經濟系統的貼近度值也不斷增大(2009—2014年間平均值為0.411),因此土地生態經濟系統的穩定性不斷提高.成都市作為四川省的省會城市,土地生態經濟系統穩定性一直處于較高水平,貼近度值從2005年的0.343波動增長到了2014年的0.638,因為成都市經濟發展快速,經濟水平不斷提高,土地經濟系統貼近度值一直位居第一(10年間平均值為0.569),但由于人地矛盾日益突出,追求經濟利益時忽略了生態環境的保護,土地生態系統貼近度值波動下降(10年間平均值為0.427),因此土地生態經濟系統的穩定性未能位居四川省第一.攀枝花市10年有8年(除2006和2014年)土地生態經濟系統穩定性位居全省最后一位,是因為其經濟發展優勢逐漸消耗殆盡,經濟增長緩慢,土地經濟系統貼近度值稍有提升(10年平均值為0.432),但其環境污染嚴重,土地生態系統貼近度值波動下降(10年平均值為0.316),因此土地生態經濟系統穩定性差.

圖 1 2005—2014年各市(州)土地生態經濟系統穩定性貼近度值

2.2四川省土地生態經濟系統穩定性區域差異特征 由(13)和(14)式計算標準差和變異系數(圖2).從圖2可知,標準差從2005年的0.056波動增長到2014年的0.070,但其年際增長幅度很小,且其值非常小,說明四川省各市(州)土地生態經濟系統穩定性的絕對差異有所加大,但整體上各市(州)的絕對差異較小,每個年份各市(州)的貼近度值都接近于平均值,各市(州)土地生態經濟系統穩定性的相對差異逐漸減小.2005—2014年變異系數整體上處于下降的態勢(除2005、2009和2011年有小幅度上升),說明各市(州)之間的土地生態經濟系統穩定性相對差異在逐漸減小,這表明基期年土地生態經濟系統穩定性較低的城市(攀枝花市、阿壩州、內江市、巴中市和涼山州等)提高的幅度要大于基期年土地生態經濟系統穩定性較高的城市(德陽市、成都市和廣安市等).

圖 2 四川省區域土地生態經濟系統穩定性差異的變化過程

2.3四川省土地生態經濟系統穩定性全局空間自相關 由(14)式計算得到四川省的Moran’s I值(表2).可知,2005—2014年間,四川省土地生態經濟系統穩定性全局空間自相關Moran’s I值均較小,除去2006和2007年為較小的正值,其他年份均為較大的負值,表明四川省土地生態經濟系統從最開始的弱離散分布轉變為弱集聚分布,最終又轉變為弱離散分布.因此,四川省土地生態經濟系統穩定性整體上表現為弱離散分布,且全局空間自相關性不明顯.

按照相關性強弱把10年的Moran’s I值分為3類(表3),即弱空間正相關、較弱空間負相關和較強空間負相關.2006和2007年為弱空間正相關,值大于0且小于0.2,即具有較高(低)土地生態經濟系統穩定性的地區趨于和較高(低)土地生態經濟系統穩定性的地區集聚,但這種集聚的程度并不明顯,為非常弱的空間集聚分布;2005年和2008—2014年間(除2009、2012年)為較弱空間負相關,其值在-0.3～0之間,即具有較高(低)土地生態經濟系統穩定性的地區趨于和較低(高)土地生態經濟系統穩定性的地區集聚,但為較弱的空間離散分布,且在時間序列上表現出略微增強的空間離散分布態勢;2009和2012年為較強空間負相關,值在-0.4～-0.3之間,表現為較強的空間離散分布.

表2土地生態經濟系統穩定性Moran’sI值

Tab.2Moran’sIofstabilityoflandeco-economicsystem

年份Moran’s I相關性空間格局2005-0.137弱空間負相關弱離散分布20060.140弱空間正相關弱集聚分布20070.187弱空間正相關弱集聚分布2008-0.150弱空間負相關弱離散分布2009-0.361較強空間負相關較強離散分布2010-0.197弱空間負相關弱離散分布2011-0.271弱空間負相關弱離散分布2012-0.356較強空間負相關較強離散分布2013-0.237弱空間負相關弱離散分布2014-0.238弱空間負相關弱離散分布

2.4四川省土地生態經濟系統穩定性空間格局演化 為探究四川省土地生態經濟系統穩定性的空間格局及其演變,使用 ArcMap10.2 軟件將 2005、2008、2011和2014年的四川省土地生態經濟系統穩定性貼近度值進行空間表達:依據數據特征將貼近度值分為8個數段:0.16～0.23、0.23～0.30、0.30～0.37、0.37～0.44、0.44～0.51、0.51～0.58、0.58～0.65和0.65～0.72,由淺到深的顏色依次表示(圖3).

表3Moran’sI值分類表

Tab.3ClassificationsofMoran’sI

年份Moran’s I分類20060.14020070.187弱2005-0.1372008-0.1502010-0.1972013-0.2372014-0.2382011-0.271較弱2012-0.3562009-0.361較強

圖3四川省土地生態經濟系統穩定性空間格局圖

Fig.3Spatialpatterndiagramofthestabilityoflandeco-economicsysteminSichuanProvince

從整體來看,各市(州)的色塊顏色隨著年份的增加在不斷地變深,說明各市(州)土地生態經濟系統穩定性在不斷提高.2005年全省土地生態經濟系統穩定性貼近度值集中在0.23～0.37之間,整體水平較低,因此色塊顏色較淺.只有德陽市和廣安市貼近度值較高,分別為0.402和0.379,2008年貼近度值依然集中分布在0.23～0.37之間,平均值為0.323,其整體水平較2005年有所提升,但依然較低,色塊顏色有所變深.德陽市和涼山州貼近度值較高,為0.415和0.388,2011年貼近度值集中分布在0.37～0.51之間,平均值為0.451,較前兩年已有了較大的增長,色塊顏色進一步加深,涼山州貼近度值達到0.529的最大值,2014年貼近度值集中分布在0.51～0.65之間,整體水平較高,因此色塊顏色最深.涼山州穩居第一,為0.695,成都市位居第二,為0.638.雖然全省各市(州)的土地生態經濟系統穩定性都有所提高,但是各市(州)變化幅度不同,因此色塊顏色變化的梯度也不同,土地生態經濟系統穩定性的空間分布格局在不斷地演變.

從增長速度來看,2005—2014年土地生態經濟系統穩定性提高速度較快的是涼山州、阿壩州、內江市和甘孜州,10年內分別提升了0.435、0.388、0.380和0.328,2014年的值大約是2005年的1.5倍.這些市(州)之所以提高快,主要得益于土地生態系統穩定性的提高,其中人均公路通車里程的增加、耕地面積的保護、耕地化肥施用量的減少、污水處理率的提高、森林的保護和繁育等起了主要作用.另外,經濟不斷發展,人均GDP、城市和農村居民的收入和城市化水平不斷提高、社會保障占財務支出的比重不斷增加,促進了土地經濟系統穩定性的提高,因此這些市(州)的土地生態經濟系統的穩定性提高快,其中涼山州位居第一.增長速度最慢的是攀枝花市,攀枝花市為資源依托型城市,隨著資源的不斷開發利用,資源日益減少,導致經濟發展動力不足,另外,資源開發造成許多環境問題,環境質量日益下降,因此攀枝花市土地生態經濟系統穩定性低且增速慢.

從高值分布區域來看,四川省各市(州)土地生態經濟系統穩定性的高值區在不斷轉變,2005年高值區主要分布在川東區域,分別以德陽市為起點向西南延伸,以廣安市為起點向西北延伸;2008年的高值區分布在以德陽為首的川東地區(包括德陽、成都和資陽)和川南的涼山州;2011年的高值區依然分布在川東和涼山州,不同的是以往的德陽市、成都市高值區變為次高值區,新興的高值區有達州市和內江市;2014年的高值區以涼山州為中心向北延伸,以南充市為中心向南延伸.總之,高值區由2005年的川東高值區轉變為2008年的川東和川南兩個高值區,且以川南為首.

3 結論與討論

1) 2005—2014年四川省土地生態經濟系統穩定性貼近度值整體上處于波動上升狀態,省平均水平由2005年的0.293增長到2014年的0.579,說明四川省土地生態經濟系統穩定性逐漸提升,但并沒有處于優良狀態,只是在不斷向協調可持續的良好方向發展.

2) 各市(州)土地生態經濟系統穩定性絕對差異有所增大,但相對差異逐漸減小;四川省土地生態經濟系統穩定性表現為弱離散分布,全局空間自相關性不明顯.

3) 四川省土地生態經濟系統穩定性空間分布格局在不斷演變,高值區由2005年的川東高值區演變為2008年的川東和川南兩個高值區,且以川南為首.

4) 本文將熵權TOPSIS法運用到土地生態經濟系統穩定性分析中,研究結果證明具有可行性,豐富了土地生態經濟系統穩定性的研究方法;但是由于目前尚缺乏統一的土地生態經濟系統穩定性評價框架,文中構建的評價指標體系有待進一步完善,且受數據可獲取性等因素制約,導致研究年限較短、研究尺度依然過大.因此縣域尺度及其驅動機制研究將是今后進一步探討的方向.

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