基于文獻分析篩選的武漢城市圈土地生態安全研究

景鈺涵 周天宇 王雄 黃威

摘要：為了促進武漢城市圈整體的土地可持續利用，均衡系統內部各市域土地生態安全水平，探究城市個體與城市圈整體的狀態和差異。以各市域和整體區域為研究對象，以改進的文獻參考法為基礎，結合DPSIR模型構建武漢城市圈土地生態安全評價指標體系，使用主成分分析法計算2015年各城市土地生態安全水平綜合值，并比較了整體與各市域水平間的差異。結果表明，武漢城市圈整體土地生態安全水平良好，但城市圈內部各市域發展較不均衡；總體表現為南北縱向水平差異優于東西橫向差異，并呈現出從中心至外環逐漸惡化的趨勢；城市規模、城市化水平與土地生態安全水平沒有直接的線性關系；根據地生態安全值，將組成城市圈的9個獨立市域劃分為4個階梯并給出相應的措施進行改善。

關鍵詞：生態安全；武漢城市圈；評價；主成分分析

中圖分類號：F301.2；F062.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）11-0019-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.11.004

Abstract： In order to promote the sustainable use of the land in Wuhan Metropolitan Area，to balance the level of land ecological security in all municipalities within the system，explore the status and differences of urban individual and the whole area. Therefore，based on the improved literature reference method and the DPSIR model，the evaluation index system of land ecological security of Wuhan Metropolitan Area was constructed，using principal component analysis to calculate the comprehensive value of urban land ecological security in 2015，then，compared the difference between the whole and the city level. The results show that：the overall ecological security level of Wuhan Metropolitan Area is good，but the development of cities within the group is relatively uneven. There is no direct linear relationship between urban scale，urbanization level and land ecological security level. According to the ecological security value， the nine independent cities that make up the Wuhan Metropolitan Area are divided into four ranks and the corresponding measures are given.

Key words： ecological security； Wuhan Metropolitan area； evaluation； principal component analysis

中國正處在工業化快速擴張和新型城鎮化進展階段，各種不合理的用地方式和經濟建設給土地的生態安全帶來了嚴峻的挑戰。基于快速發展的經濟與用地矛盾的突出、“五位一體”發展戰略和可持續發展的要求，以及城市圈一體化建設“兩型社會”進程的不斷推進，土地生態安全問題愈來愈受關注[1，2]。土地資源生態安全是區域可持續發展的核心，也一直是學科內關注的熱點。

以Costanza開展的生態系統健康基本理論和評估研究為代表，國外土地生態安全評價側重于土地生態系統健康、生態風險、可持續評價[3]，其他學者也關注土地生態退化評價[4]和生態脆弱性評價[4-6]。國內學者們主要以土地生態綜合效益的評價、土地生態安全預警（監測）和生態價值測算以及補償為研究方向。對土地生態安全水平的研究也主要是以評價為工具[1-3]，較為成熟的評價方法有生態足跡、物元模糊、神經網絡、TOPSIS和主成分分析法[1-7]，研究對象也主要以時間序列的單一市域為主體，較少有文章通過比較分析城市圈系統與其內部組成個體的差異來研究區域的土地生態安全。然而，與單個城市相比，城市圈的土地利用是一個更為開放的復雜系統，其時空演變過程不僅受到區域內外自然、社會、經濟和其他各種不確定因素的綜合影響，表現出顯著的復雜非線性特征[7]，內部差異也會對系統整體水平產生直接的影響。以武漢市為首的“8+1”城市圈正處于社會經濟發展的高速增長階段，社會生產總值和人均收入增長迅速，對各類用地數量和質量的需求都將日益增大。因此，結合系統內外部，差異性比較探究城市圈土地生態安全水平是促進武漢城市圈整體發展的必要途徑和根本手段，同時也有助于進一步了解各城市生態安全水平與差異，促進各城市的土地生態良性發展，使生態安全地區帶動生態脆弱地區，引導區域利用優勢、規避劣勢、提高綜合水平并實現土地的可持續發展。

土地生態安全是多因素影響與相互作用的復雜動態系統，合理的評價指標體系是科學準確地評價土地生態安全水平的關鍵[7]。現有的研究主要以自然-經濟-社會、PSR、DPSIR為模型，為了促進武漢城市圈整體的土地可持續利用，均衡系統內部各市域土地生態安全水平，探究城市個體與城市圈整體的狀態和差異。以各市域和整體區域為研究對象，以改進的文獻參考法為基礎，結合DPSIR模型構建武漢城市圈土地生態安全評價指標體系，使用主成分分析法計算2015年各城市土地生態安全水平綜合值，并比較了整體與各市域水平間的差異，以期為這方面的研究提供參考。

1 研究區概況

武漢城市圈又稱“8+1”城市圈，是指以湖北省省會武漢市為圓心，包括咸寧、天門、黃石、潛江、仙桃、黃岡、孝感、鄂州8個城市的城市圈[8]。

武漢城市圈地處江漢平原地區、氣候溫暖濕潤，水熱條件優越，地貌類型多樣，以平原為主，丘陵、山地為輔，大致呈現出“兩山、兩崗、三丘、三原”的格局；平均海拔不足100 m，地勢平坦、河湖眾多；區域土地利用形態由內向外呈現出多層次環狀分布，其中耕地主要分布于中部和東部地區；林地主要分布于東北部的黃岡和南部的咸寧，較少的草地面積主要集中于黃岡，建設用地主要集中在武漢市（圖1）。面積不到全省1/3的武漢城市圈，集中了湖北省一半的人口、60%以上的GDP總量，不僅是湖北經濟發展的核心區域，也是中部崛起的重要戰略支點[8，9]。人口、經濟與用地現狀決定了武漢城市圈土地生態安全水平不容樂觀，研究城市圈與各組成地域差異并分析原因以實現區域均衡發展刻不容緩。

2 方法與數據

2.1 研究方法

2.1.1 主成分分析法原理 主成分分析方法是將多個具有相關性的要素轉化成幾個不相關的綜合指標的分析與統計方法。綜合指標有可能包含眾多相互重復的信息，主成分分析在保證信息最少丟失原則下，對原來指標進行降維處理，把一些不相關的指標省去，將原來較多的指標轉換成能反映研究現象的較少的綜合指標，這樣能夠簡化復雜的研究，在保證研究精確度的前提下提高研究效率[10]。本研究采用SPSS17.0軟件對所選指標進行主成分分析，以達到在多指標中篩選重要的綜合指標進行生態評價。

2.1.2 改進的文獻參考法與指標體系的構建 在中國知網上分別以“土地生態”“生態安全水平”“生態評價”為檢索詞條，分別按照“被引量”“下載次數”和“主題排序”為依據，各搜集15～20篇相關文獻。將搜集的文獻篩選、去除重復并摘錄出各文獻中評價指標體系中的指標層，統計不同名稱指標出現的頻率，同時將具有相同含義的指標合并為同一指標、合并頻次（如“單位耕地化肥施用量”和“全年化肥用量”“城市人口與用地增長彈性系數”和“人口承載力”以及“人口密度”）。最終從相關文獻[11-22]中摘錄出31個有效的評價指標體系，合并315個指標為150個，并從中篩選出頻次大于5的38個指標。

DPSIR模型有較強的系統性，以該模型為基礎，考慮武漢城市圈的實際情況根據客觀性、可操作性和實用性原則，刪減無效指標，構建含26個指標的區域土地生態安全評價指標體系（表1）。

2.2 數據處理

2.2.1 數據來源 數據基礎來源于2016年武漢、咸寧、天門、黃石、潛江、仙桃、黃岡、孝感、鄂州統計年鑒與國民經濟和社會發展統計公報、2015年鄂州統計年鑒、2016年武漢市綠化狀況公報全省第四次森林資源二類調查、2016年咸寧市政府工作報告（咸寧市人民政府/信息公開/工作報告）、湖北省人民政府網站、潛江熱線網、2016年武漢市綠化狀況公報、中共天門市委辦公室網站和鄂州市環境保護局2015年收支預算總表（鄂州市環境保護局網站）。由于缺乏土地利用結構多樣性數據、土壤退化與自然災害數據，研究結果與現實情況可能存在微小的偏差。

2.2.2 數據預處理 要得到標準化評價矩陣，可以采用歸一化方法對原始數據進行處理，對于正向指標，其公式如下。

對于負向指標，其公式為：

標準化得到關于生態效益評價體系矩陣R：

其中，xij為第i個城市第j個指標的原始數值；其中，rij為第i個城市第j個指標的標準化值；i=1，2...，m，m為城市個數；j=1，2...，n，n為評價指標數。

2.2.3 主成分分值計算 通過文獻篩選的指標數量較多，存在相關性較大的問題，主成分分析法在一定程度上能夠減少指標數量，因此選擇主成分分析進行綜合評價。將已經標準化處理的數據在SPSS17.0軟件中進行處理，通過分析指標間關系，提取了7個主成分。這7個成分的累計值已經超過97.359%（表2），因此通過這7項可以計算出各因子對原始指標的載荷狀況。

根據成分得分系數矩陣和主成分特征值計算因子對原始指標載荷狀況（表3），該矩陣反應的主成分系數表明：第一主成分主要反映了人均GDP、經濟密度、固定資產投入、第三產業產值以及農民人均可支配收入信息；第二主成分主要反映了環保投資比重、耕地面積比重、森林覆蓋以及城市人均公共綠地面積信息；第三主成分主要反映了排污、機耕信息；第四主成分主要反映了糧食單產、固體廢棄物的利用和農藥使用情況信息；第五主成分主要反映化肥使用情況和建成區綠化覆蓋率信息；第六主成分主要反映單位GDP能耗、污水排放、環保投資和建成區綠地率信息；第七主成分主要反映了城鎮生活污水處理率、人均公共綠地等信息，其中污水處理率占據絕對影響地位。

綜合來說，主要貢獻指標因子為單位GDP污水排放、建成區綠化覆蓋、環保投資占比、農民人均可支配收入、農業機械總動力和旱澇保收率，進而得到7個主成分和各指標因子之間的關系模型：

其中，Zpi為第p個主成分第i個城市的主成分得分值，Cpj為第p個主成分第j個指標的因子對指標載荷系數，Xij為第i個城市第j個指標的標準化數值（表3）。

2.2.4 生態安全評價綜合得分與排序 根據各指標特征值的特征向量、標準化數據，分別以7個主成分的特征值為依據權重計算主成分關系系數，并構建主成分綜合評價模型：

其中，Fi為第i個城市的土地生態安全水平綜合得分值，Wp為第p個主成分的權重值，Zpi見式（3）。

計算各研究區域在7個主成分下各子系統安全分值和綜合安全分值（表4）。分值為正則表明該主成分在平均發展水平1之上，且得分越高說明生態安全越好。

3 評價結果分析

3.1 土地生態安全子系統與整體系統水平分析

以9個城市個體和整體的總體生態水平變化參考排序，從武漢市到咸寧市、城市圈整體、仙桃市、黃石市、孝感市、潛江市、黃岡市、天門市和鄂州市土地生態安全水平逐漸下降，即安全穩定性由強到弱。為了更清楚地看出子系統安全性分值與總系統得分值的差異，結合圖2進行比較說明。

從城市來看，城市圈整體土地生態水平較高，僅低于武漢市和咸寧市，仙桃市、黃石市和孝感市緊追其后位于第二生態安全梯隊，潛江市和黃岡市位于土地生態安全水平第三梯隊，天門市和鄂州市位于最后，尤其是鄂州市的土地生態安全水平最不容樂觀。武漢市的土地生態安全性最好，雖然市區的人口密度、城鎮化率相對較高，人類活動更加明顯，但是市區第三產業占據絕對地位，在很大程度上避免了以農業為主的第一二產業給生態環境帶來的種種破壞。武漢市的驅動力子系統為負值，低于平均水平，分析各主成分分值發現其第三、四、五、七主成分分值都為負值且第七主成分占絕對比重，說明以城鎮生活污水處理率、城市公共人均綠地面積和單位產值GDP排放信息為反映的指標水平較差。

從系統來看，隨著土地生態總系統水平的變化趨勢，子系統變化呈現平穩降低的趨勢。其中狀態與響應子系統在區域層次上有波動；驅動力系統低于平均水平，影響驅動力系統的指標主要是森林覆蓋、人口與城市及經濟水平，這說明對獨立的城市來說都存在城市發展與經濟水平和綠化覆蓋等不協調的狀態影響了土地生態安全性。咸寧市土地生態安全值在驅動力子系統中處于最高水平，這是由于咸寧市較高的森林覆蓋率水平、較少的化肥投入、較高的單位GDP中，環保投資額和合理的耕地面積占據絕對優勢。咸寧市是湖北省首批低碳經濟試點市，首批全國旅游標準化城市并榮獲“國家森林城市”的榮譽稱號，這一信息也與概述中描述的“林業集中地主要位于咸寧市”相吻合。

3.2 區域土地生態安全均衡發展分析

為了均衡發展城市圈，以城市圈整體水平為基準數據，與其他9個城市的子系統的分值分別作差得到每個城市與整體水平的差異值，并通過ArcGIS10.2等間距分級使其可視化（圖3），再進行城市與城市、城市個體與城市圈整體之間的比較。

1）通過區域差異分析可以發現，就安全性而言，無論按5個獨立子系統還是總體系統安全分值來看，各城市與城市圈整體土地生態安全值差值皆為負值，且城市圈整體生態安全水平較高，說明居于城市圈整體水平之上的城市和之下的城市水平差異顯著，優劣兩極分化，城市圈內各市域土地安全性并不均衡。

2）天門市和鄂州市的壓力系統差異較為失衡，這也是天門市和鄂州市總體土地生態安全水平位列第四梯隊的直接原因。壓力系統反映了人口自然增長、森林覆蓋、城鎮化率和人均生產總值指標信息，結合主成分反應各指標信息情況得出。為了縮小區域差距，天門市和鄂州市的人口增長和經濟發展的突出矛盾是導致土地生態系統脆弱的主導因素。

3）黃岡市的響應系統差異失衡，響應系統反映固定資產、環保投資、經濟密度、單位能耗和廢棄物處理利用情況，表明黃岡市的經濟和環保治理狀況使得土地生態安全水平落后于其他城市，應該在這方面加以改進。

4）武漢市和咸寧市總體水平良好，但因經濟發展要求和城市發展定位，這2個城市在耕地面積、治理方面無法改進，因此這兩個城市保持平穩現狀即可。

5）武漢城市圈土地生態安全總體呈現中心至外環逐漸惡化的趨勢。總體來講，區域南北差異小于東西差異，東北部水平偏低。此外，安全水平較低的城市總體表現為區域小面積，因此推斷城市規模也并不一定意味著土地生態的惡化，或兩者之間沒有之間直接的線性關系。

4 小結

通過分析武漢城市圈與個體、總系統與子系統的土地生態安全綜合值表明：

1）武漢城市圈整體土地生態安全水平良好，但城市圈內部各市域層次發展較不均衡；總體表現為南北縱向水平差異優于東西橫向差異，并呈現出從中心至外環逐漸惡化的趨勢。

2）根據分析可以將城市圈內部劃分為4個區域，即：第一梯隊為武漢市和咸寧市，不需要改善；第二梯隊為仙桃市、黃石市和孝感市，可以改善；第三梯隊為潛江市和黃岡市，需要改善；第四梯隊為天門市和鄂州市，必須改善；并提出了相應的改善方向。

3）城市化水平或者建設用地聚集度與土地生態安全水平沒有直接關系。除了土地的農業和生態價值，對于城市化水平比較高的城市，第三產業所創造的生態服務價值也可以規避人口密度等對土地帶來的生態破壞。因此，合理的產業結構可以改善土地生態安全狀況。此外，土地生態安全不僅體現在其自然功能上，經濟功能更是重要的因素之一。

4）城市規模擴張并不代表土地生態系統的惡化，或者說兩者之間沒有直接的線性關系。

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