基于CRITIC權灰靶模型的土地利用碳排放安全評價
——以陜西省為例

何巖巖， 南 靈

(西北農林科技大學經濟管理學院，陜西楊凌 712100)

全球氣候變暖引發各種環境問題，制約經濟社會長足發展已經成為不爭的事實，進行碳排放安全評價和預測不僅是應對氣候變化、環境治理的需要，也是國家發展戰略的要求。土地利用碳排放對大氣二氧化碳含量增加的影響僅次于化石燃料燃燒，其安全問題關乎著區域、國家乃至世界范圍內的和諧、穩定以及可持續發展。目前，關于土地利用碳排放的研究主要集中于土地利用碳排放的測算[1]、時空特征分析[2]、碳效率分析[3]、影響因素分解[4]以及脫鉤效應分析[5]等方面，碳排放安全評價是在研究碳排放的基礎上，基于生態安全評價理論拓展出來的新研究領域，目前處于起步階段，具體到土地利用碳排放安全評價及預測的研究則更為少見。根據相關研究[6-8]，土地利用碳排放安全可以理解為土地利用所產生的碳排放在人類自身生產、生活等各個方面的必要需求得以滿足的前提下，與區域人口、環境、社會、經濟、資源系統保持協調可持續發展的狀態。

對指標合理賦權在評價中具有舉足輕重的作用，指標權重確定(criteria importance through intercriteria correlation，簡稱CRITIC)賦權法既考慮指標內部差異性，又兼顧指標間的沖突性，比熵值法等更科學合理[9-10]，但常規的CRITIC賦權法在計算權重時仍有帶量綱的標準差不能直接反映指標內部的差異程度以及負相關系數不能合理反映指標獨立性權數的問題須要改進。評價方法的選擇和參照標準的制定是評價中的關鍵，灰靶模型在對復雜的、模糊的、信息不完全的灰色系統進行評價時，具有顯著的優勢[11]，已被成功應用于適宜性評價[12]、資源稀缺性評價[13]、可持續性評價[14]等領域，但在生態系統安全評價方面的應用還很少且其等權不合理問題仍須要改進。

鑒于此，本研究采用融合資源、經濟、環境、社會等系統的壓力-狀態-響應(pressure-state-response，簡稱PSR)模型構建土地利用碳排放安全評價指標體系，引入變異系數和相關系數的絕對值對常規CRITIC賦權法進行改進，并將改進后的CRITIC權引入傳統灰靶模型，以解決等權不合理問題，建立基于CRITIC權的改進灰靶模型并以陜西省為例進行土地利用碳排放安全評價，旨在為相關部門開展土地利用碳減排，促進陜西省土地低碳綠色可持續利用提供科學依據。

1 指標體系與研究方法

1.1 評價指標體系

PSR模型強調社會經濟運作與環境變化的互動關系，具有可測定性、可評價性、可預測性的特點[15]。為保證指標體系的科學性、完備性、適用性，首先將目標層分為壓力、狀態、響應3個準則層；其次，從研究土地利用碳排放影響因素的文獻[共48篇，其中10篇學位論文，20篇中文社會科學引文索引(Chinese social science citation index，簡稱CSSCI)期刊文獻，5篇中國科學引文數據庫(Chinese science citation database，簡稱CSCD)期刊，13篇核心期刊]中提取高頻影響因素，分別為經濟發展(38次)、人口增長(38次)、土地利用變化(30次)、能源效率(28次)、能源結構(25次)、森林覆蓋率(20次)等，并參考現有土地評價指標文獻(52篇關于土地生態安全評價的文獻、38篇關于土地利用系統健康評價的文獻、20篇關于土地可持續利用評價的文獻、14篇關于低碳發展評價的文獻等)，初步選擇44個相關指標構建備選指標集；再次，選擇31位專家(6位教授，6位副教授，12位專業學者，7位行業從業者)發放問卷進行2輪指標篩選，確定27個具體指標構成初步體系；最后，通過CRITIC賦權法初步賦權，將權重小于0.01的影響較小的指標篩去，確定24個指標構成評價指標體系(表1)。其中，壓力是指土地利用碳排放安全受到威脅的原因；狀態是指在各方面壓力的影響下，土地利用系統所維持的樣貌以及土地利用碳排放狀態；響應是指預防土地利用碳排放安全惡化、維護土地利用碳排放安全所采取的措施。

表1 土地利用碳排放安全評價指標體系及權重

注：“+”表示正項指標，數值越大越利于安全；“-”表示負向指標，數值越大越威脅安全。

1.2 研究方法

1.2.1 改進的CRITIC賦權法 基于指標相關性的CRITIC法，是由Diakoulaki提出的一種綜合獨立性權數和信息量權數的客觀賦權法[9]。獨立性權數和信息量權數分別采用相關系數和標準差表示，將二者結合構成綜合權數，綜合權數越大，相對重要性越大[10]，其表達式為

(1)

式中：Ck為常規的綜合權數；Sk為第k個指標的標準差；rik表示第i個評價指標與第k個評價指標的相關系數。

但常規的CRITIC賦權法存在2個問題，(1)帶量綱的標準差不能直接反映指標內部的差異程度；(2)出現負相關時，用相關系數反映指標獨立性權數不合理，因此采用變異系數和相關系數的絕對值對上述公式進行改進，改進后的綜合權數表達式為

(2)

式中：Ck′表示改進后的綜合權數，Sk為標準差；uk為平均數；|rik|為第i個評價指標與第k個評價指標相關系數的絕對值。因此，第j個指標的CRITIC權重表示為

(3)

1.2.2 改進的灰靶模型 灰靶模型的核心是在沒有統一評價標準的情況下，通過對比將灰色系統內部最重要的指標數據優選出來構造灰靶及其靶心，然后將評價對象分為一系列待評模式并通過與靶心的比較來計算靶心度，進而進行模式分級，具體步驟見參考文獻[11]。傳統灰靶模型靶心度的計算公式為

(4)

傳統的灰靶模型在計算靶心度時，靶心系數采用等權疊加得到，與實際情況不符，因此本研究將改進后的CRITIC權重引入靶心度計算公式中，增加客觀性的同時使模型更符合實際。改進后的靶心度計算公式為

(5)

式中：γ(x0，xi)表示待評模式Xi的靶心度；ωk表示待評模式Uk指標的權重；γ[x0(Uk)，xi(Uk)]表示待評模式xi的靶心系數；n表示指標個數。

2 數據來源與基礎數據測算

2.1 研究區域選擇

陜西省地處我國內陸腹地，是通往西北、西南的門戶，具有明顯的地理區位優勢。作為國家“一帶一路”戰略安排的重要區域和西部生態環境建設的重點區域，近年來，陜西省工業化、城市化水平得到了很大的提高。然而，在城市化進程中土地生態系統受到了人類活動的較大影響，土地利用強度不斷加強，土地利用碳排放壓力逐年增大，土地利用碳排放與區域人口、資源、環境、經濟、社會系統的協調發展受到威脅。因此，進行區域土地利用碳排放安全評價并提出土地利用碳排放安全調控對策具有必要性和緊迫性。

2.2 數據來源

本研究所使用的土地利用數據來源于2005—2014年陜西省土地利用變更詳查資料，國民經濟數據來源于2006—2015年《陜西統計年鑒》，森林覆蓋率來自于全國森林清查成果資料，環境保護投資、濕地面積等環境數據來源于2005—2014年《陜西省環境狀況公報》《中國環境統計年鑒》，文中部分數據通過原始數據計算得到。需要說明的是：(1)本研究中所用GDP數據以2005年為基期進行平減，能源消耗按等價值計算；(2)參考Costanza等的研究[16-17]，本研究中的生態用地包括耕地、園地、林地、草地、水域和濕地6種類型；(3)由于水域及未利用地面積在陜西省土地總面積中的占比均不超過1.5%，因此只計算耕地、園地、林地和草地的碳吸收，耕地碳吸收量為其上農作物光合作用所固定的碳[2]，園地、林地、草地碳吸收采用碳吸收系數法測算[18]；(4)農用地碳排放量包括農地利用中農用機械使用、化肥施用、灌溉活動、地膜使用等4個方面主要碳源產生的碳排放，建設用地碳排放量通過單位GDP能耗間接計算[2]。

3 評價過程

3.1 構建標準模式

3.2 進行灰靶變換

令x0為灰靶變換，則x0=TX0=(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)，則對待評模式X1中的24個指標進行灰靶變換可得：

?

則x1={x1(U1)，x1(U2)，…，x1(U24)}=(0.920，1.000，1.000，1.000，1.000，1.000，0.690，0.537，0.584，0.909，1.000，0.911，0.958，1.000，1.000，0.854，0.957，0.855，0.848，0.378，0.778，0.503，0.559，0.746)，同理可得由(x1，x2，x3，…，x10)組成的矩陣。

3.3 確定灰關聯差異信息空間

令差異信息集Δ={Δ0i(Uk)|i∈I={1，2，3，…，10}，k∈K={1，2，3，…，24}}，則Δ0i(Uk)=|x0(Uk)-xi(Uk)|=|1-xi(Uk)|，其中 Δ0i(Uk) 為待評模式Xi與標準模式X0在Uk指標下的差異信息，因此，Δ01(Uk)={Δ01(U1)，Δ01(U2)，…，Δ01(U24)}=(0.080，0.000，0.000，0.000，0.000，0.000，0.310，0.462，0.416，0.091，0.000，0.089，0.042，0.000，0.000，0.146，0.043，0.145，0.152，0.622，0.222，0.497，0.441，0.254)，同理可求出由(Δ01，Δ02，Δ03，…，Δ010)組成的矩陣。最終可得Δ0i(max)=0.674，Δ0i(min)=0。

3.4 計算靶心系數

由此，可以得到靶心系數γ{x0(U1)，x1(U1)}=0.809，γ{x0(U2)，x1(U2)}=1.000，…，γ{x0(U24)，x1(U24)}=0.571，同理可得由靶心系數γ{x0(Uk)，xi(Uk)}組成的矩陣。

3.5 計算靶心度

將計算所得的靶心系數和指標權重(表1)代入公式(5)得到待評模式X1～X10的靶心度；同理，可按照上述方法求出壓力系統、狀態系統、響應系統3個子系統的靶心度(表2)。

表2 陜西省土地利用碳排放安全評價結果

注：γ(A1)、γ(A2)、γ(A3)分別表示壓力、狀態、響應等3個準則層的靶心度；γ(A1～3)表示綜合靶心度。

4 結果與分析

根據γ的取值范圍，按照自然斷點法將其劃分成5個等級。γ的值介于0.444～0.904之間，則其等級劃分結果為高安全(Ⅰ級，γ>0.812)、較安全(Ⅱ級，0.720<γ≤0.812)、一般安全(Ⅲ級，0.628<γ≤0.720)、較不安全(Ⅳ級，0.536<γ≤0.628)、不安全(Ⅴ級，γ≤0.536)。

4.1 土地利用碳排放安全總體評價

總體趨勢來看，2005—2014年陜西省土地利用碳排放安全經歷了“下降—波動—上升”3個階段(圖1)，綜合靶心度最高為0.784(2014年)，最低為0.602(2011年)，安全等級橫跨較安全(Ⅱ級)至較不安全(Ⅳ級)。具體來說，2005—2007年陜西省土地利用碳排放安全綜合靶心度快速下降，從各指標具體數值和變化趨勢來看，由于碳排放增長率的大幅提高導致狀態系統的急劇惡化。2007—2012年，綜合靶心度在平穩中上下波動，此時，壓力、狀態、響應系統相互博弈達到相對均衡。2012—2014年，綜合靶心度持續上升且上升幅度逐漸增大，土地利用碳排放安全系統面臨的壓力減小且維護安全所采取的措施略有成效，這一階段碳排放增長率降低、能源利用效率提高且國家對林業和環境保護投資比例逐年增大。

4.2 壓力系統安全評價

2005—2012年土地利用碳排放安全壓力系統靶心度曲折下降，之后呈上升趨勢(圖1)，安全程度整體上先降低后提高。壓力系統指標均為負(表1)，說明影響土地利用碳排放安全的驅動力因素在2012年之前逐漸增強，2012年之后有所減弱。2005—2012年期間，陜西省的城市化率和人均GDP逐年提高，城市化進程中的土地利用碳排放也隨之增加，使得建設用地碳排放安全威脅不斷增大；此外，農業生產中化肥、農藥、農膜的不當使用也對土地利用碳排放安全構成威脅。2012—2014年，科技的進步促進能源使用效率大幅度提高，單位GDP能耗、單位工業增加值能耗等隨之降低，壓力系統靶心度提高。在整個研究時段內，單位面積地膜使用量、單位面積農藥使用量呈逐年遞增趨勢，平均農用地地膜使用量增長79.6 kg/hm2，說明須進一步引導農民對農資的科學合理使用；單位工業增加值能耗、單位GDP能耗在整個研究時段內呈逐年減少趨勢，這是一個利好因素，今后更應該加快科技進步，提高能源利用效率。

4.3 狀態系統安全評價

土地利用碳排放安全狀態系統靶心度經歷了先快速下滑后趨于平穩再快速上升的變化過程(圖1)，變化趨勢與綜合靶心度基本吻合，但變化幅度較之更大。2005—2007年碳排放增長率快速提高，導致狀態系統靶心度快速下降。2007—2012年狀態系統靶心度波動變化，先小幅上升再小幅下降，總體波動較為平穩，但這一階段狀態系統始終處于較不安全、不安全等級，安全級別較低，碳排放強度、碳排放增長率的波動變化導致了狀態系統靶心度的波動變化。2012—2014年狀態系統靶心度快速上升，主要是由于碳排放增長率的快速下降。總體來說，狀態系統靶心度的變化與土地利用碳排放增長率、碳排放強度的變化密切相關，而土地利用碳排放增長率的變化又由建設用地碳排放和農用地碳吸收的博弈引起，因此，降低建設用地碳排放的同時，提高農用地的碳匯能力對保證土地利用碳排放安全顯得至關重要。

4.4 響應系統安全評價

土地利用碳排放安全響應系統靶心度在曲折中上升，從0.444提高到0.904，最高值0.904出現在2014年(圖1)，由于響應系統的指標性質全部為正(表1)，說明預防土地利用碳排放安全惡化、維護土地利用碳排放安全所采取的措施成效逐年顯現出來。狀態系統靶心度逐年提高的主要原因包括3個方面，(1)科技進步帶來的能源加工轉換效率、固體廢物綜合利用率的穩步提升；(2)森林覆蓋率、建成區綠化覆蓋率的提高帶來植被固碳能力的提高；(3)國家對于林業投資、環境污染治理投資的增加，而狀態系統靶心度的波動主要由糧食單產和環境污染治理投資比例的波動引起。

5 結論

借鑒土地生態安全評價理論進行土地利用碳排放安全評價研究，從土地利用碳排放安全的內涵出發，基于PSR模型設計指標體系，采用改進的CRITIC賦權法確定指標權重，并將CRITIC權賦予灰靶模型對其進行改進，客觀有效地反映了評價期內陜西省土地利用碳排放安全的變化特征。

陜西省土地利用碳排放安全評價結果表明，2005—2014年，影響土地利用碳排放安全的驅動力因素在增強，但壓力子系統惡化的同時，響應子系統發生明顯好轉，狀態子系統的變化趨勢與綜合變化趨勢基本相吻合，其靶心度經歷“下降—波動—上升”3個階段，雖然2012年以后綜合靶心度呈上升趨勢，但土地利用碳排放安全仍處于低層次且不穩定狀態，安全情況不容樂觀。

為促進陜西省土地利用碳排放與區域人口、資源、環境、經濟、社會系統的協調發展，相關部門可從人均GDP、單位面積農藥使用量、單位工業增加值能耗、碳排放增長率、林業投資以及環境污染治理投資占GDP的比重等相對敏感的指標入手，采取針對性的措施。決策者應該提高解決經濟發展與環境保護之間矛盾的綜合決策能力；推廣生態農業，引導農民科學合理地使用農藥、農膜，進行測土配方施肥并逐步以農家肥替代化肥；提高能源利用效率，改進生產工藝，提高清潔能源使用率；通過財政轉移加大林業投資、環境保護資金投入，逐步建立生態補償機制；加大宣傳力度，提高公眾對土地利用碳排放安全保護重視程度以及參與和監督的積極性。

土地利用碳排放安全評價是一項復雜而系統的工作，在指標篩選、評價體系構建等方面還須進一步研究完善，此外，研究的重點應該向時間和空間相結合方向發展，并將評價與預測相結合。