工業城市土地生態安全評價及其障礙因子分析

余曉玲 宋慷慷 林珍銘

摘要：基于“自然-經濟-社會”模型構建土地生態安全評價指標體系，采用層次分析法和熵值法相結合的主客觀綜合賦權法，通過綜合指數法和障礙度模型，對區域土地生態安全狀態及對應的障礙因子進行評價和分析。研究結果表明，（1）2004—2015年期間廣西柳州市土地生態安全水平有所提升，但土地生態安全綜合值整體偏低，土地生態系統面臨的問題并未得到根本性改變。（2）從單項指標來看，單位耕地農藥施用量、單位耕地化肥施用量這2個指標正在對柳州市土地生態系統產生長久而持續的影響;酸雨頻率是柳州市土地生態安全潛在的威脅;人均國內生產總值（GDP）、農村居民人均純收入、城市化水平、農業機械化水平、人均工業廢水排放量等因素也在威脅著土地生態安全。（3）由于柳州市曾長期以發展工業為優先，在發展經濟的過程中對自然環境造成的破壞較為嚴重，土地生態系統相對較為脆弱，不容忽視。

關鍵詞：土地生態安全;層次分析法;熵值法;障礙度;障礙因子;柳州市

中圖分類號： X24? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0271-05

黨的十九大報告中指出：“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策，像對待生命一樣對待生態環境?！苯ㄔO美麗中國既是建設中國特色社會主義的基本方略，也是人民群眾自身的要求。自20世紀90年代我國開始提出生態安全（ecological security）問題以來，生態環境的保護和建設便受到人們的高度重視，現在生態安全已成為國家安全和區域安全的重要組成部分[1]。生態安全有廣義和狹義之分，一般而言應包含生態系統的可持續發展能力以及對人類提供完整生態服務或人類生存安全的能力[2]。隨著人們對生態安全的重視，土地生態系統作為一切資源與環境的載體[3]，土地生態安全也隨之成為當前研究的熱點。土地生態安全一般指地球陸地表層巖土部分內，由各種有機物和無機物構成的生態系統的結構不受破壞，同時該生態系統為人類提供服務的質量和數量能夠持續滿足人類生存和發展的需要，重點在于土地生態系統自身的安全性及其為人類所提供生態服務的可持續性[4]。由于當前人類對土地的利用強度不斷增加，人地矛盾日益突出，土地生態安全問題已逐漸成為制約經濟社會可持續發展的重要因素[5-6]。

當前對土地生態安全的研究集中于土地生態安全評價[7]。土地生態安全評價是土地生態安全研究中的重要內容，能夠將抽象的生態系統安全情況直觀、量化地展示出來，為土地的管理和決策提供科學的依據[8]。目前，土地生態安全評價主要圍繞土地生態安全評價的基礎理論研究、評價指標體系的構建、合理的評價方法探索、科學的評判標準劃定以及合理的評價尺度等方面展開[9]。但是這些研究大多集中于國家級和省級的宏觀尺度，市、縣一級的研究較少。由于生態研究尺度具有不可推繹性的特點，在土地生態安全研究中，研究尺度的差異將影響結果的科學性[10]，如何科學合理地選擇研究尺度使研究結果更具代表性還有待進一步研究[11]。

柳州市地處廣西壯族自治區中北部，屬于喀斯特巖溶地貌地區，是土地生態環境變化敏感區域。但是在過去，柳州市經濟長期以工業為主導，曾引發嚴重的“酸雨”問題，對土地生態平衡破壞極為嚴重。無論是地理位置還是城市屬性，柳州市均具有一定的特殊性。但有關柳州市土地生態安全的相關研究[12-13]主要集中在土地可持續利用領域，有關土地生態安全評價的研究相對較少。鑒于此，筆者以柳州市作為研究對象，從土地生態系統的結構和功能出發，基于“自然-經濟-社會”模型構建土地生態安全評價指標體系，采用層次分析法和熵值法相結合的主客觀綜合賦權法，對柳州市土地生態安全狀況進行綜合評價。并在對2004—2015年柳州市土地生態安全動態評價的基礎上，通過對障礙因子進行診斷和分析，以期為提高柳州市土地生態安全提供科學依據和合理建議。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

柳州市位于23°54′～26°03′N，108°32′～110°28′E。全市土地面積為1.86萬km2，市區面積為1 016.75 km2，市內土壤大多數厚度適中，質地較好，適合開墾耕作，但土壤中有機質含量低，肥力較低。2015年末，全市戶籍總人口為381.62萬人，人口自然增長率為10.49‰，地區生產總值為2 298.62億元，三次產業結構由2004年的13.5 ∶ 53.5 ∶ 33調整到2015年的7.2 ∶ 56.6 ∶ 36，工業始終占據主導地位，是廣西最大的工業基地。

1.2 數據來源

主要統計數據來源于2005—2016年的《柳州統計年鑒》和《廣西統計年鑒》，以及2004—2015年的《柳州環境質量通報》。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系的構建 構建土地生態安全評價指標體系是開展土地生態安全評價的第一步。由于土地生態系統是自然、經濟、社會過程相互聯系和作用的統一體，討論土地生態安全問題，不能僅就土地生態而論，而應著眼于土地利用系統，將土地生態安全狀況視為自然要素、經濟要素、社會要素綜合作用的結果[14-15]。基于此，依據科學性、系統性、相對獨立性、可獲取性、可比性等指標體系建立原則，結合柳州市實際情況，在自然、經濟和社會3個層面上選取22個指標，構建柳州市土地生態安全評價指標體系（表1）。

1.3.2 評價指標安全指數模型 土地生態安全標準值的確定是土地生態安全評價的重要環節。從柳州市土地生態環境特點出發，通過參考已有的國際標準或國家標準、國際公認值、國際平均值以及省際平均值等，綜合確定了柳州土地生態安全標準值（表1）。在此基礎上，通過評價指標安全指數模型，計算各參評評價指標的安全指數（表2）。

1.3.3 指標權重的確定 指標權重的確定主要通過主觀賦權法和客觀賦權法2種，主觀賦權法以層次分析法為代表，客觀賦權法則以主成分分析法和熵權法為主。本研究通過將層次分析法與熵權法結合，對柳州市土地生態安全評價指標進行賦權，確定指標的綜合權重。

1.3.3.1 層次分析法 層次分析法采用專家咨詢評分的定性方法確定權重，然后對無量綱的數據進行綜合，可以把對策的提出過程進行模型化與數量化。層次分析法的主要過程包括以下幾個方面：（1）建立層次結構模型;（2）專家評分;（3）構造判斷矩陣;（4）依次進行層次單排序及其一致性檢驗、層次總排序及其一致性檢驗;（5）得到總排序權值。對于矩陣的計算主要借助MATLAB軟件進行。

1.3.3.2 熵權法 信息熵（Information Entropy）是香農（Shannon CE）在1948年提出來的概念，用來反映系統的無序程度，定量判斷系統的演化方向，能盡量消除各指標權重計算的人為干擾，使評價結果更符合實際。步驟如下：

1.3.3.3 確定指標的綜合權重 在通過層次分析法和熵權法獲得各指標的權重后，取平均值確定指標的綜合權重（表1）。

1.3.4 土地生態安全狀態評價計算

1.3.4.1 土地生態安全狀態評價 本研究利用綜合指數法來測度土地生態安全性，公式如下：

S=∑ni=1Wi×Pi。

式中：S為土地生態安全綜合值;n為指標總數;Wi為指標i的權重;Pi為指標i的安全指數。

1.3.4.2 土地生態安全狀態分級標準 筆者在參考相關研究[3.7-9]的基礎上，結合柳州市實際情況，設置了柳州市土地生態安全水平綜合評判標準（表3）。

1.3.5 土地生態安全障礙度 通過建立土地生態安全障礙度模型，找出各年度主要的障礙因子，從而分析土地生態安全發生變化的主要影響因素。為此，引入“指標偏離度”的概念，以此為基礎計算各指標對區域土地生態安全的障礙度。

從標準差的概念可以看出，標準差是從平均意義上反映每個指標與均值的偏差或者說離散程度。因此，在確定了土地生態安全指數后，通過下述公式計算指標與土地生態安全標準值的差距，即指標偏離度：

Ni=1-Pi。

2 結果與分析

2.1 土地生態安全狀態的動態變化

根據土地生態安全狀態評價模型計算得到2004—2015年柳州市土地生態安全綜合值（表4）。

2004—2015年間，土地生態安全值從0.451 7上升至 0.657 8，總體而言土地生態安全狀態是上升趨勢。但是也要看到，一方面土地生態安全綜合值整體偏低，即使在最好的年份2012年土地生態安全綜合值也僅僅是剛剛達到良好級，其他年份都是在風險級或敏感級，另一方面土地生態安全綜合值的上升幅度很小，年均變化率只有3.5%，說明區域土地生態系統面臨的問題雖然有所改變，卻并未得到根本性改變，土地生態系統承受的壓力依然很大。從土地生態安全分級標準中關于敏感級的說明來看，長期處于這個級別的土地生態系統，其結構和功能必然受到很大影響，需要針對突出問題制定相應的調控措施，才能對土地生態環境進行有效的保護和恢復，切實降低土地生態安全風險。

雖然在2006年出現小幅度下滑，但是整體而言是平穩上升趨勢，且在2012年達到了良好級。然而2013年土地生態安全綜合值急劇下滑，下降幅度達到20%，土地生態系統再次回到了敏感級，且得分還小于2011年。從自然-經濟-社會3個子系統安全綜合值的變化情況來看，是自然因素子系統和經濟因素子系統安全綜合值均出現了大幅度下滑，從而造成了這種局面。其中自然因素子系統的下滑幅度達到了35%，經濟因素子系統的下滑幅度也達到22%。由此可見，作為老牌工業城市，在工業發展的長期影響下，柳州市的自然環境相對較為脆弱，一旦有所疏忽就會產生嚴重的后果。隨著生態環境治理和保護投入的增加，社會經濟對生態環境的正向作用增強，當經濟發展出現下滑趨勢時，土地生態安全得不到保障，也隨之下降。

2.2 土地生態安全障礙因子分析

根據障礙度模型計算得到柳州市2004—2015年土地生態安全各評價指標的障礙度，從計算結果及柳州市的實際情況出發，以障礙度大于8%的標準將各年度的障礙因子按大小進行排序（表5），各障礙因子出現的頻率見表6。

2.2.1 時間維度 從表5可以看出，從時間維度來看，柳州市土地生態安全水平的障礙因子并不是靜態的，各年份出現的障礙因子及其障礙度、排序等均處于動態變化中。

對柳州市土地生態系統產生影響的障礙因素從2010年開始明顯減少，因此以2010年為界按時間分為2個階段。

第1個階段是2004—2009年，這段時期障礙度最高的指標是森林覆蓋率（C2），最高值達到了58.6%，其次是人均耕地面積（C1）和人均公共綠地面積（C6），其障礙度在不同年度排名第一。建成區綠化覆蓋率（C5）的出現頻率達到100%，酸雨頻率（C3）的出現頻率也達到了83.3%。也就是說，從整體而言在這個階段自然因素對土地生態系統造成的影響最大。但是這些障礙因子除酸雨頻率之外在2010年后就逐漸消失，也就是說，隨著環境保護意識的加強和環境保護制度的完善，柳州市整體生態環境都在好轉中，這些因素對土地生態環境的影響也就隨之而削弱。

第2個階段是2010—2015年，這段時期障礙度最高的指標是全社會固定資產投資增長率（C12），達到了80.6%。從原始數據來看，2013年全社會固定資產投資是下降的，也就是負增長，因此出現了障礙度的峰值，但從出現次數和頻率來看，這個指標并不能構成主要障礙因素。主要障礙因素包括第三產業產值比重（C8）和人口自然增長率（C16），這2個因子交替占據多個年份的障礙度第一，而單位耕地農藥施用量（C13）、單位耕地化肥施用量（C14）、人口密度（C15）、人均工業固體廢物產生量（C21）這幾個指標的障礙度雖然沒有那么高，但是出現頻率均達到了100.0%，同樣也是這一階段的主要影響因素。由此可見，這一階段社會經濟發展對柳州市土地生態安全的影響較大。

2.2.2 主要障礙因子 2004—2015年出現次數最多的障礙因子是單位耕地農藥施用量（C13）、單位耕地化肥施用量（C14），出現頻率都達到了100%，也就是每年都會對柳州市的土地生態安全產生影響?；屎娃r藥的施用雖然在短期內可以促進糧食增產，但是從長期來看將對土壤和水環境造成持續的污染，對區域土地生態系統的安全帶來威脅。盡管從數值來看，這2個指標落到每個年份的障礙度均不算太高，但是積少成多，這2個障礙因子對柳州市土地生態環境的影響不容忽視。

酸雨頻率（C3）指標雖然無論在障礙度數值還是障礙因子出現的次數和頻率上均不占據優勢，但是必須要看到其中的幾個問題：（1）2004—2008年，酸雨頻率的障礙度排序逐年上升;（2）酸雨頻率在2個階段均有出現，是自然因素子系統在第二階段出現的重要障礙因子;（3）2013年再次出現，結合2013年自然因素子系統出現綜合值嚴重下滑的情況，可以看出酸雨頻率指標在其中產生了重要的影響。說明酸雨仍然是柳州土地生態環境的重要影響因素。

2.2.3 其他障礙因子 其他障礙因子如人均GDP（C9）、農村居民人均純收入（C10）、城市化水平（C17）、農業機械化水平（C18）、人均工業廢水排放量（C19）雖然障礙度排序靠后，但是在2004—2009年期間的出現頻率均達到了100%，也是需要注意的影響因素。這4個指標對土地生態安全的影響主要體現在：（1）隨著城市化水平的加快，城市周邊土地迅速轉變成為城市建設用地，土地生態環境受到沖擊，土地生態安全也隨之受到影響;（2）經濟發展水平不斷提升，促進了農業投入的增加，農業現代化水平又對土地生態安全產生了正向作用;（3）工業城市發展經濟帶來的負面影響如工業“三廢”排放量增加將對土地生態系統造成破壞，從而影響土地生態安全水平。

3 結論與討論

鑒于土地生態安全的特性，本研究采用層次分析法和熵值法相結合的主客觀綜合賦權法，基于“自然-經濟-社會”模型構建土地生態安全評價體系，通過綜合指數法和障礙度模型，較好地解釋了區域土地生態安全狀態及對應的障礙因子。

2004—2015年期間柳州市土地生態安全水平有所提升，但土地生態安全綜合值整體偏低，土地生態系統面臨的問題并未得到根本性改變。從時間維度來看，2004—2009年間，自然因素對柳州市土地生態安全水平造成的影響最大，至2010—2015年間則轉變為以經濟、社會發展為主要影響因素。從單項指標來看，（1）單位耕地農藥施用量、單位耕地化肥施用量這2個指標正在對柳州市土地生態系統產生長久而持續的影響;（2）酸雨頻率是柳州市土地生態安全潛在的威脅;（3）人均GDP、農村居民人均純收入、城市化水平、農業機械化水平、人均工業廢水排放量也是需要注意的指標。整體而言，由于近年來環境保護意識的加強和環境保護制度的完善，柳州市整體生態環境都在好轉，自然因素對土地生態環境的影響相應地隨之而削弱，但人類社會經濟活動仍然是土地生態安全的主要影響因素。柳州市曾長期以發展工業為優先，在發展經濟過程中對自然環境造成的破壞較為嚴重，土地生態系統相對較為脆弱，一旦有所疏忽就會產生嚴重的后果。需要針對突出問題制定相應的調控措施，才能對土地生態環境進行有效的保護和恢復，切實降低土地生態安全風險。

土地生態安全評價具有相對性和針對性，不同的土地生態系統，應根據存在的土地生態問題選取不同的評價指標，如研究柳州市的土地生態系統必須關注酸雨頻率這一指標。但也正因為土地生態安全涉及的因素較多，其動態特性和長期趨勢難以評估，評價體系和評價方法還需要在實踐中進一步完善。

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