基于突變理論的沿海城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

王 杰，梁中華，楊文晶

(1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224002；2.遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116037；3.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215500)

1 引言

土地是全球發(fā)展和生態(tài)生存的基礎(chǔ)。土地生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域、國家和國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，土地生態(tài)安全關(guān)系到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[1-2]。當(dāng)前，隨著農(nóng)業(yè)的集約化、人口的增長、城市化和工業(yè)化的加劇，土地生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大的壓力，這些都阻礙了人類的可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)環(huán)境的惡化，使生態(tài)安全形勢成為社會(huì)不得不面對(duì)和試圖解決的最緊迫問題之一。為此，有必要制定準(zhǔn)確診斷土地生態(tài)系統(tǒng)狀況的方法和指標(biāo)，以促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)、管理和調(diào)控。土地生態(tài)安全評(píng)估是建立在對(duì)生存威脅進(jìn)行類比的基礎(chǔ)上的，基于這一思路，本文以鹽城市為例，結(jié)合PSR模型框架，提出了一種適合于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的突變模型。本研究旨在論證該方法，并對(duì)鹽城市2009年～2018年土地生態(tài)安全度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的要求。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究區(qū)域以及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

鹽城市(北緯32°34′～34°28′，東經(jīng)119°27′～120°54′)，位于中國東部黃海西岸，是江蘇省陸地面積最大(16972 km2)和海岸線最長的城市。第三產(chǎn)業(yè)投資占GDP的42.82%，而環(huán)境保護(hù)投資僅占3.19%。鹽城市土地生態(tài)系統(tǒng)由于對(duì)土地資源的持續(xù)、過度利用和開發(fā)，已經(jīng)成為一個(gè)高度緊張和功能失調(diào)的地區(qū)。鹽城市2009年～2018年GDP和生態(tài)足跡總量呈穩(wěn)步上升趨勢，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了更大的壓力。因此，迫切需要有方法和指標(biāo)來準(zhǔn)確診斷土地生態(tài)系統(tǒng)的狀況，促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)、管理和調(diào)控。

2.2 研究方法

(1)突變理論

突變理論的提出是為了合理地解釋給定系統(tǒng)中參數(shù)(輸入)的連續(xù)變化導(dǎo)致行為(輸出)的不連續(xù)變化現(xiàn)象。在這一節(jié)中，簡要討論了突變理論的基本假設(shè)和結(jié)果，其形式對(duì)此類應(yīng)用非常有用。

設(shè)：f=Tk×Tn；T為動(dòng)力系統(tǒng)的光滑(不可微)函數(shù)M；Tk為輸入變量(控制、參數(shù))的空間；Tn為輸出變量(響應(yīng)、行為)的空間。

基本假設(shè)是M試圖局部最小化f。給定任何這樣的函數(shù)f，如果點(diǎn)c∞Tk并且是固定的，則得到局部勢函數(shù)fc：Tn→T。因此，fc可以表示為：

V=V(x，u)

(1)

式中：V為勢函數(shù)；x為響應(yīng)變量；u為控制變量。

表1 突變模型描述

(2)PSR模型

PSR模型基于因果關(guān)系的概念，本文提出一套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。最初，制定了一套55個(gè)指數(shù)。隨后，從中選出28個(gè)指數(shù)，支持驗(yàn)證分析所需的共識(shí)。具有適當(dāng)研究領(lǐng)域技能的專家評(píng)估了與評(píng)估相關(guān)的28項(xiàng)指標(biāo)。在進(jìn)行主成分分析以降低數(shù)據(jù)維度后，共生成18個(gè)指標(biāo)。

由于不同的指標(biāo)在維度上完全不同而不具有可比性，因此有必要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無量綱形式。模型采用以下兩種形式。

①正效應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化：對(duì)于某些指標(biāo)，其值越高，對(duì)土地生態(tài)安全的積極影響越大，這意味著該類指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的風(fēng)險(xiǎn)較小。其標(biāo)準(zhǔn)化方法為：

(2)

②負(fù)效應(yīng)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化：對(duì)于其他指標(biāo)，其值越高，對(duì)土地生態(tài)安全的負(fù)面影響就越大，這意味著這類指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的風(fēng)險(xiǎn)就越大。它們的標(biāo)準(zhǔn)化方法是：

(3)

式中：Zij為本次評(píng)價(jià)中j指標(biāo)的i標(biāo)準(zhǔn)化值；xij為第i個(gè)實(shí)際值，max為該指標(biāo)的最大值；min為該指標(biāo)的最小值。

3 突變理論的應(yīng)用

災(zāi)變?cè)u(píng)估指標(biāo)體系可分為多層次子系統(tǒng)。如果較高層次的指標(biāo)(響應(yīng)變量)包含兩個(gè)較低層次的指標(biāo)(控制變量)，則可以假設(shè)為尖點(diǎn)系統(tǒng)。應(yīng)確定這兩個(gè)控制變量的相對(duì)重要性(u1，重要；u2，不重要)，然后可以使用符合規(guī)范化公式的遞歸算法從隸屬函數(shù)中獲得控制變量，鹽城市的災(zāi)變?cè)u(píng)估模型就是采用這種方法開發(fā)的。

3.1 分?jǐn)?shù)變換

災(zāi)變?cè)u(píng)估的綜合值普遍較高，差異不明顯。這可以歸因于這樣一個(gè)事實(shí)，即突變級(jí)數(shù)是根據(jù)歸一化公式計(jì)算的。因此，直接利用突變?cè)u(píng)估的結(jié)果很難確定實(shí)際的安全級(jí)別。通常，多屬性評(píng)估的綜合值使用相等分布函數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)。據(jù)此，土地生態(tài)安全等級(jí)可分為：0.2(非常不安全)、0.4(不安全)、0.6(中等)、0.8(安全)和1.0(非常安全)。問題是如何將突變?cè)u(píng)估的結(jié)果轉(zhuǎn)化為常用的綜合值。本文采用的評(píng)分變換方法是：假設(shè)所有指標(biāo)的相對(duì)隸屬度為n，則高層次指標(biāo)的相對(duì)隸屬度也應(yīng)為n，通過適當(dāng)?shù)耐蛔兡Ｐ涂梢缘玫骄C合隸屬度。通過這種方法，計(jì)算出每個(gè)安全等級(jí)的突變級(jí)數(shù)值(見表2)。

表2 不同安全等級(jí)下突變模型的結(jié)果與常用值的對(duì)應(yīng)值

3.2 結(jié)果分析

從生態(tài)壓力指數(shù)可以看出，土地生態(tài)安全水平在2010年和2014年被評(píng)估為安全，2009年、2011年、2012年和2013年處于中等水平，2015年和2016年不安全，2017年和2018年非常不安全。2010年的土地生態(tài)壓力指數(shù)最大值為0.932，2018年最小值為0.186。近十年來，鹽城市快速的城市化進(jìn)程，從2009年的32.6%上升到2018年的52.4%，伴隨著人口的增長，是當(dāng)前鹽城市土地生態(tài)問題的根本原因。隨著人口密度的增加和財(cái)富的增加，對(duì)公共基礎(chǔ)設(shè)施(道路、水利設(shè)施和公用事業(yè))、住房、工業(yè)和商業(yè)增長以及其他建設(shè)項(xiàng)目的需求開始呈現(xiàn)為“農(nóng)村蔓延”。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，城市化極大地促進(jìn)了鹽城市道路系統(tǒng)的規(guī)模化和擴(kuò)張。城市的巨大機(jī)遇也吸引了大量的人口涌入城市，這對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)造成了進(jìn)一步的壓力。

圖2 鹽城市2009年～2018年土地生態(tài)安全水平

至于“響應(yīng)指數(shù)”，安全級(jí)別在最初2年被評(píng)估為安全。然而，在接下來的幾年里，處于不安全和非常不安全的水平。雖然鹽城市投資了一批環(huán)保項(xiàng)目，科研人員的比例不斷提高，但工業(yè)污染問題并沒有得到有效解決。地方官員的績效評(píng)估主要與經(jīng)濟(jì)增長相關(guān)，除非嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害被公之于眾并引起關(guān)注，否則不將環(huán)境保護(hù)列為標(biāo)準(zhǔn)之一。

在研究的10年中，綜合土地生態(tài)安全在前2年被評(píng)估為非常安全，2011年～2016年為中期和不安全，最近2年為非常不安全。結(jié)果表明，鹽城市土地生態(tài)系統(tǒng)狀況不容樂觀，應(yīng)引起決策者和公眾的關(guān)注。當(dāng)前，耕地迅速減少，人均耕地?cái)?shù)量明顯減少，建設(shè)用地需求旺盛，土地資源與人口增長矛盾突出，土地利用逐年增加，土地資源過度開發(fā)，生態(tài)用地減少等嚴(yán)重問題，尤其是森林和自然保護(hù)區(qū)土地，對(duì)區(qū)域環(huán)境造成巨大壓力。

4 結(jié)語

2009年～2018年間，鹽城市土地生態(tài)系統(tǒng)總體上處于較低的生態(tài)安全等級(jí)。結(jié)果顯示了隨時(shí)間的變化導(dǎo)致目前的狀況，本文提出的方法可以用來預(yù)測和管理土地生態(tài)系統(tǒng)。值得注意的是，這一評(píng)估主要依賴于現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集，因此，評(píng)估的生態(tài)安全水平，無論是安全的還是不安全的，都是一個(gè)相對(duì)的概念。然而，盡管這種方法缺乏絕對(duì)的準(zhǔn)確性，但研究清楚地表明了土地生態(tài)系統(tǒng)狀況隨時(shí)間的變化。因此，本文所述的土地生態(tài)安全指數(shù)應(yīng)成為決策者和土地管理者制定加強(qiáng)土地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和促進(jìn)生態(tài)重建措施的有用工具。為更徹底地緩解這些問題，還應(yīng)考慮進(jìn)一步的政策選擇，包括控制人口增長和移民；保護(hù)濕地和林地；應(yīng)用科學(xué)發(fā)展觀；協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地利用；加強(qiáng)土地利用規(guī)劃的控制功能。