基于DPSIR模型的云南省土地生態安全評價

劉 嬌 張 超 孫曉莉 石青青 葛龍魁

（西南林業大學林學院，云南 昆明 650233）

土地生態安全的概念源于“生態安全”[1]，學術界至今未形成統一的定義。國內梁留科等[2]、崔峰[3]、謝俊奇等[4]學者認為由嚴超等[5]提出的土地生態安全概念具有代表性，即指在一定的時空范圍內，土地生態系統其結構與功能在受到外界干擾時，能夠通過自身的調節功能保持其處于不受威脅或少受威脅的穩定的動態平衡狀態，并能夠為保障人類社會經濟與農業可持續發展提供穩定、均衡、充裕的自然資源，從而維持土地自然、社會、經濟復合體長期的協調發展。

國外學者對生態安全的關注較早，自1941年Leopold[6]對土地功能評價中首次提出“土地健康”的概念后，生態系統與環境問題逐漸成為研究的熱點。美國環境學家Brown[7]于1977年提出“環境安全”，并將其納入“國家安全”范疇。20世紀80年代，生態安全概念得以發展，1987年世界環境與發展委員會（WCED）在《Our common future》[8]中，以“可持續發展”為目標，首次提出“生態安全”概念。在此基礎上，國際應用系統分析研究所（IASA）于1989年最先定義了生態安全，為土地生態安全的研究奠定了基礎[9]。20世紀90年代以來，圍繞生態安全定義展開的一系列研究中，國際經濟合作與發展組織（OECD）評價土地質量時提出“壓力-狀態-響應”（PSR）模型[10]，通過選取土地質量指標監測人類活動對土地資源造成的壓力，在人為影響下土地環境呈現的狀態，并結合相關政策和決策對壓力做出響應。隨后，歐洲環境署（EEA）提出“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”（DPSIR）模型[11-12]，被國內外諸多學者采用。國內對土地生態安全的研究起步較晚，目前仍處于探索階段[13]。研究尺度上主要以省、市、縣、鄉等行政區劃為單元[14]，研究時間點或時間段內的動態變化特征[15]；指標體系主要包括“自然-經濟-社會”模型[16]、PSR模型和DPSIR模型等。評價方法多借鑒生態安全研究方法，最為常用的是數學模型法[17]，包括綜合指數法、熵權物元法[18]；此外，還有BP人工神經網絡[19]、生態足跡法[20]等。土地生態安全評價是土地生態安全管理和建設的基礎，但目前還未形成完整的評價標準。有學者對云南省生態環境、生態系統[21]、耕地生態安全[22]等評價進行了相關探索，但土地生態安全評價的研究相對缺乏；以云南省為研究區進行土地生態安全評價，旨在探究云南省土地生態環境現狀及影響因素，進而促進土地資源可持續利用，推動生態文明排頭兵建設，同時為土地生態安全相關研究提供參考。

1 研究區概況

云南省土地總面積為39.41萬km2，居全國第8位。2018年共設置縣級行政區劃單位129個，其中29個為民族自治縣。云南屬山地高原地形，西北高、東南低，海拔高差懸殊；氣候類型豐富多樣，年溫差小，日溫差大；降水充沛，但在季節和地域上分配不均勻，干濕分明。云南東部屬于喀斯特山地石漠化生態脆弱區，土層薄，成土緩慢；西北部及東北部屬于西南山地農牧交錯生態脆弱區；西部及高原邊緣的山地、峽谷地區地形復雜、高差巨大；中部的滇中高原，是丘陵紅層高原，上層覆蓋紅色風化殼，是云南主要農業區。2017年，全省總人口4 800.5萬人，少數民族人口占全省人口27.2%，全省GDP達16 376.34億元，第一、第二、第三產業產值比為14∶38∶48，森林覆蓋率達59.7%。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

參考相關研究成果[23-24]，利用“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”（DPSIR）模型構建指標體系。該模型由歐洲環境署提出，可以同時評估社會經濟和環境參數，其評價機理是社會及經濟發展等驅動因素對環境施加壓力，導致環境系統狀態發生變化，而這些變化會對生態系統、人類健康和自然過程產生影響，并最終產生政治響應[25]。綜合考慮云南省土地生態安全的主要影響因素，遵循科學性、全面性、可操作性和區域性等原則，構建評價指標體系（表1）。各指標數據主要來源于云南統計年鑒（2001—2016年）、云南省16個地州（市）的統計年鑒（2001—2016年）、中國林業統計年鑒（2001—2016年）、云南省129個市縣（市、區）的年鑒（2001—2016年）、各地州（市）和縣（市、區）的國民經濟和社會發展統計公報等。

表 1 云南省土地生態安全評價指標與權重Table 1 Evaluation index and weight of land ecological security in Yunnan Province

目前，關于土地生態安全評價指標基準值的確定尚未有明確標準。從云南省土地生態環境特點出發，基準值的選取優先采取國家標準或國際標準，沒有國家標準或者國際標準的指標則參考世界平均值、國內公認值、全國平均值或全省平均值[26]，具體見表1。

2.2 指標計算

1）標準化處理。利用極差標準化方法，分正向指標和負向指標分別進行標準化處理[27]，以消除各指標間的量綱差異，使其具有可比性。

2）賦權。為了更為客觀、準確地計算各指標在土地生態安全評價體系中的重要程度，采用熵權法為各指標賦權[28]，結果見表1。

2.3 綜合評價模型

1）指標安全指數。采用標準位評分法[29]，分正指標和負指標分別計算土地生態安全指數。正向指標安全指數計算方法：當xij≥rj，sij=1；xij＜rj，sij=xij/rj；負向指標安全指數計算方法：當xij＞rj，sij=rj/xij；xij≤rj，sij=1。xij為 第i個 評 價 單元第j個指標的原始值；rj為第j指標基準值；sij為第i個評價單元第j個指標的生態安全指數。

2）綜合指數。以各指標的安全指數與對應指標權重的乘積之和作為評價區域土地生態安全的綜合指數[26]。生態安全值越大，表明區域土地生態安全狀況越好；反之，則越差。

3）評價等級。參考相關研究成果[15,27]，結合云南省實際情況，將土地生態安全評價標準劃分為不安全（0～0.4，等級為Ⅴ），臨界安全（0.4～0.6，等級為Ⅳ），較安全（0.6～0.8，等級為Ⅲ），安全（0.8～0.9，等級為Ⅱ），理想安全（0.9～1.0，等級為Ⅰ）等5種狀態。

2.4 土地生態安全動態度變化

土地生態安全動態度變化利用單一動態度和綜合動態度表示。單一土地利用動態度是定量描述區域在一定范圍內土地利用變化的速度和幅度[30]，利用單一土地利用類型的動態度來研究土地生態安全的動態度。單一土地生態安全動態度見式（1）：

式中：K為單一土地生態安全動態度；Za為起始年數值；Zb為終止年數值；T為監測年數。

綜合土地利用動態度是代表土地利用類型變化速率的區域差異性指標，描述人類活動對土地利用類型變化的綜合影響。借用綜合土地生態安全動態度表示云南省整體土地生態安全的總體變化速度，計算見式（2）：

式中：LC為綜合土地生態安全動態度；Zai、Zbi分別為研究起始年和終止年的第i個縣（區、市）的土地生態安全數值，T為研究年數，m為縣域數[30]。

3 結果與分析

3.1 土地生態安全綜合分析

3.1.1 土地生態安全時間變化分析

土地生態安全綜合值變化（表2），表示區域土地生態安全時間變化的主要特征。由表2可知，2000—2015年，云南省各縣域的土地生態安全綜合值整體上呈逐年增加的變化趨勢。2000年，各縣域的土地生態安全綜合值為0.457～0.840，最大值為西山區，最小值為魯甸縣。2003年，鎮雄縣的土地生態安全綜合值最小，為0.498，最大值為紅塔區的0.846。2006年，滄源縣土地生態安全綜合值為最小0.519，最大值為麒麟區0.887；2009年，各縣域的土地生態安全綜合值為0.622～0.925，2012年時為0.656～0.945。截止2015年，各縣域的土地生態安全綜合值為0.690～0.953，最大值為楚雄市，最小值為瀾滄縣。15年來，126個縣的土地生態安全綜合值增加，官渡區、西山區和紅塔區的減小。

表 2 云南省2000—2015年土地生態安全綜合值Table 2 Comprehensive value of land ecological security in Yunnan Province from 2000 to 2015

續表 2

期間，最大值與最小值所處區域不斷變化，最大值所處縣域變化的原因是驅動力和響應2個因素的變化，具體表現為城鎮化、經濟密度、人均GDP、農業機械化水平和當年造林面積等指標穩步提高，且相較其他區域增速較快。土地生態安全綜合值最小的縣域是少數民族人口比重大、耕地面積比重小，以及過量使用化肥的緣故。

3.1.2 土地生態安全綜合動態度

土地生態安全綜合動態度（圖1）表征云南省整體土地生態安全綜合值的年變化速率。由圖1可知，2000—2015年間，土地生態安全綜合動態度呈先增后減的變化趨勢。2000—2003年，全省土地生態安全綜合動態度為0.75，2003—2006年，上升為1.18，主要原因是狀態和影響2個變量的綜合動態度增加。2006—2009年，土地生態安全綜合動態度繼續上升，達到最大值1.53，主要原因是狀態和響應2個變量的綜合動態度提高，表明在人類經濟活動的影響下，壓力變量造成的土地生態安全問題突出。土地生態環境狀態和影響2個變量的變化速率迅速提高，主要表現為人均耕地面積增加、單位面積糧食產量提高、農民人均純收入增加以及農村恩格爾系數下降，這與2006—2009年云南省的實際情況相吻合。2009—2015年期間，土地生態安全綜合值的變化速率呈下降趨勢，2012—2015年急劇下降為0.60，表現為驅動力和影響2個變量的動態度下降。

圖 1 土地生態安全綜合動態度Fig. 1 Comprehensive dynamic degree of land ecological security

3.1.3 土地生態安全子系統分析

驅動力指數、壓力指數、狀態指數、影響指數和響應指數的單一動態度，表示DPSIR子系統的變化情況。

1）驅動力安全分析。2000—2015年，云南省129個縣（市、區）的驅動力單一動態度均為正值，表明各區域的驅動力指數每年均以一定速率增加，土地生態安全綜合值增加。盤龍區的驅動力指數由2000年的0.21提高到2015年0.25，為期間最小增長速率1.28%；最大增長速率為綏江縣42.79%。魯甸縣、巧家縣、鹽津縣、大關縣、永善縣、綏江縣、鎮雄縣等每年保持較高增速，分析其原因是區域的經濟密度、人均GDP和農業機械化水平在這15年期間迅速提高。

2）壓力安全分析。壓力單一動態度范圍為-2.22%～4.41%，2000年盤龍區的壓力指數為0.06，2015年為0.04，為期間的最大降低速率-2.22%；大關縣的壓力指數由2000年的0.05提高到2015年的0.09，達最大增長速率4.41%。壓力指數整體變化速率平緩，波動較小。負值表明區域土地生態環境壓力在減少，正值表示區域壓力增大。對土地生態安全壓力指數增加的83個縣（市、區）指標統計分析，人口密度和化肥施用量2個指標均遠超出土地生態安全閾值，是區域土地生態環境壓力增加的原因。

3）狀態安全分析。狀態單一動態度范圍為-1.80%～0.81%，芒市的動態度為-1.80%，為最大下降速率；最大增速為彝良縣0.81%。狀態指數整體變化速率較小。負值表示受壓力因素影響，區域土地生態安全狀況下降；正值表明壓力變量在土地生態安全承載范圍內，區域生態環境具有較好的自我修復和再生能力，狀態良好。110個縣（市、區）的狀態指數降低主要是受人均耕地面積減少，土地利用強度增大，耕地墾殖率和耕地復種指數上升的影響。

4）影響安全分析。土地生態影響指數反映土地生態系統狀況導致的結果，包括正向影響和負向影響[1]。影響單一動態度范圍為-2.17%～10.53%；晉寧縣影響指數由2000年0.22下降為2015年的0.15，為最大負影響速率-2.17%，負向影響速率都比較低；永善縣的正向影響速率為最大10.53%。對區域產生正向影響的103個縣（市、區）統計分析，單位面積糧食產量、農村居民年人均純收入和第二產業比重增大。綜上，土地生態安全處于良好狀態時，對人類來說益遠大于弊，提高土地的生產力的同時，也滿足人類對更多物質財富的需求。

5）響應安全分析。響應單一動態度范圍為-0.99%～7.19%，安寧縣的為最大減小速率-0.99%；貢山縣的響應指數由2000年的0.10提高到2015年的0.20，達最大增速7.19%。111個縣（市、區）的響應指數增加，是農村人均住房面積、水土協調度、第三產業比重和森林覆蓋等提高的緣故。

3.2 土地生態安全空間差異分析

利用云南省土地生態安全等級的縣域數量統計結果（圖2）與各時期土地生態安全空間分布結果分布（圖3），來分析云南省土地生態安全空間變化特征。

圖 2 2000—2015年云南縣（市、區）土地生態安全等級數量分布Fig. 2 Quantitative distribution of land ecological security levels in counties (cities, districts) of Yunnan from 2000 to 2015

圖 3 2000—2015年云南省土地生態安全等級空間分布Fig. 3 Spatial distribution of land ecological security grades in Yunnan Province from 2000 to 2015

2000年，滇東北，滇西北，滇西南邊界和滇東南邊界上所轄的41個縣（市、區）土地生態安全等級為臨界安全（Ⅳ）；滇中有81個縣域的為較安全（Ⅲ），昆明市所轄的官渡區、西山區、呈貢區、安寧縣以及昆明市周邊的麒麟區、紅塔區和大理市等7個縣域的土地生態安全等級為安全（Ⅱ）。2009年云南省129個縣（市、區）的土地生態安全等級均提高為較安全及以上等級，其中98個縣域的土地生態安全等級為較安全（Ⅲ）。2000—2009年，滇東北、滇西北、滇西南和滇東南邊界上土地生態安全等級為臨界安全（Ⅳ）的區域全部提高到較安全（Ⅲ）或安全（Ⅱ），安全（Ⅱ）的區域由昆明向四周擴展。這一變化與現代新昆明城市群、滇池經濟圈建設有關，即帶動宜良、嵩明、安寧、富民衛星城鎮建設，形成以昆明為中心，以玉溪、曲靖、楚雄為節點的城市群建設，同時，統籌兼顧縣域、邊界口岸與農業產業化、城鎮化建設。截止2015年，40個縣域的土地生態安全等級為較安全（Ⅲ），77個縣域的為安全（Ⅱ），12個縣域的為理想安全（Ⅰ）。

2000—2015年，云南省土地生態安全空間變化特征，2000—2009年，表現為滇東北，滇西北，滇西南和滇東南等區域的土地生態安全等級由Ⅳ級向Ⅲ級提高，2009—2015年，以昆明市為中心，帶動滇中城市群、地州市帶動周邊縣域發展，從滇中向四周穩步提高。

4 結論與討論

基于2000—2015年云南省129個縣（市、區）的統計數據和矢量數據，構建DPSIR模型，在數據標準化與賦權基礎上，計算各縣域的土地生態安全綜合值，通過分析得出結論如下：

1）2000—2015年云南省各縣域的土地生態安全綜合值整體上逐年提高，129個縣（市、區）的驅動力指數每年均以一定速率增加。驅動力指標是推動區域土地生態安全提高的因素。壓力單一動態度變化速率較小，人口密度和化肥施用量2個指標超出土地生態安全閾值，是區域土地生態安全壓力增大和區域狀態指數降低的原因。人類活動對云南省79.84%的區域產生正向影響，86%的區域響應指數增加。

2）2000—2015年，滇東北、滇西北、滇西南和滇東南邊界上土地生態安全等級為臨界安全（Ⅳ）的區域，全部提高到較安全（Ⅲ）或安全（Ⅱ），滇中大部分區域土地生態安全等級由較安全（Ⅲ）向安全（Ⅱ）發展，昆明周邊較少的區域向理想安全（Ⅰ）邁進。云南省土地生態安全呈現以昆明為中心，向曲靖、玉溪、紅河、楚雄、大理等中心城市發展，中心城市帶動地方縣域的發展，由滇東向滇西穩步推進。

李江蘇等[31]的研究表明，2006年祿勸縣各鄉鎮土地資源生態安全整體為敏感級（0.6，0.8），與本研究所得土地生態安全綜合值為0.664相一致；馬艷[32]的研究表明，2000—2009年大理州的土地資源生態安全狀態呈上升變化趨勢，大理市的土地資源生態安全狀況最好，云龍縣的最差，與本研究所得結果相一致。由此可知，本研究基于多期與土地有關的自然和經濟社會等數據，采用DPSIR模型構建指標體系，評價結果具有可靠性和有效性。土地是自然、經濟、社會的綜合體，對云南省土地生態安全進行評價，了解各縣域土地生態安全狀況的同時，得出區域土地生態安全的影響因素，如經濟密度、農業機械化水平、化肥負荷和當年造林面積等，可為區域人地資源協調發展、土地資源管理和可持續利用等提供理論及數據支撐。研究的不足之處：云南省縣域眾多，收集與土地生態安全相關的指標數據時，尤其普洱市、臨滄市、文山州等所轄的縣域其統計資料與積累的不夠全面，在選取指標過程中，去除了一些在土地生態安全研究中較為重要的指標，如石漠化的比例、區域水資源數量、萬元GDP能耗等指標。