基于PSR模型的城郊結合帶土地利用系統健康評價＊——以武漢市江夏區為例

■ 陳紅鳳 陳洪祥 李虎 楊成鋒

1.自然資源部城市國土資源監測與仿真重點實驗室 深圳 518040

2.三峽大學水利與環境學院 宜昌 443002

3.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院 武漢 430074

4.中國科學院生態環境研究中心環境水質學實驗室 北京 100085

0 引言

土地利用(Land-Using)是人類對土地自然屬性的利用方式和目的意圖，是一種動態過程，土地利用變化影響著眾多自然條件與生態系統的演變[1-4]。我國土地利用存在諸多問題，例如利用結構不合理、資源供給與經濟發展矛盾、生態環境惡化等。自19 世紀80年代以來，我國經濟、社會、文化等各方面的快速發展，使我國城鎮化水平不斷提高，城市圈逐漸擴大，農村圈逐漸縮小[5,6]。這一快速發展對這兩大圈的交接區域——城郊結合帶的土地利用產生著劇烈影響。城郊結合帶作為城市快速發展衍生出的一種新型區域，是城市與農村或是周圍郊區的過渡性地帶，該區既有城市土地利用特征又有農村的空間環境特征[7,8]。合理利用、開發和規劃城郊結合帶的土地資源，對城市和農村的協調、可持續發展具有重要作用。

目前，土地利用系統健康評價研究多關注自然生態系統、城市系統這類土地利用結構較簡單、脆弱的區域，很少關注城郊結合帶區域。例如李少帥等[9]對內蒙古河套灌區生態系統的健康評價研究；金宇宏等[10]以及張悅和宋戈[11]等學者構建了基于“壓力-狀態-響應”模型(PSR)的城市土地利用系統健康評價體系。城郊結合帶的土地利用系統不同于自然生態系統和城市區域，其影響因素更復雜，主要是需要考慮自然資源和人類活動的綜合作用對土地利用結構的影響。由于城郊結合帶既具有生態結構脆弱、土地利用方式變化快、人類活動劇烈等特點，以及社會功能地位次于城市和農村，導致其土地利用結構變化劇烈，其土地利用系統的健康狀況亟待深入了解。

隨著經濟、社會的快速發展，我國的城市化水平快速提高，城郊結合帶作為城市與農村的過渡性地帶，其土地利用變化往往是最迅速、矛盾最尖銳[12,13]，因此對城郊結合帶的土地進行健康評價，是掌握城市化發展對農用土地資源、環境可持續發展的基本特征、規律的基礎，為制定合理的土地利用制度等有重要意義。本文以武漢市的城郊結合帶——江夏區為研究區域。江夏區位于武漢城市化發展的邊緣地帶，在城市化快速發展與保護農業用地的沖突與矛盾下，江夏區的土地利用系統存在著發展經濟與保護生態、城市擴張與保護農用耕地等矛盾與問題。本文從土地利用的人地關系角度出發，基于城市土地利用系統健康評價體系的PSR 模型，改建了PSR 評價框架內的指標因子，從時空角度分析了江夏區土地利用系統健康狀況差異，探討了影響城郊結合帶土地利用系統健康狀況的主要障礙因素。

1 江夏區概況

武漢市地處我國中部，內陸地區的中心城市，且是唯一副省級城市；位于江漢平原東部，長江與漢江交匯處[14]。優越的地理位置，造就了武漢城區的快速發展。然而，經濟的迅速增長、人口的急速膨脹，周邊農村人口向城市圈的遷移，導致武漢城市圈向周邊區域急劇擴散，進而影響了武漢城區邊緣地區——城郊結合帶土地利用系統結構的健康發展。江夏區位于湖北省武漢市最南端，北與武漢主城區——洪山區相連，南與咸寧市咸安區、嘉魚縣接壤，東臨鄂州市、大冶市，西與蔡甸區、漢南區隔江相望。處于東經114°01′至114°35′、北緯29°58′至30°32′之間，南北長83.2 km，東西寬54.17 km，總面積約2018.3 km2。研究區地理位置如圖1 所示，本區地處武漢中心城區邊緣，城鄉兼備，是武漢市的新型城郊結合區。

圖1 江夏區地理位置示意圖

2 數據來源

土地利用系統健康評價指標數據主要涉及區域人類活動、社會發展水平土地利用結構和生態環境3 個方面，評價指標數據主要來源于武漢市、江夏區統計部門的相關統計資料(2009～2018年)。

3 評價指標與評價框架

PSR 模型，由壓力子系統(P)、狀態子系統(S)和響應子系統(R)構成，3個子系統相互制約、影響。P反映的是人類活動、社會經濟發展對土地利用結構的壓力;S反映的是土地利用系統對壓力系統的緩沖能力和抗干擾能力，即在人類活動、社會經濟發展產生的壓力之下，體現的土地集約利用水平與社會經濟效益的關系;R 是土地利用管理者、決策者根據土地利用結構面臨的壓力和土地資源集約利用現狀所作出的響應[10,11,15]。PSR 模型是在評價土地利用系統健康發展、土地利用結構可持續性基礎上，揭示人類活動和生態環境變化的因果關系[16]。因此根據PSR 模型在城市土地利用系統健康評價中的應用，該模型也可應用于城郊結合帶的土地利用系統健康評價中。根據城郊結合帶特點，指標因子的選取將根據區域內土地利用結構特征進行調整優化，使PSR 模型適用于人類活動劇烈、生態結構脆弱的城郊結合帶區域。但土地利用系統健康評價的內涵不變，即土地利用的3個子系統之間是良性循環、健康發展的，最終形成良好的“作用—反饋—作用”機制[11]。

3.1 評價指標體系

城郊結合帶的土地利用系統既具有城市土地利用系統和自然生態土地利用系統特征，又有其本身特性，是一個綜合土地利用、人類活動、自然、經濟、環境的復合系統。城郊結合帶受中心城區擴張的劇烈影響，其土地利用結構快速轉換、人-地關系不協調，自然生態系統變得更脆弱、土地結構矛盾激化，其土地利用結構較城市土地利用系統、自然生態土地利用系統更復雜。因此，城郊結合帶內土地利用系統健康評價指標因子選取，需要根據區內土地利用結構特征。

本文在構建城郊結合帶評價指標體系時，將在遵循土地利用系統一般規律上，結合城郊結合帶特有區域特征。江夏區地處武漢最南端，水域發達，水土流失嚴重、森林覆蓋率低，生態環境脆弱。為了客觀、全面地評價江夏區土地利用系統的健康狀況，本文采用人口壓力、經濟發展、人均收入等一般規律，結合植被覆蓋率、水土協調度等生態環境脆弱特征的方法構建江夏區土地利用系統指標體系。根據上述構建的原則和思路，評價指標體系結構和指標見表1，根據指標對土地利用系統健康的正、負影響，將指標性質定義為正效應和負效應指標。構建的土地利用系統健康評價指標體系用“綜合指數”來反映土地利用系統的好壞，“綜合指數”反映的是壓力、狀態和響應指數之間的協調關系[17]。

3.2 指標權重計算

土地利用系統健康評價的關鍵在于評價指標權重計算的合理性，指標原始數據量綱不一致，各指標之間無可比性，首先需將評價指標的原始數據進行無量綱化計算[11,18]。本文采用功效函數根據指標因子的正、負效應，根據公式(1)和(2)進行無量綱化計算[11]，并統一到[0，1]區間內:

式中，指標無量綱值Ui;指標初值Xi;指標初值的最大值ai(指標上限)；指標初值的最小值bi(指標下限)。

對評價指標因子進行無量綱計算后，采用信息熵值法計算評價指標在體系中的權重，公式(3～5)如下，計算的權重值見表1：

表1 江夏區土地利用系統健康評價指標體系及權重

式中，ej為信息熵，dj熵冗余度，Wj為指標權重；m 為評價年數；n 為指標個數；Uij表示第j項指標下，第i年份指標值的比例。各指標權重應滿足0≤Wj≤1，各指標權重之和為1。指標權重越大，表示該指標在土地利用系統中越重要；反之，則重要性越小。對土地利用系統的健康評價，正是對多項指標定量綜合評價的過程，指標數值的準確性影響健康評價結果。本研究采用的熵值法是一種客觀賦值法，其權重根據指標的變異程度大小確定，客觀性較強，不依賴人的主觀判斷。指標變異程度與信息熵值成反比，權重越大，熵值越小[19-21]。

4 土地利用系統健康綜合評價

PSR 模型中“壓力—狀態—響應”系統內部各子系統之間的相互協調關系反映了土地利用系統的健康程度，是研究區內土地利用的綜合呈現，土地利用健康評價體系中每個評價指標都從不同角度呈現了土地利用系統的健康狀況。基于二次綜合函數在城市土地利用系統健康評價中的成功應用[11,17]，本文將二次綜合函數用于城郊結合帶土地利用系統的健康指數評定:

式中,P 為城市土地利用系統健康綜合水平；w1、w2、w3分別為3 個子系統的權重；ri、rj、rk分別為各個子系統內單項因子的權重；Ui、Uj、Uk為各子系統內單項指標的量化值[11,17]。

5 障礙因素診斷

基于土地利用系統的健康水平，可進一步分析影響土地利用系統健康水平的主要影響因子，對其進行障礙因素診斷[20]。從單項因素對總目標的影響程度Vj(Wi*Wij)、單項指標與土地利用系統健康目標差距(指標偏離度)兩個方面計算障礙度[20,21]，計算公式下：

式中，zij表示指標偏離度；bj 表示第i年單項指標對土地利用系統的障礙度，Bj分類指標對土地利用系統總的障礙度，體現的是土地利用系統健康障礙診斷的目標和結果。

6 結果分析

6.1 綜合評價結果

根據公式(6、7)，計算出2009～2018年武漢市江夏區土地利用系統P、S、R這3個子系統的評價指數和綜合指數值如圖2。同時，基于土地利用系統的健康等級[16,17]，根據計算的綜合指數值對不同時間段的土地利用系統健康程度進行健康級別評價。由圖2 可知，江夏區2009～2018年的土地利用系統健康的綜合指數曲線在2009～2014年呈上升趨勢，在2014年之后呈下降趨勢，表明土地利用系統健康狀況是從2014年開始逐漸變差的。2009～2014年，系統綜合指數從0.27802 上升到0.45719，平均增長率達10.20%，表明城郊結合帶的土地利用系統健康狀況有所改善，土地利用結構朝良性發展；而2014～2018年，系統綜合指數下降明顯，平均減少率為15.54%。各子系統的評價指數變化趨勢與綜合指數一致，其中壓力指數下降趨勢明顯，由0.21946 下降到0.09053，遞減率為26.26%，說明土地利用系統壓力導致土地利用系統健康水平降低，人類對土地利用系統的干擾不斷加強(負向指標數值越小，生態壓力相對越大[22-24])，這與江夏區快速城鎮化相關。

圖2 2009～2018年武漢江夏區土地利用系統健康評價指數

根據土地利用系統健康分級判斷標準[16,17,20]，可判斷江夏區土地利用系統健康水平在2014年以前雖有所提升，但總體上仍處于“臨界狀態”到“不健康狀態”之間；2011～2014年，其健康水平逐漸好轉為“臨界狀態”；2014年以后，土地利用系統健康水平又降低為“不健康狀態”。以上土地利用健康評價結果與江夏區2009～2018年的經濟、社會發展，對土地利用結構造成影響的實際情況相吻合。根據《武漢市土地利用總體規劃(2006～2020 和2010～2020)》，在2010年以前武漢市的發展重心在中心城區，更注重中心經濟發展和城鎮化建設，從而對城郊結合帶的影響較小，在此期間內江夏區的土地利用系統受中心城區影響較小；2010年以后，中心城區的快速發展開始向城郊結合帶輻射，導致大量工業用地和建設用地增加，進而加劇了土地結構的不合理，因此江夏區的土地利用系統健康狀況在2014年以前有所改善，2014年以后開始下降。

6.2 障礙因子分析

根據障礙因素診斷方法[公式(7)]計算的2009、2013和2018年武漢江夏區土地利用系統健康障礙度結果，見表2。2009、2013 和2018年阻礙其健康水平提高的障礙因素主要在P 和S 兩個子系統。2009年，障礙度較低的指標因子主要有人口壓力、土地利用率、城鎮人均可支配收入、森林覆蓋率、水土協調度等；2013年是人口壓力、GDP 增長率、城鎮人均可支配收入、人均耕地面積、固定資產投資增長率、土地墾殖率等；2018年主要是城市化水平、基本農田保護率、人口壓力、人均耕地面積、固定資產投資增長率、地墾殖率等。2009～2018年，由于武漢中心城區的快速城鎮化發展帶動其周邊城郊結合帶的城鎮化進展加快，導致江夏區總人口數量增加、大部分農業人口向非農人口轉變、耕地面積減少，這些均加劇了江夏區的人口、耕地不足等壓力。此外，基本農田保護率、城鎮人均可支配收入、建設用地率、森林覆蓋率、水土協調度、環保投資強度等指標障礙度的下降，主要與江夏區的政策響應相關。根據《武漢市江夏區土地利用總體規劃（2010-2020年）》，其明確規定到2020年江夏區耕地保有量不低于77825 公頃，基本農田保護面積不低于60845 公頃，建設用地總規模控制在35498 公頃，新增建設用地控制在9845 公頃[25,26]。規劃還指出，江夏區要嚴守生態紅線，將加大水土保持力度。基于土地利用總體規劃，使得該區基本農田保護率、建設用地率、森林覆蓋率、水土協調度等指標的障礙度下降。

表2 2009、2013和2018年武漢江夏區土地利用系統健康障礙度因素排序

在計算單項指標障礙度基礎上，進一步計算了分類指標障礙度，結果見圖3。由圖3 可知，P 系統的障礙度持續上升，而S 系統和R 系統的障礙度持續下降。根據指標障礙度的數值可知，2013年之前S 系統的障礙度最大，其次是P 和R 系統；2013年開始，P 系統的障礙度升至最大，其次是S、R 系統。可見，提高土地利用系統健康水平必須著重于P 和S 系統的改善，同時注重加強R系統的改善。從各分類指標障礙度年變化率來看，2009～2018年P系統的障礙度的增速達到年均15.76%，S和R 系統的障礙度平均變化速率分別是-13.64%和-37.59%。基于此可判斷，2009～2018年期間，影響江夏區土地利用系統健康的是壓力系統中的指標因子。

圖3 2009～2018年各分類指標障礙度

7 結論與討論

2009年以來，江夏區土地利用系統健康水平總體呈先上升后下降趨勢，在2014年時土地利用健康水平達到最高，但其健康等級為“臨界狀態”。2009～2018年系統壓力的指標障礙度以年均15.76%的速度增加，系統狀態和響應的障礙度分別以年均13.64%和37.59%的速度下降。根據不同時段評價指標對系統的障礙度分析，影響江夏區土地利用系統健康的主要評價指標有人口壓力、城鎮人均可支配收入、人均耕地面積、土地墾殖率、森林覆蓋率、水土協調度、固定資產投資增長率等。根據以上結果，對于江夏區土地利用系統健康發展意見如下：

(1)提升江夏區土地利用系統健康水平的關鍵是改善系統壓力，其次則是系統狀態和響應的綜合水平提升。系統壓力主要體現在人類活動對土地資源的不合理開發利用，導致人地關系不協調。基于此，江夏區需要進一步轉變經濟發展方式，優化產業結構，降低經濟增長對生態環境的破壞和土地資源的過度消耗；提高耕地、基本農田保護率，降低建筑用地對土地資源的消耗，有效增加土地集約利用度，進而提升土地資源對經濟、生態協調發展的保障能力。

(2)根據江夏區土地利用系統健康評價和障礙度分析，系統響應指標對土地利用系統健康發展促進作用較低。土地利用管理者和決策者需要繼續增加環境保護投入，加大環境治理力度，提升生活污水、工業廢水處理率，降低土地墾殖率，保護水土資源，有效控制水土流失程度，進而持續改善江夏區土地利用系統的健康狀況。江夏區水產資源豐富，漁業較發達，漁業對該區水土資源消耗較大，政府需要加大對漁業的管控，保護該區水資源。

(3) 江夏區緊鄰武漢光谷高新開發區，其經濟發展除傳統農林牧漁業外，現代裝備制造、互聯網、電子、現代物流業等已成為其主導產業。受武漢中心城區影響較大，其生產總值快速發展，帶到了城鎮人均可支配收入、固定資產投資增長率；同時增加了人口流動，導致人均耕地面積、土地墾殖率等下降；另外現代產業的快速發展，必然導致該區建設用地增加，耕地面積、森林覆蓋率等的減少，以及現代產業對社會環境的壓力加大。政府管理部分需要在發展社會經濟的同時，提前做好土地利用規劃，合理分配土地資源，守住耕地紅線和基本農田保護率，減少土地資源的過渡消耗對環境、社會產生的負影響。