徐州市土地生態安全評價及預測

李文華，雍新琴

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

土地資源是人類物質生活的基礎，是萬物之源，人類的一切活動都依賴于此而實現[1]。近年來，我國經濟社會快速發展引發了許多土地生態安全問題，例如土壤污染﹑生物多樣性減少﹑水土流失等，這些問題破壞了土地的生態平衡性，給區域生態安全和可持續發展帶來了嚴峻的挑戰。土地生態安全是土地資源可持續利用的核心要素[2]，通過對土地生態安全進行評價和預測，可以客觀反映區域土地生態安全狀況，掌握其發展態勢，為土地資源的合理利用﹑保護和規劃提供參考依據。

當前國內外學者從多角度﹑多模型﹑多方法等方面在土地生態安全的研究上做了許多探索并取得不少研究成果。常見的土地生態安全評價模型有壓力-狀態-響應(PSR)模型[3]﹑CLUE-S 模型[4]和自然-經濟-社會模型[5]。評價方法主要包括主成分分析法[5]﹑綜合指數法[6]﹑TOPSIS 法[7]﹑BP 神經網絡方法[8]等。隨著科技的不斷發展，GIS 成為土地安全評價研究中至關重要的技術手段，為該研究作出不少貢獻。由于徐州市擁有多年的煤炭開采歷史，長期的開采活動導致大片土地被破壞，地面塌陷現象十分嚴重，這對徐州市的土地生態安全構成了一定的威脅。因此，對徐州市土地生態安全進行科學評價與預測具有重要意義。

本文從壓力﹑狀態和響應三個角度選取14 個指標構建評價體系，運用綜合賦權的方法確定指標權重，并對其進行加權求和，得到2012—2021 年徐州市土地生態安全狀況。最后，根據徐州市近10年的土地生態安全狀況，對其2025—2030 年土地生態安全進行擬合預測。

1 研究區概況

徐州市位于江蘇省西部，是華東地區經濟﹑科技﹑文化﹑金融﹑醫療﹑外貿等多個領域的重要樞紐，地形以平原為主，中東部有少量丘陵山區，氣候屬溫帶季風，該地區降水相對集中，四季分明。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究的數據來源于徐州市統計局官方網站公布的2013—2022 年《徐州市統計年鑒》，以及徐州市人民政府公布的數據等。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標體系構建

本文以PSR 模型為基礎，結合土地生態安全內涵與徐州市實際情況，在遵循科學性﹑可比性﹑可操作性等原則下，考慮社會﹑經濟﹑環境等方面對土地生態安全的影響程度，篩選出14 個指標（表1），構成了徐州市土地生態安全評價指標體系。

表1 徐州市土地生態安全評價指標體系

2.2.2 評價指標標準化

由于土地生態安全評價指標涉及社會﹑經濟﹑環境等多個方面，各類指標數據在正負性質﹑量綱性質上存在差異，因此將數據進行無量綱化。本研究通過極差標準化技術對數據進行處理。其中:

正向指標標準化公式:

負向指標標準化公式:

式中:Xij為各指標的真實數值，i=1…m，表示研究期數；j=1…n，代表評價指標；Xjmax﹑Xjmin為第j項指標的最大值和最小值。

2.2.3 評價指標權重的確定

由于主觀賦權法多依賴于專家經驗來決定各項指標的權重，具有主觀性，因此需結合客觀賦權法來保證賦權的準確性和科學性。本文采用AHP 法與熵權法結合的綜合賦權法，既能削弱層次分析法中的主觀因素對權重的影響，也能使熵權法賦權結果更具現實意義[9]。

2.2.3 .1 層次分析法

利用yaahp 軟件，將目標分解成各層次和要素，并依據研究經驗對各要素對目標的重要影響程度進行相對排序，從而得到各指標權重。第一步，先構建層次結構模型，將其分為目標層﹑中間層﹑指標層三層，即指標層由14 個指標構成，壓力﹑狀態﹑響應三部分構成中間層，目標層為徐州市土地生態安全；第二步，通過兩兩對比的方式，確定各要素對上一層次影響程度的大小，從而構成判斷矩陣；第三步，分別計算判斷矩陣最大特征根和特征向量，判斷其一致性檢驗是否合格，將歸一化后體征向量作為權重值；若不合格，則重新匹配構成矩陣直到一致性檢驗合格。

2.2.3 .2 熵權法

指標的信息熵﹑權重的具體計算見公式（3）~（4）:

2.2.3 .3 綜合賦權法

將以上兩種方法獲取的各指標權重進行平均加權求和，得到每個指標的綜合權重（表2）。

表2 各評價指標趨向性及權重

2.2.4 土地安全綜合指數

根據上述中各指標標準化處理數值﹑各指標權重，對各項指標進行加權求和，得到土地生態安全綜合指數，采用公式（6）進行計算:

式中:Qi為第i年的安全評價綜合值；Wj為第j項指標的權重值；Dj為第j項指標的標準化值。

2.2.5 土地生態安全等級劃分

依據徐州市土地安全綜合評價結果和區域實際情況，參考前人研究成果[10-13]，得到徐州市土地生態安全狀況判定等級（表3）。隨著綜合數值的增加，區域內土地生態安全情況呈現逐步好轉的態勢；相反，當綜合數值逐漸減少后，區域內的土地生態安全形勢則逐步惡化。

表3 土地生態安全等級劃分

2.2.6 灰色預測模型GM（1，1）

建模的第一步，對原始數據X（0）={x（0）（i），i=1，2，…，n}進行一次累加計算，得到以下累加序列:

將a、u導入時間序列，然后將求導得到還原式:

通過后驗差來檢驗精確度，通常C<0.65，即代表可以使用灰色預測模型:

式中:S1為原始數列x（0）（k）的均方差，S2為絕對殘差數列的均方差，為殘差均值，P為小誤差概率。

3 結果與分析

3.1 徐州市土地安全等級

根據綜合評價指數及等級劃分標準，得出徐州市2012—2021 年土地生態安全等級（表4）和土地生態安全狀況演變態勢（圖1）。

圖1 2012—2021 年徐州市土地生態安全指數

表4 2012—2021 年徐州市土地生態安全狀況

3.2 土地生態安全子系統結果分析

3.2.1 土地生態安全壓力系統分析

徐州市土地生態安全的壓力指數波動較小，整體呈上升趨勢。可以看出，壓力指數由2012 年的0.1858 下降至2014 年的0.1154，這主要是由于2012—2014 年單位耕地面積農用化肥用量從889.45 kg/hm2下降到868.42 kg/hm2，降幅為2.36%，在一定程度上減少了土地生態的壓力；到2015 年，指數由0.1154 上升到0.2029，隨著城市化率的提高會加劇土地生態的壓力；2015—2017 年壓力指數波動較小，土地生態壓力較穩定；2017—2019 年，壓力指數由0.2039 下降到0.1446，同樣由于單位耕地面積農用化肥用量從722.41 kg/hm2下降到651.82 kg/hm2，降幅為9.77%，降幅較大，減輕了土地生態壓力；到2021 年，指數由0.1446 上升到0.2157，由于人口密度和人口自然增長率的上漲，土地生態壓力逐漸加大。近10 年來，影響徐州市土地生態壓力指數下降的原因主要是耕地的化肥用量減少，壓力指數總體呈現上升趨勢是由于城市化率的不斷提升，2021 年較2012 年增幅18.4%，導致土地生態壓力的不斷增加。

3.2.2 土地生態安全狀態系統分析

徐州市土地生態安全狀態指數基本呈現較穩定的波動狀態，整體呈略微下降趨勢。狀態指數2012—2013 年由0.2675 下降到0.1781，主要是糧食單產下降4.25%；2013—2014 年狀態指數上升到0.3039，達到近10 年狀態指數峰值的原因是人均耕地面積增幅0.75%﹑建成區綠地覆蓋率由42.9%上升到43.3%﹑森林覆蓋率由32.1%提高到32.31%﹑糧食單產增幅3.54%；2014—2016 年狀態指數由0.3039 下降到0.2078，是由于森林覆蓋率降幅為14.26%，森林覆蓋率減少使得土地自我恢復能力變弱，一定程度上破壞了土地生態安全水平；2016—2021 年狀態指數波動幅度較小，均在0.2~0.3 之間，即2016—2021年徐州市土地生態安全狀態較穩定。狀態指數整體呈略微下降趨勢的主要原因是人均耕地面積的減少及森林覆蓋率的下降。為保證徐州市土地資源安全狀態良好，應持續加強對自然資源生態環境的保護力度，采用植樹造林﹑耕地保護等綜合措施，提升森林覆蓋率，有效增強土地水土保持和自我恢復能力。

3.2.3 土地生態安全響應系統分析

徐州市的土地生態安全響應指數由2012 年的0.0233 上升到2021 年的0.2258，整體呈上升趨勢。這是由于隨著經濟社會﹑城鎮化的不斷發展，徐州市2021 人均GDP 相較于2012 年漲幅91.2%，第三產業比例漲幅7.8%﹑農業機械化水平上漲25.2%﹑一般工業固體廢物綜合利用率上漲5.79%﹑污水處理率上漲21.56%。由此可見，徐州市政府關注生態環境保護以及改善民生等問題，及時對問題進行反饋與響應，各項指標均有提高。

3.2.4 土地生態安全綜合分析

徐州市2012—2021 年土地生態安全綜合指數由0.4766 上升到0.6683，安全等級從臨界安全到較安全，在很大程度上提高了區域土地生態安全。據表4 與圖1，2012—2013 年﹑2015—2016 年﹑2017—2018 年三個時期土地安全綜合指數出現下降趨勢，原因主要是在經濟快速發展的背景下，城鎮化不斷提高，以及人口密度﹑人口自然增長率加大，導致土地資源安全壓力加大，加重了土地負擔。自2018 年起，徐州市土地生態安全綜合指數呈現出穩步上升的態勢，由0.4683 上升到0.6683，主要原因是人口自然增長率從8.26%下降到1.25%，單位耕地面積農用化肥量下降27.6%。另外單位面積糧食產量﹑污水處理率﹑一般工業固體廢物綜合利用率﹑第三產業比例﹑農業機械化水平等指標均呈現上升趨勢，在很大程度上緩解了土地生態安全壓力，從而使得土地生態安全綜合指數不斷提高。在過去的10 年中，徐州市的土地生態安全狀況呈現出逐步提升的趨勢，但生態安全大多處于臨界安全級別，即部分土地生態環境被破壞，土地生態功能有退化，土地的生態恢復和重建較困難。2021 年安全等級達到較安全級，但要達到安全級別仍然任重道遠。

3.3 灰色模型GM（1，1）預測結果

通過建立灰色模型GM（1，1），對徐州市2025—2030 年土地生態安全狀況進行預測。對徐州市2012—2021 年原始數據進行處理得到的預測結果是:C=0.4852，P=0.7500。根據表5 可知，該模型精度等級合格，說明可利用該模型對土地生態安全狀況進行預測。預測結果顯示，2025—2030 年徐州市生態安全狀態不斷提升，預測值由0.7183 上升到0.8725（表6，圖2），狀態等級由較安全級過渡到安全級。

圖2 徐州市2012—2030 年土地生態安全狀況變化趨勢

表5 精度等級判定表

表6 土地生態安全預測結果

4 結論

（1）在研究期內，徐州市土地生態安全壓力指數由0.1858 上升到0.2157，整體呈波動上升趨勢，主要原因是城市化率的不斷提高，使得土地生態壓力與日俱增。

（2）在研究期內，徐州市土地生態安全狀態指數由0.2675 下降到0.2267，整體呈略微下降趨勢，這是由于人均耕地面積的不斷減少以及森林覆蓋率的降低，從而使土地資源生態安全產生負擔。

（3）在研究期內，徐州市土地生態安全響應指數由0.0233 上升到0.2258，整體呈顯著上升趨勢，這歸功于第三產業比例﹑污水處理率﹑人均GDP 等各項指標的提升，以及政府部門對生態保護﹑改善民生的重視。

（4）2012—2021 年，徐州市土地生態安全綜合數值由0.4766 上升到0.6683，整體呈曲折波動上升趨勢，土地安全狀態由“臨界安全級”轉變為“較安全級”。運用灰色模型GM（1，1）對2025—2030 年徐州市土地生態安全狀態進行預測，預測結果表明，未來徐州市土地生態安全綜合值將保持上升趨勢，土地生態安全綜合指數由2025 年的0.7183上升到2030 年的0.8725，土地生態安全狀態由“較安全級”上升到“安全等級”。

5 討論

（1）研究結果表明，徐州市2012—2021 年土地生態安全綜合指數呈波動上升趨勢，土地安全狀況由“臨界安全級”向“較安全級”過渡。其中，人口密度上漲﹑城市化率提高﹑森林覆蓋率下降﹑人均耕地面積減少等都在一定程度上影響了徐州市土地生態安全水平的提高。因此，為了不斷提升徐州市的土地資源生態水平，徐州市需采取針對性措施，包括保持合理的人口密度﹑保護耕地﹑科學修復土地﹑加強生態保護意識等，優化土地利用結構﹑維持區域生態系統穩定。

（2）根據對2025—2030 年徐州市土地生態安全水平進行預測可知，未來土地安全水平呈不斷上升趨勢，由“較安全級”轉變為“安全等級”，即土地生態安全狀況較好，生態功能基本完整，恢復與再生能力較強。要達到該理論預測值的目標，徐州市未來的工作重點應放在如何將土地生態安全水平提升至“安全等級”上，即在促進經濟發展﹑提高居民收入﹑改善民生的同時，應加大生態保護力度，進一步減少農用化肥用量，以及工業污染排放；利用先進科學技術，完善土地生態保護基礎設施，提高自我抵御﹑修復能力，更好地提升徐州市土地生態系統的穩定性。

（3）本文根據徐州市實際情況以及數據的可獲取性，選取14 個指標建立評價指標體系，指標設計的全面性和科學性還有待進一步檢驗；另外在數據時間的選取上，僅分析了近10 年的數據，若拓寬研究時長，可以更科學客觀地體現和預測徐州市土地生態安全狀況及其演變趨勢。