基于PSR模型的土地生态安全评价研究

蔡太义++马守臣++吕鹏++王锐

摘要：科学地做出土地生态安全评价对于协调土地利用环节资源压力和维护区域土地生态安全具有关键的指导意义。选取河南省焦作市为研究区域，基于“压力—状态—响应”（P-S-R）模型，以土地生态安全评价为目标层，建立土地生态安全压力、状态和响应3个子系统的23项评价指标，构建河南省焦作市土地生态安全评价的指标体系；运用熵权法和综合指数法对2001～2010年焦作市4区6县的土地生态安全状况进行评价分析，并选取2001、2004、2008和2010年作为评价基准年，对焦作市各区县土地生态安全空间差异进行研究。

关键词：土地生态安全评价；PSR；熵权法；焦作市

中图分类号：X826；F323.212 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）06-1460-05

Evaluation of Land Ecological Security in Jiaozuo City Based on the PSR Model

CAI Tai-yi，MA Shou-chen，L？譈 Peng，WANG Rui

（School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454100， Henan，China）

Abstract：It is of crucial significance to make scientific evaluation of the safety for land ecological security for the coordination of land use aspects of regional land resources pressure and the maintenance of regional land ecological security. Jiaozuo city in Henan province was used as the research area. Three Criteria Layers based on ‘pressure-state-response（P-S-R） which was selected as the target layer to ensure the land ecological safety evaluation. A total of 23 indicators was selected to construct the index system of land ecological security evaluation of Jiaozuo city. The entropy weight method and comprehensive index method were used to evaluate land ecological security of all the four districts and six counties in Jiaozuo city from 2001 to 2010. Taking 2001， 2004， 2008 and 2010 as the basic standard year， the land ecological security of all districts in Jiaozuo city was evaluated.

Key words： land ecological security； PSR； entropy weight； Jiaozuo city

土地是地表特定地段的自然环境要素与人类劳动凝结物所组成的自然—经济综合体。人们的实践活动始终离不开土地，这也是人们始终只能以土地作为其载体和源泉的一个重要的内在原因[1]。然而，随着城镇化的推进和经济快速发展，加剧了对土地资源的开发和利用，土地生态环境被破坏的程度越来越严重[2]。土地生态安全评价的重要内容就是使用一定的评价方法对一定区域的土地生态安全状态进行定性分析和定量评价。土地生态安全评价为科学地做出评价和衡量人类活动对土地的影响及其生态效应提供了一种行之有效的方法，为实现土地可持续利用提供了一条重要的途径[3-5]。

1 研究区概况

1.1 地理位置

焦作市位于河南省西北部，地理位置处于东经112°43′31″-113°38′35″，北纬34°49′55″-35°29′45″，辖区东西长120 km，南北宽77 km，总面积约4 071 km2。焦作市古称“山阳”，北依太行与山西接壤，南隔黄河与郑州相望，西临济源，东邻新乡，地处太行山脉与豫北平原的过渡地带。焦作市地形地貌成“北山、中川、南滩”特征，土地资源类型丰富，焦作市已开发利用的土地资源主要分为建设用地、耕地、林地、草地四大类，其中耕地面积比重为47.5%。

1.2 土地生态安全存在问题

河南省焦作市是传统的煤炭资源型城市，多年的粗放开采，造成煤矿主开采区域土地挖损、压占和塌陷，采矿活动对自然景观和人工景观造成严重破坏。焦作市城市化进程的加快，旅游业、交通业和高新技术产业等第三产业的快速发展，使得焦作市郊区的土地特别是高新技术开发区的土地利用方式，正在由传统的单一生活型向综合的城市型用地转变。焦作市是豫北地区主要的粮食生产区，拥有大量的土地资源，但是农业生产大量使用化肥、农药和农膜加速了对土地的污染；此外随着城市化的推进，城市在开发建设中占用和损毁土地数量巨大，加之没有对土地生态环境的良好保护，焦作市生态环境状况也日渐恶化，土地生态环境问题面临着严峻的考验，不仅给焦作市经济和社会发展造成了巨大的损失，而且直接威胁着土地生态安全。

2 数据来源与研究方法

2.1 资料来源

研究的资料大致来源于：焦作市统计年鉴（2001～2011），河南省统计年鉴（2001～2011），中国统计年鉴（2001～2011），中国农村统计年鉴，河南省土地利用现状数据集（2001～2011），全国土地利用调查报告。各种书籍、报纸、期刊论文、研究报告等和实地调查资料及从政府部门收集的相关规划文件。

2.2 构建土地生态安全评价指标体系

20世纪80年代末，国际经济合作和开发组织（OECD）与联合国环境规划署（UNEP）共同提出了反映可持续发展指标体系的概念框架——P-S-R模型，即压力（Pressure）-状态（State）-响应（Response）模型[6]。P-S-R框架模型目前已被科学界[7-9]广泛地承认和使用（图1）。基于前人研究成果及焦作市土地生态实际状况，本研究构建了焦作市土地生态安全评价指标体系，并赋予了各指标的权重（表1）。

PSR模型中的“压力”是指导致土地生态环境发生变化的人类活动和生活消费模式；“状态”反映因为人类活动造成的土地可持续发展中的系统状态；“响应”过程表明人类社会应当对土地环境的变化，在促进可持续发展进程中所采取的政策、建议和措施。PSR框架着重强调了环境压力的来源，这是模型框架中最关键的问题，因为造成环境压力的这些人类活动应当对环境的变化负责。因此，选取PSR框架模型构建土地生态安全评价模型能够较全面地反映所要表达的问题。

2.3 指标数据标准化

构建指标原始数据矩阵X={xij}m×n，系统内有m个待评价样本，n个待评价指标，则第i个评价样本的第j个指标值记为xij（i=1，2，3…，m；j=1，2，3…，n），然后对X进行标准化处理。

（xij）m×n=x11 x12 x13 … x1nx21 x22 x23 … x2n… … xij … …xm1 xm2 xm3 … xmn （1）

当评价指标为正指标时：

Pi=■ （2）

当评价指标为逆指标时：

Pi=■ （3）

式中，xi为某单一评价指标的实际数据值，xmax、xmin为2001～2010年内某一项指标在同一年内的最大值和最小值，Pi就是在无量纲化处理后原指标的实际评价值。假定评价指标经标准化后，其数值介于0～1之间[6，10]。

2.4 熵权法确定权重

使用各项指标标准化后的数据，则第j项指标的信息嫡Hj为：

Hj=-k■fijlnfij （4）

式中，常数k与系统的样本数m有关，一般定义k=1/lnm。当fij=0时，fijlnfij=0。

第j项指标的权重W为：

W=■ （5）

2.5 土地生态安全综合值的确定

本研究综合考虑各种方法的优缺点之后，采用综合指数法对土地生态安全的结果进行最终评定。根据评价指标与土地生态安全的相关性，可以分为正指标和逆指标，各单项指标生态安全值为：

①正指标安全值：Yi=1 Xi≤Si■×100% Xi>Si （6）

②逆指标安全值：Yi=1 Xi≥Si■×100% Xi

③单项指标安全值：I=Yi×Wi （8）

采用综合指数法计算土地生态安全综合值，其实质就是将单项指标通过指数和法进行综合求值的。

其模型公式为：V=■（Yi×Wi） （9）

式中，V为土地生态安全综合值，Yi为第i个指标的安全指数，Wi为第i个指标的权重，n为指标总数[6，11，12]。

3 焦作市各区县土地生态安全空间差异评价

根据构建的土地生态安全评价模型，从评价年2001～2010年中选取2001、2004、2008和2010年作为评价基准年份，对焦作市各县区的土地生态安全状态进行评价分析（图2）。2001～2010年期间，焦作市各区县的土地生态安全综合值趋向增高，土地生态安全状况逐渐提升趋于安全状态。

采用聚类分析的方法，对各区县的土地生态安全状态进行分析评价。根据各研究区域的城市性质、特殊地形地貌、经济情况和工矿业发展状况等因素，将10个县区分为4个类型区域，并依据PSR模型进行聚类分析研究。主城经济发达区的解放和山阳2区，主城工矿区的马村和中站2区，主要以低山丘陵为地貌的修武、博爱、沁阳3区，以及沿黄河流域平原县区的武陟县、温县和孟州市3区。

3.1 主城经济发达区

解放区和山阳区是焦作市的老城区，区内工商业密集发展，人地矛盾突出，加之城市化进程加快，经济高速发展，土地的利用率相当高，且未利用土地开发潜力有限。焦作市城区扩建使建设用地逐年增加的势头不减，致使这两个城区的土地生态压力很大，土地生态服务功能逐年衰退，土地生态环境受到一定程度的破坏，生态恢复与重建工程巨大且操作起来很困难。2001～2010年期间这两个区域的土地生态安全状况变化不大，生态安全值从2001年的0.401 7和0.419 8分别增至2010年的0.544 1和0.523 4（表2），土地生态安全一直处于较安全状态。

3.2 主城工矿区

以重工业和化工业为主的马村区和中站区，用地压力相对山阳区和解放区较低，由于工业经济的繁荣发展，土地污染、损坏和压占极为严重，也使得这两个区域的土地生态安全综合值较之其他区域最低。近些年由于工业经济繁荣发展，开始出现工业反哺农业的现象，农业科技投入的加大，使在农业生产中较少使用化肥和农膜，在一定程度上减少了化学物质对土地的污染，逐渐改良土地生态安全现状。土地生态安全值从2001年的0.387 0和0.332 2分别提高至2010年的0.449 1和0.437 4（表2），但是其区域生态安全状态仍处于临界安全状态，土地生态系统受到中度破坏，极易转变为土地生态危机，此区域应当特别加以保护。

3.3 低山丘陵区

2001～2010年期间，修武县、博爱县和沁阳市的土地生态安全综合值呈递增趋势，生态安全状态逐年变好。生态安全值从2001年的0.476 8、0.502 6和0.501 9分别升至2010年的0.614 6、0.544 8和0.611 4（表2）。这些县市是以农、林、果等特色用地为主，是焦作市的农副产品主要生产基地，近年来大力发展第三产业，其占GDP的比重得到了很大的提升，维护和改善土地生态安全的能力增强，土地生态安全响应值都大大提高。低山丘陵区拥有得天独厚的自然景观资源，逐渐兴起的生态观光旅游，不仅加快了区域内自然风景区生态环境治理，还促进了整个辖区的生态环境建设，对于土地生态安全状态的提高功不可没。

3.4 沿黄河流域平原区

2001～2010年期间，武陟县、温县和孟州市的土地生态安全综合值有一定程度的波动性，总体生态安全状态是逐渐提高。生态安全值从2001年的0.500 5、0.496 5和0.523 1分别提高到2010年的0.553 7、0.564 5和0.553 7（表2）。这3个辖区内有黄河流域经过，为黄河流经的区域提供了丰富的湿地景观，湿地具有涵养水源、保持水土和调节气候的优点；此外，退耕还林的政策颁布，政府和民众加大对黄河沿岸的林木种植，造林面积提升较大。这些因素使区域内的土地生态安全值相应较高，土地生态安全状态处于较安全状态，其生态系统可以处于较为稳定的状态并且系统内部可以自己调节，生态系统可以经受外界一定的扰动。

总之，2001～2010年焦作市整个区域内的土地生态安全状况普遍得到了改善，土地生态安全综合值基本都呈波动性的上升，从总体上看焦作市的土地生态安全状况正往好的方向发展。

4 结论

利用构建的土地生态安全评价模型，对2001～2010年焦作市管辖的4区6县的土地生态状况进行分别评价，得到焦作市10个县区的土地生态安全综合值，依据综合值得分的高低对各区县的土地生态安全状况进行排序。选取2001、2004、2008、2010年作为评价基准年份，运用土地生态安全评价模型，对焦作市各区县的土地生态安全状况，在时间上进行动态评价研究。在此基础上，计算焦作市各基准年的土地生态压力、状态、响应的得分及土地生态安全综合值，并对研究期时间序列内的评价结果进行分析。结果显示，焦作市土地生态安全状态呈普遍提升趋势，各区县土地生态安全状态有不同程度的改善。

从维护区域土地资源持续利用的生态安全的角度出发审视区域生态安全的价值，对焦作市辖区内土地生态安全状态进行分析研究，依据焦作市所处的生态安全态势做出切实可行的改良对策，并根据评价结果探索性地对焦作市进行区域生态建设，将为土地资源可持续利用和人地关系的协调发展，为区域的社会、经济与环境的可持续发展提供理论依据和方法基础。

参考文献：

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3.3 低山丘陵区

2001～2010年期间，修武县、博爱县和沁阳市的土地生态安全综合值呈递增趋势，生态安全状态逐年变好。生态安全值从2001年的0.476 8、0.502 6和0.501 9分别升至2010年的0.614 6、0.544 8和0.611 4（表2）。这些县市是以农、林、果等特色用地为主，是焦作市的农副产品主要生产基地，近年来大力发展第三产业，其占GDP的比重得到了很大的提升，维护和改善土地生态安全的能力增强，土地生态安全响应值都大大提高。低山丘陵区拥有得天独厚的自然景观资源，逐渐兴起的生态观光旅游，不仅加快了区域内自然风景区生态环境治理，还促进了整个辖区的生态环境建设，对于土地生态安全状态的提高功不可没。

3.4 沿黄河流域平原区

2001～2010年期间，武陟县、温县和孟州市的土地生态安全综合值有一定程度的波动性，总体生态安全状态是逐渐提高。生态安全值从2001年的0.500 5、0.496 5和0.523 1分别提高到2010年的0.553 7、0.564 5和0.553 7（表2）。这3个辖区内有黄河流域经过，为黄河流经的区域提供了丰富的湿地景观，湿地具有涵养水源、保持水土和调节气候的优点；此外，退耕还林的政策颁布，政府和民众加大对黄河沿岸的林木种植，造林面积提升较大。这些因素使区域内的土地生态安全值相应较高，土地生态安全状态处于较安全状态，其生态系统可以处于较为稳定的状态并且系统内部可以自己调节，生态系统可以经受外界一定的扰动。

总之，2001～2010年焦作市整个区域内的土地生态安全状况普遍得到了改善，土地生态安全综合值基本都呈波动性的上升，从总体上看焦作市的土地生态安全状况正往好的方向发展。

4 结论

利用构建的土地生态安全评价模型，对2001～2010年焦作市管辖的4区6县的土地生态状况进行分别评价，得到焦作市10个县区的土地生态安全综合值，依据综合值得分的高低对各区县的土地生态安全状况进行排序。选取2001、2004、2008、2010年作为评价基准年份，运用土地生态安全评价模型，对焦作市各区县的土地生态安全状况，在时间上进行动态评价研究。在此基础上，计算焦作市各基准年的土地生态压力、状态、响应的得分及土地生态安全综合值，并对研究期时间序列内的评价结果进行分析。结果显示，焦作市土地生态安全状态呈普遍提升趋势，各区县土地生态安全状态有不同程度的改善。

从维护区域土地资源持续利用的生态安全的角度出发审视区域生态安全的价值，对焦作市辖区内土地生态安全状态进行分析研究，依据焦作市所处的生态安全态势做出切实可行的改良对策，并根据评价结果探索性地对焦作市进行区域生态建设，将为土地资源可持续利用和人地关系的协调发展，为区域的社会、经济与环境的可持续发展提供理论依据和方法基础。

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[12] 高亚娟，雷国平.哈尔滨市土地生态安全评价[J].国土资源科技管理，2010，27（3）：44-48.

3.3 低山丘陵区

2001～2010年期间，修武县、博爱县和沁阳市的土地生态安全综合值呈递增趋势，生态安全状态逐年变好。生态安全值从2001年的0.476 8、0.502 6和0.501 9分别升至2010年的0.614 6、0.544 8和0.611 4（表2）。这些县市是以农、林、果等特色用地为主，是焦作市的农副产品主要生产基地，近年来大力发展第三产业，其占GDP的比重得到了很大的提升，维护和改善土地生态安全的能力增强，土地生态安全响应值都大大提高。低山丘陵区拥有得天独厚的自然景观资源，逐渐兴起的生态观光旅游，不仅加快了区域内自然风景区生态环境治理，还促进了整个辖区的生态环境建设，对于土地生态安全状态的提高功不可没。

3.4 沿黄河流域平原区

2001～2010年期间，武陟县、温县和孟州市的土地生态安全综合值有一定程度的波动性，总体生态安全状态是逐渐提高。生态安全值从2001年的0.500 5、0.496 5和0.523 1分别提高到2010年的0.553 7、0.564 5和0.553 7（表2）。这3个辖区内有黄河流域经过，为黄河流经的区域提供了丰富的湿地景观，湿地具有涵养水源、保持水土和调节气候的优点；此外，退耕还林的政策颁布，政府和民众加大对黄河沿岸的林木种植，造林面积提升较大。这些因素使区域内的土地生态安全值相应较高，土地生态安全状态处于较安全状态，其生态系统可以处于较为稳定的状态并且系统内部可以自己调节，生态系统可以经受外界一定的扰动。

总之，2001～2010年焦作市整个区域内的土地生态安全状况普遍得到了改善，土地生态安全综合值基本都呈波动性的上升，从总体上看焦作市的土地生态安全状况正往好的方向发展。

4 结论

利用构建的土地生态安全评价模型，对2001～2010年焦作市管辖的4区6县的土地生态状况进行分别评价，得到焦作市10个县区的土地生态安全综合值，依据综合值得分的高低对各区县的土地生态安全状况进行排序。选取2001、2004、2008、2010年作为评价基准年份，运用土地生态安全评价模型，对焦作市各区县的土地生态安全状况，在时间上进行动态评价研究。在此基础上，计算焦作市各基准年的土地生态压力、状态、响应的得分及土地生态安全综合值，并对研究期时间序列内的评价结果进行分析。结果显示，焦作市土地生态安全状态呈普遍提升趋势，各区县土地生态安全状态有不同程度的改善。

从维护区域土地资源持续利用的生态安全的角度出发审视区域生态安全的价值，对焦作市辖区内土地生态安全状态进行分析研究，依据焦作市所处的生态安全态势做出切实可行的改良对策，并根据评价结果探索性地对焦作市进行区域生态建设，将为土地资源可持续利用和人地关系的协调发展，为区域的社会、经济与环境的可持续发展提供理论依据和方法基础。

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