湖南生态环境脆弱区土地生态安全评价

姚罗兰， 帅 红 ， 李魁明

(湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙410081)

20世纪80年代以来，伴随经济的快速发展，生态环境的恶化日趋严重，生态安全形势日益严峻，生态安全正在成为各学科研究的热点问题. 目前，国内外有关生态安全的研究在理论探讨和实际应用方面均已展开，国内对生态安全的研究是从20世纪90年代起步，到20世纪90年代后期才逐渐为人们所重视，尤其是近年来已成为科学界和大众讨论的热点问题，有关生态安全评价的研究也逐渐增多，并取得了较大进展，主要集中在土地生态安全［1］、水生态安全［2］、城市生态安全［3］、流域生态安全［4］等方面.在评价方法上，涉及计算机科学、景观学、数学等众多学科领域，采用了包括数学模型、景观生态学模型、生态模型等在内的多种模型，评价方法不断丰富. 数学模型方面，综合指数评价法运用最广泛［5，6］;此外，物元模型法［7，8］、模糊综合评判法［9，10］、主成分分析法［11，12］、层次分析法［13，14］、熵权法［15，16］、人工神经网络法［17，18］、投影寻踪法［19］、模糊集对分析法［20］等方法均有运用.景观生态学模型方面，以景观生态安全格局法［21］为主. 生态模型方面，主要运用生态足迹模型开展研究［22，23］;同时，随着近年“3S”技术的发展，基于“3S”技术的生态安全评价方法也逐步发展起来［24，25］.由于区域差异及侧重点不同，评价指标的选取及权重值赋予存在差异.近年来，一种新的评估方法——突变级数法开始被应用于生态安全评价，这种基于突变理论的多准则评价方法计算简单，不需要确定指标权重，有效地减少了人为的主观影响.

湘西州位于武陵山区，历史上，该区域生态环境保护良好，充分发挥了调节气候、保持水土等功能.近年来的开发建设，使森林资源遭到一定程度的破坏，导致森林水土保持能力削弱，自然灾害频繁，水土流失现象严重. 为湖南省典型的生态环境脆弱区.但一直以来对湘西州土地生态安全的研究较少，为此，以湘西州为例，分析湘西州土地生态安全现状，探讨影响湘西州土地生态安全的主要因子，以期为完善湖南生态环境脆弱区生态系统功能提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湘西州位于湖南省西北部，地理坐标为东经109°10' ～110°22.5'，北纬27°44.5' ～29°38'. 武陵山脉自西向东蜿蜒境内，系云贵高原东缘武陵山脉东北部，西骑云贵高原，北邻鄂西山地，东南以雪峰山为屏.地势由西北向东南倾斜;属亚热带季风湿润气候，具有明显的大陆性气候特征. 辖吉首市和花垣、保靖、永顺、龙山、泸溪、凤凰、古丈7个县，是湖南省进入国家“西部大开发”的唯一地区.

1.2 研究方法

1.2.1 建立多层次递阶结构模型

对评价总目标(即湘西州土地生态安全格局综合评价)由评价总指标到下层指标逐层进行多层次分主次的矛盾分解，并排列成树状层次结构. 其中上层指标一般比较抽象、难于直接量化，下层指标则可直接量化，这样原始数据只需知道最下层评价因子的数据，进而对上层指标进行计算. 评价指标确定后，通过因子分析法，得出各指标的重要性程度，根据各指标的重要性，在同一属性、同一层次的指标中，重要程度相对大的指标放在前面，相对次要的指标放在后面. 突变模型的状态变量的控制变量数一般不超过4个，故而各层单指标的下层指标也应不超过4个，当大于4个时，可采取主成分分析法等方法对其进行因子优选.

1.2.2 确立各层次的突变模型

当状态变量为1 时，多目标决策所涉及的初等突变模型主要有4 种，如表1.表中G(x)为状态变量x 的势函数，a，b，c，d 为x 的控制变量，主要控制变量写在前面，次要控制变量写在后面.由表1 可知，当一个指标可以分解为1，2，3，4个子指标时，该模型可分别视为折叠突变、尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变模型.

表1 突变模型Tab.1 Mutation model

1.2.3 构造归一化综合评价模型

通过分歧方程可以导出归一化公式，运用归一化公式，可求出表征土地生态系统状态特征的系统总突变隶属函数值，上述4 种突变模型的归一化公式为:

折叠突变归一化

尖点突变归一化

燕尾突变归一化

蝴蝶突变归一化

2 评价模型的构建

2.1 评价指标体系的建立

选取了应用较为广泛的P-S-R 框架来构建指标体系，指标体系的建立依据科学性、代表性、综合性、简明性、可操作性、适用性、区域性的原则. 据此提出了土地生态安全评价指标体系包括3个项目层，17个指标层. 利用SPSS 完成因子分析的操作，筛除重复的、次要的指标，确定了最终的评价指标体系3个目标层和12个指标层，见表2.

表2 突变指标体系Tab.2 Index system of mutations

2.2 数据来源及指标预处理

原始数据来源于2013年《湖南省统计年鉴》、《湖南省农村统计年鉴》、《湘西统计年鉴》及同期各县市的统计公报.通过原始指标复合计算得出构建指标，如人均耕地面积=耕地面积/总人口，城镇化率 = 非农业人口/总人口，单位面积化肥施用量=化肥施用量/耕地面积.

由于原始数据的取值范围和度量单位各不相同，各数据之间不能进行比较. 因此在使用归一化公式之前，要把各指标数据转化为［0，1］范围内的无量纲可比较数值.本文采用标准化公式为:

对于正向指标(数值越大越安全的指标):

对于负向指标(数值越小越安全的指标):

其中，i =1，2……，m(m 为指标数);j =1，2……，n(n 为指标数)

2.3 评价模型的建立

依据确定的突变指标体系，构建湘西州土地生态安全突变评价模型，该模型包括2 级，第一级为求解因素层B1-B3的值而构造的三个突变模型，其中B1-B3为状态变量，C1-C12为控制变量;第二级为求解目标层A 的值而构造的突变模型，A 为状态变量，B1-B3为控制变量.在此基础上，运用各突变模型的归一化公式，求得湘西州生态安全评价结构.

图1 湘西州土地生态安全格局分析突变模型Fig.1 Mutation model of land ecological security pattern analysis of xiangxi

2.4 评价标准

按等分的原理，参考相关学者有关研究思路，将湘西州土地生态安全评判等级分为5 等，在指标给定的前提下分别设各指标层的相对隶属度为0.2，0.4，0.6，0.8，进而根据相应的突变模型计算得目标层及各因素的综合评价标准(表3).

表3 生态安全等级评价标准Tab.3 Evaluation standard of ecological security

3 结果分析与对策建议

3.1 土地生态安全指数的计算

以吉首市为例，说明各层指标的计算过程为

C1、C2、C3、C4成蝴蝶突变模型，按照互补原则:XB1、XB2、XB3构成燕尾突变模型，按取小原则:

重复以上步骤，利用相同数据处理方法和程序，得到湘西州各县市土地生态安全综合总成分得分(表4).

表4 各县市土地生态安全指数Tab.4 Various counties city land ecological security index

3.2 土地生态安全整体格局及分析

图2 湘西州土地生态安全整体状况突变级数法计算结果Fig.2 Calculations of overall land ecological security situation in Xiangxi based on catastrophe progression method

分析图2 可知，整体上，湖南省土地生态安全程度不高，2013年突变级数全部处于0.8 ～0.9 之间，全州缺乏处于较安全和安全状态的县市，大部分县市均处于较不安全或临界安全状态. 这与近年湘西州社会经济快速发展、城市化和工业化迅速扩张有很大联系，城市化与工业化的发展，致使全州土地生态维护与建设力度虽在加大，但仍面临很大压力.

从各县市的实际来看，吉首市和凤凰县处于较不安全状态. 吉首市作为湘西州首府，社会经济发展水平及城市化水平均处于全州首位，人口密度大，建设用地扩张迅速，人均耕地面积较少，从而对土地生态产生重大压力，致使其处于不安全状态.凤凰县作为湖南乃至全国重要的旅游目的地，凤凰县的经济基础和技术水平相对落后，人民环境保护意识不足，只考虑当前的经济利益，只重开发不重保护，盲目而粗放地开发旅游资源，对原本脆弱的生态环境遭受到严重地破坏，使当地土地生态安全面临巨大压力.

泸溪县、花垣县、保靖县、古丈县、永顺县、龙山县处于临界安全状态. 泸溪县单位播种耕地粮食产量、水土协调度、城镇化率等指标在全州均处于较高水平，但人均耕地面积、第三产业比重均不高，致使其整体上处于临界安全状态.花垣县是2011年全国坡耕地水土流失综合治理试点县，是全州水土流失最严重的地区，土地修复与恢复能力差，整体上其土地生态仍处于临界安全状态. 保靖县是国家级贫困县，农业经济比重高，对自然生态的依附度高，土地生态环境脆弱，且社会经济发展水平有限，第三产业比重、固定资产投资均不高，响应机制发展不完善，致使其整体上也处于临界安全状态. 古丈县尽管在单位面积化肥施用量、有效灌溉面积比重、固定资产所占比例等方面处于较高水平，但农民人均纯收入、水土协调度较低，致使土地生态安全级别不高，处于临界水平. 永顺县城镇化率不高而人口自然增长率较高，人均GDP 及农民人均纯收入较低，这些社会经济因素导致土地生态安全不高.龙山县近几年随着开发建设力度的加快，其环境污染和生态破坏的趋势更加迅猛. 龙山县具有粗放型的工业，滞后的农业，土地生态安全各项指标均处于湘西州中等水平，总的生态安全级别处于临界安全状态.

3.3 土地生态安全各因素的安全格局及分析

从图3 可知，湘西州土地生态安全压力因素的安全状况要劣于状态因素和响应因素，这表明压力因素是影响湘西州土地生态安全的主要因素. 湘西州地处武夷山区，生态环境极其脆弱，近年来的开发建设，导致其土地安全面临巨大的压力.

图3 湘西州土地生态安全各因素安全状况Fig.3 Security situation of various factors of land ecological security in Xiangxi

压力因素中，吉首市和凤凰县土地生态安全级别最低，处于较不安全状态，这是因为吉首市为首府，人口密集，对土地生态安全的压力大，而凤凰县因为其大量的旅游人口造成土地生态安全巨大压力.响应因素中，各县市基本都处于临界安全和较安全状态，只有凤凰县处于较不安全状态，这主要是因为旅游开发所致. 响应因素中，均处于大于临界安全状态，其中吉首市处于安全状态，这与其作为湘西州首府不无关系.

3.4 对策建议

针对目前湘西州土地生态安全现状及存在的问题，结合生态安全评价结果，建议从以下方面来维护该区域土地资源的生态安全.

(1)加强湘西州耕地资源的保护，湘西州为山区，森林资源丰富，耕地资源较为缺乏，应注重开发与保护并重. 加大土地整理的力度，可实行土地流转等政策，使有限的耕地资源能够可持续利用，进而缓解日益突出的人地矛盾;(2)改善土地生态环境，推广农作物病虫绿色防控技术，推广高效、低毒的农药品种和先进植保机械，提高农药科学使用水平.示范推广农药减量控害技术，建立农药减量控害示范区.调整肥料结构，推进有机肥综合利用，推广微生物肥料和垃圾堆肥，教育和引导农民提高化肥施用技术水平;(3)合理控制人口增长，减低人口密度，缓解人地矛盾. 人口数量的增加将会造成人均耕地面积的减少，进而会给当地土地生产力带来巨大的压力，造成土地生态环境的破坏;(4)在发展经济的同时加大对土地资源的保护力度. 对土地生态安全建设加大财政投入力度，建立生态补偿机制;(5)提高群众环保意识，使生态安全保护意识深入人心.通过媒体宣传、册子发放、专家授课等多种形式让广大的人民群众都积极参与到保护湘西州生态环境的工作中来，充分发挥公众的监督作用.

4 结论与讨论

(1)对于土地生态系统这一复杂的系统，突变级数法不需要确定指标权重，有效地减少了人为的主观影响，计算过程比较简单方便，是区域土地生态安全评价的一种合理易行的方法.

(2)位于生态环境脆弱区的湘西州土地生态安全总体水平不容乐观，全州缺乏处于较安全和安全状态的县市，大部分县市均处于较不安全或临界安全状态.其中，吉首市和凤凰县处于较不安全状态;泸溪县、花垣县、保靖县、古丈县、永顺县、龙山县处于临界安全状态.

(3)目前越来越多的学者将突变级数法应用于土地生态安全评价，但指标选取，标准确定不尽相同，还有待深入探讨.

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