基于TOPSIS方法的土地生态安全评价

汪雨琴　余敦　刘庆芳

摘要：在寻求经济最大化的同时，对土地、资源、生态、环境等进行保护以使社会经济处在可持续发展的状态，而对土地生态安全进行评价并为其提供基础数据和研究方向。运用专家咨询法和压力—状态—响应模型构建评价指标体系，结合层次分析法和熵权法確定指标权重，使用逼近理想点排序法对2004—2012年间神农架林区及其压力-状态-响应等3个子系统的土地生态安全状况进行研究与分析。结果显示，神农架林区的土地生态状态在2004—2008年呈波动下降趋势，2008—2012年呈上升趋势。就各子系统而言，压力层于2004—2008年急剧下降，2008—2012年回升，状态层呈“W”形，2007年达到顶峰，2006年和2008年为谷底；响应层波动上升。影响评价结果的指标因素主要有单位面积化肥施用量、第一产业增长速度、人均GDP、城市生活污水处理率、工业污染治理项目投资额等。通过对神农架林区的土地生态安全进行评价和研究，可为神农架林区的平衡持续发展提供理论参考。

关键词：TOPSIS方法；土地生态安全评价；压力层；层次分析法；熵权法；神农架林区；生态文明建设

中图分类号： X821 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0285-04

收稿日期：2016-08-10

基金项目：国家自然科学基金（编号：41561107）；江西省自然科学基金（编号：20151BAB203039）；江西省教育厅科技项目（编号：GJJ13263）；江西农业大学科学研究基金自由申请项目。

作者简介：汪雨琴（1995—），女，江西乐平人，硕士研究生，主要从事土地资源管理研究。E-mail：1768815643@qq.com。

通信作者：余 敦，博士，副教授，主要从事土地资源管理研究。E-mail：jxauyd@163.com。 土地生态安全评价研究是土地资源管理和区域可持续发展的一项重要研究课题，是生态安全的重要组成部分[1]。充分且集约节约的利用资源会带来经济效益，而与此同时若造成对资源的过度利用以及对环境的过度破坏则会导致经济发展的不可持续性[2]。因此，在保证经济、资源和环境可持续发展条件下寻求资源的最大化利用以及维持环境破坏度在其自我修复限制值内具有十分重要的研究意义。通过土地生态安全评价，能够相对科学全面地评价人类活动对土地生态安全的影响，从而更好地推动生态文明建设[3]。有许多学者以不同区域为例，运用不同的模型和方法对此进行评价与研究。叶达等运用正态云模型以宁夏孙家滩国家农业科技园区为例对半干旱区农业开发进行评价[4]；毕安平等运用压力-状态-响应（pressure-state-response，PSR） 模型对朱溪河流域的生态经济系统进行研究[5]；刘小波等基于改进的SPA方法对四川省乐山市进行研究[6]；荣慧芳等基于熵权物元模型以皖江城市带研究区域展开了研究[7]；肖玲等基于生态压力指数以江西省为对象进行研究[8]；罗文斌等运用物元分析法以浙江省杭州市为例进行了评价和分析[9]。在上述研究的基础上，本试验采用逼近理想点排序法（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）对湖北省神农架林区进行土地生态安全评价研究。神农架林区于1970年建制，属湖北省管辖，境内森林覆盖率超过85%，是著名的旅游景区，面临着经济发展和生态环境保护的矛盾和压力[10]。TOPSIS是多属性决策的一种方法[11]，通过各年份与正理想解（各年份中最理想的目标值）和负理想解（各年份中最不理想的目标值）的距离来计算土地生态安全状况值。本研究选取了单位面积化肥施用量、城镇化水平、人口密度等17个指标，通过PSR方法和指标数据可获取性构建了指标体系，对神农架林区的土地生态安全进行评价，以期为神农架林区的生态文明建设提供有益参考。

1 研究区概况与数据来源

神农架坐落在湖北省西部，辖5镇3乡，地跨31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E，总面积3 253 km2，其中林地占85%以上，近几年森林覆盖率甚至超过90%。2014年户籍人口为79 248人，男女性别比为114.4 ∶100，城镇化率为4735%，地区生产总值为20.24亿元，其中第三产业 10.18 亿元，占比达50.3%，旅游发展、生态保护、民生保障是当地面临的3项重点工作。本研究所涉及的数据来源于2004—2012年的神农架林区统计年鉴，指标可分为原始指标和计算指标。原始指标如森林覆盖率等直接由查阅统计年鉴获得，计算指标如第三产业比重[12]等由统计年鉴中的指标计算得出。

2 研究方法

2.1 PSR模型法

PSR模型法是目前比较主流的构建评价指标体系的方法之一，该指标相对更偏向于人类活动和社会经济的影响[13]。最初由加拿大统计学家提出，后由OECD（经济合作与发展组织）和UNEP（联合国环境规划署）[14-15]用于研究环境问题。该模型的系统、灵活和可操作性使得其在生态环境评价研究中被普遍应用[12]。

2.2 Yaahp软件层次分析法

层次分析法由美国运筹学家Saaty所提出[16]，是一种偏主观的赋权方法，其原理是：先把问题按照相互包含的关系建立几个层次，然后逐层对同一层次的要素两两进行比较，一致性检验通过后，再计算确定各指标在该层的权重，并结合上一层的权重确定最终权重[17]。Yaahp是一款辅助层次分析法的软件，输入数据后，软件会自动检验一致性并且输出计算结果。在节省时间和人力的同时[18]，保证计算的正确性。

2.3 熵权法

熵权法的基本原理是：通过一系列的计算来确定指标变异性的大小，并以此来代表该指标在所有指标中的权重[19]。本研究运用熵权法的步骤为：（1）把指标中的负指标转化为正指标，负指标是指数值越大、生态安全状况值越小的指标，正指标则相反。本研究绝对数x采用倒数法（100/x），相对数x使用差值法（1-x）。endprint

（2）数据标准化处理。用i指代指标、j指代年份，xij表示第j个年份的第i个指标的值。由于负指标已经转化为正指标，因此标准化处理后，有

2.4 TOPSIS分析方法

TOPSIS是一种经典的多屬性决策方法，首先被Hwang和Yoon用来研究多属性决策问题，现已在各种领域被广泛运用。本研究的操作步骤为：（1）归一化处理。设某一决策问题的决策矩阵为A，其元素为fij，则

3 土地生态评价指标体系的构建

3.1 构建指标体系

本研究使用PSR模型构建指标体系，从压力、状态、响应3个方面通过专家咨询法构建出8个二级指标、17个三级指标。该体系有3个层次（表1），其中在压力层下分为人口压力、社会经济压力和环境压力3个二级指标，下面又分有人口密度、城镇化率等6个三级指标；状态层下分为环境状态、资源状态、经济状态3个二级指标，下面又分有森林覆盖率、人均耕地面积等5个三级指标；响应层下分为经济响应和环境治理响应2个二级指标，下面又分有农民人均纯收入、工业废水排放达标率等6个三级指标。

3.2 确定权重

本研究结合定量的熵权法和偏定性的层次分析法来确定权重，具体操作方法为：首先计算出2种方法下各自的权重值，然后求其平均值，以此作为最终的权重（表1）。 表1 神农架林区土地生态安全评价指标体系

目标层准则层A准则层B指标层C权重属性土地生态安全土地生态压力人口压力人口密度（人/km2）0.064 -人口自然增长率（‰）0.031 - 社会经济压力城镇化率（%）0.035 - 经济密度（万元/km2）0.057 + 环境压力单位面积化肥施用量（kg/hm2）0.104 - 有效灌溉面积占耕地面积（%）0.077 + 土地生态状态环境状态森林覆盖率（%）0.084 + 资源状态人均耕地面积（hm2/人）0.058 + 经济状态人均GDP（元）0.048 + 第一产业增长速度（%）0.034 + 第三产业占比（%）0.037 + 土地生态响应经济响应第三产业增长速度（%）0.050 + 农民人均纯收入（元）0.054 + 环境治理响应工业废水排放达标率（%）0.063 + 工业用水重复利用率（%）0.059 + 城市生活污水处理率（%）0.065 + 工业污染治理项目投资额（万元）0.080 + 注：“+”“-”分别表示指标与目标呈正相关或负相关。

4 结果与分析

4.1 神农架林区生态安全评价分析

利用上述TOPSIS按步骤计算出神农架林区的S1、S2、C值，根据计算得出的神农架林区土地生态安全评价结果（图1），可直观看出，C值的总体趋势是波动上升。2004—2006年C值一直是下降的，2007年小幅反弹，2008年落至2004—2012年的最低值，2008—2011年一直增长，但增长速度呈递减趋势，2012年增长强劲，增长速度、增长数量和土地生态安全状态都居2004—2012年之最。S1在 2012年急剧减小，S2在2012年急剧增加，2012年C、S2等2个指标的值均居2004—2012年之首。S2在2004—2011年间波动变化较S1更为明显，它与C值的变化趋势相同。这表明在2004—2011年间，相对于S1，S2对C值的贡献率更大。在2004—2011年间，2008年的S2最小，为0.02，2008年最接近负理想解。

4.2 各子系统生态评价

神农架林区各子系统生态安全状况如图2 所示。

4.2.1 压力层 压力层的C值大致为2004—2008年急剧下降至最低值，2008—2012年回升。导致该现象的主要原因有2个：一是人口方面。人口增长率在2004—2008年间大致呈增长态势，2008年到达顶峰，为0.45%；2009—2012年急剧降至不到 0.2%。二是环境方面。2008年单位面积化肥施用量达到顶峰339.45 kg/hm2。人口增长率在2004—2012年间

始终低于同年全国人口增长率；而单位面积化肥施用量（化肥施用强度）虽于2004—2007年保持在150 kg/hm2以下，但自2008年达到顶峰时期的339.45 kg/hm2以来，2008—2012年均高于255 kg/hm2，高于国家生态县建设标准安全值 200 kg/hm2。

4.2.2 状态层 状态层的C值趋势大致呈“W”形。2007年达到顶峰，2006、2008年为谷底，2008—2012年是回升状态。其中，2007年C值到达顶峰主要是因为该年的第一产业增长速度为17.9%，远高于其他年份，2008—2012年平稳回升主要是因为人均GDP逐渐增长。说明当地经济的增长能带动状态层的C值好转。

4.2.3 响应层 响应层的生态安全状况为波动上升，以2012年的急剧增大最为显著，这主要是因为2012年城市生活污水处理率和工业污染治理项目投资额增加幅度非常大。这体现出当地政府对环境治理的重视，带动响应层的生态安全状况逐渐好转。而响应层的指标权重占比最高，贡献率最高，两者带动神农架林区的生态安全状况值在2012年急剧增长。

5 结论与讨论

本试验以湖北省神农架林区作为研究区域，构建神农架林区土地生态安全评价指标体系，然后运用TOPSIS方法对原始数据计算，并从总体层次和压力状态响应3个二级层次对计算结果进行分析。结果表明，就各子系统而言，压力层于2004—2008年急剧下降，2008—2012年回升；状态层呈“W”形，2007年达到顶峰，2006、2008年为谷底；响应层波动上升。在总体层次上，土地生态安全状况于2004—2008年波动下降，2008—2014年逐渐回升，且趋势明显。国家和地方政府对环境治理的重视和投入明显推动了土地生态安全状况的逐步回升，而波动下降的制约点主要在于单位面积化肥施用量等指标，这些指标在今后推进生态文明建设中须要得到重视。endprint

本研究结果与当地的实际情况基本相符，且与利用TOPSIS研究其他区域学者的研究结论[23-25]相似，证明使用TOPSIS来研究土地生态安全评价是可行的。本研究指标的选取和其数据主要来源于统计年鉴，部分指标局限于其数据的不可获取而无法参与到评价过程中，可能导致指标体系的不健全。本试验主要参考其他学者对其他区域的研究，而神农架林区与其他区域略有不同，它属于旅游区。本研究并没有考虑这个特殊性，这也是今后的研究方向。

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