基于突变级数法的土地生态安全评价及其影响因素研究——以广西壮族自治区为例

苏正国, 李 冠, 陈 莎, 聂 鑫

诸多生态安全问题的根源都指向人类不合理的土地开发利用[1]。土地生态安全评价目的是识别当下土地生态系统的健康状态以及发现人类土地利用中不利于土地生态系统健康平衡的行为[2]。作为最大的发展中国家，由于自然资源禀赋优势与社会经济开发热点呈现出空间不匹配，导致我国部分地区土地开发不均衡[3]。由此不可避免地出现土地利用过度透支区域土地的生态承载能力，更为严重的是，土地利用对生态环境的负面影响具有不可逆性，因此，在新时代背景下，土地生态安全问题成为我国实现可持续发展的关键问题。区域土地生态环境安全评价和监测一直以来都是土地生态安全研究领域的一个重点课题[4]。而且，如何维持土地利用在高安全区域内运行也成为区域可持续土地利用的一大严峻挑战[5]，是现阶段中国推进生态文明建设的首要问题。科学评价区域土地生态安全状态是区域可持续发展测度的基础[6]，也是优化配置土地资源、预警土地生态安全的重要依据[7-8]。已有研究中，众多关注点都集中在探讨科学的土地生态安全评价模型以及指标体系的构建，如：在评价模型的选取上，大多采用“经济—环境(自然)—社会”模式(EES模式)[9-11]；经济合作发展组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出了环境指标的P-S-R概念模型也得到了广泛的应用[12-16]。此外，学者们还关注如何应用多种数理分析手段评价土地生态安全状态，如：BP神经网络方法的应用[9,13,17]；采用物元分析法及其改进算法等构建土地生态安全评价物元模型[6,18]；应用GIS和RS相结合的手段对网格尺度下土地生态安全的空间效应进行评价[2,19]；此外，生态足迹评价法[20]、模糊数学评价法[21]、突变级数法[14]、主成分分析法[22]、TOPSIS法[23]、正态云模型[24]以及改进灰靶模型[25]等方法和模型也不断被引入土地生态安全评价中。虽然诸多评价模型与方法是评判土地生态安全的重要基础，但是，相对于土地生态安全状态的判断与评价，识别土地生态安全格局演变的影响因素，对于土地管理实践来说具有更加重要的现实意义。由于影响土地生态安全的因素非常复杂，且各因素之间的关系往往是非线性的，难以通过特定的数学模型进行准确描述[9]。而且，土地生态系统具有开放性、非平衡性和非线性特征[25]，土地生态状态的改变是一个非连续的过程，需要考虑土地生态系统变化所导致的突变效应[14,27]。因此，基于非平稳态的视角来评价和分析土地生态安全格局的变化，通过识别影响土地安全状态的土地利用因素，将有助于在土地利用和管理过程中，制定针对性的防范措施。当前，广西壮族自治区正处在社会经济发展的爬升期，人口快速增长、城市化和工业化快速推进引起了持续的土地利用变化，土地生态安全格局也处于一个连续的非平稳状态。基于此，本文应用改进的PSR模型，通过突变级数法(catastrophe progression method， CPM)对该区土地生态安全进行评价，并且通过灰色关联分析从中辨析影响土地生态安全状态变化的关键因素，为优化土地利用模式，落实该区生态文明建设提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

广西壮族自治区(以下简称广西)位于中国南疆，地理坐标104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N。东连广东省，南临北部湾并与海南省隔海相望，西与云南省毗邻，东北接湖南省，西北靠贵州省。全区土地面积2.38×105km，占全国土地总面积的1/40，在各省、自治区、直辖市中排名第9位。其中山地、丘陵和石山面积占全区土地总面积的69.7%，平原和台地占27%，水域面积占3.3%，足见广西土地资源具有山多地少的特点。2015年，全区耕地面积4.43×106hm2，人均耕地约0.09 hm2；生产总值(GDP)达16 803.12亿元，第一、二、三产业增加值占地区生产总值的比重分别为15.3%，45.8%和38.9%。按常住人口4 796万人计算，人均地区生产总值35 190元。

1.2 数据来源

本文所使用的社会、经济和人口数据来源于《中国环境统计年鉴(2005—2015年)》《中国城市统计年鉴(2005—2015年)》和《中国统计年鉴(2005—2015年)》，土地利用现状数据来自于历年的土地利用变更调查。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

人类社会进步的需求所引致的土地开发利用活动对土地生态系统带来压力，在此压力下社会、环境和整体资源所呈现的状态，以及人类社会面对上述生态压力和状态的情况下所主动采取的响应措施，都会影响土地生态安全格局的变化。为此，可以根据PSR框架土地生态安全系统划分为土地生态压力系统，土地生态状态系统以及土地生态响应系统[14,23]。因而，土地生态安全格局以及演变便可以通过土地生态系统中的压力、状态和响应3个子系统的相互关系进行分析和推演(图1)。

图1 PSR框架下土地生态安全格局演变简化模型

由于土地生态系统结构复杂且影响因素众多，因此本研究在参照前人PSR框架模型的基础上[14]，将土地生态安全解构为土地生态系统压力、土地生态系统状态、土地生态系统响应3个评价准则。在构建因素层时借鉴“自然—经济—社会”(NES)模型和“人口—经济—环境—发展”(PRED)框架，选择自然压力、经济压力、社会压力3个因素构成因素层，随后在系统压力准则层下增加人口压力因素，在系统状态准则层下将经济状态因素调整为资源状态因素。指标层是每个评价因素的具体指标，共计19个(表1)。

2.2 突变级数模型

土地生态系统是一个复杂开发巨系统，其内部结构尚未明确，系统的连续变化会导致不连续的突变现象。因此，研究基于突变理论构建土地生态安全评价模型。此评价模型的构建是依据落在分叉集内的控制变量的取值会使评价对象的状态发生突变[14]，常见的突变模型有4种(表2)，结合建立的评价指标体系，得到土地生态安全评价的突变级数模型(图2)。为了降低权重的主观性和增强权重的合理性，研究采用熵权法确定各指标权重(表1)。

表1 土地生态安全评价指标体系

注：“+”表示指标值越大，土地生态安全性越高； “-”表示指标值越小，土地生态安全性越高。

图2 土地生态安全突变级数评价模型

2.3 数据预处理

在确定了各级指标的排列顺序后，将2005—2015年原始数据转换成突变模糊隶属度函数值。对于正向指标，数值越大越好，以样本中最大值为基准，将其突变模糊隶属度函数值取为1.0；而对于逆向指标越小越好，以样本中最小值为基准，将其突变模糊隶属度函数值取为1.0，采用上述准则变换后得到2005—2015年各评价指标的突变模糊隶属度函数值。

表2 突变模型的描述

2.4 评价标准的确定

设立科学客观的评价标准才能确保评价结果的正确性。一般地，评价区间的确定都是采用定量等分法，然而，由于突变级数法计算后的数值通常较高，而且各分值之间差额较小，难以通过定量等分法进行衡量。为此，研究借鉴已有研究的通用处理，将等分的等级指数带入突变级数模型，确定准则层和目标层的评价等级标准(表3)。

2.5 灰色关联度分析

运用突变级数法进行生态安全指数计算和等级评价时，运用熵权法的目的仅在于得到各指标的重要性排序，并在运用突变模型时通过互补性原则或非互补性原则进行计算，而运用灰色关联度方法能够对系统发展变化态势提供量化的度量，非常适合动态历程分析[28]。灰色关联度计算公式为：

(1)

式中：ξ(xi)——灰色关联度；ρ——分辨系数，一般在0～1之间，通常取0.5。Δmin——两极最小差； Δmax——两极最大差； Δoi(k)——各比较数列Xi曲线上的每一个点与参考数列X0曲线上的每一个点的绝对差值。

如有必要，可将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，即求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示，关联度ri公式为：

(2)

ri值越接近1，说明相关性越好。

表3 土地生态安全评判标准

3 计算结果与分析

3.1 土地生态安全演变结果分析

结果表明，广西土地生态安全状态总体呈上升趋势，安全指数由2005年的0.853 7上升至2015年的0.936 8(图3)。根据表3中的安全等级评判标准，研究期内，广西的土地生态安全等级明显好转，安全水平由较不安全转变为临界安全。具体来看，2005—2009年，土地安全水平呈现明显提升特征，平均每年以2%的速率上升。土地安全等级从较不安全水平提升至较安全水平，主要得益于土地生态系统状态改善带来的积极作用。首先，广西拥有森林、湿地、海洋等多种类型自然生态系统，丰厚的自然资源本底确保了各种生态服务功能的稳定输出。城市环境空气质量达标率、江河水质达标率以及近海水域水质达标率等各项指标都优于全国平均水平。广西良好的环境质量本底是维持和提升广西生态安全水平必不可少的先决条件。其次，自《广西壮族自治区主体功能区规划》和《广西壮族自治区土地利用总体规划(2006—2020年)》颁布实施以来，区域土地利用依据生态功能管制分区要求有针对性地调整和优化产业发展方向和生态保护与建设重点，社会、经济和生态的积极响应取得了良好的成效。2010—2012年，土地生态安全水平呈现先上升后逐渐趋于平稳的趋势。土地生态安全水平的变化源于这一阶段土地生态系统压力及系统状态都处于较平稳的状态，而土地生态系统响应在逐步上升。然而，自2013年开始，生态安全总体水平出现下滑态势，这主要是由于近年来生态系统压力状态恶化明显所致，但是，由于生态系统响应状况逐年提高带来了正向的推动作用，因此有效地遏制了土地生态安全水平的大幅度下滑。

自2005年以来，广西严格控制森林资源开发利用强度，并且大力推进造林工作，2005—2010年年均造林面积达143 453 hm2，2010年全区森林覆盖率达到54%，并且依然保持着上升趋势。同时，土地生态利用日趋受到重视，不良土地利用造成的生态破坏和环境污染的趋势得到遏制，重点行业污染物排放强度明显下降，工业废水排放达标率由2005年的83.69%提升至2015年的98.56%。通过发展高效优质现代农业、特色林果畜禽业等复合型农林牧业，使农民收入大幅增加，人均GDP增长了2.5倍，并且农业机械化水平的提高也促进了土地生态安全状态水平的提升。可以看出，稳定的系统状态以及积极的系统响应，是土地生态安全状态等级稳定和改善的动因。然而，土地生态安全水平自2013年以后较前几年相比有一定下降趋势，降低到了临界安全水平，主要由于全国经济开始进入“新常态”，从高速增长转为中高速增长，与前3 a相比，2013—2015年平均GDP增长率下降了5.89%，经济下行压力较大，土地生态安全压力骤然加剧；同时，近年来为保证粮食产量，农用化肥的施用量出现了大幅增加，土壤污染和破坏问题不容忽视。总体来说，广西土地生态系统依然面临严峻挑战，需要警惕和重视。

3.2 土地生态安全子系统变化情况

就土地生态系统压力来看，2005—2015年生态系统压力等级变化趋势为先上升后下降，大体可分为两个阶段(图3)。第一个阶段为2005—2011年，这个阶段属于土地生态安全压力指数的上升期，系统压力指数从2005年的0.794 8上升到2011年的0.905 7，达到了临界安全的水平。2009年的系统安全水平有小幅下降，这主要是由于受到经济危机的冲击，但明显看出土地生态系统安全水平总体上并没有持续恶化。这一阶段的压力减缓主要归功于环境压力和经济压力的改善，表现在遏制污染的能力上升和经济水平的提升，工业SO2排放量由2005年的9.75×105t减少至2011年的3.86×105t，GDP增长率基本保持在平均每年15%以上的速率，经济密度增长了116.6%，实现了翻番，城市化水平由33%上升为41%，农村人均纯收入也实现了94.1%的增长。同时，在“十一五”期间，广西壮族自治区积极推进建设“富裕广西、文化广西、生态广西、平安广西”各方面工作，通过调整优化产业结构，特别是禁止向高污染企业供地，限制高耗能企业落地，加强资源综合利用等措施，在实现经济快速发展的同时有效控制了排污总量。第二阶段为2011—2015年，这一阶段土地生态安全压力指数呈下降趋势，而且降幅较大，从2011年的临界安全状态下降至2015年的较不安全状态。这一阶段压力状态的变化受到众多因素影响，人口、社会、经济压力都有大幅增加。首先，城市人口密度提高了20.9%，人口的快速增长使土地压力日益加剧；其次，城市化进程也加大了对土地生态安全的威胁，而且，随着广西地区进入快速城市化时期，建设用地快速扩张及其不可避免的占用农用地行为，无形中加大了土地生态系统的压力。不仅如此，从2011年开始，GDP增长率从11.21%降到了2015年的7.21%，工业生产低位徘徊、工业投资和民间投资大幅下滑、出口仍然两位数下降等问题突出，经济下行压力给土地生态系统带来更大的压力。

2005—2015年广西地区的土地生态系统状态总体比较理想，系统状态基本稳定在较安全和安全水平。上文已经提到了广西地区拥有优越的自然条件、良好的生态资源和独特的地缘优势，而且多年来土地生态安全状态一直维持在较高水准。同时，随着城市化、工业化的有力推进，工业机械化水平的进一步提高，以及大规模开展农村土地整治工程有助于改善和提升农村地区土地利用效率，确保了研究期内广西土地生态质量状况稳中有升。

2005—2015年广西地区的生态系统响应呈稳步上升趋势，由2005年的0.728 9上升至2015年的0.989 1，从较不安全等级转变到安全等级。事实上，近年来，生态广西建设方面取得了明显成效，最为突出的是在桂中北岩溶山地生态区全面实施石漠化综合治理，通过封山育林、退耕还林还草、小流域治理等一系列综合措施，恢复自然植被，提高水源涵养和水土保持能力，显著地提升了土地生态安全水平；其次，广西地区近年来的造林举措极大改善了土地生态安全状况，改善生态环境，同时环境污染治理投资也有所提升。

图3 广西地区2005-2015年生态安全状态变化

3.3 土地生态安全水平影响因素灰色关联分析

根据灰色关联度计算结果(表4)，按照不同年份各指标因素关联度排序可将研究期大致分为3个阶段。第一阶段(2005—2008年)。这一阶段，森林覆盖率、造林面积两个因素与土地生态安全总体水平的关联度最高，证明这一阶段生态安全水平的改善主要归功于造林工程的持续推进和自然生态的改善，同时农业机械动力和相关经济指标的关联度在逐渐攀升。结果表明，积极改善生态环境，提升生态安全质量的响应行为，对土地生态系统安全等级的提升起到显著的正向作用，也进一步支持了前文的分析。第二阶段(2008—2013年)。随着社会经济水平以及城市化水平的不断提升，土地生态安全与经济密度、第三产业比重的关联度最高。灰色关联结果表明，自2008年全球金融危机后，经济发展方式的改变引致土地利用结构和强度的变化，区域经济发展的波动对土地生态系统压力影响加强。这一结果也表明了经济安全对土地生态安全水平影响的重要性，土地作为人类生产、生活的承载基础，经济平稳增长和社会发展对维持土地生态安全不可或缺。第三阶段(2013—2015年)。这一阶段，与土地生态安全水平变化关联度最高的指标为人口自然增长率及代表环境治理响应的相关指标，如环境污染治理占GDP的比重和工业废水排放达标率，人口的增加，不仅直接带来了土地利用的改变，而且会由于人们对物质和精神产品的需求增加促使经济社会的发展，促进了非农产业和城镇的不断发展，这个时候更加需要全社会重视土地生态系统响应的灵敏性和有效性，控制污染，减少生态破坏，保障社会进入后工业时代阶段维持土地生态系统的健康运转。从整个研究期来看，与土地生态安全水平变化关联度最高的五项指标为造林面积、城市化水平、森林覆盖率、第三产业比重以及单位耕地面积化肥施用量。由此可见，经济发展特别是城市化进程必然对土地生态安全带来外在的刚性压力。同时，通过加强土地生态系统的正向回馈，提升土地生态安全系统响应能力，有助于维持和提升区域土地生态安全水平。

表4 研究区2005-2015年土地生态安全水平影响因素灰色关联度

4 结 论

本研究以改进的PSR模型为基础构建土地生态安全评价指标体系，同时综合考虑土地生态系统潜在的突变特性及其对评价结果的影响，运用突变级数法揭示了广西地区土地生态安全2005—2015年的总体变化趋势，并运用灰色关联度甄别不同阶段土地生态安全水平变化的影响因素。研究结果为其他地区进行土地生态安全评价提供了借鉴，也为客观评价广西近年来土地生态安全水平，识别影响土地生态安全的负面因素提供依据。总体来看，2005—2015年广西地区土地生态系统安全有所提升，虽然2008年受到经济危机的冲击土地生态安全水平有所下降，但通过调整供地和加强土地生态建设，发展生态经济等组合措施的运用，自2010年开始广西地区土地生态系统安全水平逐步提升，至2012年达到较安全的状态。但需要注意的是，2014年进入经济新常态以来，经济增速减缓，经济下行压力依旧很大，而且，广西地区对一、二产业依赖过高(两者之和超过地区生产总值的60%)，农业和工业对生态环境造成的影响甚至是破坏不容忽视。同时，近年来广西地区的人口数量和密度在不断升高，城市化更加发达，人类活动对自然的影响将会更加明显，而人口压力的增大将会使得资源供需矛盾愈发突出。

基于研究期间广西地区土地生态系统安全格局演变特征及其影响因素，本文建议： ①有效控制和减缓土地生态系统压力状态。随着广西地区工业化、城市化进程的进一步推进，土地生态系统将面临来自发展所带来的刚性压力。因此，需要通过土地宏观调控手段推进经济的高质量发展，加快产业结构转型速度，减少对矿产资源的依赖，降低企业整体的地均能耗；同时，加强土地生态建设，有序推动循环经济和生态产业的发展，根据资源环境条件、经济发展潜力、重点环境问题等因地制宜地开展各项生态建设活动。 ②坚持稳定和提升土地生态系统状态水平。农业和农村的发展水平将决定和影响土地生态系统状态。根据广西现阶段农业和农村发展的瓶颈，要坚定落实乡村振兴战略，积极推动兴边富民政策。积极开展土地整治和农村综合整治工程，大力发展现代农业，提高农业科技水平，降低工农业生产能耗，提高生产效率，同时延长产业链，不断提升农民生活水平。 ③积极夯实和拓宽土地生态系统响应路径。全民生态环境意识进一步提高，可持续发展理念深入人心是建设生态广西的必要基础。为此，需要不断提升土地生态环境基础建设的投入水平，加强喀斯特岩溶地区的综合治理，建立污染企业用地的退出机制，全面促进经济、社会、资源、人口、环境的均衡发展。