基于PSR-NES耦合模型的土地生态状况综合评估

蔡霄 杨洋 李鹏山 李植 苟叶培 李喆

摘要：文章基于PSR-NES模型構建区域土地生态状况评估指标体系，利用排序法和层次分析法原理确定指标权重，采用综合指数法进行加权叠加得到土地生态综合指数（LEI），并通过重分类对研究区的土地生态状况进行等级划分，进而通过障碍度判别主要影响因素。结果表明，2010年和2016年LEI分别介于0.22～0.68和0.26～0.68，LEI的平均值增加了0.01；土地生态状况较好的I等区、II等区主要集中在研究区西北部山区和东南平原区，III等区、IV等区和V等区主要集中在大邑县西部极高山区、丘陵区和城镇建设区；较2010年I等区和II等区面积增加，III等区、IV等区和V等区面积减少。植被覆盖状况、水资源分布情况、地形因素、地质灾害危害程度和气象灾害等对研究区土地生态状况影响较显著；该地在灾后重建和震后恢复中的响应比较积极，高标准农田建设、永久基本农田保护区划定和生态红线划定工作的开展对改善区域土地生态状况具有积极作用。

关键词：土地生态;LEI;PSR-NES模型;影响因素;大邑县

中图分类号：F301.2

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-04-020 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

PSR-NES coupling model based land ecologicalstatus comprehensive assessment

CAI Xiao1，2， YANG Yang1， LI Pengshan2， LI Zhi2， GOU Yepei2，  LI Zhe2

（1.School of Geoscience and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China;

2.Chengdu Land Planning and Cadastral Affairs Center， Chengdu 610074， China）

Abstract： In this study， regional land ecological status evaluation index system is established based on PSR-NES Model， index weight is determined by following the principle of ranking method and analytic hierarchy process， weighted stacking is carried out with the comprehensive index method to obtain the land ecological comprehensive index （LEI）， the land ecological status in the research area is graded through reclassification， and then identify major influencing factors through obstacle degree. The results show that LEI in 2010 and 2016 are respectively within 0.22～0.68 and 0.26～0.68 with an increase of 0.01 in the average value; the areas of Grade I and Grade II with better land ecological status are mainly concentrated in the north-west mountains and the south-east plain in the research area while those of Grade III and Grade IV and Grade V in the western extremely high mountains， hilly area and town-construction area; the area of Grade I and Grade II has increased compared to that in 2010 while the area of Grade III and Grade IV and Grade V has reduced. And vegetation coverage status， water resources distribution， topographic factors， the hazard degree of geological disasters and meteorological disasters and so on have more obvious effects on the land ecological status in the research area; this region behaves actively in the activities of post-disaster reconstruction and post-earthquake rehabilitation， and high-standard farmland development， permanent designation of basic farmland preservation area and the development of ecological redline delimitation all play a positive role in improving the regional land ecological status.

Key words： land ecology; LEI; PSR-NSE model; influencing factors; Dayi County

土地是人类社会赖以生存和发展的物质基础，是人类生活、生产的载体，在人类生产和生活中发挥着重要的作用。随着社会和经济的高速发展，人类一味盲目地追求利益的最大化，而忽视了土地生态状况的变化，导致土地生态状况严重恶化，人地矛盾日益突出［1］，土地生态问题已经成为了我国社会发展重点关注的话题［2-4］。

近年来，国内外学者就土地生态系统从生态承载力［5-6］、生态质量［7-8］、生态安全［9-10］、生态退化［11］、生态适宜性［12-13］、生态敏感性［14］、生态脆弱性［15］等多方面开展了一系列的研究，取得了一定的成果。但由于各地区自然、社会、经济情况的不同，至今未能形成一套系統的土地生态评估研究体系，其核心问题在于对指标体系和评估方法的研究［16］。土地生态系统是典型的人地耦合系统，区域生态状况受自然经济和社会因素的多重影响;同时，土地生态系统存在“压力—状态—响应”的人地关系。故而本文综合考虑了土地生态状况与人类社会经济发展的相互作用关系，采用PSR与NES相结合的PSR-NES耦合模型［17］对研究区的土地生态状况进行综合评估和分析。

大邑县处于成都平原向川西北高原过渡地带，是典型的山地平原生态环境脆弱区，生态环境抗干扰能力弱，生态系统自我修复能力差。特别是在经历“5.12 汶川”特大地震和“4.20”芦山强烈地震及其引发的次生地质灾害后，该区域良好的生态系统遭到破坏严重;加之人类活动的不良影响，严重影响了该区域的土地生态状况，生态环境破坏严重。为此，科学评估大邑县的土地生态状况，分析影响该地土地生态状况的主要障碍因素，对于改善区域土地生态环境，促进区域经济的可持续发展，优化国土空间开发格局具有重要的意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

大邑县位于成都平原向川西北高原过渡的前沿地带，地处东经102°54′32″～103°45′37″之间，北纬30°25′41″～30°48′28″之间。总面积约1 327 km2，自西北向东南地形依次为山地、丘陵和平原，其中山地面积约占全县面积的60％，平原约占全县总面积的25％，丘陵仅为15％。该区域处于龙门山地震带，地质构造复杂，活动断裂构造仍处于活动状态，且受气流上升的影响，降雨较丰沛，雨量集中且具多局地性暴雨的特点，地质灾害频发，严重损害了大邑县良好的生态系统基础。

1.2 数据来源及处理

本文涉及的数据源范围广、类型多，主要由矢量数据、栅格数据和文本构成。包括：基础地理要素数据集、遥感影像数据、地质灾害报告、气象资料和统计资料等方面数据，主要数据说明见表1。

数据预处理流程为：首先，根据评估指标的需要对本文涉及的数据进行整理归类;其次，建立研究区土地生态状况评估数据库，将空间数据以西安80坐标系存储;然后，对相邻年份的数据进行分两个时段归置，尽量能够反映2010—2016年之间的变化;最后，根据评估指标的属性和特征对数据进行初步处理，使其满足评估的需要。

2 研究方法

本文基于压力-状态-响应（Pressure-State-Response，PSR）概念模型结合自然-经济-社会（Natural-Economic-Society，NES）系统理论，以层次分析法、地统计分析法、综合指数法和空间分析法等为主要方法，对研究区的土地生态状况进行等级划分，综合比较研究区的土地生态状况，分析土地生态状况的空间分布特征及变化特征，剖析引起土地生态状况变化的原因，判别影响该地生态状况的主要障碍因素，为区域土地生态建设提供科学支撑。

2.1 指标体系构建及权重确定

2.1.1 土地生态状况评估指标的构建 PSR模型体现了人类与环境的相互作用关系，压力代表人类活动对环境的作用，状态代表环境在人类影响下的变化情况，响应指人类对环境变化做出反应。NES的理念来源于土地生态系统本身就是自然-经济-社会耦合的复杂系统，在土地生态状况评估中应当充分体现土地生态系统的现状与过程，特别要体现人类对环境的影响;因此，在对其进行研究时应该综合考虑自然、经济和社会对生态状况造成的影响、现状及响应情况。本文基于PSR-NES耦合模型，构建了多层次的区域土地生态状况评估指标体系（见表2）。

2.1.2 确定指标权重 指标权重的确定方法有很多，本文采用应用较为广泛的层次分析法，以土地生态状况为第一层（目标层）;压力、状态和响应为第二层（准则层）;各单因子为第三层（指标层）。然后构建判断矩阵，求解矩阵的最大特征根和特征向量，检验矩阵的一致性，由此得出各因子的权重值（见表2）。

由于指标的复杂性和多样性，指标之间无法直接进行比较，需要提前进行无量纲标准化处理使物理系统数值的绝对值变成某种相对值关系，用以加权叠加。本文采用的指标标准化表达式如下：

3 结果与分析

3.1 指标权重计算结果

根据层次分析法的基本原理得到研究区22项评估指标的权重，正指标表示指标值越大生态状况越好;负指标表示指标值越小生态状况越好，结果见表2。

3.2 生态等级划分结果

根据指标权重确定结果，通过综合指数法的计算，得到研究区的2010年的土地生态综合指数为0.22～0.68，2016年的土地生态综合指数为0.26～0.68;将其结果通过自然断裂点法得到大邑县土地生态等级划分结果如图2和图3所示，各等级的面积及占比见表4。

图2、图3和表3显示：研究区2016年土地生态状况I等区、II等区主要集中在大邑县西北部山区和东南部平原区，面积较2010年均呈上升趋势，增加面积分别为2 875.41 hm2，3 970.62 hm2，占比变化分别为2.24％，3.08％，面积主要增加区域在东南部平原区域。土地生态状况III等区、IV等区、V等区主要集中在研究区极高山、丘陵区以及城镇建成区，面积较2010年均呈下降趋势，减少面积分别为1 930.23 hm2，4 173.75 hm2，696.42 hm2，占比变化分别为1.52％，3.26％，0.54％。

3.3 障碍因素识别结果

偏离度既反映了各指标值的分布形态，也反映了高值和低值在空间上的聚散;障碍度一方面反映了各个指标对于总体结果的主控程度，另一方面反映了各因素对于区域土地生态状况的障碍或制约程度。大邑县土地生态状况评估指标偏离度和障碍度量化结果见表4。

表4显示：研究区2010年偏离度最大的是耕地细碎化程度，为78.51％;其次为河网密度、土地综合整治成效，偏离度分别为70.56％，68.20％。2016年偏离度最大的是耕地细碎化程度，为78.57％;其次为河网密度、单位面积农产品产值，偏离度分别为70.56％，64.17％;2010—2016年偏离变化最大的是人均耕地面积，为12.99％。

研究区2010年障碍度最大的是植被指数，为15.58％;其次為地形位指数、气象灾害风险等级，障碍度分别为9.12％，7.35％。2016年障碍度最大的是植被指数，为15.06％;其次为河网密度、地形位指数，障碍度分别为11.66％，9.21％;2010—2016年障碍度变化最大的是人均耕地面积，为0.85％。

3.4 土地生态状况综合分析

图1和图2显示，大邑县的土地生态状况具有明显的空间特征，总体上西部山区优于东部平原区，东部平原区优于中部低山丘陵区。黑水河中上游流域、江河上游流域和斜江河上游流域的生态状况优良，平原区东部和南部优质耕地集中连片区的生态状况良好;生态状况较差的区域主要集中分布在西北部极高山区、西部山区的城镇和工矿周边、中部山区的人口密集区和陡坡耕地集中区、东部平原城镇周边和交通沿线。

总体上，研究区2016年的土地生态指数较2010年略有增加，高值没变化均为0.68，低值区域明显增大，这说明该区域土地生态状况总体上良好，近几年的土地生态状况有所提高，尤其是生态状况较差的区域改善明显。该结果通过表4也可以看出，土地生态状况良好的I等区和II等区面积增加，范围扩大;土地生态状况处于中等水平的III等区面积稍有减少，基本趋于稳定;土地生态状况较差的IV等区变化较大，面积占比减少了3.26％，土地生态状况最差的V等区范围也略有减少;这进一步说明该区域的土地生态状况总体上是有所改善的，这在实地调研中也得到了进一步的印证。

综合指标权重大小、偏离度和障碍度可以看出，造成区域土地生态状况较差的原因一方面来自自然因素，主要是极高山区的季节性冰雪覆盖致使植被稀少，地震和暴雨等引起的地质灾害和气象灾害导致生态环境不稳定;另一方面主要归结于人类活动造成的干扰，尤其社会经济发展过程中生态用地、生产用地和生活用地之间的冲突明显。西部山区的景区开发矿产资源开采，尤其是西岭镇和花水湾镇旅游发展和西岭镇的尾矿污染，中部低山丘陵区城镇建设和灾后搬迁造成的建设用地扩张和坡耕地农业生产造成的水土流失，东部平原区的城市扩张、基础设施建设和现代农业工程设施布设等均是造成区域土地生态状况不良的主要原因。而该地区在灾后重建和震后恢复中的响应比较积极，加之区域生态本底较好，近3年地质隐患点相对于地震当年都有明显减少，因此生态状况恢复较快。与此同时，东部平原区的高标准农田建设、基本农田保护区划定和生态红线划定在保护优质耕地资源的同时也在一定程度上改善了区域土地生态状况。

4 结论与建议

本文基于PSR-NES耦合模型，选择了粮食单产、人均耕地、人均收入等一般性指标，对研究区的基本生态状况进行评估，考虑到该地区受“5.12 汶川”和“4.20芦山”地震的强烈影响，加之人类活动如矿山开采、景区开发、城市扩张、基础设施建设等的冲击，给研究区的生态状况带来了巨大压力，本文增加了地质灾害、水土保持生态建设、生物多样性保护等具有地域针对性的指标，对研究区土地生态状况进行综合评价，梳理研究区土地生态状况的空间分布规律，剖析引起土地生态状况变化的原因，得到主要结论如下：

1）大邑县生态状况较差的区域有所改善，总体状况上良好，且具有明显的空间特征，总体呈现西部山区优于东部平原区，东部平原区优于中部低山丘陵区趋势。

2）根据贡献度、偏离度和障碍度分析，影响研究区土地生态状况的主要障碍因素为植被覆盖情况、水系分布状况和地形综合影响，气象灾害尤其是气象地质灾害和土壤污染也是影响该地土地生态状况的主要障碍因素。

3）局部地区生态状况有所改善的主要原因是由于灾后生态恢复和重建以及流域治理和土地整治中的生态建设;而造成区域土地生态状况变差的主要原因来自自然生态压力以及由频繁的社会和经济活动引起。

目前，耕地资源安全仍然是该区域重要的生态问题，耕地数量、质量和生态缺乏“三位一体”的管护;地质灾害隐患和防治依然是该区域土地生态安全面临的重点问题，土壤污染修复和土地综合整治是今后长期的工作内容，并且点位修复和小范围整治难以满足土地生态状况的改善。因此建议：

1）进一步深入开展区域尺度上的土地生态监测指标体系研究，对土地生态状况变化较大的区域进行重点监测。

2）深入研究土地资源数量、质量和生态“三位一体”的综合管护体系，对耕地资源进行数量、质量和生态“三位一体”的保护。

3）在区域尺度上推进大地景观塑造的土地综合整治工程，尽快完善土地生态整治的模式和技术规程。

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（编 辑 亢小玉）