基于GM(1，1)模型的阜平县土地生态安全预警与分析

刘琦，张俊梅，张利

(河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

随着城镇化进程的加快，人们对土地的开发和利用强度不断增加，土地生态的安全问题逐渐凸显，土地资源的安全状况与社会经济可持续发展的关系日益受到重视。保护区域土地生态安全，合理分配土地资源，土地生态安全预警便成为生态安全研究中的重要内容[1]。土地生态安全预警是对区域的社会经济、生态环境以及土地开发强度等方面进行评价，发现警情、识别警兆、利用警源，通过预测模型对土地生态安全状况进行定性定量的分析，提前预防不安全因素产生的威胁，以便为区域土地生态环境的突发警情提供相应决策，这对维护土地生态安全的空间和功能关系具有重要指导意义[2-4]。

土地生态安全预警逐渐成为生态安全的研究重点，国内外学者对此进行了相关研究。国外学者的研究多以监测预警为目的，如埃塞俄比亚北部干旱区土地生态结构的监测预警[5]；墨西哥中部半干旱地区土地环境的监测预警[6]；非洲土地利用变化模型的动态监测等[7]。国内学者多以土地生态系统中的问题进行研究，如分析叶尔羌河平原绿洲土地的空间格局演变预警[8]；以重庆万州区为例，分析生态敏感区的土地生态安全状况[9]；运用RBF模型对西北干旱区张掖市的土地生态安全进行预测[10]。通过阅读国内外的相关文献，发现该研究仍存在以下问题：一是研究主要集中于生态脆弱区的预警，以低山丘陵区为主的综合预警比较匮乏，未对土地生态系统的破坏程度及资源消耗情况做出具体的分析，不能反映当今城镇化快速发展中土地生态安全的整体状况；二是现在研究多以分析土地生态安全的现状为主，对土地生态安全的预警及调控缺乏深入研究，立足于土地生态安全的现状，分析未来土地生态安全的变化趋势更具实际性。研究以阜平县为例，结合PSR模型构建阜平县土地生态安全预警指标体系，运用熵权法和GM(1，1)灰色预测模型对区域土地进行生态安全的预警分析，为阜平县的经济发展与土地可持续性利用提供调控信息，也为太行山低山丘陵区的发展提供理论支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

阜平县位于河北省保定市西部，太行山一带的低山丘陵区，介于北纬113°45′～114°31′，东经38°9′～39°7′之间。阜平县的生态环境较脆弱，随着乡村振兴战略的实施，工业化、城镇化快速推进，对土地生态产生更大的压力，生态环境问题不断突显。主要体现在以下方面：一是水系横穿整个县域，但人类不合理的活动造成了水系断流，水土流失的现象越来越严重；二是农村农用化肥及地膜的长期使用，对农用地造成化学污染，土地结构破碎化较严重；三是农村居民环保意识不强，生活污水及垃圾处理等问题日渐突显。上述问题严重威胁着阜平县的土地生态安全，为此，对阜平县土地生态安全的预警研究可有效协调土地生态安全与经济发展二者之间的关系，为区域的后期发展提供科学借鉴。

1.2 数据来源

研究的各项原始数据主要来自2013—2018年《保定经济统计年鉴》《保定年鉴》及《保定市土地利用总体规划大纲(2006—2020年)》等，并结合ArcGIS10.2、SigmaPlot13等软件分析有关数据及模型。

2 研究方法

2.1 预警指标体系的构建

研究采用PSR(压力-状态-响应)模型构建阜平县的土地生态安全预警指标体系，坚持研究区域的主导性，结合阜平县的经济发展水平、地理位置、自然条件等特征，从社会经济、人口、资源环境等方面选取以下17项指标，其中正向指标10项，负向指标7项。

(1)压力层指标，人口对土地环境压力的表现。结合低山丘陵区交通设施条件差，区域呈城镇化发展，空心村现象逐渐增加的现状，压力层主要从土地人口承载压力、土地化学污染压力、城镇土地扩张、土地开垦压力等4个方面体现，研究主要选取人口自然增长率、人口密度、农用化肥及地膜使用量、城镇扩张、土地垦殖等6项指标。

(2)状态层指标，状态层是在压力迫使下社会经济及土地环境的表现。结合低山丘陵区植被覆盖率高，种类丰富，但由于人类不合理的开垦活动，自然植被遭受破坏，生态条件逐渐恶化的现状，状态层主要从耕地质量现状、土地结构现状、农民生活经济现状、土地环境现状等4个方面体现，研究主要选取人均耕地面积、单位耕地粮食产出、土地破碎度、农民收入水平、绿地覆盖等5项指标。

(3)响应层指标，响应层是状态层反馈给社会经济的表现。结合低山丘陵区土地类型的复杂性，耕地空间分布的不均性，统一机械耕作条件较差的现状，响应层主要从社会经济发展、土地科技水平、产业发展、土地生态保护力度等4个方面体现，主要选取人均GDP、经济密度、农业机械水平、第三产业比重、污水及生活垃圾处理效率等6项指标。

2.2 预警评价模型及标准划分

2.2.1 土地生态安全预警评价模型 通过阅读土地生态安全预警的相关文献，采用客观的熵权法计算预警指标权重，并进行土地生态安全预警指数的计算[11-15]，具体计算过程如下：

(1)数据指标标准化。采用极差标准法对各项指标进行量化的统一。

正向指标标准化公式为：

(1)

负向指标标准化公式为：

(2)

(2)权重计算。本研究采用客观的熵权法来确定权重，具体计算过程如下

(3)

(3)预警综合指数计算。计算土地生态安全预警综合指数，能反映阜平县土地生态安全整体状况，具体计算过程如下：

(4)

式中：ESCVj为土地生态安全综合指数预警值，T为各指标的标准化值，ωj为土地生态安全指标权重。土地生态安全预警的指标体系见表1。

表1 阜平县土地生态安全预警指标体系Table 1 Early warning index system of land ecological security in Fuping County

2.2.2 GM(1，1)灰色系统理论预测模型 灰色预测模型GM(1，1)是通过已知信息建模分析预测评价未知的不确定信息的研究预测方法[17-20]。具体计算过程如下：

(2)构造累加矩阵B与常数项向量YN，如下：

(5)

(6)

(3)最小二乘解灰参数，如下：

(7)

(4)将灰参数代入时间函数，如下：

(8)

(5)对求导还原得到，如下：

(9)

(10)

e(t)=ε(0)(t)/x(0)(t)

(11)

(7)模型检验及应用模型预测

表2 GM(1，1)模型精度检验等级Table 2 Accuracy test grade of GM (1, 1) model

2.2.3 土地生态安全预警标准 我国土地生态安全警情等级的确定尚未形成统一标准，预警标准的复杂性和多样性需要因时因地而言。研究结合相关文献[21-22]，根据阜平县的实际现状对土地生态安全的警情等级进行划分，采用等分的方法在[0, 1]范围内分段取值[23-24]，将阜平县的警情拟分为5个等级，巨警、重警、中警、轻警及无警。预警值越高，表明区域内土地生态安全警情越低，土地生态安全状况越好；预警值越低，表明区域内土地生态安全警情越高，土地生态安全状况越差。土地生态安全预警的标准见表3。

表3 阜平县土地生态安全预警标准Table 3 Early warning standards of land ecological security in Fuping County

3 土地生态安全预警与分析

通过上述的计算方法，根据熵权法得出阜平县2012—2017年土地生态安全综合预警指数(公式1～4)，采用GM(1，1)灰色预测模型，以2012—2017年土地生态安全综合指数值为基础构造原始序列，经过计算及残差检验，得出阜平县2018—2022年土地生态安全综合预测指数(公式5～11)。

3.1 压力层土地生态安全预警及分析

以建立GM(1，1)灰色预测模型为基础，通过2012—2017年阜平县土地生态安全压力层预警指数构造原始序列，经过计算及残差检验，对阜平县2018—2022未来5年的土地生态安全压力层进行预警，压力层土地生态安全预警指数模型的拟合成果见表4。

表4 压力层土地生态安全预警指数模型拟合成果表Table 4 Fitting results of pressure layer land ecological security early warning index model

压力层土地生态安全预警指数的实际值和拟合值见图1。

图1 压力层土地生态安全预警实际值和拟合值Figure 1 Actual value and fitting value of land ecological security early warning in pressure layer

由表4、图1可知，压力层GM(1，1)预测公式为：x(t+1)=0.557 5e0.145 0k-0.453 7，其中均方差比值为C=0.353 9(较好)，小误差概率为P=1.000 0(好)，模型精度较好，符合建模要求，2018-2022年压力层土地生态安全预测值分别为0.179 6、0.207 6、0.240 0、0.277 5、0.320 8。2012-2017年，阜平县土地生态安全压力层预警指数分为2个阶段，2012-2014年呈下降趋势，恶化速率为0.005 4，下降阶段数据得出人口密度从89.78人/km2增长到94.55 人/km2；农用化肥施用量从5 182 t增长到5 215 t；城镇化率从14.73%增长到25.05%；土地垦殖率从5.62%增长到6.56%。2014-2017年呈上升趋势，变化速率为0.018 6，上升阶段数据得出：人口密度从94.55 人/km2下降到94.08 人/km2；农用化肥施用量从4 913 t下降到4 807 t；农用地膜使用量从258 t下降到241 t。以上指标的各种变化是压力层土地生态安全状况改善的主要原因，随着城镇的发展人类不断开垦扩张土地，土地的整体性受到威胁，故重视土地结构的完整性显得尤为重要，保护耕地，减少农用化肥及地膜的使用量，防止农产作业过程中对土地生态环境造成化学污染，降低土地污染的风险，能有效缓解土地生态压力，但社会人口的压力也不容忽视，其也是未来对土地产生压力的重要因素，应适当控制人口的增长。

3.2 状态层土地生态安全预警及分析

以建立GM(1，1)灰色预测模型为基础，通过2012-2017年阜平县土地生态安全状态层预警指数数值构造原始序列，经过计算及残差检验，对阜平县2018-2022未来5 a的土地生态安全状态层进行预警，状态层土地生态安全预警指数模型的拟合成果见表5。

表5 状态层土地生态安全预警指数模型拟合成果表Table 5 Fitting results of state layer land ecological security early warning index model

状态层土地生态安全预警指数的实际值和拟合值见图2。

图2 状态层土地生态安全预警实际值和拟合值Figure 2 Actual value and fitting value of land ecological security early warning in state layer

由表5、图2可知，状态层GM(1，1)预测公式为：x(t+1)=5.238 1e0.032 7k-5.094 7，其中均方差比值为C=0.324 6(好)，小误差概率为P=1.000 0(好)，模型精度好，符合建模要求，2018-2022年状态层土地生态安全预测值分别为0.205 0、0.211 9、0.218 9、0.226 2、0.233 7。2012-2017年，阜平县土地生态安全状态层预警指数呈上升趋势，变化速率为0.010 1，从状态层数值得出：人均耕地面积从0.06 hm2/人增长到0.07 hm2/人，人均耕地面积小幅增加；农民人均纯收入从3 262 元增长到7 405 元；森林覆盖率从36.35%增长到44.51%。以上各种指标的变化说明农村经济快速发展，植被覆盖率也不断增加，但城镇化发展不断扩张土地，耕地质量严重下降，粮食产量相应减产，导致土地的生态破碎严重。因此积极协调土地与经济发展之间的关系就显得尤为重要，合理集约利用土地，盘活闲置土地，严格执行耕地保护政策，提高耕地质量，合理开发耕地的后备资源，将保护与开发土地2者并重。

3.3 响应层土地生态安全预警及分析

以建立GM(1，1)灰色预测模型为基础，通过2012-2017年阜平县土地生态安全响应层预警指数数值构造原始序列，经过计算及残差检验，对阜平县2018-2022未来5 a的土地生态安全响应层进行预警，响应层土地生态安全预警指数模型的拟合成果见表6。

表6 响应层土地生态安全预警指数模型拟合成果表Table 6 Fitting results of response layer land ecological security early warning index model

响应层土地生态安全预警指数的实际值和拟合值见图3。

图3 响应层土地生态安全预警实际值和拟合值Figure 3 Actual value and fitting value of land ecological security early warning in response layer

由表6、图3可知，响应层GM(1，1)预测公式为：x(t+1)=1.213 2e0.096 1k-1.124 3，其中均方差比值为C=0.248 5(好)，小误差概率为P=1.000 0(好)，模型精度好，符合建模要求，2018-2022年响应层土地生态安全预测值分别为0.197 9、0.217 8、0.239 8、0.264 0、0.290 6。2012-2017年，阜平县土地生态安全响应层预警指数呈上升趋势，变化速率为0.016 9。从响应层数值得出：人均GDP从12 377.5元/人增加到17 935.81元/人；经济密度从111.12 万元/km2增加到169.59 万元/km2；第三产业比重从52.8%增加到55.1%；污水处理率从88.74%增加到98.98%；生活垃圾处理率从75.80%增加到98.13%。表明近几年第三产业的发展逐渐占领主体地位，经济密度和人均生产总值也逐渐上升，合理安排产业布局，改善产业结构，重视产业发展对土地生态安全的推进作用，实现各领域产业的全能发展。随着“十三五”规划的提出与落实，政府也加大了对生态环境的治理力度，不断重视污水和生活垃圾的处理方法，有效改善了阜平县土地生态环境的现状，降低了土地生态的风险，生态文明意识逐渐深入生产生活，人类对土地生态环境的响应也不断提高。

3.4 目标层土地生态安全预警指数及分析

以建立GM(1，1)灰色预测模型为基础，通过2012—2017年阜平县土地生态安全综合预警指数数值构造原始序列，经过计算及残差检验，对阜平县2018-2022年未来5 a的土地生态安全进行预警，目标层土地生态安全预警指数模型的拟合成果见表7。

表7 目标层土地生态安全预警指数模型拟合成果表Table 7 Fitting results of land ecological security early warning index model in target layer

由表7、图4可知，目标层GM(1，1)预测公式为：x(t+1)=4.503 8e0.081 7k-4.167 7，其中均方差比值为C=0.244 7(好)，小误差概率为P=1.000 0(好)，模型精度好，符合建模要求，2018-2022年目标层土地生态安全预测值分别为0.576 9(中警)、0.626 0(轻警)、0.679 3(轻警)、0.737 1(轻警)、0.799 8(轻警)。2012-2017年，阜平县土地生态安全发展状况不断好转，变化速率为0.036 7，从指标层数值得出：人口自然增长率、农用化肥施用量、农用地膜使用量均呈下降趋势；人均耕地面积、农民人均纯收入、森林覆盖率、人均GDP 元、经济密度、农业机械化水平、第三产业比重、污水处理率、生活垃圾处理率均呈上升趋势。综合预警结果看来：负向指标下降，正向指标上升是推动阜平县土地生态安全状况逐渐改善的主要原因。2020年河北省第十三届人民代表大会第十六次会议通过了《河北省生态环境保护条例》，该条例中明确规定保护改善生态环境、监督管理、防治污染及其他危害、公众积极参加、相关法律责任等方面的政策，切实保护了阜平县的土地生态环境。随着城镇化的不断推进，相关部门及时做出响应，制定出台相关生态环境的保护政策，增加绿地，降低农用化肥及地膜的使用量，提高农业科技水平，不断重视污水及生活垃圾的处理方式，积极改善阜平县的土地生态环境。

图4 目标层土地生态安全预警实际值和拟合值Figure 4 Actual value and fitting value of land ecological security early warning in target layer

4 结论与讨论

2012-2017年阜平县土地生态安全状况逐渐改善，警情等级由重警变为中警，压力层、状态层及响应层的土地生态安全综合预警指数均呈上升趋势，表明区域土地生态安全发展趋势良好。2012年以来阜平县相关部门应对土地生态环境的变化做出积极响应，环境上不断提高绿地覆盖率，土地上严格控制化肥及地膜使用，切实保护耕地，科技上落实保护土地生态的农业技术，以有效缓解土地生态的压力。积极推进产业发展，根据各产业的发展特色，合理优化产业结构，促进产业经济，大力发展对生态环境影响较低的产业，在经济发展得到保障的同时，自然生态环境的保护也要同步关注。

利用灰色系统理论GM(1，1)预测模型，计算推导得出2018-2022年阜平县土地生态安全综合预警值，未来5 a警情等级由中警变为轻警，土地生态安全状况不断改善，压力层、状态层及响应层的土地生态安全综合预警指数相应的也呈上升趋势。因此阜平县在今后的发展中更应加强对土地生态环境的管理力度，顺应大自然生态规律，合理改善土地生态安全系统的结构，提高农村土地节约集约利用，推进土地整理活动，同时也要关注人类生活生产中产生的污染，全力打好污染防治攻坚战，降低人类活动对土地生态安全产生的影响。

利用熵权灰色系统理论GM(1，1)预测模型对阜平县土地生态安全状况进行预测预警，客观熵权与误差较小的GM(1，1)预测模型相结合，使土地生态安全的预测结果更准确，但由于数据获取的有限性，选取的指标比较局限，土地生态安全预警也仅从单一的时间方面分析。故在今后的研究中应关注预警指标的选取，使指标体系更加丰富完善，预警也应从单一的时间分析转向时空格局的综合分析，从时间和空间2个角度分析，使土地生态安全预警的内容更全面客观。