基于PSR 模型及熵权法的土地生态安全评价研究——以兰州市为例

马 婷，邵战林

（新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐 830052）

生态安全是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会次序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态［1］，土地生态安全则是强调在土地生态系统内部，在时空范围内保持健康、平衡，从而提供给人类经济社会以均衡且稳定的自然资源，使得土地在自然和经济社会日渐快速发展中不断协调［2］。2016年国务院发布的《十三五生态环境保护规划》中，重点强调了要对土地生态环境进行修护和治理。2017年习总书记在十九大报告中指出，满足人民日益增长美好生活需求的同时，对生态环境和生态文明的要求也随之提高［3］。然而，尽管人们在不断加强生态保护，但生态安全问题依然存在，根据有关数据统计，2012年中国水土流失面积占37%，土地盐碱化面积达12.24%，并呈不断上升的态势［4］。2018年农作物受灾面积高达20 814 khm2。

兰州市地处中国几何中心，是西北地区的重要枢纽，在工业和交通等方面占据重要地位，其土地生态安全对于本地区的发展有着极其重要的意义，近年来随着社会经济水平的加快和城镇化进程的推进，兰州市土地退化、水土流失和沙尘暴等土地问题频频发生。解决对土地资源的强烈需求与合理改善生态环境之间的矛盾成为城市发展需要考虑的首要问题，本研究运用PSR 模型和熵权法，选取2007—2016年的面板数据，对兰州市近10年的土地生态安全进行评价，旨在为兰州市改善土地生态安全问题提供一定的参考。

1 研究区概况

兰州市地处陇西黄土高原的西部，介于北纬35°34'20″—37°07'07″，东经102°35'58″—104°34'29″，全年平均气温11.4 ℃，平均降水量332.2 mm。全市总面积13 085.6 km2，辖5 个区3 个县，市区面积1 631.6 km2，2016年末，全市户籍人口324.23 万人，常住人口370.55 万人，比上年末增加1.24 万人［5］，市区南北皆为高山，黄河横穿市区中心。地势自西南向东北倾斜，地形狭长，地貌复杂多样，干旱区域广，植被较少且分布不均，受地理环境和人为影响，土地退化、水土流失等问题严重。在此基础上，对兰州市的土地生态安全进行评价就显得尤为重要。

2 数据来源与研究方法

2.1 指标选取与数据来源

指标体系既要体现研究区域本身的经济现状，也要体现其区域内特有的、具有代表性的土地生态现状，从而使土地生态安全评价更准确、严谨。PSR模型从土地生态压力系统、土地生态状态系统以及土地生态响应系统3 个方面作为评价的准则层，在该评价指标体系中，压力层指人口增长和产业活动对土地的影响，状态层指城镇化及各类用地活动的基本状态，响应层指为了改变土地生态安全状态社会所做的各种努力。

本研究遵循了指标选择的科学性、可比性和可获取性等原则，参考有关研究成果［6，7］，结合兰州市具体实际情况，选取了人口密度、人均耕地面积、旱涝保收面积等16 个指标，根据指标与土地生态安全的影响关系将其安全趋向性分为“+”和“-”。其中，正向指标指数值越大会对当地的土地生态安全产生积极作用；负向指标指数值越大会对当地的土地生态安全产生消极影响（表1）。

表1 兰州市土地资源生态安全评价指标体系

研究数据来源于《甘肃发展年鉴》（2008—2017年）、《兰州市统计年鉴》（2008—2017年）。

2.2 方法

2.2.1 研究方法 20 世纪80年代末，PSR 模型由经济合作和开发组织（OECD）与联合国环境署（UNEP）提出，经过多年的发展和学者们的运用，目前已经成为生态安全评价方面成熟的模型之一［8］。PSR 模型即压力（Pressure）-状态（State）-响应（Response）模型，该模型不仅能体现人类社会与生态系统的关系，又能将自然资源、社会、经济有效联系起来，因此，本研究选取该模型对兰州市的土地生态安全进行评价。

熵权法是一种客观赋权方法，可以有效避免主观赋权法的部分不足，因此，本研究基于PSR 模型选取了16 个指标，并结合熵权法对兰州市2007—2016年土地生态安全进行评价。

2.2.2 评价指标权重的确定

1）数据标准化。为消除指标间不同量纲的影响，对原始数据矩阵进行标准化处理，对于趋向性不同的指标有不同的公式，如下所示。

式中，yij代表第j年第i个评价指标原始值；y'ij代表第j年第i个评价指标标准化后的数值；yijmax代表第i个评价指标的最大值，yijmin代表第i个评价指标的最小值。

2）计算指标权重。依据标准化数据，用熵权法确定各个指标的权重，步骤如下。

当Fij=0 时，令FijlnFij= 0

各指标的权重值如表1 所示。

3）土地生态安全指数计算。安全指数分为准则层安全指数和目标层安全指数，公式如下。

式中，Yij是单个指标的标准化值；Wj为单项指标权重；U总为安全综合指数，为0～1，安全综合指数越靠近1，表明研究区域土地生态安全度越高，安全综合指数越接近0，则表明研究区域土地生态安全度越低。

4）土地生态安全级别划分。结合兰州市土地生态安全指数，参考已有研究成果［9，10］，本研究将兰州市土地生态安全分为不安全、较不安全、临界安全、较安全、安全5 个等级，安全等级划分结果见表2。并根据表2 确定2007—2016年兰州市土地生态安全综合指数的安全等级。

表2 兰州市土地生态安全评价标准和安全等级

3 结果与分析

3.1 土地生态安全压力系统分析

由图1 可以看出，①整体而言，2007—2016年兰州市的土地生态安全压力指数呈下降趋势，从研究期初的0.287 0 下降到研究期末的0.206 9。②其具体变化趋势为先下降后上升再下降。2007—2014年压力指数从0.287 0 下降到0.126 1；2014—2015年压力指数从0.126 1 上升到0.238 3；2015—2016年压力指数从0.238 3 下降到0.206 9。③依据土地生态安全等级来看，2007—2010年压力指数皆处于较不安全的状态，而2011—2014年除2012年压力指数处于较不安全的状态外，其余年份压力指数皆处于不安全的状态，2015—2016年压力指数上升至较不安全的状态。

图1 兰州市2007—2016年土地生态安全压力指数变化情况

2007—2016年兰州市的土地生态安全压力指数整体处于较不安全及不安全状态的原因如下。①2007—2014年兰州市处于社会经济快速发展的阶段，人口密度从期初的244 人/km2增长到期末的286人/km2，人口自然增长率更是在2014年达8.14‰，2014年兰州市的人口压力和土地承载压力达到研究期内最大值，因此，2014年的土地生态压力指数下降至研究期内最低值。②2015—2016年人口密度和人口自然增长率皆有所下降，其对土地的压力有所减缓，且第一产业比重不断下降、第三产业比重不断增加，但在2015—2016年第二产业的比重由期初的45.87%下降至期末的34.75%，使得土地生态压力指数稍有下降，但依然处于较不安全的状态。

3.2 土地生态安全状态系统分析

由图2 可以看出，①整体而言，2007—2016年兰州市的土地生态安全状态指数呈波动下降趋势，且波动不大，从2007年的0.164 8 下降到2016年的0.073 4。②其具体变化趋势为先下降后上升再下降。2007—2012年状态指数由0.164 8 下降到0.111 4；2012—2014年土地状态指数由0.111 4上升到0.135 8；2015—2016年状态指数由0.135 8 下降到0.073 4。③依据土地生态安全等级来看，2007—2016年状态指数皆处于不安全的状态。

图2 兰州市2007—2016年土地生态安全状态指数变化情况

分析2007—2016年状态指数处于不安全状态的原因。①人均耕地面积和耕地面积占总面积的比重不断下降，人均耕地面积从期初的0.065 8 hm2/人下降到期末的0.062 7 hm2/人，耕地面积占总面积的比重从期初的15.93%下降到期末的15.40%，由此可见，耕地面积越来越少，使得原本就不高的土地生态安全状态指数越来越低。②城镇化率和房屋施工面积分别越来越高、越大，城镇化率从期初的62.18%增加到期末的68.70%，房屋施工面积由期初的1 205.57 hm2增加到期末的4 877.02 hm2，可见，随着城镇化的加快，各类建设用地面积增加速度加快的同时，使得土地生态安全状态愈发紧张。③2014年人均耕地面积达到了研究期内最大值0.066 2 hm2/人，且该年城镇化率为62.53%，较研究期内其他年份低，因此，2014年土地生态安全状态指数有所上升；2016年城镇化率达到了研究期内最大值，而人均耕地面积达到研究期内最小值，因此2016年的土地生态安全状态指数为研究期内最小值。

3.3 土地生态安全响应系统分析

由图3 可以看出，①整体而言，2007—2016年兰州市的土地生态安全响应指数呈波动上升趋势。②具体变化趋势为先上升后下降再上升，2007—2010年响应指数从0.045 9 上升到0.138 9；2010—2012年响应指数从0.138 9 下降到0.098 3，2012—2016年响应指数从0.098 3 上升到0.329 0。③依据土地生态安全等级来看，2007—2013年兰州市的土地生态响应指数处于不安全的状态，2014—2016年兰州市的土地生态响应指数处于较不安全的状态。

图3 兰州市2007—2016年土地生态安全响应指数变化情况

分析2007—2016年兰州市土地生态响应指数处于不安全或较不安全状态的原因。①随着产业结构的转型和经济水平的快速发展，城市居民人均收入和农民人均收入增长较快，城市居民人均收入由期初的10 271 元增加到期末的29 661 元，农民人均收入由期初的3 103 元增加到期末的10 391 元，在人均收入整体提高的前提下，人们对于土地安全的保护意识也会越来越高。②旱涝保收面积、有效灌溉面积占耕地面积比重及荒山荒（沙）地造林面积都在增加，旱涝保收面积从期初的85.99 hm2增加到期末的116.45 hm2，有效灌溉面积占耕地面积比重从期初的36.12%增加到期末的40.15%，荒山荒（沙）地造林面积由期初的7.38 hm2增加到期末的8.95 hm2，这表明在2007—2016年，兰州市为了改变土地生态安全状态而做的各种努力越来越多，因此，土地生态安全响应指数越来越高。③2011年旱涝保收面积为研究期内最低值，仅为82.28 hm2，且有效灌溉面积和荒山荒（沙）地造林面积较研究期内其他年份低，因此，2011年的土地生态安全响应指数有所下降。

3.4 土地生态安全系统综合分析

2007—2016年兰州市土地生态综合安全指数呈波动式上升趋势，且波动幅度较小，如图4 所示。2007—2009年综合指数从0.497 7 下降到0.477 7，安全等级处于临界安全的状态，2009—2010年综合指数由0.477 7 增加到0.500 0，安全等级仍然处于临界安全的状态，2011—2016年综合指数由0.353 7 增加到0.629 3，安全等级由较不安全变为较安全状态。

图4 兰州市2007—2016年土地生态安全综合指数变化情况

结合2007—2016年的数据分析，考虑兰州市的土地生态系统综合指数由土地生态压力系统、土地生态状态系统以及土地生态响应系统共同影响，分析其原因如下。

1）2007—2009年兰州市人口密度和总人口数增加，且第二产业比重上升，土地压力随之加大，土地生态安全综合指数由0.497 7 下降至0.477 7；与此同时，人均耕地面积不断减少，城镇化率不断升高，使得土地生态状态指数也在下降，尽管2007—2009年土地生态响应指数在增加，但是极大的破坏与较少部分的努力保护依旧不能平衡，因此，土地生态安全总指数在下降。

2）2010年兰州市的人口自然增长率为2007—2016年最低值，与2009年相比，人口密度、总人口数有所下降，因此其土地生态安全压力指数下降，且2010年土地生态响应指数明显上升，这就使得土地生态安全总指数上升。

3）2011年兰州市土地生态压力指数、状态指数及响应指数都比较低，且2011年土地生态综合指数受响应指数影响较大，2011年旱涝保收面积和荒山荒（沙）地造林面积为研究期内最低值，因此，2011年的土地生态综合指数下降较明显。

4）2011—2016年第一产业比重和第二产业比重在不断降低，第三产业比重在稳定增加，完成了产业转型的同时，人口总数增加缓慢，相对研究期初，土地承载压力有所下降，土地生态安全压力指数上升，尽管土地生态安全状态指数在缓慢下降，但是社会为改变土地生态安全问题进行了越来越多的努力，土地生态安全响应指数在2016年达到了最高值（0.329 0），因而2010—2016年土地生态安全综合指数在不断上升，且在2016年达到了研究期内最高值（0.629 3）。

4 小结与讨论

本研究对2007—2016年的数据进行分析，可以看出兰州市土地安全生态综合指数呈波动上升趋势，安全等级由临界安全变为较不安全再变为较安全的状态。①2007—2010年兰州市的土地生态安全综合指数由0.497 7 上升至0.500 0，皆处于临界安全的状态。②2011年土地生态安全综合指数明显下降，由2010年的0.500 0 降至2011年的0.353 7，处于较不安全的状态。③2012—2015年兰州市的土地生态综合指数呈上升趋势，由2012年的0.428 0上升至2015年的0.548 5，处于临界安全的状态。④2016年兰州市的土地生态安全综合指数由2015年的0.548 5 上升至2016年的0.629 3，安全等级变为较安全。

可以看出，2007—2016年兰州市的土地生态安全状况已经在社会努力的影响下有所好转，土地生态安全压力指数有所上升，表明土地安全生态压力在不断减小，土地生态安全状态指数依旧在缓慢下降，其生态安全状态系统依旧存在较严重的问题，但土地生态安全响应指数在稳定增加，表明社会为了改变土地生态安全方面的问题采取的努力越来越多。总体来看，兰州市的土地功能整体状态形势向好，相信经过生态系统的自我调节和社会的不断努力，未来兰州市的土地生态安全状态会更好。

尽管2016年兰州市土地生态安全综合指数已经处于较安全的等级，但人口压力依旧在增加，耕地面积减少等问题仍然存在，为了保证兰州市社会经济能够在稳定的生态环境中继续发展，首要任务就是确保土地生态安全问题得到解决，并且要防患于未然，这就要求在推进城市化与经济增长的过程中，要进一步控制人口的快速增长，减缓人口压力，继续推进产业优化，引导合理利用各类土地，严格落实各级土地利用规划，加大政府对土地生态安全问题的整治力度和财政投入，加强宣传教育，提高公民的素质。

PSR 模型在土地生态评价中已经是运用较为成熟的模型，但是由于选取指标的不同会对最终的结果造成一定的影响；而本研究只运用了熵权法确定各项指标的权重，对最终的结果也有一定程度的影响，且研究期只是2007—2016年，若研究期更长，兰州市的土地生态安全变化规律会更加清晰；本研究只是对研究区整体进行了时间上的评价，若加上空间上的对比会更加完整。