甘肃省土地生态安全评价及预测实证研究

李青松， 何如海， 周颖， 陆雅雯

安徽农业大学经济管理学院， 安徽 合肥 230036

土地作为一个自然经济综合体是人类赖以生存和发展的基础，改革开放以来，经济社会的快速发展，人口数量的增加，城镇化和工业化进程的加快，导致人们利用土地资源的强度增加，引起了植被破坏、耕地面积减少、生物多样性下降、水土流失等危害土地生态安全的现象.党的十九大提出加大生态系统保护力度，提升生态系统质量和稳定性，开展国土绿化行动.土地生态是中国生态文明建设的重要内容，是当前自然资源部面临的主要挑战之一，对区域土地生态安全进行研究具有重要意义[1].

国外对土地生态的研究起步较早，早在二十世纪四十年代就提出了有关“土地健康”的概念[2]，直至二十世纪八十年代末，“生态安全”这一术语正式出现[3].二十一世纪以来，国外学者对土地生态安全的研究多侧重于土地污染[4]、土地质量评价[5]、土地生态系统服务价值评价[6]；国内学者对土地生态安全评价的研究，在研究区域上涵盖跨省经济带，省、市、县(区)级，在研究方法上涉及RBF神经网络模型[7]、主成分分析法[8]、TOPSIS模型[9]、PSR模型[10]、物元模型[11]等.

本文选取位于我国西部地区的甘肃省作为研究区域.甘肃省位于中国西部地区，北纬32°11′～42°57′，东经92°13′～108°46′之间，总面积42.59 万km2，总人口2 637.26万人.地处黄河中上游，同时也是三大高原交汇地带，地势自西南向东北倾斜，地形狭长，气候类型多样.由于地理因素的影响，甘肃省生态环境问题表现突出，自然灾害多发.近年来，甘肃省快速发展，截至2018年，甘肃省GDP为8 246.1亿元，人均GDP约为31 267元.甘肃省作为“一带一路”上的交通大枢纽和物流大通道，其区位优势在“一带一路”中将会更加凸显，社会经济的发展对区域生态环境的影响将更加紧密.因此，对甘肃省土地生态安全进行科学的评价，测算2008年～2017年甘肃省土地生态安全指数动态变化的过程，并运用GM(1，1)模型对未来5年甘肃省土地生态安全综合指数进行预测，有利于识别甘肃省整体的土地生态安全现状，促进后期土地资源可持续利用，改善生产生活环境.

1 甘肃省土地生态安全评价和预测指标体系及模型构建

PSR模型由联合国经济合作开发署提出，由“状态—响应—压力”三部分指标建立指标体系[12]，具有较强的系统性，体现了人类与环境之间的相互作用关系.本文基于PSR模型，构建甘肃省土地生态安全评价指标体系，运用综合指数法评价甘肃省2008年～2017年的土地生态安全状况，运用灰色预测GM(1，1)模型对未来5年甘肃省土地生态安全态势进行预测.

本研究原始数据来源于《甘肃发展年鉴》(2010—2018年)、《甘肃省国民经济和社会发展统计公报》(2008—2018年)，以及《中国统计年鉴》和甘肃省官方网站公布的有关数据.

1.1 指标体系的确立

依据科学性、合理性以及数据获取的可得性原则，结合甘肃省社会经济与生态环境发展的实际情况，在借鉴已有研究成果的基础上[13]，运用PSR模型选取了具有代表性的24个评价指标构建了甘肃省土地生态安全评价指标体系(表1).

表1 甘肃省土地生态安全评价指标体系

1.2 数据标准化

由于评价指标涉及多个领域，其大小、单位、性质不尽相同，所以需要对数据进行标准化处理，在区分评价指标正负功效的情况下采用如下公式进行标准化处理：

对于正向指标

对于负向指标

式中，i表示年份，i=1,2,3,...,m；j表示第j项指标，j=1,2,3,...,n；Xij表示第i年第j项指标的原始数据值，Yij表示第i年第j项指标的标准化值.max(Xij)和min(Xij)分别表示第i年第j项指标的最大值和最小值.

1.3 指标权重确定

为确保甘肃省土地生态安全评价的准确度和客观性，本文对所选指标的权重采用熵权法确定，计算公式如下：

第j项指标熵值

第j项指标熵权

1.4 土地生态安全指数计算

依据土地生态安全综合评价模型，本文采用综合指数法计算得出甘肃省土地生态安全综合指数(表2)，计算公式如下：

表2 2008年～2017年甘肃省土地生态安全指数

式中，A表示土地生态安全指数，Yij表示第i年第j项指标的标准化值，Wj表示第j项指标的权重.

1.5 土地生态安全评价标准的划分

为了将定量的评价结果进行定性描述，必须根据该区域的实际情况对土地生态安全态势进行不同等级的综合判定.在参考相关学者研究成果的基础上[14，15]，结合甘肃省实际情况，本文将甘肃省土地生态安全评价标准划分为5个等级(表3)，2008年～2017年甘肃省土地生态安全等级见表4，土地生态安全状况见图1.

表3 甘肃省土地生态安全评价标准与安全等级

表4 2008年～2017年甘肃省土地生态安全等级

图1 2008年～2017年甘肃省土地生态安全状况

1.6 土地生态安全动态预测

利用灰色预测方法对2018年～2022年甘肃省土地生态安全状况进行预测，将2008年～2017年甘肃省土地生态安全综合指数作为数据源，在Matlab 2016软件中运行灰色预测GM(1，1)模型程序，对甘肃省未来5a土地生态安全发展趋势进行预测.

在灰色预测精度检验等级标准中，当P>0.95，C<0.35时，即为1级(好)，本研究计算所得的原始数列的还原值与实际值之间的残差值的方差C=0.199 1，最小误差概率P=1，故本预测模型效果较好.预测结果显示2018年～2022年甘肃省土地生态安全呈上升趋势(图2).

图2 2008年～2022年甘肃省土地生态安全变化趋势

2 结果与分析

2.1 土地生态安全综合分析及总体特征

通过计算得出2008年～2017年甘肃省土地生态安全指数(表2)，可以看出甘肃省土地生态安全综合指数介于0.2～0.8之间，土地生态安全水平总体呈上升趋势，略有小幅波动，综合指数由研究期内的最低值0.264 7增加到研究期内的最高值0.773 2，土地生态安全整体状况得到改善和提升，安全等级由较不安全状态转变为较安全状态.

结合表2和图1可知，2008年～2009年甘肃省土地生态安全综合指数小幅上升，从0.264 7增加到0.281 9；2009年～2011年，土地生态安全综合指数上涨较为迅速，增加到了0.444 9，由较不安全状态转变为临界安全状态.2011年～2013年，综合指数经历了先缓增后大增的过程，这是因为人均耕地面积和人均水资源总量达到研究期内的最大值.2014年较2013年而言，土地生态安全综合指数略有下降，下降幅度仅为0.005 7，主要是由自然保护区面积的减少和工业固废综合利用率的降低所引起的.2014年～2017年，甘肃省土地生态安全综合指数逐年上升，从0.586 7增加到0.773 2，自2015年起至2017年，甘肃省土地生态安全等级处于较安全时期，生态环境得到改善，人地关系较为和谐.主要原因是虽然甘肃省的生态环境基础较差，水土流失和荒漠化问题突出，但是经过十年的发展，经济发展水平提高，三次产业的合理布局，节能减排力度的加大，农业机械化水平增加，更重要的是对绿色发展的重视.甘肃省下大力气植树造林，进行土地整治与生态恢复，土地生态潜力得到释放，水土协调度增加.

2.2 土地生态安全压力指数分析

由表2和图1可知，2008年～2017年，甘肃省土地生态安全压力指数呈现波动上升趋势，经历了先上升后下降再上升的过程.2008年～2011年，压力指数从0.120 5增加到0.167 0，只在2009年有小幅下降，下降了0.003 4；2012年，压力指数出现研究期内最大幅度下降，下降了0.028 7，主要是农业生产上化肥施用量较往年增加明显，经济增长稳中有进.2013年～2017年，压力指数从0.181 3增加到0.233 0，中期增长放缓并出现小幅下降.在整个研究期内，甘肃省城镇化水平增加14.24 %，人口密度由56.187 人/km2增加到61.665 人/km2，全省经济密度翻番，节能减排成效显著，二氧化硫排放量减少约一半.但在农业生产上，化肥和塑料薄膜使用量有所增加，尤其是塑料薄膜使用量增加显著，研究期末单位耕地面积塑料薄膜施用量为32.021 kg/hm2，比研究期初的19.616 kg/hm2增长了63.24 %.经济的发展和人口的增加，导致人民对农产品的需求旺盛，农业生产想获得产量的增长，会增加化肥农药以及塑料薄膜的使用，但过度使用化肥农药、塑料薄膜不利于土地生态环境的改良.

2.3 土地生态安全状态指数分析

由表2和图1可知，2008年～2017年，甘肃省土地生态安全状态指数整体呈现先增长后下降再增长的趋势.2008年～2013年，状态指数从0.023 6增加到0.300 8，2013年～2015年，状态指数从0.300 8下降到0.269 6，2015年～2017年，状态指数回增到了0.346 7.研究期内，甘肃省人均GDP从2005年的12 250元增加到2017年的28 497元，单位面积粮食产量从2005年的191.73 kg/hm2增加到2017年的259.72 kg/hm2.甘肃省深居内陆，大部分地区气候干燥，干旱、半干旱区占总面积的75 %.降水量不多且相对集中，易引发干旱或暴雨洪涝灾害.人口数量的增加，导致相对人均水资源总量的减少，2017年甘肃省平均降水量451.6 mm，为近3年最多.农业基础设施的改善和机械化水平的提高，降低了农业成灾率，提高了农业机耕水平，促进粮食产量的增加.同时，甘肃省加强土地整治与修复，耕地面积从2008年的46 237 km2增加到2017年的53 777 km2，受人口数量和耕地面积变化的影响，人均耕地面积呈现增长—下降—增长的趋势.

2.4 土地生态安全响应指数分析

由表2和图1可知，2008年～2017年，甘肃省土地生态安全响应指数较不稳定，中间段涨落起伏较大.2008年～2011年，响应指数从0.120 6增加到0.172 0，2011年～2014年，响应指数从0.172 0下降到0.102 1，2014年～2017年，响应指数从0.102 1增加到0.193 5.随着社会经济的发展，甘肃省的基础设施开发投资增多，因交通建设、矿山开采引发的人为性的水土流失有所增加.研究期内，甘肃省水土流失面积从2008年的154 594.5 km2增加到281 288 km2，水土流失治理速度远落后于水土流失的速度.2013年～2014年，有关部门对水土流失治理和节能环保支出重视程度不够，工业固废综合利用率也出现明显下滑，导致响应指数在2014年达到最低水平.2015年～2017年，甘肃省经济发展水平持续上升，2007年，农村人均可支配收入达到8 076元，造林面积达到3 230.2 km2，水土流失治理强度加大，节能环保支出占GDP的比重有所增加，响应指数回升.

2.5 土地生态安全预测结果分析

灰色预测GM(1，1)模型的预测结果显示2018年～2022年甘肃省土地生态安全水平呈上升趋势，土地生态安全等级后期达到安全状态.土地生态安全水平的不断提高，将有利于农业生产水平和人居环境的改善，促进甘肃省的社会经济发展、“一带一路”建设和生态文明建设，从而形成社会经济—生态环境互相影响的良性循环.

3 结论与对策

3.1 结论

2008年～2017年，甘肃省土地生态安全压力指数呈现波动上升趋势，经历了先上升后下降再上升的过程，从0.120 5下降到0.181 3后又增加到0.233 0；土地生态安全状态指数整体上呈上升趋势，从0.023 6增加到0.346 7，只在2013年～2015年间从0.300 8下降到0.269 6，较增长幅度而言，下降幅度较小.土地生态安全响应指数较不稳定，从2008年的0.120 6增加到2011年的0.172 0，从2011年的0.172 0下降到2014年的0.102 1，又从2014年的0.102 1增加到2017年的0.193 5.

2008年～2017年，甘肃省土地生态安全综合指数呈上升趋势，略有小幅波动，从0.264 7增加到0.773 2，安全等级由较不安全状态转变为较安全状态，土地生态安全整体状况得到改善和提升.甘肃省在本研究期内的土地生态安全综合指数的增加主要是由状态指数的增加所引起的，说明近年来甘肃省在经济发展、园林绿化和农业生产上取得一定成效.结合2018年～2022年甘肃省土地生态安全综合指数的预测情况来看，2018年土地生态安全等级将达到安全状态.

3.2 对策

首先，加快对接“一带一路”建设的同时，提高第三产业比重，推进经济增长方式转变.甘肃省应奋力抢占“一带一路”建设的五个制高点，集中力量培育发展生态产业，发挥财政对节能环保产业的扶持力度，推进供给侧结构性改革.改变以往低效、落后的发展方式，向清洁、高效、环保的生产方式转变.

其次，大力推进乡村振兴，推广农业生态模式.甘肃省应改变传统的农业生产方式，科学与平衡施肥，科学合理使用塑料薄膜，加强耕地保护，做到用地养地相结合.同时，大力发展新兴绿色产业，培育壮大特色绿色产业.放大比较优势，打造产业集群.实施农产品加工业提升行动，打造具有甘肃特色的“现代丝路寒旱农业”.

最后，运用3S技术建立土地生态安全预警体系.甘肃省应尽快完成农用地土壤污染状况详查，实施土壤污染治理与修复技术应用试点项目.着力解决突出的环境问题，定战略、出政策、上项目务必坚守生态环保红线底线，并构建土地生态安全的法律体系及监管体系，广泛发动人民群众参与生态文明建设.