基于PSR模型的延安市土地生态安全评价

朱景蕊，张 华

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029）

土地生态安全是指土地所处的生态环境处于一种不受或少受威胁与破坏的健康、平衡状态，即在一定地域空间范围内，通过土地资源科学合理地利用和管理，维持土地资源与人类的协调发展，从而实现自然、经济和社会的可持续发展。土地是人类生产生活的基础保障，土地生态安全评价能够为区域生态环境的保护与治理、土地规划与合理利用、相关部门决策的制定提供服务［1］，由此引起众多学者的关注。国内学者主要运用PSR模型［2］、自然-社会-经济模型［3］、DPSIR模型［4］、EES模型［5］、三角模型［6，7］等，对不同区域尤其是环境变化较为敏感的西北部生态脆弱区土地生态安全做了大量研究［6-10］。例如，马轩凯等［6］运用三角模型，对西北干旱地区绿洲城市库尔勒市的土地生态安全状况进行评价，并对其主要影响因子进行分析；程东林等［7］运用三角模型，从经济持续性、社会和谐性、生态合理性3方面选取指标，构建土地生态安全评价指标体系，对西北生态脆弱区城市兰州市的土地生态安全状况进行时序性评价；刘凌冰等［8］、杨倩倩等［9］采用PSR框架模型，构建土地生态安全评价指标体系，对西北荒漠化地区和西北干旱区的土地生态安全状况进行动态评价。

延安市位于黄土高原腹地，是西北地区乃至全国水土流失最严重的区域之一，其土地利用生态问题尤为突出。近年来，周晓［11］基于延安市2000、2010、2015年的遥感影像解译数据，从植被生长状况、土地利用程度、气候稳定性和水土流失4个方面构建评价指标体系，对延安市土地利用变化与土地生态风险进行评价分析；许康［12］基于土地利用变更调查数据，对延安市土地利用景观生态、生态系统服务价值和土地生态敏感性进行评价分析；刘晓涵［13］基于2000、2005、2010、2017年4期的土地利用覆被遥感数据，结合统计年鉴数据，对延安市土地利用变化的原因进行探讨分析；吴金华等［14］基于ArcGIS区统计评价方法，对延安市土地生态敏感性进行评价。上述研究成果为促进延安市土地资源可持续利用提供了科学依据。基于长时间序列延安市土地生态安全动态变化态势的相关研究尚不多见，本研究以延安市2009—2019年统计年鉴数据为数据源，运用PSR模型，从压力、状态、响应3个层面选取适宜的影响因子构建土地生态安全评价指标体系，基于土地生态安全压力指数、状态指数、响应指数和综合指数，对2009—2019年延安市土地生态安全动态变化态势进行系统评价分析，并建立因子障碍度模型，辨识其土地生态安全的主要限制因素，以期为延安市土地可持续利用决策的制定提供科学支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

延安市地处黄河中游，介于北纬35°21′—37°31′，东经107°41′—110°31′，地势西北高东南低，地貌以高原和丘陵为主，属于黄土高原丘陵沟壑区。该区属于暖温带半湿润易旱气候，全年气候变化受制于季风环流，昼夜温差大，气象灾害频发。境内有多条河流，均属黄河水系。土壤以黄绵土为主，土质疏松，透水性和可耕性好，多集中分布在坡度较大且植被稀疏地区，土壤侵蚀严重，2019年水土保持治理面积达5.96×104hm2，累计水土保持治理面积达1.61×106hm2。植被类型主要有暖温带落叶阔叶林、暖温带针叶林和暖温带灌丛群落。延安市总面积3.7×104km2，下辖2个市辖区、10个县，代管1个县级市。2019年城镇化率38.71%，生产总值GDP达1.66×1011元，人均生产总值7.37×104元。

1.2 数据来源

本研究的基础数据主要来源于《延安市统计年鉴（2009—2019年）》《陕西统计年鉴（2009—2019年）》《陕西区域统计年鉴（2009—2019年）》。

2 研究方法

2.1 研究指标体系构建及权重确定

PSR模型是20世纪80年代联合国经济合作开发署与联合国环境规划署提出的定量测量生态安全的概念模型。其中，P代表压力，反映人类活动对环境资源造成的负荷；S代表状态，反映自然资源与生态系统的状况；R代表响应，表明人类面临的资源环境问题所采取的措施。本研究基于PSR模型选取能客观反映延安市土地利用及社会经济发展状况的31个因子，构建土地生态安全评价指标体系（表1），其中，正向指标（+）指数值越大，生态安全状况越好，负向指标（-）指数值越小，生态安全状况越好［15］。

表1 延安市土地生态安全评价指标体系

1）数据标准化处理。采用最大离差法对原始数据进行标准化处理。

正向指标：

负向指标：

式中，Xij为各指标的实际测量值，i为年份序列，j为指标序列，Pij为各项指标的标准量化值，Pij∈［0，1］。其中，0表示同一指标中某一年相比其他年份所处的最差状态；1表示同一指标中某一年相比其他年份所处的最好状态。

2）指标权重确定。采用熵值法确定各指标的权重，首先进行指标的同度量，计算公式如下：

令ej为第j项指标的信息熵，公式如下：

式中，fij为指标Pij的比重，若假设fij=0时，则fij×lnfij=0；常数K与系统的年份序列项数n有关，一般定义K=1 lnn；Wj为各指标权重值。

2.2 土地生态安全指数计算

1）土地生态安全综合指数（ESCV）。计算公式如下：

2）土地生态安全压力（P）、状态（S）、响应（R）指数（ESC）。计算公式如下：

式中，0≤W≤1。ESC为土地生态安全压力、状态、响应指数值。其数值越大，表征延安市土地生态安全在压力、状态、响应的安全程度越高。

2.3 土地生态安全等级划分

土地生态安全评价的最关键环节是制定评价标准，中国现阶段土地生态安全评价尚未形成统一的评价标准，需要因地制宜。土地生态安全等级划分参照国家标准及相关行业标准和大量参考文献［2，15-18］，设置土地生态安全5个等级作为延安市土地生态安全的等级标准（表2）。

表2 延安市土地生态安全等级划分

2.4 因子障碍度模型

土地生态安全评价仅是对区域土地生态安全系统的定量评估，要想辨识出土地生态安全的主要限制因素，还需要对研究区域进行因子障碍度计算及排序［17］。通过引入因子贡献度（Ii）、指标偏离度（Jij）、指标障碍度（Aij）3个指标建立因子障碍度模型，对延安市土地生态安全状况进一步分析。

式中，Ii=Wj，Jij=1-Ej。Ej为单项指标的安全指数；Ii为第j项指标对系统的贡献程度，一般可以用Wj来表示；Jij为第i年第j项指标土地生态安全值的偏离度，即不安全指数；Aij为指标层的第j项指标在第i年的障碍度。

3 结果与分析

3.1 土地生态安全压力指数变化趋势分析

2009—2019年延安市土地生态安全压力指数整体呈下降趋势（图1），由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市的土地生态安全状况面临的压力不断增大（集合负向指标计算的指数值越小，生态压力相对越大，生态安全程度越低［18］）。具体来看，2009—2019年延安市原煤产量增幅150.75%、农业塑料薄膜使用量增幅55.93%、农业化肥施用量增幅23.94%、常住人口增幅3.92%、人口密度增幅3.91%，这主要由于西部大开发战略政策带动了更多外来人口迁入延安市，使延安市人口密度增大，人地矛盾日益突出。加之延安市经济结构以第一、二产业为主，农业化肥和塑料薄膜的大量使用，造成农业面源污染加重，使土地质量下降；同时以采煤采油为主的工业快速发展，对土地资源造成压力。

图1 2009—2019年延安市土地生态安全压力指数

3.2 土地生态安全状态指数变化趋势分析

2009—2019年延安市土地生态安全状态指数整体呈波动上升的趋势（图2），由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，其中，2009—2012年处于上升阶段，升幅275.41%；2012—2013年处于下降阶段，降幅35.52%；2013—2016年处于上升阶段，升幅103.27%；2016—2017年处于下降阶段，降幅18.22%；2017—2019年处于上升阶段，升幅19.04%。由此表明，延安市土地生态安全状态虽波动较大，但明显向好的方向发展。究其原因，2009—2012年，延安市经济快速协调发展，即工农业发展和第三产业协调发展，同时2012年延安市开始实施“中疏外扩、上山建城”的发展战略［19］，建立新城区，缓解了城区土地后备资源不足的问题，使得生产总值增幅77.38%、全部工业总产值增幅72.31%、第三产业增加量增幅50.54%、旱涝保收面积增幅26.68%；2012—2013年，由于延安市地处黄土高原腹地，土层易破碎，如遇到一定强度和时长的降水，极易可能发生山体滑坡、泥石流等自然灾害，2013年因遇特大暴雨自然灾害［20］，对延安市的通讯、交通、水利设施等基础设施造成严重破坏，使得国家基建面积减幅64.54%、旱涝保收面积减幅44.43%、年末牛羊存栏量减幅14.12%；2013—2016年，延安市第三产业快速发展带动了经济整体发展，将政府盈余的财政收入用于灾后重建工作，缓解了土地资源短缺的问题，第三产业增加量增幅34.83%、国家基建面积增幅484.63%、年末牛羊存栏量增幅28.30%、旱涝保收面积增幅24.10%；2016—2017年，延安市极端气候频繁出现，时常造成冰雹灾害［21］，使得国家基建面积减幅47.83%、年末牛羊存栏量减幅21.81%、粮食产量减幅14.75%；2017—2019年，延安市积极促进经济发展，提高了单位土地面积的产值，使得生产总值增幅27.20%、第三产业增加量增幅23.95%、农林牧副渔总产值增幅14.18%。

图2 2009—2019年延安市土地生态安全状态指数

3.3 土地生态安全响应指数变化趋势分析

2009—2019年延安市土地生态安全响应指数整体呈小幅度波动上升趋势（图3），由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%。其中，2009—2015年处于上升阶段，升幅362.65%；2015—2017年处于下降阶段，降幅16.59%；2017—2019年处于上升阶段，升幅35.52%。由此表明，延安市土地生态安全响应在波动中明显向好的方向发展。究其原因，2009—2015年，延安市积极响应国家第十一个五年计划和全面建成小康社会和西部经济强市的政策［22］，并积极发展红色旅游文化，使得全社会固定资产投资增幅193.67%、旅游综合收入增幅257.46%、农村居民人均可支配收入增幅129.90%、农林水支出增幅125.45%、节能环保支出增幅73.89%、人均生产总值增幅63.19%；2015—2017年，延安市全社会固定资产投资的减少，导致经济收入减少，使得当年造林投入的资金和造林面积减少［23］，全社会固定资产投资减幅21.59%、当年造林面积减幅30.62%；2017—2019年，延安市积极响应国家第十三个五年计划，尤其在2017年大力实施“高端能化强市，特色产业富民，文化旅游带动，生态环境提升，城乡一体发展”战略［24］，促进经济与生态协调发展，旅游综合收入增幅65.82%、人均生产总值增幅27.22%、节能环保支出增幅97.39%。

图3 2009—2019年延安市土地生态安全响应指数

3.4 土地生态安全综合指数变化趋势分析

2009—2019年延安市土地生态安全综合指数整体呈现波动上升趋势（表3），由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%。其中，2009—2012年处于上升阶段，升幅20.14%，2012—2013年处于下降阶段，降幅18.58%，2013—2016年处于上升阶段，升幅27.35%，2016—2017年处于小幅度下降阶段，降幅16.33%，2017—2019年处于上升阶段，升幅30.82%。从土地生态安全等级划分标准来衡量，虽然延安市2009、2013年土地生态处于较不安全状态，2010—2012、2014—2018年土地生态处于临界安全状态，但2019年处于较安全状态，即延安市土地生态由2009年的较不安全转变为2019年的较安全。究其原因，延安市2009—2019年积极响应国家相关政策，注重经济发展并着力协调经济结构，同时加强生态环境保护的力度，这些使土地生态安全状态得到改善以及土地生态安全响应水平得到提高，土地生态安全状况整体向好的方向发展。但由于延安市经济发展过程中超出土地生态承载力，使土地生态安全面临的压力增大，同时研究时段的延安市自然气象灾害频发，导致部分年份的土地生态安全状态变差，因此，延安市2009—2019年部分年份的土地生态安全处于较不安全的状态。

表3 2009—2019年延安市土地生态安全综合指数及安全等级

3.5 土地生态安全因子障碍度模型分析

由于延安市土地生态安全评价因子较多，选取障碍度数值排前3位的评价因子进行排序（表4）发现，2009—2019年影响延安市土地生态安全的主要障碍因子为农业化肥施用量（C5，属于压力指数层）、原煤产量（C4，属于压力指数层）、年末牛羊存栏量（C14，属于状态指数层），表明农业化肥施用量、原煤产量、年末牛羊存栏量是影响延安市土地生态安全的主要限制因素。

表4 2009—2019年延安市土地生态安全指标层主要障碍因子障碍度及前三排序

4 小结与讨论

2009—2019年延安市土地生态安全压力指数整体呈下降趋势，由2009年的0.314 6下降至2019年的0.128 9，降幅59.03%，表明延安市土地生态安全状况面临的压力不断增大；延安市土地生态安全状态指数整体呈波动上升趋势，由2009年的0.049 2上升至2019年的0.235 7，升幅379.07%，表明延安市土地生态安全状态在波动中明显向好的方向发展；延安市土地生态安全响应指数整体呈小幅度波动上升趋势，由2009年的0.034 0上升至2019年的0.177 8，升幅422.94%，表明延安市土地生态安全响应在波动中明显向好的方向发展。

由于土地生态安全压力、状态、响应的状况共同决定了土地生态安全综合状况。2009—2019年，延安市土地生态安全综合指数整体呈波动上升趋势，由2009年的0.397 8上升至2019年的0.542 4，升幅36.35%；土地生态安全等级由2009年的较不安全提高到2019年的较安全。

通过因子障碍度模型得出，农业化肥施用量（C5）、原煤产量（C4）、年末牛羊存栏量（C14）是影响延安市土地生态安全的主要限制因素。

综上所述，延安市2009—2019年土地生态安全状况整体有所好转，这主要得益于延安市积极响应国家相关政策，在注重经济发展的同时着力协调经济结构，并重视生态环境保护的建设，但仍需注意经济发展过快所导致的农业化肥使用量和原煤产量增加，并且极端气候所导致的年末牛羊存栏量减少，从而导致土地生态安全造成一定破坏的现象。因此，延安市应积极采取土地生态环境保护和气象灾害预警的相关措施，提高土地响应水平，使土地状态得到有效改善，尽量减少土地生态安全面临的压力，注重经济和生态效益充分结合，形成经济效益与生态效益相结合的良性循环态势。