基于PSR模型的太原市土地生态安全评价及障碍因子分析

李 菲，李 媛

（1.长安大学 马克思主义学院，西安 710064；2.长安大学 人文学院，西安 710064）

0 引言

生态安全不仅关系着土地生态系统结构与功能的健康，同时也影响着社会经济发展与农业可持续发展[1]。土地是人类进行一切社会生产活动的重要前提，更是关系到人类生存与发展的重要的自然资源。随着城市的进一步建设与发展，水污染、城市垃圾处理不当、人地矛盾加大等问题对土地生态安全造成了一定程度的威胁，使得土地生态安全脆弱性日益显著[2]。因此，在土地可持续利用的相关研究方面，土地生态安全逐渐成为各位专家、学者进行评价研究的学科热点，采用RS与GIS[3]、广义相加模型[4]、层次分析法[5]、生态足迹法[6]等多种方法，以促进土地生态的可持续发展[7-8]。太原市作为山西省的省会城市，积极合理地进行土地整治工作，根据《太原市土地整治规划》，太原市依据自然地理特征、城市发展规划、土地整治潜力分布等内容，划定了六大土地重点整治区，并且积极整治“城中村”，疏导不适合在城区发展的职能，土地生态保护卓有成效。基于此，本研究采用PSR模型，根据实际情况构建适用于太原市的评价指标体系，对太原市的土地生态安全进行科学评价，并对土地生态安全障碍因子进行分析，以期了解太原市近十一年间土地生态安全现状、发展趋势以及主要影响因素，为太原市的经济、资源等持续发展提出具有一定现实意义的指导建议。

1 研究区概况

太原市位于山西省中北部，其东、北、西三面环山，中、南部是河谷平原，整个地形北高南低呈簸箕形，汾水自北向南纵贯全境，市区包括杏花岭区、迎泽区、小店区、尖草坪区、万柏林区和晋源区在内的六区，市区外包括清徐县、娄烦县、阳曲县、古交市，面积为6 988平方千米，年均降水量约456毫米，是山西省的政治、经济、交通和国际交流等中心[9]。2018年太原市全年造林面积为17.28千公顷，人均公共绿地面积可达12.48平方米。20世纪末以来，太原市探索出了属于自己的一条新型工业化道路，该举措为山西省产业结构的调整以及升级转化起到了积极的作用，但与此同时，随着太原市土地利用的深度及广度的不断扩大，土地生态安全的风险程度也不断增大。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究中，原始数据来源于：2009—2019年《山西省统计年鉴》《太原市国民经济和社会发展统计公报》《太原市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》等相关文件资料。

2.2 评价指标体系的构建

在该模型中，“压力”指标是指人类社会活动对生态环境所造成的影响；“状态”指标反映的是特定时间段内太原市生态环境特征以及具体变化情况；“响应”指标是指国家和个人采取行动以减轻、恢复或阻止人为的对生态环境可能造成的负面作用，并对生态系统已经遭受到的破坏及时进行补救以恢复生态平衡。该文主要基于PSR模型框架，对2009—2019年太原市土地生态安全状况进行动态评价。

以国土资源安全评价应用性评估指标体系为基础，运用PSR模型的同时结合太原市各方面的实际情况，并参考已有文献[10-13]，从自然环境、社会经济等方面选取16个要素构建评价指标体系，指标的选取充分体现了科学性、可操作性、有用性的原则，该体系包括目标层、准则层和指标层，见表1。

表1 太原市土地生态安全评价指标体系

2.3 评价指标权重的确定

本研究在对太原市土地生态安全评价指标进行赋权的时候，拟采用的方法是较为客观的赋权法，即熵权法，可避免主观赋权法可能产生的非科学性以及非客观性。

2.3.1数据无纲量化的处理。由于所选取的16项指标数据的单位和量纲不同，本文采用极差标准化的方法对指标数据进行处理，进而得到指标的标准化数据。

式中，xij表示各项指标的实际值；Yij表示各项指标数据的标准值；xjmax和xjmin分别表示第j项指标在所选年份中的最大值和最小值。

2.3.2 熵权法确定各指标权重。熵权法是用来确定指标体系中的每个指标值重要程度的方法，若计算得出某指标其熵值越大，则说明该指标所包含着的信息量越小，那么它的权重越小。

首先，定义Hij为各项指标所占比重，公式为：

式中，m为研究期，本研究中m为11年；n为指标个数；Wj为各项指标权重，见表1。

2.4 土地生态安全评价综合指数的计算

通过上述一系列步骤，对太原市土地生态安全评价各项指标进行标准化处理并确定权重之后，运用下列公式对目标层，即土地生态安全综合指数进行计算：

式中，Zi表示太原市土地生态安全的综合评价值，是压力、状态、响应准则层指标的综合反映，Zi的值越大，表明太原市土地生态安全综合程度越高，反之则越低；Yij表示的是上述选取的各个指标数据的标准值；Wj表示的是上述选取的各个指标的权重值。根据以上方法，确定出太原市2009—2019年土地生态安全综合指数。

结合太原市土地生态安全实际状况，并参考有关文献资料[11-14]，建立太原市土地生态安全等级划分与判断标准，如表2。根据表2中的划分标准，可判断太原市2009—2019年土地生态安全所处区间。

表2 太原市土地生态安全评价等级标准

2.5 障碍度诊断模型

为了能够更有针对性的对太原市土地生态安全提供建议措施，本文对上述土地生态安全评价结果进行深入地研究探讨，构建了障碍度诊断模型，分析影响太原市土地生态安全的主要障碍因子。

式中，Yij为指标标准化值；Iij为单项指标偏离度，即单项指标与理想指标的差距；Mij为单项指标层的障碍度；Tij为准则层指标障碍度；Pij为因子贡献度，即单项指标对准则层的权重Wij。

3 研究区土地生态安全评价结果分析

通过各项指标的标准化值以及相应的权重加权求得太原市近十年的土地生态安全系统压力指数、系统状态指数、系统响应指数以及系统综合指数，最后根据太原市土地生态安全评价等级标准确定土地生态安全等级，结果如表3及图1所示。

图1 2009—2019年太原市土地生态安全变化趋势

表3 2009—2019年太原市土地生态安全评价结果

3.1 土地生态系统综合状况分析

2009—2019年，太原市土地生态系统综合指数整体呈现出稳步上升的变化趋势。土地生态安全评价结果显示，在研究期间太原市土地生态系统大多处于较不安全区间，2015年开始逐步跨进临界安全区间，2019年进入了较安全区间，但土地生态环境压力仍然存在。上述现象出现的主要原因有：（1）太原市人地矛盾的问题较为突出，人口增长以及耕地面积有限的现状使得土地资源压力有所增长；（2）太原工业“三废”治理已经取得一些成效，但相对于废水排放量的明显下降，固体废物处理现状仍然不容乐观，其利用率仍处于较低的局面；（3）太原市十分重视对各类公园、植物园等场所生态环境的优化与改善，此举能够有效维持城市土地生态系统平衡，改善土地环境以及空气质量；（4）根据太原市“十三五”经济社会发展目标，能源以及水资源消耗量、废气废物排放量得到了有效控制，森林覆盖率、建成区绿化覆盖率、城市园林绿地面积有显著增长，“九河一湖”水生态修复综合治理、“八河”治理、汾河三期等工程也陆续开工，太原市生态环境得到初步改善，居民生活条件全面提高。

3.2 土地生态安全子系统分析

3.2.1 土地生态系统压力分析。2009—2019年，太原市土地生态系统压力指数出现连续多年下降，然后趋于平稳，至2017年开始上升的变化趋势。其原因主要是：2009—2013年，太原市人口增长速度得到了一定的控制，农用化肥施用量也逐渐下降，对土壤和土质条件起到了一定的改善作用，在一定程度上减轻了土地生态压力；2013—2017年压力指数变化幅度虽不大，但也呈现出上升趋势，主要是由于在此期间工业废水排放量逐步减少，由每年4 085万吨下降至每年3 735万吨，可看出太原市在发展工业的同时也开始逐步将资源环境保护放在了重要地位。

3.2.2 土地生态系统状态分析。2009—2019年，太原市土地生态系统状态指数呈现出上升的趋势，其中有一次下降，但是下降幅度不是很大。总体来说，太原市土地系统状态安全正在向着好的方向发展，其森林覆盖率和人均公共绿地面积分别由研究期初2009年的15.9%和9.09平方米，上升至研究期末2019年的24.4%和12.78平方米；第二产业比重由43.7%下降至37.8%。由此可看出在太原市城镇化与工业化不断发展的背景之下，其产业结构不断向高级演进，同时政府也逐渐开始重视生态环境建设，在2018年政府提出“构建宜居宜业宜游的生态环境，建设美丽绿色的生态之城”的目标，以拉动太原市经济持续健康发展，使得太原市土地生态环境得到了进一步改善。

3.2.3 土地生态系统响应分析。2009—2019年，太原市土地生态系统响应指数呈现出稳步上升的趋势，由研究期初的0.038上升至0.290。从响应系统的角度分析，其原因有：（1）随着太原市社会发展的不断转型，经济得以快速发展，转型升级的发展趋势进一步提升，人均GDP由44 319元增长至90 421元。（2）太原市政府在追求经济发展的同时，也在不断将生态文明的理念逐步与经济健康发展相结合，尤其是特别注重其生态环境建设，各类公园、动物园及植物园等活动场地自然成为了太原市重点改造目标。太原市城市园林绿地面积由7 703公顷提高到13 397.7公顷，建成区绿化覆盖率也由30.09%增长至43.38%，政府制定的各项生态资源保护策略的效果得以初步显现。（3）第三产业比重不断上升，由2009年的54.4%提升至2019年的61.4%，产业结构的主要特点为以第三产业为主，第一二产业为辅。以上表明太原市土地生态环境得到了极大的改善，同时也促进了经济快速健康发展。

3.3 障碍因子诊断分析

3.3.1准则层障碍度分析。在对太原市土地生态安全进行综合评价分析的基础上，分别对压力层、状态层、响应层3个子系统进行障碍度测算，其结果如表4所示。

表4 2009—2019年太原市土地生态安全准则层障碍度

在2009—2019年，三个准则层的变化趋势比较明显。从总体上看，P（压力层）障碍度一直处于较高水平，而R（响应层）障碍度水平较低，S（状态层）障碍度从2011年开始也保持持续上升的状况，在2019年达到峰值。但也不难看出，压力层障碍度将在未来呈现出下降趋势，其障碍度将逐步转移至响应层。这是由于近年来太原市政府逐步加大了对土地生态环境质量、安全的重视力度，采取了各种措施，如控制农用化肥的施用量、减少工业废水排放并注重园林绿化、建成区绿化等。在取得一定成绩的同时，太原市政府还应当继续加强控制，坚决将“生态保护”放在第一位，合理规划城市用地，巩固已有成绩，减轻对土地的压力。

3.3.2 指标层障碍因子分析。为进一步确定并分析影响太原市土地生态安全障碍因子，本研究按照障碍度大小对各年度障碍因子进行排序，排序截至前五名作为影响土地生态安全的主要障碍因子，见表5。

表5 2009—2019年太原市土地生态安全指标层主要障碍因子排序

从单项指标障碍度排序结果中可以看出，2009—2017年X4（农用化肥施用量）、X8（森林覆盖率）、X1（人口密度）这三项指标一直占据影响太原市土地生态安全主要障碍因子的前两位。其中X4（农用化肥施用量）一直位于主要障碍因子第一位，这说明截至2017年，农用化肥施用量对土地生态安全影响较多，可能导致土壤养分失衡，土壤性状恶化，而森林覆盖率较低及人口密度较大也在很大程度上威胁着土地生态安全。2018年，X6（耕地面积）、X1（人口密度）、X10（粮食产量）障碍度的上升表明了人口压力的增大与耕地面积不相适应的状况。2019年主要障碍因子的排名有所变化说明了太原市政府逐步加大对土地化肥使用的管控，并加大造林面积，同时X15（工业固体废物综合利用率）障碍度的上升应当得到重视，对于工业固体废物的回收、利用应落到实处。

除此之外，X11（人均GDP）、X13（第三产业比重）、X3（工业废水排放总量）障碍度排名相对靠后，这表明经济收入的提升对土地安全保护有了一定的促进作用；第三产业比重增加对土地生态安全显示出友好性；工业废水排放量的降低也在很大程度上保护了土地安全，今后应当继续将其控制在合理范围内。

4 结论与建议

4.1 结论

本研究采用PSR模型的方法，从土地生态系统压力、状态以及响应三个方面建立了太原市土地生态安全评价指标体系，对太原市2009—2019年的土地生态安全情况进行综合评价，并根据障碍度及主要障碍因子对太原市土地生态安全存在的现象及问题进行了分析，主要结论如下：

（1）在2009—2019年，太原市土地生态系统综合指数整体上呈现出稳步上升的变化趋势，在研究期间太原市土地生态系统大多处于较不安全区间，2015年开始逐步跨进临界安全区间，2019年进入了较安全区间，但土地生态环境压力仍然存在，表明太原市政府采取的一系列生态保护措施有了初步成效，但仍需根据具体问题加大对土地生态的保护力度。

（2）在2009—2019年，太原市土地生态系统压力指数连续多年下降，之后趋于平稳，至2017年开始上升；太原市土地生态系统状态指数呈现出上升的趋势，并逐步趋于平缓，总体来说，太原市土地系统状态安全正在向着好的方向发展；土地生态系统响应指数在十年间呈现出缓慢上升的趋势，2015年后响应指数逐步上升至高于压力指数和状态指数。

（3）从2009—2019年太原市土地生态安全障碍因子分析来看，阻碍太原市土地生态安全的障碍因子多存在于压力层中，但也不难看出，压力层障碍度将在未来呈现出下降趋势，其障碍度将逐步转移至响应层，而主要障碍因子将向耕地面积、粮食产量、工业固体废物综合利用率等方面转移。

4.2 建议

（1）政府的相关部门应当强化对各企业、工厂等部门用地的监督力度，也要进一步完善对土地生态保护的相关政策或法律文件，在制定政策的同时也要具体落实到位，重视对执法人员以及城市、农村居民宣传教育的有关文件，通过电视、广播、报刊等途径加强每个公民的责任感，在合理利用土地资源的同时也要加强对农用地、建设用地等土地资源的绿色保护。

（2）在城中村改造的进程中，要注意对土地资源的合理开发再利用，切实进行耕地保护，严格控制农用化肥施用量，科学施肥；禁止将大量农用地转换成建设用地，更加注重土地生态建设问题，同时注重土地生态安全监测与现代化智能设备动态监测相结合，科学利用GIS、GPS等软件，对土地用途分区、土地资源管理、土地生态保护等方面提出建设性意见。

（3）根据现有资源条件，有计划地控制太原市人口密度的增长，以缓解人地矛盾突出问题；继续对工业废水排放进行严格监督与控制，以有效减轻两者对太原市土地生态安全造成的较大压力，使得人口增长的速度和工业发展的模式与生态环境的改善相适应。

（4）根据工业固体废物的特征、种类，采用不同的经济、环保的方式对其进行二次利用，尽可能做到物尽其用，并对再利用过程进行全方面监督管理，避免对土地生态环境造成二次污染。

（5）太原市转型发展的过程中，应特别重视第三产业的发展，扩大第三产业在经济发展中所占比重，同时逐步淘汰高污染、高耗能产业，倡导资源节约、环境友好型产业的引进，有利于太原市改进经济增长方式。