基于模糊物元和熵权法的土地生态安全评价

陶晓燕

（1.中原工学院经济管理学院，郑州450007；2.四川大学经济学院，成都610065）

0 引言

目前，对土地生态安全的评价研究主要集中在评价指标体系的构建和评价方法的选择方面。所建立的评价指标体系或者包括土地资源压力、土地资源状态和人文环境响应三个因素；或者包括自然、经济和社会三个因素。土地生态安全评价方法的研究还处在实践和探索阶段，比较常见的方法包括：综合指数评价法、土地承载力分析法、景观生态学方法等等。土地生态系统的安全与否具有模糊性，对其评价是一个多指标决策过程，评价指标间可能有不相容问题，这使得评价存在着不确定性和模糊性。上述评价方法在实际评价过程中，均在处理级别区间内部差异、白化信息和确定权重方面存在不足。20世纪80年代，蔡文教授提出的物元分析理论是用于解决矛盾和不相容问题的有力工具，模糊数学则是解决模糊问题的利器[3]。目前，模糊物元理论已经应用于水质评价、城市生态系统健康评价、区域环境质量评价、耕地质量评价、预警分析等领域中。本文在物元分析的基础上结合模糊集概念和熵权理论，建立基于模糊物元理论和熵权法的土地生态安全评价模型，与传统方法相比，此模型能有效避免评价标准不确定性带来的影响，更全面、客观地评价土地生态安全状况，从而为土地生态安全的综合评价提供一条新途径。

1 评价指标体系的构建

土地生态安全受到多种因素的影响，因此，确定土地生态安全评价指标是一项探索性很强、很复杂的工作，迄今为止还没有一个明确的、统一的标准。评价指标的选择不仅要考虑生态环境状态，也要反映出对土地生态安全有潜在影响的重要因素的变化以及人类活动的影响，还要考虑指标数据的可获得性。本文根据PSR（即压力（Pressure）—状态（State）—响应（Response））模型，遵循科学性、整体性、可度量性、可操作性等原则，从压力、状态、响应三个方面选取相应的指标，从而构成土地生态安全评价指标体系（如表1所示）。

表1 土地生态安全评价指标体系及指标分级标准

由于各个指标对土地生态安全影响的性质不相同，因此本文将其分为正向指标和负向指标两大类。正向指标的值越大，表明土地生态安全状况越好。负向指标的值越大，表明土地生态安全状况越差。各指标的安全趋向性见表1。

指标分级标准的制定是土地生态安全评价的关键环节，至今为止还没有一个统一的评价标准。根据评价决策的实际需要，本文将土地生态安全划分为5级：安全、较安全、临界安全、较不安全、不安全。本文确定各项指标所对应的各个级别的分界点（如表1所示）。

2 基于模糊物元理论的土地生态安全评价模型

2.1 模糊物元

2.1.1 模糊物元与复合模糊物元

模糊物元就是以有序的三元组“事物，特征，模糊量值”作为描述事物的基本元[7]。若用R表示模糊物元，M表示事物，C表示事物M的特征，x表示与事物特征C相应的模糊量值，则有模糊有序物元R=(M,C,x)。若事物M有n个特征C1C2,…,Cn及其相应的模糊量值x1,x2,…,xn，则称R为n维模糊物元。如果m个事物用其共同的n个特征及其相应的模糊量值来描述，则构成m个事物的n维复合模糊物元Rmn，即

式中，Rmn表示m个事物的n维复合模糊物元，Mj(j=1,2,…,m)为第j个事物，Ci(i＝1,2,…,n)为第i个特征，xij为第 j个事物第i个特征对应的模糊量值。本研究将评价对象的土地生态安全状况作为物元的事物，以各项评价指标及其相应的模糊量值构造复合模糊物元，即以“土地生态安全，评价指标，安全指数”作为描述土地生态安全状况的基本元，安全指数的计算见下文。

2.1.2 土地生态安全参照标准

土地生态安全参照标准是判定土地生态系统中交互胁迫效应产生警报情况的依据，应当按照从优隶属度的原则进行设定，即各单项评价指标相应的模糊量值，从属于标准方案各对应评价指标相应的模糊量值隶属程度。在上文划分的5级安全级别内，确定各个级别的取值范围（见表2）。其中，正向指标和负向指标的取值范围不同，见表2。

表2 土地生态安全级别划分与指标范围的对应关系

d1＞d2＞d3＞d4，分别表示对应不同安全级别指标的临界值。

2.1.3 标准模糊物元矩阵

正向指标的安全指数的计算公式为

安全：

较安全：

临界状态：

较不安全

不安全：

负向指标的安全指数的计算公式为：

安全：

较安全：

临界状态：

较不安全：

不安全：

若计算后得到的uij＜0，则指标的安全指数取值为0；若uij＞10，则指标的安全指数取值为10[10]。根据各评价指标的安全指数，建立标准模糊物元矩阵：

式中，Rij(i＝1,2,…,n；j=1,2,…,m)为事物 j的 Ci项特征的标准模糊物元。

2.2 确定指标权重

评价指标权重的确定方法有很多种，分为主观赋权法和客观赋权法两种。为避免主观因素的影响，本文使用熵权法计算指标权重系数，从而得到指标权重的集合Wi(W1,W2,…,Wn)。熵权法的计算步骤见文献[11]。

2.3 土地生态安全评价模型

依据标准模糊物元矩阵和指标权重，可以计算土地生态安全总指数，计算模型为：

式中，Ii为土地生态安全总指数，Wi为指标权重集，Rij为标准模糊物元矩阵[10]。这样，依据安全参照标准中与安全级别相对应的指数区间，就可以判断土地生态系统的安全状况。

3 应用举例

3.1 研究区概况

安徽沿江地区（合肥、马鞍山、芜湖、铜陵、池州、安庆、宣城、巢湖、滁州9个城市）是安徽省发展条件最优、发展活力最强、发展潜力最佳的重要区域。随着“沿江开发”战略的实施，人口迅速增加，工业化、城镇化水平快速提高，耕地面积显著减少，人多地少的矛盾日益尖锐，土地生态质量不断下降。因此，评价沿江地区的土地生态安全具有重要的意义。文中所需数据来源于2007年安徽省和以上9个城市的统计年鉴、经济和社会发展统计公报、环境质量报告等。

3.2 计算过程及结果

根据式(1)，将9个城市的土地生态安全状况作为9个事物，共有18个特征（指标），构建复合模糊物元。计算各指标的安全指数时，对于正向指标，按照式(2)～(6)计算其安全指数；对于负向指标，按照式(7)～(11)计算其安全指数，从而建立标准模糊物元矩阵。利用熵权法计算各评价指标的权重，从而得到指标权重集合Wi=(0.0567,0.0482,0.0501,0.0667,0.0537,0.0625,0.0528,0.0590,0.0531,0.0712,0.0610,0.0558,0.0523,0.0504,0.0520,0.0506,0.0539,0.0502)。依据标准模糊物元矩阵和指标权重，计算得到2008年9个城市的土地生态安全总指数。根据土地生态安全评价模型，对各城市的土地生态安全状况进行评价，见表3。

表3 安徽省沿江地区土地生态安全综合评价结果

按照同样的方法，可计算得到各城市各评价要素的土地生态安全评价结果，见图1。

3.3 计算结果分析

根据表3，9个城市土地生态安全的排序结果为：宣城＞合肥＞马鞍山＞铜陵＞芜湖＞滁州＞池州＞巢湖＞安庆。9个城市都属于“临界安全”级，表明土地生态安全状况处于临界水平，土地生态系统服务功能已有退化，土地生态环境受到一定破坏，生态系统结构有变化。总体上看，安徽省9个沿江城市的土地生态安全状况总体上不容乐观，有待于进一步改善。

从3个评价要素看，在9个城市中，状态要素的安全状况最好，属于“较安全”级或“临界安全”级。压力要素中，宣城属于“临界安全”级，而其他城市都属于“较不安全”级。在响应要素中，安徽、马鞍山、芜湖、铜陵4个城市属于“临界安全”级，而其他5个城市属于“较不安全”级。对9个城市而言，压力要素和响应要素应该引起足够的重视。

图1 9个城市各评价要素安全评价结果

4 结论

本文采用模糊物元理论对安徽省沿江9个城市（合肥、马鞍山、芜湖、铜陵、池州、安庆、宣城、巢湖、滁州）2007年的土地生态安全状况进行了评价。9个城市都属于“临界安全”级（临界安全）。总体上看，安徽省9个沿江城市的土地生态安全状况总体上不容乐观，有待于进一步改善。评价结果符合实际情况，可以为土地环境规划与污染防治决策提供较为科学的参考依据。

[1] 任志远,张艳芳.土地利用变化与生态安全评价[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 肖笃宁,陈文波,郭福良.论生态安全的基本概念和研究内容[J].应用生态学报,2002,13(3).

[3] 李如忠.基于模糊物元分析原理的区域生态环境评价[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2006,29(5).