基于改进SPA法的耕地占补平衡生态安全评价

2013-08-02施开放刁承泰孙秀锋左太安禹阳春

生态学报 2013年4期

施开放，刁承泰，* ，孙秀锋，2，左太安，3，蔡朕，禹阳春

(1.西南大学地理科学学院，重庆 400715;2.西南大学园艺园林学院，重庆 400715;3.毕节学院环境与生命科学系，毕节 551700)

耕地作为土地的精华对我国农业和国民经济发展起着不可替代的基础性作用［1-2］。随着我国城市化和工业化的快速提升，耕地数量减少趋势不可避免，耕地保护问题越发严峻。为解决我国的粮食安全和日益短缺的耕地资源问题，国家实行了严厉的耕地保护制度，其中耕地占补平衡就是其中之一［3］。所谓耕地占补平衡是指一定时间、区域范围内，耕地在局部、微观不断被占用、补充及其变化的情况下，在对其数量、质量和开发利用的可持续调控基础上，为满足区域对粮食等基本农产品的需求，而做到的耕地生产力供求平衡［1］。当然，耕地占补平衡不仅仅强调耕地数量和质量的平衡，耕地占补平衡的生态安全维持也属其中的重要内容［4］。所谓耕地占补平衡生态安全是指在一定时间、区域范围内，耕地在微观、局部不断被占用、补充及其变化情况下，土地生态系统能够保持其功能与结构不受或少受威胁的状态，同时，土地生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需求［5］，从而达到土地环境、社会和经济复合体的长期协调发展。就目前的文献来看，我国对生态安全的研究主要包括区域生态安全评价［6］，生态风险性评价［7］，土地生态安全评价［8］，但是对耕地占补平衡生态安全评价研究较少。因此，对耕地占补平衡进行生态安全评价，准确掌握耕地占补平衡生态安全状态成为区域可持续发展测度的一个重要内容，也是进行土地利用规划与建设和土地生态安全预测和预警的重要依据［9］。

耕地占补平衡的生态安全评价实际上是对其占补平衡生态安全复合系统的全面诊断，包括耕地资源的占补、社会经济的支持以及生态环境的维持等多方面的内容。目前，综合评价的方法很多，如模糊数学法、层次分析法、投影寻踪法、神经网络法［10-11］等，每种方法都有自身的优点和不足，众多学者针对各种方法的不足作了相应的改进，取得了一定成果。但是由于耕地占补平衡的生态安全评价影响因素的不确定性，评价指标与生态安全等级之间存在复杂的非线性关系，所以至今没有一个统一的评价模型来进行耕地占补平衡的生态安全评价。因此，为了克服现有评价方法的不足，本文以永川区为例，运用改进SPA法对其进行耕地占补平衡生态安全评价。

1 改进集对分析

1.1 改进SPA法评价原理及模型

集对分析是赵克勤在1989年提出的一种新的系统分析理论方法［12-13］，但该评价方法存在一点不足，是b、c的细化问题，即同异反评语细化问题［14］。原创联系度(u(A-B)=a+bi+cj)虽然可以对研究对象所处状态空间进行“一分为三”的刻画，但是将研究对象所处的空间状态简单的“一分为三”略显粗糙［15］，因此，必须根据原创联系度的可展性原理进行深层次的细化，将原来的表达式改写成式(1):

(1)细化后的b、c的意义

假设有n个评价对象，用m个指标描述评价对象属性，xij为对象i的第j项指标(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)，将耕地占补平衡的生态安全等级划分为K级(K=1，2，…，s)，文本中令s=4。每个年份的耕地占补平衡的生态安全评价指标值系列组成一个集合，将耕地占补平衡的生态安全评价指标的各个等级标准值组成另一个集合，这两个集合于是构成一个集对(Ai，Bk)［16］。若指标xij处于某一等级k的范围内时，则认为是同一，其值为a;若指标xij处于k级别相邻级别优越一边，则认为是优异，记为b1;若指标xij处于k级别相邻级别劣差一边，则认为是劣异，记为b2;若处于k级别相隔级别优越一边，则认为是优反，记为c1;若处于k级别相隔级别劣差一边，则认为是劣反，记为c2［17］。

(2)考虑优劣识别

在耕地占补平衡的生态安全评价中，为了方便生态安全等级的优劣识别，可以将式(1)简记为:

进一步分析耕地占补平衡的生态安全评价指标分级标准和评价指标值之间的数量关系，可以看出，即使不同年份的生态安全评价指标值处于同一级别中，也会因为指标数值的差异而有所不同，所以，需要构造联系度表达式更细致的描述同一、差异和对立的定量关系。若指标值处于评价级别中，则a=1，其他系数为0;若指标值处于相邻级别优越的一边，越靠近相邻的评价标准a越大b越小，反之a越小b越大;若在评价等级劣差的一边，越靠近评价标准a越大c越小，反之a越小c越大;若指标值处于相隔级别优越的一边，越靠近评价标准则a、b越大，d越小;若在评价等级劣差的一边，越靠近评价标准则a、c越大，e越小［17］。依据以上原理建立指标评价模型。对于正向性指标，相对于一级的联系度:

二级联系度:

三级联系度:

四级联系度:

1.2 基于改进SPA法的评价结果判定

根据式(3)得出各个年份对于不同等级的联系度表达式后，本文拟用集对势进行评价结果判定。

1.2.1 集对势计算

集对势的定义为同一度和对立度的比值，集对势所反映两个集合具有的某种趋同程度或联系趋势。在耕地占补平衡生态安全评价中计算年份i对于不同等级的集对势，可得到年份i对于不同等级的趋同程度。当集对势越大时，表示其同一度越强，所以取集对势中的最大值所对应的等级为研究对象的判定结果。改进的SPA法集对势计算公式如下:

1.2.2 乐观势与悲观势计算

乐观势就是从乐观的角度出发［18］，将所有的差异度全部转化成同一度，在系统中，用同一度和对立度的比值来量化系统的态势，乐观势的表达式为:

悲观势就是从悲观的角度出发，将所有的差异度均转化成对立度，在系统中，用同一度和对立度的比值来量化系统的态势，悲观势的表达式为:

1.2.3 集对势定位

由乐观势和悲观势所确定的区间范围就是集对势的取值范围，依据式(7)作集对势定位计算，计算集对势在集对势的取值范围相对于乐观势的贴近度。

模型中skj为第j项指标评价标准的k级和k+1级的界限值，根据上述模型对每个年份的各个指标计算联系度系数 a、b、c、d、e的值，同理，可拟构建负向型指标相对于不同等级的联系度公式［17］。

设权重向量为W=(wij)n×m，联系度矩阵运用模糊算子对W和R进行合成运算，得到评价年份i相对于K级的综合关联度Cik:

2 实例研究

2.1 研究区概况

永川区位于重庆市西南部，东与璧山县、江津区为邻，西以荣昌县、大足县为界，南与四川省合江县、泸县相连，北与铜梁县接壤。地跨28°56'― 29°34'N，105°38'―106°05'E。2009 年全区总人口1103438 人，其中农业人口799507人，非农业人口303931人，城镇化率为27.54%，实现社会生产总值300.04亿元，完成社会固定资产投资300.7亿元。2009年，农用地面积为130425hm2，占土地总面积的82.62%，其中，耕地67459hm2，占农用地面积的51.72%;园地17954hm2，占农用地面积的13.77%;林地28397hm2，占农用地面积的2.77%。永川区属于亚热带季风性湿润气候，平均气温18.20℃，，年平均降雨量1042.20mm，平均日照1298.50h，年平均无霜期317d。境内地形复杂，丘陵起伏，其中相对高差小于50m的缓丘平坝面积为714.04hm2，占土地总面积的45.23%;丘陵面积577.33hm2，占其土地总面积的36.57%;相对高差大于200m的低山面积为287.24hm2，占其土地总面积18.20%。

2.2 数据来源

人口、DGP、化肥施用量、农药使用量、粮食生产总量以及其他的自然地理状况数据等来源于历年《永川统计年鉴》;2005、2009年耕地资源相关数据均来源于永川区国土资源与房屋管理局;2015年和2020年永川区相关耕地资源数据则参考《2006-2020年重庆市永川区土地利用总体规划》相关成果。

2.3 耕地占补平衡的生态安全评价指标体系及分级标准

在本研究界定的耕地占补平衡生态安全概念的基础上，基于永川区自身的自然条件、社会经济发展特点，依据指标数据的可得性和方法的可操作性［19］，充分考虑耕地占补平衡生态安全各评价因子的复杂关系，借鉴国内最新的相关研究成果［1，5，8］，结合国家环保总局制定的《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》关于生态安全的目标，重点选取与耕地占补平衡生态安全密切相关的人均耕地面积、耕地减少面积与耕地面积比例、耕地增加面积与耕地面积比例、单位面积耕地化肥负荷以及单位面积耕地农药负荷等18个属性特征构建评价指标体系，并结合永川区历年各指标量值，利用信息熵法计算出各指标权重，结果见表1。

表1 耕地占补平衡生态安全指标体系及安全等级划分标准Table 1 Evaluation index system and different safe degrees of eco-security of cultivated land requisition－compensation balance

2.4 永川区耕地占补平衡的生态安全评价指标数据

永川区2015、2020年的自然、社会经济数据依据现有的数据利用线性回归模型进行预测;2015年和2020年耕地相关数据则主要参考《2006—2020年重庆市永川区土地利用总体规划》相关成果。2005、2009、2015和2020年耕地占补平衡生态安全评价指标值见表2。

2.5 权重确定

耕地占补平衡生态安全评价离不开指标权重的确定，权重确定方法的客观与否直接关系到评价结果的好坏。目前确定指标权重的方法主要有层次分析法、特尔菲法、信息熵法。因此，为了提高指标权重确定的客观性，本文采用信息熵法确定各项指标权重。按照熵的思想，人们能够根据决策中获取信息的数量和质量，提高决策的精度和可靠性，熵在应用于不同决策过程中的评价或案例的效果评价时是一个很理想的尺度［8］。其基本原理就是某项指标的值变异程度越大，信息熵越小，该指标提供的信息量就越大［20］，相应指标权重就越大，反之则越小。具体计算过程如下:

表2 永川区2005、2009、2015和2020年耕地占补平衡生态安全评价指标值Table 2 Evaluation index value of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan District from 2005，2009，2015 and 2020

(1)评价指标值矩阵标准化［21］

根据表1实测值得到原始指标值矩阵X=(xij)8×7，通过对xij标准化处理可得R=(pij)mn，其中，pij为第i个评价单元第j评价指标值标准化后所得值，pij∈［0，1］。

(2)计算参评指标熵值

式中，H(xj)为第j项参评指标的熵值，为计算方便，通常令调剂系数k=1/ln＞0。(3)计算指标差异系数(hj)

第j项参评指标差异系数定义为:

(4)确定参评指标权重系数(Wj)

根据以上信息熵法的计算，得出永川区耕地占补平衡生态安全评价各指标权重分别为:W1=0.0038、W2=0.1500、W3=0.1980、W4=0.0061、W5=0.0093、W6=0.0798、W7=0.0052、W8=0.0023、W9=0.0429、W10=0.0022、W11=0.0305、W12=0.0021、W13=0.0726、W14=0.0371、W15=0.0618、W16=0.0574、W17=0.0429、W18=0.1960。

2.6 改进SPA法综合评价计算

(1)SPA法联系度矩阵R计算

这里以永川区2005年为例，计算其SPA法联系度矩阵，结果如下:

同理可以计算出永川区2009、2015以及2020年的SPA法联系度。

(2)进行合成运算

运用Excel中的sumproduct函数对权重向量W和永川区2005年联系度矩阵R2005进行合成运算，得出永川区2005年对于不同等级的综合联系度。

根据式(4)—(7)计算2005年永川区相对于不同等级的集对势、乐观势和悲观势等，利用集对势进行耕地占补平衡生态安全等级判定，取集对势三参数间特元［17］最大值者对应的等级为最终评价结果，如下表3所示。

表3 永川区耕地占补平衡生态安全改进SPA法综合评价结果(2005年)Table 3 Improved SPA comprehensive evaluation results of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan district(2005)

同理可以计算出永川区2009、2015和2020年耕地占补平衡生态安全改进SPA法综合评价结果。为了验证改进SPA法评价结果的合理性，本文与改进模糊综合评价、多指标综合评价结果进行比较(表4)。

从表4可以看出，利用改进SPA法得到永川区耕地占补平衡生态安全评价结果为:2005年耕地占补平衡生态安全级别为Ⅱ级，即“临界安全”;2009年生态安全级别为Ⅲ级，即“较安全”;2015年生态安全级别为，即

“安全”;2020年生态安全级别同样为Ⅳ级，即“安全”，整体上呈现出由Ⅱ级向Ⅳ级上升的趋势。

表4 永川区耕地占补平衡生态安全综合评价结果Table 4 Comprehensive evaluation results of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan district

将改进SPA法综合评价结果与改进模糊综合评价结果进行比较可知:2005年、2009年、2020年两种方法评价结果完全一致;只有2015年改进SPA法综合评价结果为Ⅳ级，即“安全”，而改进模糊综合评价结果为Ⅲ级，即“较安全”，但是它们判定的耕地占补平衡生态安全等级相差不过一个等级，未出现越级现象。改进SPA法综合评价结果与多指标综合评价结果比较得知，虽然多指标综合评价没有进行评价分级，但是其计算的多指标综合评价总分值从2005年至2020年是不断增长的，这与改进SPA法综合评价得到的耕地占补平衡生态安全等级在一定程度上正好呈对正应关系。通过综合分析可知:改进SPA法综合评价结果与改进模糊综合评价结果以及多指标综合评价结果基本一致，因为改进模糊综合评价法和多指标综合评价法的实用性和可行性已得到普遍认可［17］，所以利用集对势进行耕地占补平衡生态安全评价具有一定的可行性和可行性，评价结果比较贴近实际情况。

3 结论与讨论

集对分析法通过注重信息处理过程中的模糊性和相对性比较好的解决了问题的不确定性，它是一种辩证思维的综合评价模型。本文利用原创联想度的可展性原理建立了耕地占补平衡生态安全改进SPA法评价模型，更为细致的描述了评价对象的同一性、差异性、对立性特性。此外，利用信息熵法表征各指标在耕地占补平衡生态安全评价中的重要程度，避免了评价指标权重确定略显主观性和随意性，较为准确反应耕地占补平衡生态安全等级状态。研究结果表明:利用改进SPA法可以判定出，永川区2005年耕地占补平衡生态安全级别为Ⅱ级，2009年为Ⅲ级，2015年生态安全级别为Ⅳ级，2020年生态安全级别同样为Ⅳ级，整体上呈现出由Ⅱ级向Ⅳ级上升的趋势;改进SPA法综合评价结果与改进模糊综合评价结果以及多指标综合评价评价结果基本一致，充分说明其在生态安全等级界定上具有一定的可行性和合理性。

在耕地占补平衡生态安全评价过程中，由于必须设定评价指标的等级状况，而目前很多相关准则和标准中只有标准等级值，而不是一个域，有的甚至还没有等级标准。此外，由于当前耕地占补平衡生态安全评价没有公认的评价指标，而且还受到丰富多样的物质环境、文化环境以及自然生态环境的影响，文章尚无法对这些相关因素进行定量分析。因此，如何合理的界定评价指标的等级状况以及建立一套更加全面的耕地占补平衡生态安全评价指标体系以及如何量化各指标的影响度等问题，仍需深入研究。

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