基于模糊集对分析法的土地生态安全评价——以扬州市为例

吴 未，魏衍英

（南京农业大学土地管理学院，江苏南京210095）

土地生态安全是指在一定时间和空间范围内，土地生态系统能够保持自身结构、功能稳定或不受干扰的状态[1]，它关系到人类社会的生存与发展，是土地资源可持续利用的核心和基础[2]。然而，伴随着城市化、工业化进程的加快，人类对土地利用的广度和深度不断增加，人地矛盾日益突出。加之，人类在进行生产活动时，习惯以环境作为代价来换取经济发展，忽略对生态环境的保护，水土流失、森林植被破坏、土地退化、土壤污染、荒漠化、土地承载力下降等一系列土地生态环境问题频繁发生，严重威胁着区域的生态安全，甚至威胁着整个区域的可持续发展。因此，如何对土地生态安全进行科学合理的评价显得尤为重要。

目前，国外对土地生态安全的研究侧重于土地生态安全评价的理论[3]、指标[4]、方法[5]、具体区域的实证研究[6-7]以及水、土等[8-9]重要资源评价问题的探讨，而国内的研究主要涉及土地生态安全评价的理论与指标[10]、评价系统的研究[11-12]、土地承载力评价[13]、土壤质量评价[14]、土地沙漠化评价[15]以及土地生态安全评价[16-17]的实证研究等方面。

目前，对土地生态安全评价的研究主要是评价体系的建设和评价方法的选择。由于研究视角与尺度的差异，土地生态安全评价指标体系并未统一，当前采用的指标体系主要借鉴世界银行、联合国粮农组织、联合国开发计划署及联合国环境规划署共同建立的《土地质量指标》，结合土地可持续评价构建指标体系，采用系统分解法，将土地生态系统分解为若干子系统，再选取适宜的评价指标对各子系统进行定量评价，最后通过对各子系统持续性的叠加，确定整个系统的安全等级。土地生态安全评价指标体系大致归纳为2种：一种是自然—经济—社会概念框架模型，另一种是压力—状态—响应概念框架模型，也有学者将二者结合起来，以发挥其各自优势。

在评价方法方面，主要是借鉴相邻研究领域的方法，如生态足迹[18]、综合指数[19-20]、主成分分析[21]、物元模型[22]、灰色关联度[23]、景观生态安全格局与景观空间邻接度[24]、数字生态安全[25]等方法。但由于土地生态系统处于动态变化之中，无法确定其处于哪种具体水平，也就是说没有一个唯一固定的标准状态，这无疑给土地生态安全评价增加了难度。

传统的评价方法对评价过程中涉及到的不确定性研究不足，更不能对其进行很好的刻画，而集对分析法能够将不确定性和确定性在同一个系统中进行分析和处理，利用不确定性和确定性之间相互依存、相互联系、相互渗透的特性，将不确定问题通过一定条件转化成确定性问题，有效解决了不确定性问题[26-27]，而且已经被广泛应用于水土资源承载力[28]、水质评价[29]、洪灾风险评估[30]、经济系统脆弱性评价[31]、生态系统健康评价[32-33]等领域，并且取得了比较良好的效果，但其在土地生态安全评价领域的应用仍未见报道。

本研究拟采用集对分析方法，基于2001—2010年扬州市土地生态安全的相关数据，进行土地生态安全状况评价，以期在验证该方法有效性和准确度的基础上，丰富已有土地生态安全评价方法。

1 集对分析方法及模型构建

1.1 集对分析的原理

根据系统成对原理，任何事物或概念都是成对地存在，概念上完全纯粹单一的集合无法独立存在。集对分析从2个集合的同一、差异、对立等维度分析集对中2个集合确定性与不确定性的关系，用联系数刻画出其关联程度。

如给定2个集合A 和B，假设组成集对H（Al，Bk），在某个具体问题背景W 下对集合H 展开分析，可得到N 个特性，其中S 个特性为集合A 和B 所共有，即同一；F 个特性属于集合A 和B 既不对立又不共有的特性或分属集合A 或B特性的合集，即差异；P 个特性为集合A 和B 所相对，即对立。此时，集合A 和B 的联系度u 为：

式（1）中，a，b，c 分别为集合A 和B 在问题W 下的同一度、差异度和对立度，且满足a＋b＋c＝1；I 和J 分别是差异度和对立度的标记系数，其中，I 取值为[-1，1]，J 取值为-1。又设bI＝b1I1＋b2I2＋…，则可得多元联系度uA～B为：

式（2）中，a＋b1＋b2＋…＋bk－2＋c＝1；b1，b2，…bk－2为差异度分量，即差异度的不同级别或层次，如轻度、重度等；I1，I2，…，Ik－2为差异不确定分量系数。

通过联系度u 可以确定集合A 和B 相互关联的程度，确定评价指标等级。即评价指标值集合与评价等级标准指标值集合的联系度越大，说明指标值隶属于等级标准的程度越大。

1.2 模糊集对分析模型的构建

1.2.1 单一指标联系度的计算 假设x 为某指标的指标值，则xl（l＝1，2，...，m；m 为指标数据个数）组成的集合为Al，且可把该指标第k 级评级标准看成集合Bk（k＝1，2，...，K；K 为评价等级数），则Al 与Bk 可构成一个集对H（Al，Bk）。

对于给定的l 和K，集对H（Al，Bk）对应的uAl～Bk存在信息重叠，而uAl～B1所含信息量最完整，故仅需要计算集对H（Al，B1）的联系度uAl～B1作为H（Al，Bk）的uAl～Bk即可。

联系度uAl～B1如式（3）或式（4）所示，其中，式（3）适用于当K＞2时的反向指标，且S1≤S2≤...≤SK-1；式（4）适用于当K＞2时的正向指标，且

1.2.2 指标系联系度的计算 假设指标系为集合A，所有指标的1级评价标准为集合B，同理，集对H（A，B）的联系度可以定义为：

式（5）中，wl为指标l 的权重，令：

1.2.3 评价等级的确定 采用置信度准则确定联系度差异不确定分量系数，避免分级过程中的主观性[34]，即：

式（6）中，λ 为置信度，hk对应的等级为k，一般在［0.50，0.70］内取值。

1.2.4 土地生态安全态势值的确定 为了增加级别判断的准确度，本研究按照评分准则，计算土地生态安全态势值[35]，即：

式（7）中，Q 为土地生态安全态势值，k 为土地生态安全所对应的等级；i 表示1，...，k，hi为等级k 取值i 时的态势值（本研究取hi＝i），根据多个时间段的土地生态安全态势值，可以绘制土地生态安全态势图，从而反映土地生态安全的总体状况。

2 研究区概况及评价体系的构建

2.1 研究区概况

扬州地处江苏省中部，南濒临长江、与镇江隔江相望，西与安徽滁州毗邻，西南与南京相连，北与淮安接壤，东与盐城、泰州毗邻，土地总面积6 591.2 km2，地形西高东低，北部为丘陵，沿江沿湖一带为平原。属亚热带季风性温润气候向温带季风的过渡区。至2010年末，总人口459.12万人，地区生产总值2 229.49亿元，三产比为7.2∶55.1∶37.6。近年来，扬州市经济发展迅速，但对土地生态安全问题重视不足。目前，扬州市水土流失面积已占土地总面积的27.1%，市区酸雨平均发生频率为32.9%，高发期一度达到86.7%。

2.2 评价体系构建

本研究以PSR概念模型为基础，结合扬州市土地利用的实际情况，遴选了23个评价指标，运用熵权法得出各指标权重；借鉴以往研究成果及实际需要，将土地生态安全等级标准划分为I，II，III，IV，V共5个等级，且I～V安全状况递减（表1）。

3 结果与分析

3.1 各子系统土地生态安全分析

3.1.1 压力系统土地生态安全分析 根据公式（3）～（7）计算扬州市土地生态压力系统联系度和态势值，并最终确定压力系统各年的安全级别（图1、图2）。结果表明，2001—2010年，扬州市土地生态安全压力系统状况基本呈现稳定状态，处于II级水平，但在2008，2009年间出现波动性下降，变为III级。虽然2001—2007年安全级别一直为II级，但安全态势值呈现波动，即在此期间土地生态压力存在小幅度变化。表明由于人口增加、建设用地扩张、不合理的土地利用方式、人为破坏及自然因素等的综合影响，扬州市土地生态系统面临巨大的压力，目前，扬州市人均耕地仅0.062 hm2，而按照世界粮农组织的一般标准，人均耕地面积小于0.080 hm2即为土地资源出现压力的临界值，说明扬州市人均耕地面积面临严重压力。另外，2001—2010年是扬州市城市化和工业化快速发展的时期，农药、化肥等的大量使用，导致农业面源污染日趋明显；2008，2009年土地生态系统压力相对偏高，这是由于其工业三废排放量远远高于其他年份，说明严格控制污染物排放，对维护土地生态安全有重要意义。

3.1.2 状态系统土地生态安全分析 根据公式（3）～（7）计算扬州市土地生态状态系统联系度和态势值，并最终确定状态系统各年的安全级别（图3、图4）。结果表明，扬州市土地生态状态在2001—2010年间呈现波动上升的趋势；2006年以前，状态系统整体呈持续上升趋势，其中，2001—2003年变化幅度较大，从IV级迅速上升为II级，而2004—2006年间虽然一直维持在Ⅱ级。但由图3可知，状态系统与Ⅱ级水平的隶属程度有所增加，态势值持续下降，也就是说在此期间扬州市土地生态状况实质上是好转的，这与环境保护响应力度的提升是密不可分的；各级政府高度重视生态环境，大力植树造林，节能减排，改善水环境，不断提高生态环境质量。自2007年起，扬州市土地生态状态出现恶化现象，这种状况在2008，2009这2 a表现尤为明显，主要归因于扬州市自然灾害频发，水土流失问题长期未得到有效解决，严重影响了全市土地生态系统健康维护，导致土地生态安全状况下降。

3.1.3 响应系统土地生态安全分析 根据公式（3）～（7）计算扬州市土地生态响应系统联系度和态势值，并最终确定响应系统各年的安全级别（图5、图6）。结果表明，土地生态响应态势值与等级变化一致，2001—2010年间，扬州市土地生态响应系统呈现持续好转的趋势，由2001年的Ⅲ级逐渐上升为2010年的I级，发展态势良好。由于环境保护、资源节约等观念日益深入人心，扬州市生态环境的响应力度持续增加。近年来，扬州市先后开展“扬州市生态市建设规划”项目，创建“绿色社区”活动，加大环保设施投入，重点对3大湖泊3 000 m范围内全面实施“三退三还”，建设环湖200 m的生态、景观、防护林带，仅2010年市区新增绿地就达154万m2。这就是在土地生态压力、状态恶化时，土地生态系统仍然可以维持较安全水平的原因。因此，在加强生态问题治理的同时，更要注重对现有生态环境的保护，以预防为主、防治结合。

3.2 土地生态安全总体结果分析

根据集对分析得出（图7，8），研究期内扬州市土地生态安全与I级标准的联系度变化不太明显，而与II级标准的联系度波动较大，这是土地生态安全变化的主要表现；与III级标准的联系度在2008年达到最大，这也在一方面降低了土地生态安全与I级、II级标准的联系度。土地生态态势值也出现波动性下降，以具体数值的形式展现土地生态安全的变化。总体看来，扬州市2001—2010年间的土地生态安全整体形势较好，呈好转态势，处于较安全水平，但2001，2002，2008年土地生态安全处于III级。

扬州土地生态安全首次好转出现在2003年，其原因：（1）2001—2007年间扬州市大力加快城市化进程，突出表现在经济密度、万人拥有高校在校人数、人均GDP指标上，其在2001—2007年的年均增长率分别为24.83%，16.67%，24.14%，而相应指标在2001—2002年的年均增长率为9.10%，16.08%，8.75%，均低于2001—2007年的平均增长率；（2）2002年以前，三废排放量增长迅速，农药化肥过度使用，状态子系统在2001，2002年分别呈现出较不安全、一般安全状态，加上人们的环保意识不强，生态安全响应不足，造成扬州市自身的土地生态安全综合水平较低的局面；（3）2002年，扬州市开始对旧城区进行全面改造，铺设污水截流管道、疏浚河底、修建河道，加大对生态系统的响应力度，减少生态压力，这些措施在一定程度上改善了土地生态安全水平，例如，地表水功能区水质达标率从2001年的62%迅速增长至2002年的98.61%，但改善活动并不完全是立竿见影的，它需要一个作用过程，这就是为什么直到2003年土地生态安全综合水平才表现出明显好转。

扬州市土地生态安全第2次好转出现在2009年。2008年，扬州市气象灾害多发，且影响程度较为严重，工业废气排放密度一度达到近10 a来的最大值，工业废水的排放密度也较之前有所增加，环境治理力度并未明显增强，加上之前环境污染治理不彻底，导致生态问题再次显现。2009年以后，由于采取了积极环保措施，三废达标排放率和综合利用率大幅度上升，这对研究区土地生态环境产生了积极影响，另外，由于科教投入加大，接受高等教育人群扩大，环保和生态意识深入生活，也是研究区土地生态安全水平提升的主要因素。

虽然扬州市土地生态安全整体呈现较好的状态，但也出现了2008年的波动状况，这是由极端自然灾害（如暴雪）带来的土地生态压力增加所致。但也反映出土地生态系统自身的恢复、调节能力以及人类面对突发土地生态问题的反应、处理能力有待提高，环境管理的任务依然艰巨。

3.3 土地生态安全形成原因分析

土地生态安全状况是各个子系统共同作用形成的，但各子系统、评价指标的作用大小和程度却不尽相同。本研究采用熵权法进行权重确定，依据其原理，如果某个指标的熵值越小，就表明其指标值的变异程度越大，提供的信息量也越大，在评价中所起的作用也越大，其权重也应越大[36]。因此，可以通过分析扬州市土地生态安全各评价指标的权重来探讨影响其土地生态安全状况的原因。

根据表1中的权重值，从各子系统来看，压力系统在扬州市土地生态安全评价体系中所占权重最大，是扬州市土地生态安全状况最主要的决定因素，应成为今后一段时期内扬州市土地生态安全调控的重点。扬州市土地生态压力主要来自人口增加、建设用地扩张、不合理的土地利用方式、人为破坏及自然因素等的综合影响。2001—2010年是扬州市城市化和工业化快速发展的时期，农药、化肥等大量使用、工业“三废”排放量迅速增加，这无疑给土地生态安全造成巨大压力。状态系统权重稍微较小，是压力、响应系统作用结果的反映，对土地生态安全的贡献相对较小。响应系统权重适中，对压力系统有一定的影响和牵制作用，是土地生态安全状况好转最有力的驱动因素。土地生态系统的各个系统相互作用、相互影响，共同维持扬州市的土地生态安全。

从具体指标来看，根据表1中单个指标的权重值，2001—2010年间二氧化硫年日平均值的权重为0.073 4，对研究区土地生态安全负面贡献率最大；森林覆盖率的权重为0.052 2，对土地生态安全的正面贡献率最大；另外，还有空气质量指数、农民人均纯收入、经济密度、环保投资指数4个指标的权重平均超过0.05，充分说明了这些指标对扬州市土地生态安全水平有重要的影响。近年来，扬州市经济迅速发展，经济密度由2001年的761.92万元/km2迅速增长到2010年的3 360.67万元/km2，增长了341%，人们在沉浸于经济发展好成绩的同时，忽略了对生态系统的保护，致使经济发展与土地生态保护之间的矛盾越来越尖锐，土地生态系统压力巨大；另外，扬州市三产结构不够优化，工业所占比例过大，三废排放不合理，也造成了不同程度的污染。但森林覆盖率、空气质量指数等正向指标不断增加，并且维持在一个较高的水平，使得扬州市空气质量好转，对缓解土地生态压力、维护土地生态安全产生了重要作用。扬州市土地生态安全的好转更得益于近年来开展的环境治理。政府环保投资的增加，在一定程度上改善了土地生态环境，农民收入的增加则是环保投资得以实行的基础。此外，虽然科教投入占GDP的比例、万人拥有高校在校学生数所占比例虽然不大，但它能从某种程度上展现政府对环境保护的关注度及居民的环保意识，是维持土地生态安全的重要保障。

4 结论与讨论

（1）本研究基于压力—状态—响应模型构建了扬州市土地生态安全评价指标体系，运用集对分析法对扬州市2001—2010年的土地生态安全进行评价。结果表明，扬州市土地生态安全整体有上升态势，为II级，但也不乏波动性下降，这在2008年表现尤为明显。因此，需要巩固已取得的成果。其中，土地生态压力系统在2007年以前比较稳定，一直是II级，但在2008—2009年间压力突然增大，尤其是在工业固废排放密度、单位面积耕地化肥负荷等方面；状态系统与土地生态系统总体变化趋势较一致，逐年不断改善，但由于受到压力系统的影响，在2008，2009这2 a出现了一定程度的恶化；土地生态响应系统的状况持续上升，主要表现在环保投资指数、农民人均纯收入等方面。下一阶段，政府环保工作的重点一方面是不断提高人们的生活水平，加大水土流失治理力度，另一方面是控制人口增长、不断提高科技水平和增加投入、大力保护耕地，引导农民合理施用农药化肥。

（2）集对分析法将待评定样本与标准样本组成一对，逐个比较其同一、差异及对立特性，从不同侧面刻画出2个集合的相互关系。由于土地生态安全的不确定性和模糊性，采用模糊分析法计算土地生态系统的联系度，更加有效地利用了指标信息，使得评价结果更为客观，可信度更高。将模糊集对分析法用于扬州市土地生态安全分析与评价，评价结果符合扬州市实际情况，能够基本反映扬州市土地生态安全的整体发展趋势。本文作为研究方法的探讨，尝试将模糊集对分析法应用于土地生态安全评价中，基本达到预期的研究目的。但模糊集对分析结果的可靠性依赖于分级标准的准确性，虽然该方法对处理不确定性问题具有很好的应用价值，本研究也在计算联系度时对等级标准进行了模糊处理。然而，任何理论方法都是对客观世界的近似，土地生态安全评价研究还需要在实践中不断深入和完善。

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