基于PSR模型的土地利用系统健康诊断与时间演化特征
2014-11-20兰亭超唐世超
兰亭超+唐世超
摘要：以成都市天府新区为研究区域，基于PSR模型理论，采用主成分分析法建立土地利用系统健康评价体系，开展土地利用系统健康诊断，并深入分析其时间演化特征。结果表明，2004-2011年天府新区土地利用系统健康水平不断提高，综合指数由44.72上升到84.72，健康等级由“临界水平”转变为“健康”；系统压力指数呈波状上升，状态指数平稳上升，响应指数起伏频率较大，系统响应不稳定；系统响应指数在时间演化特征上呈现负相关差异性特点。因此，为促进土地利用系统持续保持健康水平，需加大以“招、拍、挂”方式为主的土地市场配置力度，提高对污水、固体废弃物的利用与处理水平，加强水土流失治理工作。
关键词：土地利用系统；健康诊断；PSR模型；时间演化特征
中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）18-4470-05
近年来，随着社会经济的快速发展，人地矛盾越发突出，如何实现土地资源的健康持续利用已成为当下的热点问题。对土地资源的保护也从被动整治转变为主动预防，土地利用系统健康研究就是其中的重要内容之一[1]。中国存在人多地少的基本国情，土地资源退化较为严重，积极开展土地利用系统健康研究，为土地资源的可持续利用提供理论基础和实践指导，是我国土地资源研究的一项紧迫任务[2]。
2008年以来，西部地区已连续3年在生产总值增长速度上超过中部和东部，2011年成都市GDP在全国15个副省级城市中排名第四，同比增幅排名第一[3]。天府新区是西部经济发展的核心增长极，是成渝经济圈的重要组成部分，对于促进四川省产业发展和带动西部经济发展具有重要意义。随着该区域的持续发展，用地规模不断扩大，势必会影响土地资源的生态功能和耕地数量安全，先行对社会经济发展、土地利用、生态环境等综合因素组成的土地利用系统健康水平进行“摸底”势在必行。本研究以2004-2011年成都市天府新区各区县社会经济发展数据为基础进行实证研究，以PSR模型为视角、运用主成分分析法建立土地利用系统健康评价指标体系，对研究区进行土地利用系统健康诊断，指出其在新区未成立年份的时间演化特征，从而为未来该区域土地利用系统的可持续健康发展和科学管理提供决策参考和技术支撑。
1 研究区概况
2011年11月，四川省人民政府批准了《四川省成都天府新区总体规划（2010-2030）》，天府新区正式成立。新区范围包括成都市高新南区、龙泉驿区、双流县、新津县，眉山市的彭山县、仁寿县，简阳市，涉及3市、7县（市、区）、37个乡（镇），规划面积1 578 km2，建设用地面积约650 km2，其定位为以现代制造业为主、高端服务业集聚，宜业、宜商、宜居的国际化现代新城区。
2 数据来源
研究数据主要来源于《成都市统计年鉴（2003-2012）》、《简阳市国民经济和社会发展统计公报（2003-2012）》、成都市人民政府门户网（http：//www.chengdu.gov.cn/）、眉山市人民政府门户网（http：//www.ms.gov.cn/）、简阳市人民政府网（http：//gkml.scjy.gov.cn）和2003-2012年部分四川省土地利用变更调查数据。
3 研究方法
3.1 土地利用系统健康
土地利用系统健康是指以人类社会的可持续发展为目的，促进经济、社会和生态三者之间的和谐统一，由土地利用系统的结构、功能和效益这几方面组成的健康体系[4]。“健康”一方面是指土地利用系统自身结构合理、功能得到正常发挥，另一方面也表示土地利用系统所产生的社会经济效益、生态效益能满足人类的一般需求，即健康是一种状态的概念。土地利用系统健康诊断不针对某一特定土地利用方式，其实质是一种以特定时序、特定区域的自然生态要素和社会经济要素为对象的综合诊断评价[5]。
3.2 PSR模型评价体系
“压力-状态-响应”（PSR）模型是由加拿大统计学家Rapport和Friend最先提出，后由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）于20世纪80年代共同发展起来的用于研究环境问题的框架体系。其基本观点是将人类活动给自然环境造成的压力（Pressure），环境质量和资源数量状态（State），以及社会经济和环境等方面的调控政策和管理措施响应（Response）作为一个整体系统进行考虑，探讨影响人地系统协调稳定的因素[6]。基于以上理论，本研究构建了土地利用系统健康诊断的基本框架（图1）。由于人类社会的发展，人类在经济增长、人口增长、生态安全等方面的“压力”下必然会对土地利用系统健康的“状态”产生影响，这种不同时期不同程度的“压力”和“状态”会促使土地管理者做出相应的土地管理“响应”措施，以时刻掌控土地利用系统的发展“状态”，从而保证土地资源在社会经济发展和生态环境保护中能发挥其应有的功能。
3.3 评价模型构建
3.3.1 指标体系构建 在指标选取的综合性、科学性、代表性、可操作性等原则的基础上，结合前人研究成果[7-11]，综合考虑研究区特征现状，制定了3个层次的土地利用系统健康评价指标体系，包括准则层、要素层和指标层。其中土地利用系统的压力指数用人口活动、社会经济发展、土地利用3个要素、7个指标来表征，当下土地利用过程中所产生的压力主要来自于这三方面，基本满足研究要求；状态指数主要是指研究时段的土地利用系统质量状况，由社会经济发展水平、土地集约利用状况、生态环境质量3个要素、6个指标来表征，其代表着土地利用系统在受到冲击时所能表现出的承受能力和适应能力；响应指数主要通过政策管理水平与环境保护水平来表征，土地管理者必须从土地利用系统面临的压力和当前所处的状态出发制定响应政策，才能保证土地资源的合理利用，促进土地利用系统健康发展（表1）。endprint
3.3.2 数据标准化 为了消除各因素指标量纲、数量级差异，采用标准差标准化方法对原始数据进行处理，其计算公式如下：
3.3.3 权重确定 运用主成分分析法确定指标权重，以各项指标的标准化之后的数据构建矩阵，使用SPSS 16.0软件进行数据处理，得出研究矩阵的特征根和相应的方差贡献率，选择主成分并得到因子提取结果和因子回归系数。因为主成分是原始变量的线性组合，包含了原始变量的信息，所以可以根据因子回归系数计算出每个市（区、县）的因子权重，其计算公式如下：
3.3.4 指数评分确定 确定权重之后便可计算压力、状态、响应3个子系统以及土地利用系统综合指数的评价分值，其计算公式如下：
3.3.5 评分标准确定 在借鉴前人对土地利用系统健康评价等级划分的基础上[12-14]，将研究区土地利用系统健康等级划分为病态、不健康、临界水平、亚健康、健康5个等级（表3）。
4 结果与分析
根据以上研究方法，对该区域各区（县）数据计算加总得到天府新区2004-2011年的土地利用系统健康水平，其结果如下（表4、图2）。
1）2004-2011年成都市天府新区土地利用系统健康综合指数总体呈上升趋势，土地利用水平稳步提高。健康水平综合指数得分由2004年的44.72上升到2011年的84.72，健康指数年均增长约6%，健康等级由“临界水平”转变为“健康”，土地利用系统健康状态得到较大改善。
2）土地利用系统压力指数总体呈上升趋势，表明该地区域土地利用压力不断加大，这与研究时段的社会经济发展压力与土地利用压力加大有较大关系。根据图2可将压力指数划分为3个区段：2004-2008年，压力指数得分持续升高，尤其是2004-2006年两年间指数得分增长了25.19，土地利用压力增长十分明显；2008-2010年，压力指数得分下降，年递减率达到10%；2010-2011年，天府新区规划正式被提出，各类土地利用压力指数得分增长迅速。
3）土地利用系统状态指数也呈现出总体上升的趋势，上升幅度较为平缓，表明该区域土地利用状态日趋合理，在社会经济迅速发展的同时，土地集约利用、环境保护等方面的工作也取得了较大进步。其中2004-2005年状态指数得分下降，年递减率为10%；2005-2008年状态指数得分平稳增长，幅度较小，年增长率为4%；2008-2011年状态指数得分增长较快，年增长率达到9%，属于土地利用水平迅速发展时期。
4）土地利用系统响应指数总体上升，升幅较为明显。其中2004、2007两年响应指数得分呈下降趋势，年递减率分别为14%、13%，表明在此时段内，该区域土地管理部门所做出的响应措施不够积极，土地管理时效较差；而其他年份响应指数得分增长较为明显，年均增长率达到14%，表明在这些年份，该区域土地管理部门因土地压力与实际土地利用中存在问题所做出的响应措施较为积极，并取得了较好成效。
5 小结
1）通过对2004-2011年天府新区的土地利用系统健康状况进行诊断，结果表明，综合指数、压力指数、状态指数、响应指数总体上均呈上升趋势，土地利用健康等级由“临界水平”转变为“健康”，健康水平增幅程度随着时间变化而不断增大，其中压力指数呈波状分布，状态指数稳步上升，响应指数起伏频率较大，系统响应不稳定。
2）基于PSR模型的土地利用系统各指数之间有以下时间演化特征：系统响应指数平稳上升的年份，压力指数较低，状态指数与综合得分呈较快上升状态，且分值较高，明显表现在2009、2010两年；系统响应状态较差的年份，往往压力指数较大，状态指数与综合得分虽仍然持续增长，但分值相对较低，明显表现为2004-2008年。系统响应指数与其他指数总体上表现出明显的负相关差异性特征。
3）从诊断结果与指数在时间演化特征上所表现出的差异性来看，土地管理部门与利用者所做出的调控政策与干预措施对于调节土地利用系统健康状况有明显效果，能促使土地利用系统朝着健康水平发展。建议管理部门保持响应措施的长期稳定执行，加大以“招、拍、挂”方式为主的土地市场配置力度，提高对污水、固体废弃物的利用与处理水平，加强水土流失治理工作，促使土地利用系统稳定保持在健康水平。
4）研究从PSR理论思想出发，将人类社会经济发展所产生的压力、土地利用过程中所表现出的实际状态与土地管理部门所做出的响应措施结合起来，进行土地利用系统健康诊断，并分析归纳其时间演化特征，研究结果可为天府新区土地利用系统在社会经济和生态环境等方面更加科学合理运行提供决策参考和技术支撑。另因研究数据可获取的局限性，所建立的评价指标体系仍需进一步完善。
参考文献：
[1] 陈美球，刘桃菊.土地健康与土地资源可持续利用[J].中国人口·资源与环境，2003（4）：66-67.
[2] 陈美球，吴次芳.土地健康研究进展[J].江西农业大学学报（自然科学版），2002（3）：324-329.
[3] 王 鑫.增速第一成都GDP跃居副省级城市第四[N].成都日报，2012-03-08（4）.
[4] 郑华伟，张 锐，刘友兆.基于物元分析的土地利用系统健康诊断[J].中国土地科学，2012，26（11）：33-39.
[5] 蔡为民，唐华俊，陈佑启，等.土地利用系统健康评价的框架与指标选择[J].中国人口·资源与环境，2004，14（1）：31-35.
[6] 马小明，张立勋. 基于压力-状态-响应模型的环境保护投资分析[J]. 环境保护，2002（11）：31-33.
[7] 王玉芳.长株潭地区土地利用系统健康评价研究[D].长沙：湖南师范大学，2006.
[8] 贺 翔.上海市土地利用系统健康评价研究[D].武汉：华中农业大学，2007.
[9] 陈美球，黄 靓，蔡海生，等.鄱阳湖地区土地健康评价[J].自然资源学报，2004，19（2）：170-175.
[10] 史永亮，杨东峰，王如松，等.基于PSR模型的大丰市城市生态系统健康综合评价[J].环境科学与技术，2008，31（2）：120-123.
[11] 任 平，程武学，洪步庭，等.基于PSDR理论框架下长江中上游生态系统退化威胁评价和空间分布研究[J].地理科学，2013，33（2）：189-194.
[12] 郭 杰，吴 斌.土地利用系统健康评价[J].中国土地科学，2011，25（4）：71-96.
[13] 李沅澍，朱红梅，刘 庆，等.基于主成分分析的长沙市土地健康评价研究[J].农业科技管理，2012，31（5）：12-16.
[14] 张继权，邹桃红，路兴昌，等.模糊综合评判在土地生态系统健康评价中的应用[J].科技导报，2011，29（19）：35-39.endprint
3.3.2 数据标准化 为了消除各因素指标量纲、数量级差异，采用标准差标准化方法对原始数据进行处理，其计算公式如下：
3.3.3 权重确定 运用主成分分析法确定指标权重，以各项指标的标准化之后的数据构建矩阵，使用SPSS 16.0软件进行数据处理，得出研究矩阵的特征根和相应的方差贡献率，选择主成分并得到因子提取结果和因子回归系数。因为主成分是原始变量的线性组合，包含了原始变量的信息，所以可以根据因子回归系数计算出每个市（区、县）的因子权重，其计算公式如下：
3.3.4 指数评分确定 确定权重之后便可计算压力、状态、响应3个子系统以及土地利用系统综合指数的评价分值，其计算公式如下：
3.3.5 评分标准确定 在借鉴前人对土地利用系统健康评价等级划分的基础上[12-14]，将研究区土地利用系统健康等级划分为病态、不健康、临界水平、亚健康、健康5个等级（表3）。
4 结果与分析
根据以上研究方法，对该区域各区（县）数据计算加总得到天府新区2004-2011年的土地利用系统健康水平，其结果如下（表4、图2）。
1）2004-2011年成都市天府新区土地利用系统健康综合指数总体呈上升趋势，土地利用水平稳步提高。健康水平综合指数得分由2004年的44.72上升到2011年的84.72，健康指数年均增长约6%，健康等级由“临界水平”转变为“健康”，土地利用系统健康状态得到较大改善。
2）土地利用系统压力指数总体呈上升趋势，表明该地区域土地利用压力不断加大，这与研究时段的社会经济发展压力与土地利用压力加大有较大关系。根据图2可将压力指数划分为3个区段：2004-2008年，压力指数得分持续升高，尤其是2004-2006年两年间指数得分增长了25.19，土地利用压力增长十分明显；2008-2010年，压力指数得分下降，年递减率达到10%；2010-2011年，天府新区规划正式被提出，各类土地利用压力指数得分增长迅速。
3）土地利用系统状态指数也呈现出总体上升的趋势，上升幅度较为平缓，表明该区域土地利用状态日趋合理，在社会经济迅速发展的同时，土地集约利用、环境保护等方面的工作也取得了较大进步。其中2004-2005年状态指数得分下降，年递减率为10%；2005-2008年状态指数得分平稳增长，幅度较小，年增长率为4%；2008-2011年状态指数得分增长较快，年增长率达到9%，属于土地利用水平迅速发展时期。
4）土地利用系统响应指数总体上升，升幅较为明显。其中2004、2007两年响应指数得分呈下降趋势，年递减率分别为14%、13%，表明在此时段内，该区域土地管理部门所做出的响应措施不够积极，土地管理时效较差；而其他年份响应指数得分增长较为明显，年均增长率达到14%，表明在这些年份，该区域土地管理部门因土地压力与实际土地利用中存在问题所做出的响应措施较为积极，并取得了较好成效。
5 小结
1）通过对2004-2011年天府新区的土地利用系统健康状况进行诊断，结果表明，综合指数、压力指数、状态指数、响应指数总体上均呈上升趋势，土地利用健康等级由“临界水平”转变为“健康”，健康水平增幅程度随着时间变化而不断增大，其中压力指数呈波状分布，状态指数稳步上升，响应指数起伏频率较大，系统响应不稳定。
2）基于PSR模型的土地利用系统各指数之间有以下时间演化特征：系统响应指数平稳上升的年份，压力指数较低，状态指数与综合得分呈较快上升状态，且分值较高，明显表现在2009、2010两年；系统响应状态较差的年份，往往压力指数较大，状态指数与综合得分虽仍然持续增长，但分值相对较低，明显表现为2004-2008年。系统响应指数与其他指数总体上表现出明显的负相关差异性特征。
3）从诊断结果与指数在时间演化特征上所表现出的差异性来看，土地管理部门与利用者所做出的调控政策与干预措施对于调节土地利用系统健康状况有明显效果，能促使土地利用系统朝着健康水平发展。建议管理部门保持响应措施的长期稳定执行，加大以“招、拍、挂”方式为主的土地市场配置力度，提高对污水、固体废弃物的利用与处理水平，加强水土流失治理工作，促使土地利用系统稳定保持在健康水平。
4）研究从PSR理论思想出发，将人类社会经济发展所产生的压力、土地利用过程中所表现出的实际状态与土地管理部门所做出的响应措施结合起来，进行土地利用系统健康诊断，并分析归纳其时间演化特征，研究结果可为天府新区土地利用系统在社会经济和生态环境等方面更加科学合理运行提供决策参考和技术支撑。另因研究数据可获取的局限性，所建立的评价指标体系仍需进一步完善。
参考文献：
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[6] 马小明，张立勋. 基于压力-状态-响应模型的环境保护投资分析[J]. 环境保护，2002（11）：31-33.
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[8] 贺 翔.上海市土地利用系统健康评价研究[D].武汉：华中农业大学，2007.
[9] 陈美球，黄 靓，蔡海生，等.鄱阳湖地区土地健康评价[J].自然资源学报，2004，19（2）：170-175.
[10] 史永亮，杨东峰，王如松，等.基于PSR模型的大丰市城市生态系统健康综合评价[J].环境科学与技术，2008，31（2）：120-123.
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[12] 郭 杰，吴 斌.土地利用系统健康评价[J].中国土地科学，2011，25（4）：71-96.
[13] 李沅澍，朱红梅，刘 庆，等.基于主成分分析的长沙市土地健康评价研究[J].农业科技管理，2012，31（5）：12-16.
[14] 张继权，邹桃红，路兴昌，等.模糊综合评判在土地生态系统健康评价中的应用[J].科技导报，2011，29（19）：35-39.endprint
3.3.2 数据标准化 为了消除各因素指标量纲、数量级差异，采用标准差标准化方法对原始数据进行处理，其计算公式如下：
3.3.3 权重确定 运用主成分分析法确定指标权重，以各项指标的标准化之后的数据构建矩阵，使用SPSS 16.0软件进行数据处理，得出研究矩阵的特征根和相应的方差贡献率，选择主成分并得到因子提取结果和因子回归系数。因为主成分是原始变量的线性组合，包含了原始变量的信息，所以可以根据因子回归系数计算出每个市（区、县）的因子权重，其计算公式如下：
3.3.4 指数评分确定 确定权重之后便可计算压力、状态、响应3个子系统以及土地利用系统综合指数的评价分值，其计算公式如下：
3.3.5 评分标准确定 在借鉴前人对土地利用系统健康评价等级划分的基础上[12-14]，将研究区土地利用系统健康等级划分为病态、不健康、临界水平、亚健康、健康5个等级（表3）。
4 结果与分析
根据以上研究方法，对该区域各区（县）数据计算加总得到天府新区2004-2011年的土地利用系统健康水平，其结果如下（表4、图2）。
1）2004-2011年成都市天府新区土地利用系统健康综合指数总体呈上升趋势，土地利用水平稳步提高。健康水平综合指数得分由2004年的44.72上升到2011年的84.72，健康指数年均增长约6%，健康等级由“临界水平”转变为“健康”，土地利用系统健康状态得到较大改善。
2）土地利用系统压力指数总体呈上升趋势，表明该地区域土地利用压力不断加大，这与研究时段的社会经济发展压力与土地利用压力加大有较大关系。根据图2可将压力指数划分为3个区段：2004-2008年，压力指数得分持续升高，尤其是2004-2006年两年间指数得分增长了25.19，土地利用压力增长十分明显；2008-2010年，压力指数得分下降，年递减率达到10%；2010-2011年，天府新区规划正式被提出，各类土地利用压力指数得分增长迅速。
3）土地利用系统状态指数也呈现出总体上升的趋势，上升幅度较为平缓，表明该区域土地利用状态日趋合理，在社会经济迅速发展的同时，土地集约利用、环境保护等方面的工作也取得了较大进步。其中2004-2005年状态指数得分下降，年递减率为10%；2005-2008年状态指数得分平稳增长，幅度较小，年增长率为4%；2008-2011年状态指数得分增长较快，年增长率达到9%，属于土地利用水平迅速发展时期。
4）土地利用系统响应指数总体上升，升幅较为明显。其中2004、2007两年响应指数得分呈下降趋势，年递减率分别为14%、13%，表明在此时段内，该区域土地管理部门所做出的响应措施不够积极，土地管理时效较差；而其他年份响应指数得分增长较为明显，年均增长率达到14%，表明在这些年份，该区域土地管理部门因土地压力与实际土地利用中存在问题所做出的响应措施较为积极，并取得了较好成效。
5 小结
1）通过对2004-2011年天府新区的土地利用系统健康状况进行诊断，结果表明，综合指数、压力指数、状态指数、响应指数总体上均呈上升趋势，土地利用健康等级由“临界水平”转变为“健康”，健康水平增幅程度随着时间变化而不断增大，其中压力指数呈波状分布，状态指数稳步上升，响应指数起伏频率较大，系统响应不稳定。
2）基于PSR模型的土地利用系统各指数之间有以下时间演化特征：系统响应指数平稳上升的年份，压力指数较低，状态指数与综合得分呈较快上升状态，且分值较高，明显表现在2009、2010两年；系统响应状态较差的年份，往往压力指数较大，状态指数与综合得分虽仍然持续增长，但分值相对较低，明显表现为2004-2008年。系统响应指数与其他指数总体上表现出明显的负相关差异性特征。
3）从诊断结果与指数在时间演化特征上所表现出的差异性来看，土地管理部门与利用者所做出的调控政策与干预措施对于调节土地利用系统健康状况有明显效果，能促使土地利用系统朝着健康水平发展。建议管理部门保持响应措施的长期稳定执行，加大以“招、拍、挂”方式为主的土地市场配置力度，提高对污水、固体废弃物的利用与处理水平，加强水土流失治理工作，促使土地利用系统稳定保持在健康水平。
4）研究从PSR理论思想出发，将人类社会经济发展所产生的压力、土地利用过程中所表现出的实际状态与土地管理部门所做出的响应措施结合起来，进行土地利用系统健康诊断，并分析归纳其时间演化特征，研究结果可为天府新区土地利用系统在社会经济和生态环境等方面更加科学合理运行提供决策参考和技术支撑。另因研究数据可获取的局限性，所建立的评价指标体系仍需进一步完善。
参考文献：
[1] 陈美球，刘桃菊.土地健康与土地资源可持续利用[J].中国人口·资源与环境，2003（4）：66-67.
[2] 陈美球，吴次芳.土地健康研究进展[J].江西农业大学学报（自然科学版），2002（3）：324-329.
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[6] 马小明，张立勋. 基于压力-状态-响应模型的环境保护投资分析[J]. 环境保护，2002（11）：31-33.
[7] 王玉芳.长株潭地区土地利用系统健康评价研究[D].长沙：湖南师范大学，2006.
[8] 贺 翔.上海市土地利用系统健康评价研究[D].武汉：华中农业大学，2007.
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[10] 史永亮，杨东峰，王如松，等.基于PSR模型的大丰市城市生态系统健康综合评价[J].环境科学与技术，2008，31（2）：120-123.
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[12] 郭 杰，吴 斌.土地利用系统健康评价[J].中国土地科学，2011，25（4）：71-96.
[13] 李沅澍，朱红梅，刘 庆，等.基于主成分分析的长沙市土地健康评价研究[J].农业科技管理，2012，31（5）：12-16.
[14] 张继权，邹桃红，路兴昌，等.模糊综合评判在土地生态系统健康评价中的应用[J].科技导报，2011，29（19）：35-39.endprint
