基于熵权灰色关联的武汉城市圈土地生态安全评价
2015-03-24栾江,马瑞,马凯
栾 江,马 瑞,马 凯
(1.中共天津市委党校 经济学教研部,天津 300191;2.北方民族大学 管理学院,宁夏 银川 750021;3.农业部农村经济研究中心 科研管理处,北京 100800)
基于熵权灰色关联的武汉城市圈土地生态安全评价
栾 江1,马 瑞2,马 凯3
(1.中共天津市委党校 经济学教研部,天津 300191;2.北方民族大学 管理学院,宁夏 银川 750021;3.农业部农村经济研究中心 科研管理处,北京 100800)
土地生态安全评价是当前土地生态安全研究的热点之一,但已有的研究多以行政区划为基本单元,研究尺度涉及省级以及市县级,较少涉及城市圈的土地生态安全问题。以武汉城市圈为研究对象,基于PSR模型框架体系构建了武汉城市圈土地生态安全评价指标体系,并利用熵权灰色关联法分析了该区域2000年—2012年的土地生态安全变化状况。结果表明,武汉城市圈的土地生态安全呈现先恶化后好转的趋势,2009年—2012年处于临界安全状态;研究区土地生态系统对状态子系统和压力子系统的依赖程度较高,在调控时,应该积极关这两个子系统下各因子的变化和作用。
土地生态安全;评价;熵权;灰色关联分析;武汉城市圈
随着我国社会经济的快速发展,人口、资源、环境的矛盾日益突出,一系列的土地生态问题相继出现。如何改善和解决土地生态安全问题受到人们的广泛关注。其中,土地生态安全评价作为土地生态安全研究的一个重要方向,国内学者对此进行了较多研究。这些研究既涵盖了中、小尺度的流域[1]、水域[2]、山区[3]、库区和生态区[4],也包括了不同级别的行政区和经济区[5-6];在研究方法上,不论是传统的综合指数法[7-9],还是物元模型法[10]、BP神经网络法[11]、主成分聚类分析法[12]、生态足迹法[13]都得到了广泛应用;除此之外,学者们还对评价所使用的指标体系进行了不同角度的探索,土地 “自然-经济-社会”生态概念框架模型和“压力-状态-响应”概念框架都有不同程度的运用[14-15]。但是,由于土地生态系统本身的复杂性以及人类对其影响的不确定性,土地生态安全评价在国内仍是一个相对较新的研究领域,在上述诸多方面都还有待进一步完善。
在早期研究中,人们往往比较注重对单个城市土地生态系统的安全评价,这在城市化初期单个城市发展阶段是必要的。但在经济全球化和区域经济一体化的今天,任何城市都是一个高度开放的系统。单个城市本身所拥有的资源条件是有限的,但可以通过开放和交换,获取和占有其它地区的资源来实现城市的持续发展。城市圈作为一种城市群体发展到高级阶段形成的空间分布形态,不仅具有强大的产业集聚和空间组合功能,而且在促进地区生态建设、完善区域环境保护协作机制等方面都具有单个城市不可比拟的优势。因此,有必要将研究重点转到跨行政区划的城市圈土地生态系统安全评价研究。本文选取武汉城市圈作为研究案例区,对该区域2000年—2012年的土地生态安全状况进行动态评价,以期丰富已有土地生态安全评价成果,也为其在国内率先建成生态城市群提供指引。
一、研究区概况与数据来源
(一)武汉城市圈概况
武汉城市圈又称“8+1”城市圈,是指以湖北省省会武汉市为圆心,包括周边的黄石、鄂州、黄冈、孝感、咸宁、仙桃、天门、潜江8个城市所组成的城市圈。武汉城市圈地处江汉平原地区,气候温暖湿润,水热条件优越,地貌类型多样,以平原为主,丘陵、山地为辅,大致呈现出“两山、两岗、三丘、三原”的格局;平均海拔不足100m,地势平坦、河湖众多;区域土地利用形态由内向外布有城镇、耕地、园地、草地和林地等,呈现多层次环状分布,其中以农用耕地为主,为28 830.2km2,占土地总面积49.71%;林地为17 391.5km2,占土地总面积30%;草地1 381.6km2,占土地总面积2.38%;水域5 905.6km2,占土地总面积10.2%;建设用地面积为4 285km2,占土地总面积比重7.39%;未利用土地面积为198.5km2,在土地总面积中的比重为0.34%。
2007年12月7日,国务院正式批准武汉城市圈为“全国资源节约型和环境友好型社会” (简称“两型社会”)建设综合配套改革试验区;2008年9月10日,国务院总理温家宝签批同意武汉城市圈“两型社会”综改方案。在“两型社会”建设的重大历史机遇下,武汉城市圈社会、经济得到快速发展。2012年,武汉城市圈常住人口达到3 062.85万,GDP达到13 883.58亿元,分别占到湖北省总量的53%、62.4%。这意味着,武汉城市圈以约1/3的土地资源承担着超过全省一半以上的人口和60%以上的经济总量。土地利用生态安全的总体形势不容乐观。
(二) 数据来源
本研究的数据主要来源于2001年—2013年的《湖北统计年鉴》《湖北农村统计年鉴》《中国城市统计年鉴》以及历年湖北省国民经济和社会发展统计公报。
二、武汉城市圈土地生态安全评价模型的建立
(一)土地生态安全评价指标体系的构建
影响土地生态安全的因素是多方面的,且不同因素之间又相互联系、相互影响。PSR模型从人类与资源环境系统的相互作用与影响出发,对环境指标进行组合分类,具有较强的系统性。因此,文中以PSR概念模型为基础,参考现有土地生态安全的评价指标体系,并考虑到武汉城市圈的实际情况,遵循科学性、实用性、全面性、可操作性等原则,构建了一套适用于武汉城市圈土地生态安全评价的指标体系,如表1所示,该指标体系分为四个层次,包括目标层、项目层、因素层和指标层,共18项指标。
表1 武汉城市圈土地生态安全评价指标体系
目标层项目层因素层指标层指标属性土地生态安全土地生态压力(A1)人口压力(B1)C1人口密度(人/km2)逆指标C2人口自然增长率(‰)逆指标土地压力(B2)C3人均耕地面积(km2/人)正指标C4单位耕地化肥施用量(kg/km2)逆指标C5单位土地能源消耗量(t标煤/km2)逆指标社会经济压力(B3)C6城市化水平(%)逆指标C7土地产出率(元/km2)正指标土地生态状态(A2)土地利用结构(B4)C8耕地面积比重(%)正指标C9林地面积比重(%)正指标C10草地面积比重(%)正指标C11非农建设占用耕地率(%)逆指标土地资源质量(B5)C12水土流失面积比例(%)逆指标C13耕地旱涝保收指数(%)正指标土地生态响应(A3)社会经济响应(B6)C14人均GDP(人/元)正指标C15第三产业比重(%)正指标C16耕地机械化程度(%)正指标环境响应(B7)C17森林覆盖率(%)正指标C18水土协调度(%)正指标
(二) 基于熵权灰色关联法的土地生态安全评价模型
正如前面所指出的,土地生态系统是一个复杂的人地复合系统,涉及社会、经济和自然环境等诸多因素,评价对象所包含的信息大多是“部分已知、部分未知”的灰色信息,这都使得土地生态安全评价中存在不确定性和不完全性。在这种情况下,应用灰色关联度来评价区域土地生态安全水平始合适的。但是,由于在传统的灰色综合评价模型中,通常是取关联系数的算术平均值(即关联度)作为综合评价系数的[16],这对于评价对象的考察属性较少且同层各属性程度差异不大的情况是适用的,但是却不适合于评价指标体系具有多目标、多层次特点,且同层各指标对综合评分值的重要性有较大差异的情况。因此,必须区分各指标的权重。为此,本文引入熵值法。熵值法是一种根据指标反映信息可靠程度来确定权重的方法,其最大特点是直接利用评价矩阵所给出的信息计算权重,避免主观性。
综上,本文将综合运用灰色关联分析法和熵值法两种方法建立土地生态安全综合评价模型,基本思路是:用灰色关联方法将各评价指标的原始数据转化为灰色关联系数,用熵值法确定评价指标的权重;在此基础上,通过计算加权灰色关联度来测度评价区域的土地生态安全综合水平。
设土地生态安全系统S中共有m(m>1)个参评单元, 设i(i=1,2,…,m)为所有参评单元的序号, 再设土地生态安全评价的指标共有n(n>1)个,k(k=1,2,…,n)为评价指标的序号。那么,vik就是第i年的第k个评价指标的评价值。
(1)对于一个由m个参评单元,n个评价指标的系统,建立下面的原始评价矩阵V:
(1)
(2)确定参考序列V0。根据各评价指标的经济含义,取每个指标的最优值,即由正指标的最大值、逆指标的最小值组成参考序列V0={V01,V02,…,V0n}。
(3)建立规格化评价增广矩阵X。首先,把参考序列V0和原始评价矩阵V组成评价增广矩阵V′:
(2)
其次,为了使各指标之间可以比较,需要对公式(2)中各指标值进行消除量纲的规格化处理。规格化公式如公式(3)和公式(4):
当指标为正指标,即指标值越大越好时:
(3)
当指标为逆指标,即指标值越小越好时:
(4)
经过规格化处理,得到规格化评价增广矩阵X:
(5)
(4)计算关联系数。把规格化后的序列X0={X01,X02,…,X0n}作为参考序列, Xi={Xi1,Xi2,…,Xin}(i=1,2,…,m)作为比较序列,利用公式(6)计算关联系数ξ0i(k),从而得到如公式(7)所示的关联系数矩阵E。
ξ0i(k)=
(6)
式中:ρ为分辨系数,0<ρ<1,ρ越大,分辨率就越高,一般采用ρ=0.5。
E =(ξ0i(k))m×n
(7)
式中:ξ0i(k)为第i个参评单元在第k项指标属性上与参考序列的关联系数。
(5)用熵值法确定各评价指标权重。设原始评价矩阵V=(vik)m×n,其关联系数矩阵E=(ξik)m×n,ξik表示第i个参评对象在第k项指标属性上的表现值。用ek表示所有m个参评对象对第k项指标属性的贡献总量:
(8)
定义dk为第k项指标属性下各方案贡献度的一致性程度,dk=1-ek,则各指标属性权重wk可表达为:
(9)
(6)计算加权关联度。参评单元土地生态安全的加权关联度计算公式为:
(10)
计算所得的加权关联度R,即是评价区域各年份的土地生态安全综合得分,R越大,土地生态安全水平也就越高,据此可知评价区域土地生态安全的动态变化情况。
(7)确定安全评价等级。一般关联度按强弱可以分为弱相关(0~0.35)、中等相关(0.35~0.7)和强相关(0.7~1)三类[17]。在此基础上并咨询专家的意见,将土地生态安全评价等级细分为五个等级,如表2所示。将计算所得加权关联度R与表2所示的安全等级相比较,即可以对城市圈各年生态安全进行定性评价。
表2 土地生态安全分级标准
评估值(关联度)安全等级≥0.75安全0.55~0.75较安全0.45~0.55临界安全0.35~0.45不安全≤0.35很不安全
三、结果与分析
根据改进后的灰色综合评价模型计算2000年—2012年武汉城市圈土地生态安全综合指数,分别为{0.6755;0.6645;0.6530;0.6232;0.5892;0.5909;0.5793;0.5593;0.5167;0.5623;0.5582;0.5087;0.5367}。同理可以向上类推计算出各子系统的安全指数。然后与土地生态安全分级标准对比,分析研究区近十多年来的土地生态系统安全状况变迁,见图1。
图1 2000年—2012年武汉城市圈土地生态安全变化趋势
由图1可知,以2009年为分水岭,十多年来研究区土地生态系统的安全状况经历了快速恶化和波动中恢复两个阶段。其中,2000年—2008年为持续恶化时期,综合安全指数由2000年0.675 5迅速下降至2008年的0.516 7,特别是城市圈建设的初期阶段(2004年—2008年),下降幅度尤为显著。原因主要是,进入新世纪以后,该区域社会、经济发展迅速,对土地生态系统的消耗和破坏也日趋激烈;再加上2007年城市圈的批准建立,大量基本建设项目和改造工程上马,人口膨胀和城市扩张给土地生态系统带来巨大压力。从2009年开始,武汉城市圈建设进入全面提速阶段。相应的土地生态安全综合指数也迅速由2008年的0.516 7上升到2009年的0.562 3和2010年的0.558 2,由“临界安全”转入“较安全”等级区域。这与城市圈建成后,城市圈总体规划和一系列生态建设与环境保护措施的出台、实施是密切相关的。自2007年获批为“两型社会”建设综合配套改革试验区以来,武汉城市圈在推进环境友好型城市建设方面进行了一系列的制度和政策探索:2008年8月,圈内9个城市签署《武汉城市圈环境保护合作框架协议》,提出联手推进环保深度协作,促进城市圈生态建设;2009年11月,“1+8”城市圈生态建设与环境保护规划出台,对整个城市圈进行了生态功能划分,并提出将实施八大统筹,全力打造全国首个生态城市群。这有效地抑制了研究区土地生态系统恶化的趋势,使之得到了一定程度的修复。但状态非常不稳定,表现在综合安全指数在2011年和2012年均有不同程度的下降,安全等级也由此前的“较安全”退化为“临界安全”。主要原因在于此期间压力指数、状态指数连续双下降,从而使土地生态总系统又出现倒退情况。
在上述给定时间尺度(△t)的生态安全评价值的计算基础上,再运用数学方法拟合出研究期内研究区土地生态安全综合指数y的动态趋势方程:
y=0.001x2-0.027x+0.710
(R2=0.911;F=51.410)
经过检验,F检验值大于相应的F临界值,表明方程是高度显著的,且由动态趋势线得出生态安全评价值变化的斜率K(△t)>0;再结合2009年以来研究区土地生态安全的状态变量在大多数年份都处于临界安全级别,因此判定该土地生态系统为不稳定的安全系统。
综合评价值仅仅代表了评价对象的综合效果。图1还反映了武汉城市圈土地生态安全3个子系统13年来的变化情况。可以看出,由于发展侧重不同,研究区土地生态系统在压力、状态、响应三个子系统上的表现情况也不尽相同。
(1)根据压力指数判断,十多年来,研究区土地生态系统安全状况恶化的态势更加明显(负向指标,数值越小压力越大)。研究期内,随着武汉城市圈一体化进程加快,城市圈对周边人口的吸引力增强,人口密度增加,对土地的利用强度也在增强。2000年—2012年,武汉城市圈人口自然增长率由3.7‰增长到2012年的4.88‰,城镇化率由40.39%增长到44.51%,人口密度也由515.75人/km2增长到566.16人/km2;相应的,单位耕地化肥施用量由0.1230kg/km2增长到0.222 4kg/km2,单位土地面积能源消耗量由6.99t标煤/km2增长到21.9t标煤/km2。但是在人口增长的情况下,研究区人均耕地面积却是逐年递减的,已经由2000年的0.045 5km2/人减少到2012年的0.040 5km2/人。在正反两方面效应的综合作用下,压力指数对土地生态安全的关联度由2000年的0.903 1下降到2012年的0.333 3,压力子系统的安全状况也相应地由“安全”“较安全”降级为“临界安全”“不安全”,直至“很不安全”,退化趋势非常明显。
(2)根据状态指数判断,尽管在2000年—2007年,研究区土地生态安全现状一直都处于较安全状态,但近五年来却逐渐走向恶化,表现为状态指数对土地生态安全的关联度不断减小,特别是2004年—2008年,下降趋势最为明显。这与该阶段的土地利用强度有关。2004年—2008年,是武汉城市圈建设的起步阶段,基本建设项目和改造工程不断增加,占用了大量耕地,其比重由2002年的32.99%减少到2007年的31.76%;园地、草地等其他生态用地也存在不同程度的开垦,分别减少了0.06%和0.18%[17]。这些变化直接造成状态指数在2008年急剧下降,由年初的0.610 7减少为0.421 8,状态子系统的安全状况也由“临界安全”降级为“不安全”。2009年底,《武汉城市圈两型社会建设试验区生态环境规划》出台,政府对土地利用的生态效益开始日渐重视,利用城市圈内园、林、草用地的区位优势实现了生态用地优化,同时通过建设用地内部结构调整提供了城市圈产业发展用地,总体上实现了土地利用结构生态合理度的大幅度提高,因此状态子系统的安全状况在2009年—2010年有所恢复,由“不安全”直接升级为“较安全”。但之后又迅速在2011年—2012年再次降级为“不安全”。这是因为,目前城市圈的生态建设尚处于探索阶段,出现反复和波动在所难免。
(3)根据响应指数判断,从2000年—2012年,响应子系统的安全状况经历了一个“不安全—较安全—临界安全—较安全—安全”的全过程变化,特别是2009年以来,安全状况改善最为显著。主要原因在于,随着武汉城市圈建设逐渐进入全面提速阶段,在生态环境一体化方面的诸多措施效果逐渐显现,特别是2009年提出全力打造全国首个生态城市群,加快了区域整体生态建设的步伐。相应地,森林覆盖率、水土协调度等自然响应因子对响应子系统的支撑能力也得以不断增强。当然,这也与近年来在区域一体化发展战略的驱动下,武汉城市圈逐渐形成了协作、互补、共赢的良好发展局面,人均GDP、第三产业比重、耕地机械化程度等社会经济响应指标都比城市圈建成前有较大幅度的提高有关。所以,综合来看,研究区土地生态响应子系统的安全状况评价结果较优。
(4)从各子系统与总系统的平均关联度看,状态子系统的关联度最大,压力子系统关联度相当,响应子系统关联度最小。这说明,研究区土地生态安全状态主要取决于状态子系统和压力子系统。这也解释了为什么安全响应指数一直在逐年升高,但总体安全状况一直未得到有效改善——因为对综合安全指数贡献率较高的压力指数和状态指数一直在下降。同时,这也启示我们,在调控时,应该积极关注状态、压力子系统下各因子的作用,充分发挥这两个子系统对土地生态安全水平的提升效应。
四、结论与讨论
(1)本文从土地生态系统的不确定性和不完全性出发,将灰色关联度法应用于土地生态安全综合评价中,同时引入熵值法计算权重系数,既更加有效地利用了指标信息,又很好地解决了评价指标较多且同层各指标重要程度差异较大的问题。通过实例研究,证实了本文所提出的基于熵权灰色关联的区域土地生态安全评价模型是可行的。
(2)本文对我国中部地区的武汉城市圈2000年—2012年的土地生态安全状况的动态评价结果表明,近十多年来,研究区的土地生态安全状况可明显的分为2个阶段:第1阶段(2000年—2008年),土地生态安全状况持续恶化,安全等级由低安全级别向高安全级别变化,安全状态亦由“较安全”退化为“临界安全”;第2阶段(2009年—2012年),土地生态安全状况逐渐好转,但状态不是很稳定,在“临界安全”和“较安全”之间来回摇摆。
(3)2000年—2012年,武汉城市圈土地生态安全水平整体上在不断改善,但其土地生态安全现状水平仍处于“临界安全”状态,生态安全变化趋势表现为不稳定的安全系统,区域巨大的生态压力尚未得到根本性的缓解。
(4)就单个子系统而言,状态子系统与总系统的平均关联度最大,压力子系统次之,响应子系统最小。这意味着,武汉城市圈土地生态安全对状态子系统和压力子系统的依赖程度较高。因此,在调控时,应该积极关这两个子系统下各因子的作用,充分发挥其对整体土地生态安全水平的提升效应。
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(责任编辑 周吉光)
Evaluation of Land Ecological Security of Wuhan Metropolitan Region Based on Entropy-weighted Gray Correlation Analysis
LUAN Jiang1, MA Rui2, MA Kai3
(1. Party School of CPC Tianjin Municipal Committee, Tianjin, 300191; 2. North Universityof Nationalities, Yinchuan, Ningxia 750021; 3. Ministry of Agriculture, Beijing, 100810)
Evaluation of land ecological security is one of the research hotspots in ecological safety, but the majority of previous research was based on the administrative division, the research scale involved provincial level and city or county level, and the metropolitan region level was little involved. Taking Wuhan Metropolitan Region as an example, this paper established an evaluation index system of land ecological security of Wuhan Metropolitan Region based on pressure-state-response (PSR) model framework system, and analyzed the dynamic of and ecological security of Wuhan Metropolitan Region by using entropy-weighted gray correlation model. The results indicated that the land ecological security of Wuhan Metropolitan Region got worse first and then better from 2000 to 2012, and it was still in critical condition in at present. The safety status of general system is highly dependent on the status subsystem and pressure subsystem, so it is essential to regulate selectively the subsystems and the general system.
land ecological security; evaluation; entropy weight; gray correlation analysis; Wuhan metropolitan region
10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2015.06.011
2015-09-16
http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2015.06.011.html
时间:2015-12-20 15:30
国家自然科学基金青年项目(70803005)。
栾江(1986—),男,山东烟台人,博士,天津市委党校经济学教研部讲师,研究方向为计量经济学、产业经济学。
F061.5
A
1007-6875(2015)06-0062-06