干旱生态脆弱区土地生态安全评价
2016-01-12黄晓东蒲春玲宋建华张小虎王承武王志强刘志有
黄晓东 蒲春玲 宋建华 张小虎 王承武 王志强 刘志有
摘 要：土地是人类赖以生存的基本条件，土地生态安全与人类的生存和发展息息相关。以新疆为研究对象，基于“状态-压力-响应”模型构建土地生态安全评价指标体系，采用熵权系数法确定指标的权重，通过物元分析模型对2003-2012年新疆土地生态安全水平进行评价分析。结果表明：①2003-2012年新疆土地生态综合安全水平持续提升，其中2003-2004年处于较不安全水平，2005-2012年处于临界安全水平。②从各准则层来看，压力系统安全水平从较不安全上升至临界安全；状态系统安全水平一直处于临界安全；响应系统安全水平呈稳步上升趋势，经历了较不安全→临界安全→较安全→安全的发展过程。③影响新疆土地生态安全的指标因素主要是人均耕地面积、人均水资源量、耕地面积比例、土地利用率、耕地压力指数。
关键词：土地生态安全；P-S-R模型；熵权；物元模型；生态脆弱区；干旱地区；新疆
中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）24-6416-07
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.083
Abstract：Land is the basic condition for human survival， land ecological security are closely related to the survival and development of human. Taking Xinjiang as research object， a land ecological security evaluation system was built based on pressure-state-response model. By using entropy weight coefficient method to determine the weights of index， and through matter element model to evaluate and analyze the land eco-security of Xinjiang during 2003 to 2012. The results indicate that， ①The comprehensive land ecological security level in Xinjiang continued to improve during 2003 to 2012， but it maintained an unsafe level among 2003-2004 and a critical safety level in 2005-2012.②From each criterion level， the security level of pressure system was rising from less security to critical security； the security level of state system kept critical safety； the security level of response system showed a steady upward trend， experienced the development process of less safety→critical safety→relative safety→safety.③The main factors affecting the land ecological security in Xinjiang： farmland areas per person； water resources per person； the proportion of arable land； land utilization rate； cropland pressure index.
Key words： land ecological security； pressure-state-response model； entropy weight； matter element model；Xinjiang
土地生态安全作为国家、区域生态安全的一个重要基础性组成部分，指地球陆地表层岩土部分内由各种有机物和无机物构成的生态系统的结构不受破坏，同时该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需要的状态[1]。对土地生态安全进行科学评价，不仅能掌握土地安全状态，而且可以为合理利用土地和土地生态安全预警提供直接的依据[2]。伴随着城市化和工业化的发展，人类对自然的改造取得了巨大的成就，但也给人类赖以生存的生态环境带来了水土流失、草地退化、环境恶化等负面影响。目前，多数土地生态系统面临着来自人类改造自然的威胁，同时土地生态系统的恶化阻碍了人类的可持续发展。
土地生态安全关系到人类生存和发展，是土地可持续利用的核心，当前已经成为土地可持续利用的热点课题，引起众多学者的关注[3-12]。马红莉等[13]运用物元模型对青海省土地生态安全状况变化情况及空间差异进行了分析；裴婷婷等[14]对白银市的土地生态进行了评价，并根据综合指数界定了白银市土地生态的安全等级；齐鹏等[15]对民勤绿洲的土地生态安全进行了研究；杨倩倩等[16]运用熵权法与综合评分法对甘肃省古浪县的不同时段的土地生态安全进行了分析。现有的研究对干旱区省域尺度的土地资源安全动态评价较少，基于此背景，以新疆为例，基于“状态-压力-响应”模型构建关于土地生态安全的评价指标体系，并运用熵权系数法计算各评价指标的权重，采用物元分析模型对新疆土地生态安全进行评价，从而客观地反映土地生态安全的综合水平。通过对新疆的土地生态安全进行评价，不仅可以掌握目前新疆的土地安全状况，而且可以为新疆未来的土地利用方式和决策提供参考依据。
干旱区由于受到气候、水文等自然因素的制约，自然条件恶劣，生态系统相对脆弱，容易遭到破坏并且恢复起来难度大，土地生态安全与整个生态系统的安全显得更为敏感与复杂。新疆地处亚欧大陆腹地，在远离海洋和高山环抱的综合地理因素影响下，植被类型和生态景观都具有特殊性，形成典型的干旱气候。干旱造成植被大面积枯死，地表因缺少植被覆盖，逐渐引起土地沙化等问题，生态退化深度发展，给土地生态保护带来更多挑战。
1 研究区域概况及数据来源
新疆位于中国西北边陲，地处亚欧大陆腹地，介于34°25′N-48°10′N，73°40′E-96°18′E。新疆与西藏、青海、甘肃三省（区）交界，与塔吉克斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、俄罗斯、阿富汗、蒙古、巴基斯坦、印度等8个国家接壤，陆地边境线长达5 600 km，占全国陆地边境线的1/4，是中国面积最大、陆地边境线最长、毗邻国家最多的省（区）。总面积166.49万km2，占全国陆地总面积的1/6，居于全国各省（区）的首位。据2012年末统计，人均耕地面积仅0.18 hm2，耕地面积比例仅为土地面积的2.48%，单位耕地化肥施用量达到467.19 kg/hm2，人均水资源量3 990 m3。由于远离海洋，四周又被高山环抱，海洋气流难以到达，新疆形成典型的干旱气候，加之粗放开发利用土地的方式，造成土地生态功能下降、土地荒漠化严重、生物多样性减少、地力下降，土地沙漠化和盐碱化治理形势面临严峻挑战。因此，对于新疆土地生态安全的研究势在必行，从而为新疆土地利用规划管理和土地利用方式的转变提供理论依据，使得土地自然、经济、社会复合系统实现可持续发展。
研究数据主要来自于《中国统计年鉴》（2004-2013年）、《中国区域经济统计年鉴》（2004-2013年）和《新疆统计年鉴》（2004-2013年）。
2 研究方法
采用物元分析法，该方法主要用于解决不相容的复杂问题，适合于多因子评价。土地生态安全评价各单项指标评价结果具有不相容性，运用物元分析法构建土地生态安全评价模型，能够较为准确、完整地反映待评事物质量的综合水平。同时结合熵权系数法确定指标权重，能够比较客观、全面地对土地生态安全程度进行评价[17]。
2.1 确定土地生态安全物元
以有序三元R=（P，C，V）作为描述土地生态安全的基本元，简称土地生态安全物元。土地生态安全P，土地生态安全特征C和特征量值V称为土地生态安全物元的三要素。假设土地生态安全P有多个特征，以n个特征C1，C2，…，Cn和相应的量值V1，V2，…，Vn描述，则：
R=P c1 v1 c2 v2 … … cn vn=R1R2…Rn （1）
2.2 确定经典域物元矩阵
R0=（P0，C，X0n）=P c1
式中，X01，X02，…，X0n分别是P0关于C1，C2，…，Cn的取值范围，即经典域，满足b0i>X0i≤a0i（i=1，2，…，n）。
2.3 确定节域物元矩阵
Rp=（P，C，Xp）=P c1 Xp1 c2 Xp2 … … cn Xpi=P c1
式中，Xp1，Xp2，…，Xpn分别为P关于C1，C2，…，Cn的取值范围，即P的节域，满足bpi>Xpi≤api，（i=1，2，…，n），同时满足X0i∈Xpi（i=1，2，…，n）。
2.4 关联度计算
2.4.1 确定待评事物各指标关于各等级的关联函数 关联函数是描述事物的量化工具，表示物元的量值取值为实轴上一点时物元符合要求的范围程度，反映事物量变和质变的可变性过程。关联函数是用代数式来表示可拓集合，将不相容的矛盾问题定量化的表达，关联函数的取值范围为整个实数轴，用关联度是刻画事物各指标关于各定级的归属程度。表达式如下：
ki（vi）=■（Vi∈X0i）■（Vi？埸X0i） （4）
式中，ρ（Vi，X0i）=|Vi-（a0i+b0i）/2|-（b0i-a0i）/2，（i=1，2，…，n）；ρ（Vi，Xpi）=|Vi-（api+bpi）/2|-（bpi-api）/2，（i=1，2，…，n）；ρ（Vi，X0i）表示点Vi与有限区间X0i=[a0i，b0i]的距离；ρ（Vi，Xpi）表示点Vi与有限区间Xpi=[api，bpi]的距离。
2.4.2 计算待评事物关于各等级的关联函数 关联函数表示待评事物各指标关于各评价等级的归属程度，与模糊数学中存在的隶属度相似，它具有的内涵更为丰富，其表达式如下：
K（p）=■λiKi（vi） （5）
式中，λi表示对应指标的权重，K（p）表示待评事物各指标关于各评价等级的归属程度，反映p属于P0的程度，取值范围为整个实数轴。
2.5 评价结果质量等级的确定
K（p）<-1时，p∈P，表示待评事物不符合某级标准的要求，也不具备转化为该级标准的条件； -1≤K（p）≤0时，p∈P，p？埸P0，表示待评事物不符合某级标准的要求，但具备转化为该级标准的条件，并且其值越大，越易转化；当K（p）>0时，p∈P0，表示待评事物符合某级标准的要求，而且其值越大，开发潜力越大，符合程度越好。
2.6 熵权法确定权重
权重反映了各项评价指标在评价体系中的相对重要程度，权重值越大，则该指标在评价过程中的重要程度越高，反之，则越低。综合考虑研究区域土地生态安全评价的地域性、数据获得难易程度、数据结果的客观性等特点，采用熵权法确定不同层次的各评价指标的准则权重[2]。假设研究对象有n个评价样本，m项评价指标，分别为xi（i=1，2，…，m），原始数据矩阵表示为R=（rij）m×n，i=1，2，…，m； j=1，2，…，n，其中第i项指标的熵Hi可定义为：
Hi=-k■fijlnfij i=1，2，…，m j=1，2，…，n （6）
式中，
fij=■，k=■ （当时fij=0时，fijlnfij=0）
确定了指标熵值后就可计算第i个指标的熵权Wi：
Wi=■ （7）
3 新疆土地生态安全评价
3.1 评价指标体系构建
新疆地域辽阔，有着复杂多样的地貌和土壤，耕地后备资源丰富，对确保国家粮食安全起着重要作用。同时，新疆土地生态安全也面临着一系列的问题，如水资源短缺、耕地资源分布不均、土地沙化和盐碱化问题突出等。因此，针对新疆土地利用现状及存在的问题，在借鉴国内相关研究成果的基础上[18-25]，依据区域性、动态性、数据可得性及可量化等原则，从压力、状态、响应3个方面选取评价指标，构建了包括人口自然增长率、人均耕地面积、林草覆盖率、节水灌溉率、人均GDP和化肥施用量等16项指标的指标体系。
对于选取的特征指标按照趋向性分为正向安全和负向安全两种，分别用“+”、“-”来表示。正安全趋向性指标值越大，表明土地生态安全状况越好，负安全趋向性指标越大，表明土地生态安全状况越差。
3.2 评价指标数据无量纲化
土地生态安全评价指标具有复杂性和多样性，指标中包含定性指标和定量指标，为消除指标间量纲不统一的缺点，则要将各个指标进行无量纲化处理，统一化成以百分比为单位的指标值，从而整体反映土地生态安全评价结果。采用极差法对各个指标进行无量纲化处理。
1）当评价指标趋向性为正时，
Bi=■ （8）
2）当评价指标趋向性为负时，
Bi=■ （9）
式中，Bi为指标标准化后的实际评价数值；Xi、Xmax、Xmin分别为评价指标i的实际值、最小值和最大值。
3.3 指标权重计算
对选取的原始指标数据进行无量纲化处理，然后运用熵权系数法公式（6）、（7）计算各指标权重，结果见表1。
3.4 经典域、节域的确定
将土地生态安全定性为 5 个等级，描述集合为{安全→较安全→临界安全→较不安全→不安全}，即 R01→R05[20]。经典域中标准参考值的确定主要依据国家及自治区各种规划指标，如国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标（试行）》标准、新疆环保厅《自治区级生态县、生态市建设指标（试行）》标准、《国家生态园林城市标准》等。同时对于缺少相应法规标准的城镇化率、第三产业产值比重、耕地压力指数等标准，采用国际通行标准；对于人均水资源量、耕地面积比例、节水灌溉率等指标从新疆实际出发，采用区域本底值作为指标阈值标准。由此便可得到新疆土地生态安全评价的经典域物元矩阵R01、R02、R03、R04、R05和节域物元矩阵R分别为：
R01=c1 （45，60）c2 （0，5）c3 （0.4，0.6）c4 （6 000，7 000）c5 （60，80）c6 （0，225）c7 （6 000，7 000）c8 （15，20）c9 （60，70）c10 （50，70）c11 （50，60）c12 （80，100）c13 （32 000，50 000）c14 （45，60）c15 （6 000，8 000）c16 （0，50）R02=c1 （30，45）c2 （5，10）c3 （0.3，0.4）c4 （5 500，6 000）c5 （50，60）c6 （225，400）c7 （5 000，6 000）c8 （10，15）c9 （50，60）c10 （40，50）c11 （45，50）c12 （60，80）c13 （20 000，32 000）c14 （35，45）c15 （4 500，6 000）c16 （50，100）
R03=c1 （15，30）c2 （10，15）c3 （0.2，0.3）c4 （5 000，5 500）c5 （40，50）c6 （400，600）c7 （3 500，5 000）c8 （6，10）c9 （40，50）c10 （25，40）c11 （40，45）c12 （40，60）c13 （12 000，20 000）c14 （25，35）c15 （3 000，4 500）c16 （100，150）R04=c1 （7，15）c2 （15，25）c3 （0.08，0.0）c4 （4 000，5 000）c5 （25，40）c6 （600，800）c7 （2 000，3 500）c8 （2，6）c9 （30，40）c10 （15，25）c11 （35，40）c12 （20，40）c13 （6 000，12 000）c14 （15，25）c15 （1 800，3 000）c16 （150，500）
R05=c1 （1，7）c2 （25，30）c3 （0.01，0.08）c4 （1 000，4 000）c5 （20，25）c6 （800，1 000）c7 （800，2 000）c8 （0，2）c9 （0，30）c10 （0，15）c11 （20，35）c12 （0，20）c13 （1 000，6 000）c14 （1，15）c15 （1 000，1 800）c16 （500，800）R=c1 （1，60）c2 （0，30）c3 （0.01，0.6）c4 （1 000，7 000）c5 （20，80）c6 （0，1 000）c7 （800，7 000）c8 （0，20）c9 （0，70）c10 （0，70）c11 （20，60）c12 （0，100）c13 （1 000，5 000）c14 （1，60）c15 （100，8 000）c16 （0，800）
3.5 待评物元的确定
确定待评物元，即确定评价对象关于各指标Ci的具体量值。以2003年为例，待评物元为：
R2003=c1 11.28c2 10.78c3 0.17c4 4 793c5 34.39c6 273.81c7 6 133.34c8 1.99c9 68.98c10 34.84c11 38.57c12 36.66c13 9 828c14 43.5c15 2 106c16 584
3.6 评价结果
将待判物元的具体数据输入物元模型，即可输出相应的评价结果。例如，2003年C1具体量值V1=11.28 输入公式（1）、（2）、（3）、（4），得到该指标对应各评价等级的关联度分别为K1（V1）=-0.766 4，K2（V1）=-0.645 5，K3（V1）=-0.265 7，K4（V1）=0.567 1，K5（V1）=-0.294 0，依据判断标准可得到，该指标属于 R04，即安全级别为不安全。同样方法可以算出新疆2003-2012年土地生态安全综合关联度以及压力系统、状态系统、响应系统的等级关联度，具体结果见表2、表3、表4、表5。
3.7 评价结果分析
1）土地生态安全系统综合分析。由表2可知，2003-2012年新疆土地生态安全系统综合水平由较不安全上升为临界安全。2003-2004年综合水平处于较不安全状态，关联度值从-0.034 0下降到-0.060 5，并不完全符合较不安全的标准，且更符合转变为临界安全的条件。2005-2012年综合水平处于临界安全状态，其中2005-2008年的关联度值从-0.092 4上升到0.021 8，前3年的关联度值为负值，并不完全符合临界安全的标准，但关联度值一直增大，具备转变为完全符合临界安全的条件，直到2008年关联度值为正值，等级稳定；2009-2012年关联度值从-0.012 3下降到-0.153 7，仍处于临界安全状态。通过分析得知，新疆土地生态安全系统综合水平整体上处于上升趋势，但直到研究期末，仍处于临界安全水平，说明土地生态安全压力并未得到根本缓解，其原因主要如下：①人地矛盾突出。新疆虽然土地面积大，但是境内多沙漠、戈壁滩、盐碱地等，可供人类利用的耕地数量有限，土地资源与人口之间的压力持续存在。截至2012年末，新疆人口2 232.78万，人均耕地面积仅0.18 hm2。新疆土地总面积1 664 897.17 km2，耕地面积比例仅2.48%，耕地压力指数达到541人/km2，远高于国际安全标准。耕地面积数量的不足，严重制约着新疆农业的发展和生态环境的保护。②土地利用率低。受自然条件及技术水平限制，新疆的土地利用率一直较低，截至2012年末，土地利用率为38.64%，研究期内一直处于较不安全状态。③可供利用的水资源匮乏。新疆水资源总量虽大，但是这些水资源多是以冰川固态水存在于荒无人烟的地方的，人类无法直接利用。截至2012年末，新疆人均水资源量为3 990 m3，并且2003-2012年10年间人均水资源量由4 793 m3下降到3 990 m3，在2008、2009、2012年甚至达到了不安全状态。
2）土地生态安全压力系统分析。由表3可知，2003-2012年新疆土地生态安全压力系统水平由较不安全上升为临界安全。2003-2006年，压力系统状态虽然为较不安全水平，但关联度值从0.053 6逐年下降到-0.004 1，说明其安全水平具备转化为临界安全的条件，且转化的条件呈逐年增大的趋势；2007-2012年，压力系统状态关联度值从0.013 0下降到-0.012 2，仍为临界安全状态。通过分析得知，新疆土地生态安全压力系统的安全水平处于逐年上升的状态，其原因如下：①地均GDP稳步增长。研究期内地均GDP由11.280 0万元/km2上升至45.079 7万元/km2。②严格控制人口数量，截至2012年末，人口增长率为10.84%。
3）土地生态安全状态系统分析。由表4可知，2003-2012年新疆土地生态安全状态系统水平一直处于临界安全状态，2003-2006年关联度值从-0.030 8逐年增大到-0.006 8，均处于（-1，0）之间，说明并不完全符合临界安全的标准，但具备转化为临界安全的条件，且转化的趋势逐渐加强。2007-2010年关联度值均为正值，说明状态系统已经由2006年的不完全不符合临界安全状态转变为完全符合临界安全状态，且等级稳定。2011-2012年，关联度值变为负值，且从-0.007 8下降到-0.023 3，仍处于临界安全状态。通过分析得知，新疆土地生态安全状态系统安全水平一直处于临界安全水平，在稳步保持的同时也有向较安全水平转变的趋势，其原因如下：①加大农业灌溉设施投入力度，耕地有效灌溉率从68.98%上升到72.82%，有效地保障了农业用水。②积极发展现代化农业，将新技术应用于农业生产中，节水灌溉率从36.66%上升到58.89%，新疆处于西部干旱地区，水资源的合理利用对于新疆农业的发展和生态环境的保护都是至关重要的。
4）土地生态安全响应系统分析。由表5可知，2003-2012年新疆土地生态安全响应系统水平处于较不安全→临界安→较安全→安全的发展态势。2003-2006年关联度值从0.005 5下降到-0.029 0，响应系统处于较不安全水平；2007-2009年关联度值从-0.022 7下降到-0.033 2，响应系统处于临界安全水平；2010-2011年关联度值从-0.001 1上升到0.006 8，响应系统处于较安全状态，2012年关联度值为-0.036 8，响应系统处于安全水平。通过分析得知，新疆土地生态安全响应系统安全水平处于稳步上升趋势，其原因主要是：伴随着西部大开发的进程不断深入，新疆的经济进入了快速发展的时期，同时产业结构得到合理升级，人民收入得到显著提高。人均GDP从2003年的9 828元提高到2012年的33 796元，农牧民人均纯收入从2003年的2 106元提高到2012年的6 394元。
4 结论及建议
1）2003-2012年10年间新疆土地生态安全综合安全等级经历了由较不安全到临界安全的发展阶段。同时由分析结果可知，影响新疆土地生态安全的指标因素主要是人均耕地面积、人均水资源量、耕地面积比例、土地利用率、耕地压力指数。鉴于此背景，一方面要实施最严格的土地用途管理制度和执行占补平衡政策，保护耕地；另一方面政府要加大农业投入，在政策和技术方面给予支持，合理开垦耕地，修建基础水利设施，将更多的未利用地转变为可供人类耕种的耕地。
2）2003-2006年新疆土地生态安全压力系统的安全水平处于较不安全状态，2007-2012年安全水平处于临界安全状态，安全等级处于上升阶段，因此应该紧紧抓住丝绸之路经济带建设的契机，持续、稳定、快速地发展当地经济，保证地均GDP持续增长的态势。
3）2003-2012年新疆土地生态安全状态系统的安全水平均一直处于临界安全状态，安全等级较为稳定。鉴于此种情况，应该积极发展现代化农业，重视农业科技的应用，加大水利设施的建设力度，增加耕地灌溉面积，提高节水灌溉率，在维持现有的临界安全水平的条件下，稳步提高状态系统的安全等级。
4）研究期内，新疆土地生态安全响应系统安全水平呈稳步上升趋势，经历了较不安全→临界安全→较安全→安全的发展过程，截至2012年末，已达到安全状态。但第三产业产值比重却从2003年的43.5%下降到2012年的34.5%，为了维持好已达到的安全等级，需要合理调整产业结构，提高新疆第三产业产值。
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