基于PSR模型的广西石漠化地区土地生态安全动态评价

谢 玲, 严土强, 高一薄

〔1.广西师范大学 环境与资环学院， 广西 桂林 541004； 2.岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室(广西师范大学)， 广西 桂林 541004; 3.新疆大学 资源与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐 830046〕

土地生态安全是指在一定的时空范围内，土地生态系统能保持其结构与功能的健康、平衡、可持续状态，并为社会经济与农业可持续发展提供稳定保障[1]。因此，土地生态安全是土地生态系统可持续发展的核心和基石。人类对土地利用的方式和变化，直接影响着土地生态系统的健康[2]。尤其是在岩溶强烈发育的喀斯特地区，生态环境极其脆弱，石漠化便是其土地生态系统破坏的表现形式之一[3-4]。广西壮族自治区位于中国西南喀斯特地区，属于世界三大连片岩溶发育区之一的东亚片区中心，是世界上面积分布最大、发育最为强烈的一片[5]。该区石漠化(轻度石漠化及其以上)土地面积多达2.73×104km2，占广西区总国土面积的11.5%[6]。因石漠化地区土地生态系统的敏感性，所以石漠化地区土地生态安全的研究对其土地生态系统的平衡、土地资源的合理利用都具有重要意义。土地生态安全的评价是进行区域土地生态系统研究的重要部分[7]。近年来国内外学者对土地生态安全研究极为关注和重视，关于土地生态系统安全研究主要集中于基础理论探索[8]、评价指标体系选择[9]、评价方法创新[10]等方面，研究方法主要有灰色关联度法[11]，层次分析法[12]、熵权物元模型[13]、三角模型[14]、主成分分析法[15]、生态足迹法[16]、RBF模型[17]等，研究尺度涉及省域[18]、市域[19-20]、县域[7]、乡镇域[21]、村域[22]，研究区域涉及干旱区绿洲[23]、三峡库区[24]、沿海地区[25]、农牧交错带[26]、寒地山区[27]、黄土高原[28]、城市群城市[11]等，但鲜少对石漠化地区的土地生态安全进行研究，尤其是对石漠化较为严重的生态敏感区土地生态安全研究甚少。然而，中观尺度的土地生态安全演变研究，更能够从整体上把握广西石漠化地区的土地生态安全状况，筑牢土地生态安全屏障，服务生态文明建设。因此，本文选取广西轻度石漠化以上的区域(包括轻度、中度、重度)作为研究区(以下简称石漠化地区)，对其土地利用变化和土地生态风险进行时空分析，以期为研究区的土地生态建设及管理提供科学依据。

1 研究区概况

广西壮族自治区是喀斯特地貌发育的典型地区，是我国石漠化最为严重的省份之一。广西喀斯特地貌主要分布在桂西、桂西北的左江、右江流域，桂中的红水河、柳江流域及桂东北的漓江流域中下游，以河池、百色、崇左、桂林、南宁地区发育最为普遍，轻度及以上石漠化地区面积各市分别占8 277.34，5 574.46，2 791.55，2 742.79，2 410.2 km2。本文所选研究区域为广西轻度及以上石漠化区域，共涉及10地市69个区县，占地面积18.3 km2。研究区位于北纬23°22′—26°24′，东经104°26′-112°04′，年均气温16～23 ℃，年平均降水1 500 mm，气候属亚热带季风气候区。研究区地表受红水河、郁江、柳江及其支流的强烈切割，属于黔桂溶洼、粤桂溶原侵蚀山区，喀斯特发育典型，石漠化程度较深，地表出现干旱缺水，岩石裸露，植被稀疏，伴随水土流失、土地生产能力衰退或丧失。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究社会经济数据主要以《广西统计年鉴》(2005，2015年)、《广西政府统计公报》(2005，2015年)、《市县国民经济和社会发展统计公报》(2005，2015年)，全国地质资料馆国家地质资料数据中心(http:∥www.ngac.org.cn)

2.2 指标体系构建

参照世界经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)所提出的“压力—状态—响应”(pressure-state-response， PSR)模型，结合广西石漠化地区生态敏感性特点与土地生态状况实际情况，遵循科学性、综合性、动态性、指标数据可获取性及可操作性原则，选取14个评价因子构建广西石漠化地区土地生态安全评价指标体系详见表1。

表1 广西石漠化地区土地生态安全评价指标体系

2.3 土地生态安全计算

2.3.1 指标阈值与标准化 综合评价必须在统一的量纲和标准下进行，因此需要对各个指标实际值作标准化处理。根据指标因子的特点，评价指标分为正向型指标、逆向型指标两种类型，标准化方法为：

(1)

(2)

式中：maxXij， minXij——第j项指标的最大值与最小值；Xij——第i年的第j个指标的原始实际值；Rij——指标标准化值。

2.3.2 熵权法确定权重 确定权重的方法主要分为主观赋权法和客观赋权法，在对广西石漠化地区土地生态安全评价指标赋权时，为尽量减小各指标权重计算，因人为因素干扰带来的误差，使其更符合实际，采用熵权赋权法并对其修正，以确定各指标权重。熵权法是一种根据各指标的信息量大小来确定权重的方法，在处理土地生态安全评价指标时，熵值法更准确更客观[29]，本研究土地生态安全指标权重的计算步骤为：

计算第i个指标下第j个项目指标值的比重Fij:

(3)

由于在上式中，当Rij=0时，原式无意义，因此，对Fij的计算加以修正，将其定义为：

(4)

第i个指标的熵值Ei为：

(5)

第i个指标的熵权ωi为：

(6)

2.3.3 土地生态安全评价基准值及安全指数

(1) 土地生态安全评价基准值的确定。基准值的来源主要为目前国际公认值和世界平均值[30]，考虑到我国土地生态环境的特点和研究区域的实际情况，部分指标的基准值采用了全国平均值和地区平均值(表2)。

表2 广西石漠化地区土地生态安全评价基准值

(2) 土地生态安全指数。区域土地资源生态环境安全评价，要基于安全的视角进行，故使用“安全指数”来反映土地资源生态环境安全的程度和水平。同时，为了数据处理方便，需要把数据映射到0～1范围之内。本研究采用以下计算方法进行归一化处理，并计算出安全指数值(表3)。

表3 单项指标的生态安全分类计算

注：Mi为指标i的实际值；Ni为指标i的基准值；Pi为指标i的安全指数，Pi∈(0，1)。

本研究采用综合评价法，利用土地资源生态安全评价模型计算得到广西石漠化地区土地生态安全综合指数(表4)

(7)

式中：Q——土地生态安全综合指数；wi——第i项指标的权重；Pi——第i项土地生态安全指数。

表4 广西石漠化地区土地生态安全综合指数

2.4 土地生态安全评级指标的划分

运用ArcGIS 10.0中的自然断点分类工具对广西石漠化地区土地生态安全指数进行分类，再综合空间信息点对应的土地生态安全指数值，并对自然断点分类结果进行适当调整，得出广西石漠化地区土地生态安全评价等级标准(表5)。

表5 土地生态安全评价预警分级

3 结果分析

本文由压力—状态—响应体系，研究广西石漠化地区2005，2015年土地生态安全，研究结果显示，研究区土地生态安全指数介于0.768 4～0.902 5，且从2005—2015年广西石漠化地区的土地生态安全指数变化存在差异，其安全等级变化如图1所示，2005年其中贵港土地生态安全处于不安全状态，至2015年研究区土地生态安全已无不安全等级，其中贵港、南宁、来宾三地土地生态安全处于较不安全状态。但较为反常的是南宁市的土地生态安全综合指数从2005年的0.871 3下降至2015年的0.811 3，百色、河池两地的土地生态安全有较大提升。研究期内广西石漠化地区土地生态安全整体呈上升的变化趋势，由此可以说明研究区土地生态安全整体水平略有提升。由表1可知，影响广西石漠化地区土地生态安全的主要因素包括：人口密度、人口自然增长率、单位GDP综合耗能，其熵值权重均大于0.073，近年来随着人口数量的增长，城市建成区面积的扩张，人类对土地开发建设强度和干扰程度的增大，必然会侵占其它生态服务功能较高的土地如林地、耕地、草地等地类，同时也带来了诸多土地生态问题。

3.1 土地利用生态压力指标评价分析

由表5和图1可知，2005，2015年广西石漠化地区土地生态安全系统的压力指数整体低于系统状态指数与系统响应指数，仅南宁2015年的土地生态生态系统压力指数大于2005年土地生态安全系统压力指数外，广西石漠化地区土地生态系统整体压力综合指数由2005年的0.241 0上升至2015年的0.248 8，表明研究区土地生态安全面临的压力略微增大，百色、崇左两地土地生态压力指数明显增大，主要因两地随着人口密度由2005年的108人/km2，139人/km2增至121人/km2，150人/km2，人口自然增长率的增大也对土地生态承载压力进一步加大，同时两地经济发展的相关压力指标经济密度增长迅速，表明随着单位土地面积经济量的增长，使得土地经济压力进一步增大。此外，研究区的人均GDP不断上升，由2005年均值的7 199元增至2015年均值的27 971元，高于7 543元的全国平均水平，客观上为广西石漠化地区的土地生态环境的建设提供了更多的经费，对土地生态系统安全水平的改善起到了积极的促进作用。相对来说桂林、柳州、贺州、梧州等地10 a间土地生态压力变化不是非常明显。

图1 广西石漠化地区土地生态安全指数

3.2 土地利用生态状态指标评价分析

2005和2015年研究区的土地安全状态指数几乎保持不变，尤其是2015年研究区各地土地生态状态指数差异极小，其中2005年和2015年梧州土地生态状态指数均为最高分别达0.307 7和0.315 2，说明其土地生态环境状况良好。贵港土地生态安全指数最低为分别为0.240 9和0.278 9，说明其土地生态环境状况较差。研究期间，广西石漠化地区的土地垦殖率由2005年的10.75%增至2015年的16.68%，反映出研究区土地资源利用程度和结构的优化，是土地生态安全提升的标志。其次，评价期内，城市化率由2005年的15.8%上升至2015年的30.56%，城市的不断壮大城市建成区面积的扩展，使得城市土地生态环境面临着严峻的挑战；耕地粮食单产由2005年的4.93 kg/人下降至2015年的3.89 kg/人，这是土地生态能力下降的标志之一；耕地人均粮食单产由2005年的312.41 kg/人下降至2015年的313.08 kg/人，这主要是因为人口增加所导致的，由此可以看出，2005—2015年粮食产量的变化对土地生态系统状态的影响较大，且土地利用生态状态指数因指标层各指标变化对土地生态系统状态影响各异，因此，2005，2015年土地生态状态指数差异极小。同时区域间又存在显著差异，贺州地区的土地生态状态指数有明显上升趋势，南宁、崇左两地的土地生态状态指数出现下降趋势，说明两地土地生态状态有变差的趋势。

3.3 土地利用生态响应指标评价分析

土地生态安全响应指数反映人类在面临土地生态压力所采取的相应措施。由图2可知，2005和2015年广西石漠化地区土地生态系统响应指数普遍增大，南宁、来宾、贵港3地的土地生态系统响应指数有所降低，这主要与3市的土地生态系统面临的压力增大及土地生态状态变差程度较大，且所采取的相应措施远远不及土地生态系统的破坏速度所致。第三产业占GDP的比重由2005年的31.83%上升至2015年的36.5%，财政收入由2005年的24 304元增至2015年的90 391元，年均增幅达15%，农民纯收入由2005年的2 302元增至2015年的8 253元，由土地生态响应指标的变化可见，经济的快速发展，有效的推动了研究区土地生态系统的保护。10 a间研究区的土地生态响应指数相对于压力指数和状态指数的变化最大，从2005年的0.288 1上升至2015年的0.306 3，这也是研究区土地生态安全综合指数上升的主要原因，其土地响应指数变化地区间同样存在差异性，且河池、百色两地的土地生态响应指数有较大提升，总体来说，广西石漠化地区解决土地生态安全系统问题的能力在不断提升。

图2 2005,2015年广西石漠化土地生态安全格局

3.4 各市/县土地生态安全空间差异分析

对2005,2015年广西石漠化地区土地生态安全状况进行评价，得到各指标的权重及参考相关研究确立土地生态安全评价基准值，得出研究区69个市/县的土地生态安全指数，并依据得分和土地生态安全评价预警表(表4)，得出研究区土地生态安全格局图(图2)。由图2可知，从2005—2015年广西石漠化地区土地生态安全指数略有上升，桂西南生态功能区、桂西生态屏障区的土地生态安全有所上升，上述两区承载石漠化治理、生物多样性保护及恢复林草植被为主的生态建设功能为主，因此，其土生态安全有所提升。桂北、桂中城镇群随城市化进程的加快，城市发展对土地生态环境的压力过大，负面效应凸显，土地生态安全较差。2005年广西石漠化地区土地生态安全表现出中间较好，东西部较差；2015年河池、百色两地的土地生态安全处于较安全级，贵港、南宁、桂林、来宾等地的土地生态安全处于较不安全级，十年间，广西石漠化地区土地生态安全空间格局变化较大，变化最大的是西北的河池、百色及南部的南宁，分别由较不安全等级过渡至较安全等级和较安全等级过渡至较不安全等级，中北部及东部的土地生态安全等级变化具有差异性及多样性。贺州的土地生态安全由不安全等级提升为临界安全等级，贵港等地的土地生态安全也有所提升。从行政区划上看，2005年，不安全等级主要分布在西林、靖西、贵港，临界安全等级主要分布在百色、桂林、来宾的大部分市、县。2015年无不安全等级，临界安全等级主要分布在南宁、贵港的大部分市、县。

4 结 论

2005,2015年，影响广西石漠化地区土地资源生态安全的主要因素为人口密度、单位GDP综合耗能、土地垦殖率、耕地粮食单产、城市化水平、人口自然增长率等。2005,2015年广西石漠化土地生态安全系统的压力指数整体低于系统状态指数与系统响应指数。压力指数、状态指数和响应指数共同决定广西石漠化地区土地生态安全评价的综合指数。时间上分异，2005—2015年广西石漠化地区土地生态安全经历了从临界安全等级向较安全等级的变化趋势。空间上的分异，2005年贵港的土地生态安全等级处于不安全级，2015年主要表现为南宁、贵港、来宾等地的土地生态安全等级处于较不安全级。

对广西石漠化地区土地生态安全问题提出如下对策和建议。

(1) 控制人口数量的增长，提高人口素质，通过严格实施国家人口控制政策，使人口、经济增长和土地资源及其生态环境的承载力相适应。

(2) 增加资金投入，整治石漠化土地。利用生态自然力进行石漠化生态和植被恢复，使现有植被朝顶级群落演替，或利用生物治理技术，通过人工途径回复和重建岩溶山地森林生态系统。

(3) 建立土地生态系统长效治理机制，巩固土地治理成果，有效推进国土综合治理项目的同时，做好科学土地生态环境长期治理规划，构建政府主导、企业主体，多方参与、全民行动的环境保护规划格局，切实推进土地生态安全的建设，进一步改善土地生态状况。

(4) 进一步加大环境保护的宣传力度，借助广播、网络、电视等媒体手段对民众进行土地生态普法教育，增强公众环境保护意识，使公众认识到环境保护对土地生态安全及自身生活的影响，全民参与到保护土地生态环境安全当中来。

本文通过构建PSR模型，进行评价，所得结论对研究区生态文明建设和国土空间规划都具有一定的理论意义与现实意义，运用熵权法计算了研究区2005，2015年的土地生态安全综合指数，为调控措施的制定提供了方向。但本文仍存在一些不足，指标体系仍有完善空间且通过不同数学方法对研究区土地生态安全评价结论略有不同，可能是没有考虑到石漠化程度不同的地区，土地资源所面临的生态风险的差异，因此如何构建区域特色针对不同石漠化程度的土地资源的生态安全评价指标体系仍需要进一步讨论。