基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断——以延长县为例

钟少华, 时 鹏, 杨文刚, 李占斌,2, 李 鹏, 杨殊桐

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

土地系统是各自然因素和人类活动相互作用而形成的统一整体[1]。近年来，由于社会经济的飞速发展，与日俱增的土地需求和有限的土地资源之间的矛盾越发凸显。而基于我国地少人多的国情，加上近些年土地资源浪费，不合理的土地利用等现象的频发，使得开展土地利用系统健康的研究显得比较迫切[2-3]。在黄土丘陵沟壑区由于生态环境比较脆弱、水土流失严重、土地资源紧缺，使得有限的土地资源与持续增长人口之间的矛盾持续加剧，如何更好地将仅有的土地资源合理的利用起来就显得极为重要。因此，在黄土丘陵区开展土地利用系统健康的研究就显得尤为重要。

土地利用系统健康评价的研究始于Aldo Leopoid提出的土地健康概念，并使用“land sickness”来描述土地生态系统功能的紊乱[4]。而开展土地利用系统健康研究关键在于确定和检查土地健康参数，这样做是为了确保土地资源在被人类利用的时候不至于丧失自身的功能[5]。土地利用系统健康研究的目的是为了使人类社会可持续发展，而土地利用系统的健康才能促进经济、社会和生态三者之间和谐统一[6]，所以只有综合从各个方面研究土地利用系统健康问题才具有实际意义。目前，国内关于土地利用系统健康的研究主要集中在土地利用系统健康内涵、土地利用系统健康评价等方面，而很少在评价的基础之上诊断其影响土地利用健康发展的障碍因素，并且目前研究大多都是开展定性的研究，很少采用定量的方法。为此本文以位于黄土高原的延长县为例，构建基于PSR模型延长县土地利用系统健康评价体系，分析延长县土地利用变化特征，评价其土地利用系统健康状态，探讨阻碍延长县土地利用系统健康发展的因素，为延长县土地利用系统合理利用提供科学依据和决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

延长县位于陕西省北部、延安地区东部，延河下游，东临黄河，与山西省大宁、永和县相望，南接宜川以雷多河为界，西连延安，北临延川。延长县土地总面积2 220.85 km2，常住人口12.86万，地区生产总值37.824 2亿元，人均可支配收入17 587元，拥有丰富的土地资源和矿产资源，主要有石油、煤炭、天然气、石灰石等。土壤以黄绵土和黑垆土为主，土壤土层深厚。该地区属大陆性季风半干旱气候，春夏秋冬四季分明，冷暖干湿明显，多年平均气温10.4℃，年日照总时数2 504.6 h，气温昼夜温差大，无霜期170 d，降雨量集中在7—9月，年平均降水量564 mm。该县光照充足，光热昼夜温差20℃左右，降水集中在作物生长茂盛期，适宜种植多种农作物，有利于林牧业生产。

本研究所使用的数据来自1980年、1990年、2000年和2010年的TM遥感图像，分辨率为30 m，采用人机交互解译生成，将延长县土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域和城乡、工矿、居民用地，共5大类。土地利用系统健康评价指标数据主要来源于延长县1980年、1990年、2000年、2010年《延长县统计年鉴》。

1.2 评价模型与指标构建

1.2.1 评价模型的构建 “压力—状态—响应”(PSR)概念模型是由联合国OECD和UNEP[7]提出的用于评价人类活动对生态环境的影响程度。该模型突出了环境受到压力和环境之间的因果关系，压力、状态、响应3个环节相互制约、相互影响[8]。PSR模型主要目的是在评价环境系统的可持续性的基础上，探寻人类活动和环境变化的因果关系，因此利用PSR模型可以来评价土地利用系统的健康情况。

1.2.2 评价指标的构建

(1) 评价指标构建的原则。土地利用系统是一个以土地利用为基础的自然、经济、社会复合系统，既有生态系统的一般特征，又有其本身的特殊性：它是在一定的土地利用方式和特定土地单元下，与社会经济因素相互作用而形成的系统，包括自然生态系统、社会系统和经济系统，土地自然生态系统是土地利用系统形成的基础[9]。土地利用系统是否健康就是要看土地利用系统所产生的生态效益、社会经济效益是否满足人类的需要[6,10-11]。

土地利用系统健康评价指标应遵循综合性、空间尺度适合性、恰当性、规范性、简明性和可操作性等原则[12]。本文在构建延长县土地利用系统健康评价指标体系时，首先遵循土地利用系统的一般规律，其次认真考虑延长县特有的地区特征。延长县属于黄土高原丘陵沟壑区，生态环境很是脆弱，水土流失严重，土地利用容易受到威胁。为了客观、全面地评价延长县土地利用系统的健康状况，本文采用植被覆盖率、农民人均收入等一般规律和生态环境脆弱、水土流失严重的地区特征结合的方法构建延长县土地利用系统健康的评价指标体系。

(2) 指标构建的思路。构建土地利用系统健康评价指标体系，首先得遵循科学性、系统性、可比性和获取性等原则。土地利用系统的好坏用“综合指数”来表示，“综合指数”由“压力指数”、“状态指数”和“响应指数”共同决定[11]。土地利用系统带来巨大的压力，主要展现在人口压力、经济发展压力、土地利用压力。而这种巨大的压力会约束社会经济的发展、改变土壤环境的质量，使土地利用系统的状态发生改变；而这种土地利用的状态会反馈给人类一些信息，为了确保土地利用系统的健康发展，人类需给予相应的响应，如环境保护、政策调整等。根据上述构建的原则和思路，从压力、状态、响应3个方面来反映延长县土地利用系统健康状况的指标。评价指标体系结构和指标数据来源及代表的含义见表1。

表1 延长县土地利用可持续性评价指标体系

1.3 研究方法

1.3.1 指标权重的确定 土地利用系统健康评价指标权重的确定是确保评价准确的关键，其准确与否直接关系到评价结果的可靠性[13]。本文采用改进熵值法来确定各评价指标的权重[14-15]，计算所得各指标的权重见表2。

1.3.2 土地利用系统健康障碍因子诊断 对单项指标和分类指标的障碍作用大小进行评估，可以找出阻碍延长县土地利用系统健康的主要障碍因素，从而更好地掌握该地区的实际情况，为更好、更准确地提出治理决策提供依据。构建土地利用系统障碍诊断模型，如下[13,16-17]：

(1)

(2)

Yi=∑yi

(3)

1.3.3 综合指数的计算 采用综合指标来反映土地利用系统健康的整体状况，具体采用加权函数合成的土地利用系统健康的综合指数[13-18]:

(4)

式中：F为土地利用系统健康综合指数；Wi为第i子系统的权重；Wij为第i子系统第j项指标的权重；n为第i子系统所包含的指标数。

表2 土地利用系统健康评价指标权重

1.3.4 土地利用系统健康级别 在借鉴国内外生态系统健康等级划分的基础上，将土地利用系统健康级别分为：病态、不健康、临界状态、亚健康和健康5个等级[9](表3)。

表3 土地利用系统健康分级标准

2 结果与分析

2.1 延长县土地利用类型面积变化

耕地主要分布在延长县的中部、西北部和东部。草地分布范围广泛，林地主要分布在延长县的西南部和东南部，北部和中部呈斑块分布(图1)。

延长县土地总面积共2 220.85 km2，其中以草地、林地和耕地为主(表4)。1980年，延长县草地面积957.81 km2，占延长县总面积的43.13%；其次为耕地，面积达到了881.91 km2，占延长县总面积的39.71%；林地面积369.49 km2，占延长县总面积的16.64%；水域和城乡、工矿、居民用地面积较小，分别只有9.75，1.88 km2。

图1 延长县4期土地利用类型图

年份耕地林地草地水域城乡、工矿、居民用地1980881.91369.49957.819.751.881990882.31369.49957.299.891.882000880.43374.47954.569.152.232010612.16431.11165.589.082.93

1990年延长县土地利用类型与1980年比较变化较小，耕地和水域有较小增加，面积分别比1980年增加了0.39，0.13 km2，草地面积相比1980年略有减少，而林地和城乡、工矿、居民用地面积没有发生变化。2000年，延长县土地利用发生一定的改变。与1980年相比，2000年延长县耕地和草地分别减少了1.49，3.25 km2，林地增加了4.98 km2，水域减少了0.60 km2，城乡、工矿、居民用地增加了0.36 km2。2010年，延长县土地利用与20世纪相比发生较大变化。草地、林地和耕地依然是主要的土地利用类型。草地面积增加到了1 165.58 km2，占到延长县总面积的52.48%；耕地面积下降到了612.16 km2，但依然占延长县总面积的27.56%；林地面积增加到了431.10 km2，占延长县总面积的19.41%；水域面积略有下降，达到9.08 km2；城乡、工矿、居民用地面积上升明显，达到了2.93 km2。导致上述变化的原因主要是在1998年我国实行退耕还林草工程，同时在国家政策的影响下延长县政府也实施了相应的政策，其要求按流域一架山一条沟，集中治理。遵照“防治并重，治管结合，因地制宜，全面规划，综合治理，除害兴利”的水保方针，将流域治理承包到户，使环境治理效率大大提高。大部分的耕地退耕被用来种植林草，使得延长县2000年以后林地和草地面积大幅增加。城乡、工矿、居民用地变化不太明显。

2.2 综合评价结果

2.2.1 综合评价 根据上述已建立的土地利用系统健康的评价指标体系，确定了各指标体系的权重，利用综合评价的方法分别对延长县土地利用系统整体和各子系统进行了评价(图2)。

图2 延长县土地利用系统健康评价结果

本研究分别对延长县1980年、1990年、2000年、2010年土地利用系统健康综合指数变化进行分析，从图2可以看出，延长县土地利用系统健康综合指数总体处于上升趋势，2000年以后增长幅度最大。

延长县土地利用系统健康综合指数从1980年的0.268上升到2010年的0.654，土地利用系统健康不断好转，土地利用等级从1980年的“不健康”状态转变为2010年的“亚健康”状态。1980—1990年期间综合指数年均增长率为1.15%；1990—2000年年均增长率为2.07%；2000—2010年年均增长率为8.1%。研究发现：延长县的土地利用系统健康综合指数年均增长率最大为2000—2010年的8.1%。究其原因发现，我国从1998年开始实施退耕还林草工程，而黄土丘陵沟壑区则是重点治理区域，大量的耕地退还为草地和森林。2000—2010年期间延长县耕地面积有50.33 km2转换为林地，222.95 km2转换为草地，这极大地促进了生态环境的改善。同时延长县政府大力发展特色经济，鼓励农民大棚种植蔬菜、水果等经济作物提高了农民人均收入。减缓了农民日益增长的经济需求和有限土地资源之间的矛盾，间接地保护了延长县的生态环境。这些都促进了土地利用等级的转变。虽然综合指数显示延长县土地利用系统健康逐渐好转，但其依然存在生态环境脆弱，森林覆盖率依然较低，水土流失比较严重且反复的现象，所以仍得继续加大水土流失的治理力度和环境保护强度。

2.2.2 分类指标分析 对延长县土地利用系统分类指标进行分析，有助于更直观了解每个子系统对土地利用系统健康的影响。如图2所示，1980—2010年延长县土地利用系统各分类指标指数变化过程。

压力指数：1980—2010年，呈先减小后增加的趋势。压力指数是一个负向指标，值越小代表着生态压力越大[19]。从图2中可以看出，1980—2000年压力指数持续呈下降趋势，2000年达到一个最低值为0.124，说明延长县土地利用压力状况持续恶化，土地利用的干扰程度加强。1980年压力指数是1990年的1.21倍，年均减少率为2.29%；1990年是2000年的1.25倍，年减少率为2.78%；2010年是2000年的1.33倍，年均增长率3.67%。可以看出2000年以后土地利用压力指数增加幅度较大，说明其土地利用所承受的压力减小，有利于土地利用系统健康的发展。延长县土地利用压力指数在2000年之前一直呈减小趋势，说明这一时期土地利用压力持续增大，系统健康不断恶化。分析其主要影响因素主要有人口密度持续增长，单位耕地农药、化肥的大量使用，不合理的土地利用，大量的植被破坏。如单位耕地农药负荷从1980年的0.215 kg/hm2，上升到2000年的7.38 kg/hm2；单位耕地化肥负荷从1980年的75 kg/hm2，上升到2000年的1.92 t/hm2；单位耕地地膜负荷从80 a的1.425 kg/hm2，上升到2000年的37.65 kg/hm2。而2000年以后系统压力指数呈上升趋势，而且年均增长率达到了3.67%，说明这个时期土地利用压力指数正在快速的增长，随之系统的压力逐渐减小，主要原因可能是2000年以后退耕还林还草的政策实施，大量的耕地退耕，植被慢慢恢复。同时，城市化水平也逐渐提高，经济快速发展，农村大多数年轻人走向城镇，耕地比重明显减小，随之林地草地比重增大。相比较2000年以后延长县单位耕地化肥、农药、地膜使用量也大幅减小，这在一定程度上也促进了土地利用系统健康的发展。

状态指数：从1980—2010年逐渐增大，发展水平迅速提高。1990年状态指数是1980年1.32倍，年增长率为3.21%；2000年是1990年的1.17倍,年增长率为1.68%；2010年是2000年的2.18倍，年均增长率11.84%。可以看出，状态指数1980—2000年呈稳步上升趋势，在2000年以后增长速率明显提高。说明在系统状态方面延长县还是做了很多工作。在这一时期人工造林面积和森林覆盖率大大增加，农民人均收入不断提高等因素，其中人工造林面积从1980年237.27 km2增长到2000年的1 076.50 km2；森林覆盖率从1980年的0.145增长到2000年的0.182，诸多有利因素使延长县土地利用系统状态指数呈上升趋势，反映了系统健康正处在一个稳定上升，逐渐变好的状态。

响应指数：延长县土地利用系统响应指数在整个研究时段内都呈上升趋势，发展水平逐渐提高。1990年系统响应指数是1980年的3.08倍，年均增长23.1%；2000年系统响应指数是1990年3.02倍，增长率20.27%；2010年是2000年的2.93倍，年均增长率19.28%。可以看出系统响应指数方面一直都以一个平稳的速度在增加，但年增长速率略有下降，基于此延长县应该在做好系统压力和状态工作以外，还要大力加强系统响应方面的工作力度，尤其是在水土流失的治理和环境保护投资方面。

2.3 土地利用系统障碍因素诊断

2.3.1 主要障碍因素的诊断 分别对延长县1980年、1990年、2000年和2010年土地利用系统健康障碍度进行计算(表5)。可见，1980年阻碍土地利用系统健康的障碍因子是森林覆盖率(X17)、人均GDP(X11)、水土流失治理率(X21)、有效灌溉率(X20)等，其中森林覆盖率是最大阻碍因子；1990年阻碍土地利用系统健康障碍因子是森林覆盖率(X17)、人均GDP(X11)、有效灌溉率(X20)、地均GDP(X16)等，其中障碍度最大的是森林覆盖率；2000年阻碍土地利用系统健康障碍因子是森林覆盖率(X17)、人均GDP(X11)、人均耕地面积(X15)、地均GDP(X16)等，其中森林覆盖率的阻碍度最高；2010年阻碍土地利用系统健康障碍因素是土地垦殖率(X5)、水土协调度(X18)、人口自然增长率(X2)、人均GDP(X11)等，其中障碍度最高的是土地垦殖率(X5)。由此可见，该地区1980—2000年影响土地利用健康的最大障碍因素都是森林覆盖率(X17),而这一主要障碍因素在2010年已经下降到7.58%，人均GDP(X11)也下降到8.03%。水土流失治理率(X21)障碍度从1980年的9.94%下降到2010年的7.82%，有效灌溉率从1980年的9.93%下降到2010年的6.49%。但2010年土地垦殖率上升为第一障碍因素，水土协调度和人口自然增长率等因素的障碍度又逐渐增大。

表5 延长县1980年、1990年、2000年、2010年土地利用系统障碍因素排序

研究发现，2000年以前延长县植被覆盖率较低，而2000年以后植被恢复速度加快，森林植被覆盖面积持续增加。其可能由于之前大规模的开垦使得生态环境遭到严重的破坏。黄土高原作为退耕还林还草工程的重点实施区域，其表现在大量的耕地退耕，人工造林面积增加，森林覆盖度增加，植被慢慢恢复，这在很大程度上促进了延长县的生态环境的好转。但由于人均GDP减小，人均耕地面积减小，使得水土协调度等又出现了不平衡现象，从而继续阻碍着延长县土地利用的健康发展。所以为了保障延长县土地利用系统健康，需继续加强环境保护和水土流失的治理力度，同时关注人口增长速率和水土协调的平衡。

2.3.2 各子系统的障碍度分析 如图3所示，从总的趋势看，系统压力障碍度随时间呈上升趋势，从1980年的29.28%上升到2010年60.89%，年平均增长率为2.47%，而2000—2010年年均增长速率为4.00%；系统响应障碍度随年份增加而逐渐减小，年均减少率1.67%；系统状态障碍度在1980—2000年一直处于上升趋势，年均增长率为0.24%，在2000—2010年呈下降趋势，年均减少率为1.44%。由此可见，延长县在1980—2010年在系统响应方面还是取得了一定的成果。其环境保护强度从1980年的2.05%增长到2010年的5.79%；水土流失治理率从1980年的26.1%增长到2010年的76.9%等。延长县加强了环境保护投资强度、水土流失治理力度等，为进一步提高土地利用系统健康做出了贡献。系统压力障碍度呈逐年上升的趋势，且2000年以后其年均增长速率是2000年以前的1.62倍，所以从长远来看系统压力会成为阻碍土地利用健康发展的重要因素。系统状态障碍度在2000年发生了转折，说明2000年以后系统状态方面如森林覆盖率、有效灌溉率、人工造林面积增长率等障碍度有所减小，情况有所好转。虽然系统状态障碍度有所减小，但实际情况仍然不容乐观，其障碍度依然是3个子系统里最高的，所以后期必须对系统状态高度关注，加大对其治理和改善力度，从而促进延长县土地利用系统健康的长远发展。

图3 延长县土地利用系统各分类指标障碍度

3 结 论

对于土地利用系统健康的评价，不能单从资源、环境等方面进行研究，而是要从“社会—经济—环境—资源”全方面、整体对土地利用系统进行评价。土地利用系统健康的评价，在满足人类社会可持续发展的前提下，土地利用系统为人类提供需求的同时，评价其是否维持系统本身的结构和功能，目的是诊断有自然因素和人类活动引起的系统破坏和退化程度，以便发出预警，为管理者提供决策依据[13]。通过本文研究得出以下3个结论：

(1) 延长县1980—2000年5种土地利用类型面积变化不大，2000—2010年草地和林地面积增长幅度较大，到2010年其分别占延长县总面积的52.48%，19.41%。

(2) 延长县土地利用系统健康状况1980—2000年逐渐好转，2000—2010年综合指数增长速度最快。土地利用系统健康综合指数从1980年的0.268上升到2010年的0.654，土地利用系统健康逐渐好转，土地利用等级从1980年的“不健康”状态转变为2010年的“亚健康”状态。

(3) 1980—2000年阻碍延长县土地利用系统健康的主要障碍因素是森林覆盖率、人均GDP、水土流失治理率、有效灌溉率等。这些阻碍因素在2000—2010年障碍度都大幅减小，但土地垦殖率、水土协调度、人口自然增长率等成为新的主要障碍因素。各子系统障碍度分析表明，系统状态的障碍度高居不下，系统压力的障碍度呈上升趋势，系统响应障碍度呈减小趋势。综上所述，今后需加大系统状态和系统压力方面的治理力度。