基于PSR模型的关中-天水经济区土地生态安全分析

肖 杰，郑国璋， 闫丽莎，郭政昇，郭鹏军

(山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041004)

关中-天水经济区是我国重要的经济区，人文历史深厚、工业基础良好、智力资源密集[1]。随着经济区工业化、城市化的深入发展，对土地资源的需求不断增加，经济区土地资源减少、土壤污染等一系列问题日益突出。因此，主动适应经济新常态下的发展形势，解决诸如土地生态安全等问题是影响经济区协调可持续发展的重要途径。

近年来，土地生态安全已成为生态问题研究的重要部分。如王鹏等[2]利用主成分分析法、焦红等[3]采用PSR模型、吕建树等[4]基于RS和GIS技术对某一具体区域的土地生态做了评价研究等，多样化的研究方法为今后评价某一具体区域土地生态安全研究提供了借鉴。对关中-天水经济区土地问题的研究，研究内容涉及经济区土地生态系统固碳释氧价值评价[5]，土地利用变化对净第一性生产力的影响[6]，植被净初级生产力对土地利用变化的动态响应研究[7]等；研究维度是将时间序列和空间尺度相结合；研究方法多是借助ENVI和GIS软件和遥感数据，运用遥感估算模型[5-7]等方法研究，为经济区土地的可持续利用提供了科学的理论参考。目前采用PSR模型、熵值法和构建评价体系对关中-天水经济区土地生态安全方面的相关研究较少，还需要进一步研究。

关中-天水经济区作为我国西部最重要的经济区，是我国西北地区大量资源的汇聚消耗中心；土地资源作为经济区发展的物质载体，其土地生态安全程度对经济区健康、可持续发展具有重要意义。因此，本文基于熵值法、PSR模型和构建评价体系的方法对关中-天水经济区土地生态安全进行分析，以期得出经济区土地生态安全状况，可为经济区土地资源的协调、可持续发展提供决策参考。

一、研究区概况

关中-天水经济区(104°35′～110°38′E，33°35′～35°52′N)2007年由陕西省和甘肃省共同筹建，2009年经国务院批复正式成立；其范围包括陕西省关中地区，商洛市商州、洛南、丹凤、柞水四县和甘肃省天水市，总面积7.98万km2。2015年末，经济区人口密度530人/km2，远大于全国的平均密度143人/km2；经济密度(GDP与区域面积之比)2 437.184万元/km2，人均耕地面积0.065 hm2；粮食单产量4 565.005 kg/hm2，远低于全国的平均水平5 482.972 kg/hm2，人均粮食占有量343 kg/人，低于全国的452 kg/人；农民年人均纯收入10 331元，也低于全国水平的11 422元。关中-天水经济区受人为社会经济政策等的输入输出影响较大，在大力发展经济的同时，经济区生态质量难免受到影响。随着“新丝绸之路经济带”战略的推动，经济区土地生态质量将为经济区的可持续发展提供重要保障。

二、材料与方法

(一)指标体系的建立

建立一套既能体现经济区土地生态发展现状，又能体现经济社会对其影响的系统、全面的指标体系，是土地生态安全评价的关键。PSR(Pressure-State-Respone即压力-状态-响应)模型[3，8-9]包含了压力、状态、响应3类不同指标类型，不仅能体现人类社会与生态系统的关系，又能将自然资源、社会、经济有效联系起来；其中，压力是指环境承受人类对其造成的影响，状态是指生存环境和自然资源所处的状态，响应是指人类通过各种手段来解决生态系统所面临的问题。本文结合关中-天水经济区土地资源现状及社会经济发展状况，基于PSR模型，建立了具有目标层、准则层、指标层并且包含24项有正(+)负(-)之分的指标体系(表1)。其中，正指标是指对土地生态安全良性发展的指标，其数值越大越好；负指标是指不利于土地生态可持续发展的指标，其数值越小越好[3，8-9]。

表1 关中-天水经济区土地生态安全分析指标体系

(二)研究方法

(1)数据的标准化：采用最大离差法对数据进行标准化处理[3，8-9]。

i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…m

i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…m

其中，Yij为各指标的标准化值；数值范围为0～1。0表示时间序列中的某一年比其他年份的同一指数差,1表示时间序列中的某一年比其他年份的同一指数状态更好；Xij是每个指标的测量值；Ximax和Ximin是指数i的最大值和最小值；i是指数序列；j是时间序列。

(2)确定权重：熵值可以客观地确定指标的重要程度，采用熵值法确定指标权重，排除了因主观因素的影响，具有较强的客观性[10-12]。其具体公式为：

m个评价对象和n个评价指标的熵为：

其中，熵值Hi越小，说明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中该指标起的作用越大，权重Wi越大;反之，熵值Hi较大，则该指标提供的信息量较小，该指标的权重Wi也越小；各指标的权重值如表1中所示。

(3)计算各系统安全指数：采用综合指数法测算[3，8-9，13],计算公式为：

式中，Yi代表各系统层安全指数，用于表征经济区土地生态安全系统层：压力、状态、响应的安全水平与能力；P(Xi)代表各指标的标准化值；Wi代表各指标的权重，n为项数，n=1,2,3,4,…,n。

(4)计算综合安全值：采用指数加法模型计算[3，8-9，13],计算公式为：

式中，ESLL代表土地生态综合安全值，用于表征经济区土地生态安全的综合水平；n为指标项数，n=1,2,3,…,n；Yi代表各系统层安全指数；Wi为各系统的权重值(0 ≤Wi≤ 1)。

(三)评价标准

在立足关中-天水经济区实际情况和参考相关研究成果下[3，8-9，13，14]，划定了关中-天水经济区土地生态安全综合评判标准，如表2所示。

表2 关中-天水经济区土地生态安全等级判别标准

(四)数据来源

基础数据来源于《陕西省统计年鉴》、陕西省统计公报、《天水市统计年鉴》、天水市统计公报(2008—2016年)。区域数据以ArcGIS10.3软件为平台，依据国家2015年县界，利用栅格数据窗口提取陕南各县区行政区区图轮廓并作为各指数最终成图的底图。

三、结果与分析

(一)土地生态安全综合指数

经测算得出了关中-天水经济区2007—2015年土地生态安全指数和经济区土地生态安全等级的评价结果，分别如表3、4、5所示。

经济区2007年和2011年土地生态安全等级中，属于较不安全和临界安全等级的地市分别是1个和6个，而在2015年较不安全是3个地市，临界安全是4个地市(表3、4)，表明在2007—2015年，经济区各地市土地生态安全总体处于波动变化，但各地市土地生态安全指数都在逐年增加，土地生态安全等级升高，区域土地生态环境质量改善。以天水市变化最为显著，安全指数由2007年的0.167 6增加至2015年的0.558 8，土地生态安全等级也由2007年的极不安全改善为2015年的临界安全，表明天水市土地生态安全等级和土地生态环境质量虽然有所提高，但土地生态系统面临的问题仍需要重视，如受人为活动干扰后易恶化，生态灾害时有发生等。2007—2015年，经济区内部各地市间土地生态安全状况变化存在较大的差异。从土地生态环境改善幅度来看，铜川市、渭南市和天水市土地生态环境状况改善明显，西安市土地生态环境状况有所恶化；从土地生态安全级别变化来看，天水市生态环境改善明显，提高了2个等级，其余地市改善相对缓慢，安全等级均未发生明显变化。

表3 关中-天水经济区各地市土地生态安全综合指数

表4 关中-天水经济区土地生态安全综合指数安全等级及单元数量

从空间上来看(图1)，2007年经济区除天水市属于较不安全外，其余各地市的土地生态安全等级均属于临界安全和较不安全，且指数相对都较高；2011年经济区土地生态安全等级相对较低的是渭南市，其余各地市的土地生态安全等级均稳定在临界安全；2015年经济区土地生态安全等级处于“较不安全”的城市转向了经济区中心城市西安、咸阳等。

图 1 关中-天水经济区2007—2015年土地生态安全综合指数空间变化图

原因是西安、咸阳等中心城市人口增长数量过快，城市建设用地面积逐渐扩大，“工业三废”的大量排放等使土地安全面临严重问题。天水市位于黄土高原南部沟壑区与西秦岭山脉结合带，水土流失严重，交通不便，经济落后，城市化水平低，且人口增速较快，农村生态环境破坏较严重，如乱采滥伐，过度放牧，农业生产中化肥、农药、农用地膜的大量使用，导致土地环境严重恶化，土地生态安全等级较低[15]。像西安、咸阳等大城市随着城市化进程的不断加快，耕地面积急剧减少，水资源短缺且污染严重等问题加剧，易导致土地生态安全等级降低。随着经济区经济的不断发展，居民收入增加，环境保护意识增强；环保投入不断加大，农业上科学生产，耕地质量显著提高；天然气、太阳能等清洁能源的普及，乱采滥伐现象减少，生态环境质量不断改善；水环境治理和土地高效集约利用不断被重视，故天水、渭南等市土地生态安全等级明显提高。除西安、咸阳、宝鸡外，其余各市的土地状况均为临界状态，但人为导致的土地安全问题仍然不容忽视；人为因素的扰动表明2007—2015年间各地市的土地生态安全状况呈现由生态问题较大、生态灾害较多到生态问题显著、生态灾害时有发生的过程。整体来看，经济区土地生态安全等级分布由次核心城市向中心城市逐渐递减的特征，这与经济区经济高速发展吸引了大量的人口集聚、中心区城市再度扩张、人地矛盾更加尖锐、各种资源消耗增多、污染加剧等有关，进而土地生态安全水平逐渐降低。

(二)压力安全指数

2007—2015年经济区土地生态压力值呈波动下降的趋势，数值在0.108～0.167之间(表5)，表明人为活动对经济区土地系统造成的影响较大，经济区土地安全面临的压力问题不容乐观。具体来看：压力安全指数在2009—2011年呈现短暂的增长过程，原因是2008年以后经济区房地产市场与国内其他城市一样发展迅速，地价上涨，资源优势在短时间内转化为了经济优势，在一定程度上带动了区域经济的发展，尤其是以西安市为代表的关中平原城市[16]。但2011年后，压力值波动下降，表明经济区人类活动给土地资源造成的压力逐渐加大，如招商引资，提升工业化水平等一方面促进了经济区经济的增长、城市规模的不断提升，但另一方面也加剧了经济区的人地矛盾[17]。

表5 关中-天水经济区2007—2015年土地生态安全各系统指数

2007年经济区筹建，一方面大力发展经济，增强区域竞争力；另一方面则是不断完善经济区基础设施、土地资源管理制度等。2009年经济区成立，人口集中呈加快趋势，城市、道路等基础设施规模增加，土地需求增加，土地资源数量与土地污染等问题变得严重。如2007年经济区人均耕地和人均林草地面积分别为0.067 hm2和0.147 hm2，常住人口约为2 840万人；2015年人均耕地面积和人均林草地面积已分别缩减至0.065 hm2和0.136 hm2,而常住人口已达2 970万人，人口自然增长率保持在4.29‰，人口、土地资源等压力加大。经济区受人为社会经济政策等的输入输出影响较大，在大力发展经济的同时，其生态压力难免受到影响。因此，为进一步促进经济区土地资源的可持续化发展，经济区需对人均林草地、耕地面积保有量的合理控制。

(三)状态安全指数

经济区状态值在2007—2011年持续上升，2011年后保持平稳，数值在0.143～0.205之间，数值偏小(表5)，说明随着经济区人口的增加、人地矛盾突出，经济区生存环境和自然资源所处的状态失衡。因此，促进经济区生存环境和自然资源所处状态的和谐发展，应对反映土地生态安全状态的指标，如城市人均公园绿地面积、人均建筑用地面积、其他未利用土地面积和单位土地面积农产值、城市化水平等指标应加以重视。

近年来，经济区在绿色可持续理念的影响下，大力发展第三产业，已取得巨大进步。如在2007年经济区单位土地面积农业总产值、农林牧副从业人员和第三产业增长率分别为129.48万元/km2、900万人和13.7%，而到了2015年，单位土地面积农业产值增加至283.16万元/km2,农林牧副从业人员减少到720万人，第三产业增长率稳定在10%。农民收入不断增加，土地资源的利用与保护力度改善，土地生态安全水平提升；GDP总值不断增加，影响了单位GDP能耗、农业机械化水平安全指数不断提高，为经济区生态环境保护提供了充足的资金与技术等方面的支持；城市化水平提高、人均公园绿地面积增加，生态环境更加和谐，安全指数逐渐提高，并且维持在较高的水平。

(四)响应安全指数

响应值在2007—2015年保持平稳，9年间经济区响应值在0.158～0.276之间，整体的指数值在经济区土地生态综合指数中占的比例较高(表5)，说明人为原因对土地生态安全的影响较大。保护好经济区土地资源，提高土地的高效集约利用，增加地表的植被覆盖等将会促进经济区土地生态的良性发展，也为经济区经济社会的可持续发展奠定了良好的物质基础。因此，经济区今后在大力发展经济的同时，更应该注重生态环境的保护，如水资源治理、土地高效集约利用、植被覆盖率等。

截止2015年，经济区荒山荒地造林面积达14万hm2，累计水土流失治理面积328.61万hm2，水利建设投资达135.5亿元，农业机械化水平超过13 kW/hm2等，一系列经济社会响应将有利于经济区土地资源的合理利用与保护，生态环境与经济社会的和谐可持续发展。经济区土地生态健康发展，得益于经济区成立后，政府一方面在贯彻可持续发展观的同时，大力引导发展经济，促进了农业信息化水平提升，如粮、水果等农产品难卖难题在一定程度上得到解决[17]。农业经济结构的优化，如品种、布局、基地规模、经营方式、产品品牌等促进了农业生产能力增强，主要农产品供需状况改善，农民生活水平与质量提高[18]。另一方面加大了对环境治理的力度，尤其是面对经济区土地供需矛盾尖锐、人均耕地面积不断下降，水资源短缺且污染严重等问题[1]。因此，促进经济区土地生态安全环境的健康和谐发展对经济区生态建设意义重大。

四、结论与讨论

(一)结论

(1)2007—2015年，关中-天水经济区土地生态系统安全各系统指数变化明显。其中，压力安全值在研究期内介于0.108～0.167之间，呈波动下降趋势，环境承受人类对其造成的压力增大，人为活动对土地生态的影响强化；状态安全值在2007—2011年持续上升，2011年后保持平稳，数值在0.143～0.205之间，在综合指数中所占比例较小，经济区的生存环境和土地资源所处的安全性现状趋于稳定；响应安全值在0.158～0.276之间，数值偏小，促进经济区土地生态系统安全需进一步加强。

(2) 经济区土地生态安全等级自2007年筹建到建立以来，安全级别的分布规律由次核心城市向中心城市逐渐递减；2007—2015年关中-天水经济区土地生态安全综合值处于0.468～0.612之间，总体处于临界安全状态；但在2011年后，土地生态安全综合值下降，土地生态系统服务退化，生态环境破坏等现象时有发生，如水环境治理、土地高效集约利用、城市化水平、环保投入、植被覆盖率等问题，在未来一定时期内应重点关注。

(二)讨论

土地生态安全等级的高低受自然、经济、社会等多方面因素的制约，二者关系相互密切。土地生态安全等级越高，对地区经济社会的发展起到的支撑作用就越大；相反就会影响到地区经济、社会的和谐发展，也会影响到地区生态环境的承载量，进而影响到地区经济社会的和谐与可持续发展，关中-天水经济区也不例外。但在研究中，因地区差异，研究指标在选取时，综合自然、经济、社会等方面因素的考虑还存在不足，研究数据以统计数据为主，所得评价结果是否与经济区土地生态长期的发展规律相符合，有待进一步研究。因此，在后期的研究中，还需从地级市、县区、镇等不同尺度出发，多采用卫星遥感影像数据、实地调查等的数据运用到其中，时间序列与空间尺度相结合，多角度细化分析经济区土地生态系统的发展状况，以便研究结果能动态、准确、科学的反映经济区土地生态发展规律。

为了进一步提高关中-天水经济区土地生态安全级别，促进经济区人口、资源、环境的协调、可持续发展，建议应做好以下几个方面：(1)继续大力发展经济，优化产业结构，为生态环境保护提供技术与资金支持；通过开展绿色考核机制、排污权交易等方式从源头对污染土地的经济活动进行严格督查。(2)控制经济区人口容量，提高人口素质，加大对土地资源的宣传保护力度，努力提高居民保护土地资源的意识。(3)增加环保和科技投入，开展水资源的回收利用和污水处理，提倡农产品的绿色生产，提高土地的高效集约利用，增加地表的植被覆盖，增强对土地资源的保护。(4)充分考虑经济区土地资源状况以及社会经济对土地资源质与量的要求，合理划分土地功能区，严格管控耕地面积，保障经济区土地生态安全，为经济区的长远发展提供良好的物质载体。