安徽省土地生态安全动态评价与空间分异研究

何如海，周颖，李青松，陆雅雯

(安徽农业大学 经济管理学院，安徽 合肥 230036)

土地资源作为人类生产生活的主要生产资料和载体，是人类赖以生存和发展的基础[1]。近年来，伴随着工业经济的快速发展，新型城镇化的持续推进，人类对土地的需求表现得越来越强烈，土地开发程度不断加深，人地关系的矛盾日益加剧，土地生态问题层出不穷[2]。土地生态安全是指区域土地生态环境不受到破坏，并能为人类社会经济发展提供持续土地需求安全[3]，是土地生态系统可持续发展的核心和基石[4]。土地生态安全能够提供稳定、均衡、充裕的自然资源，从而维持土地自然、社会、经济复合体长期协调发展[5]。

目前，国内外学者关于土地生态安全的研究主要包括土地生态安全评价、土地生态安全预警、土地生态安全调控等[6]。在研究区域选择上，苏子龙等[7]、焦红等[8]、沈萍等[9]分别从县域、市域、省域角度出发，对区域内土地生态安全进行评价研究；在研究方法上，范胜龙等[10]、熊建华等[11]运用PSR模型构建土地生态安全评价指标体系，马艳等[12]、陈英等[13]、周健等[14]分别运用熵权TOPSIS法、RBF神经网络模型、GM(1,1)模型，开展土地生态安全评价研究。现有研究往往倾向于从时间维度进行土地生态安全评价，而未从研究区的空间格局入手进行深入探究。因此，本研究在运用PSR模型动态评价研究区土地生态安全水平的基础上，结合其空间格局进行量化研究，从时空角度分析其土地生态安全状况，并对未来三年的生态安全水平进行动态预测。

一、研究区概况与数据来源

(一)研究区概况

本研究选择安徽省为研究区。安徽省地处长江、淮河中下游，土地面积14.01万平方公里，占全国总面积的1.45%，现辖有16个地级市。截至2018年末，全省常住人口6323.6万人，常住人口城镇化率54.69%，GDP突破3万亿元，较2017年增长8.02%，一二三产业比例为8.8∶46.1∶45.1。安徽省是中部大省，处于全国经济发展的战略要冲。工业化、新型城镇化的持续推进，对区域内土地利用与生态安全提出了新的要求。

(二)数据来源

数据主要来源于《安徽统计年鉴(2008—2018年)》，以及2008—2018年省内各地级市的统计年鉴和《国民经济和社会发展统计公报》。通过统计局网站及各大数据库摘录引用相关数据，并进行核查整理，得到研究所需原始数据。其中，由于在研究期内安徽省进行了行政区划调整，所以本研究数据以调整后的16个地级市为准，不包含巢湖市。

二、研究方法

(一)评价指标体系的构建

PSR模型具有灵活性和涉及面广的特性，是生态安全指标体系构建过程中的重要方法之一[15]。在参考韩书成等现有研究成果的基础上[16]，本研究运用PSR模型构建评价指标体系，结合研究区自然条件基础、社会经济发展水平，并考虑到数据的可获取性和科学性，从压力—状态—响应三个层次选取了26项具有代表性的指标,如表1所示。其中，正向指标有18项，负向指标有8项，涵盖了生态、经济、社会等各个方面。

表1 安徽省土地生态安全评价指标体系

(二)土地生态安全水平计算

1.数据标准化

由于所获取的原始数据单位、性质不同，不能直接进行比较评价，需要对其进行统一的无量纲化处理。因此考虑到评价指标的不同性质，采用如下公式进行数据标准化处理：

对于正向指标：

(1)

对于负向指标：

(2)

式(1)、(2)中，i表示年份，j表示第j项指标，xij为第i年第j项评价指标的实际值，yij为其标准化值。

2.权重确定

本研究选取熵权法计算各项评价指标的权重，相较于其他方法可以更为客观、准确地求得各指标的权重值。

第j项指标的信息熵：

(3)

第j项指标的熵权:

(4)

3.土地生态安全指数

本研究采用综合指数法对各指标的安全指数进行计算，得出安徽省2007—2017年土地生态安全指数结果，如表2所示。

(5)

式(5)中，A表示土地生态安全综合指数，yij为标准化后的数值，wj为各指标熵权。

表2 2007—2017年安徽省土地生态安全指数值

(三)土地生态安全评价标准

参考已有研究成果[17]，结合安徽省生态、社会、经济等实际情况确定评价标准，将其划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个安全等级，如表3所示。

表3 土地生态安全评价标准

结合表2、表3，可以划分出2007—2017年安徽省土地生态安全等级，得到11年研究期内不同年份的土地生态安全评价结果，如表4所示。

表4 安徽省土地生态安全评价结果

(四)土地生态安全动态预测

灰色GM(1,1)模型具有简便、精确度高、无需典型概率分布等优点，被广泛应用于生态学、社会经济学等领域并取得了较好的效果[18]。依据GM(1,1)模型，可以预测2007—2020年安徽省的土地生态安全水平。在Matlab2017软件中输入研究区11年研究期的土地生态安全综合指数即原始数列A，对其做累加处理得到数列B，构造数据矩阵，并计算出发展系数a和灰作用量b，将其代入GM(1,1)模型，可求解得出2007—2020年的预测值，从而得到2018—2020年的预测结果。为了探究所得模型是否适用，需要对其精度进行检验。一般采用后验差检验法，比较P值、C值是否满足相应的精度检验标准，即当P值=1且C值<0.35时，表明模型精度较高即为1级(好)，符合相应的精度检验标准。

三、结果与分析

(一)土地生态安全综合评价及分析

从时间维度上看，2007—2017年安徽省土地生态安全综合指数总体上呈波动上升趋势，如图1所示，数值变化范围为0.3308～0.7635，在11年的研究期内其安全水平从较不安全转变为较安全状态，表明区域内土地生态安全状况在逐渐改善。2007—2009年，综合指数值从0.3308上升到0.3768；2009—2010年，综合指数值下降，2010年为研究期内的一个转折点，从2009年的0.3768下降至2010年的0.3113；2010—2012年，综合指数值从0.3113缓慢上升至0.3795；2012—2014年，综合指数值增长幅度较大，从0.3795上升到0.5917，增幅为55.92%；2015—2017年，综合指数值增长速度相对放缓，从0.5917上升到0.7635。可按照安全等级变化，将11年的研究期总体上分为三个阶段：在第一阶段2007—2012年期间，安全等级一直处于Ⅱ级；第二阶段2013—2014年，安全等级处于Ⅲ级；第三阶段2015—2017年，安全等级处于Ⅳ级。其中，2010年、2013年、2015年较为特殊。2010年综合指数相较于2009年下降了17.38%，主要是因为城市人口密度从2114人/km2增加至2469人/km2，化肥、农药施用强度相对于2009年增幅分别为10.53%、7.92%，表明随着人地关系愈发紧张，人口及土地污染所带来的压力超过其负荷，土质下降，对区域土地生态安全造成了负面影响。2013年土地生态安全等级由Ⅱ级转变为Ⅲ级，主要是由于2013年的水土协调度由2012年的63.95%增加至76.81%，有效灌溉面积增加，人均城市道路面积由18.47 m2增至19.61 m2，单位面积GDP相对于2012年增加了10.61%。2015年安全等级由Ⅲ级转变为Ⅳ级，得益于单位播种面积粮产由2014年的5.15 t/hm2增加至5.334 t/hm2，人均水资源总量从2014年的1279.78m3增加至1495.31m3。

图1 2007—2017年安徽省土地生态安全指数动态变化趋势图

(二)子系统土地生态安全评价

1.压力层安全评价

综合图1和表2可知，2007—2017年压力指数总体上呈先下降后趋于平缓再上升的趋势，数值变化区间为0.0853～0.1790。压力层指标中，C1城市人口密度、C5化肥施用强度、C6农药施用强度等三个指标对压力指数的贡献率较高，其熵权数值大于0.035，是影响生态压力状况的主要因素。2007—2008年，压力指数从0.1790下降至0.1508，主要是因为农药使用量从99 142 t增至111 543 t，导致土质发生变化，土地污染所带来的生态压力变大。2008—2009年，压力指数上升到0.1638，是由第一产业占GDP比重由16.02%降至14.86%导致的。2009—2010年，压力指数下降明显，由0.1638降至0.0872，降幅高达46.76%，土地生态压力状况出现明显恶化，主要是由于2010年城市人口密度由2114人/km2增至2469人/km2，化肥、农药施用强度分别增至0.572t/hm2、0.021t/hm2，因而导致压力指数骤降。2010—2012年，压力指数从0.0872升至0.1028后降至0.0853，其数值波动较小，主要是人口自然增长率等指标变化不明显导致的。但皖江城市带承接产业转移、中部崛起等战略的实施，对土地造成的压力不可小觑，导致压力指数在2012年达到了最低点。2012—2017年，压力指数逐年回升，从0.0853升至0.1556，提高了82.33%，表明安徽省2012—2017年区域内土地生态压力状况逐年改善，得益于“十二五”及“十三五”期间，各项生态环保政策及措施得到落实，全省围绕新发展理念，加快生态省的建设步伐，2017年化肥、农药施用强度、第一产业比重、万元GDP能耗相对于2012年降幅分别为8.74%、18.69%、24.49%、31.18%，各项负向指标得到了有效的调控。

2.状态层安全评价

从图1和表2可见，2007—2017年状态指数表现为波浪式渐进的特点，其数值变化区间为0.0892～0.3087。状态层指标中，C8、C10、C11、C13、C15等五个指标对状态指数的贡献率较高，其熵值较高，相对其他指标对状态指数的影响较大。2007—2010年，状态指数表现为上升趋势，从0.0892增至0.1315，人均水资源总量提高了34.96%，人均公园绿地面积从8.72m2提高到10.95m2，表明此3年间生态安全状态在慢慢改善。2010—2011年，安徽省的状态指数有小幅度下降，从0.1315降至0.1272。2011—2013年，压力指数平缓上升到0.1797。2013—2014年，由0.1797大幅度增至0.2594。2014年较为特殊，研究区状态指数相对于其他年份有显著提高，增幅为44.35%，是由于安徽省的土地垦殖率从40.21%上升至41.93%、森林覆盖率从27.5%上升至28.7%，耕地、森林面积增加对区域土地生态起到了积极正面的影响。2014—2016年，2016年状态指数比2014年提高了19.01%，人均水资源总量和经济密度大幅度上涨是状态指数提高的重要原因。“十二五”期间，安徽省兼顾经济发展和生态环境保护，在大力植树造林的同时，各市高度重视自然保护区的建设，向水利现代化的目标迈进，土地利用结构得以优化，土地利用效益得到提高，状态指数向好，并在2016年达到11年研究期内的最大值。“十三五”初期，安徽省大力实施水资源“双控”行动，一方面控制其消耗量，另一方面严格把关其消耗强度，此外各项水利规划、节水政策的落实，使得区域内有效灌溉面积增加，水土协调度相应提高，资源承载力提升。2016—2017年，人均建设用地面积从31.63m2增至32.06m2，人均水资源总量从2018.30m3骤降至1254.88m3，导致2017年状态指数下降，主要由于在此期间安徽省经济稳步增长，城市建设对土地的需求愈发强烈，各种资源的消耗强度变大，生态状况容易受到外界因素的干扰。

3.响应层安全评价

仓库的一摞麻袋上横七竖八地摊着些湿透了的衣服,男知青们把身上能脱下来的衣服都脱下来拧干。上海知青徐进步连裤衩也脱下来拧,被一穗不知道从哪里飞过来的干苞米击中面门。

由图1可知，2007—2017年响应指数亦呈波动渐进的趋势，与状态指数在部分年份有所交叉，数值区间为0.0625～0.3214。结合表2可知，11年研究期内响应指数积极向好，2007年为响应指数的最小值0.0625，2017年达到其最大值0.3214。响应层指标中，C17、C18、C19、C25、C26等五个指标对响应指数的贡献率较高，其权重皆在0.035以上，各项指标数值总体上均向好发展。响应指数的变化可分为三个阶段：2007—2008年，第一阶段其数值从0.0625增加到0.1012，是由于安徽省的农业机械化水平从7.918kW/hm2上升至8.39kW/hm2，节能环保支出占财政支出比重增加了65.74%。科技水平的提高以及财政对生态环境保护工作的投入增加，使得安徽省的生态状况相应改善。2008—2009年，第二阶段响应指数有小幅度下降，从0.1012降至0.0888。在此期间，安徽省生活垃圾无害化处理率从92.82%大幅度下降至60.91%，生活垃圾处理能力减弱，同时第三产业比重相较于2008年下降了1.01%，造成状态指数下降。2009—2017年，第三阶段一直表现为上升趋势，响应指数从0.088 8增至0.3214，提高了2倍多。其中，第三阶段可从三个时期进行具体分析:2009—2010年，响应指数从0.088 8小幅度增至0.0925，人均GDP从16 407.66元增加至20 887.8元，提高了27.31%，建成区绿化覆盖率从37.16%增至37.5%。在“十一五”期间，安徽省实施“861”计划以促进经济社会发展，在面对2008年金融危机时仍能恢复经济并使其稳步发展，同时通过一系列环境整治行动以改善生态环境质量，因而在“十一五”后期产生了很多积极影响，如城镇居民可支配收入增加、污染物排放得到有效控制、城市绿化面积增加等。2011—2015年，响应指数增速加快，从0.1226增至0.2492。2013年为11年研究期内增幅最大的一年，相较于2012年提高了41.43%。“十二五”时期，安徽省继续贯彻工业强省战略，新能源、节能环保、生物等新兴产业得到了更深层次的发展，使得安徽省经济总量有了显著提升，人均GDP提高了40.29%，人民收入增加，同时各项污染防治工程的推进使得工业固体废物、废水等的处理能力及利用率有了显著提高。2016—2017年，响应指数显著提高，从0.2638增至0.3214。“十三五”期间，安徽省以绿色发展理念协调好发展与生态保护的关系，随着各项环保制度、政策、措施的完善落实，生态省建设取得了很好的成效，如造林、绿地面积增加使得城市绿化水平提升、空气质量变好等。表明安徽省在面对各种生态压力，并维持好其现有的生态状况时，所采取的各种应对措施是合理的，能够协调好生态、经济、社会三者的关系，即响应积极向好。

(三)土地生态安全空间格局分析

综合上述土地生态安全指数计算方法，结合2007—2017年安徽省16个地级市的面板数据，可以测算出不同年份各地市的土地生态安全指数，从而得到11年研究期内不同年份各个地级市的土地生态安全评价结果。限于篇幅，本研究以2017年为例进行分析，探究其安全等级空间分异特点及规律。结合表3评价标准，可以划分出2017年省内16个地级市的安全等级，如表5所示。

表5 2017年安徽省16个地级市土地生态安全评价结果

由表5可见，2017年安徽省16个地级市的综合指数值变化区间为0.2376～0.6197，安全等级集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。从具体的综合指数值来看，黄山市居于首位，其次是池州市，而阜阳市的综合指数相对较低居于末位。从安全等级来看，淮北、亳州等9市处于较不安全状态，即Ⅱ级；合肥、马鞍山等6市处于临界安全状态，即Ⅲ级；2017年安徽省16地市中仅有黄山市的安全等级处于较安全状态，即Ⅳ级。多数地市处于较不安全或临界安全状态，即处于Ⅱ、Ⅲ级的地市偏多。

综合表5评价结果和表3安全等级划分标准，可将2017年安徽省16个地市的土地生态安全状况分为以下三类。

1.Ⅱ级城市

土地生态安全等级处于Ⅱ级的，主要有9个地级市。淮北市、亳州市、宿州市、蚌埠市、阜阳市、淮南市等6市位于皖北地区，由于城市人口密度较高，资源承载力有限，其状态指数明显劣于其他地市。其中，淮北、淮南为资源型城市，矿产资源丰富，多依靠区域内资源带动经济发展，对生态环境造成的压力不容小觑。滁州市、六安市、安庆市等3市位于皖中地区，其第三产业占经济总量比重、节能环保支出占财政支出的比重相对较低，响应指数相对较低，表明其一二三产业结构仍需调整，在生态环境治理方面的投资仍需加大。

土地生态安全等级处于Ⅲ级的，主要有合肥市、马鞍山市、芜湖市等6个地级市。其中，合肥市作为省会城市，是安徽省的经济中心，相较于皖中地区其他城市，生态安全状况相对较好，与其大力推进生态文明建设有很大的关系。合肥市人均GDP、城镇居民可支配收入等响应指标均居于全省首位，此外其对节能环保事业的投资较多，使得其响应指数相对较高，因而生态安全综合指数较高。马鞍山市、芜湖市、宣城市、铜陵市、池州市等5市位于皖南地区，区域内自然条件相较于其他地市更为优越，水土协调度、森林覆盖率等状态指标积极向好，使得其生态安全水平较高。

3.Ⅳ级城市

土地生态安全等级处于Ⅳ级的，仅有黄山市。黄山市状态及响应指数居于省内16个地级市首位，生态安全综合指数排名第一。一方面是由于其位于皖南地区，市域内拥有得天独厚的自然条件，森林、湿地等覆盖率高，生态系统结构完善；另一方面，是由于各项生态保护制度、措施的完善落实，进一步提升了土地生态安全水平。

皖北地区、皖中地区、皖南地区各市的自然条件基础和社会经济发展水平不一，区域内土地生态安全状况也略有差异。通过GIS技术从空间格局看，即从各市在安徽省所处的地理位置分析，皖北地区各市均处于Ⅱ级，皖中地区除合肥市外均处于Ⅱ级，皖南地区各市处于Ⅲ级或Ⅳ级，表现出明显的空间分异规律，如图2所示。结合表5可知，生态安全综合指数呈南高北低的特点，总体上看皖南地区>皖中地区>皖北地区。

图2 2017年安徽省16个地级市土地生态安全等级空间分布图

(四)GM(1,1)模型预测结果分析

通过Matlab程序输出结果发现，P=1,C=0.2559，表明模型非常适用于预测，可得到2007—2020年安徽省土地生态安全水平预测趋势图，如图3所示。由图3可见，2007—2017年11年研究期内综合指数的实际值与预测值差异较小，总体趋势基本相符。2018年、2019年、2020年的综合指数预测值分别为0.8642、0.9663、1.0805，表明未来3年研究区的土地生态安全水平将由较安全状态提升到安全状态，仍有进一步提升的空间。

图3 安徽省土地生态安全水平预测趋势图

四、结论与讨论

本研究从安徽省的实际情况出发，基于“压力—状态—响应”PSR模型选取了26项具有代表性的指标，构建了评价指标体系，综合运用熵权法和综合指数法，结合2007—2017年的面板数据测算安徽省土地生态安全水平，可以得出以下结论。就所得研究结果，安徽省可以有针对性地采取相应措施提升区域内土地生态安全水平。

从时间维度来看，2007—2017年安徽省土地生态安全综合指数总体上呈波动上升趋势，在11年的研究期内其安全等级从Ⅱ级转变为Ⅲ级再转变为Ⅳ级，表明区域内整体土地生态安全状况在逐渐改善。从准则层看，压力指数总体上呈先下降后趋于平缓再上升的趋势；状态指数表现为波浪式渐进的特点；响应指数在11年研究期内积极向好，亦呈波动渐进的趋势，与状态指数在部分年份有所交叉。通过各指数的变化趋势，可以发现应适当控制压力指标，在提高响应度的同时维持生态现状，才能有效地改善土地生态安全状况。

从空间格局来看，2017年安徽省16个地级市土地生态安全综合指数值有明显的空间分异规律，综合指数值呈南高北低的特点，总体上皖南地区>皖中地区>皖北地区。各地级市由于自然条件基础、经济发展水平、城市发展方向不同，土地生态安全状况也略有差异，应结合其地理位置、城市定位提升区域内土地生态安全水平。例如，针对淮北、淮南等资源型城市，资源消耗强度较大，应调整其产业结构，从依赖资源转向多元化发展，进而减少对生态环境造成的压力。

依据 GM(1,1)模型结果，可以预测2018—2020年安徽省的土地生态安全水平总体上仍将保持上升趋势，区域内未来三年的土地生态安全状况将继续得到改善和提升。