蚌埠市城市土地生态安全评价及障碍因子诊断

陆雅雯，何如海，李青松，周颖

（安徽农业大学经济管理学院，合肥 230036）

土地是人类活动和社会经济活动的载体，而维持土地生态安全稳定是人类社会可持续发展的重要基石。土地生态安全是指在一定的时空范围内，以土地为载体的生态系统在保持其自身结构与功能的稳定、平衡、可持续状态下，能为促进人类社会进步与自然生态系统的可持续发展提供充足并且稳定的自然资源，从而维持土地、自然、社会等复合系统的长期稳定协调发展[1]。随着现代工业社会的发展，土地资源的横向和纵向利用都在持续加大，给土地带来了人居生活环境严峻、水生态系统污染严重、农用塑料薄膜等白色污染[2]、耕地面积不断减少等一系列生态安全问题，严重阻碍了人类社会的发展和进步[3]。小到学生教育，大到国家安全战略，国土安全及生态安全已经成为当前生态环境工作的重点。在学术研究领域，我国土地生态安全研究主要集中在南方沿海发达城市土地生态安全，而对于经济水平较为落后的中部地区研究较少；工业城市土地生态安全研究较多，产业欠发展城市研究较少；土地生态安全评价研究较多，而其障碍因子诊断则较少。因此，研究以蚌埠市为研究区域，开展城市土地生态安全的多角度多因素研究，评估土地生态安全状况，分析其土地生态系统障碍因子，为蚌埠市社会经济发展与土地资源集约节约利用提供参考，促进城市生态系统可持续发展[4]，同时丰富市域土地生态安全评价研究[6]。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

蚌埠市地处北纬32°43′～33°30′，东经116°45′～118°04′，位于安徽省北部，淮河中游，是重要的交通要道。蚌埠市是安徽省第一个设立为市的城市，市区坐落于淮河流域南岸，周围群山环绕，是安徽省重要的综合性工业基地，产业发展潜力大，也是淮河生态经济带发展规划中的重点城市。蚌埠市季风显著，四季分明，气候温和，人居环境适宜，雨量适中，光照充足，利于农业发展。近年来，随着新型城镇化步伐的不断加快，蚌埠市经济水平不断提高，2017 年地区生产总值达到1 550.66 亿元，比上一年度增长9.1%，具有较高的生态和经济发展潜力[5]。

1.2 数据来源

主要以《安徽省统计年鉴》（2008～2017 年）和《蚌埠市国民经济统计公报》（2008～2017 年）为数据来源，对蚌埠市进行土地生态安全评价及障碍因子分析。

2 研究方法与评价过程

2.1 评价指标体系构建

土地生态安全影响因素众多，而对于聚居密集的城市来说，其影响因素主要包括自然环境、经济、社会等各个方面。指标体系的构建是土地生态安全定性定量评估的第一步，合理的评价指标体系能够大大提高研究的科学性[6]。研究综合考虑蚌埠市经济发展状况、自然气候、自然资源、地理环境以及地域文化等实际情况，参考相关文献[3，4，6，8，12，13，14，16，18]，将城市土地生态安全系统分为三个子系统，分别是城市自然环境生态子系统、经济生态子系统和社会生态子系统。表1 是从三个子系统中选取的35 项指标因子构建土地生态安全评价指标体系，基本上能够全面系统地涵盖城市土地生态安全影响因素。

2.2 土地生态安全评价评价与分析模型

2.2.1 原始数据无量纲化

研究选取的35 项综合指标中包括自然环境生态子系统14 项指标、经济生态子系统13 项指标、社会生态子系统8 项指标。每个指标对于城市土地生态环境所产生的效应均不相同，对土地生态安全产生正向效益的是正向指标，产生负向效益的是负向指标。另一方面，原始数据各个指标因子的计量单位和属性均不相同，不能直接进行实证分析，必须要进行标准化处理。根据已有的研究文献以及结合实际情况，研究采用离差极值法对原始数据进行无量纲化处理，得到的标准化值方可进行数据分析[7]，其方法如下：

对于评价指标是正向指标：

对于评价指标是负向指标：

其中X*ij为原始数据无量纲化处理后的标准化数据；Xij，Xmax，Xmin为第i 项指标原始数据、第i 项指标中原始数据最大值和最小值。

2.2.2 评价指标权重的确定

土地生态安全评价研究中确定权重的方法有很多，例如主成分分析法是通过降维将多数复杂的指标重组为少数代表性较强或者关联性较弱的指标来进行评价分析；TOPSIS 模型是在指标体系中将各个指标与其理想值之间的差距进行排序，越接近理想值说明其解释程度越高；层次分析法是将指标体系中的多个指标按其指标性质分解成为不同等级不同层次进而求得最优解的分析方法。而熵值法确定权重主要强调的是指标体系在整体土地生态安全系统中的影响度，客观性较强也是熵值法的主要优点之一，它能够克服指标体系中部分指标存在的交叉重叠关系或者影响程度不高的问题，很好地避免了实证分析中存在的主观因素。研究采用熵值法确定35项指标因子的权重，进而求得土地生态安全三个子系统的生态安全指数，分析方法如下[8]：

（1）计算第i 年第j 项指标占该指标的比重：

（2）计算第j 项的熵值：

（3）计算第j 项指标的差异系数：

对于第j 项指标，Fj越大，则该指标作用越大。

（4）根据信息熵求权重Wj

根据熵值法计算得到的指标体系中35 项指标的权重如表1 所示。其中自然环境生态子系统的权重为0.363 7，说明自然环境生态子系统14 项指标对于土地生态环境状况的影响程度达到0.363 7；经济生态子系统对于土地生态环境状况的影响程度达到0.406 7；社会生态子系统影响程度达到0.229 6。在研究期间内经济因素对于蚌埠市城市土地生态安全的影响程度最高，其次是自然环境因素和社会生态因素。

2.2.3 土地生态安全评价综合指数值计算及等级划分

研究选取的35 项指标从自然环境、经济、社会的各个方面反映了研究区域土地生态安全状况，但是市域土地生态安全状况是多个指标综合作用的结果。权重Wj仅仅能反映的是各个指标对于系统整体影响程度，并不能反映时间维度上蚌埠市土地生态安全发展趋势。因此，还需要对评价指标体系中各个指标安全指数进行计算，进而对研究期内蚌埠市土地生态安全发展趋势进行分析。研究采用综合指数法计算城市土地生态安全综合指数[9]，公式如下：

通过参考与总结不同地区土地生态安全评价研究资料，将蚌埠市土地生态安全状况分为五个等级[9]，如下表2 所示。安全指数在0～0.15 的属于恶劣级，0.15～0.25 之间属于敏感级，0.25～0.55 属于临界级，0.55～0.80 属于良好级，0.80～1.00 属于安全级。

2.3 因子障碍度模型

土地生态安全评价仅仅是对区域土地生态系统的定量评估，而想要找出土地生态安全影响因子就需要对研究区域进行障碍因子识别。研究引入因子贡献度（Mj）、指标偏离度（Kij）、指标层障碍度（Iij）和准则层障碍度（Nij）建立因子障碍度模型，对蚌埠市土地生态安全状况作进一步分析[10]。

表2 土地生态安全分级标准Table 2 Grading criteria for land ecological security

其中Mj=Wj，表示第j 项指标对系统总体的贡献程度，一般可以用各个指标权重Wj表示[12]；Kij表示指标偏离度，说明的是指标实际值与安全理想值之间的差距；Iij表示的是指标层第j 项指标在第i 年的障碍限制度；Nij表示的是准则层指标障碍度。

3 结果与分析

3.1 土地生态安全评价分析

3.1.1 土地生态安全总体评价

通过综合指数法计算得到2008～2017 年蚌埠市城市土地生态安全指数值及其生态安全等级如表3所示。研究期间内，蚌埠市土地生态安全指数值呈现波动上升趋势，土地生态安全等级也由临界级进入良好级。2008～2009 年，土地生态安全指数从0.404 0下降到0.385 3，在研究期间内降到最低点，安全等级由临界级进入敏感级；2010～2015 年，土地生态安全指数呈现显著的波动上升趋势，其中2012 年生态安全指数下降到同2008 年的水平，但是安全等级始终维持在临界级别。2015～2016 年土地生态安全指数上升至0.604 9，安全等级进入良好级别；2016～2017年，土地生态安全指数上升速度减缓，但安全等级依旧保持在良好级别。研究期间内有效灌溉面积从199 570 hm2上升至247 630 hm2、人均公园绿地面积从8.88 m2上升至13.21 m2、建成区绿化覆盖率上升10.35%，工业废水排放总量减少5 139.5 万t，说明研究期间内蚌埠市城市自然生态系统保护措施对于土地生态安全状况的改善起到了重要的作用。2008 年以来，蚌埠市经济建设取得了良好的效果，城镇居民人均可支配收入增加18 455 元，城市人口密度减少442 人·km-2，环境保护治理投资总额也在持续增加，这些经济社会因素都使其城市土地生态安全指数明显提升，城镇化与生态环境建设良性互动[11]，土地生态安全的态势正逐步好转。

总体上来看，研究期间内蚌埠市城市土地生态安全指数值共增长0.195 4，发展趋势较缓，且安全等级未达到安全级别，城市土地生态安全状况仍比较严峻。城市人口压力、建设用地盲目扩张、工业企业废气废水的排放以及建成区绿化覆盖率等问题仍然是制约城市土地生态安全状况改善的重要因素，需要进一步加大对城市土地生态保护与治理的力度[13]。

城市土地生态安全系统是由自然环境生态子系统、经济生态子系统和社会生态子系统共同作用的结果，不同时期各个子系统对于城市土地生态安全所产生的影响也各不相同。下图1 是2008～2017 年蚌埠市土地生态安全子系统综合指数动态变化情况，三个子系统安全指数在研究期间内都是波动上升的，自然环境生态子系统波动上升趋势最为显著，经济生态子系统呈现波动幅度较小的上升趋势，社会生态子系统在2008～2011 年呈现较为明显的下降趋势，2013 年之后呈现出波动幅度较大的上升状态。研究期间内社会生态子系统安全指数上升了0.018 4，而自然环境生态子系统上升了0.106 4，经济生态子系统上升了0.070 5，三个子系统层的生态安全综合指数在波动中都有所提高，也说明整个城市在发展过程中土地生态安全状况也得到了优化[14]。

表3 蚌埠市土地生态安全综合值及安全等级Table 3 Comprehensive value and safety grade of land ecological security in Bengbu city

图1 2008～2017 年蚌埠市土地生态安全子系统综合指数动态变化情况Fig.1 2008 to 2017 dynamic change of comprehensive index of land eco security subsystem in Bengbu city

3.1.2 土地生态安全子系统变化情况分析

由图1 可以看出自然环境生态子系统呈现较为明显的波动上升趋势。2008～2010 年自然环境子系统生态安全指数由0.138 4 下降至0.124 9，森林覆盖率、人均公园绿地面积、林业用地面积等指标数值明显减少，且工业废水排放总量安全指数增加0.004 9等因素对土地生态安全指数的下降有一定的影响[15]。2010～2015 年自然环境子系统安全指数发展趋势呈现“倒M”型，最小值0.124 9 出现在2010 年，最大值0.244 1 出现在2014 年。2015～2017 年自然环境生态子系统生态安全指数呈现上升趋势。蚌埠市位于淮河中游，素有淮上明珠城的美誉，近年来对于旅游产业发展的倾斜度较大，这也是后期蚌埠市自然环境生态子系统明显走高的重要原因。

经济生态子系统总体上呈现相对平缓的上升趋势，上升幅度较小。2008～2009 年安全指数由0.173 1下降至0.150 2，这一期间地区生产总值较低，城镇人均可支配收入较少，经济效益低，限制了土地生态安全状况的发展[16]；2009～2013 年呈现出类似曲线的增长趋势，2013～2017 年趋向于线性增长趋势，增长速度较快，主要原因是在新型城镇化建设的背景下，随着蚌埠市经济建设步伐的加快及产业结构的转型升级，地区人均生产总值不断上升，由2008 年的人均13 632 元增长至2012 年的人均46 233 元[17]，促进了其土地生态安全指数的增长。但是，经济的快速发展也导致了城市土地利用方式的低效粗放和建设用地占比高等一系列问题，也是经济生态安全子系统综合指数上升幅度小的主要原因。

研究期间内，社会生态子系统安全指数值波动幅度较大，2008～2010 年在出现缓慢上升后开始较大幅度的下降，主要原因是在聚集效应明显的城市土地上，人口密度高达3 099 人·km-2导致其土地承载压力较为沉重[2]；2011～2017 年社会生态子系统呈现缓慢的波动上升趋势，这一期间人均城市道路面积由14.7 m2上升至20.7 m2，人口自然增长率基本可以维持平衡等社会因素都可以对其城市土地生态压力缓解起到一定的作用。整体上，社会生态子系统的生态安全指数要较自然环境生态子系统和经济生态子系统低，波动趋势较大，说明良好的社会效应对于城市土地生态安全状况的改善具有非常重要的作用。

3.2 障碍因子诊断

3.2.1 准则层限制因素

土地生态系统受到来自自然、环境、人口、经济和社会等各个系统的影响，不同影响因素在不同时期对土地生态系统的影响程度并不相同，因此需要对蚌埠市城市土地生态安全的三个子系统进行障碍度分析。研究建立因子障碍度模型分析计算各个子系统障碍度的变化情况，如下图2 所示。研究期间内，自然环境生态子系统和经济生态子系统障碍度曲线走向持续偏低，社会生态子系统障碍度呈现出较为平缓的波动下降趋势。分阶段分析如下：2008～2010 年，障碍度最高的是自然环境生态子系统，最低的是社会生态子系统，这一阶段城市处于经济发展的关键时期，经济发展与生态安全问题的矛盾开始凸显，所以自然环境生态子系统成为当期城市土地生态安全发展最大的障碍因素；2010～2012 年，自然环境生态子系统障碍度曲线呈现“V 型”趋势，2011年其障碍度低于经济生态子系统。这一阶段经济生态子系统障碍度曲线下降幅度较小，社会生态子系统则呈现上升幅度较小的趋势，说明自然环境子系统对于城市土地生态安全的影响较为显著，城市自然环境的改善可以促进土地生态安全指数的趋势向好发展。2012～2015 年，三个子系统障碍度曲线均呈现下降趋势，2013 年经济因素超越自然环境因素和社会因素成为制约蚌埠市城市土地生态安全状况改善的主导因素，经济建设已然成为该阶段城市发展的主旋律，生态与社会让步经济发展；2015～2017年，三个子系统的障碍度曲线开始出现交叉下降走势，该阶段前期社会资本持续累积效益凸显，同时城市基础设施建设逐步完善，城市自然环境改善明显，三个子系统对城市土地生态安全状况障碍度减少出现交叉。

图2 2009～2016 年蚌埠市土地生态安全子系统障碍度变化情况Fig.2 Changes of ozbstacle degree of land eco security subsystem in Bengbu city from 2009 to 2016

3.2.2 指标层限制因素

由于不同系统中各指标对于城市土地生态环境的影响程度不同，想要分析不同阶段土地生态安全限制因素就必须要对指标层限制因素进行识别。利用因子障碍度模型确定各个指标障碍度，然后分析其研究期间主要障碍度因子可以为后期土地生态安全研究提供方向指导。研究选取研究期间内土地生态安全障碍度排序前四位的障碍因子作为主要障碍因子进行分析[18]，其累计障碍度超过55%[10]，具体情况见表4 所示。

表4 2008～2009 年蚌埠市城市土地生态安全指标层主要障碍因子障碍度Table 4 Main obstacle factors of urban land ecological security indicator level from 2008 to 2009

2008～2010 年，城市土地生态安全限制因素主要集中在经济生态子系统和社会生态子系统中。人均城市道路面积成为其主要障碍因子，农业机械总动力和工业固体废物综合利用率对土地生态安全指数也有着较大的影响。2010～2015 年，在这一阶段限制因素主要集中在经济生态子系统，经济发展成为制约蚌埠市土地生态安全的主要障碍因素。工业废气排放量是这一阶段最大的障碍因子，说明城市经济发展因素导致的生态系统污染问题仍旧是限制城市土地生态安全的重要及核心因素[19]。人均公园绿地面积、城市污水排放量、建成区绿化覆盖率和城市人口密度等在这一阶段也具有较高的障碍度。蚌埠市是安徽省重要的工业城市，经济发展是其城市建设的主要动力，导致工业污染物的处理力度不够，自然对城市土地生态安全产生了一定的负面影响[12]。在追求经济效益的同时应该重视工业企业的污染防治，实现城市土地经济效益与生态效益同步协调发展，进而实现社会经济与土地资源的协调发展[20]。2015～2017年，这一阶段在有了前期资本积累之后主要限制因素在自然环境生态子系统和社会生态子系统中。房地产开发投资和建成区面积这两项指标成为这一阶段主要的障碍因子，城市污水排放量、全部规模以上工业总产值和私人车辆拥有量也对城市土地生态安全产生了重要的影响，说明其土地生态效益依然不容乐观[20]。研究期内建成区面积由100 km2上升至147 km2，全部规模以上工业总产值由369.97 亿元上升至3 268.14 亿元，城市污水排放量增加2 414 万m3，说明了城镇化步伐的加快与工业企业的快速发展对城市土地生态安全都造成了巨大的压力[21]。

4 结论与建议

研究系统综合了影响城市土地生态安全的各个系统，选取了35 项指标构建土地生态安全评价指标体系，采用熵值法确定各个指标权重，综合指数法确定生态安全指数对城市土地生态安全进行定量综合评价，通过建立因子障碍度模型识别主要障碍因子，对蚌埠市城市土地生态安全主要影响因素进行分析[8]，得出以下结论：

（1）2008～2017 年，研究区域土地生态安全指数呈现出波动上升趋势，土地生态安全等级由临界级进入良好级。总体上，研究期间内蚌埠市生态安全指数值共增长0.1954，发展趋势较缓，且安全等级未达到安全级别。因此把生态文明建设融入经济与社会发展全过程实现生态经济将是蚌埠市今后城市发展的重点。

（2）研究区域三个子系统生态安全指数在研究期间内都呈现波动上升趋势。自然环境生态子系统波动上升趋势最为显著，经济生态子系统呈现出波动幅度较小的上升趋势，社会生态子系统波动幅度较大，上升趋势较小，说明蚌埠市今后应推进社会生态子系统对于城市土地生态环境的影响作用，实现城市土地生态系统与社会经济系统协调发展[22]。

（3）从指标层因子障碍度来看，人均城市道路面积、工业废气排放量、房地产开发投资和建成区面积这四项指标是蚌埠市城市土地生态安全的主要限制因素。

研究存在的不足：首先，考虑到研究指标的可获取性、完整性以及研究关联度，在指标体系的建立过程中无法避免人为因素对实际研究结果造成的微弱偏差；其次，研究仅对时间序列上蚌埠市城市土地生态安全状况做出评价及障碍因子诊断，未涉及到农村土地生态安全问题，也未对城市土地生态安全发展趋势做出预测及提出针对性改善措施，所以这也是今后蚌埠市土地生态安全研究工作的的重点。