基于PSR-TOPSIS模型的郑州市土地生态安全评价及障碍因子诊断

王洋，董晓光，王海帆，赵聪佳，朱嘉伟

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.郑州华源土地利用遥感技术有限公司，河南 郑州 450002)

土地作为人类生存发展的重要物质载体，是一切人类活动的基础。随着经济发展与生态安全矛盾的凸显，土地生态安全这一范畴也开始被广泛讨论。土地生态安全旨在土地生态和人类社会之间和谐共生的平衡关系[1]。随着社会经济的不断发展，人类致力于满足自身对物质文化的需求，对土地资源的过度索取导致了诸如土地污染、土地流失和土地沙化等一系列环境问题，一方面破坏了土地生态系统，另一方面对人类社会自身的发展产生了负面影响。因此，在新时代背景下，如何有效保护土地生态安全，成为了国家有关部门的重要议题，同时也成为了学术界对于土地资源可持续发展研究的热点内容。通过对区域土地生态安全评价，可以客观地反映出人类对土地生态系统稳定性的干扰程度，从而为更合理地开发利用和更有效的生态修复提供依据[2]。目前，国内外学者从指标赋权、模型构建、评价方法以及限制因子等方面对土地生态安全进行了深层次、多维度的研究。评价方法主要有物元分析法、面板数据聚类分析法、灰色关联度模型、空间变异系数法等[3-7]。指标体系构建主要有PSR模型、EES模型等[8-9]。

依据中原城市群发展规划，中国国家发展改革委于2017年正式批复支持郑州建设国家中心城市，规划至2050年，郑州市区人口规模将高达1 550万。但经济社会的迅猛发展，导致城乡生态环境系统要素和格局发生显著改变。20世纪末，郑州市绿化覆盖率居全国省会首位，城市土地生态状况良好，素有“绿城”之称。随着城市化步伐的加快，人口和产业高度聚集，城市框架不断拉大，使郑州市人地关系矛盾日益凸显，土地资源尤其是耕地资源锐减，重开发轻保护的土地利用方式使土地生态功能减弱，生物多样性减少，生态环境保护成为经济社会发展中的薄弱环节，同时资源的过度开发、工业“三废”的大量排放以及农药化肥的不合理使用也影响了郑州市土地生态系统自身原有的稳定性。如何在保持经济社会高速发展的同时，优化构建山水林田湖草生态环境系统，维护土地生态系统的安全，成为了郑州市可持续发展需要解决的首要问题之一。因此，本研究以郑州市为研究区域，应用PSR-TOPSIS模型对2003—2017年郑州市土地生态安全动态变化分析评价，并利用障碍度模型识别出主要障碍因子，为统筹区域土地利用和城乡生态建设提供参考依据，对促进城市生态文明建设具有重要的现实意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

郑州市地处华北平原南部，黄河下游，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原，位于中国地理中心，地势从西南向东北呈阶梯状下降，土地总面积7 446 km2。2017年，人均耕地面积0.032 hm2，建成区绿化覆盖率45.79 %，单位面积粮食产量4 769 kg·hm-2。属温带大陆性气候，全年平均气温15.6 ℃。矿产资源储量丰富，水资源贫乏。拥有中国唯一一个国家级航空港经济综合实验区，也是全国铁路网中唯一的“双十字”中心。

1.2 数据来源

本研究使用数据来自《河南统计年鉴》(2004—2018)、《郑州统计年鉴》(2004—2018)、河南省国民经济与社会发展公报(2004—2018)、郑州市统计局年度数据(2004—2018)。人口密度、二氧化硫排放量等部分指标数据可直接从统计年鉴中获取，其余指标数据根据已获取的数据计算得出。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

构建科学合理的评价指标体系是土地生态安全评价研究的关键，PSR模型由联合国经济合作开发署(OECD)于20世纪80年代提出，包含压力、状态、响应3部分指标，广泛应用于生态环境评价方面研究，压力指标(P)反映生态环境所承受的人类生产活动带来的压力，状态指标(S)反映人类生产活动对生态系统造成的影响程度，响应指标(R)反映人类社会对生态环境问题做出的响应。该模型基于人类活动与生态系统之间相互依存的关系来建立指标体系，具有较强的科学性和系统性。本文选取PSR模型，结合郑州市实际，在满足可操作性和数据可获取性的基础上，借鉴已有成果[10-12]，构建郑州市土地生态安全评价指标体系(表1)。

表1 土地生态安全评价指标体系Table 1 Evaluation index system of land ecological security

2.2 指标权重的确定

2.2.1 数据归一化处理 由于各评价指标数据数量级存在差别，并且指标间正负向性不同，对各指标数据进行归一化处理。

(1)

(2)

式中:xij为指标原始值；Rij为标准化值；maxxj和minxj为指标最大值和最小值。

2.2.2 计算指标权重 在关于评价的研究中，由于选取的各指标单元对于总评价的贡献不同[13-14]，本文选取熵值法确定指标权重。

(1)计算第j项指标在第i年的比重fij

(3)

(2)计算指标熵值ej

(4)

式中：当fij=0时，令fijlnfij=0。

(3)计算指标权重Wj

(5)

2.3 TOPSIS法评价模型

TOPSIS法近年来广泛用于多指标评价研究中，其原理是通过归一化矩阵找出多目标中的最优及最劣目标，并通过各指标与最优及最劣目标间的距离，获取各指标与理想解之间的贴近度，最终揭示各方案结果。本研究基于PSR模型构建的评价指标体系，运用TOPSIS法，对郑州市土地生态安全水平进行的测度[15-16]。

(1)建立加权规范化矩阵

V=|Vij|=Wj×Rij

(6)

式中:Wj为各指标权重；Rij为标准化矩阵。

(2)确定正负理想解V+和V-

正理想解：V+={maxvij|i=1，2，3，…，m}

(7)

负理想解：V-={minvij|i=1，2，3，…，m}

(8)

式中:maxvij和minvij为加权规范化矩阵最大值和最小值。

(3)计算指标到正负理想解距离Si+和Si-

(9)

(10)

(4)计算指标贴近度Ci

(11)

式中:Ci值越大，表示第i年土地生态安全状况越好。根据参考文献[17]，结合研究区情况，采用非等间距法将土地生态安全划为5个等级(表2)。

表2 土地生态安全评价等级划分Table 2 Classification of land ecological security evaluation

2.4 障碍因子诊断模型

在分析研究区域土地生态安全评价结果的基础上，通过障碍因子诊断模型，对其中主要障碍因子进行提炼分析[18-19]，有利于为提升市域土地生态安全提出针对性改善措施。

Iij=1-Rij

(12)

Nij=∑Mij

式中：Mij为单项指标对总目标障碍度；Nij为准则层指标障碍度；Fij为因子贡献度，以单项指标权重Wj表示；Iij为单项因子偏离度；Rij为单项指标标准化值。

3 结果与分析

3.1 土地生态安全综合状况分析

本文运用TOPSIS模型计算，以贴近度表示郑州市土地生态安全水平，可以得出郑州市土地生态安全贴近度发展趋势(图1)和土地生态安全S+、S-发展趋势(图2)。

图1 郑州市土地生态安全贴近度发展趋势Fig.1 Development trend of close degree of land ecological security in Zhengzhou

图2 郑州市土地生态安全S+、S-发展趋势 Fig.2 Development trend of S+ and S- of land ecological security in Zhengzhou

从图1可以看出，2003—2017年郑州市的土地生态安全水平整体上处于上升趋势，贴近度由0.346至0.668增加了0.322，从第Ⅳ提升至第Ⅱ级水平。由图2可以看出，S+值总体上呈下降趋势，从0.191下降至0.103，下降了0.088，逐渐接近正理想。S-值总体上呈上升趋势，从0.101增加至0.208，上升了0.107，逐渐偏离负理想。研究期内，土地生态安全发展总体上分为3个阶段：第1阶段(2003—2007年)，郑州市土地生态安全水平较差，贴近度由0.346下降至0.287，从第Ⅳ级下降至第Ⅴ级水平，主要原因在于，早期牺牲生态环境为代价的粗放型发展方式对土地生态的破坏较大。第2阶段(2007—2011年)，郑州市土地生态安全水平呈稳定缓升状态，其中2008年增幅最大，较第1阶段末增长了0.078，从第Ⅴ级回到第Ⅳ级水平，在此之后至2011年增长了0.016，趋于平稳，随着以人为本的科学发展观的提出，郑州市落实了“充分考虑资源和环境承受力，全面协调可持续，促进人和自然和谐发展”的政策，从而使土地生态有了良性发展的态势。第3阶段(2011—2017年)，郑州市土地生态安全水平快速上升，贴近度从0.381增加至0.668，年均增长率达9.81 %，平均每年增长0.048，2017年突破了第Ⅱ级水平，这说明郑州市认真推进生态文明建设，努力建设生态屏障，以科学发展观为指导带领城市绿色发展，积极推进“美丽省会”建设取得了很大的成效。

3.2 土地生态安全子系统分析

运用TOPSIS模型计算，得出郑州市土地生态安全各子系统发展状况(图3)，可以看出，2003—2017年郑州市土地生态安全各子系统发展水平和变化程度呈现差异。

图3 郑州市土地生态安全各子系统贴近度发展趋势Fig.3 Development trend of close degree of each subsystem of land ecological security in Zhengzhou

3.2.1 土地生态安全压力子系统 郑州市土地生态安全压力子系统贴近度在2003年远高于状态和响应子系统，但从2003年至2007年贴近度持续下降，从0.546降至0.384，退到第Ⅳ级水平，主要原因在于，早期工业及居民生活二氧化硫等污染物年排放量不断增加，加之化肥和农药的高强度施用增加了土地生态的压力。在2009年贴近度增至0.562，回到第Ⅲ级水平，由年鉴数据可知，该年单位耕地农药施用量从2007年的14.90 kg·km-2降低至12.81 kg·km-2，单位耕地化肥施用量较之减少了108.43 kg·km-2，使该年土地生态压力明显减小。此后，人口密度的持续增长使土地承载压力不断增大，导致压力子系统发展滞后，直到2015年，其贴近度开始稳定提高。总的来看，郑州市的土地生态安全压力子系统变化程度最小，贴近度年均增长0.002，在第Ⅲ和Ⅳ级水平间徘徊。经分析认为，土地生态安全的影响因素是多样化的，即使城市化的发展使土地经济密度不断攀升，环保政策的落实缓解了耕地化肥和农药负荷，二氧化硫等污染物排放量也逐渐被控制，但土地人口承载压力的增加以及耕地面积的持续减少等问题依旧使土地生态安全面临挑战。

3.2.2 土地生态安全状态子系统 郑州市土地生态安全状态子系统贴近度在2003年处于最低水平，并在2003年至2005年发生持续下降，2005年降至最低值0.185，主要是该年单位面积耕地的粮食产量较少，同时第三产业占GDP比重也相对较低造成的。此后至2008年贴近度从0.244增至0.304，突破第Ⅳ级水平。但到2009年，农业机械化水平的大幅降低和耕地有效灌溉率的减少导致贴近度发生骤降，回到第Ⅴ级水平。而后，除了2016年农业机械化水平的大幅降低导致数据有所回弹外，状态子系统贴近度从2009年的0.197持续增加至2017年的0.669，年均增长率达到16.51%。总的来看，郑州市的土地生态安全状态子系统整体上发展趋势良好，贴近度增长了0.427，从第Ⅴ级增至第Ⅱ级水平。结合年鉴等数据分析认为，随着生活环境不断改善，郑州市绿化覆盖率稳定提升，从28.24%增至45.79%，科学的作物种植模式也使粮食单产从3 951 kg·hm-2增至4 769 kg·hm-2，这些举措都对郑州市土地生态安全状态产生积极的影响。

3.2.3 土地生态安全响应子系统 郑州市土地生态安全响应子系统贴近度在研究初期逐年下降，从2003年的0.259降至2006年的0.163，减少了0.096，年均降低率达16.69%，主要原因在于该时期内，郑州市的当年造林面积显著减少，生活垃圾无害化处理率大幅度下降。随后响应子系统呈现快速发展，2008年增幅尤为显著，贴近度比上年增加了0.155，增长率高达68.28%，突破第Ⅳ级水平。至研究期末贴近度达到0.733，明显高于压力和状态子系统。总的来看，郑州市的土地生态安全响应子系统呈先降后升趋势，整体上提升明显，从较压力子系统贴近度落后0.287，到高于压力子系统贴近度0.154，最终达到第Ⅱ级水平。经分析，在意识到人类活动对于土地造成的破坏具有不可逆性之后，政府出台了一系列政策措施加强对生态环境的保护，由年鉴数据可知，2003—2017年郑州市污水处理率从48.76 %增加至97.75 %，每万元GDP能耗从1.992 t减少至0.404 t，工业固废综合利用率从64.39 %增加至77.39 %，环保和公共设施管理业投资及人员投入也在不断增加，这些响应措施的实行，在一定程度上缓解了经济发展对土地生态造成的破坏，使土地生态朝更健康安全的方向发展。

3.3 障碍因子诊断分析

3.3.1 准则层障碍因子分析 通过障碍度模型计算，可以得到郑州市2003—2017年土地生态安全准则层指标障碍度(表3)。

表3 2003—2017年郑州市土地生态安全准则层指标障碍度Table 3 Obstacle degree of land ecological security criterion layer in Zhengzhou from 2003 to 2017

由表3可知，郑州市土地生态安全准则层障碍度呈差异化发展。2003—2012年，阻碍土地生态安全的主要障碍因子多属于状态和响应子系统方面，尤其是响应子系统的障碍度在2007年之前均高于40%，在此期间，压力子系统障碍度呈现波动上升趋势，到2012年增至30.96%，状态子系统障碍度先增后减至34.87%，响应子系统障碍度降至34.19%。至2017年，压力子系统障碍度快速增长至43.97%，高于2003年响应子系统障碍度1.24%，状态和响应子系统障碍度分别降至27.17%和28.86%。

总的来看，准则层障碍因子由响应子系统向压力子系统转移，这与城市发展态势相吻合。由于人们对生态问题的日益重视和政府调控能力的增强，环境治理力度在不断加大，促进了土地生态的良性发展。但是，城市化的快速发展使城市人口密度过高、人均耕地减少等问题日益突出。因此，要有效地提高郑州市土地生态安全水平，亟须缓解部分土地压力，通过科学技术手段减少耕地农药化肥负荷，合理布局城市来缓解局部人口密度过高对土地造成的压力，并通过产业转型升级减少污染物排放量。

3.3.2 指标层障碍因子分析 根据指标障碍度大小，本研究选取每年障碍度前5的指标作为郑州市土地生态安全主要障碍因子(表4)。

表4 2003—2017年郑州市土地生态安全主要障碍因子Table 4 Main obstacle factors of land ecological security in Zhengzhou from 2003 to 2017

由表4可知，单位面积环保和公共设施投资(A17)在2003年至2012年都居于主要障碍因子首位，直至2014年障碍度降至7.57 %，到2015年退出主要障碍因子，表明研究后期随着对生态问题的重视，政府及有管部门对环保方面的投资力度加大，有效改善了土地生态环境。农业机械化水平(A14)前期在主要障碍因子后4名交替，到2017年升至首位，障碍度达到26.48 %，表明农业生产条件仍是制约土地生态安全的重要因素。经济密度(A5)和地均财政收入(A11)障碍度分别由8.68 %、8.27 %降至6.41 %、6.23 %，并于2011年退出主要障碍因子，表明城市化的发展促进了土地经济效益水平的提升。第三产业占GDP比重(A12)障碍度减至9.37 %，表明第三产业的发展对土地生态安全提升效果明显。人口密度(A4)和人均耕地面积(A6)障碍度不断上升，印证了目前压力子系统对土地生态安全发展的制约。当年造林面积(A16)在2011年后始终位列主要障碍因子，说明了退耕还林等生态恢复政策落实不足。工业固废综合利用率(A19)在2017年首次成为主要障碍因子，表明工业固体废物的合理利用在郑州市土地生态安全状况改善中的重要性。

总的来看，土地生态安全的主要障碍因子呈缓慢过渡化发展趋势。2003—2010年，主要障碍因子有单位面积环保和公共设施投资(A17)、农业机械化水平(A14)、经济密度(A5)、第三产业占GDP比重(A12)、地均财政收入(A11)等，2011—2014年，人均公共绿地面积(A9)、当年造林面积(A16)等替代经济密度(A5)、地均财政收入(A11)成为主要障碍因子，直到2017年，农业机械化水平(A14)、当年造林面积(A16)、人口密度(A4)、人均耕地面积(A6)、工业固废综合利用率(A19)成为主要障碍因子。这表明阻碍土地生态安全的主要因素不再是经济投入及产出，今后更需从提高农业机械化水平、增加每年的造林面积、缓解人口承载压力以及提高有效耕地面积等方面入手，有针对性地进一步提高郑州市土地生态安全水平。

4 结论与讨论

(1)2003—2017年郑州市土地生态安全发展状况良好，从第Ⅳ级水平升至第Ⅱ级水平。发展过程大致分为小幅度降低阶段(2003—2007年)、稳定缓升阶段(2007—2011年)、快速上升阶段(2011—2017年)。同时，各子系统间发展不平衡，压力子系统发展明显滞后，响应子系统提升显著。今后应加强落实“保护优先、预防为主、防治结合”方针，真正实现生态环境保护与生态环境建设并举。

(2)从准则层障碍度变化程度上看，压力子系统障碍度变化最大，其次是响应子系统，状态子系统变化最小。从发展结果来看，主要障碍从响应子系统转变为压力子系统，这一结果与土地生态安全贴近度所体现的压力子系统发展滞后相吻合，可见着重缓解土地压力仍是今后土地生态保护工作的重点。

(3)从指标层障碍度来看，主要障碍因子从经济密度、第三产业占GDP比重、环保和公共设施投资等向农业机械化水平、当年造林面积、人口密度、人均耕地面积等转移。主要障碍因子总障碍度从49.18 %增至98.90 %，表明阻碍土地生态安全的主要因素越发集中。

基于研究结论，为有效提高郑州市土地生态安全，提出如下政策建议：第一，通过合理控制区域人口数量缓解土地承载压力，以市区带动周边地区发展，增加周围地区就业机会，促进人口合理布局，同时汲取日本等人口密度大、土地生态保护良好国家的经验，加强生态保护教育、提高人口素质，促进生态文化建设。第二，严格落实耕地保护制度和占补平衡制度，着力提升耕地质量，建设高标准农田，增加有效耕地数量，推进节约集约利用土地。同时加大农业科技投资力度，着重技术推广，提高农业基础设施水平，科学施肥保护耕地环境，发展现代农业，保障土地生产效益。第三，严格实施封山绿化政策，对现有林草植被采取严格的保护措施，尽快恢复宜林荒山荒地的林草植被，并积极推进以粮代赈政策，调动农民退耕还林还草的积极性，统筹规划引导退耕农户转变为造林从业者，从而在保障农民利益的同时，为生态环境建设做出贡献。第四，城市化率高、农业比重低的地区，由于工业化发展所排放的固体废物比重大，应充分发挥其经济优势，引入高新技术设备，大力发展循环经济，加强土地生态监测机制，制定合理的奖惩制度，推动企业创新发展，从而减少对土地生态的破坏。第五，统筹城乡土地利用，市区内土地应实现高度集约利用，引导建设用地有序扩张，对已供应的土地进行合理开发，充分发挥土地潜能，努力建设多功能生态产业。市区周边的小城市应结合自身状况，以生态优先为原则，因地制宜地发展特色产业，并加快低效产业转型升级。农村地区应严格落实土地用途管制，积极推进新农村建设，对具备发展旅游业潜力的乡村进行合理引导，发挥资源优势，盘活地方经济，实现生态农业。