基于突变理论的沿海城市土地生态安全评价

王 杰，梁中华，杨文晶

(1.江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224002；2.辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116037；3.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，江苏 苏州 215500)

1 引言

土地是全球发展和生态生存的基础。土地生态系统在区域、国家和国际社会经济发展中发挥着重要作用，土地生态安全关系到区域可持续发展[1-2]。当前，随着农业的集约化、人口的增长、城市化和工业化的加剧，土地生态系统面临着巨大的压力，这些都阻碍了人类的可持续发展。生态环境的恶化，使生态安全形势成为社会不得不面对和试图解决的最紧迫问题之一。为此，有必要制定准确诊断土地生态系统状况的方法和指标，以促进生态恢复、管理和调控。土地生态安全评估是建立在对生存威胁进行类比的基础上的，基于这一思路，本文以盐城市为例，结合PSR模型框架，提出了一种适合于土地生态安全评价的突变模型。本研究旨在论证该方法，并对盐城市2009年～2018年土地生态安全度进行评价，以确定该区域可持续发展的要求。

图1 研究区概况

2 研究区域以及研究方法

2.1 研究区概况

盐城市(北纬32°34′～34°28′，东经119°27′～120°54′)，位于中国东部黄海西岸，是江苏省陆地面积最大(16972 km2)和海岸线最长的城市。第三产业投资占GDP的42.82%，而环境保护投资仅占3.19%。盐城市土地生态系统由于对土地资源的持续、过度利用和开发，已经成为一个高度紧张和功能失调的地区。盐城市2009年～2018年GDP和生态足迹总量呈稳步上升趋势，对区域生态环境造成了更大的压力。因此，迫切需要有方法和指标来准确诊断土地生态系统的状况，促进生态恢复、管理和调控。

2.2 研究方法

(1)突变理论

突变理论的提出是为了合理地解释给定系统中参数(输入)的连续变化导致行为(输出)的不连续变化现象。在这一节中，简要讨论了突变理论的基本假设和结果，其形式对此类应用非常有用。

设：f=Tk×Tn；T为动力系统的光滑(不可微)函数M；Tk为输入变量(控制、参数)的空间；Tn为输出变量(响应、行为)的空间。

基本假设是M试图局部最小化f。给定任何这样的函数f，如果点c∞Tk并且是固定的，则得到局部势函数fc：Tn→T。因此，fc可以表示为：

V=V(x，u)

(1)

式中：V为势函数；x为响应变量；u为控制变量。

表1 突变模型描述

(2)PSR模型

PSR模型基于因果关系的概念，本文提出一套评价指标体系。最初，制定了一套55个指数。随后，从中选出28个指数，支持验证分析所需的共识。具有适当研究领域技能的专家评估了与评估相关的28项指标。在进行主成分分析以降低数据维度后，共生成18个指标。

由于不同的指标在维度上完全不同而不具有可比性，因此有必要将原始数据转换为无量纲形式。模型采用以下两种形式。

①正效应指标的标准化：对于某些指标，其值越高，对土地生态安全的积极影响越大，这意味着该类指标对生态安全的风险较小。其标准化方法为：

(2)

②负效应指数的标准化：对于其他指标，其值越高，对土地生态安全的负面影响就越大，这意味着这类指标对生态安全的风险就越大。它们的标准化方法是：

(3)

式中：Zij为本次评价中j指标的i标准化值；xij为第i个实际值，max为该指标的最大值；min为该指标的最小值。

3 突变理论的应用

灾变评估指标体系可分为多层次子系统。如果较高层次的指标(响应变量)包含两个较低层次的指标(控制变量)，则可以假设为尖点系统。应确定这两个控制变量的相对重要性(u1，重要；u2，不重要)，然后可以使用符合规范化公式的递归算法从隶属函数中获得控制变量，盐城市的灾变评估模型就是采用这种方法开发的。

3.1 分数变换

灾变评估的综合值普遍较高，差异不明显。这可以归因于这样一个事实，即突变级数是根据归一化公式计算的。因此，直接利用突变评估的结果很难确定实际的安全级别。通常，多属性评估的综合值使用相等分布函数划分为5个等级。据此，土地生态安全等级可分为：0.2(非常不安全)、0.4(不安全)、0.6(中等)、0.8(安全)和1.0(非常安全)。问题是如何将突变评估的结果转化为常用的综合值。本文采用的评分变换方法是：假设所有指标的相对隶属度为n，则高层次指标的相对隶属度也应为n，通过适当的突变模型可以得到综合隶属度。通过这种方法，计算出每个安全等级的突变级数值(见表2)。

表2 不同安全等级下突变模型的结果与常用值的对应值

3.2 结果分析

从生态压力指数可以看出，土地生态安全水平在2010年和2014年被评估为安全，2009年、2011年、2012年和2013年处于中等水平，2015年和2016年不安全，2017年和2018年非常不安全。2010年的土地生态压力指数最大值为0.932，2018年最小值为0.186。近十年来，盐城市快速的城市化进程，从2009年的32.6%上升到2018年的52.4%，伴随着人口的增长，是当前盐城市土地生态问题的根本原因。随着人口密度的增加和财富的增加，对公共基础设施(道路、水利设施和公用事业)、住房、工业和商业增长以及其他建设项目的需求开始呈现为“农村蔓延”。统计数据表明，城市化极大地促进了盐城市道路系统的规模化和扩张。城市的巨大机遇也吸引了大量的人口涌入城市，这对土地生态系统造成了进一步的压力。

图2 盐城市2009年～2018年土地生态安全水平

至于“响应指数”，安全级别在最初2年被评估为安全。然而，在接下来的几年里，处于不安全和非常不安全的水平。虽然盐城市投资了一批环保项目，科研人员的比例不断提高，但工业污染问题并没有得到有效解决。地方官员的绩效评估主要与经济增长相关，除非严重的环境灾害被公之于众并引起关注，否则不将环境保护列为标准之一。

在研究的10年中，综合土地生态安全在前2年被评估为非常安全，2011年～2016年为中期和不安全，最近2年为非常不安全。结果表明，盐城市土地生态系统状况不容乐观，应引起决策者和公众的关注。当前，耕地迅速减少，人均耕地数量明显减少，建设用地需求旺盛，土地资源与人口增长矛盾突出，土地利用逐年增加，土地资源过度开发，生态用地减少等严重问题，尤其是森林和自然保护区土地，对区域环境造成巨大压力。

4 结语

2009年～2018年间，盐城市土地生态系统总体上处于较低的生态安全等级。结果显示了随时间的变化导致目前的状况，本文提出的方法可以用来预测和管理土地生态系统。值得注意的是，这一评估主要依赖于现有的统计数据集，因此，评估的生态安全水平，无论是安全的还是不安全的，都是一个相对的概念。然而，尽管这种方法缺乏绝对的准确性，但研究清楚地表明了土地生态系统状况随时间的变化。因此，本文所述的土地生态安全指数应成为决策者和土地管理者制定加强土地生态系统保护和促进生态重建措施的有用工具。为更彻底地缓解这些问题，还应考虑进一步的政策选择，包括控制人口增长和移民；保护湿地和林地；应用科学发展观；协调经济发展和土地利用；加强土地利用规划的控制功能。