基于演化PSR模型的喀斯特地区土地生态安全评价——以广西永福县为例

杨昌明，陆汝成，林树高

（南宁师范大学自然资源与测绘学院，南宁 533000）

随着人口、工业化、新型城镇化的迅速发展，不合理的土地资源开发导致土地石漠化、水土流失、水土污染等问题，严重影响了中国城市的可持续发展道路，因此土地生态安全问题日益受到重视。土地生态安全作为社会安全的重要内容之一［1］，是可持续发展的核心要义，已成为研究热点［2］。国内外学者从不同角度对土地生态安全进行研究，国外学者主要从生物的保护和生态系统的健康状况进行研究［3，4］。国内学者基于多种模型，从不同视角对相关区域开展了较为广泛的研究，为各研究区域的生态安全建设及管理提供了科学依据。国内对土地生态安全的研究主要从研究尺度、指标体系、评价方法等方面展开研究［5］，研究对象包括省、市、流域等，近年来，县域和生态脆弱区已成为重点研究区域；对于指标体系的研究，大部分学者主要基于PSR 模型、DPSIR 和EES 模型构建土地生态安全评价指标体系，P-S-R（压力-状态-响应）模型能够提供清晰的评价思路，被广泛应用于土地生态安全评价［6］，而D-P-S-I-R（驱动力-压力-状态-影响-响应）模型继承了PSR 模型的优点，对其缺点加以修正，现已广泛应用于城市的土地生态安全评价［7］。以经济-环境-社会（EES）为基础构建的评价模型，能够客观地反映研究区域的安全状况和呈现区域突出的生态问题［8］。此外一些衍生模型也陆续出现，如DPSIR 与EES 的结合［9］；从评价方法来讲，主要有土地综合指数法［10］、TOPSIS 模型［11］与突变级数法［12］等。现有研究主要以广西壮族自治区为对象，谢玲等［13］通过PSR 模型分析了广西石漠化地区土地生态安全动态变化状况；赵海杨等［14］利用熵权法开展广西土地生态安全评价，并提出对策建议；苏正国等［12］运用突变级数法对广西土地生态安全及主要影响因素进行研究。永福县属于典型喀斯特地貌区，系广西壮族自治区桂林市下辖县，是广西重要的农产品主产区、现代农业与工业的示范基地，开展土地生态安全综合评价和分析其主要影响因素，可为促进该地区土地可持续利用和开展国土综合整治与生态修复工作提供借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区地处广西东北部，桂林西南部，地处北纬24°37′48″—25°26′39″，东经109°36′50″—110°14′19″，横跨中国第二阶梯向第三阶梯过渡地带，山多、丘陵多，属于典型的喀斯特地貌。全县土地总面积22 794.81 km，占广西土地总面积的1.21%；截至2018 年底，耕地总面积为26 892.76 hm2，人均耕地面积为 925.11 m2，总人口 29.07 万人；2018 年全县农林牧渔业总产值49.43 亿元，粮食总产量11.67 万t，工业总产值 51.93 亿元，GDP 达 109.07 亿元，农民人均纯收入达14 049.00 元。但是永福县喀斯特地貌区耕地后备资源不足、城镇急剧扩张、不合理的采沙与采矿等原因增加了土地资源与环境的压力，土地安全问题日渐突出，为此，开展土地生态安全研究对该区域的可持续发展具有重要意义。

1.2 数据来源

研究使用的土地利用数据来源于永福县自然资源局提供的土地利用变更调查数据，社会、人口、经济等数据来源于2007—2019年《中国县域统计年鉴》《广西统计年鉴》《桂林经济社会统计年鉴》以及2006—2018 年《永福县国民经济和社会发展统计年鉴》。

2 研究方法和评价指标体系的构建

2.1 研究方法

2.1.1 熵值法 熵值法是一种客观赋权方法，通过计算各指标权重来反映指标的离散程度，从而判断其对综合评价的影响程度。计算步骤如下［15］。

1）运用极差法对数据进行标准化处理。

式中，Zij表示指标的标准化数值，Zi表示第i年指标数值，max(Zij)表示第j项指标最大值，min(Zij)表示第j项指标最小值。

2）计算第j项指标的熵值ej。

式中，ej表示信息熵值表示第i年第j个指标值比重。

3）权重的计算。

式中，Wj表示第j个指标权重，dj=1-ej，dj表示差异系数。

2.1.2 变异系数法 变异系数法也是一种客观的赋权方法，用标准差与平均数的比值来衡量，记为C×V。计算方法如下［16］。

求取标准差σ：

式中，Xij表示第i年的第j个指标值，Xj表示指标的均值。

求平均值μ：

变异系数：

将变异系数进行归一化处理得到各评价指标的变异系数权重，即：

式中，Wi表示变异系数权重，Ui表示变异系数。

2.1.3 综合指数法 根据永福县的特点，本研究选用土地综合指数法对其进行土地生态安全评价。计算公式如下。

式中，S为土地生态安全的综合指数，Wj为第j项指标的权重，Xij为第i年第j项指标的标准化值，m为指标的总个数。

2.1.4 土地生态安全评价等级划分标准 对永福县土地生态安全评价等级进行界定，有助于提高评价结果的正确性，探讨其土地生态安全的变化趋势。根据已经测算的综合值及永福县生态环境的特点，并基于相关学者的研究成果［17，18］，将永福县土地生态安全评价标准划分为5 个等级（表1）。

2.1.5 灰色关联法 借助灰色关联法，以研究区的社会、经济、技术驱动因素为比较序列，以城市用地结构信息熵为参考序列进行关联度分析，确定研究区城市用地结构演变的主要驱动因子，为下一步调控用地资源配置，转变城市职能提供依据。具体步骤和计算公式如下。

1）假设参考序列为X0，比较序列为Xi，其中X0=(x01,x02,x03,…,x0n)，Xi=(xi1,xi2,xi3,…,xin)。

2）运用均值法对数据进行无量纲化处理：

式中，xi(n)为无量纲化结果，Xin为原始数据为数列平均值。

3）计算关联系数：

式中，ξi(k)为关联系数；|x0(k)-xi(k)|为第i个指标x0(k)与xi(k)的绝对差与分别为各分析区域2 个比较数列所有绝对值中的最小值与最大值；ρ为分析系数，其取值范围为0~1，通常取值为0.5。

4）求关联度。计算如下：

式中，ri为关联度，n为对应元素个数。

2.2 基于演化PSR 模型的指标体系的构建

人口、经济、新型工业化的发展对土地施加压力，而随之资源、环境、社会等因压力呈现一定的状态，人类在面对各种压力、状态时会采取响应措施，这一系列活动会导致土地生态安全格局发生极大的变化。所以，本研究基于联合国环境规划署提出的PSR 模型［19］，把土地生态安全系统划分为压力系统、状态系统、响应系统［20］，根据3 个子系统的相互关系分析和推演永福县土地生态安全格局的演变。

遵循可操作性、区域性、代表性和客观性等原则［21］，基于已有研究成果［22］，将土地生态安全分为压力系统、状态系统和响应系统3 个评价的准则层，结合永福县土地生态安全的特点，借鉴EES 和PRED模型，选取包括环境-经济-社会与人口-经济-环境-发展在内的21 项评价指标体系（表2）。

表1 永福县土地生态安全指标分级评价标准

3 结果与分析

3.1 永福县生态安全评价综合分析

通过式（9）计算得到永福县2006—2018 年土地生态安全综合指数及安全等级（图1）。由图1 可知，永福县土地生态安全综合指数在0.200~0.800，由2006 年的 0.329 上升到 2018 年的 0.642，安全等级由较不安全向较安全转变，整体向较安全方向发展。

具体来看，2006—2011 年永福县土地生态安全处于较不安全状态，呈波浪式变化，综合系统指数由0.329 上升到0.338，整体略显上升的趋势，虽然在2007 年有小幅度的改善，上升至临界安全状态，但之后又降到较不安全的状态，这主要是由于2007 年以来，永福县追求经济发展，增加资源开发强度，造成生态环境的严重破坏，如二氧化硫的大量排放增加了生态系统压力。随着《永福县土地利用总体规划（2006—2020 年）》的颁布以及造林工程措施的实施，永福县土地生态安全逐渐得到改善，但总体上此阶段还处于较不安全的状态；2012—2015 年，永福县土地生态安全综合指数从0.512 上升到0.577，生态安全处于临界安全状态，这是由于《全国林地保护利用规划纲要（2010—2020 年）》和“十二五规划”等一系列规划的实施，改善了土地生态安全质量，致使永福县经济、社会与人类趋于较为协调的发展状态；2016—2018年，土地生态安全综合指数由0.623上升到0.642，虽然稍有下降，但总体还是处于较安全的状态，这是由于《桂林市永福县土地整治规划（2016—2020 年）》、供给侧结构性改革与乡村振兴等政策措施的实施，使发展向资源节约型、环境友好型方向转变，永福县土地生态安全逐渐提高，人地关系矛盾得到缓解，逐渐实现可持续发展。

3.2 永福县土地生态安全各子系统变化分析

1）土地生态安全压力系统分析。由图1 可知，永福县土地生态安全压力系统指数整体呈上升趋势，从 2006 年的 0.131 上升到 2018 年的 0.168。具体分析可知，2006—2007 年压力指数出现较大幅度的上升，主要是由于人口和经济的快速增长，增加了土地的压力。经过计算可知人口自然增长率由6.53‰上升至8.55‰，GDP 增长了9.93 个百分点，经济密度由 120.37 万元/km2增长到 157.18 万元/km2。2007—2008 年，由于受金融危机的影响，经济发展受到阻碍，政府部门积极加强对环境的重视力度，严格控制工业二氧化硫的排放量，使土地压力指数下降；2008—2011 年压力指数处于比较平缓的变化状态；2011—2014 年，压力指数呈先上升后下降的趋势，这是因为“十二五规划”的颁布，使经济发展模式发生转变，永福县积极推进农业现代化、加强新农村建设与实行“一带一路”带动区域经济发展等措施促进地区经济发展，但同时农药的使用量逐渐增加与扩大对土地的需求量迫使环境压力也随之增大，而后来呈下降的趋势是因为政府部门积极采取土地整治、林地保护、土地的规划利用等措施改善和保护了土地资源环境，特别是2014 年压力指数降到最低值0.116，是因为土地规划的调整及《广西壮族自治区人民政府办公厅关于印发自治区新型城镇化规划（2014—2020 年）主要目标和重点任务分工方案的通知》（桂政办发〔2014〕94 号）文件的出台等，力求保护优先、集约、节约的利用资源，减轻了土地的承载压力；2014—2018 年土地压力指数呈先上升后平稳变化的趋势，是因为永福县实施土地整治规划、增减挂钩与“宜居乡村建设，产业富民”等措施，促使经济、城镇化、工业化的快速发展，同时严格实施环境污染治理，提高污水排放达标率，降低污染气体排放量等，减缓对土地生态系统的压力程度。

2）土地生态安全状态系统分析。由图1 可知，永福县土地生态安全状态系统指数总体呈上升趋势，由 2006 年的 0.127 上升到 2018 年的 0.210。具体来看，2006—2011 年状态指数处于下降的趋势，特别是2008 年降到最低值，主要是由于土地复种指数、人均粮食产量及第三产业产值比重降低所致，受金融风潮和自然灾害影响，产业发展受到阻碍，尚未实现资源的合理利用，耕地利用效率下降；2012—2018 年，状态指数平稳提高，其中2017 年状态指数降低，主要是受特大洪水的影响，其他时段指数变化是因为永福县的自然本底特征具有一定的优越性与基础设施的逐渐完善，并合理地控制城镇化、工业化发展，开展大规模的土地整治项目、乡村振兴以及提高农业机耕水平等，促使其土地安全生态质量平稳上升。

3）土地生态安全响应系统分析。由图1 可知，永福县2006—2018 年土地生态安全响应系统指数总体呈上升趋势，从2006 年的0.071 上升到2018 年的0.264。具体来看，2006—2007 年响应指数呈急速上升的变化态势，主要是相关部门开始关注前期因人口的快速增长以及工业化和城镇化的粗放发展模式，导致的人均耕地减少、生态环境破坏等问题，并且积极开展各种措施以改善生态环境质量；2007—2010 年响应指数整体呈下降趋势，主要是为力求经济的快速发展，永福县增加了对资源的开发强度，使其响应指数降低，但是2009 年永福县的污染防治工作取得一定的成效，工业废水排放达标率达96%，万元GDP 能耗也有所降低，所以2009 年呈上升趋势；2010—2018 年响应指数呈上升趋势，是因为永福县加强对生态的治理与保护力度，通过封山育林、退耕还林、人工造林等措施，对石漠化、小河流域等进行综合治理并取得较好的成效，加强了对生态脆弱、敏感区的保护，提高水土保持、水源涵养的能力，统筹“山水林田湖草”的系统治理，力推乡村振兴，加强新兴产业开发，提高新能源的开发利用，实行生态移民等脱贫方法，极大地提高了永福县土地生态安全状况。

3.3 永福县土地生态安全水平影响因素分析

对永福县不同时段的土地生态安全影响因素进行关联分析，结果见表3，根据关联度的结果将研究时段分为3 个阶段。

1）2006—2010 年，人口自然增长率、城镇化率与土地生态安全水平关联度达到较高值。说明该时段人口与经济是影响土地生态安全水平的主要因素，人口与经济发展增加了土地利用压力，并对环境造成一定的破坏，但后期控制人口的快速增长以及加强对环境保护的重视力度，使土地生态安全综合指数呈波浪式变化。

2）2010—2014 年，土地生态安全关联度最高的影响因素是工业二氧化硫排放量和土地复种指数。结果表明，影响土地生态安全水平的主要因素是环境与土地资源的利用情况，通过改善生态环境状态以及转变土地利用方式，提高资源的合理利用率，才能使土地生态安全向“安全”方向转变。

3）2014—2018 年，土地生态安全关联度从高到低依次是农业机械化水平、人口密度、工业废水排放达标率及第三产业占GDP 比重等。人口的快速增长不仅导致土地利用方式、结构和强度的变化，也增加了人们对生活质量的追求，从而开始提升对物质和精神产品的需求，因此不断地加大生产力、提高开发强度，其中难免会对环境、资源等造成严重的破坏，应积极采取各种响应措施，保护环境、节约集约的利用资源，保障土地生态安全。

表3 永福县2006—2018 年土地生态安全影响因素灰色关联分析结果

总体来看，2006—2018 年影响土地生态安全的主要因素有固定资产投资占GDP 比重、农业机械化水平、人口密度、森林覆盖率、工业二氧化硫排放量、第三产业占GDP 比重、水土协调度、土地复种指数等。显而易见，通过加强基础设施的建设、对落后技术和设施的更新改造以及对房地产的开发投资等措施提高农业科技水平，增加对环境保护的重视力度，采取土地整治、生态修复、开发新兴产业等措施提高土地的利用率，转变经济发展模式，提高第三产业等污染量小的产业发展水平，再结合地区生态本地特征，提高区域土地生态的安全水平。

4 小结与讨论

结合研究区特点，综合参考已有的指标体系，基于演化的PSR 模型构建指标体系，采用熵值法和变异系数法求取指标权重，利用综合指数法对其进行综合评价，并运用灰色关联度的分析方法探讨影响生态安全系统的影响因子，结论如下。

1）永福县土地生态安全水平总体呈上升趋势，安全等级由较不安全向较安全转变。其中，2006—2010 年土地生态安全呈波浪式变化，2010—2018 年总体呈上升趋势，主要原因是前期采取粗放式发展，对土地生态安全不够重视，后期向资源节约型、环境友好型发展，注重发展的可持续性。

2）从子系统的安全指数分析来看，压力、状态、响应的安全指数总体呈上升趋势，但2017 年之后压力指数有下滑的趋势。其中响应指标起非常关键的作用，要改善永福县土地生态安全系统状况，需要加强对环境的重视程度，积极采取相应的措施保护生态环境。

3）从灰色关联结果来看，影响永福县土地生态安全水平的因素较为复杂、多样。主要有固定资产投资占GDP 比重、农业机械化水平、人口密度、森林覆盖率、工业二氧化硫排放量、第三产业占GDP 比重、水土协调度、土地复种指数等。所以，要改善永福县土地生态安全状况，可以通过控制人口数量、增加基础设施的建设、调整土地的利用结构、转变经济发展模式、增加对环境的保护力度等提高其土地安全水平。

本研究以喀斯特地区与县域的角度分析了永福县土地生态安全水平，探究影响其土地生态安全水平的主要影响因素，可为永福县因地制宜地实施生态安全保护与经济的可持续发展提供参考，也可为其他喀斯特地区、生态问题多样区的土地生态安全研究提供借鉴。下一步要研究的重点是促使指标进一步优化，并从空间上探讨影响土地生态安全水平的因素及永福县未来土地生态安全发展的态势。