基于突变理论方法的我国黄河流域土地生态安全评价

田 泽，陈柯婧，潘晶晶，冯 馨

(1.河海大学商学院，江苏 常州 213022；2.西交利物浦大学国际商学院，江苏 苏州 215123)

2020年8月，中共中央发布《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，明确提出“黄河是中华民族的母亲河，要把黄河流域生态保护和高质量发展作为事关中华民族伟大复兴的千秋大业”。由此，黄河流域高质量发展上升为国家战略，要求统筹推进黄河流域山水林田湖草沙综合治理、系统治理和源头治理，促进全流域高质量发展。土地开发利用是流域生态链中不可或缺的一部分，直接或间接地关系到水环境、粮食安全、生物多样性以及社会资源等的可持续发展，故土地生态安全不仅是其自身的安全状态，也是土地生态系统对于人类的安全。近年来，随着城市化用地不合理使用、污水排放严重以及交通设施的投入建设，土地生态安全问题日益突出，土地生态安全评价问题受到广泛关注[1]。我国土地生态安全的评价以多指标评估体系的构建和综合指数的测算为主，模型多为P-S-R(Pressure-State-Response)及其改进模型DPSIR[2-6]，其他常用的构建框架基础有生态系统结构-生态质量-生态系统服务[7]和自然-生态环境-景观[8]。除此之外，谭文兵等[9]运用灰色关联投影模型进行了土地生态安全动态变化特征的分析；Jiao等[10]提出了基于模糊理论的生态适宜性评价模型；李洁等[11]从影响土地生态安全的因素出发构建土地生态安全综合评价指标体系。而土地生态安全的影响因素也是多样的，如经济社会发展水平、环保力度、人口密度、废水排放及农药化肥施用、城镇化水平[12-17]。其中，土地生态与经济发展水平之间存在一定的关系，李昊等[18]通过面板数据聚类分析法得出2008—2014年陕西省经济发展和土地生态安全水平之间较为符合环境库兹涅茨曲线倒“U”型关系。唐茂钢等[19]构建了引入土地资本的内生经济增长模型，并利用自适应半参数回归模型对土地生态价值与居民收入的关系进行实证分析。Negi等[20]指出土地合理利用与管理能够改善家庭收入，但代价是森林退化、畜牧业减少和农业多样性丧失。

国内外一些学者进行了多种方法的综合应用与对比研究，Ou等[12]运用熵物元模型、综合指数法和地理信息系统(GIS)空间法对其区域生态安全进行评价；Sani等[15]指出，GIS和多准则决策分析(MCDA)越来越多地应用于生态系统的评估与管理，测试并论证了将遥感(RS)、GIS和MCDA技术结合起来解决森林地区土地分配复杂问题的潜力；周迎雪等[21]得出物元模型、TOPSIS模型和综合指数3种评价模型得出的评价结果总体排名一致；Gupta[22]采用德尔菲法对土壤因子进行土地生态评价，利用GIS进行定量分析，将灰色关联分析(GRA)与层次分析法(AHP)相结合，建立了改良的土地生态适宜性评价模型。

笔者借鉴王亮等[13]、王枫等[23]、刘旭红[24]关于区域生态效率评价研究及突变级数法在区域土地生态安全评价问题中的运用及验证方法，运用 DPSIR模型构建了土地生态安全评价指标体系，结合熵权法和突变理论得出评分，丰富了现有的土地安全研究理论和方法，避免人为赋值的主观性。通过对黄河流域2009—2018年省际土地生态安全的客观评价，分析了沿黄各区土地生态安全存在的主要问题，进而为黄河流域土地利用可持续发展提供理论依据和参考。

1 研究方法及理论模型

1.1 突变理论模型及其应用

突变理论的主要研究内容是在参数的变化下，系统状态由渐变、量变发展为突变、质变的过程，该理论自提出后得到了广泛的应用，如经济危机模型、社会舆论模型、对策模型等，这些问题的共同特点在于人们施加控制因素影响社会状态是有一定条件的，只有在控制因素达到临界点之前，状态可以被控制，一旦发生根本性质变，它就表现为控制因素无法控制的突变过程。而在土地生态系统中，一些指标渐变至某一临界值时，可能会引起整个系统的失衡与崩溃，故土地生态安全的演变也可以看成是一种突变过程。突变模型根据控制变量的个数主要可以分为3种类型：尖点、燕尾和蝴蝶模型，具体如表1所示。

表1 突变系统类型及其数学公式

表1中：x为突变系统中的一个响应变量(高等级指标)；f(x)为状态变量x的势函数；a、b、c、d为状态变量的控制变量(低等级指标或子指标)，其顺序按指标的重要程度由大到小确定的，当一个评价目标被分解为2个、3个、4个指标时，分别运用尖点突变系统、燕尾突变系统、蝴蝶突变系统来计算评价目标值。如以驱动力因素为例，其子指标有4个，则采用蝴蝶突变模型计算，与a、b、c、d对应的指标依次为D3、D1、D2、D4。在用归一化方程进行计算的过程中，若一个指标体系内的各个指标间存在明显的相互关联关系，则采用互补性原则，即结果取各指标的突变级数值的平均数；若各指标之间不存在明显的相互关联关系，则采用非互补性原则，即结果取各指标突变级数值的最小值[23]。

1.2 DPSIR模型的概念和框架

DPSIR模型是一种在环境系统中广泛使用的评价指标体系概念模型，它是作为衡量环境及可持续发展的一种指标体系而开发出来的，它从系统分析的角度看待人和环境系统的相互作用。它将表征一个自然系统的评价指标分成驱动力(drivingforces)、压力(pressure)、状态(state)、影响(impact)和响应(responses)5个模块，每个模块中又分为若干个指标，以及一些环境状态对社会的反馈和人类改善环境所采取的措施。

在PSR和DSR模型的基础上，欧洲环境署(European Environment Agency)提出了DPSIR概念框架。在DPSIR框架中，“驱动力”是指造成生态环境变化的潜在的原因；“压力”是指人类活动对其紧邻的环境以及自然环境的影响，是生态环境的直接作用的因子；“状态”是指生态环境在上述压力下所处的状况；“影响”是指系统所处的状态对人类健康和社会经济结构的影响；“响应”为人类在促进可持续发展进程中所采取的对策和制定的积极政策。已有的研究表明，DPSIR模型强调经济运作及其对生态环境的影响之间的联系，具有综合性、系统性、整体性、灵活性等特点，能揭示生态环境与人类活动的因果关系并有效整合资源、发展、环境与人类健康。DPSIR框架结构清晰、简单明了，为生态建设环境效应评价指标体系的建立提供了一个基本框架。

但基于突变系统模型中对控制变量数量的要求，每层指标数最好不超过4个，故笔者将DPSIR模型改进为CSIR模型，即将影响土地生态安全的间接因素驱动力和直接因子压力两个模块合并为原因。

1.3 评价指标体系及数据来源

通过对目标层、准则层、指标层的划分，参考黄烈佳等[2]对于土地生态安全评价的逻辑思路，笔者对土地生态安全的“驱动力”“压力”“状态”“影响”和“响应”指标集作如下界定。

a.驱动力指标集主要包括社会经济发展和人口增长。随着我国人口的不断增加，加上工业化、城镇化进程加快，城镇化人口及建成区面积比重急剧上升，土地利用面临着方式多元化和需求多样化的趋势，社会生产方式的进步需要更加优化的土地生态环境作为支撑。

b.压力指标集主要包括城市建设用地需求、工农业污染物排放等。人口密度越大，住房及附带城区现代化建设的用地需求越高。工农业污染直接对土地生态安全产生负面影响，如单位土地废水排放总量，基于近年来研究数据可以发现，化肥、农药的过度施用对土地生态环境造成了破坏。

c.状态指标集主要包括土地质量变化和土地生态系统改变等。土地质量可以通过人均农作物播种面积、有效灌溉面积来体现。其中，人均农作物播种面积越大，即表明达到可耕种条件的土地面积越多、荒废的耕地越少，未耕种的土地长期不生产利用则会导致肥力下降，甚至荒漠化，这对土地生态安全存在一定消极影响。土地生态系统的改变可以用森林覆盖率和建成区绿化覆盖比来衡量。

d.影响指标集主要包括人地矛盾、土地污染和土地生产力下降等。土地生产力的衡量指标包括粮食单位面积产量、单位面积农林牧渔业总产值、农产品生产价格指数等，均可以反映在一定人口、化肥农药的施用以及废水排放量等因素的作用下，土地所能够产出的农业经济价值；而人均水资源量可以反映出土地的土壤肥力及水土流失情况。

e.响应指标集主要包括政府施行环境保护政策、加大土地生态保护资金投入等。主要是指的工业污染治理的投资、人工造林、生活垃圾无害化处理及水土流失治理等措施的采取，这些措施及其资金投入很大程度上有利于土地生态环境的改善，是对于土地情况的一种正向反馈。

基于上述突变理论，为避免主观因素对权重的干扰，采用熵值法对各指标的相对重要性进行判断，即只需求得各指标的熵值，该值越小则对结果的影响越大，从而进行重要性排序，其中准则层的重要性程度由其子指标体系的平均熵值来确定。

图1为评价指标体系系统图。各指标相应数据来源于《中国统计年鉴》及各省区统计年鉴，其中部分缺失数据采用线性插值法及均值法进行填补，括号中数据为各指标的熵值，符号为各指标性质。

图1 评价指标体系

2 实证分析

2.1 研究区概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东9个省区，最终在山东省东营市垦利县注入渤海。黄河流域地处于95.04°～117.99°E,31.48°～41.56°N之间，干流全长5 464 km，流域面积约为75.244 2万km2。黄河流域土地资源丰富，现有耕地1 626.67万hm2，林地1 020万hm2，牧草地2 793万hm2，宜于开垦的荒地约200万hm2，河套平原、汾渭盆地、引黄灌区等我国重要的农业生产基地也位于此。然而，随着人口数量不断攀升，人类活动愈加频繁，导致黄河流域部分地区水土流失现象严重,土地生态安全问题也持续恶化。

2.2 数据预处理

在使用归一化方程计算之前，笔者采用阀值法对原始数据进行了预处理，指标性质有安全趋向正逆之分[24]，计算公式分别为

正向指标和逆向指标：

(1)

(2)

式中：x′ij为第i个省市第j项指标的规格化值；xij为第i个省市第j项指标的实际值；xmax,j和xmin,j分别为第j项指标各个地区中的极大极小值。2018年各省区土地生态安全评价指标数据的预处理结果如表2所示。

表2 2018年黄河流域各省市土地生态安全评价指标标准化值

2.3 指标集成与评价值测算

各层指标的突变模型系统类型为：D、P、S、I、R、A均有4个控制变量，为蝴蝶突变模型系统，其中A的控制变量为C、S、I、R；C为尖点突变系统，控制变量为D和P。由于各指标间关系的模糊性，设定A和C指标系统采用非互补性原则，其余指标系统按照互补性原则进行计算[23]，根据上述递级突变评价模型，以山西省2018年数据为例，对其土地安全生态综合评价值进行计算：

a.D指标系统中，根据熵值4个控制变量的重要性排序为D3、D1、D2、D4，故其突变级数值为

b.同理，P指标系统为

依次求得xS=0.822 7,xI=0.675 5,xR=0.914 1。

c.C指标系统中，控制变量D和P按照其各子指标熵值的均值来进行重要性排序，可得突变级数值为

表3 2009—2018年黄河流域各省区土地生态安全综合评价值

由于突变模型的归一化方程中所有数的取值均在0～1之间，计算得到的数值都比较高且差异不大，无法清晰直观地评价各省区的土地生态安全情况，故采用分位数分级法进行土地生态安全评价划分。先计算出各省区历年的驱动力、压力、状态、影响、响应和综合评价值，将数值从小到大排列，再取20%、40%、60%和80%分位的数值作为分级断点，划分每一指标系统的评价值区间，如表4所示。

表4 土地生态安全评价等级

2.4 综合评价值分析

a.从省域层面来看，黄河流域九省区2009—2018年土地生态安全评价均值分别为：山西 0.831 73，内蒙古0.894 91，山东0.843 21，河南0.790 91，陕西0.822 86，甘肃0.844 78，青海 0.831 81，宁夏0.860 41，四川0.841 29。将其按照大小排序为：内蒙古、宁夏、甘肃、山东、四川、青海、山西、陕西、河南。内蒙古处于领先地位，河南排名落后，其余省区居中且相差不大。

从图2可以看出，总的来说，研究期间内各省区土地生态安全综合评价值有所上升，其中宁夏和内蒙古表现突出，土地生态安全状况基本保持不变，生态安全综合评价值一直保持着稳步上升的势头，特别是内蒙古自2012年以来一直保持着极度安全状态，表现较佳。山东基本处于中等安全状态，土地安全综合评价值波动不大；山西、青海、陕西三省均逐步由不安全状态向中等安全状态转变；四川近10年土地安全综合评价值波动较大，于2015年增长至峰值，随后又有所回落；相对而言，河南安全状况较差，一直处于极不安全状态，但总体状况逐步好转。

图2 各省区历年土地生态安全综合评价值变化

b.从分流域层面来看,依照地理分界点，内蒙古、青海、甘肃、宁夏、四川隶属黄河上游，黄河中游包括山西、陕西和河南，下游则为山东省，故结合综合评价值水平与历年变化态势分析，可粗略得出黄河上游的土地生态安全表现相对较优，下游次之，中游较差。

2.5 各项指标评价值分析

为更加客观具体地评价黄河流域各省区土地生态安全，进一步探究其主导影响因素，本文对九省区评价指标体系中的各指标系统历年评价值进行了测算和安全等级评估(表5)，以便于对比各省区相对土地安全状况，从而更好地以问题为导向提出对策建议。

表5 各省区各指标系统评价值及安全等级

a.从省区角度来看，各地区均有表现较好的指标系统，也有各自的短板。①历年综合评价值均为最优的内蒙古，虽然其驱动力系统的安全等级均为极度安全，但其余系统均为中等安全，表现一般。这是由于内蒙古人口密度与单位土地废水排放总量均于2018年增长至2008年的3倍多，农药、化肥用量也均增长了50%，说明该地区随着人口增加，水污染和农业污染问题日益突出，直接对土地生态环境造成了负面作用；影响系统为不安全，这是由于近年来内蒙古粮食单位面积产量、单位面积农林牧渔业产值、人均水资源量及农产品生产价格指数增速不明显，经济效益不佳，说明该地区目前的土地生态环境不利于当地居民健康和社会经济发展。②河南省的土地状态系统等级为极度安全，且其评价值为0.904 3，明显领先于其他省区，这是由于其有效灌溉面积比较广，人均农作物播种面积、森林覆盖率及建成区绿化覆盖率均适中，说明该地区土地资源利用率高、结构分配适宜。

b.从指标角度来看，①驱动力系统中，甘肃地区土地生态系统表现级别为极不安全，主要是由于其人口自然增长率过快，2009—2017年一直处于黄河流域各省区前列，但人均GDP处于中下水平，且建成区面积比2009—2014年也持续高于其他地区，之后略有下降，再加上城镇化进程也在逐年加快，间接造成了当地土地生态安全的恶化。②压力系统中，值得重视的是河南省，河南一直是人口大省，单位土地废水排放总量也持高不下，且农用化肥使用量远超其他省区，农药使用量也仅次于山东省，导致土地资源紧缺且污染严重，土地利用压力过大。由于该指标系统权重最高，对综合评价值的影响最大，所以河南省应重点改善该系统中的4个子指标，即从人口密度、废水排放、农药及化肥施用4个方面着手，控制人口增长、提高农业现代化及环保投入力度，切实解决水污染问题，以改善土地生态安全状况。③状态系统中表现级别最落后的是青海省，该省人均农作物播种面积和有效灌溉面积比历年均最小，建成区绿化覆盖率也较低，但森林覆盖率远高于其他省区，说明青海省的土地利用率不足，农用面积比重较小，资源浪费严重，这也与当地的地势和气候劣势有关。④影响系统中改善空间较大的为宁夏回族自治区，该系统中权重最大的指标为水资源，人均水资源量较低，历年平均仅有157 m3/人，且宁夏的单位面积农林牧渔产值也较低，说明该地区的土地生态环境对当地居民的生活负面影响显著。⑤响应系统中青海省评价值远低于其他省区，另外甘肃、宁夏等地区安全等级也仅为中等安全，说明西部地区在解决土地生态问题、促进土地资源可持续发展进程中所采取的对策效果不佳或政府投入力度不足，这几个省区应重点改善土地生态环境治理工作。

3 结论与建议

3.1 结论

a.整体而言，关于黄河流域九省区研究期内的土地生态安全，内蒙古处于领先地位，河南省表现落后，其余省区居中且相差不大。

b.时空分布看，研究期间内各省区土地生态安全综合评价值总体呈现出上升态势；空间上，从综合评价均值来看，黄河上中下游的区域优劣势特征不显著，但结合历年变化趋势可得黄河上游的土地生态安全表现相对较优，下游次之，中游较差。

c.九省区土地生态安全问题各有短板，主要问题有：①人口压力过大，人地矛盾日益突出。河南一直是人口大省，土地资源紧缺，且单位土地废水排放总量也居高不下，土地污染严重、压力过大；甘肃地区城镇化进程逐年加快，间接造成了当地土地生态安全的恶化。②水环境与农业污染严重。内蒙古地区水污染和农业污染问题日益突出，直接对土地生态环境造成了负面作用，进而严重影响到当地农业经济效益和居民水资源用量。山西和宁夏人均水资源匮乏，土地产出不足，受土地生态环境优劣的影响较大。③土地利用结构不均衡。青海省土地有效利用率较低，优质土地有限，农用面积比重较小。由此带来过度垦伐，土地资源浪费严重，对生态环境破坏极大。④土地治理力度不足、响应不及时。宁夏在解决土地生态问题、促进土地资源可持续发展进程中所采取的对策效果不佳，政府投入力度不足，无法及时有效解决已有问题。

3.2 对策建议

a.合理规划人口、城市与产业协调发展。加快经济发展，调控人口承载能力；通过政策引导、区域合作、人才引进等措施组织一定规模的劳动力区域内外的输出，缓解流域省区间的人力资源错配问题。大力发展科技与教育事业，提高人口的科学文化素质。

b.加强水资源优化管理和水环境保护工作。一方面要把水资源作为最大的刚性约束，大力发展节水产业和技术，大力推进农业节水，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向集约转变；另一方面要统筹大气、土壤、生态等要素，对污染较重的河流明确产业准入与淘汰要求。

c.重视农业资源的合理配置与可持续发展。严把“入口关”，从源头抓起，推行农业清洁化生产，做好农业废弃物的回收、处理及再利用工作，并建立无公害生态农业基地；优化土地利用结构，严格控制建设用地规模的过度扩张，同时也要完善建成区绿化工作，因地制宜，平衡农业生产用地与退耕还林面积；在农业领域全面地发展和应用现代信息技术，加速传统农业改造，大幅度地提高农业生产效率和农业生产力水平，促进农业持续、稳定、高效发展。

c.全面加强黄河流域生态保护，确保水环境治理的有效和可持续。可参照河长制，建立和完善省负总责、市县逐级落实的工作机制，坚持山水林田湖草生态空间一体化保护和环境污染协同治理，形成上游“中华水塔”稳固、中下游生态宜居的土地生态安全格局。