基于PSR模型的德州市土地利用系统健康评价

王 飞,董廷旭*，刘富刚

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006；2.德州学院生态与资源环境学院，山东德州 253023)

0 引言

土地是人类生存以及生产建设的根本.关于土地利用系统健康状况的研究日益得到人们关注.早在上世纪，利奥波德便提出了“土地健康-Land health”的含义[1]，此后，不少研究立足于土地功能本身，从土壤、植被、水文、耕地等不同尺度研究土地利用系统健康状况[2].我国土地健康研究起步较晚，主要是从内涵及指标方面进行了相关探讨[3].而且，学者围绕土地利用系统健康开展了很多关于土地利用系统评价体系构建以及评价方法的研究，包括PSR模型[4]、物元分析[5]、集对分析[6]、TOPSIS算法[7]、层次分析[8]等.有的研究采用基于时间序列的预测、灰色预测和神经网络等方法对未来的土地利用系统健康状况进行模拟和预测[9].现在, 国内关于土地利用系统健康的研究以土地利用系统健康的概念和对土地利用系统的健康状况的评价为主[10].因此，本文以德州市为研究对象，以利用PSR模型-确立评价体系-全面分析与评价为研究思路，对德州市的土地利用系统健康状况进行诊断，分析其影响因素，以促进德州市土地资源的持久性利用.

图1 德州市区位及地势图

1 研究区概况

德州市地处冀鲁两省交界处，是进京的重要通道，全市总面积10 356 km2，包括1区2市8县.截至2018年底，总居人数581万，省内地区生产总值位居十一.截至2014年末，德州市土地资源共有1.04×106hm2：农用地占比最大，建设用地居于第二位，最末位的是其他土地.

德州市战略地位突出—列入京津冀国家发展战略，区位优势显著—与“雄安新区”仅相距160 km.因此，德州市的可持续发展具有重要战略意义，必须加强其土地资源的可持续利用.

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

相关研究数据来自：《德州市统计年鉴》[11]《中国城市统计年鉴》[12]《德州市国民经济和社会发展统计公报》德州市土地利用变更数据以及德州市政府部门网站，以上研究数据的选取年份均为2014年至2018年.

2.2 PSR(压力-状态-响应)模型

Pressure-压力系统是指以土地资源不退化为前提而施行的相关政策以及适宜的土地利用程度；State-状态系统指示在土地利用时其系统的健康情况以及应对风险的能力；Response-响应系统代表针对土地利用时其系统的现状或未来可能会出现的问题我们所的应对举措[13].

对环境系统是否可持续以及系统之间是否存在因果关系的评价是PSR模型的最大优势，其目的是寻找人与自然之间的关系[14]，有利于人们制定合理的策略改善土地利用系统的状况[15].因此，结合PSR模型与“综合指数模型”有助于综合分析与评价德州市土地利用系统的健康状况，以此提高德州市土地利用的节约化、持久化.

2.3 评价指标体系构建

以PSR模型为基准，共选取三个目标层和十五项具体指标，涵盖人类活动-社会发展-土地利用-环境保护四个维度[16]，详见表1.

2.3.1 指标权重的确定 获取各指标权重值使用熵值法[17]，其具体步骤如下：

(1)数据标准化处理.区分正、逆指标[18]，然后使用极差标准化法进行标准化处理以解决各指标单位不同带来的问题，相应公式为:

①正向指标

(1)

式中：p指单个评价年份，m指总评价年份数量；q指单个评价指标，n指总的评价指标；Lpq、Lpq`指标准化前后原始值和标准化值；MaxLp、MinLq指指标最值(包含最大和最小).

②负向指标

(2)

式中：p指单个评价年份，m指总评价年份数量；q指单个评价指标，n指总的评价指标；Lpq、Lpq`指标准化前后原始值和标准化值；MaxLp、MinLq指指标最值(包含最大和最小).

(2)指标的比重.计算第p个年份第q项评价指标的比重，公式为：

(3)

式中：p指单个评价年份，m指总评价年份数；q指单个评价指标，n指总的评价指标；Lpq`指标准化值；Mpq指指标比重.

(3)指标信息熵.公式为：

(4)

式中：k>0,eq>0,k=1/lnm，p指单个评价年份，m指总评价年份数；q指单个评价指标，n指总的评价指标；eq指“指标信息熵”.

(4)指标信息熵冗余度.公式为：

(5)

式中：q指单个评价指标，n指总的评价指标；eq指指标信息熵；dq指信息熵冗余度.

(5)评价指标权重.公式为：

(6)

式中：q指单个评价指标，n指总的评价指标；wp指p的指标权重值.

2.3.2 评价综合指数的确定 采用综合指数模型对德州市土地利用系统进行健康评价，以较准确的评价系统的整体情况[19].公式为：

(7)

式中：q指单个评价指标，n指总的评价指标；Lpq`指p年第q项指标标准化数值；wp指p的指标权重值；Z指综合指数，数值大小与其所反映的土地利用系统健康水平呈正相关关系.

2.3.3 健康等级的划分标准 参考土地利用系统健康等级划分标准[20]，对德州市土地利用系统的健康等级进行划分，详见表2.

3 结果与分析

3.1 计算过程及结果

将数据进行分类、整理，评价指标结果详见表3.计算综合指数，分析德州市土地健康状态.过程如下：第一，利用公式(1)-(2)进行计算得到表4.

第2，利用公式(3)-(6)进行计算得到表5.

第三，利用公式(7)计算综合指数，评价结果见表6.

第四，用EXCEL绘制折线图表示各指数，详见图2.

图2 德州市土地利用系统健康指数Fig.2 HealthIndexofLandUseSysteminDezhoucity

3.2 德州市土地利用系统健康评价

3.2.1 综合分析与评价 德州市土地利用系统健康状况诊断结果整体表现为稳中趋好，从图2中我们可以看出，2014-2018年，德州市土地利用系统的健康状况表现为一定幅度的波动，其总体特征呈现为不健康状态-临界状态-临界状态(临界状态-临界状态).其中2014-2016年健康指数从0.438变化至0.352，呈缓慢下降趋势，健康等级由临界状态过渡到不健康状态；2016-2018年健康综合指数略有上升，从0.352上升至0.569，健康等级由不健康状态变为临界状态，土地利用系统健康状况略有改善.其中2016年可以作为德州市2014-2018年的土地利用系统健康水平的过渡时段.由此可知，德州市土地利用系统在向着良好的方向发展.

3.2.2 土地利用系统相关指数分析 (1)压力指数分析.从图2可知，2014-2018年德州市土地利用系统压力指数呈现出一定的波动，但幅度不大.2014-2015年德州市土地利用系统压力指数(P)从0.157上升到0.209，呈缓慢上升趋势，年均增长率为33.12%；2015-2016年压力指数(P)由0.209下降至0.103，下降程度变化最大.(2)状态指数分析.从图2可知,2014-2018年德州市土地利用系统状态(S)指数由0.213变化为0.223，总体上呈现出缓慢增加的趋势.2014-2015年，德州市土地利用系统状态(S)指数由0.213缓慢下降到0.133；2015-2018年状态(S)指数从0.133上升至0.223，年均增长率为16.91%，增幅较大.(3)响应指数分析.从图2可知,2014-2018年响应(R)指数从0.068上升到0.204，总体上呈现出增加的趋势，增长幅度较大.其中，2014-2015年响应(R)指数从0.068下降至0.067；2015-2018年增长速度较快，响应(R)指数从0.067增加至0.204，年均增长率为51.12%.

3.2.3 德州市土地利用系统健康水平驱动因素 通过以上分析可知，2014-2018年德州市土地利用系统健康指数分值较低，均位于0.6以下，相对来说一直比较稳定地处于不健康或临界状态，这说明德州市2014-2018年该时间段内土地利用系统存在如下问题：第一，德州市土地利用系统其系统结构、恢复能力、服务功能水平较低；第二，土地系统调节能力较弱；第三，“社会-资源-环保”存在矛盾；第四，土地利用系统健康状况年际差异较小.

综合分析表2和图2可知：(1)压力指数的减小指示德州市的经济水平的提升，特别需要指出的是2016年人口自然增长率最大，说明人类活动对德州市土地利用系统的生态压力影响较大；2016-2017年压力指数(P)从0.103增加至0.175，上升幅度微弱；2017-2018压力指数(P)从0.175降低为0.142，人口自然增长率得到一定程度的控制，GDP年增长率以及城镇化率提升，对土地利用系统的生态压力影响相对减弱.(2)状态指数缓慢增加的主要原因包括：德州市经济发展较为迅速，伴随经济发展，人们收入增加，社会、经济、人口以及自然等因素的发展状况较好，土地利用情况改善的力度较大.(3)响应指数从整体上来说增长明显较快，发展水平得到极大提高.这主要是因为德州市加强了对环保和教育工作的重视程度，有效的解决了生产生活中产生的废弃物，也就是说德州市问题解决方面也就是土地整治以及与其相关的其他工作进展较好.

因此，影响2014年至2018年德州市土地利用系统健康综合水平的因素，主要是状态-响应系统对健康指数得分的贡献较小，使得系统健康综合指数偏低，系统自身的抵抗和恢复能力较弱，造成土地利用系统面对外界的压力以及干扰时不能及时做出反应，影响系统的正常发展.但德州市政府越来越重视社会经济发展与环境保护之间的关系，并提出积极的政策调整人地关系，2018年生态环境质量持续改善.因此，2018年土地利用系统相对于其他年份有较大的改善，全市土地利用系统健康状况总体朝着良好的方向发展.

综上，土地利用系统压力即“社会发展、人口增长、能耗增加”是影响德州市土地利用系统健康水平的重要因素.但政府积极应对环境保护工作，加强对环保教育的重视程度、提高对双废(废水、垃圾)的处理效率和质量，使得土地利用系统响应指数后期表现为缓慢增加的趋势，德州市土地利用系统健康水平得到改善.

4 结论与建议

采用PSR模型以及综合指数法，对德州市2014-2018年土地利用系统健康状况进行评价研究,得到以下结论：(1)德州市土地利用系统其系统结构、恢复能力、服务功能水平较低；(2)土地系统自我调节能力较弱；(3)社会-资源-环保存在矛盾；(4)土地利用系统健康状况年际差异较小.

据此，提出以下建议改善德州市土地利用系统健康水平：(1)德州市政府应继续加强教育和环保投资力度，合理安排工农业生产建设，保持健康的土地利用系统结构，最大程度实现土地效益；(2)通过增绿-惜水-改土即保护森林、珍惜水资源、减少土壤污染等相关措施，逐步提高该区土地利用系统的恢复力和服务功能，使德州市土地系统的调节能力得到进一步改善；(3)合理控制德州市人口增长，使土地系统得到良好的休整与适应，实现土地系统的最佳状态；(4)德州市政府应继续适时宣传资源持久性利用理念，以增强保护环境和土地资源的意识，从而促进德州市土地利用系统的健康发展.