基于DPSIRM 模型的安徽省土地生态耦合评价研究

谷雅娴,何 刚,赵疏航

(安徽理工大学 经济与管理学院,安徽 淮南 232001)

土地是人类社会中赖以生存的重要基石,是经济发展中至关重要的自然资源,具有十分重要的生态功能,土地生态安全及可持续发展已成为当今生态文明建设的核心组成部分[1]。随着我国城镇化的不断推进,早期粗放型经济发展模式带来的土地生态安全弊端日益暴露。党的“十九大”报告中着重强调生态文明建设的重要性,应当将经济与生态统筹平衡,以达到总体协调发展。安徽省国民经济和社会发展“十三五”规划中作了生态环保领域的战略方针,强调生态建设以提高环境质量为核心[2]。土地生态是生态建设体系中的重要构成,土地生态安全评价是指在一定的时空范围内反映主体和客体之间价值关系,对与土地有关的评价指标作出定性或定量的描述[3]。

现今,土地生态安全研究方向主要集中于构建评价指标体系以及研究评价模型等方面。围绕自然—社会—环境系统生态评价模型主要有PSR模型、DSR 模型,构建了早期的土地生态安全评价指标体系[4]。其中,PSR 模型、DSR 模型主要针对静态系统进行评价,忽略了系统之间复杂的动态联系。为了对生态系统内部关系进行动态深入研究,欧洲环境局对压力—状态—响应(PSR)和驱动力—状态—响应(DSR)框架改进形成DPSIR[5]模型,用于描述并反映经济与环境各系统之间内在联系的环境管理模型。DPSIRM 模型是我国学者提出的创新模型,在DPSIR 模型中融入了管理(M)子系统。最早由杨俊等[6]运用于人居生态环境研究,在准则层面细化管理对生态影响的反馈。后出现关于水资源[7]、高原湿地[8]等生态方向的研究,较少用于省域土地生态研究。而常用的生态安全评价方法有综合指数评价法、TOPSIS 法、障碍度诊断和耦合度测量等。2013 年,胡喜生等[9]率先构建与土地生态有关的耦合研究,对土地生态现状与城市化的推进从耦合协调的角度评估。现有生态耦合相关研究大多是从社会生态经济角度开展的,党建华等[10]根据生态、社会、人口三个子系统之间的耦合协调关系,探讨吐鲁番盆地的生态构建以及发展。蔡晶晶等[11]选取福建乡村试点区从旅游活动的角度,融入社会与生态耦合思考。张超正等[12]以土地整治为视角,运用可持续生计框架结合双重差分模型,量化生态与福祉的耦合关系。白爱桃等[13]用变异系数法结合农业-生态耦合模型,发现研究区从失调到协调的影响因素。当前系统内多个子系统之间的耦合且结合省份相关研究的实例较少,土地DPSIRM 模型和土地耦合协调两者结合的实证也相对在土地生态安全领域研究中较少出现。本研究以安徽省为研究区进行土地生态安全评价,选取安徽省2012—2019 年土地相关生态评价指标,结合土地DPSIRM 评价模型和生态耦合模型进行分析。从细化子系统的微观角度,基于安徽土地综合生态指数,分析DPSIRM 模型的六个子系统内部的耦合关系,旨在通过研究安徽省土地生态六大子系统之间的耦合度和协调度现状,作出相关土地生态安全评价。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

安徽省地处华东地区,是长三角经济的重要组成部分,位于长江和淮河南北,总面积约14.01 万km2,处于暖温带和亚热带的过渡地区,所辖巢湖是中国五大淡水湖之一。截至2019 年末,安徽省人口密度为507.99 人/km2,土地资源较为紧缺。伴随着城镇化的不断推进,土地环境污染及结构不合理日益显露,人口密度增长以及经济快速发展给区域土地生态带来一定压力,故研究安徽土地生态具有现实意义。

1.2 研究数据来源

本研究的数据来源于安徽省统计年鉴、安徽省土地利用现状数据(2012—2019 年),土地利用变更数据以及其他相关部门资料,部分缺失数据根据相邻年份的数据,运用综合评估计算获取。

2 土地生态安全评价指标体系的建立

2.1 构建思路

指标体系是衡量研究区所处土地生态安全现状的基础,需要能够综合反映系统内社会发展及生态环境的内在联系[14]。为准确描述系统复杂性和各因素之间因果关系,本研究选用DPSIRM模型来构建指标评价体系,该模型是对DPSIR 模型修正后提出,是研究因果关系的组织模型[15]。

2.2 指标体系构建

本研究基于DPSIRM 模型,结合安徽土地生态安全现状,选取了6 大准则层23 项指标,构建了安徽土地生态安全评价体系,见表1。此模型融入政府部门的生态管理措施,从土地生态的客观方面,为研究人类活动、自然资源、生态环境及可持续发展构建一个系统框架,具有较强的客观性和科学性[16]。

3 土地生态安全评价方法的建立

3.1 指标无量纲处理

无量纲化处理是指对各指标均取相同区间值,使得不同单位的指标数据具有可比性。其中应用更广泛的为极值法,本研究拟选用极值法对各评价指标进行无量纲化处理。另外,为使数据处理有实际意义,将无量纲化后的指标全部增加0.001,以满足运算要求[17]。具体如下:

式中:Xi——某项指标无量纲处理前实际值;Xi(max)、Xi(min)——该指标在某一时刻序列的无量纲化处理前的最大值和最小值;X′i——无量纲化处理后该指标评价值。

3.2 指标权重确定

目前,确定指标权重的方法分为主观赋权法和客观赋权法,主观赋权法不够客观,可能会使数据偏离实际结果。客观赋权法中运用较为广泛的是熵权法,该方法运用数学模型来确定指标权重,较为科学[18]。本研究选用熵权法来确定权重,计算方法如下:

式中:ij——第i个样本,第j个指标;m——指标个数;n——评价样本数;ej——信息熵;rj——特征比重或贡献度;Wj——指标权重。得到的权重如表1 所示:

表1 安徽土地生态评价指标及权重

3.3 综合指数计算

土地生态安全评价是一个多因素的复杂评价过程,本研究选用综合指数评价模型[19]对安徽省土地生态安全状况进行研究和分析,经过逐层逐项对各评价指标进行加权分析,可以分别计算出土地生态子系统指数,最终得到安徽土地生态综合指数。

式中:Y——土地生态安全综合指数;YD——驱动力指数;YP——压力指数;YS——状态指数;YI——影响指数;YR——响应指数;Wj——第j指标权重值;Zij——第i年第j指标的标准化处理数值。得到生态综合指数如表2 所示。

表2 安徽土地生态综合指数

3.4 综合指数土地评价标准确定

根据有关土地生态评判标准[20],结合安徽省实际情况,得出土地生态安全指数评价标准,如表3 所示。

表3 土地DPSIRM 综合指数评价标准

3.5 土地生态六系统的耦合评价模型

耦合模型起源于物理学中的容量耦合理论,包含耦合度和耦合协调度两部分。耦合度用来描述系统或系统内部要素之间相互作用程度的强弱,耦合协调度用来测度两个或多个系统内部的耦合协调程度,揭示系统之间紧密作用的动态影响[21]。参照韩端锋等[22]运用多系统耦合数据对船舶运动进行仿真分析,葛修润等[23]、李恒吉等[24]等分别构建行业三元耦合系统、区域五系统耦合研究。DPSIRM 模型的的六个子系统可以构成内在关联的动态耦合综合体,建立DPSIRM 的耦合度模型:

式中:C——耦合度,反映系统之间总体的作用程度;d(x)、p(y)、s(z)、i(a)、r(b)、m(c)分别代表子系统各自的综合得分,如式(8)所示:

为了更好地描述系统之间的协调关系,需要引入耦合度协调模型D,其概括了DPSIRM 六个系统的耦合状况,又融入了T 作为DPSIRM 的综合评价指数,能够客观揭露土地生态六个系统之间的协调情况。式(10)中6 个未知希腊字母代表6 个子系统各自的权重,由于各子系统之间作用因素复杂,鉴于子系统处于同等重要程度,取α=ε=σ=λ=β=ψ=1/6,如式(9)、式(10)所示:

为描述安徽土地DPSIRM 六系统的耦合协调作用程度在2012—2019 年的动态演变趋势,运用如式(11)所示的系统动态演变指数,定量计算出具体的变化数值:

在借鉴姜磊[25]有关耦合公式及拓展的取值范围基础上,三系统及以上系统的耦合协调结果多集中于[0,0.5],且系统越多,相应的耦合协调关系会削弱。制定耦合协调依据应当从客观出发,结合本研究六个系统耦合的实际情况,确定表4 中DPSIRM 耦合协调度评判依据。

表4 DPSIRM 耦合情况及等级

4 土地生态安全结果与分析

土地生态安全评价是一个动态变化过程,是获取土地生态安全发展的重要方式。本研究结合表1、表2 数据,运用DPSIRM 模型结合土地生态耦合模型对安徽省2012—2019 年的土地生态安全指标进行了动态评价,结果如图1 所示:

图1 2012—2019 年生态综合指数以及各子系统的指数变化情况

结合DPSIRM 综合指数以及相应的六系统的耦合协调数据,作出如图2 所示的两者对比水平雷达图,通过雷达图中不同年份对应的幅度变化,可以反映安徽土地DPSIRM 综合状况与其耦合情况的比对关系。

图2 安徽省土地耦合协调和DPSIRM 综合水平

4.1 DPSIRM 综合水平及其耦合协调度时序分析

由表4 结合图1、图2 可以看出,安徽省2012—2014 年间土地生态系统较为脆弱,DPSIRM 生态安全状况处于敏感阶段,其对应的耦合协调程度也处于衰退失调等级,这两者的上升趋势均为平稳增长,耦合协调度从2012 年的0.096 0 缓慢上升至2014 年的0.132 7,这一现状表明安徽在此阶段逐渐重视土地生态领域的协调发展,但重视投入力度仍需加大,土地安全状况不容乐观。2015—2016 年是安徽土地生态的过渡调和时期,DPSIRM 指数从敏感级改善至临界级状态,耦合协调也调整到勉强协调区间。2017 年是安徽土地生态安全取得重大进展的一年,从图1 可以清楚地看出,管理子系统上升幅度显著增加。2018—2019 年土地生态各子系统为呈上升趋势,生态状态改善明显。与此同时,DPSIRM生态水平耦合协调度在研究期内,经历勉强耦合协调、一般耦合协调,在2019 年显示为良好协调耦合状态。总体而言,安徽土地生态正朝着协调稳定的方向发展,生态安全等级也不断加强。

4.2 土地DPSIRM 子系统评价分析

4.2.1 土地生态驱动力系统

安徽省土地生态安全驱动力指数从2012 年的0.014 6 上升到2019 年的0.071 3,说明在此期间安徽省社会经济发展水平显著提高,具体表现在人均GDP 由2012 年的30 683 元/人提高到2019 年的58 496 元/人,年均GDP 增长率基本上在9%以上,城镇化人口比率也从22.89%增长到34.65%,人口自然增长率为5.99%～8.17%。由此可知,在经济快速发展和城镇化的推进下,安徽省同样也没有忽视土地生态安全保护。

4.2.2 土地生态压力系统

安徽省土地生态压力指数在2012—2017 年中除了2013 年为0.018 4,其余年份均稳定在0.03 左右,2018 年和2019 年生态压力指数分别为0.060 5 和0.125 4,具体体现在第二产业占GDP 比重从2012 年的56.7%下降到2019 年的34.65%,说明安徽省产业转型阶段取得了一定的成效。安徽自2016 年进一步升级产业转型,重点发展新兴产业、注重产业融合发展、系统规划全面改革实验等,实现了产业融合发展的同时缩小了对土地生态带来的压力。

4.2.3 土地生态状态系统

安徽省土地状态指数在研究期内逐年稳步提高,从2012 年的0.016 1 经过不断提高,上升到2019 年的0.076 1。其中,单位耕地面积SO2在经历不稳定的变动后,2019 年下降到5.7 t/khm2,人口密度由2012 年的492.51 人/km2增加到2019年的507.99 人/km2,说明伴随着人口的不断增加,土地生态状态并未因此受到影响,土地状态的好转与安徽省自“十三五”以来重视生态保护有关,对土地资源及环境制定有效的措施减少土地面源污染。

4.2.4 土地生态影响系统

2012—2015 年安徽省土地影响指数从0.008 2 提高到0.045 0,在2016 年出现小幅的下降,2017—2019 年土地生态影响指数连续三年增长,2019 年达到0.099 1。突发环境事件经济损失从2012 年的896.50 万元减少到2015 年的75.30万元。发生地质灾害次数在研究期内不稳定,2016 年是发生地质灾害最多的一年,达到了724 次,2017—2019 年逐渐得到了控制,灾害发生次数控制在200 以内,灾害发生频率得到有效控制。沼气不完全燃烧会产生CO 且容易与空气接触,为减少有害气体产生,安徽省对沼气的使用范围进行严格控制,农村沼气产生量呈减少趋势,2017—2019 年大幅减少,由19 447 万m3减少到12 587 万m3。

4.2.5 土地生态响应系统

土地生态响应指数在2012—2019 年不断增长,由0.006 1 提高到0.066 3,只有2015 年出现小幅下降,造林总面积的逐年增长提高了绿地覆盖率,有利于减少水土流失。与此同时,农林牧渔增加值每年都在增长,2012 年增加值为20 880 043 万元,2019 年增加值为30 689 290 万元,说明现代化农业生产及创新方式推动了效益产出值。安徽“十三五”绿色规划中也着重对城镇生活污染排放作了限制,制定一系列的生态响应补偿标准,使得生活SO2以及烟尘污染排放总量从2012 年的136 558 万t 减少至2018 年的66 980 万t,说明节能减排规范化制度起到了一定成效。

4.2.6 土地生态管理系统

2012—2015 年土地管理子系统处于波动阶段,管理指数在0.030 8～0.048 6 区间内浮动。在此期间,生态环境补水不断提高,地质灾害防治投资逐年减少,环保投资比例在研究期内出现了波动的局面,2013 环保投资比例为2.493%,2014 年仅为2.246%,说明地质灾害防治及环保投资不足对安徽土地生态影响较大。2017 年管理子系统总体明显提高,之后的三年内处于较为稳定的态势,地质防治灾害投资大幅度增加,对管理效果作用显著。研究期内生态补水不断增长以及环保投资比例总体上涨,这和安徽加大对巢湖的治理以及重视生态修复有关。加强生态环境补水,注重地质的治理,增强管理决策对生态环境的影响力,可促进生态环境的协调与发展。

5 结论

本研究基于DPSIRM 模型建立安徽省土地生态安全评价体系,结合2012—2019 年的相关数据,对该区域内的土地生态状况进行动态研究和评价,并从驱动力、压力、状态、影响、响应、管理六个子系统进行进一步耦合协调分析,可以看出:

(1)研究期内,安徽土地生态安全总体得到了改善,生态安全综合评价指数上升,但局部区域土壤污染问题仍然不容乐观。生态安全等级从危险级提高到安全级,系统的耦合协调情况也不断改善,朝着系统协调方向发展。从系统的耦合协调状况来看,安徽省的土地生态系统仍然面临着众多的考验,安徽省的发展离不开经济,但同样也不能忽视生态环境的重要性。

(2)从具体的子系统的分析,不同时期产生影响作用的子系统不同,这也从侧面反映出土地生态是一个复杂和综合的系统。与此同时,由于资金投入不够到位和管理机制不够完善,土壤生态治理工作未能全面落实。在探索经济发展建设和重视土地生态保护的道路上,需要制订具体可行的地质保护、节能减排方针,继续加大对生态环保的投资力度。

(3)目前数据获取不够全面,下一步的研究可以依据自然特征、行政区域等对各部分土地生态安全作出时空差异的分析与评价,以达到细化研究主体的要求,同时因地制宜地针对存在的差异制定相关的方针和政策,从而更好地保护区域土地生态发展。