黄河干流沿线陕西段土地生态安全时空分布特征

张 艳胡征南周浩浩崔国屹李骏南

(1.长安大学 土地工程学院,陕西 西安710000;2.陕西省土地整治重点实验室,陕西 西安710000)

党的19届5中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第14个5年规划和2035年远景目标的建议》明确提出,推动黄河流域生态保护和高质量发展。2020年4月,中央领导到陕西省考察时强调,要坚持不懈开展退耕还林还草,推进荒漠化、水土流失综合治理,推动黄河流域从过度干预、过度利用向自然修复、休养生息转变,改善流域生态环境质量[1]。国内学者从不同角度、不同尺度和不同方位开展土地生态安全研究,主要包括评价内容、方法、模型以及尺度等方面。在评价内容方面,主要是两个重点,一些学者[2-4]进行土地生态安全状况评价及制约因素研究,一些学者[5-7]研究土地利用覆盖变化与土地生态安全相互耦合关系;在评价方法方面,不同学者有着不同方法,但方法基本大同小异,土地生态安全评价的主要方法有物元模型[8]、TOPSIS评价模型[3]、突变模型[9]、综合指数法[10]、人工神经网络法等[11];在评价指标体系构建模型方面,模型比较多且各有利弊,总的来说是社会经济和自然状况的结合,主要模型有PSR模型[12]、EES模型[5]、DSR模型[13]、NES模型[14]、PSR-EES结合模型[15]、三角模型[16]、IDRISI模型[17]、DPSIR模型等[18];在研究空间尺度方面,土地生态安全涉及宏观尺度的全球和国家、中观尺度的流域和生态系统、微观尺度的群体和个体;根据我国行政单元进行划分又可分为区域、省、市、县、镇、村6级,具体有区域尺度研究[19-20]、省市尺度研究[12,16-17]、县级尺度研究[14,21]、乡级尺度研究[9]。就目前研究来看,基于宏观研究居多,尤其是以黄河流域县域尺度研究过少。

黄土高原具有严重的水土流失现象,属于生态脆弱区的典型地区,对黄河干流沿线陕西段土地生态安全时空分布特征研究,找出影响此区域的土地生态安全环境的因子,理清其内部相关作用和耦合机制,可以指导黄河干流沿线陕西段土地资源可持续利用,提高土地生态质量,为维护当地的土地生态环境提供科学依据和技术支持,为保障黄土高原区生态安全提供科学参考,进而为治理和改善提供合理的建议和措施,也可以为其他同类型区域土地生态安全时空分布特征研究提供参考。

1 研究区概况

本研究区为黄河干流沿线陕西段,共包含府谷县、神木市、佳县、吴堡县、绥德县、清涧县、延川县、延长县、宜川县、韩城市、合阳县、大荔县和潼关县等13个县市,2020年共计人口320.18万人,区域面积29 071.54 km2;地形地貌北部属于风沙草滩和黄土丘陵沟壑区;中部以黄土高原丘陵沟壑区为主;南部以山塬和平川为主要特征;水域面积484.94 km2;气温四季分明,主要有煤炭、石油、天然气、岩盐等资源。

2 数据来源

黄河干流沿线陕西段13个县市的社会经济、自然状况资料和行政区划数据。数据主要来源包括:13个县市2000—2020年20 a间《统计年鉴》《社会公报》《环境状况公报》和土地利用现状调查数据;行政区划矢量数据、遥感数据和数字高程数据来源于中国科学院数据云平台。

3 评价方法

3.1 评价指标体系构建

采用DPSIR模型,其中包括“驱动力—压力—状态—影响—响应”5个部分,该模型主要用于描述社会环境和自然环境的相互因果关系。在这个过程中通过社会经济活动所产生的驱动力和压力因素对自然生态环境会产生一定的影响,并且有反馈的作用。构建土地生态安全评价指标体系是一个相对复杂的系统,根据全面性、科学性、可操作性等原则,充分考

虑影响土地生态安全评价的驱动力、压力、状态、影响和响应等方面因素,结合黄河干流沿线陕西段实际情况,最终共确定5个维度方面,18个2级指标。在指标的选取过程中,根据对目标层作用的方向,定义了正向和负向指标属性[3-4,6,9,15-17],构建土地生态安全评价指标体系,结果详见表1。

3.2 指标权重的确定

目前,大多数学者采用特尔斐法、模糊聚类分析求均值法、层次分析法和熵值法等方法确定土地生态安全评价的指标权重。本文确定指标的权重选择了客观赋值的熵值法[22-23],这种方法很大程度上可以减少主观因素带来的偏差。

3.3 改进的TOPSIS评价模型

改进后的TOPSIS法是从系统工程中有限方案多目标决策中进行最佳选择[24],这个方案就是多个备选方案中的最佳选择方案[25]。改进的TOPSIS法通过改进评价公式,最后对正、负理想解与评价对象作对比[26]。根据已研究的成果[27-28]和黄河干流沿线陕西段实际情况,利用自然断点法[29],把贴近度分成4个等级标准,来客观评价黄河干流沿线陕西段土地生态安全水平的高低,结果详见表2。

表2 土地生态安全评判标准

3.4 障碍度模型

黄河干流沿线陕西段土地生态安全评价是对该研究区域土地生态安全的现状水平进行客观全面的评价,并且从中寻求制约土地生态安全水平发展的障碍度和障碍度因子,进而提出具有针对性的策略来提升土地生态安全的水平,最终可以为政府政策的调整和土地生态的优化提供参考意见和科学遵循。所以,本研究采用障碍度模型[30],为了诊断出来制约黄河干流沿线陕西段土地生态安全水平的因素。

4 结果与分析

4.1 土地生态安全水平综合评价

黄河干流沿线陕西段土地生态安全综合评价结果详见表3。

表3 黄河干流沿线陕西段土地生态安全综合贴近度评价结果

由表3可以看出,黄河干流沿线陕西段土地生态安全综合水平不断上升,且增长幅度不断扩大。按平均数值来看,2000年0.448 7上升到2020年0.535 3,增加了0.086 6。同时,各县市生态安全综合贴近度出现不同程度的增长起伏,但总体上还是呈现上升趋势。2010年后,除了神木市和宜川县,清涧县和延长县也达到了良好水平状态,这一时期属于“十一五”时期(2006—2010年),随着经济的发展和政策的实施,清涧县和延长县的经济密度数值分别从2005年的53.22和67.46万元/km2到2010年的108.13和147.80万元/km2。到2015年佳县也从中级水平到达良好水平,这是由于佳县人均GDP从2010年的1.11万元/人到2015年的1.73万元/人,经济密度从2010年的111.98万元/km2到2015年的169.67万元/km2。值得一提的是神木市自2000年以来一直是处于良好水平,2015年土地生态安全水平综合贴近度为0.465 8降为了中级水平,究其变化原因,由于城市不断扩张,现代化步伐不断加快,导致人均建设用地面积不断增加由原来的513.70 m2/人改变为582.53 m2/人,人均水资源占有量不断减少由原来的330.93 m2/人减少至245.30 m2/人。到了2020年,除了韩城市、合阳县、大荔县和潼关县处于中级水平,其余9个市县均达到良好水平。其中韩城市和合阳县生态安全综合贴近度已经超过0.488,相当接近于良好水平。但由于黄河干流沿线自然经济禀赋薄弱和社会经济条件基础不均衡,虽然在研究期间整体由中级水平到良好水平,并且持续向更加安全的水平发展,但是现在还达不到优质水平,所以对于土地生态安全的保护仍然需要进一步加大力度,投入更多的人力物力,实施更加可行的政策和监督,经济的发展是一时的阶段,需要顾及生态的保护,需要大力发展环保经济,走可持续发展道路。

由图1可知,土地生态安全水平不断提升,不断向好发展,中部和北部发展较好,且有继续发展的趋势,渭南市4县市虽处于土地生态安全中级水平,但其分值已相当接近良好水平。可以看出,土地生态安全水平由延安市南部和榆林市中北部良好水平向延安市北部和榆林市南部发展,呈两边向中间合并持续向好之状。

图1 黄河干流沿线陕西段土地生态安全综合等级区域分布

4.2 土地生态安全水平单项评价

4.2.1 土地生态安全驱动力水平评价 由图2可知,

图2 黄河干流沿线陕西段土地生态安全驱动力贴近度时空演化

土地生态安全驱动力贴近度的变化呈微弱M形变化趋势,总体是向上有起伏,但这一时期一直处于中级水平,达到良好水平有很大的提升空间。2010年,只有佳县一处达到了驱动力良好水平,其余各县均有起伏波动,整体呈下降趋势,但总体水平仍处于中级水平。究其原因,由于社会经济的发展,城市化水平不断增加,城市化率的不断推进,经济的发展也促使着人口的增长,这些因素对土地生态安全驱动力贴近度产生负增长,因此土地生态安全驱动力水平有所下降。到2015年达到了最低水平,其中绥德县降至到0.270 1,最主要原因在于人口自然增长率由2010年的2.11‰变成了2015年的9.54‰。2020年又重新恢复到了良好,府谷县更是达到了最高值0.576 9,整体数值也比2000年高出了0.016 1,这与当时的城市转型,城镇有序扩张的政策和打赢蓝天碧水净土保卫战战略是分不开的。

4.2.2 土地生态安全压力水平评价 由图3可知,土地生态安全压力贴近度变化呈波浪式上升弱W形变化,总体是向上趋势。2005年整体水平是稍微下降,其中合阳县下降至0.297 8,大荔县更是下降到0.066 6,均由中级变成了低级水平这是由于化肥施用量过大。2015年大荔县再次分数回到了0.274 7,由中级变成了低级水平,这表明种植天然无公害的作物和适度施用化肥的做法要持之以恒,减少对土壤和环境的危害才能使土地生态安全系数得以提高。2020年重新恢复到了良好水平,佳县更是达到了最高值0.970 3,这也使得佳县成为唯一土地生态安全压力水平达到了优质的县市。

图3 黄河干流沿线陕西段土地生态安全压力贴近度时空演化

4.2.3 土地生态安全状态水平评价 由图4可知,土地生态安全状态贴近度变化呈缓慢式下降弱V形,总体是减少趋势。2010年延川县从0.504 5下降至0.487 0,由良好下降成了中级水平,究其原因,人均耕地面积从2005年0.468 hm2/人减少到2010年0.424 hm2/人,这也可以看出人均耕地面积对土地生态安全状态水平影响是不可忽视的,细微的减少就可以改变其等级水平。2015年达到了历史最低值,这是综合影响的结果,除了人均耕地面积有所减少,再者就是人均建设面积的增加,随着经济的发展,土地固有性质在利益驱使下改变了原来的用途,这也说明了防止耕地非粮化和禁止城市大面积扩张任重道远。2020年较2015年有所上升,整体属于中级偏上,但仍需不断提升和改进,应该更加重视耕地面积的保护和建设用地面积的减少,只有这样才能使得土地生态安全状态水平再上一个等级。

图4 黄河干流沿线陕西段土地生态安全状态贴近度时空演化

4.2.4 土地生态安全影响水平评价 由图5可知,土地生态安全影响贴近度变化呈波浪式上升弱N形变化,总体是向上趋势。2000年吴堡县、延川县、韩城市和潼关县处于0.300 0以下,其余的9个县市低于0.500 0,整体而言处于中级偏下水平。到2020年宜川县达到了最高值0.636 8,人均生态用地面积的增加对土地生态安全的影响是不言而喻的,这也是土地生态安全影响水平不断提高的主要因素。神木市、佳县、绥德县、清涧县、延长县和合阳县均由中级上升成为良好水平,这些县市的变化幅度很明显。整体水平从中级偏下上升到良好偏下,虽说仍旧处于土地生态安全影响良好水平不高,但已经有逐渐上升发展向好的趋势。

图5 黄河干流沿线陕西段土地生态安全影响贴近度时空演化

4.2.5 土地生态安全响应水平评价 由图6可以看出,土地生态安全响应贴近度变化呈不断向上递进式变化,总体是上升趋势,由中级到良好水平不断向好发展。

图6 黄河干流沿线陕西段土地生态安全响应贴近度时空演化

2010年神木市达到了0.804 9,从良好升至为优质,究其原因,神木市的固定资产投资从2005年的58.31亿元增加到了2010年的310.26亿元。到2015年,神木市从优质水平下降为中级水平,这个波动幅度很大,下降了0.393 0,因为固定资产投资和污水处理率有所下降,这也从侧面说明了正确的利民措施需要贯彻到底,不可朝令夕改,只有不断地投入人力物力财力,真正地做到了保护环境和维护土地质量,才能使得土地生态安全响应水平达到良好甚至优质。2020年各县市也达到了历史最高值,神木市达到了1.000,其他12个县市也均到达了良好水平。相信随着固定资产投资的增加和生活垃圾无害处理率的提高,土地生态安全响应水平将会整体达到优质水平。

4.3 土地生态安全子系统等级分布

由图7—11可知,土地生态安全驱动力水平,由榆林市南部向北部发展,由渭南市中部向北部发展,黄河干流沿线陕西段中部即延安市区域由于自然环境和社会历史因素的影响,一直处于土地生态安全驱动力中级水平。压力水平北部和中部比较稳定,一直处于良好到优质水平这个阶段,南部稍微有点落后,甚至一度降至为低级水平,但最终还是可以整体达到良好水平。状态水平南部一直处于中级水平,中部处于良好水平,这两个区域比较稳定;北部极不稳定,由最初的良好变成中级最终变成低级水平,经历3个等级,且不断下降。影响水平北部比较稳定,一直处于中级到良好水平这个阶段;中部3个等级都有存在,相对不均衡,最终趋于良好水平;南部稍微有点落后,甚至一度降至为低级水平,总体上是向趋好发展,最终整体完成了由中级水平到良好水平的转变。响应水平是上向趋好发展,并且是由南部向北部递进式发展,后期北部发展较迅速,最终整体完成了由中级水平到良好水平的转变,并保持着继续向优质水平发展的持续内在动力。

图7 黄河干流沿线陕西段土地生态安全子驱动力等级区域分布

图8 黄河干流沿线陕西段土地生态安全压力等级区域分布

图9 黄河干流沿线陕西段土地生态安全状态等级区域分布

图10 黄河干流沿线陕西段土地生态安全影响等级区域分布

4.4 障碍度分析

在上文黄河干流沿线陕西段土地生态安全评价的基础上,分别就准则层指标和指标层指标其主要障碍因子进行诊断。

4.4.1 准则层障碍因子诊断 从表4可知,土地生态安全各准则层指标障碍度呈现不同的变化趋势。总体来说,驱动力和状态的障碍度变化呈现的趋势是不断上升,压力和影响的障碍度变化趋势在波动中下降,响应的障碍度变化呈现的趋势是不断下降。从数值来看,2015年之前,影响障碍度最大,驱动力障碍度紧跟其后,状态障碍度次之,最后两位是响应障碍度和压力障碍度。2015年,状态障碍度成了首位,影响障碍度升至为第二,驱动力障碍度紧随其后,压力障碍度和响应障碍度排在最后。到2020年障碍度从大到小依次是:状态、驱动力、影响、压力和响应,障碍度数值分别为29.75%,27.25%,23.64%,10.89%,8.47%。从年变化率来看,2000—2020年,驱动力和状态的障碍度分别从23.44%和21.84%,上升到了27.25%和29.75%,以年均5.81%和6.81%的速度增加;影响和响应障碍度分别从28.99%和15.16%,下降到了23.64%和8.47%,以年均26.74%和33.43%的速度下降;压力障碍度先增加后减少,总体处于增加状态,从10.58%到10.89%,以年均5.51%的速度增加。从平均障碍度来看,2000—2020年,驱动力、压力、状态、影响和响应的障碍度的平均指数,分别为24.99%,11.40%,24.93%,26.50%和12.19%。由此可知,影响黄河干流沿线陕西段土地生态安全的准则层障碍依次是影响、驱动力、状态、响应和压力。总的来看,从影响子系统到状态和驱动力子系统转移,这符合城市发展的客观因素。由于国家层面大力提倡绿色环保理念和人们自身对生态环境问题的警觉,促使政府不断通过行政立法和积极引导,对土地生态环境治理力度和投入资金在不断加大,促进了土地生态安全的良性发展。但是,经济不断发展出现了城市化率不断增大,人口密度的增大导致人均耕地减少和建设用地面积增加等问题日益突出。因此,黄河干流沿线陕西段土地生态安全水平想要有所提高,必须解决状态子系统中突出的问题,还要考虑驱动力子系统制约性比较大的方面如何协调。缓解部分土地的压力,通过产业转型升级减少生活污水和垃圾的排放,在经济发展的同时也要兼顾土地的生态安全,可以通过合理布局城市建设用地来缓解对土地造成的影响,适度控制人均建设用地的面积,通过多植树多种草来提高森林覆盖率。由于黄河干流沿线陕西段自然条件的约束,土地生态安全水平的提高不是一时可以改变的,需要久久为功,还有很长的发展道路要走,一定要坚持绿色发展,不搞大开发,注重水土涵养功能,走可持续发展是黄河干流沿线陕西段必然选择。

表4 影响黄河干流沿线陕西段土地生态安全的准则层指标障碍度

4.4.2 指标层障碍度因子诊断 2000—2020年黄河干流沿岸陕西段13个县市土地生态安全的指标障碍度,因为指标层因子太多,本文根据其障碍度大小,列举影响较大前5位的因子,以此对黄河干流沿线陕西段各县市指标因子障碍度进行诊断。从表5可知,主要因子障碍度大小不一,各有侧重。2000年驱动力、状态和影响方面的障碍度因子排序前5位。其中,神木市、吴堡县、清涧县、延川县、延长县、宜川县和大荔县的农民人均纯收入因子障碍度最大,排序障碍度因子第一位,宜川县更是高达12.54%。府谷县、佳县和合阳县的森林覆盖率因子障碍度最大,排序障碍度因子首位,府谷县达到10.73%。韩城市和潼关县的人均耕地面积因子障碍度最大,排序障碍度因子第一位;绥德县则是人均水资源占有量因子障碍度最大。农民人均纯收入因子障碍度在7个县市均排首位,说明了农民人均纯收入已经成为了影响黄河干流沿线陕西段土地生态安全的最大的阻碍和因素,亟须提高农民人均纯收入,以此来提高整体的土地生态安全水平。在排序前5位障碍度因子中,主要是影响系统里的农民人均纯收入和粮食总产量;状态系统里的森林覆盖率、人均耕地面积和人均水资源占有量;驱动力系统的人均GDP和经济密度。这一时期没有出现压力系统和响应系统的因子,说明了压力和响应方面对黄河干流沿岸陕西段土地生态安全具有一定的贡献,侧面可以看出了在这两方面此地区做法得当,对整个土地生态安全具有积极作用。与2000年相比,2020年的时候农民人均纯收入因子已经退出了前5位,表明了该阶段针对农民人均纯收入已经有了明显提高,此因子不再是主要影响土地生态安全水平的因素。值得一提的是,压力系统里的人均粮食产量首次出现在前5位主要障碍度因子里,虽仅宜川县的障碍度9.78%,但已经说明了一定的问题,表明在人口不断增加和耕地不断减少的情况下,耕地面积和质量须进一步提高。除此之外,排前5位还出现了新的障碍度因子分别是城市化水平、人均建设用地面积、人均生态用地面积和第二产业比重。这说明了随着经济不断发展,由原来的单一的制约因素变成了多元化的障碍制约了,其中突出就是城镇化的水平与土地生态保护的矛盾,这是城市的通病,也是黄河干流沿线陕西段个别县市的特性。神木市人均建设用地面积从2000的50.22 m2/人增加到2020年582.53 m2/人,这在一定程度上显示出人均建设用地面积配置极不合理,严重超过了《城乡用地分类与规划建设用地标准GB50137(修订)(征求意见稿)》中不得超过300 m2/人的要求。为了转变障碍度因子的制约,需要合理改变建设用地面积,减少过度扩张和政策控制势在必行。神木市的第二产业比重从2000年的58.12%增大到了2020年的60.54%,增加的幅度不大,但已然成为了障碍度的主要因子,这也说明在发展经济的同时,应注重土地生态安全的保护,加强城市的生态环保可持续发展是将来必须走的道路。

表5 黄河干流沿岸陕西段土地生态安全主要障碍因子

5 结论及对策

5.1 结论

(1)黄河干流沿线陕西段土地生态安全综合水平不断上升,且增长幅度不断扩大。研究期间土地生态安全综合水平经过了两个水平过程,分别是中级阶段和良好阶段。

(2)土地生态安全驱动力贴近度的变化呈向上微弱M形趋势;压力贴近度变化呈波浪式上升弱W形趋势;状态贴近度变化呈缓慢式下降弱V形趋势;影响贴近度变化呈波浪式上升弱N形趋势;响应贴近度变化呈不断向上递进式变化趋势。

(3)土地生态安全驱动力等级分布由南北部向中部发展;响应和压力等级分布由北部向中南部发展;影响和状态等级分布中部向南北部发展。

(4)准则层障碍度变化,驱动力和状态的趋势是持续上升,响应的趋势是不断下降,压力和影响呈现出波浪式下降的走势。总的来看,准则层障碍因子从影响子系统到状态和驱动力子系统转移,这符合城市发展的客观因素。

(5)就指标层障碍度变化来说,黄河干流沿线各县市主要因子障碍度大小不一,各有侧重。2000年驱动力、状态和影响方面的障碍度因子排序前5位。到2020年,黄河干流沿线陕西段各县市主要因子排序发生了显著的变化,压力系统的障碍度因子进入了前5的序列。

5.2 对策

(1)贯彻落实黄河流域高质量发展和生态保护战略,始终坚持绿水青山就是金山银山的理念,坚持系统治理的原则,牢固山水林田湖草沙综合治理的思维,加强沙化土地植被修复和天然林保护等工程建设。

(2)找准黄河干流沿线区域定位,坚持分类指导、因地制宜的原则,制定土地利用规划及相关的政策。依据《陕西省国土空间生态修复规划(2021—2035年)》和陕西省“十四五”土地利用规划,严格落实耕地保护制度,提高土地节约、集约利用水平,改善重点流域河湖湿地水生态,保障水资源安全。

(3)注重绿色经济发展,要注重深入挖掘黄河干流沿线陕西段各县市间更为精细的差异化绿色发展潜能,尤其在资源型产业、重化工业这类传统优势产业中加快绿色转型。在做好传统产业绿色转型的基础上,还要注重培育绿色发展新动能,放大绿色发展优势。

(4)资源优化配置,各县市要根据城市总体规划,进一步细化所辖各类功能区的保护和发展路径;要充分利用自有资源和流域资源两种资源建设资源节约型、环境友好型社会,创造更多生态福利绩效,杜绝盲目扩张和无序开发,推动实现可持续发展。

(5)多管齐下,奖罚同行。加大多方联动,明晰各类主体的权利责任,落实多级协同推进;增强对生态环境治理的重视程度;落实河湖长制度,建立健全河流管理体系,加强流域内水生态环境保护修复联合防治和执法;完善土地生态安全监督监管体系。