基于PSR 模型的黑龙江省土地利用系统健康评价及障碍因子诊断

许慧敏，戴红霞

（东北石油大学化学化工学院，黑龙江 大庆 163000）

近年来，随着中国社会经济的飞速发展［1］，土地资源的利用、开发和浪费问题日益严重［2，3］，如何实现土地资源的合理及可持续性利用逐渐成为国内外学者关注的焦点问题［4］。黑龙江省作为中国重要的粮食生产大省，土地利用系统的健康状态与农业生产密不可分。而土地利用系统健康则是以土地利用为基础，以可持续发展为目的，在土地利用系统的自身结构、综合效益、功能发挥等方面构建健康评价体系［5，6］，对土地利用系统的各方面进行综合评价，找到由人类活动、自然因素、社会发展等引起的系统破坏和土地退化［7］，以便提前发出预警，使土地得以被健康合理的利用。土地健康（Land health）概念是由Aldo Leopoid 在20 世纪40 年代首次提出，并使用“Land sickness”对土地生态系统功能的紊乱进行描述［8］。国内学者对土地健康研究进行了相关探索，提出了“土地利用系统健康”并开展了大量研究。马文娟等［9］使用熵权-集对分析法对乌鲁木齐市土地利用系统健康进行评价。姚岚等［10］通过建立土地利用系统健康评价的三角模型对贵阳市土地利用系统的健康状态进行评价。周博等［11］采用文献资料法、层次分析法、多指标综合评价模型对广州市土地利用系统健康状况进行诊断与评价。目前，国内关于土地利用系统健康的研究主要集中在土地利用系统健康内涵、土地利用系统健康评价、县域市域的土地利用系统健康评价等方面，对省域尺度下的评价以及评价之后的诊断和影响土地利用健康发展的障碍因素的研究还不完善。因此，本研究以黑龙江省为例，运用PSR 模型框架并结合GIS 技术分析黑龙江省土地利用变化特征，划分出黑龙江省的土地利用系统健康等级，找出阻碍黑龙江省土地利用系统健康发展的主要障碍因素，为黑龙江省土地利用系统的可持续发展提供科学依据和决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黑龙江省位于中国最北和最东端，以中国和俄罗斯的边界河黑龙江命名。大兴安岭纵贯黑龙江省西部，西北部为东北—西南走向的大兴安岭山地，北部为西北—东南走向的小兴安岭山地，东南部为东北—西南走向的张广才岭、老爷岭、完达山脉（图1）。黑龙江省总面积47.3 万km2，总人口3 773.1 万人，地区生产总值16 361.6 亿元，人均可支配收入22 725.8 元。工业主要分布于西北部，以机械、石油、电力、煤炭等为主体，形成了相对独立完整的工业体系，是中国重要的能源、原材料和重型装备生产制造基地［12］。黑龙江省土质肥沃，自然肥力较高，松嫩平原中部是世界三大黑土带之一，耕地中黑土、黑钙土、草甸土等优质土壤占67.5%。主要产出的有水稻、大豆、玉米、马铃薯等粮食作物以及甜菜、亚麻、烤烟等经济作物［13］。黑龙江省属中温带寒温带大陆性季风气候，是全国热量最少的省份，2018年全省年平均气温仅为3.5 ℃，年平均无霜期100～140 d，年平均风速为1.7～4.2 m/s，全年平均降水量为400～600 mm。黑龙江省光照充足，有效积温≥10 ℃为2 000～2 800（d·℃），适合多种农作物及植物的生长。

图1 黑龙江省行政规划

1.2 数据来源

本研究所使用的遥感数据来自2010 年和2018年的TM 遥感影像，分辨率为250 m，采用人机交互解译生成，坐标系均选用WGS_1984。黑龙江省土地利用类型依据中国LUCC（Land-use and land-cover change，土地利用/土地覆盖变化）分类体系划分为耕地，林地，草地，水域，城乡、工矿、居民建设用地和未利用地6 种土地利用类型。

耕地利用系统健康评价原始指标数据均为2010—2018 年，来源于《黑龙江省统计年鉴》《黑龙江省农村统计年鉴》《中国统计年鉴》及国家统计局网站黑龙江省自然资源厅、黑龙江省水土保持局网站等。

1.3 评价模型与指标构建

1.3.1 评价模型的构建 压力-状态-响应（Pressure-state-response，PSR）模型最初是由加拿大统计学家David J.Rapport和Anthony Marcus Friend 提出，之后由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）于20 世纪80、90 年代被确定用于研究环境问题的框架体系［14］。

PSR 模型是指人类活动、消费模式或者经济系统的改变对耕地环境产生一定的“压力”，从而改变了处于发展过程中的耕地环境“状态”，人类为了促进经济发展等，采取了一系列政策对环境变化做出了相对应的“响应”措施。压力、状态、响应三者之间相互联系、相互影响、相互制约，在评价可持续性的基础上探寻人类活动和环境变化的因果关系，因此，本研究选择PSR模型来评价土地利用系统的健康情况。

1.3.2 评价指标的构建 土地生态安全评价是一项重要的研究内容，指标的选择要注意耕地生态安全的潜在影响，还应考虑到关于目前耕地生态的现状。本研究基于PSR 模型，同时结合黑龙江省的实际情况，指标选取遵循科学性和可操作性、区域性、稳定性、主导性等原则［15］，充分考虑指标间的相互影响，在此基础上构建土地利用系统生态健康指标体系。

土地利用系统生态健康的压力来自于人口的变化、经济的发展、土地利用类型的不断变化等。这些压力会阻碍社会进步、影响经济发展、对土壤环境健康发展十分不利。但是这种土地利用系统的变化会给人类一些信息以保障土地被合理利用，人们相应也会产生一些政策和法规上的响应。因此，从压力、状态、响应3 个方面来反映黑龙江省土地利用系统健康状况的评价指标体系，其结构和指标数据来源及代表的含义如表1 所示。

2 研究方法

2.1 指标标准化处理

为了消除不同指标数据之间量纲的差异，使选取指标数据具有可比性，需要对各项指标采用极差化标准处理方法预处理数据［16］。其中，各指标因子效应分为正效应指标因子和负效应指标因子。正效应指标因子的数值越大，表示耕地生态健康状况越优良；负效应指标因子的数值越大，表示土地生态健康越不稳定。具体计算公式如下。

式中，Yij为指标因子的标准化值；xij为指标因子的原始数据；ximin为第i个指标的最小值；ximax为第i个指标的最大值；i为指标项个数；j为年份。

2.2 指标权重的确定

为了最大限度避免人为因素干扰，以熵权法为模型对各个指标提供的信息综合考虑［17］，进一步计算出综合指标权重，并对分析结果进行整合。根据标准化处理后的各项指标数据计算各项指标的信息熵以及熵权，计算公式如下。

式中，Yij为标准化矩阵在i项指标第j年标准化数据；Ei为第i项指标的信息熵；Pij为第i项指标下第j年的数据占该指标评价年份区间内所有数据之和的比重；k=1/Inn，这样就能保证0≤Ei≤1，Pij=0，PijlnPij=0；Wi为熵权，应满足计算所得各指标的权重如表2 所示。

表2 耕地利用系统健康评价指标权重

2.3 综合指数的计算

单项指标只能在某些侧面反映出土地利用的健康状况，对区域土地的健康程度采用综合评价法［18］。依据相应权重将标准化后的各评价指标通过加权累加计算合成综合指数。具体计算方法如下。

式中，F为综合评价指数；Wi为压力、状态、响应指标所代表的权重值；Wj为各系统层下17 个指标的权重值；Yij为各个标准化后的指标数据值。F越接近1 说明土地利用系统健康状况越优良，F越接近0说明土地利用系统健康状况越危险。

2.4 土地利用系统健康障碍因子诊断

为更好地掌握黑龙江省实际情况，找到影响黑龙江省土地利用系统的主要障碍因素。以黑龙江省土地利用评价结果为基础，对单项指标和分类指标的障碍作用大小进行评估［19］。指标因子贡献度（Cj）表示单项指标对评价结果的影响程度；指标偏离度（Dij）表示单项指标实际值与最优目标的差距；单项指标障碍度（hi）表示第i年指标和单项指标对土地利用系统健康的影响；子系统障碍度（hi）表示单项因素对总目标的影响程度。构建土地利用系统障碍诊断模型，主要计算方法如下。

式中，Wi为第i个指标的权重；Wij为第i个指标第j年的权重。

2.5 土地利用系统健康级别

在借鉴国内外生态系统健康等级划分的基础上［20，21］，将土地利用系统健康级别分为病态、不健康、临界状态、亚健康和健康5 个等级（表3）。

表3 土地利用系统健康分级标准

3 结果与分析

3.1 黑龙江省土地利用的面积变化

如图2 所示，耕地主要集中分布在黑龙江省西南部和东部；草地主要集中分布在黑龙江省西北部，呈斑块分布；林地主要分布在黑龙江省西北部、中部和东南部。其中林地和耕地占黑龙江省总面积的80%以上，耕地主要集中在松嫩平原和三江平原等，林地主要分布于大兴安岭地区、张广才岭和老爷岭等。

图2 黑龙江省2010 年（a）和2018 年（b）土地利用类型分布

由表4 可知，2010 年黑龙江省林地面积为209 963.38 km2，占黑龙江省总面积的46.44%；其次为耕地，面积为164 898.65 km2，占黑龙江省总面积的36.47%；草地和未利用土地面积分别占黑龙江省总面积的6.41%和5.95%，水域和城乡、工矿、居民建设用地面积较小，占比加和不到总面积的5%。

表4 黑龙江省土地利用变化面积 （单位：km2）

2018 年黑龙江省土地利用类型与2010 年比较总体呈现“三增三减”。“三增”指的是耕地，城乡、工矿、居民建设用地和未利用土地面积增加。“三减”指的是草地、林地和水域面积减少。2018 年黑龙江省地类面积增加数量最多的是耕地，面积净变化量为13 135.19 km2，以0.89%的年均变化率增加，其面积为178 033.84 km2，占黑龙江省总面积的39.37%；未利用土地面积是增加幅度最大的地类，年均变化率为5.37%，其面积为39 877.09 km2，占黑龙江省总面积的8.82%；城乡、工矿、居民建设用地不断扩张，增加幅度较大，年均变化率为2.99%，其面积为8 855.14 km2，占黑龙江省总面积的1.96%。面积减少数量最多的地类是林地，净变化量为14 461.52 km2，其面积为195 501.86 km2，但仍占黑龙江省总面积的43.24%；草地年均减少幅度较大，年均变化率为3.42%，其面积为20 079.59 km2，占黑龙江省总面积的4.44%；水域面积年均减少幅度最大，为3.56%，面积净变化量为4 627.28 km2，其面积为9 802.19 km2。

导致上述变化的原因主要是随着黑龙江省经济的不断发展，人口不断增加，工业化、城镇化进程加快，使得人们对各类建设用地项目需求不断增加。并且随着黑龙江省产业结构的不断调整，对土地的重新规划也使得土地利用与结构类型不断变化。由于不合理的耕作方式、林地的不合理砍伐开垦等造成黑龙江省部分地区水土流失、土地沙化、草地退化，进而造成未利用土地面积增加。

3.2 综合评价结果

3.2.1 综合评价 基于上述建立的黑龙江省土地利用系统健康评价指标体系确定的权重，使用综合评价法对黑龙江省土地利用系统整体和各子系统进行了评价。本研究对黑龙江省2010—2018 年的土地利用系统健康综合指数变化进行了分析，从图3 可以看出，黑龙江省的土地利用健康综合指数总体呈波动上升趋势。黑龙江省土地利用健康综合指数变化由2010 年的0.445 上升到2018 年的0.882，土地利用系统健康状况总体好转，但自2010 年和2011 年土地利用系统健康等级呈“不健康”状态。自2011 年后土地利用系统健康呈现波动转变，由“不健康”状态转变为2018 年的“亚健康”状态，土地利用系统健康综合指数的年均增长率为10.91%。究其原因可知，黑龙江省自2010 年以来，全面推进土地整理复垦开发，保持耕地面积稳定，减缓农民日益增长的经济需求与有限土地资源之间的矛盾。加强土地治理，着力改善生态环境质量，大量耕地退还为草地和林地，2010—2018 年黑龙江省耕地面积有11 290.11 km2转换为林地，有3 979.21 km2转换为草地，这对改善黑龙江省生态环境健康十分有益。同时对黑龙江省土地利用结构和布局进行优化，使土地利用和自然环境容量与经济社会的发展相适应。对松嫩平原和三江平原的种植业开展耕地保护与整理，对大兴安岭和张广才老爷岭以及周边林业区域稳定发展进行科学布局。虽然综合指数显示黑龙江省土地利用健康逐渐向好发展，但部分地区生态环境仍存在问题，水土流失、土地退化、土地沙化现象仍然存在，所以对于水土流失的治理和环境保护仍需加大力度。

图3 黑龙江省土地利用系统健康评价结果

3.2.2 综合指标分析 对黑龙江省土地利用系统分类综合指标进行分析，有助于了解各子系统对土地利用健康的影响情况，找出治理薄弱点。2010—2018 年，压力指数方面，呈先增加后减小的趋势，由于压力指标是一个负相关指标，压力指数的值减小说明土地的生态压力正在加大。从图3 可以看出，2010—2014 年黑龙江省土地利用压力状态稳定上升，说明这一时期的土地利用压力较小，有利于系统的健康。2010—2014 年压力指数持续呈下降趋势，2014 年达0.055，说明黑龙江省的土地利用负荷越来越大，土地利用的干扰不断加强。2010 年的压力指数 是2014 年 的3.7 倍，2018 年 是2014 年 的5.2 倍。造成上述趋势主要与人口密度的增加、单位耕地面积上化肥和农膜的大量使用、土地不合理规划等密切相关。如单位耕地面积的化肥施用量从2010 年的324.03 kg/hm2上 升 到2014 年 的372.13 kg/hm2，2018 年下降到362.60 kg/hm2，单位耕地面积的农药施用量从2010 年的0.004 7 kg/hm2上升到2014 年的0.005 5 kg/hm2，2018 年下降到0.004 7 kg/hm2，单位耕地面积的农膜负荷从2014 年的4.35 kg/hm2上升到2013 年5.36 kg/hm2，至2018 年下降到4.89 kg/hm2（数据源自国家统计局中国统计年鉴、黑龙江省统计年鉴、黑龙江省农村统计年鉴等）。造成土地利用压力指数波动的主要原因有城市化水平的逐渐提高，对耕地利用的压力逐渐减小，2014 年以后单位耕地化肥、农药、地膜使用量的减小在一定程度上也有利于土地利用系统的健康发展。

在状态指数方面，总体呈波动上升趋势。2010年的状态指数仅为0.077，2018 年波动增长至0.201，年均增长率为17.9%，但各年份状态指数不稳定，波动较大。虽然2010—2018 年黑龙江省开展了许多工作，如使地均产值由2010年的15 274.15元/hm2上升至2018 年的35 497.90 元/hm2，年均增长率为14.7%；人均粮食占有量也由2010 年的1 469.43 kg/人增长至2018 年的1 989.56 kg/人，年均增长率为3.9%。这是状态指数总体增加的主要原因，但由于2010—2018 年黑龙江省灾害指数等波动幅度较大，对土地利用状态影响较大，如灾害指数最低年份为2014 年（5.80%），灾害指数最高年份为2018 年（29.23%），相差23.43 个百分点。因此，诸多因素有利于黑龙江省土地利用系统状态指数的增加，但也存在一些影响黑龙江省土地利用系统状态指数的因素。

在响应指数方面，总体呈上升趋势，发展水平逐步提高，但也存在一定程度的波动。2010—2017 年响应指数由0.022 稳步上升至0.271，2017—2018 年下降为0.262，为2010 年的11.9 倍。可以看出，系统响应指数方面，在2017 年前一直都以一个平稳的速度在增加，但2018 年略有下降。主要原因可能与农业投入和环保投入减少有关，2017 年财政预算中环保支出减少了20.2%，农业支出占财政支出比减少，2017 年比2016 年减少7.4%，2018 年仅增加1.6%。基于此黑龙江省不仅要做好系统压力和状态工作，对响应方面的工作力度也不能忽视，尤其在治理与环境保护投资方面。

3.3 土地利用系统障碍因素诊断

3.3.1 主要障碍因素的诊断 依据土地利用系统健康障碍因素诊断的计算方法对黑龙江省2010—2018 年的土地利用系统健康障碍度进行计算（表5）。2010 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要集中在财政预算中环保支出（X15）、单位耕地面积农药施用量（X4）、单位农业耕地机械化水平（X13）等，其中财政预算中环保支出是最大阻碍因子；2011 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要包括财政预算中环保支出（X15）、农业支出占财政支出比（X14）、单位农业耕地机械化水平（X13）、灾害指数（X7）等；2012 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要集中在系统状态方面、系统响应方面，主要包括财政预算中环保支出（X15）、农业支出占财政支出比（X14）、粮食单位面积产量（X9）、单位农业耕地机械化水平（X13）等；2013年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要包括粮食单位面积产量（X9）、土地垦殖率（X8）、农业支出占财政支出比（X14）等，其中粮食单位面积产量是最大阻碍因子；2014 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要包括粮食单位面积产量（X9）、灾害指数（X7）、财政预算中环保支出（X15）等；2015 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要包括粮食单位面积产量（X9）、人口自然增长率（X1）、灾害指数（X7）等；2016 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要集中在粮食单位面积产量（X9）、人口自然增长率（X1）、第三产业占GDP 比重（X17）等；2017 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要集中在粮食单位面积产量（X9）、第三产业占GDP 比重（X17）、人口自然增长率（X1）等；2018 年阻碍土地利用系统健康状况改善的障碍因素主要集中在粮食单位面积产量（X9）、第三产业占GDP 比重（X17）、人口自然增长率（X1）等。

表5 黑龙江省土地利用系统健康障碍度因素排序

从单项指标变化情况上来看，在研究期内财政预算中环保支出、单位农业耕地机械化水平、有效灌溉面积指数、粮食单位面积产量、第三产业占GDP比重、人口自然增长率、城镇化水平、人口密度和人均耕地面积变化幅度较大，且存在反复现象。以财政预算中环保支出为例，持续上升时间为2010—2012 年，障碍度从11.77%上升到13.92%，而后不断波动，到2018 年下降至5.05%，且不再是主要障碍因素。粮食单位面积产量障碍度由2012 年的10.72%增加至2014 年的17.05%，而后障碍度逐年下降，2018 年为14.15%，但2013 年以后粮食单位面积产量跃居第一障碍因素，第三产业占GDP 比重、城镇化水平和人口密度的障碍度又逐渐增大。其原因可能是随着黑龙江省经济社会的快速发展，农业现代化水平不断上升，农业水利设施越来越完善，使得耕地的粮食产出能力逐渐增强，但由于城镇化水平增加，人均耕地面积增加，人口密度减小，使得人地矛盾日趋严重，水土协调度等又出现了不平衡现象，从而继续阻碍着黑龙江省土地利用的健康发展。所以为了保障黑龙江省土地利用系统健康发展，需继续加强环境保护的投入和土地利用的规划治理力度，同时关注人口增长和水土协调的平衡。

3.3.2 分类指标的障碍度 如图4 所示，系统压力障碍度随年份呈先减小后增加的趋势，从2010 年的28.83% 下降到2014 年的13.17%，年均减少率为10.86%，2018 年增长至53.52%，2014—2018 年年均增长率为61.28%；系统状态响应障碍度基本上呈先增加后减少的趋势，从2010 年的33.28%增加至2014 年的47.45%，年均增长率为8.5%，2018 年减少至25.39%，年均减少率为9.3%；系统响应障碍度整体呈减小趋势，2010年为37.89%，2018年为21.09%，年均减少率为4.9%。黑龙江省的系统状态障碍度在2014 年后发生明显转折，说明2014 年以后系统状态方面如土地垦殖率、粮食单位面积产量、地均产值等障碍度有所减小。即使系统状态障碍度有所减小，但实际情况仍不容乐观，其障碍度在2015 年前在3 个子系统中最高，2016 年后下降至第2 位，所以后期必须对系统状态引起重视，加大治理和改善力度，从而促进黑龙江省土地利用健康的长远发展。黑龙江省在系统响应方面还需加强，对环境保护的重视程度还不完善。黑龙江省在环境保护与治理方面取得了一定的成效，农耕地的有效灌溉面积指数从2010 年的24.44%增长到2018 年的38.62%；农业支出占财政支出比也由2010 年的15%增加至2018年的17.85%；财政预算中环保支出增加70%以上，年均增加率为8.1%。说明黑龙江省在一定程度上加强了环境保护投资、农业投资与农业治理等的强度，一定程度上提高了土地利用系统的健康情况。系统压力障碍度在2014 年后上升趋势明显，且2014年以后其年增长速率是2014 年以前减少速率的5.6倍，增长速度十分迅速，所以从长远来看，系统压力依旧是阻碍黑龙江省土地利用健康发展的最主要因素。

图4 黑龙江省土地利用系统各分类指标障碍度

4 小结与讨论

对土地利用系统健康的评价，不能仅从资源与环境方面进行分析，要结合社会状况、经济情况、环境现状、资源利用等全方位对土地利用系统进行评价。本研究通过GIS 和遥感技术对黑龙江省的土地利用情况进行分析，并运用PSR 模型，使用熵权法计算评价指标的权重，使用综合评价法从影响土地利用健康的压力、状态、响应3 个方面选取17 个评价指标，构建黑龙江省土地利用系统健康评价体系，对黑龙江省2010—2018 年土地利用系统健康及障碍度因素进行研究分析，目的是在满足人类可持续发展的前提下评价其能否维持系统本身的结构和功能，从而诊断出自然因素和人类活动引起的系统破坏和退化程度，以便提前做出预警，为管理者提供决策依据。通过本研究可以得出以下结论。

1）黑龙江省2010—2018 年6 种土地利用类型中，耕地、未利用地和城乡、工矿、居民建设用地面积增加，草地、林地和水域面积减少。耕地和林地变化面积最大，面积净变化量分别为13 135.19 km2和14 461.52 km2。未利用土地面积增加幅度较大，到2018 年占黑龙江省总面积的8.82%。

2）黑龙江省土地利用健康状况2010—2018 年向好发展，健康综合指数由2010 年的0.445 上升到2018 年的0.882，土地利用系统健康状况总体好转。土地利用等级从“不健康”状态逐渐转变为2018 年的“健康”状态，土地利用系统健康综合指数的年均增长率为10.91%。

3）2010—2018 年阻碍黑龙江省土地利用系统健康的主要障碍因素包括土地垦殖率、地均产值、单位农业耕地机械化水平、农业支出占财政支出比等。这些阻碍因素在2010—2016 年障碍度都大幅减小，但人口自然增长率、人口密度、粮食单位面积产量、第三产业占GDP 比重、城镇化水平等成为新的主要障碍因素。各子系统障碍度分析表明，系统压力的障碍度呈先减少后增加的趋势，系统状态响应障碍度基本上呈先增加后减少的趋势，系统响应障碍度整体呈降低趋势。综上所述，今后对系统压力的治理力度应引起重视，但状态系统和响应系统方面的治理工作也不能松懈。