基于PSR-TOPSIS模型的“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全评价

陕永杰，魏绍康，苗圆，原卫利

（山西师范大学 地理科学学院，山西 太原 030031）

土地生态安全的优劣对于一个地区土地的可持续发展起着至关重要的作用，是一个区域土地资源合理配置和社会发展的基础和前提。维护土地生态安全不仅可以促进国家的繁荣稳定，也是土地可持续发展的必然途径。2020 年8 月31 日，中共中央政治局审议通过了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》。2021 年4 月13 日，中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长栗战书在西安黄河保护立法座谈会强调，要加快立法进程，制定保护黄河的良法来造福人民。这是自从2014 年3 月31日国务院批准《晋陕豫黄河金三角区域合作规划》以来，中央对黄河流域生态环境和黄河保护立法的重要指示，也是对“晋陕豫黄河金三角”地区生态环境安全的高度重视。为了对土地生态安全进行科学、合理、有效的评价，党的十八大倡导推行黄河流域转变土地资源利用方式、推行生态文明建设的举措，从重视土地生态数量转向重视质量发展，是人与自然和谐发展的重要研究[1]。

近年来，国内外许多学者利用多方位、多层次的评价模型、评价方法研究不同区域土地生态安全状况。在评价模型上，有PSR 模型[2]、CLUE-S 模型[3]、“自然—经济—社会”模型[4]等；在评价方法上，主要包括层次分析法[5]、物元分析法[6]、面板数据聚类分析法[7]、灰色关联度模型[8]、空间变异系数法[9]、BP 神经网络法[10]等；在决策分析上，有综合指数法[11]、TOPSIS 法[12]等。在以行业绩效综合评估[13]、工程项目选址[14]、道路安全性能评估[15]等项目的土地生态安全评价中，曾广泛使用TOPSIS 法科学研究土地生态安全状况和理想状态之间的距离，从而明晰研究区土地生态安全的状况。李子君等[16]、郑岚等[17]、张焱文和王枫[18]、王洋等[19]、刘娇等[20]、吕广斌等[21]、张洪等[22]、余文波等[23]分别从沂蒙山区、嘉峪关市、广东省、郑州市、云南省、重庆市、大理市、南昌市进行土地生态安全评价。黄河流域是生态环境脆弱区，对黄河流域“晋陕豫黄河金三角”地区进行土地生态安全评价的研究未见报道。

本文通过研究该地区近年来土地利用情况，运用PSR 模型框架并结合基于熵权的TOPSIS 评价模型，结合研究区46 个县（市、区）的自然、经济和社会发展状况，评价该区域土地生态安全程度，并总结前人的研究，建立“压力—状态—响应”土地生态安全综合评价指标体系，根据评价结果提出客观有效的建议，为政府相关部门提供改善区域土地生态安全、促进区域土地可持续利用的依据。

1 研究区概况

“晋陕豫黄河金三角”地区位于山西省、陕西省和河南省的交界处，处于黄河中游，约5.78 万平方千米，经纬度大致处于33°31′N～36°57′N，108°58′E～112°34′E之间，包括山西省运城市、临汾市，河南省三门峡市，陕西省渭南市，共辖47 个县（市、区）（图1）。年平均气温14.7℃，年降水量在453.9～680 mm 之间，研究区属温带大陆性气候，冬寒夏热，温差较大；截至2020 年年底，研究区GDP 总量达6 465.78 亿元，常住人口约1 746.08 万人，人均DPG 为全国平均水平的51.10%。

图1 “晋陕豫黄河金三角”行政区划图

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文土地利用遥感监测数据来自地理空间数据云（http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m×30 m，使用Landsat8 TM 遥感影像数据和DEM 数据。指标数据主要来自2005—2018 年的《山西省统计年鉴》《河南省统计年鉴》《陕西省统计年鉴》及各地区县域统计年鉴、《土地利用总体规划》数据。部分社会、经济和生态统计数据来自2005—2018 年临汾市、运城市、三门峡市和渭南市社会经济统计公报。指标个别缺失数据通过查阅相关文献资料进行补充，三门峡市湖滨区因数据缺乏，故不做研究。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标体系构建

土地生态安全评价中所构建的评价指标体系是否科学合理至关重要。1990 年联合国经济合作开发署（OECD）提出了测算生态安全的“压力—状态—响应”模型（PSR 模型），该模型在实际运用中普遍用来建立土地生态安全评价指标体系，研究人类生产生活和生态环境系统之间的联系。本文借鉴已有的研究成果[24-25]，结合研究区实际情况，运用PSR 模型构建“晋陕豫黄河金三角”地区的土地生态安全评价指标体系。

2.2.2 评价指标标准化

由于各评价指标数据正负性质不同，各指标数量级也存在较大差别，为了消除量纲的影响，首先对评价指标进行极值标准化处理，其中：

式中：Xij是指标的实际值，i=1,…,m，代表年份数；j=1,…,n，代表评价指标；Xjmax、Xjmin为第j项指标的最大值和最小值。

2.2.3 熵权法确定权重

目前，主观和客观赋权法是权重计算的两种方法。权重的计算方法有AHP 层次分析法、变异系数法、特尔菲法、熵权法等，为了减少人为因素的不确定性，使评价分析结果科学有效，文章中确定权重的方法采用客观赋权法中的熵权法来确定指标权重，公式为：

（1）计算第j项指标的熵值：

2.2.4 TOPSIS法评价模型

TOPSIS 法评价模型是通过归一化矩阵找出多目标中的最优及最劣目标，并通过各指标与最优及最劣目标间的距离，获取各指标与理想解之间的贴近度，最终揭示各方案结果[26]。

（1）加权规范化矩阵V的建立：

式中：Wj为各指标权重；eij为标准化矩阵。

（2）确定正负理想解V+和V-：

式中：maxνij和minνij为加权规范化矩阵最大值和最小值。

（4）计算指标贴近度Ci：

式中：Ci介于0 到1 之间，其值越大，表明第i年土地生态状况越安全。

依据研究区存在的实际情况，参考已有研究结果[27-29]，利用非等间距方法根据贴近度C分为5 个土地生态安全等级（表1）。

表1 土地生态安全评价标准与安全等级

3 结果与分析

3.1 土地生态安全时间变化分析

土地生态安全综合值表征研究区时间变化对土地生态安全的影响。图2 中，2005—2018 年，研究区各县（市、区）土地生态安全综合值在整体上呈现出2005—2010 年先下降到2010—2015 年小幅度上升，以及2015—2018年略微下降的趋势，表明研究区土地生态安全状况不容乐观，土地生态安全之路仍任重道远。从2005—2018年整体来看，研究区县（市、区）土地生态安全综合值为0.153～0.551，最小值和最大值分别为蒲城县（Ⅴ）和义马市（Ⅱ）。2005 年研究区县（市、区）土地生态安全综合值在0.187～0.54，最小值和最大值分别为蒲城县（Ⅴ）和韩城市（Ⅱ）。2010 年研究区县（市、区）土地生态安全综合值在0.133～0.647，最小值和最大值分别为浮山县（Ⅴ）和义马市（Ⅱ）。2015 年，义马市（Ⅱ）的土地生态安全综合值为0.534，为研究区最大值，蒲城县（Ⅴ）土地生态安全综合值最小，为0.167。到2018 年，各县（市、区）土地生态安全综合值在0.132～0.458，最小值为蒲城县（Ⅴ），最大值为义马市（Ⅲ）。14 年间，46 个县（市、区）土地生态安全综合值37 个县（市、区）下降，9 个县（市、区）土地生态安全综合值上升，9 个县（市、区）分别为富平县（Ⅳ）、新绛县（Ⅳ）、临猗县（Ⅴ）、襄汾县（Ⅳ）、稷山县（Ⅳ）、曲沃县（Ⅳ）、白水县（Ⅳ）、闻喜县（Ⅴ）、义马市（Ⅱ）。

图2 研究区各县（市、区）土地生态安全综合值雷达图

14 年间研究区土地生态安全综合值呈现不断变化的趋势，压力和响应2 个变量是影响其土地生态安全综合值变小的主要原因，具体指标表现在人口密度（A1）、人口自然增长率（A3）、城镇化率（A4）、单位耕地化肥施用量（A5）、人均GDP（A12）、林地面积比重（A15）、草地面积比重（A16）、水域面积比重（A17）、建设用地面积比重（A18）方面。人口密度大、林地草地水域和建设用地面积比重不协调、耕地滥用农药等都是主要原因。

3.2 土地生态安全空间差异分析

依据“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全评价标准与安全等级，利用ArcGIS 10.6 软件平台做出研究区各县（市、区）土地生态安全等级分布图（图3）。

图3 2005—2018年研究区土地生态安全等级空间分布

2005 年，研究区的韩城市土地生态安全等级为较安全（Ⅱ）；蒲城县土地生态安全等级为极不安全（Ⅴ）；研究区西部北部和中部的富平县、汾西县、万荣县等县（市、区）土地生态安全等级为较不安全（Ⅳ）；研究区的西北部、东部、南部的永和县、垣曲县、卢氏县等县（市、区）土地生态安全等级为临界状态（Ⅲ）。与2005 年相比，2018 年研究区23 个县（市、区）土地生态安全等级降低1级，河津市（Ⅲ）、曲沃县（Ⅳ）和富平县（Ⅳ）3 个县（市、区）土地生态安全等级提高1 级，20 个县（市、区）土地生态安全等级保持不变。综合来看，2005—2018 年研究区土地生态安全等级呈现2005—2010 年先降低、2010—2015年微小提升、2015—2018 年又小幅度下降的规律。

从指标权重来看（表2），研究区土地生态安全空间差异影响因素为（A3）人口自然增长率、（A11）单位面积粮食产量、（A7）财政收入增长率、（A2）人均耕地面积、（A14）城镇居民人均收入、（A4）城镇化率等，指标权重均在0.060 以上，而影响各县（市、区）土地生态安全差异因素又各不相同。

表2 土地生态安全评价指标与权重

分析其具体原因，在2005—2010 年，研究区各县（市、区）牺牲本地区的土地生态安全促进本地社会发展，人口增加快、建设用地侵占耕地、林地、草地、水域速率加快，土地农药化肥使用水平偏高，产业以高污染的重工业为主等情况，使得该地区该时间段土地生态安全水平下降；2010—2015 年，研究区不断重视该地区土地生态安全情况，比如临汾市重视其严重恶劣的空气质量而关闭大量高污染企业，其余县市也在合理协调耕地、林地、草地、水域、建设用地面积比重，使得该时间段土地生态安全水平小幅度提升；2015—2018 年，由于该地区生态环境脆弱，黄土高原地区治理难度大，加之社会经济发展和人口的提升，使得该地区土地生态安全水平呈下降趋势。

3.3 土地生态安全子系统分析

（1）土地生态安全压力子系统。由图4、图5、图6可知，“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全压力子系统在2005—2010 年呈下降态势，2010—2015 年呈上升态势，而在2015—2018 年又呈现下降态势。生态安全压力子系统2005—2018 年均高于状态子系统，在2005—2006 年、2012—2016 年高于响应子系统，其余年份低于响应子系统。研究区的富平县、灵宝市、陕州区、义马市等县（市、区）趋向负理想解，S+较小，S-较大，贴近度都在0.457以上，从而使得上述县（市、区）的土地生态安全压力小于其他地区，其中富平县的贴近度最高，超过了0.50；而乡宁县、蒲县、大宁县、垣曲县等县（市、区）S-偏小、S+偏大，贴近度均在0.132 以下，处于极不安全等级状态。导致该情况的原因是：第一，乡宁县、蒲县、大宁县、垣曲县等处于极不安全状态的县（市、区），人口自然增长率（A3）较高，人口密度（A1）相对较高，人口的相对密集导致人均耕地面积的偏低，当地的土地生态由于耕地的沉重压力不堪重负；第二，极不安全状态地区的生态环境脆弱，近年来耕地面积比重（A6）的压力导致单位面积化肥使用量（A5）增加，给土地生态也带来了压力；第三，极不安全状态地区由于近年来建设用地增加，这使得这些地区本就脆弱的土地生态环境更加恶化。

图4 研究区土地生态安全子系统S +变化趋势

图5 研究区土地生态安全子系统S -变化趋势

图6 研究区土地生态安全各子系统贴近度变化趋势

（2）土地生态安全状态子系统。由图4、图5、图6可知，“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全状态子系统在2005—2018 年均低于压力和响应子系统，在贴近度C的0.3 附近微小幅度波动。义马市、灵宝市、陕州区、卢氏县、渑池县等县（市、区）S+较大，接近正理想解，五个县市中贴近度均大于0.293，安全状态均在较不安全状态以上。而研究区中大宁县和永和县土地生态安全状况最差，贴近度均为0.036，与土地生态安全状况最好的义马市的贴近度0.812 相差0.776。大宁县和永和县地域偏僻山地较多，单位面积粮食产量（A11）、单位耕地产值（A10）、农业机械化水平（A8）、地均GDP（A9）均较低，这是造成两地土地生态安全较低的原因，而义马市、灵宝市、陕州区、卢氏县、渑池县情况则相反。

（3）土地生态安全响应子系统。由图4、图5、图6可知，研究区土地生态安全响应子系统在2005—2018年间均高于状态子系统，在2006—2012 年、2016—2018 年高于压力子系统，其余年份低于压力子系统。生态安全响应子系统在2005—2010 年下降趋势较大，而在2010—2015 年小幅度上升，在2015—2018 年又呈现小幅度下降态势。大荔县、韩城市、河津市、合阳县等县（市、区）S+较小，贴近度都大于0.475，而S-都大于0.119，S+和S-相差距离较大。而研究区中蒲城县、富平县、临猗县、澄城县、新绛县等S-偏小，S+偏大，贴近度均0.182 以下，处于极不安全等级状态。大荔县、韩城市、河津市、合阳县等县（市、区）近年来经济社会建设稳步发展，政府等部门对生态环境十分重视，无论是在经济方面的人均 GDP（A12）、农民人均纯收入（A13）、城镇居民人均收入（A14）等的提高，还是林地面积比重（A15）、草地面积比重（A16）、水域面积比重（A17）的增加，以及建设用地面积比重（A18）的合理配置，都做得较好。

3.4 土地生态安全综合状况分析

根据图7、图8 的研究结果可知，2005—2018 年“晋陕豫黄河金三角”地区的土地生态安全状况呈2005—2010 年逐步下降、2010—2018 年呈现先小幅度上升、后期趋于平稳的态势。S+整体呈现小幅上升趋势，逐步偏向正理想解，后期趋于平稳态势；S-则大体上呈微小幅度变化，整体趋于平稳态势。在贴近度方面，由2005年的0.318 3 下降到2018 年的0.269 5，下降了0.044 8。土地生态安全状况不容乐观，由2005 年的临界状态等级到2018 年的较不安全等级。研究区14 年间除2005年处于临界状态外，其余年份均在较不安全等级状态下起伏变化，2005—2010 年土地生态安全综合动态度呈现不断下降趋势，主要原因是压力和状态2 个变量的正理想解S+综合动态度增加较快，而响应的综合动态度也处于上升态势，从而使得2010 年研究区贴近度C达到最低的0.223，该时间段研究区重视经济发展忽视环境质量，这与建设用地急剧增加，侵占耕地、林地、草地面积息息相关。2010—2015 年，随着政府逐步重视环境质量，退耕还林还草，建设用地侵占耕地等面积逐步缓解，土地生态安全综合动态度呈现小幅度上升趋势，S+的压力变量处于逐步下降态势，状态变量处于微小下降趋势，而响应变量也从微小增加态势到后期的平稳态势，S-则呈现较稳定态势，在贴近度C方面从2010 年的0.223微小上升到2015 年的0.272，但由于治理难度大，研究区自然状况恶劣、大部分处于生态脆弱的黄土高原区域，导致该地区仍处于较不安全等级水平，这与该地区实际情况相吻合。2005—2018 年，贴近度C方面由2015 年的0.272 到2018 年的0.269，变化幅度较小呈稳定态势，在S+方面除响应变量上升速度较快以外，压力和状态2个变量呈稳定态势，而S-的3 个变量也处于稳定态势。

图7 2005—2018年研究区土地生态安全发展态势

图8 2005—2018年研究区土地生态安全S +、S -发展趋势

从整体上看，“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全状态依旧形势严峻，14 年间前5 年下降，随后9 年小幅度提升，后期趋稳，但都处于较不安全等级水平，侵占耕地面积严重，且化肥等污染导致土地资源退化严重，建设用地侵占耕地、林地、草地、水域情况仍不容乐观，距离土地安全状态仍有很长的路要走。研究区在今后发展中，不断加大土地生态安全的治理力度，大力倡导人与自然和谐相处，应该成为本地区土地健康发展重要关注点之一。

4 结论与讨论

（1）从时间变化来看。2005—2018 年研究区土地生态安全等级呈现2005—2010 年先降低、2010—2015 年微小提升、2015—2018 年又小幅度下降的规律。14 年间研究区土地生态安全综合值呈现不断变化的趋势，压力和响应2 个变量是影响其土地生态安全综合值变小的主要原因，具体指标表现在人口密度（A1）、人口自然增长率（A3）、城镇化率（A4）、单位耕地化肥施用量（A5）、人均GDP（A12）、林地面积比重（A15）等方面。人口密度大、林地草地水域和建设用地面积比重不协调、耕地滥用农药等都是主要原因。

（2）从空间差异来看。与2005 年相比，到2018 年，研究区23 个县（市、区）土地生态安全等级降低1 级，河津市（Ⅲ）、曲沃县（Ⅳ）和富平县（Ⅳ）3 个县（市、区）土地生态安全等级提高1 级，20 个县（市、区）土地生态安全等级保持不变。

（3）从整体上看。研究区土地生态安全状态依旧形势严峻，14 年间前5 年下降，随后9 年小幅度提升后期趋稳，但都处于较不安全等级水平，建设用地侵占耕地、林地、草地、水域情况仍不容乐观，且化肥、农药等污染导致土地资源退化严重，距离土地安全状态仍有很长的路要走。

利用PSR-TOPSIS 模型对研究区2005—2018 年土地生态安全状况进行分析评价，通过对比前人研究成果[27-29]，所得出的结果与之相符合，比较准确地反映了研究区的土地生态安全状况，表明该研究结果和方法有效可行。科学的评价指标体系和有效的评价方法是保障土地生态安全结果准确可行的基础，因此对指标、方法和评价模型的选择依旧是值得不断研究的问题。研究的不足之处：由于研究区涉及3 个省份47 个县（市、区），在统计和收集土地生态安全指标数据时存在2 个省份有数据，另1 个省份没有数据等情况，导致比如单位耕地农药使用量、三门峡市湖滨区等指标数据不足，这是今后对该地区分地市进行深入探讨的方向。