基于PSR-TOPSIS模型的江西省土地生态安全评价及障碍因子诊断

李佳茹 刘雁 郭小萌 吕志超

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

土地是人类赖以生存的物质基础[1]，其保持良好的生态安全状态是国家和区域生态安全重要的组成部分[2]。近年来伴随社会经济发展，城镇化率和工业化水平也在逐年提高，不合理不科学的土地利用方式造成水土流失、土壤污染等问题亟待解决。中共十九大以来，生态文明建设的相关研究成为热点领域，呈现蓬勃发展的态势，取得许多重要研究成果[3]。近年来，学者们关于土地生态安全的探讨主要包括基础理论、评价体系和研究方法[4]。评价尺度主要集中在时间尺度和空间尺度[5]，主要评价方法有景观生态学方法、主成分分析法、综合指数法、生态足迹法，以及基于PSR框架构建土地生态安全评价模型等[3-8]。本文在基于国内相关研究成果及研究区现状的基础上，采用PSR-TOPSIS模型对2003—2018年江西省土地生态安全状况进行综合性评价，运用障碍度模型计算出主要致脆因子，以期为江西省可持续发展及维护生态系统稳定提供理论指导。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

江西省位于我国东南部，属华东地区。全省面积16.69万km2，省内地貌类型以山地、丘陵为主。江西省位于长江中下游南岸，属亚热带季风湿润气候，年平均气温18℃，年平均降水量为1675mm。江西省为长江三角洲、珠江三角洲和闽南三角地区的腹地，京九线、浙赣线纵横贯穿全境，航空和水运便捷，但经济发展带来的资源和环境破坏也日益严重。另外，随着社会经济的发展，城镇化率由2003年的27.69%上升为2018年的57.34%，建设用地面积也不断增加，土地生态安全所面临的压力与日俱增。

1.2 数据来源

研究数据来源于《江西统计年鉴》(2004—2019年)、《江西省国民经济与社会发展统计公报》(2003—2019年)。部分研究数据可直接获取，其他数据可由原始数据经数学运算后得出。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

土地生态安全影响因素主要包括自然环境、经济、社会等各方面，是一个结构复杂的综合性系统[8]。构建科学合理的指标体系是土地生态安全定性定量评价的重要一步。目前，国际理论界常用联合国经济合作开发署(OEDC)提出的压力-状态-响应框架模型(PSR)来评价土地生态安全状态。在综合自然、经济、社会因素的基础上从土地生态安全压力层面、状态层面、响应层面对指标进行筛选分类，并根据生态安全评价指标选取的完整性、可比性、科学性、层次性和可操作性原则，在参考前人研究成果的基础上[3-7]，选取18个能反映出江西省土地资源利用现状的因素，构建江西省土地生态安全评价及障碍因素指标体系。

2.2 指标权重的确定

2.2.1 指标标准化处理

选取的18项综合指标中包含自然、经济和社会3个层面，由于各项指标对土地生态安全的影响不同，将18项指标按照其对土地产生的正向效益和负向效益分为正向指标和负向指标。在运算前采用极差法对原始数据进行数据标准化处理以消除各指标之间不同量纲的影响[9,10]。其方法如下。

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

2.2.2 指标权重的确定

为减少主观赋权的人为干扰，选取熵权法进行指标的赋权[8-15]，方法如下，结果见表1。

计算第j项指标在第i年的比重fij：

(3)

计算第j项指标的熵ej：

(4)

式中，当fij=0时，令fijlnfij=0。

计算指标权重Wj：

(5)

2.3 TOPSIS评价模型

TOPSIS法主要应用于多指标评价研究中，其原理是通过测算所选对象与“最优解”和“最劣解”的距离来进行排序，计算各指标与理想解的贴近度，最终揭示各方案结果。本研究在构建PSR模型的基础上，运用TOPSIS模型[13-15]对江西省土地生态安全水平进行综合性评价。

表1 江西省土地生态安全评价指标体系

建立加权规范化矩阵：

(6)

确定理想解L+和L-：

正理想解：

L+={maxLij|i=1,2,3，…m}

(7)

负理想解：

L-={minLij|i=1,2,3，…m}

(8)

式中，maxL+和minL-为加权规范化矩阵的最大值和最小值。

计算指标到正理想解和负理想解的距离Zi+和Zi-：

(9)

(10)

计算指标贴近度Ci：

(11)

式中，指标贴近度值越大，表示第i年的土地生态安全状态越好，指标贴近度值越小则状态越差。参考张洪等[14]研究成果，结合江西省实际情况，采取等间距划分法将指标贴近度的值划分为以下5个等级，见表2。

表2 江西省土地生态安全等级划分

2.4 障碍因子诊断模型

在评价区域土地生态安全基础上，使用障碍因子诊断模型提炼和分析主要障碍因子，有助于改善和提升土地生态安全状态[13-15]。

(12)

Nij=∑Mij

(13)

3 结果与分析

3.1 江西省土地生态安全综合状况分析

在PSR模型选取18个影响因子的基础上，结合TOPSIS模型法对江西省土地生态安全状况进行计算分析，得到江西省土地生态安全贴近度变化情况图，见图1，以及土地生态安全Z+和Z-变化情况图，见图2。

图1 2003—2018年江西省土地生态安全贴近度变化情况

图2 2003—2018年江西省土地生态安全Z+、Z-变化情况

从图1可以看出，2003—2018年江西省土地生态安全水平大体上处于II～III级，土地生态安全处于较不安全和基本安全状态，整体呈现缓慢上升趋势。只有2018年达到VI级，土地生态安全处于较安全的状态。具体来看，贴近度由2003年的0.443上升到2018年的0.635，增加了0.192。其中，2007—2008年、2009—2016年、2017—2018年呈上升趋势，在2003—2007年、2016—2017年有小幅度下降。由图2可以看出，Z-值总体上呈上升趋势，由2003年的0.151上升到2018年的0.208，总体上上升了0.057，逐渐偏离负理想解。Z+值总体上呈下降趋势，由2003年的0.189下降到2018年的0.119，总体上下降了0.070，逐渐趋近于正理想解。研究期内，江西省土地生态安全状况可以分为3个阶段。2003—2007年，土地生态安全状态由III级下降至II级，其原因在于该时期人口众多，不合理的经济发展方式对土地生态安全的压力增大；2007—2013年，江西省土地生态安全状态处于缓慢上升状态，其中2012—2013年增幅最大，由0.379增至0.417，上升了0.038，生态安全状况由II级回到III级，随着科学发展观的提出，江西省落实了以人为本和可持续的发展观，从而缓解了环境和土地生态安全的压力，使土地生态安全状况得到缓慢回升；2013—2018年，土地生态安全状态处于大幅提升状态，由III级升至VI级，达到较安全水平，指标贴近度由0.417升至0.635，增加了0.218，这表明江西省在维护土地生态平衡，坚持可持续发展，推动生态文明建设方面取得了重要进步。

3.2 江西省土地生态安全子系统分析

通过TOPSIS模型计算出江西省土地生态安全各子系统发展状况图，见图3，可以得到2003—2018年江西省土地生态安全各子系统发展水平和变化程度。

3.2.1 土地生态安全压力层面

由图3可知，在2003年江西省土地生态安全压力子系统贴近度远高于状态子系统和响应子系统，2003—2018年压力层面土地生态安全整体状况呈现下降趋势，从0.697下降至0.413，土地生态安全等级由VI级下降为III级。2003—2011年，贴近度呈现出大幅下降趋势，由0.697下降至0.267，主要原因在于该时期工业废水排放量和工业固体废弃物排放量逐年增加，并且在农业生产中，化肥施用量的增加也为土地生态安全带来了压力。2011—2016年，贴近度发展有缓慢回升后呈现缓慢下降趋势，主要原因在于该时期江西省政府大力发展生态建设，坚持走可持续发展路线，减少工业废水排放量和工业固体废弃物排放量，农业化肥施用量也控制在一定范围中，土地生态安全状况得到了一定的缓解。2016—2018年，贴近度呈明显上升趋势，主要原因在于该时期内江西省政府持续贯彻可持续发展观，在上一阶段的基础上不断加强生态建设力度，土地生态安全状况得到了较好的巩固，表明2003—2018年江西省土地生态安全建设取得了一定成效。但总体来说，江西省土地生态安全压力状况仍面临较大挑战。

图3 2003—2018年江西省土地生态安全各子系统贴近度发展趋势

3.2.2 土地生态安全状态层面

由图3可知，2017年土地生态状态子系统贴近度出现回弹，主要原因在于该时期农林牧渔业的产值有所降低，另外,建设用地面积的快速增加也给土地生态安全状况造成较大压力。总体来看，土地生态安全状态子系统贴近度整体上呈现出上升趋势，从2003年的0.175上升至2018年的0.848，土地生态安全等级由I级大幅提升至V级，由不安全状态发展到安全状态。总体上看，江西省状态子系统发展趋势较好。结合所收集数据分析认为，该时间段研究区内建成区绿化覆盖率、固定资产投资完成额飞速增长，第一产业人口比重快速下降，经济发展水平逐渐趋向于高质量发展，对江西省土地生态安全产生了积极响应。

3.2.3 土地生态安全响应层面

由图3可知，土地生态安全响应子系统贴近度整体呈现上升趋势，从0.289上升至0.766，总体上升0.477，土地生态安全等级由II级上升为VI级。其中，2003—2005年呈下降趋势，并在2005年达到最低值0.043，而后除了2017年由于当年造林面积、工业固体废弃物综合利用率下降造成的回弹外，响应子系统的贴近度由2005年的0.043上升至2018年的0.766。结合数据分析，土地生态安全响应子系统贴近度大幅提升的主要原因是该时期第三产业占GDP比例大幅增加，由2003年的37.6%上升至2018年的47.4%，工业固体废弃物的利用率由22.13%增加至42.41%，这说明政府出台的一些列相关发展措施有效减轻了土地的生态压力，使土地生态安全朝更健康更安全的趋势发展。

3.3 障碍因子诊断分析

3.3.1 准则层障碍因子分析

通过障碍因子模型可以得到2003—2018年江西省准则层指标障碍度，见表3。

表3 2003—2018年江西省土地生态安全准则层指标障碍度

由表3可知，江西省土地生态安全准则层障碍度变化较为显著。总体上来看，2003—2010年阻碍土地生态安全的主要障碍因子为状态子系统，状态子系统障碍度在2003—2008年均在39%以上。在2010年后，土地生态安全的主要障碍因子变为压力子系统。具体来看，2003—2018年状态子系统障碍度和响应子系统障碍度都有所降低，尤其是状态系统障碍度，由2003年的51.45%下降至2018年的27.08%。总的来说，准则层障碍因子由状态子系统向压力子系统转移，这符合社会发展趋势。由于政府调控能力的增强和可持续发展理念的双重加持，使得环境保护力度逐渐增强，推动土地生态安全良性发展。但城镇化的快速发展和人口增多使土地生态负荷压力增大，因此江西省土地生态安全问题仍需重视。

3.3.2 指标层障碍因子分析

选取每年障碍度排名前5的指标作为主要致脆因子进行分析，见表4。

表4 2003—2018年江西省土地生态安全主要障碍因子

由表4可知，在2003—2007年，主要障碍因子集中在状态子系统和响应子系统，出现次数最多的分别为建成区绿化覆盖率(C11)、农林牧渔业总产值(C9)和人均公园绿地面积(C5)。这表明在该时期内，农业在产业结构中占比较大，粗放型的经济发展方式对研究区土地生态安全造成较大威胁，并且该时期内随着城镇化的发展，城市人口增多对环境的压力逐渐增大，研究区内可持续发展理念及相关政策没有落实到位。直到2008年，随着相关政策的不断强化以上因子才退出主要障碍因子行列，除2017年，由于人口增长导致建成区绿化覆盖率配套不足导致其重新进入主要障碍因子行列外，一直没有回弹。2008—2018年，主要障碍因子集中在压力子系统和状态子系统，主要为人口密度(C1)、工业固体废弃物产生量(C6)、工业废水排放量(C4)、农业化肥施用量(C3)和建设用地面积(C12)，表明该时期人口的增加和城镇建设用地的扩张对土地生态的压力不断加剧，农业生产条件仍是土地生态安全的制约因素，而工业固体废弃物产生量(C6)、工业废水排放量(C4)成为障碍因子则表明工业废水和固体废弃物在江西省土地生态安全状况改善中仍占有重要地位。除上述主要障碍因子外，第三产业占GDP比重(C16)和工业固体废弃物排放量(C18)也交替出现在主要障碍因子行列，这说明产业结构仍需进一步调整，工业固体废弃物的处理力度仍需进一步增大。

4 结论与建议

4.1 结论

总体来说，2003—2018年江西省土地生态安全发展趋势良好，由III级基本安全升至VI级较安全状态。发展过程可大致分为3个阶段，2003—2007年小幅下降阶段，2007—2013年缓慢上升阶段，2013—2018年大幅上升阶段。同时，各子系统发展并不均衡，与状态子系统和响应子系统相比，压力子系统的发展明显滞后。状态子系统提升最为显著，这说明今后应继续加强环境建设，坚持走可持续发展路线。

从准则层障碍度看，研究区土地生态安全障碍度整体变化显著。其中，压力子系统变化最为显著，其次是状态子系统，响应子系统变化最不显著。整体上准则层主要障碍因子由状态子系统向压力子系统转移。这一结果与压力子系统贴近度发展滞后相符合，这说明在今后的工作中，缓解土地生态安全的压力仍然是重中之重。

从指标因子障碍度层面来看，主要障碍因子由建成区绿化覆盖率(C11)、农林牧渔业总产值(C9)和人均公园绿地面积(C5)过渡为人口密度(C1)、工业固体废弃物产生量(C6)、工业废水排放量(C4)、农业化肥施用量(C3)、建设用地面积(C12)、第三产业占GDP比重(C16)和工业固体废弃物排放量(C18)，这符合社会发展趋势，表明人口、农业和工业是造成土地生态安全问题的重要因素。

4.2 建议

综合上述评价结果，提出以下建议，以期维护江西省土地生态安全。进一步推进产业结构调整升级。产业结构在区域经济发展中占重要地位，要推动经济发展方式转变，注重环保产业发展，大力发展环境友好型、资源集约型企业。减少工业废水和工业固体废弃物的排放，在农业生产中合理利用化肥和农药。从上述分析中可以看出，农业生产中使用的化学物品以及工业生产过程中产生的废弃物排放是土地生态安全的主要制约因素。适度控制人口增长。人口增长过快会导致资源紧张，生态环境破坏加剧，适度控制人口增长有利于环境保护，缓解人类和资源之间的矛盾。增加植树造林面积，适当减少建设用地面积。