基于PSR模型的昆明市土地生态安全评价

王欢 彭海英

(云南财经大学国土资源与持续发展研究所，云南 昆明 650221)

引言

土地是人类进行生产生活基本的物质保障，是人类一切活动得以进行的物质基础[1]。“生态安全”最早由Lester R Brown提出，其在《建设一个可持续发展的社会》中指出想要实现人与自然的和谐共生就必须树立可持续发展理念，重视生态安全保护[2]。当前，生态文明建设和生态安全保护被提到新的高度，先发展再保护的社会经济发展道路与土地利用方式逐渐退出历史舞台，人们更加重视生态环境保护与社会经济发展之间矛盾的权衡。区域生态安全和区域土地生态安全成为生态文明建设的重点，受到众多学者的关注。

有关学者对土地生态安全评价的研究重点主要集中于以下方面：指标构建模型，李青松等在PSR模型的基础上构建指标体系，分别对甘肃省、西藏自治区山南市等研究区域的土地生态安全进行评价，测算出2008—2017年甘肃省土地生态安全综合指数有较大幅度的提高[3]，2010—2020年山南市土地生态安全指数由0.41增长至0.69，土地生态安全水平提高[4]；王文萱等将DPSIR模型作为评价指标体系的基础模型评价湖南省、重庆市等区域的土地生态安全，结果表明，湖南省2000—2016年土地生态安全水平显著提高且区域间发展不平衡[5]，重庆市的土地生态安全等级由1997年的不安全级逐渐转变为2012年的敏感级，截至2012年，重庆市土地生态环境较为脆弱[6]；王大海等从环境、经济、社会方面(EES模型)出发，构建评价指标体系对哈尔滨市土地生态安全进行评价[7]。评价方法，主要有主成分分析法[8]、综合分析法[9]、层次分析法[10]等，王鹏等运用主成分分析法测算得出衡阳市市区土地生态安全水平高于其他县级地区[8]；王一山等运用综合评价分析法计算出2017年乌鲁木齐市土地生态安全整体处于中等水平[9]。影响因子分析，主要有灰色关联度分析法[11]、因子贡献度分析法[12]、障碍因子诊断模型[13]等，苏正国等采用灰色关联度分析方法测算出与2005—2015年广西地区土地生态安全关联度最高的前4项指标依次为造林面积、城镇化水平、森林覆盖率以及第三产业比重[11]；王军等运用因子贡献度分析法得出影响河北省农业生态安全的主要因子为农作物单产水耗、农药使用强度以及化肥使用强度等[12]。

昆明市是我国面向中东、东南亚、南亚以及非洲等地区的前沿，具有独特的区位发展优势。2011—2020年，昆明市人均GDP由39168元增长至80584元；城镇化率由66%提高至79.67%；社会经济水平迅速提高，产业化水平以及区域农业现代化水平迅速发展[14]。与此同时，建设用地不断扩张[15]；人口持续增加，由2011年的653.8万人增长至2020年的846.3万人，区域内人多地少等矛盾日益尖锐。目前以昆明市作为研究区域进行的土地评价大多集中于土地集约利用[16，17]、土地适宜性[18]等方面，对土地生态安全进行评价的研究较少。对昆明市土地生态安全进行评价研究能够有效揭示区域土地生态安全现状及其变化过程，在此基础上对影响土地生态系统发展演化的因素起到监督作用[19]。

本研究从自然和社会经济出发，在PSR模型的基础上构建评价指标体系，测算2011—2020年昆明市土地生态安全水平，采用灰色关联法测算各因子对昆明市土地生态安全水平的影响程度，为保障区域土地生态系统可持续发展以及争当全国生态文明建设排头兵提供科学基础。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

昆明市地理坐标E102°10′～103°40′，N24°23′～26°22′，地处我国西南地区。2020年末昆明市平均人口为846.3万人，城镇化率为79.67%。其主要地貌类型是湖盆岩溶高原地貌，平均海拔约为1891m，地势呈由北向南阶梯状逐渐递减形态。昆明市以亚热带高原季风气候为主要气候类型，日照时间长，霜期短，年平均降雨量为1062.8mm，旱雨季分明。

1.2 数据来源

本研究的数据主要来源于《云南统计年鉴(2012—2021年)》《昆明统计年鉴(2012—2021年)》《昆明市国民经济和社会发展统计公报(2012—2021年)》及政府相关网站信息。

1.3 土地生态安全评价体系构建

1.3.1 指标选取

压力(Pressure)-状态(State)-响应(Response)(P-S-R)框架模型是20世纪80年代末由联合国环境规划署(UNEP)与经济合作与发展组织(OECD)共同发展起来的一种评价框架，能深刻地揭示人类活动、社会经济、生态环境之间的因果关系[20]。本研究在PSR模型的基础上构建昆明市土地生态安全评价指标体系，旨在通过所选取的评价指标测度人类在土地上进行的生产生活活动对昆明市土地生态系统所产生的压力，在压力下昆明市土地生态系统所呈现的状态及社会对造成现有土地状态变化的压力响应，包括政策调整、环境保护措施以及其他响应[21]。

本研究遵循数据可获取性、系统性、科学性、可行性等原则[22]，从土地生态安全的概念出发，结合昆明市实际情况，基于PSR模型框架，参考相关研究成果构建2011—2020年昆明市土地生态安全评价指标体系[23，24]。从与昆明市土地生态安全相关的社会、环境、经济方面的压力；环境、资源和社会经济方面的状态；社会、经济方面的响应3个维度选取了年平均人口、化肥施用量、建成区绿化覆盖率、当年完成营造林面积、人均GDP等18项指标，见表1。根据指标对评价结果产生的积极和消极影响将指标趋向性分为正向和负向。

表1 昆明市土地生态安全评价指标体系

1.3.2 计算步骤

1.3.2.1 指标数据标准化

由于指标的单位、性质不同，需要对各项指标的原始数据进行标准化处理。对于不同趋向的指标采取不同的公式进行处理。

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

式中，φij指第j(j=1，…，n)年第i(i=1，…，m)项指标进行无量纲化处理后的值；Cij是指第j年第i项指标的原始值；Cmin、Cmax分别指2011—2020年第i项指标的最小值和最大值。

为消除φij=0时的影响，将φij整体向右平移0.0001个单位。

1.3.2.2 指标权重赋值

熵权法是客观给各项评价指标赋权的方法，其能够有效避免对指标进行主观赋权的部分不足之处[25]。在将数据进行标准化处理后，运用熵权法为各项指标赋权。将Pij定义为第j(j=1，…，n)年第i(i=1，…，m)项指标的比重；Ei为第i项指标的熵值；Wi为第i项指标的权重。具体计算步骤：

(3)

(4)

(5)

各项指标权重如表1所示。

1.3.2.3 计算综合指数

本研究选择综合指数法测算昆明市2011—2020年的土地生态安全值。计算公式：

(6)

式中，Vi指研究区域土地生态安全值，当Vi越趋近于1时表明该研究区域土地生态安全水平越高，反之，则越低。

1.3.2.4 评价等级划分

为明确昆明市2011—2020年土地生态系统的安全等级和状态，将定量的土地生态安全值进行定性的描述分析，本研究参考当前已有的研究成果[26，27]，将昆明市土地生态安全等级划分为5个等级：恶劣级、敏感级、临界安全级、良好级以及安全级，见表2。

表2 昆明市土地生态安全等级划分

1.4 灰色关联分析

本研究采用灰色关联法计算评价体系中各因子对研究区域土地生态安全系统的影响程度。灰色关联分析用于研究2个因素之间的相关联程度，测算得出的数值越大，表明因素之间的关联程度越大[28]。计算公式：

(7)

式中，ξ(Ci)指因子间的灰色关联度；Δ(min)、Δ(max)指两极的最小差值以及最大差值；ρ指分辨系数，取值0.5；Δoi(K)指各比较数列Ci曲线上每一个点与参考数列Co曲线上各个点的差值的绝对值。

2 结果与分析

2.1 土地生态安全水平分析

2.1.1 土地生态安全压力指数分析

昆明市2011—2020年土地生态安全压力指数见图1。由图1可知，昆明市2011—2020年土地生态安全压力指数波动较大但有明显提高。其中，2011—2012年，昆明市土地生态安全压力指数下降，由0.13降低到0.11；2012—2014年，压力指数上升，由0.11提高到0.19；2014—2016年，压力指数由0.19下降到0.12；2016—2020年，压力指数由0.12提高到0.29。

图1 2011—2020年昆明市土地生态安全压力指数

2.1.2 土地生态安全状态指数分析

昆明市2011—2020年土地生态安全状态指数见图2。由图2可知，昆明市2011—2020年土地生态安全状态指数大幅提高，由0.11提高到0.37；期间，2013年状态指数由0.16降低到0.10。

图2 2011—2020年昆明市土地生态安全状态指数

2.1.3 土地生态安全响应指数分析

2011—2020年昆明市土地生态安全响应指数见图3。由图3可知，昆明市2011—2020年土地生态安全响应指数由0.01上升至0.21，呈持续上升趋势。

图3 2011—2020年昆明市土地生态安全响应指数

2.1.4 土地生态安全综合指数分析

2011—2020年昆明市土地生态安全综合指数及等级划分表，见表3。由表3可知，昆明市10年间土地生态安全值整体有较大幅度上升。其中，2011—2012年，综合指数由0.25提高到0.34，安全等级处于敏感级；2012—2013年，综合指数由0.34下降到0.33，安全等级处于敏感级；2013—2020年，综合指数由0.33提高到0.88，安全等级到达安全级；2015年，综合指数有所下降，下降到0.40，安全等级处于临界安全级。

表3 2011—2020年昆明市土地生态安全综合指数及等级划分

2.2 灰色关联度分析

昆明市土地生态安全准则层指数与昆明市土地生态安全值之间的灰色关联度，见表4。2011—2020年昆明市土地生态安全状态指数与综合指数间的灰色关联度最高，其次是响应指数和压力指数。10年间，当状态指数上升，综合指数随之提高；当状态指数下降，综合指数随之降低，这表明二者之间的演变趋势基本一致。综合指数与响应指数之间的关联度为0.682，表明昆明市10年来所采取的土地生态相应的保护措施对其土地生态整体改善有较大的贡献。

表4 昆明市土地生态安全综合指数影响因素灰色关联分析

昆明市土地生态安全状态指数与状态指标之间的灰色关联度，见表5。昆明市土地生态安全状态指数与综合指数之间的灰色关联度最高，而与昆明市土地生态安全状态指数灰色关联度最高的指标是第三产业占GDP比重。社会经济发展方式的改变引起土地利用的强度和结构变化，经济发展的波动对土地生态的影响加强，产业结构优化升级能够促进土地生态系统状态的改善[11]。2011—2020年，第三产业占GDP比重由48.4%提高至64.1%，导致昆明市土地生态安全状态指数整体提高。2013年，有效灌溉面积由1322km2减少至1210km2，以及建成区绿化覆盖率由43.63%降低至39.25%，导致昆明市土地生态安全状态指数下降。

表5 昆明市土地生态安全状态系统影响因素灰色关联分析

昆明市土地生态安全压力指数与压力指标之间的灰色关联度，见表6。由表6可知，年平均人口与昆明市土地生态安全压力指数的灰色关联度最高，其次是城镇化率、人口自然增长率、化肥施用量、农药施用量以及GDP增长率。表明年平均人口逐年增长以及人口自然增长率较高导致的人口压力过大问题，与土地生态系统发展的联系更加密切。2012年由于年平均人口增长、农药施用量以及GDP增长率均达到10年间的最高值，导致压力指数下降。2015年年平均人口较2014年增长21.61万人，2016年持续增长；人口自然增长率提高，由2014年的5.71‰提高至2016的6.21‰；2016年化肥施用量达到10年间最高值20.52万t，以及农药施用量增长等因素导致压力指数下降，由0.19下降至0.12。

表6 昆明市土地生态安全压力系统影响因素灰色关联分析

昆明市土地生态安全响应指数与响应指标之间的灰色关联度，见表7。由表7可知，农村居民人均收入与昆明市土地生态安全响应指数的灰色关联度最高，其次是城市居民人均收入、人均GDP、污水处理率以及当年完成营造林面积。与状态、压力、响应指数关联度最高的指标分别为第三产业占GDP比重、年平均人口以及农村居民人均收入，表明10年间土地生态系统发展状态与社会经济发展水平之间的联系更加密切。

表7 昆明市土地生态安全响应系统影响因素灰色关联分析

3 结论与讨论

3.1 讨论

2011—2020年昆明市土地生态安全值有较大幅度提高，安全等级由敏感级逐渐演变为安全级。其中，2011—2014年昆明市土地生态安全水平呈较不稳定状态，安全等级较低且安全综合指数在2013年有所下降，土地生态系统恶化，这与潘永平等的研究结论一致。潘永平等以云南省作为研究区域进行土地生态安全评价研究，通过预警模型测算出2011—2014年昆明市土地生态系统处于恶化状态[29]。表明本研究测算结果符合昆明市土地生态安全实际情况，具有一定的参考价值和科学意义。本研究运用灰色关联度分析法测算出影响昆明市2011—2020年土地生态安全状态、压力、响应系统的主要因素分别为第三产业占GDP比重(C13)、年平均人口(C1)、农村居民人均收入(C18)，均侧重于社会经济发展方面的指标。表明随着社会经济发展水平的不断提高，区域经济发展的波动对土地生态安全的影响不断加强[11]。通过提高区域经济、土地利用的方式能使土地生态安全朝着更好的方向发展[30]。昆明市土地生态安全水平整体有显著提高，主要得益于昆明市有关部门积极响应国家相关政策，不断优化调整经济结构，完善环境保护措施。但需注意年平均人口逐年增长以及人口自然增长率较高等因素导致的人口压力过大；化肥、农药施用量较大；农村、城市居民人均收入有待提高的问题。因此，可以从以下几方面加强土地生态建设，以进一步维持和提高昆明市土地生态安全水平：根据现有资源条件，有计划地控制研究区域的人口增长，缓解人地矛盾突出的问题[31]；提倡在农业生产中降低农药和化肥的使用，加大生态农业的推广力度[32]；在发展经济效益时要密切关注生态效益，注重经济效益与生态效益的充分结合[33]。

3.2 结论

本研究结合昆明市土地生态安全系统实际情况，在PSR模型的基础上构建评价指标体系，运用熵权法测算各项指标的权重，计算土地生态安全值，根据安全值及划分标准进行安全等级划分，采用灰色关联分析法测算出各项指标对昆明市土地生态安全水平的影响。测算结果符合昆明市土地生态安全系统的实际情况，具有一定的参考价值和科学意义。

2011—2020年，昆明市土地生态安全综合值呈上升趋势，安全等级由敏感级逐渐演变为安全级，2019年处于良好级区间，2020年到达安全级区间，昆明市土地生态安全整体水平提高。压力指数于2011—2016年波动较大，2016年后持续上升；状态指数总体有较大提高，且逐渐高于压力指数和状态指数；响应指数低于压力指数与状态指数，但呈持续上升趋势。

与昆明市土地生态安全综合值之间关联度最高的准则层因素分别依次为状态指数、压力指数与响应指数。与状态指数、压力指数以及响应指数的关联度最高的指标分别为第三产业占GDP比重、年平均人口、农村居民人均收入。