徐州市土地生态安全评价及预测

李文华，雍新琴

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

土地资源是人类物质生活的基础，是万物之源，人类的一切活动都依赖于此而实现[1]。近年来，我国经济社会快速发展引发了许多土地生态安全问题，例如土壤污染﹑生物多样性减少﹑水土流失等，这些问题破坏了土地的生态平衡性，给区域生态安全和可持续发展带来了严峻的挑战。土地生态安全是土地资源可持续利用的核心要素[2]，通过对土地生态安全进行评价和预测，可以客观反映区域土地生态安全状况，掌握其发展态势，为土地资源的合理利用﹑保护和规划提供参考依据。

当前国内外学者从多角度﹑多模型﹑多方法等方面在土地生态安全的研究上做了许多探索并取得不少研究成果。常见的土地生态安全评价模型有压力-状态-响应(PSR)模型[3]﹑CLUE-S 模型[4]和自然-经济-社会模型[5]。评价方法主要包括主成分分析法[5]﹑综合指数法[6]﹑TOPSIS 法[7]﹑BP 神经网络方法[8]等。随着科技的不断发展，GIS 成为土地安全评价研究中至关重要的技术手段，为该研究作出不少贡献。由于徐州市拥有多年的煤炭开采历史，长期的开采活动导致大片土地被破坏，地面塌陷现象十分严重，这对徐州市的土地生态安全构成了一定的威胁。因此，对徐州市土地生态安全进行科学评价与预测具有重要意义。

本文从压力﹑状态和响应三个角度选取14 个指标构建评价体系，运用综合赋权的方法确定指标权重，并对其进行加权求和，得到2012—2021 年徐州市土地生态安全状况。最后，根据徐州市近10年的土地生态安全状况，对其2025—2030 年土地生态安全进行拟合预测。

1 研究区概况

徐州市位于江苏省西部，是华东地区经济﹑科技﹑文化﹑金融﹑医疗﹑外贸等多个领域的重要枢纽，地形以平原为主，中东部有少量丘陵山区，气候属温带季风，该地区降水相对集中，四季分明。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的数据来源于徐州市统计局官方网站公布的2013—2022 年《徐州市统计年鉴》，以及徐州市人民政府公布的数据等。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标体系构建

本文以PSR 模型为基础，结合土地生态安全内涵与徐州市实际情况，在遵循科学性﹑可比性﹑可操作性等原则下，考虑社会﹑经济﹑环境等方面对土地生态安全的影响程度，筛选出14 个指标（表1），构成了徐州市土地生态安全评价指标体系。

表1 徐州市土地生态安全评价指标体系

2.2.2 评价指标标准化

由于土地生态安全评价指标涉及社会﹑经济﹑环境等多个方面，各类指标数据在正负性质﹑量纲性质上存在差异，因此将数据进行无量纲化。本研究通过极差标准化技术对数据进行处理。其中:

正向指标标准化公式:

负向指标标准化公式:

式中:Xij为各指标的真实数值，i=1…m，表示研究期数；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 评价指标权重的确定

由于主观赋权法多依赖于专家经验来决定各项指标的权重，具有主观性，因此需结合客观赋权法来保证赋权的准确性和科学性。本文采用AHP 法与熵权法结合的综合赋权法，既能削弱层次分析法中的主观因素对权重的影响，也能使熵权法赋权结果更具现实意义[9]。

2.2.3 .1 层次分析法

利用yaahp 软件，将目标分解成各层次和要素，并依据研究经验对各要素对目标的重要影响程度进行相对排序，从而得到各指标权重。第一步，先构建层次结构模型，将其分为目标层﹑中间层﹑指标层三层，即指标层由14 个指标构成，压力﹑状态﹑响应三部分构成中间层，目标层为徐州市土地生态安全；第二步，通过两两对比的方式，确定各要素对上一层次影响程度的大小，从而构成判断矩阵；第三步，分别计算判断矩阵最大特征根和特征向量，判断其一致性检验是否合格，将归一化后体征向量作为权重值；若不合格，则重新匹配构成矩阵直到一致性检验合格。

2.2.3 .2 熵权法

指标的信息熵﹑权重的具体计算见公式（3）~（4）:

2.2.3 .3 综合赋权法

将以上两种方法获取的各指标权重进行平均加权求和，得到每个指标的综合权重（表2）。

表2 各评价指标趋向性及权重

2.2.4 土地安全综合指数

根据上述中各指标标准化处理数值﹑各指标权重，对各项指标进行加权求和，得到土地生态安全综合指数，采用公式（6）进行计算:

式中:Qi为第i年的安全评价综合值；Wj为第j项指标的权重值；Dj为第j项指标的标准化值。

2.2.5 土地生态安全等级划分

依据徐州市土地安全综合评价结果和区域实际情况，参考前人研究成果[10-13]，得到徐州市土地生态安全状况判定等级（表3）。随着综合数值的增加，区域内土地生态安全情况呈现逐步好转的态势；相反，当综合数值逐渐减少后，区域内的土地生态安全形势则逐步恶化。

表3 土地生态安全等级划分

2.2.6 灰色预测模型GM（1，1）

建模的第一步，对原始数据X（0）={x（0）（i），i=1，2，…，n}进行一次累加计算，得到以下累加序列:

将a、u导入时间序列，然后将求导得到还原式:

通过后验差来检验精确度，通常C<0.65，即代表可以使用灰色预测模型:

式中:S1为原始数列x（0）（k）的均方差，S2为绝对残差数列的均方差，为残差均值，P为小误差概率。

3 结果与分析

3.1 徐州市土地安全等级

根据综合评价指数及等级划分标准，得出徐州市2012—2021 年土地生态安全等级（表4）和土地生态安全状况演变态势（图1）。

图1 2012—2021 年徐州市土地生态安全指数

表4 2012—2021 年徐州市土地生态安全状况

3.2 土地生态安全子系统结果分析

3.2.1 土地生态安全压力系统分析

徐州市土地生态安全的压力指数波动较小，整体呈上升趋势。可以看出，压力指数由2012 年的0.1858 下降至2014 年的0.1154，这主要是由于2012—2014 年单位耕地面积农用化肥用量从889.45 kg/hm2下降到868.42 kg/hm2，降幅为2.36%，在一定程度上减少了土地生态的压力；到2015 年，指数由0.1154 上升到0.2029，随着城市化率的提高会加剧土地生态的压力；2015—2017 年压力指数波动较小，土地生态压力较稳定；2017—2019 年，压力指数由0.2039 下降到0.1446，同样由于单位耕地面积农用化肥用量从722.41 kg/hm2下降到651.82 kg/hm2，降幅为9.77%，降幅较大，减轻了土地生态压力；到2021 年，指数由0.1446 上升到0.2157，由于人口密度和人口自然增长率的上涨，土地生态压力逐渐加大。近10 年来，影响徐州市土地生态压力指数下降的原因主要是耕地的化肥用量减少，压力指数总体呈现上升趋势是由于城市化率的不断提升，2021 年较2012 年增幅18.4%，导致土地生态压力的不断增加。

3.2.2 土地生态安全状态系统分析

徐州市土地生态安全状态指数基本呈现较稳定的波动状态，整体呈略微下降趋势。状态指数2012—2013 年由0.2675 下降到0.1781，主要是粮食单产下降4.25%；2013—2014 年状态指数上升到0.3039，达到近10 年状态指数峰值的原因是人均耕地面积增幅0.75%﹑建成区绿地覆盖率由42.9%上升到43.3%﹑森林覆盖率由32.1%提高到32.31%﹑粮食单产增幅3.54%；2014—2016 年状态指数由0.3039 下降到0.2078，是由于森林覆盖率降幅为14.26%，森林覆盖率减少使得土地自我恢复能力变弱，一定程度上破坏了土地生态安全水平；2016—2021 年状态指数波动幅度较小，均在0.2~0.3 之间，即2016—2021年徐州市土地生态安全状态较稳定。状态指数整体呈略微下降趋势的主要原因是人均耕地面积的减少及森林覆盖率的下降。为保证徐州市土地资源安全状态良好，应持续加强对自然资源生态环境的保护力度，采用植树造林﹑耕地保护等综合措施，提升森林覆盖率，有效增强土地水土保持和自我恢复能力。

3.2.3 土地生态安全响应系统分析

徐州市的土地生态安全响应指数由2012 年的0.0233 上升到2021 年的0.2258，整体呈上升趋势。这是由于随着经济社会﹑城镇化的不断发展，徐州市2021 人均GDP 相较于2012 年涨幅91.2%，第三产业比例涨幅7.8%﹑农业机械化水平上涨25.2%﹑一般工业固体废物综合利用率上涨5.79%﹑污水处理率上涨21.56%。由此可见，徐州市政府关注生态环境保护以及改善民生等问题，及时对问题进行反馈与响应，各项指标均有提高。

3.2.4 土地生态安全综合分析

徐州市2012—2021 年土地生态安全综合指数由0.4766 上升到0.6683，安全等级从临界安全到较安全，在很大程度上提高了区域土地生态安全。据表4 与图1，2012—2013 年﹑2015—2016 年﹑2017—2018 年三个时期土地安全综合指数出现下降趋势，原因主要是在经济快速发展的背景下，城镇化不断提高，以及人口密度﹑人口自然增长率加大，导致土地资源安全压力加大，加重了土地负担。自2018 年起，徐州市土地生态安全综合指数呈现出稳步上升的态势，由0.4683 上升到0.6683，主要原因是人口自然增长率从8.26%下降到1.25%，单位耕地面积农用化肥量下降27.6%。另外单位面积粮食产量﹑污水处理率﹑一般工业固体废物综合利用率﹑第三产业比例﹑农业机械化水平等指标均呈现上升趋势，在很大程度上缓解了土地生态安全压力，从而使得土地生态安全综合指数不断提高。在过去的10 年中，徐州市的土地生态安全状况呈现出逐步提升的趋势，但生态安全大多处于临界安全级别，即部分土地生态环境被破坏，土地生态功能有退化，土地的生态恢复和重建较困难。2021 年安全等级达到较安全级，但要达到安全级别仍然任重道远。

3.3 灰色模型GM（1，1）预测结果

通过建立灰色模型GM（1，1），对徐州市2025—2030 年土地生态安全状况进行预测。对徐州市2012—2021 年原始数据进行处理得到的预测结果是:C=0.4852，P=0.7500。根据表5 可知，该模型精度等级合格，说明可利用该模型对土地生态安全状况进行预测。预测结果显示，2025—2030 年徐州市生态安全状态不断提升，预测值由0.7183 上升到0.8725（表6，图2），状态等级由较安全级过渡到安全级。

图2 徐州市2012—2030 年土地生态安全状况变化趋势

表5 精度等级判定表

表6 土地生态安全预测结果

4 结论

（1）在研究期内，徐州市土地生态安全压力指数由0.1858 上升到0.2157，整体呈波动上升趋势，主要原因是城市化率的不断提高，使得土地生态压力与日俱增。

（2）在研究期内，徐州市土地生态安全状态指数由0.2675 下降到0.2267，整体呈略微下降趋势，这是由于人均耕地面积的不断减少以及森林覆盖率的降低，从而使土地资源生态安全产生负担。

（3）在研究期内，徐州市土地生态安全响应指数由0.0233 上升到0.2258，整体呈显著上升趋势，这归功于第三产业比例﹑污水处理率﹑人均GDP 等各项指标的提升，以及政府部门对生态保护﹑改善民生的重视。

（4）2012—2021 年，徐州市土地生态安全综合数值由0.4766 上升到0.6683，整体呈曲折波动上升趋势，土地安全状态由“临界安全级”转变为“较安全级”。运用灰色模型GM（1，1）对2025—2030 年徐州市土地生态安全状态进行预测，预测结果表明，未来徐州市土地生态安全综合值将保持上升趋势，土地生态安全综合指数由2025 年的0.7183上升到2030 年的0.8725，土地生态安全状态由“较安全级”上升到“安全等级”。

5 讨论

（1）研究结果表明，徐州市2012—2021 年土地生态安全综合指数呈波动上升趋势，土地安全状况由“临界安全级”向“较安全级”过渡。其中，人口密度上涨﹑城市化率提高﹑森林覆盖率下降﹑人均耕地面积减少等都在一定程度上影响了徐州市土地生态安全水平的提高。因此，为了不断提升徐州市的土地资源生态水平，徐州市需采取针对性措施，包括保持合理的人口密度﹑保护耕地﹑科学修复土地﹑加强生态保护意识等，优化土地利用结构﹑维持区域生态系统稳定。

（2）根据对2025—2030 年徐州市土地生态安全水平进行预测可知，未来土地安全水平呈不断上升趋势，由“较安全级”转变为“安全等级”，即土地生态安全状况较好，生态功能基本完整，恢复与再生能力较强。要达到该理论预测值的目标，徐州市未来的工作重点应放在如何将土地生态安全水平提升至“安全等级”上，即在促进经济发展﹑提高居民收入﹑改善民生的同时，应加大生态保护力度，进一步减少农用化肥用量，以及工业污染排放；利用先进科学技术，完善土地生态保护基础设施，提高自我抵御﹑修复能力，更好地提升徐州市土地生态系统的稳定性。

（3）本文根据徐州市实际情况以及数据的可获取性，选取14 个指标建立评价指标体系，指标设计的全面性和科学性还有待进一步检验；另外在数据时间的选取上，仅分析了近10 年的数据，若拓宽研究时长，可以更科学客观地体现和预测徐州市土地生态安全状况及其演变趋势。