关中平原城市群土地生态安全评价

吴艳霞,邱 乐

(西安理工大学 经济与管理学院,陕西 西安710054)

土地生态安全是指生态系统中土地资源所具备的维持生态系统稳定和功能发挥的能力,作为生态安全细分领域的重要组成部分,对区域整体生态环境的可持续发展发挥着至关重要的作用[1]。随着人口的增长及城镇化的发展,过度开发和不合理利用导致区域土地破碎化和连片的生态断裂,土地生态系统功能减弱,人地矛盾加剧[2-3],土地生态安全问题日益突出。

土地生态安全评价是对一个区域土地生态系统健康状态和可持性发展程度进行综合性评估的过程,主要用于评估土地生态安全存在的风险和隐患、监测和评价土地生态保护工作的效果[4],进而采取相应的防范和管理措施。目前,国内学者针对土地生态安全评价问题展开了深入研究,但在研究尺度、指标体系选取和评价方法等方面有所不同:从研究尺度来看,涵盖省[5-6]、市[7-8]、县[9-10]、城市群[11-12]、河流流域[13-14]等区域范围;从研究指标体系来看,主要包括PSR[15-16]、DPSIR[17]、EES[18]、NES[19]等评价模型;从研究方法来看,主要有TOPSIS[20]、生态足迹法[21]、物元模型[22]、主成分分析法[23]、突变理论法[13]等。回溯相关文献,发现当前在区域土地生态安全研究中将城市群作为研究区的定量研究成果较少,且多数研究止步于对土地生态安全水平的测度和评价,对于制约其提升的关键因素关注较少,这不利于土地生态安全研究体系的完善和实践工作的开展。鉴于此,本研究以关中平原城市群作为研究区,基于2012—2021年相关数据,通过DPSIR模型构建土地生态安全评价指标体系,采用熵权TOPSIS法评价土地生态安全状况,分析土地生态安全指数时空演化情况,并借助障碍度模型诊断影响该区域土地生态安全水平提升的关键障碍因子,以期为改善土地生态安全状况提供依据和参考。

1 数据来源与研究设计

1.1 研究区概况及数据来源

关中平原城市群地处我国内陆中心位置,以西安市为核心,涉及陕西、甘肃和山西3省,包括陕西的渭南、铜川、宝鸡、咸阳、西安和商洛,甘肃的庆阳、天水和平凉,以及山西的临汾和运城等共11个地级市,辖区面积10.71万km2。关中平原城市群拥有丰富的土地资源,是我国重要的农业产区之一,广阔肥沃的平原地带有利于农作物种植和农业发展。同时,该区域内还蕴藏着大量矿产资源,如煤、炭、铝等,为工业发展提供了重要支撑。近年来关中平原城市群经济发展迅猛,综合实力稳步提升。2021年常住人口数量4 367万人,地区生产总值25 349.33亿元,城镇化率达到60.11%。

本研究所用数据主要来源于2013—2022年陕西省、甘肃省和山西省统计年鉴,2013—2022年关中平原城市群11个地市统计年鉴、《中国城市统计年鉴》,以及2012—2021年关中平原城市群11个地市国民经济运行与社会发展统计公报。部分数据可直接获得,部分数据通过数学运算得到。

1.2 评价指标体系构建及权重确定

1)指标体系构建。“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)模型整合了资源、发展、环境与人类健康等要素,能有效反映社会环境和自然环境之间的因果关系,结构清晰,简单明了,为环境管理和评估指标体系构建提供了一个基本框架。因此,本研究坚持综合性、可操作性、科学性等原则,在参考相关文献[3,5,7,11,13,17]的基础上,充分考虑关中平原城市群实际情况,分别从经济、人口、环境、资源等方面遴选出24个指标,构建土地生态安全评价指标体系(表1)。

表1 关中平原城市群土地生态安全评价指标体系

2)指标值标准化处理。考虑到各指标值单位不同、数值相差较大,无法进行直接比较,因此利用极差标准化方法对原始数据进行标准化处理,以消除不同指标的量纲。

3)确定指标权重。权重反映了指标对土地生态安全影响的程度,为了避免主观赋权影响评价结果的可靠性,参考相关文献[14],本研究采取客观性较强的熵权法确定权重。

4)建立评价模型。参考相关研究[3,10],采用TOPSIS法评价模型,通过计算各方案与正、负理想解间的加权欧氏距离并进行排序,得到关中平原城市群土地生态安全指数,并分析其时空演化情况。

1.3 障碍因子分析

参考相关文献[24],采取障碍度模型,测算阻碍关中平原城市群土地生态安全的主要障碍因子。

1.4 土地生态安全等级划分

采用自然断点法将关中平原城市群土地生态安全评价标准划分为5个等级,并参考已有研究成果进行调整,形成等级划分标准,见表2。

表2 关中平原城市群土地生态安全等级划分标准

2 土地生态安全评价

2.1 土地生态安全时空演变分析

2.1.1 时间序列分析

基于上述模型和方法,测算得到 2012—2021年研究区整体土地生态安全指数,见图1。由图1可以看出,2012—2021年研究区土地生态安全指数总体呈波动上升趋势,由2012年的0.558上升至2021年的0.603,增长率为8.06%;土地生态安全状况由“临界级”逐渐转变为“良好级”,说明研究区土地生态安全状况逐步好转,土地结构、功能尚好,生态环境受到小范围破坏。具体来看,2012—2016年土地生态安全指数持续上升。这一时期,2012年党的十八大召开后加大了对环境违法行为的惩治力度,研究区以此为契机,限制化肥、农药施用和废水等排放,使土地污染状况得到初步改善。经过2016—2017年的短暂调整,2017—2020年土地生态安全指数继续上升。这一时期,国家发展改革委、住房和城乡建设部出台了《关中平原城市群发展规划》,提出将生态环境保护作为城市群建设的大前提和硬任务,推进生态共建、环境共治,为研究区优化土地生态安全格局指明了路径。借此,关中平原城市群各地市立足区域资源、环境禀赋,优化产业发展结构和区域布局,强化水土资源优化配置,进一步改善土地生态状况。2020—2021年土地生态安全指数出现小幅下降,可能与国内经济整体增速放缓的大形势有关。进一步分析,限制研究区土地生态安全状况进一步改善的问题集中在采矿等固体废物处理不合理导致的土壤和地下水污染,以及新增造林面积减少等。

图1 2012—2021年关中平原城市群整体土地生态安全指数变化

2.1.2 空间演化分析

基于评价结果与等级划分标准,运用ArcGIS绘制2012、2021年研究区各地市土地生态安全等级分布情况,见图2。由图2可以看出,从总体上看,2012、2021年研究区11个地市的土地生态安全等级都处于“敏感级”与“良好级”之间,总体空间分布格局由2012年的“中部优,东西劣”演变为2021年的“中部与西部优,东部仍劣”。

图2 关中平原城市群各地市土地生态安全等级分布

2012年,关中平原城市群还未正式批复成立,以省为界线的土地生态安全空间分异格局较为显著,处于“敏感级”的3个城市——庆阳市、平凉市、天水市均隶属甘肃省。这些地市经济发展水平较低,产业结构单一,并且本身具有较为严重的生态环境问题,如森林覆盖率低、林分质量较差、涵养水源和调节小气候能力不强、水土流失严重等,而政府财政支出多用于发展经济,对于土地修复治理与生态改善的投入较少。土地生态安全状况处于“临界级”的城市有4个,分别是铜川市、商洛市、临汾市和运城市。铜川市以采矿和冶炼产业为主,采矿活动容易引发土地沉降和水土流失,冶炼过程产生的废物废水等会对土壤和地下水造成污染;商洛市位于秦岭山区,森林资源丰富,但城市建设用地不断增加导致森林覆盖率下降,同时地理环境复杂又容易引发自然灾害;临汾市和运城市煤炭资源丰富,煤炭开采是其支柱产业,但是大规模资源开发也引发了土地破坏、质量下降等生态问题。宝鸡市、咸阳市、渭南市和西安市4个地市的土地生态安全均处于“良好级”,这与这些地市实施了较合理的经济发展与土地生态治理政策有关。

相比2012年,2021年研究区西部主要地市的土地生态安全等级发生了明显变化,庆阳市、平凉市和天水市由“敏感级”演化为“良好级”,研究区“敏感级”完全退出。这与这些地市在经济发展的同时加强了生态环境治理有关,通过实施生态屏障建设与水土流失综合治理,2021年庆阳市、平凉市水土流失治理面积均超过700 km2。铜川市从“临界级”向“良好级”转变,分析其原因,铜川市多年来致力于改变能源结构偏煤的现状,在能源、化工等行业进行清洁生产改造,采取了专项治理措施等有针对性的污染治理行动,筑起了一道土地生态安全防线。西安市是研究区内土地生态安全等级唯一下降的城市,从“良好级”降至“临界级”,这与其城市化加速推进的过程中土地利用结构改变、人口大量聚集(2021年西安市人口密度达到1 223人/km2),加剧了土地生态安全压力有关。其余地市土地生态安全指数变化较小,土地生态安全等级未发生变化。

2.2 土地生态安全评价指标体系子系统分析

2012—2021年关中平原城市群土地生态安全评价指标体系各子系统土地生态安全指数变化见图3,具体来说:

图3 2012—2021年关中平原城市群土地生态安全评价指标体系子系统土地生态安全指数变化

1)驱动力。除了2019—2020年,2012—2021年期间研究区驱动力子系统的土地生态安全指数总体呈明显增加趋势,从2012年的0.462到2021年的0.651,增长了40.9%,其中增长率最高的是天水市,平凉市次之,西安市最低。总体来看,2012—2021年研究区驱动力子系统的土地生态安全等级逐步从“敏感级”上升至“良好级”,这受益于党的十八大以来我国经济迈上新台阶,关中平原城市群各地市人均GDP逐年稳步增长,城镇化水平显著提升,同时生态文明写入党章、生态安全纳入国家安全体系都是研究区土地生态安全状况改善的直接驱动力。

2)压力。2012—2021年研究区压力子系统的土地生态安全指数总体变化不大,从2012年的0.537到2021年的0.557,增长了3.7%。总体来看,2012—2021年研究区压力子系统的土地生态安全等级均为“临界级”。近年来关中平原城市群各地市更加重视农业污染治理,逐步限制农业化肥与农药施用量,万元GDP能耗也不断下降,这在一定程度上缓解了土地生态负荷,但受城市化发展带来的土地生态系统扰动破坏与经济社会发展压力影响,压力子系统土地生态安全状况变化并不明显。

3)状态。除了2012—2013、2018—2019年,2012—2021年期间研究区状态子系统土地生态安全指数总体呈增加趋势,从2013年的0.533到2021年的0.606,增加了13.7%。总体来看,2012—2021年研究区状态子系统的土地生态安全等级处于“临界级”,2021年升至“良好级”。近年来关中平原城市群各地市通过提高水资源与土地资源的协调度,优化水土资源配置,提高建成区绿化覆盖率和人均公园绿地面积,取得了良好效果,但不利因素是在经济发展过程中城市建设用地增加等会对土地生态空间造成挤压,造成土地生态安全等级下降。

4)影响。除了2016—2017、2020—2021年,2012—2021年期间研究区影响子系统的土地生态安全指数总体呈增加趋势,从2012年的0.568到2021年的0.649,增加了14.3%,其土地生态安全等级由“临界级”向“良好级”转变。随着科学技术的发展,关中平原城市群各地市加大了对高科技农业的投入力度,提高了土地利用效率和单位耕地面积粮食产量,同时调整经济发展思路,加快发展数字经济与共享经济,推动产业提质增效,提高了单位建设用地第二三产业增加值。

5)响应。除了2016—2019年,2012—2021年期间研究区响应子系统的土地生态安全指数总体呈增加趋势,从2012年的0.615到2021年的0.680,增加了10.6%,土地生态安全等级稳定在“良好级”。2012年以来,关中平原城市群各地市将生态文明理念融入到城市群建设的全过程。通过回溯指标发现,近年来各地市人均造林面积、水土流失治理面积、生活垃圾无害化处理率、工业固废综合利用率等均有所增加,一系列响应措施对城市群环境容量扩充起到了积极作用,土地生态环境状况逐步得到改善。

3 障碍因子诊断分析

通过障碍因子诊断模型计算2012—2021年研究区土地生态安全障碍因子。对于准则层,各指标障碍度变化不显著,总体上状态指标障碍度一直高于40%,位居第一;其次是影响与响应,位居第二三位;驱动力和压力指标障碍度较低,且呈波动下降趋势。

对于指标层,仅选取障碍度排名前5的指标作为关键障碍因子,结果见表3。2012—2021年研究区土地经济密度(S3)一直居于首位,说明经济发展缓慢是制约研究区土地生态安全水平提升的主要因素;人均水资源量(I5)与人均耕地面积(S2)分别位居第二三位,研究区水资源空间分布不均,人均水资源量还不及全国平均水平的1/3,水资源短缺与耕地面积不足对于土地生态安全的影响是持续的,属于长期性障碍因子;之后是人均GDP(D3)、农业机械总动力(I3)、水土流失治理面积(R5)。可见,土地经济密度(S3)、人均水资源量(I5)、人均耕地面积(S2)、人均GDP(D3)、农业机械总动力(I3)与水土流失治理面积(R5)是阻碍土地生态安全水平提升的主要障碍因子。

表3 2012—2021年关中平原城市群土地生态安全障碍因子分析

4 结论

本研究基于2012—2021年关中平原城市群相关数据,通过DPSIR模型构建土地生态安全评价指标体系,采用熵权TOPSIS法评价土地生态安全状况,分析土地生态安全指数时空演化情况,并借助障碍度模型诊断影响该区域土地生态安全水平提升的关键障碍因子。结果表明:①2012—2021年研究区土地生态安全指数总体呈波动上升趋势,由2012年的0.558上升至2021年的0.603,增长率为8.06%,土地生态安全状况由“临界级”逐渐转变为“良好级”,说明研究区土地生态安全状况逐步好转,土地结构、功能尚好,生态环境受到小范围破坏。②2012—2021年研究区土地生态安全整体向好,由“中部优,东西劣”向“中部与西部优,东部仍劣”演变,但各地市变化不一,其中庆阳市、平凉市和天水市由“敏感级”演化为“良好级”,铜川市从“临界级”向“良好级”转变,但西安市土地生态安全等级从“良好级”降至“临界级”。③从DPSIR各子系统来看,驱动力子系统土地生态安全状况变化显著,其土地生态安全指数由0.462上升至0.651,土地生态安全等级由“敏感级”上升至“良好级”,压力子系统提升最少,一直处于“临界级”,状态与影响子系统土地生态安全等级由“临界级”升至“良好级”,响应子系统一直处于“良好级”状态。④从指标层障碍因子诊断结果来看,土地经济密度、人均水资源量、人均耕地面积、人均GDP、农业机械总动力与水土流失治理面积是阻碍土地生态安全提升的主要障碍因子。