基于改進灰色關(guān)聯(lián)模型的天水市土地生態(tài)安全動態(tài)評價

王新民,漆建武,李曉鴻b,周玉姣,談 波

(天水師范學(xué)院 a.資源與環(huán)境工程學(xué)院;b.生物工程與技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000)

土地生態(tài)安全是指由自然界無機和有機環(huán)境組成的陸地表層的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不受外部環(huán)境的破壞,具有土地結(jié)構(gòu)的完整功能和屬性[1]。目前,國內(nèi)學(xué)者對土地安全的研究較廣泛：李玉平、蔡運龍研究土地生態(tài)安全的概念,并運用層次分析法對河北省土地安全狀況進行了評價[1];孫德亮、張鳳太以重慶市為例,運用灰色關(guān)聯(lián)法對該地區(qū)的土地生態(tài)安全進行了評價[2,3];徐美、朱翔等以DPSIR為評價模型,結(jié)合TOPSIS法對對湖南省土地生態(tài)安全進行了研究[4],楊曉玲等運用PSR模型,基于壓力指標對莊浪縣土地生態(tài)安全進行了評價[5]。國內(nèi)的研究主要集中在指標構(gòu)建、方法創(chuàng)新、安全預(yù)警等方面,研究對象主要集中在區(qū)域土地生態(tài)安全、中小城市和特殊地形地貌區(qū)的土地生態(tài)安全，最常見的評價方法有綜合指數(shù)法、AHP法、系統(tǒng)聚類分析法、主成分分析法、基于GIS的研究方法等[5-10]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以DPSIR模型框架為指標選取依據(jù),對灰色關(guān)聯(lián)模型進行改進,克服了評價過程中ρ取值的主觀性,并運用改進的灰色關(guān)聯(lián)模型確定指標權(quán)重,對絲綢之路的節(jié)點城市——天水市1995—2015年土地質(zhì)量進行了評價,旨在為天水市經(jīng)濟發(fā)展和資源的有效配置提供方法,為絲綢之路經(jīng)濟帶的生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天水市地處陜、甘、川三省要沖,土地總面積為14392km2,總?cè)丝?82.90萬人,人口密度為266.05人/km2。全市森林覆蓋率為35.91%,污水處理率為91.9%,第一、二產(chǎn)業(yè)所占比重分別為17.6%、33.5%。隨著人口數(shù)量的增加、工業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的提高,對土地環(huán)境的破壞極為嚴重。截止2015年末,全市治理水土流失面積1428.01km2,占總土地面積的9.92%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)均來源于1996—2016年的《天水經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》[7]、1995—2015年的《天水市國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報》,部分數(shù)據(jù)此天水市環(huán)保局、農(nóng)業(yè)局網(wǎng)站獲得,2001—2009年工業(yè)固體廢棄物排放量數(shù)值由ARIMA(1,2,1)模型進行預(yù)測[8]，2005—2015年環(huán)保投資數(shù)值由ARIMA(2,2,1)模型進行預(yù)測。除部分數(shù)據(jù)需進行換算,如工業(yè)廢水達標率、GDP增長率等外,其他數(shù)據(jù)均真實有效。

1.3 研究方法

數(shù)據(jù)標準化:通過標準化處理可避免不同量綱對評價結(jié)果的影響。本文選用極差標準化對指標數(shù)據(jù)進行處理[9]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),對天水市p年的q個指標數(shù)據(jù)建立標準化矩陣:

(1)

式中,A為原始數(shù)據(jù)矩陣；x為原始數(shù)據(jù)。對于標準化處理,一般將指標分為正向指標和逆向指標：正向指標為效益型指標,是指數(shù)值越大越好的指標;逆向指標為成本型指標,是指數(shù)值越小越好的指標。具體標準化方法為:

(2)

(3)

灰色關(guān)聯(lián)法確定權(quán)重:灰色關(guān)聯(lián)法是灰色系統(tǒng)論中的一種新方法,在土地生態(tài)安全研究領(lǐng)域涉及較少。

通過標準化處理,所有指標均為正指標。選取矩陣中的最優(yōu)向量W[2,4]:

W=(w1,w2,…,wn)=(y11ωy12…ωy1p,y21ωy22…ωy2p,y11ωy12…ωyqp)

(4)

式中,ω取最大運算符。

計算第j個評價指標與最優(yōu)向量W的關(guān)聯(lián)系數(shù)δi=(yi,W):

δi=(yi,W)

(5)

計算第j個評價指標yj的權(quán)重wj[9]:

(6)

用上述灰色關(guān)聯(lián)法確定指標權(quán)重,明顯存在很大的不足,主要表現(xiàn)在:①指標權(quán)重確定過于隨機。影響δi的因素有很多,如最優(yōu)向量W、數(shù)據(jù)變換方式、分辨系數(shù)ρ等。ρ取值受到主觀因素的影響,導(dǎo)致δi不同,故求得的權(quán)重值具有不確定性。②一般取ρ=0.5,則恒有δi>0.3333,難以區(qū)分指標之間的重要程度。在此基礎(chǔ)上,我們對灰色關(guān)聯(lián)法進行了修改,提出一種客觀的求權(quán)重的方法。

改進灰色關(guān)聯(lián)模型求解指標權(quán)重:原始矩陣構(gòu)造與數(shù)據(jù)的標準化處理第一步與以上相同[11]。

求各個指標序列X1,X2,…,Xn與最優(yōu)向量W之間的距離:

(7)

求各個指標的權(quán)重:

(8)

求各個指標的歸一化權(quán)重:

(9)

通過上述算法步驟發(fā)現(xiàn)，用改進的灰色關(guān)聯(lián)模型計算結(jié)果更加準確,客服了決策者主觀因素的影響,結(jié)果更具有科學(xué)性和客觀性,能更好地應(yīng)用于土地生態(tài)安全評價相關(guān)領(lǐng)域。

土地生態(tài)安全綜合指數(shù):土地生態(tài)安全指數(shù)(LES)的計算公式為[12-14]:

(10)

式中,LES為土地生態(tài)安全綜合指數(shù);C為權(quán)重;R為指標的標準化后的數(shù)值。根據(jù)天水市土地利用與發(fā)展現(xiàn)狀與指標分值,將天水市土地生態(tài)安全評價分值劃分為四個等級,并其對各等級的土地利用狀況進行描述,見表1。

表1 土地生態(tài)安全綜合評價等級[15,16]

2 結(jié)果與分析

2.1 DPSIR指標體系構(gòu)建

DPSIR概念模型是對PSR模型的改進,其模型結(jié)構(gòu)是將一個整體的系統(tǒng)按照不同的屬性劃分成壓力、驅(qū)動力、狀態(tài)、響應(yīng)、影響5種基本因子,又將不同因子分成多個指標的過程。

根據(jù)天水市土地資源的利用現(xiàn)狀,我們在備選的30個指標下優(yōu)選了21個指標作為天水市土地生態(tài)安全評價的重要指標,以A、B、C、D、E對各元素進行標識,并對各指標進行解釋,具體的評價指標體系見表2。

表2 天水市土地生態(tài)安全評價指標體系

本文依據(jù)DPSIR框架模型,參照相關(guān)研究,通過對各指標屬性進行分析,最終將指標分為正向指標(效益型指標)和逆向指標(成本型指標)。逆向指標主要包括人口自然增長率、工業(yè)固體廢物排放率等7項指標,其他均為正向指標。

通過式(1)—(10)對數(shù)據(jù)進行計算,得出無水市土地生態(tài)安全評價指標的綜合權(quán)重和分項權(quán)重，具體見表3。

表3 天水市土地生態(tài)安全評價指標權(quán)重

2.2 分析評價

根據(jù)改進的灰色關(guān)聯(lián)模型,依據(jù)式(1)—(3)對原始數(shù)據(jù)標準化處理,得到值為0—1之間的數(shù)據(jù)矩陣,通過建立指標最優(yōu)向量,計算各原始數(shù)據(jù)序列與最優(yōu)向量之間的距離,再通過式(8)、式(9),計算得出各指標權(quán)重以及分項權(quán)重,通過土地生態(tài)安全綜合指數(shù)法計算天水市1995—2015年土地生態(tài)安全綜合指數(shù),結(jié)果見表4。

通過表4各因子的評價分值,參照表1中的評價等級對天水土地安全狀況進行評價,將其劃分為4個等級,見表5。

表4 天水市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)(LES)

表5 天水市土地生態(tài)安全等級

驅(qū)動力生態(tài)安全:驅(qū)動力生態(tài)安全指數(shù)變化曲線見圖1。從圖1可見,天水市土地生態(tài)安全的驅(qū)動力指數(shù)逐年上升,趨勢擬合值R2=0.7287,即曲線能客觀的反映驅(qū)動力值的變化情況。驅(qū)動力指數(shù)經(jīng)歷了5個階段,從1995年的28.31增長到2015年的76.79,增幅為48.48。1997年為驅(qū)動力變化的節(jié)點,驅(qū)動力指數(shù)出現(xiàn)極小值為5.91,而后增長速度逐漸加快,到2011年出現(xiàn)極大值為88.92,兩者之間差異明顯,三年的土地安全狀態(tài)分別為敏感、不安全、安全。1997年天水市人均GDP和城市化水平分別為2125元、12.6627%,GDP增長率為-8.6569%,2011年分別為10931元、29.8735%、19.0929%。由此可知人口自然增長率與驅(qū)動力指數(shù)呈負相關(guān),城市化水平與人均GDP水平是導(dǎo)致天水市土地生態(tài)系統(tǒng)安全的重要因素;減少人口自然增長率驅(qū)動力,增強城市化水平與人均GDP驅(qū)動力是天水市今后的發(fā)展重點。因此,必須加強城鎮(zhèn)居民基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高城市競爭力,推動天水市土地資源可持續(xù)發(fā)展與利用,促進區(qū)域間生態(tài)平衡與土地資源的合理配置。

圖1 驅(qū)動力生態(tài)安全指數(shù)變化情況

圖2 壓力生態(tài)安全指數(shù)變化情況

壓力生態(tài)安全:壓力生態(tài)安全指數(shù)變化趨勢見圖2。從圖2可見,天水市土地生態(tài)安全曲線變化明顯呈下降趨勢,且R2=0.9144。壓力生態(tài)安全指數(shù)從1995年的88.51下降到2015年的11.50,變幅為77.10。土地生態(tài)安全由安全狀態(tài)向不安全狀態(tài)過渡,說明天水市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展對土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的壓力,已超出了土地生態(tài)系統(tǒng)自身的承載能力。從表3可見,天水市單位耕地面積農(nóng)藥施用量所占分項權(quán)重值為0.3381,說明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,農(nóng)藥的施用給土地造成的壓力最大,因此應(yīng)減少農(nóng)藥的施用,給土地“減壓”。單位耕地面積地膜的使用量所占分項權(quán)重為0.2256,地膜在土壤中富集,不易降解,損害土壤的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。在土地壓力因子層中,各指標對土地壓力的貢獻值順序為:X7>X8>X5>X6>X9。即化肥和農(nóng)藥對土地造成的壓力最大,應(yīng)減少化肥、農(nóng)藥和地膜的施用。

狀態(tài)生態(tài)安全:由圖3可知,天水市的土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)值總體平穩(wěn),介于20—80之間,R2=0.2144,擬合值與實際值存在較大誤差。天水市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)值由1996年的極小值19.92增長至2015年69.72,變幅49.80;主要是因為水土流失、土地荒漠化、水資源短缺造成的。因此,天水市應(yīng)通過封山育林改變土地的狀態(tài)結(jié)構(gòu),調(diào)整土地系統(tǒng)規(guī)模,選擇合理的節(jié)水灌溉等措施保護土地資源。1995年天水市森林覆蓋率為24.3%,人均公園綠地面積為4.21m2;2015年天水市森林覆蓋率為35.9%,人均公園綠地面積為9.5m2。隨著天水市“十三五”規(guī)劃的出臺和政府部門對環(huán)境的集中整治,天水市的土地安全狀況略有改善,但總體情況仍不容樂觀。

圖3 狀態(tài)生態(tài)安全指數(shù)變化情況

影響生態(tài)安全:由表5、圖4可知,影響生態(tài)安全的指數(shù)呈增長趨勢,R2=0.9536,曲線擬合較好。1995—2002年,影響天水市生態(tài)安全的指數(shù)呈線性增長趨勢,但增長速度緩慢,值介于0—40之間,土地狀態(tài)不安全,主要是因為第三產(chǎn)業(yè)所占比重較大,對土地生態(tài)安全影響較嚴重,2002年為43%;其次是農(nóng)民人均純收入較低,2002年為1250元;第三是單位耕地糧食產(chǎn)量物較少,1995年為162.65kg/km2,說明土地生產(chǎn)效率低,對土地的影響較小。2003—2009年,影響天水市生態(tài)安全的指數(shù)值介于40—60之間,土地狀態(tài)為敏感,主要是因為在土地利用和開發(fā)過程中,由于受到自然災(zāi)害的影響,土地質(zhì)量狀況越來越差。隨著天水市經(jīng)濟的增強和相關(guān)政策法規(guī)的制定,對土地利用監(jiān)管力度加大,土地質(zhì)量短期內(nèi)出現(xiàn)緩慢恢復(fù),影響指數(shù)由2003年的40.89增長至2015年的99.80,土地狀態(tài)為安全。由于絲綢之路經(jīng)濟帶建設(shè)和天水市被評為全國生態(tài)文明城市,關(guān)中—天水經(jīng)濟圈的建立,使天水市土地安全狀態(tài)更加穩(wěn)定。

圖4 影響生態(tài)安全指數(shù)變化情況

響應(yīng)生態(tài)指數(shù):由圖5可知,響應(yīng)生態(tài)指數(shù)增長緩慢,并受外界環(huán)境因素的影響較大,R2=0.295,擬合值與實際情況存在偏差。2007年天水市工業(yè)廢水達標排放率為94.42%,2015年環(huán)保投資僅為31.59億元,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是受國際金融危機的影響,對天水市經(jīng)濟發(fā)展的影響巨大,2015年全市環(huán)保投資3.16億元。天水市工業(yè)廢水達標排放率分項權(quán)重為0.4875,對土地生態(tài)安全的響應(yīng)較大。隨著天水市工業(yè)對土地生態(tài)安全的響應(yīng)逐漸增大,加強對企業(yè)污染的監(jiān)測、合理控制工業(yè)廢水的排放成為天水市土地資源可持續(xù)利用的重中之重。同時,政府需加強對土地的政策響應(yīng),確保土地的合理開發(fā)利用。

土地綜合生態(tài)安全:通過計算和分析,對天水市1995—2015年土地生態(tài)安全進行評價,得到生態(tài)安全指數(shù)變化曲線圖見圖6。從圖6的曲線變化趨勢看,天水市土地安全整體呈緩慢增長趨勢,土地生態(tài)安全狀態(tài)介于敏感與較安全之間。從評價因子層看,驅(qū)動力所占權(quán)重為0.2462,貢獻值最大;響應(yīng)所占權(quán)重為0.1323,貢獻值最小。在今后土地資源的開發(fā)與利用過程中,天水市應(yīng)提高GDP增長的驅(qū)動力,在加強土地環(huán)境保護的同時加快經(jīng)濟發(fā)展,減少化肥、農(nóng)藥對土地安全造成的壓力;增強環(huán)保投資對土地安全的響應(yīng),加大環(huán)保投資力度。

圖6 綜合生態(tài)安全指數(shù)變化

3 結(jié)論與討論

本文參照DPSIR框架模型構(gòu)建天水市土地生態(tài)安全指數(shù)模型,對1995—2015年天水市土地狀況進行評價。本文采用灰色關(guān)聯(lián)模型進行賦權(quán),克服了主觀傳統(tǒng)賦權(quán)法的缺點,具有數(shù)學(xué)矛盾的客觀性。但灰色關(guān)聯(lián)模型并非完全客觀,為了使評價結(jié)果更具客觀性,有必要對灰色關(guān)聯(lián)模型進行改進,優(yōu)化ρ的取值。一般情況下ρ取0.5,δi值恒大于0.3333;ρ的取值具有隨意性,導(dǎo)致δi出現(xiàn)較大的誤差。此時,通過簡化ρ的取值,如對δi進行改進,忽略ρ的取值部分,則使評價過程更具有客觀性。評價結(jié)果與天水市土地實際情況相符,故此改進模型可客觀地對土地質(zhì)量和狀況進行評價。

通過分析,1995—2006年天水市土地生態(tài)安全處于敏感狀態(tài),2007年、2009年處于較安全狀態(tài),2008年為敏感狀態(tài),2010—2012年處于敏感狀態(tài),2013—2015年處于安全狀態(tài)。由圖6的曲線可知,天水市土地生態(tài)安全整體呈緩慢增長趨勢,土地安全等級由不安全狀態(tài)向安全狀態(tài)過渡;狀態(tài)生態(tài)安全指數(shù)和響應(yīng)生態(tài)安全指數(shù)曲線增長速度緩慢,起伏波動較大,土地生態(tài)安全等級為敏感且起伏變化;壓力生態(tài)安全指數(shù)曲線呈下降趨勢,且下降速度加快,土地生態(tài)安全等級由安全變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)。針對這種變化趨勢,提出有關(guān)土地資源可持續(xù)安全利用的對策建議,具體為:①政府及相關(guān)環(huán)保部門應(yīng)加強土地的監(jiān)管和保護力度,制定新的土地資源可持續(xù)利用政策,健全土地生態(tài)保障制度。②社會各界應(yīng)重視對土地生態(tài)環(huán)境的保護,倡導(dǎo)綠色的生產(chǎn)方式;積極宣傳土地生態(tài)環(huán)境保護的發(fā)展政策,并與破壞土地生態(tài)平衡的行為作斗爭。③公民個體應(yīng)樹立正確的可持續(xù)發(fā)展觀念,倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)觀念,合理優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與規(guī)模。

本文使用的方法存在一定的缺陷,在指標的選取過程中存在相對主觀性,不能完全客觀地評價土地安全等級;在研究區(qū)域上只限于小區(qū)域,研究結(jié)果尺度上的普遍性存在局限。通過研究旨在對小區(qū)域的土地生態(tài)安全評價提供理論依據(jù),為小區(qū)域土地資源的合理利用提供新的方法。

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