基于PSR模型的青銅峽市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測

王 鵬, 王亞娟, 劉小鵬, 陳 曉, 孔福星

〔1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750021〕

1 研究區(qū)域

青銅峽市位于黃河上游，寧夏平原的中部，地處105°22′—109°09′E，37°41′—38°33′N，隸屬寧夏自治區(qū)吳忠市，南北長約60 km，東西寬約30 km，地勢由西南高東北低，呈現(xiàn)階梯狀分布，屬中溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差較大，全年日照2 955 h，年平均氣溫8.3～8.6 ℃，無霜期176 d，水資源較為豐富，年降水量260.7 mm。地轄8個(gè)鎮(zhèn)和2個(gè)場，截止2016年底，總?cè)丝谶_(dá)30萬人，總面積約2 445 km2，是玉米、水稻、小麥、蔬菜、枸杞等農(nóng)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地之一。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

采用由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(OECD)提出的PSR模型對(duì)青銅峽市土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。PSR模型以人類與自然系統(tǒng)相互制約和依存關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)建立指標(biāo)體系，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，該模型由“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”三部分指標(biāo)組成[15]。壓力指標(biāo)表示環(huán)境承受人類各種生產(chǎn)、生活活動(dòng)對(duì)其造成的壓力；狀態(tài)指標(biāo)表示自然資源和環(huán)境所處的現(xiàn)狀；響應(yīng)指標(biāo)表示人類在面對(duì)各種壓力時(shí)所采取的手段和措施。該模型較好地反映生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)間的關(guān)系，并將二者緊密聯(lián)系起來，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值[16]。

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用數(shù)據(jù)全部來源于《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》以及青銅峽市政府報(bào)告、官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)和寧夏自治區(qū)官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)、寧夏自治區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

2.2 指標(biāo)體系的確立

依據(jù)指標(biāo)體系選取的科學(xué)性、合理性、可操作性以及數(shù)據(jù)獲取的可得性原則，運(yùn)用PSR模型，并結(jié)合青銅峽市土地生態(tài)安全特點(diǎn)，在借鑒已有研究成果[8,15-17]的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了青銅峽市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 青銅峽市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 土地生態(tài)安全計(jì)算

2.3.1 構(gòu)建樣本評(píng)價(jià)矩陣 定義xij指第i年的第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值，從而構(gòu)建研究區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的樣本矩陣X:

X=(xij)m×n

2.3.2 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 為了消除量綱影響，本文采用極差法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到矩陣Y，記為：

Y=(yij)m×n

式中：Yij——指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，Yij∈(0,1)；xijmax，xijmin——第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

2.3.3 熵權(quán)法確定權(quán)重 定義fij指標(biāo)準(zhǔn)化值占總標(biāo)準(zhǔn)化值的比重，則有公式：

令ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，則有公式：

本次高峰論壇的第一位主講嘉賓是來自中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理張新國，清華大學(xué)副校長、教育部高等學(xué)校工業(yè)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員鄭力教授，東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司制造總部總部長陽玉龍，聯(lián)想創(chuàng)投集團(tuán)大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)總經(jīng)理吳越，悠樺林信息科技（上海）有限公司首席優(yōu)化科學(xué)家丁偉軍，以及來自京東集團(tuán)副總裁楊平、上海交通大學(xué)中美物流研究院院長江志斌教授、特斯拉汽車公司資深可靠性主管工程師孫鳳斌先生、順豐速運(yùn)營運(yùn)副總裁張戟、耐克大中華區(qū)財(cái)務(wù)總監(jiān)卞敏娜、富士康精密組件（北京）有限公司副總經(jīng)理劉峰峰以及愛柯迪股份有限公司副總經(jīng)理何盛華，分別發(fā)表主旨演講。

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj，公式為：

式中：wj——第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；ej——第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值；m——研究期；j——指標(biāo)個(gè)數(shù)。根據(jù)熵權(quán)法以及以上所給的公式計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重詳見表1。

2.3.4 土地生態(tài)安全綜合指數(shù) 本文采用綜合評(píng)價(jià)法，利用土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到青銅峽市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)(表2)。

式中：A——土地生態(tài)安全綜合指數(shù)；wj——第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；Yij——第i年的第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；m——指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表2 青銅峽市2006-2015年土地生態(tài)安全指數(shù)

2.4 生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分

土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分的科學(xué)性、合理性是生態(tài)安全評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)，然而國內(nèi)對(duì)于生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究還處于探索階段，尚無明確、統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]。

依據(jù)青銅峽市生態(tài)安全指數(shù)，參考相關(guān)學(xué)者的研究成果[19-20]，將青銅峽市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)(表3)。

表3 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與安全等級(jí)

2.5 地理探測器分析方法

地理事物空間分布的差異性，深受經(jīng)濟(jì)社會(huì)或自然要素影響，探明其機(jī)理是地理學(xué)研究的重要內(nèi)容，“地理探測器”研究方法首次應(yīng)用于地方性疾病形成原因的探測[21]，其模型為：

2.6 土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)測

利用灰色系統(tǒng)預(yù)測方法對(duì)青銅峽市土地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測，基于灰色建模理論的灰色預(yù)測法，按照預(yù)測問題的特征，可分為5種基本類型，即數(shù)列預(yù)測、季節(jié)災(zāi)變預(yù)測、拓?fù)漕A(yù)測、災(zāi)變預(yù)測以及系統(tǒng)綜合預(yù)測，以上5種預(yù)測都是地理學(xué)中重要且較為常用的預(yù)測方法[22-23]。以2006—2016年青銅峽市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用灰色系統(tǒng)預(yù)測的數(shù)列預(yù)測法對(duì)其未來9 a土地生態(tài)安全發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。在Matlab 2012軟件中運(yùn)用GM(1,1)模型程序可以到土地生態(tài)安全值的時(shí)間動(dòng)態(tài)模型為：

x(k+1)=24.402 5exp(0.012 4k)-24.018 2

式中：x——土地生態(tài)安全綜合值；k——預(yù)測時(shí)間點(diǎn)。

為使預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確，對(duì)模型預(yù)測精度進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原始數(shù)列的還原值與實(shí)際值之間的殘差值的方差C=0.385 2，最小誤差概率p=0.860 0。在灰色預(yù)測模型精度檢驗(yàn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，p>0.8，C<0.5即為合格，因此該預(yù)測模型通過檢驗(yàn)，預(yù)測結(jié)果合理。運(yùn)用GM(1,1)預(yù)測2017—2025年青銅峽市土地生態(tài)安全態(tài)勢如圖2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果及總體特征

通過計(jì)算得到2006—2016年青銅峽市的綜合土地生態(tài)安全指數(shù)(表2)。從表2可以看出，研究期間青銅峽市的土地生態(tài)安全指數(shù)介于0.4～0.6之間，土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)值由2006年的0.446 3增加到2016年的0.505 1，其安全等級(jí)在研究期間始終處于臨界安全狀態(tài)。由圖1可以看出，研究期間青銅峽市土地生態(tài)安全整體呈波動(dòng)上升的變化趨勢，土地生態(tài)安全整體狀況得到提升和改善。其中2006—2009年土地生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降的態(tài)勢，由2006年的0.446 3下降到2009年的0.419 1；2009—2016年青銅峽市土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)值不斷上升，由2009年的0.419 1上升到2016年的0.505 1。但從壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)以及響應(yīng)指數(shù)來看，研究期間青銅峽市的壓力指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)出增大的變化趨勢，而狀態(tài)指數(shù)則變化不大。尤其2011年以來，土地生態(tài)壓力逐年增大，主要是由于這一時(shí)期青銅峽市承接了大量來自南部山區(qū)的貧困移民，使得土地生態(tài)壓力指數(shù)增加，基礎(chǔ)設(shè)用承載力加大。但由于各級(jí)政府對(duì)生態(tài)移民工程的實(shí)施及移民后的安置區(qū)建設(shè)等方面的重視，不斷加大安置區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境等方面的建設(shè)，使得響應(yīng)指數(shù)逐年增加，青銅峽市土地生態(tài)安全狀況不斷好轉(zhuǎn)。

圖1 青銅峽市土地生態(tài)安全水平

3.2 土地生態(tài)壓力指數(shù)評(píng)價(jià)分析

土地生態(tài)安全壓力指數(shù)表示人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力。由圖1和表2可知，青銅峽市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)在研究區(qū)期間整體呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢，從2006年的0.209 6下降至2009年的0.206 8，而后壓力指數(shù)由2009年的0.206 8增加到2016年的0.220 2。主要有以下幾個(gè)原因： ①人口的快速增加。十二五期間寧夏實(shí)施生態(tài)移民政策，生態(tài)移民期間青銅峽市承接了大量來自寧夏南部山區(qū)的貧困移民，使得人口密度增加，由111人/km2上升為120人/km2，加大了土地承載壓力； ②研究期間，青銅峽市經(jīng)濟(jì)得到快速增長，工業(yè)化進(jìn)程加大，城市化水平不斷提高，致使“三廢”排放量增加； ③青銅峽市是寧夏主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，農(nóng)用化肥、農(nóng)藥以及塑料薄摸的使用加大了土地壓力，研究期間研究區(qū)農(nóng)用化肥量由2006的7.52×108t增加到2016年的8.95×108t，土壤土質(zhì)發(fā)生變化，肥力下降，土地資源環(huán)境壓力加大。

3.3 土地生態(tài)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)分析

土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)反映了自然生態(tài)系統(tǒng)的狀況。由表2可以看出，青銅峽市土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)幾乎保持不變，基本上呈持平狀態(tài)。研究期間，青銅峽市的農(nóng)村人均純收入和城鎮(zhèn)居民可支配收入逐年增加，分別由2006年的4 401.03和5 668.22元增加到2016年的10 200.54和21 003.19元；但是其人均糧食產(chǎn)量在不斷減少，由2006年的991.3 kg減少至913.03 kg，主要是人口增加所導(dǎo)致的結(jié)果。

3.4 土地生態(tài)響應(yīng)指數(shù)評(píng)價(jià)分析

土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)反映人類在面對(duì)各種生態(tài)壓力時(shí)所采取的措施和方法。由圖1可以看出研究始末青銅峽市的土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升再下降再上升的W形變化趨勢。2006—2007年響應(yīng)指數(shù)由0.122 8下降至0.118 7，2007—2008年增加至0.129 8，而后下降至2009年的0.109 9；2009—2016年呈現(xiàn)逐年上升的變化趨勢。2006—2009年響應(yīng)指標(biāo)波動(dòng)變化主要是第三產(chǎn)業(yè)占GDP比率、廢氣與廢水處理設(shè)施套數(shù)和水利環(huán)保投資占GDP比率等指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化引起的。2009—2016年響應(yīng)指數(shù)逐年增加，主要是政府注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施、福利等民生方面的建設(shè)和完善，尤其是“十二五”以來，生態(tài)移民工程的實(shí)施以及各項(xiàng)扶貧攻堅(jiān)政策的開展，各級(jí)政府把生態(tài)保護(hù)和改善民生作為首要任務(wù)來抓，極大地改善和保護(hù)了土地生態(tài)狀況。

3.5 土地生態(tài)安全主導(dǎo)因素分析

區(qū)域土地生態(tài)安全受各種因素的綜合影響，本文選取了能夠反映土地生態(tài)安全的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面的27項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)影響土地生態(tài)安全的主導(dǎo)因素進(jìn)行探測研究。首先利用ArcGIS軟件對(duì)土地生態(tài)安全體系各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，根據(jù)地理探測器模型，將表1指標(biāo)層中27項(xiàng)指標(biāo)分別與土地生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行空間探測分析，計(jì)算得到各因素對(duì)土地生態(tài)安全指數(shù)的影響力(表4)。Q值越大，表明該因素對(duì)區(qū)域土地生態(tài)安全影響越大，將Q值大于0.9的指標(biāo)因素看作為影響土地生態(tài)安全的主導(dǎo)因素。由表4可以看出，青銅峽市的土地生態(tài)安全主要受到人口密度、農(nóng)用化肥使用量、廢水排放量、萬元GDP能耗、工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量、建成區(qū)綠化覆蓋率、水利、環(huán)保設(shè)施投資占GDP的比率等要素的影響。

表4 土地生態(tài)安全影響因素探測力指標(biāo)值

3.6 基于GM(1,1)模型土地生態(tài)安全預(yù)測分析

通過利用GM(1,1)模型對(duì)青銅峽市未來9 a的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，2017—2025年青銅峽市土地生態(tài)安全呈現(xiàn)上升的趨勢，其土地生態(tài)安全等級(jí)仍為臨界安全狀態(tài)。土地生態(tài)安全的不斷提升和改善有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)。

圖2 2017-2025年青銅峽市土地生態(tài)安全變化趨勢

4 討論與結(jié)論

2006—2016年青銅峽市土地生態(tài)安全壓力指數(shù)整體呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢，由2006年的0.209 6下降至2009年的0.206 8，而后壓力指數(shù)由2009年的0.206 8增加到2016年的0.220 2。土地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)雖有波動(dòng)，但其變化幅度不大，處于基本持平的狀態(tài)。青銅峽市的土地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升再下降再上升的W形變化趨勢。2006—2007年響應(yīng)指數(shù)由0.122 8下降至0.118 7，2007—2008年增加至0.129 8，而后下降至2009年的0.109 9；2009—2016年呈現(xiàn)逐年上升的變化趨勢。

土地生態(tài)安全壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)、響應(yīng)指數(shù)三者共同決定著研究區(qū)的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的綜合指數(shù)。由表2可以看出，青銅峽的土地生態(tài)安全指數(shù)介于0.4～0.6之間，土地生態(tài)安全整體呈波動(dòng)上升的變化趨勢，其中2006—2009年土地生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降的態(tài)勢，由2006年的0.446 3下降到2009年的0.419 1；2009—2016年青銅峽市土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)值不斷上升，由2009年的0.419 1降低到2016年的0.505 1。土地生態(tài)安全整體狀況得到提升和改善，其土地生態(tài)安全等級(jí)在研究期間始終處于臨界安全狀態(tài)。

依據(jù)2006—2016年生態(tài)安全綜合指數(shù)對(duì)2017—2025年的土地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，研究期間青銅峽市土地生態(tài)安全水平整體呈現(xiàn)上升趨勢，2017—2025年其土地生態(tài)安全水平雖有上升，但其安全等級(jí)仍為臨界水平，安全等級(jí)有待于提高。利用地理探測器對(duì)青銅峽市土地生態(tài)安全影響因子進(jìn)行探測發(fā)現(xiàn)，青銅峽市的土地生態(tài)安全水平主要受人口密度、農(nóng)用化肥使用量、廢水排放量、萬元GDP能耗、工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量、建成區(qū)綠化覆蓋率、水利、環(huán)保設(shè)施投資占GDP的比率等要素的影響。因此，在改善和提高該地區(qū)土地生態(tài)安全時(shí)應(yīng)綜合考慮以上因素的影響，采取相對(duì)應(yīng)的手段和措施。

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