基于PSR和GM（1,1）模型的安徽省土地生態(tài)安全預(yù)警與分析

談晟薈 張中浩 聞熠

摘要基于PSR模型和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建安徽省土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法對(duì)2010—2016年安徽省土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)測(cè)，運(yùn)用GM（1，1）模型對(duì)2017—2020年土地生態(tài)安全狀況做出預(yù)警。結(jié)果表明：安徽省土地生態(tài)安全狀況從2010年的0.355 （重警）上升到2016年的0.671（中警），土地生態(tài)安全狀況有所好轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力層、系統(tǒng)狀態(tài)層以及系統(tǒng)響應(yīng)層指數(shù)均呈上升趨勢(shì)。2017—2020年的預(yù)警值分別為0.776（中警）、0.875（輕警）、0.987（無(wú)警）和1.113（無(wú)警），表明未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)狀況將持續(xù)好轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞PSR模型;GM（1，1）模型;土地生態(tài)安全;安徽省

中圖分類(lèi)號(hào)F205文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）03-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.001

土地資源是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人們生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體。土地生態(tài)系統(tǒng)是整體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)土地資源的合理配置和保障其生態(tài)安全關(guān)系到區(qū)域的整體安全，因此對(duì)區(qū)域土地生態(tài)安全的研究顯得意義重大[1]。近年來(lái)，城市化和工業(yè)化進(jìn)程不斷加速導(dǎo)致土地利用強(qiáng)度不斷增加，使得土地安全問(wèn)題日益突顯，國(guó)家對(duì)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)給予高度關(guān)注，《十三五生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》第六章中指出，要完善風(fēng)險(xiǎn)防控和應(yīng)急響應(yīng)體系，有效防范和降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，健全資源環(huán)境承載力預(yù)警機(jī)制，對(duì)接近和達(dá)到警戒線的區(qū)域進(jìn)行管制。

土地生態(tài)安全預(yù)警是生態(tài)安全研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究。從預(yù)警模型方面來(lái)看，主要有GM（1，1）模型[2]、GM（1，1）無(wú)偏模型[3]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]、情景分析模型[6]、調(diào)控分析模型[7];從研究區(qū)域來(lái)看，主要集中在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)敏感、脆弱的地區(qū)，以省、市一級(jí)行政單位為基礎(chǔ)[8];從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，主要研究土地生態(tài)安全的目前狀態(tài)，并利用相關(guān)模型預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，提出改善建議[9]。總體來(lái)看，相關(guān)理念和技術(shù)方法已經(jīng)成熟。然而，對(duì)于安徽省土地生態(tài)安全的研究，仍停留在評(píng)價(jià)土地生態(tài)安全的目前狀況，缺乏預(yù)警研究。

該研究選取安徽省為研究區(qū)域，運(yùn)用熵權(quán)法賦權(quán)，得到綜合評(píng)價(jià)值，以期對(duì)現(xiàn)有土體生態(tài)安全狀況做出定量、定性的評(píng)價(jià)，利用GM（1，1）模型對(duì)安全趨勢(shì)做出合理預(yù)測(cè)。

1研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究方法

1.1.1PSR模型法

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（PSR）。此模型于20世紀(jì)80年代由國(guó)際經(jīng)濟(jì)與發(fā)展組織提出，旨在構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)估[10]。該指標(biāo)體系由三部分組成，即壓力系統(tǒng)（P）：表征人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成壓力的相關(guān)指標(biāo);狀態(tài)系統(tǒng)（S）：表征生態(tài)系統(tǒng)目前狀態(tài)的相關(guān)指標(biāo);響應(yīng)系統(tǒng)（R）：表征人類(lèi)應(yīng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化所采取行動(dòng)的相關(guān)指標(biāo)?；赑SR理念和相關(guān)論文成果[11-12]，選取23個(gè)評(píng)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建了安徽省土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型（表1）。

1.1.4土地生態(tài)安全等級(jí)劃分。

依據(jù)現(xiàn)有研究成果，將生態(tài)安全等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，即重警、中警、輕警、預(yù)警、無(wú)警[13]（表2）。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2011—2016）、安徽省環(huán)境保護(hù)廳、《國(guó)家環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、安徽省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，部分統(tǒng)計(jì)指標(biāo)通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的計(jì)算獲得。

2安全預(yù)警與分析

依據(jù)以上研究方法，采用熵權(quán)法計(jì)算得到安徽省2010—2016年土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，利用GM（1，1）模型計(jì)算得到2017—2020年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)預(yù)測(cè)值。

2.1目標(biāo)層土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警及分析

在建立GM（1，1）模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，對(duì)未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)安全目標(biāo)層狀況做出預(yù)測(cè)（圖1），目標(biāo)層預(yù)測(cè)公式為：X（t+1）=2.966 759e0.113t-2.611 504。預(yù)測(cè)值為0.776 3，0.875 3，0.986 8，1.112 5。表4為該公式的擬合結(jié)果，其中P=1（好），C=0.168（好），表明模型精度高，符合要求。自2010年以來(lái)，安徽省的土地生態(tài)安全狀況一直朝著良好的方向發(fā)展，從指標(biāo)層數(shù)據(jù)分析來(lái)看，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重、 單位耕地化肥施用量、單位耕地農(nóng)藥使用量、工業(yè)廢水排放量均呈下降趨勢(shì);森林覆蓋率、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、人均公園綠地面積、農(nóng)村人均純收入、環(huán)保投資占GDP比重、污水處理率、生活垃圾無(wú)害化處理率、建成區(qū)綠化覆蓋率、水土流失綜合治理面積均呈上升趨勢(shì)。綜合來(lái)看，負(fù)向指標(biāo)的下降，正項(xiàng)指標(biāo)的上升，是導(dǎo)致安徽省土地生態(tài)安全狀況好轉(zhuǎn)的主要推動(dòng)力。2010年安徽省十一屆人民代表大會(huì)第二十次會(huì)議通過(guò)了《安徽省環(huán)境保護(hù)條例》，該條例中監(jiān)督管理、保護(hù)和改善環(huán)境、防治污染和其他公害、法律責(zé)任等相關(guān)政策的出臺(tái)和實(shí)施，切實(shí)有效地改善了安徽省的土地生態(tài)環(huán)境狀況。

2.2壓力層土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警及分析

在建立GM（1，1）模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，對(duì)未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)安全壓力層狀況做出預(yù)測(cè)（圖2），壓力層預(yù)測(cè)公式為：X（t+1）=0.160 278e0.239t-0.053 93。預(yù)測(cè)值為0.260 1、0.341 8、0.449 3、0.590 6。表5為該公式的擬合結(jié)果，其中P=1（好），C=0.403（較好），表明模型精度較高，符合要求。自2010年以來(lái)，壓力層的安全指數(shù)呈先下降后上升的趨勢(shì)，大致可分為2個(gè)階段，即2010—2013年為下降時(shí)期，2013—2016年為波動(dòng)上升時(shí)期。就下降階段而言，單位耕地化肥施用量從7 647.6 t/hm2增加到7 970.0 t/hm2;一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量從9 158.17萬(wàn)t增加到12 022.3萬(wàn)t，地膜使用量從3.73萬(wàn)t增加到4.05萬(wàn)t，這些指標(biāo)的變動(dòng)導(dǎo)致該時(shí)間段系統(tǒng)壓力增大，從而使得系統(tǒng)壓力評(píng)分變低。就上升階段而言，第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重從2013年的11.79%下降到2016年的10.64%;單位耕地化肥施用量從7 635 t/hm2下降到5 568 t/hm2;單位耕地農(nóng)藥使用量從281 t/hm2下降到180 t/hm2。這些指標(biāo)的變動(dòng)是壓力系統(tǒng)好轉(zhuǎn)的主要原因。

2.3狀態(tài)層土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警及分析

在建立GM（1，1）模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，對(duì)未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)安全狀態(tài)層狀態(tài)做出預(yù)測(cè)（圖3），狀態(tài)層預(yù)測(cè)公式為：X（t+1）=2.051 276e-0.072t-1.884 722。預(yù)測(cè)值為0.249 3、0.268 7、0.289 6、0.312 0。表6為該公式的擬合結(jié)果，其中P=0.857（較好），C=0.464（較好），表明模型精度較高，符合要求。自2010年以來(lái)，響應(yīng)層的狀況有所好轉(zhuǎn)，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。從指標(biāo)層的數(shù)據(jù)變動(dòng)來(lái)看，森林覆蓋率穩(wěn)步上升，7年間上升了1.12%;第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重的增加，有效調(diào)整了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使農(nóng)業(yè)、工業(yè)對(duì)于土地壓力進(jìn)一步減小;農(nóng)村人均純收入增幅較大，從2010年的6 895.62元/人增長(zhǎng)到2016年的15 514.88元/人，說(shuō)明農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展樂(lè)觀;人均公園綠地面積增加也使得系統(tǒng)響應(yīng)層狀態(tài)好轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，關(guān)注城市建成區(qū)面積的迅速擴(kuò)張，城市擴(kuò)張占用了大量的土地資源，人口集聚導(dǎo)致環(huán)境污染，工業(yè)建筑以及道路系統(tǒng)的建設(shè)在一定程度上危害土地生態(tài)安全。

2.4響應(yīng)層土地生態(tài)安全指數(shù)預(yù)警及分析

在建立GM（1，1）模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，對(duì)未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)安全響應(yīng)層狀態(tài)做出預(yù)測(cè)（圖4），響應(yīng)層預(yù)測(cè)公式為：X（t+1）=2.051 276e0.072t-1.884 722。預(yù)測(cè)值為0.289 1、0.317 2、0.34 8、 0.381 8。表7為該公式的擬合結(jié)果，其中P=0.857（較好），C=0.495（較好），表明模型精度較高，符合要求。自2010年以來(lái)，響應(yīng)層的狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)。從指標(biāo)層來(lái)看，環(huán)保投資占比穩(wěn)步上升，從2010年的1.46%上升到2016年的2.04%，說(shuō)明政府越來(lái)越重視區(qū)域的環(huán)境保護(hù)，加大了資金投入和管理力度。其中，污水處理率、生活垃圾無(wú)害化處理率以及建成區(qū)綠化覆蓋率均呈上升趨勢(shì)，有效地改善了區(qū)域環(huán)境狀態(tài)，使土地壓力減小。在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害方面，水土流失綜合治理面積從2010年的4.3 hm2增加到2016年的21.0 hm2，有效降低了土地生態(tài)安全的風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)論與討論

（1）2010—2016年安徽省土地生態(tài)安全警情分別為重警、重警、中警、中警、中警、輕警、輕警，土地生態(tài)狀況好轉(zhuǎn)。系統(tǒng)壓力層、系統(tǒng)狀態(tài)層、系統(tǒng)響應(yīng)層指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，表明安徽省環(huán)境保護(hù)條例自2010年實(shí)施以來(lái)，成效顯著。

（2）利用GM（1，1）模型預(yù)測(cè)得到2017—2020年安徽省土地生態(tài)安全預(yù)警值指數(shù)分別為0.776 3、0.875 3、0.986 8、1.112 5。模型精度檢驗(yàn)：P=1，C=0.169，表明模型精度高，預(yù)測(cè)值可信度高。未來(lái)4年安徽省土地生態(tài)安全狀況朝著無(wú)警方向發(fā)展，土地生態(tài)安全狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，達(dá)到最優(yōu)情況。

（3）在PSR模型構(gòu)建中，該領(lǐng)域?qū)υu(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚未形成一個(gè)明確的體系，該研究在指標(biāo)選取上，舍棄一些不連續(xù)的指標(biāo)，因而指標(biāo)選取存在一定的局限性。在今后的研究中，可以運(yùn)用合理的插值方法將缺失的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊并加入測(cè)評(píng)，使得指標(biāo)體系更具針對(duì)性和豐富性。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳次芳，徐保根.土地生態(tài)學(xué)[M].北京：中國(guó)大地出版社，2003：27-61.

[2] 嚴(yán)超，張安明，吳仕海.基于GM（1，1）模型的土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)分析與預(yù)測(cè)：以安徽省池州市為例[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，37（2）：103-109.

[3] 范勝龍，楊玉珍，陳訓(xùn)爭(zhēng)，等.基于PSR和無(wú)偏GM（1，1）模型的福建省耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[J].中國(guó)土地科學(xué)，2016，30（9）：19-27.

[4] MELESSE A M，KRISHNASWAMY J，ZHANG K.Modeling coastal eutrophication at Florida Bay using neural networks[J].Journal of coastal research，2008，24（S2）：190-196.

[5] 徐美，朱翔，劉春臘.基于RBF的湖南省土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警[J].地理學(xué)報(bào)，2012，67（10）：1411-1422.

[6] 孫云鵬.全球變化背景下遼寧省土地利用生態(tài)安全情景分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（24）：13150-13153.

[7] 孫鵬，何如海，王其帥，等.合肥市土地生態(tài)安全預(yù)警及調(diào)控研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018，20（2）：26-30.

[8] FARHAN A R，LIM S.Vulnerability assessment of ecological conditions in Seribu Islands，Indonesia[J].Ocean & coastal management，2012，65（3）：1-14.

[9] 陳美婷.廣東省土地生態(tài)安全預(yù)警初步研究[D].廣州：中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，2015.

[10] 熊建華，韓書(shū)成.基于熵權(quán)法和PSR模型的佛山市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2015，40（6）：160-164.

[11] 謝嗣頻.土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究：以無(wú)錫市為例[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[12] 韓書(shū)成，熊建華，李丹.珠三角城市群土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（2）：83-88.

[13] 余文波，蔡海生，張瑩，等.湖北省土地生態(tài)安全預(yù)警評(píng)價(jià)及調(diào)控[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018（2）：189-196.