基于DPSIR-TOPSIS模型的四川省土地生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断.pdf

国土与自然资源研究30TERRITORY&NATURALRESOURCESSTUDY北农业大学，2 0 16.31 张玥.海伦市土地利用变化的GIS分析 D.东北林业大学，2004.32 陈袁.基于支持向量机的遥感影像分类 J.中国科技信息，2015(17):21-22+14.33 Liu B Y,Nearing M A,Shi P J,et al.Slope length effects on soilloss for steep slopesJ.Soil Science Society of America Journal,2000,64(5):1759-1763.34谢红霞.延河流域土壤侵蚀时空变化及水土保持环境效应评价研究 D.陕西师范大学,2 0 0 8.35 Sharpley A N,Williams J R.EPIC-erosion/productivity impactcalculator:1.Model determination.US Department of AgricultureJ.1990:235.36 张芷温.基于CSLE模型的沂蒙山区土壤保持量与功能动态研究 D.山东农业大学，2 0 2 0.37中华人民共和国水利部.区域水土流失动态监测技术规定.2018-08-13.http:/ S.北京：中国水利水电出版社，2 0 0 8(8).39 刘燕玲.黑龙江省降雨侵蚀力与其它气候因子的关系 J黑龙江水利科技，2 0 17（7）：3 9-4 0.40范昊明，蔡强国，王红闪.中国东北黑土区土壤侵蚀环境J.水土保持学报,2 0 0 4(2):6 6-7 0.41李桂芳,郑粉莉,卢嘉，等.降雨和地形因子对黑土坡面土壤侵蚀过程的影响 J.农业机械学报，2 0 15（4）：14 7-15 4+18 2.42路中，雷国平,郭一洋,等.不同空间尺度松嫩平原土地利用强度变化及其对气候因子的影响 J.生态学报，2 0 2 1（5)：1894-1906.43何煦，桑琦明,郑粉莉，等.东北不同黑土厚度区多营力作用的坡面土壤侵蚀试验研究 J.水土保持学报，2 0 2 1,3 5(1)：103-109+115.44 陆鸿宾.江苏省主要湖泊的降水量与湖泊的降水效应 J.海洋湖沼通报，19 9 1(2）：2 3-3 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年土地生态安全时空演变趋势，运用探索性空间分析与障碍度模型识别其空间分布格局与障碍因子。结果表明，（1)时间上，四川省土地生态水平呈“V型波动上升趋势，总体较为安全；空间上，土地生态安全水平表现为“四周低中心高”圈层化分布特征。（2)四川省土地生态安全水平存在显著的空间关联性，呈集聚分布空间格局。成绵德城市带是高值集聚的空间主轴，川西地区与川东北达州、巴中市是低值集聚地区。（3)地均GDP、科研投资占GDP比例、人均耕地面积与耕地机械化程度是四川省土地生态安全的障碍因素。为促进四川省土地生态安全的高质量发展，必须建立健全土地集约利用与控制机制，加大科研投入，实施全区生态管理。关键词：土地生态安全评价；时空格局演变；空间自相关；障碍因子；四川省中图分类号：F301.24文献标识码：Adoi:10.16202/ki.tnrs.2023.05.007Spatio-temporal Pattern EvolutionandObstacle Factor Diagnosis of LandEcological Securityin Sichuan ProvinceBased on DPSIR-TOPSIS Model(College of Public Administration,Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:Rapid urbanization has led to a dramatic deterioration ofthe ecological environment.The evaluation of land ecological safetyat the provincial scale is of great significance to the sustainabledevelopment of the region.Establishing a land ecological securityindicator system based on the DPSIR framework.Evaluatingthespatial and temporal evolutionof ecological security status from2013 to 2019 through a combined empowerment-TOPSIS model.Exploratory spatial data analysis and barrier degree model wereused to explore the spatial distribution pattern and barrier factors.The results show that,(1)temporally,the level of land ecologicalsafety in Sichuan Province is generally safe,with a“y-shapedfluctuating upward trend;spatially,there are inter-regionaldifferences in the level of land ecological safety in SichuanProvince,showing a spatial distribution characteristic of low valuesat the edges and high values at the centre.(2)There is asignificant spatial correlation between the levels of land ecologicalWang Bo王博基于DPSIR-TOPSIS模型的四川省土地生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断safety in Sichuan Province,forming a spatial pattem ofagglomeration distribution.Chengdu,Mianyang and Deyang are thespatial spine of high value concentration of land ecological safetyin Sichuan Province,while the westerm part of Sichuan andDazhou and Bazhong in northeastem Sichuan are the cold spots oflow value concentration.(3)Land per capita GDP,the proportionof scientific research investment to GDP,the area of cultivatedland per capita and the mechanization degree of cultivated landare the obstacles to land ecological security in Sichuan Province.In order to promote high-quality development of land ecologicalsecurity in Sichuan Province,a sound mechanism for intensiveland use and control should be established.It is also necessary toincrease investment in scientific research and carry out ecologicalmanagement of the whole area.Key words:land ecological security evaluation;spatial-temporal evolution pattern;spatial autocorrelation;obstaclefactors;Sichuan Province0引言土地是人类赖以生存与发展的物质基础，也是落实生态安全工作、实现生态文明建设的重要空间载体。土地生态安全(Land Ecological Security,LES)是土地资源安全重要组成部分，保障土地具有良好结构与功能，促进土地生态与人类社会的和谐共生。伴随中国城镇化与工业化迅速发展，人地矛盾日益凸显，耕地减少、土壤污染与水土流失等粮食、生态问题层出不穷 3 。在新时代生态文明背景下，土地生态安全问题受到各界广泛关注。因此开展土地生态安全时空动态评价，系统性探究土地生态安全空间格局及其障碍因子,对于开展国土空间生态修复，稳步推进区域生态文明建设有重要意义。现有成果对土地生态安全两大主要特征已达成共识：一是在面临外胁迫时，土地生态系统结构能维持稳定、有弹性且健康的状态；二是可持续地为人民提供必需的产品与服务的能力 4-;同时亦对土地生态安全评价框架构建、权重确定与方法选取、影响因子识别等开展系统研究。由微观至宏观，对土地生态安全研究单元已覆盖乡镇、城市、流域8 及城市群1 9 等。压力状态响应(PSR)模型 10 及其改进模型驱动力压力状态影响响应(DPSIR)I是较为成熟的评价框架，后者能够从系统论角度耦合不同指标，从因果链角度进行动态演绎。确定评价指标后，采用摘值法 10 、CRITIC法 12 确定权重，再应用主成分分析 13 、生态足迹 14 、物元分析 15 及神经网络 9 等方法评价生态安全状况。近年来，伴随GIS技术的发展，逐渐由初步的地图可视化来呈现其地理分布差异，到深人结合遥感与空间计量手段实现土地生态安全的空间过程格局分析 10,16-17 。然而目前研究对西南地区省份关注不足，且鲜有学者结合组合赋权法与TOPSIS法综合评价土地生态安全状况，并考虑对其空间关联特征与障碍因子展开系统性研究。31鉴于此，本研究以中国重要粮食主产区，长江黄河上游重要生态安全屏障一一四川省为研究区域，基于DPSIR理论构建指标体系，采用组合赋权-TOPSIS模型揭示2 0 13 一2 0 19 年土地生态区安全状况的时空演化特征，结合空间自相关分析与障碍度模型，探测并诊断土地生态安全空间集聚格局及其主要障碍因子，以期为区域国土空间格局优化提供参考。1研究区域与数据来源1.1 区域概况四川省地处中国西南腹地、长江上游流域，下辖18个地级市,3 个自治州，省内地势西高东低，气候复杂多样，存在严重水土流失与土壤污染问题，生态环境结构性矛盾较突出。伴随成渝地区双城经济圈建设规划纲要批复，四川省内土地生态安全状况对成渝经济圈及长江上游流域的生态共建共保有重要影响。1.2数据来源本文使用数据主要来源于2 0 13 一2 0 19 年四川统计年鉴与中国城市统计年鉴,部分数据由以上资料整理而来。2研究方法2.1DPSIR模型与组合赋权法2.1.1基于DPSIR模型的土地生态安全评价指标体系评价土地生态安全状况需综合考虑系统内层级间逻辑关系。本文遵循科学性与数据可获得性等原则，以DPSIR模型为基本框架构建评价体系（图1）。其中驱动力层主要选取人口、社会经济和城镇化等因素；考虑到四川省是农业大省，压力层除了选取相关人口与经济指标外，增加反映农业生产化肥施用情况指标；状态层侧重反映耕地生产及生态安全状况；影响层对选取农业机械化、农民可支配收人、城镇人均居住面积等指标；响应层选择污染物处理率、单位产值能耗及科研经费投人等表征土地生态治理水平的指标。同时为消除量纲影响，本文采用极差标准化法分别处理正向、负向指标,将数据映射至 0,1 区间内。驱动力子系统快速城镇化下，经济社会发展与人口增长压力子系统较高人口密度、化肥施用与土地开发活动状态子系统耕地面积与产量变化、生态环境变化响应子系统科技创新、能耗降低、开展生态治理土地生态安全影响子系统土地质量、宜居性、产业结构与生态功能改变图1DPSIR模型框架图322.1.2组合赋权法权重是评价指标对土地生态安全影响程度的直观反映。组合赋权通过将满足一致性检验(CI”“分别表示研究期间土地安全等级呈现上升、下降、平稳态势。市土地生态系统呈现安全态势，分别为成都市、绵阳市与德阳市；6 个地市州土地生态安全状况处于危险或者敏感状态，主要集中在省域西部三个自治州及东部达州、巴中、南充三市;2 0 16 年四川省内土地生态安全状况处于危险或敏感等级的城市上升至9 个，表现为从边缘至局部的扩散态势，其中成都市、绵阳市土表1土地生态安全指标体系及权值表准则层权重驱动力0.086S3有效灌溉面积占耕地面积比（%）S4建成区绿化覆盖率I,单位耕地粮食产量（t/hm)Iz耕地机械化程度（kw/hm)I;第三产业比重(%)L城镇人均居住面积（m）I农村居民人均纯收人（元）R 排放污水年处理率(%)20160.3670.392I0.5650.3580.3920.3620.3880.3630.4570.5220.3430.309V0.3480.3580.3480.335V0.3460.3450.320IV0.326IV0.3810.3580.385I0.333V0.4250.3770.3100.324IV0.4040.3770.327IV0.307V0.3500.3580.320IV指标层（单位）P人口密度（人/km)P,地均GDP(万元/hm)P;化肥使用量(t/hm)P4房地产开发投资完成额（亿元）Si人均耕地面积(hml人)Sz城市人均公园绿地面积（m）性质综合权重一0.0093+0.0510.0120.013一0.018一+一+0.022+0.050+0.056+0.039+0.042+0.087+0.041+0.022+0.033一0.036+0.112III0.3790.3500.4720.381I0.3510.3670.3570.4230.332IV0.420I0.302V0.3870.3460.359一0.319V0.100.0620.0650.0940.031王博基于DPSIR-TOPSIS模型的四川省土地生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断地生态安全状况依然保持安全状况，而广元市、巴中市、宜宾市与泸州市土地生态安全状况由临界状态转变为敏感或危险状态。这可能与2 0 13 年四川省提出实施多点多极支撑发展战略有关。区域经济总量大幅提升的同时导致土地承受来自社会、经济及人口更多压力，城镇化水平的提高与建成区的蔓延对土地生态系统结构形成明显干扰，土地生产能力与生态绿色服务价值减退，其弹性恢复能力面临挑战。2 0 19 年四川省土地生态系统安全状态实现明显改善，处于危险或敏感状态城市仅有3 个，较2 0 13 年减少6 6%，这主要与省域内土地生态系统影响层与响应层水平提升有关。总体而言，2 0 13 一2 0 19 年，四川省总体土地生态安全水平呈现“V”型波动上升态势，土地生态格局较为安全。下辖各地市州土地生态状态显著改良，呈现出以成都市为核心向川南、川西北及川东北地区方向辐射扩散，带动绵阳、德阳、雅安等重点城市的土地生态安全状况逐渐好转的态势。省内土地生态安全水平趋于协调发展，城市间差距逐步缩小。3.1.2空间分布状况分析空间维度上，四川省土地生态安全水平呈现轴线式、圈层化空间分布特征。成都平原经济区在大力发展经济同时兼顾生态平衡，内部成绵乐城市带的土地生态多年来均保持良好状态，形成全省土地生态安全格局中重要高水平主轴；同时带动川南经济区内宜宾泸州等沿长江城市土地生态安全水平提升，形成高质量土地生态系统圈层，向周边地区发挥良性的辐射带动作用。而川西北生态经济区内土地生态安全状况趋同，阿坝藏族羌族自治州与甘孜藏族自治州土地生态安全水平有所提升，但仍处于临界状态，遭受外界压力胁迫后容易恶化，需持续推进土地生态环境相关问题整治；攀西经济区与川东北经济区大部分生态环境较差，是土地生态系统结构与功能面临较大破坏，难以实现生态自我修复的“重灾区”；值得注意的是?山彝族自治州与巴中市土地生态长期处于危险或敏感等级，是典型土地生态安全短板城市，驱需政府加大对生态环境污染治理力度，见图2。3.2土地生态安全空间格局分析3.2.1全局空间自相关运用空间自相关分析进一步探索四川省土地生态2013年33安全分布格局，揭示其空间关联特征。首先2 0 13 年、2016年、2 0 19 年四川省土地生态安全的全局MoransI指数分别为0.7 4 4、0.7 6 6、0.7 5 1，其Z值为17.5 7、17.92、17.2 1,在0.0 1水平下通过显著性检验，表明四川省土地生态安全格局整体上存在显著的集聚特征。3.2.2局部空间自相关继而使用局部空间自相关进一步明确空间集聚具体发生位置。LISA聚类结果表明：研究时段内四川省土地生态安全水平呈现出显著的空间聚集现象（图3)，“高水平高水平”(H-H)集聚与“低水平低水平”(L-L)集聚是主要类型。2 0 13 年“H-H集聚区域主要分布在成德绵经济带与广安市，而川西生态经济区与?山州则是“L-L集聚区域，其余地市不显著;2 0 16年四川省土地生态安全空间集聚区域发生转移，?山州、广元市和巴中市成为新的低值集聚空间，其中?山州内土地生态水平不断恶化，由中心向相邻空间不断施加辐射，周围区域土地生态结构因负面作用变得脆弱；与此同时高值集聚空间范围缩小至成都市;2 0 19年四川省土地生态安全格局发生较大变化，逐步形成“一轴三圈”的空间集聚格局。“一轴”是成德绵经济带成为了四川省土地生态安全高值空间主轴，包括成都市、德阳市、绵阳市与雅安市、广安市部分地区；“三圈”分别是由川西北阿坝州、攀西?山州及川东北巴中达州市构成的土地生态安全低值集聚圈。综上可见，（1)近年来，成都市始终是四川省土地生态安全高值热点城市，并发挥自身辐射作用带动绵阳市、德阳市土地生态系统发展,形成四川省土地生态安全主轴线。（2)?山彝族自治州与阿坝州是四川省土地生态安全低值集聚空间，两州由于土地生产效率低下及生态环境基底脆弱,其土地生态状况一直处于敏感危险水平，且低值聚集空间存在蔓延趋势。（3)近年来巴中市与达州市土地生态系统面临较大压力，且不断向东部达州市侵蚀扩张，成为新生的LES低值集聚空间。3.3影响土地生态安全障碍因子诊断3.3.1指标层障碍度计算得到四川省2 1个地市（州)土地生态安全的指标障碍度，选取排名前五的指标,对其主要障碍因素进行诊断(表3)。2016年2019年N绿阳山宾危险河州市教安全0100200安圣km注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。图2 2 0 13 2 0 19 年四川省LES值分布图雅安山州敏感枝花车教安全雅女山用州0100200rakm010020034王博基于DPSIR-TOPSIS模型的四川省土地生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断2013年N人元市巴中市武南充市达州市州雅安山阳市内江市乐山世市宾市山族自冶州海州市0100200km2016年阿坝卷族白冶州绵阳市中市徐阳市南充市达州市成#宁安市甘藏族白治州雅安山用市乐山市白贵市宜宾市州市高一高集聚区攀技花市N#高一高集聚区0100200akm2019年京山梦徐州德候三底集聚区枝花道N人广元成新心宁市广安市乐山市自市宜宾市0.100200km注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。图3 2 0 13 2 0 19 年四川省土地生态安全LISA聚类图表3 2 0 13 一2 0 19 年四川省土地生态安全主要障碍因子2013年主要障碍因子2019年主要障碍因子城市地域1234512345四川省R4P212I4PP2R4SII42产业结构转型升级尚不彻底，函需平衡经济发展与耕成都成都市SiP4R4214S1P4R414平原德阳市PP2I2R4I4P2PR412绵阳市P212乐山市R4P2I4眉山市R4P2PI2雅安市P2R4P3I4资阳市R4P212遂宁市R4P212PD2R4P2I412S如德阳、绵阳、乐山等则需要进一步提高土地生产效川南内江市R4PI2PS2I4PD2P3R自贡市R4I4P212宜宾市PR42I4泸州市R4P212川东北广元市R4P2I4南充市R4P2I4达州市R4P212广安市R4P2PD2R4P214D2S1巴中市R4P2I4P:I2P2R4I4川西北阿坝州P2R4S14甘孜州P2R4S1I4攀西?山州R4P2Si12攀枝花市R414P整体上，四川省土地生态安全的障碍因素为：地均GDP(14.38%）、科研投资占GDP比例（13.10%）、人均耕地面积(9.3 3%)与耕地机械化程度（6.3 5%）,表明区域土地利用效率、科技创新、耕地安全对维持土地生态安全较为重要。2 0 13 一2 0 19 年，最主要障碍因子由科研压力层状态层影响层响应层20138.81%20168.17%201910.67%20132019变化趋势均值9.22%投资占GDP比例(14.6 9%)变为地均GDP(14.38%），由人均耕地面积取代单位耕地化肥使用量（7.4 1%）。反映近年来四川省更加重视科研创新投人，稳步推进化肥减量；然而四川省经济发展正处于重要转型时期，2S4地保护间的关系，保障土地生态安全高质量发展。PS14P2S1P312D212S2P2R4S1S2D2S1R4P2P3S1S2P2R4P31SiI4PR4PI4I2S413P2R4SII4S2P2R4SiP3S1P2S1R4D2P3R4P212D2S4I4PP2R4S112I4SID21P2R4S12P2R4S111D2性高，耕地产量与面积较少，制约着土地生态安全水I4P2R4SiI4D2平提升。P14P2R41Si表4 2 0 13 一2 0 19 年四川省土地生态安全准则层障碍度年份驱动力层23.70%17.05%29.13%21.28%22.95%20.09%26.88%21.88%22.09%19.96%27.63%19.63%?22.91%19.03%27.88%20.93%其次，不同区域之间主导障碍因子有明显差异。成都平原经济区中，成都作为区域发展极点，其主要4的障碍因子集中于表征着耕地生态安全的指标上，如R4PSi1412D21D21212房地产开发投资完成额与人均耕地面积，周边的城市率，注意耕地保护与农业高质量发展，以提高安全水平；耕地生态安全同样是川南经济区主要障碍因素，体现在人均耕地面积、单位耕地施用量、耕地机械化程度等指标；川东北经济区主要障碍因子是反映土地利用效率与城市生活品质的指标，如地均GDP、建成区绿化覆盖率、人均居住面积等；川西北生态保护区与攀西经济区经济基础较弱，人均GDP低；生态敏感3.3.2准则层障碍度由表4 可知，2 0 13 一2 0 19 年四川省土地生态安全各准则层障碍度变化呈现差异特征。整体上，四川省土地生态安全准则层障碍度排名为：影响层（2 7.8 8%）压力层（2 2.9 1%）响应层（2 0.9 3%）状态层（19.0 3%）驱动力层（9.2 2%）。驱动力层与状态层障碍度均呈王博基于DPSIR-TOPSIS模型的四川省土地生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断波动上升趋势，压力层障碍度由2 3.7 0%持续下降至22.09%，响应层的障碍度在2 0 13 一2 0 16 年增加至21.88%后得到控制，下降到19.6 3%；影响层障碍度先减小至2 6.8 8%，之后增加至2 7.6 3%，但总体呈下降态势。总的来看，影响层、压力层、响应层一直是阻碍土地生态安全状况改善的主要因素，总障碍度占7 0%以上，该结果与区域发展的态势较为吻合。伴随城镇化的快速发展，驱动力层的障碍度逐步上升，土地生态系统面临人口密集与高强度开发的剧烈压力，由此产生耕地粮食产量减少、人均收人与居住面积低等系列矛盾，导致影响层障碍度较高,迫切需要政府响应。自生态文明建设以来，四川省加大生态环境保护与治理力度,开展生态修复，缓解土地压力，响应层障碍度降低。4结论与讨论本研究通过建立DPSIR-组合赋权-TOPSIS复合模型，并运用空间自相关分析、障碍因子诊断等方法，揭示2 0 13 一2 0 19 年四川省土地生态安全的时空演化规律并识别主要障碍因子，研究结论如下：（1)四川省土地生态安全格局时空演变规律为：在时间上，2 0 13 一2 0 19 年四川省各地级市土地生态安全处于较安全水平，呈稳步上升趋势；在空间上，四川省土地生态安全水平区域间差异较明显，呈现由四周向中心递增，形成轴线式、圈层化空间分布特征。(2)四川省土地生态安全格局具有显著的空间集聚性特征。成都市是四川省土地生态安全热点城市，辐射带动绵阳市、德阳市，形成四川省土地生态安全高值集聚空间主轴;川西民族地区是四川省土地生态安全低值集聚空间，存在愈演愈烈蔓延趋势，应及时予以整治修复；近年来巴中市与达州市土地生态系统面临较大压力，成为省内新兴的土地生态安全低值集聚空间。(3)地均GDP、科研投资占GDP比例、人均耕地面积与耕地机械化程度是四川省土地安全的主要障碍因素，但不同地区的主导因子不同。在准则层面,影响层、压力层、响应层的总障碍度为7 0%左右。（4)为保障四川省国土空间生态修复工作高效推进，提出以下建议：推动区域新型城镇化高质量发展，加快产业结构转型升级，建立健全土地集约节约利用管控机制。严格落实耕地保护制度与占补平衡制度，发展高标准农田；同时加大农业科技投资力度，推广科学施肥，促进农业现代化。完善土地生态修复机制，全力推进山水林田湖生态保护工作，开展全域土地生态治理活动，优化生产、生活和生态空间综合布局。未来可综合景观格局要素，设计更全面指标体系；考虑在细粒度上模拟将来土地生态安全状况。35参考文献：1李春燕，南灵.陕西省土地生态安全动态评价及障碍因子诊断 J.中国土地科学,2 0 15,2 9(4):7 2-8 1.2 王洋,董晓光,王海帆,等.基于 PSR-TOPSIS模型的郑州市土地生态安全评价及障碍因子诊断 J.河南农业大学学报，2020,54(5):845-852.3陆大道，陈明星.关于国家新型城镇化规划(2 0 14-2 0 2 0)”编制大背景的几点认识 J.地理学报，2 0 15,7 0(2)：17 9-18 5.4熊建华.土地生态安全评价研究回顾、难点与思考 J.地理与地理信息科学，2 0 18,3 4(6)：7 1-7 6.5李昊，李世平，银敏华.中国土地生态安全研究进展与展望J.干旱区资源与环境,2 0 16,3 0(9)：5 0-5 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3 6.作者简介：王博（19 9 8-）,男，四川成都人，硕士研究生，主要研究方向为土地利用规划。（2 0 2 2-11-18 收稿刘晓佳编辑）