基于PSR模型的土地生态安全评价与预测.pdf

DOI：10.16675/14-1065/f.2023.15.033基于 PSR 模型的土地生态安全评价与预测 于蕊，于露，侯茹青，皇甫方舟，王宇航摘要：文章揭示了土地生态安全发展状况，为土地资源开发利用、保护及发展提供参考。以长春市为例，根据 PSR模型构建土地生态安全评价指标体系，借助熵权法确定指标权重，测算 20052020 年土地生态安全综合指数，参考相关文献，确定长春市土地生态安全等级，利用 GM（1，1）模型预测土地生态安全综合指数的变化趋势，结合探索性空间数据分析法描述长春市各区县综合指数的空间相关性分析。结果表明，20052020 年长春市状态指数和响应指数呈波动上升趋势，压力指数呈波动下降趋势，其中响应指数波动幅度最大；状态指数变化趋势与综合指数变化趋势基本保持一致。20052020 年长春市土地生态安全等级经历了由危险预警较为安全的转变。灰色预测模型预测 20212025 年土地生态安全等级将处于较为安全状态。全局自相关分析表明，2010 年和 2015 年长春市各区县土地生态安全综合指数存在正相关性，2020 年综合指数呈现负相关性。局部空间自相关性分析发现，2010 年和 2015 年长春市各区县空间分布主要是 H-H 集聚和 L-L 集聚，但 2020 年双阳区出现 H-L 集聚的现象。关键词：土地生态安全；长春市；PSR 模型；灰色预测；空间探索分析文章编号：1004-7026（2023）15-0123-05?中国图书分类号：X826；F301.2?文献标志码：A（东北农业大学，黑龙江哈尔滨150000）土地生态安全保障是一个区域土地资源合理配置、生态文明建设、社会可持续发展的基础和前提，以此促进国家繁荣稳定1。近年来，随着经济不断发展，人们对土地资源的开发和利用逐渐增加，土地低效利用以及生态环境质量下降等问题越来越突出，土地资源可持续发展受到严重制约。对土地生态安全进行评价与预测有助于促进人口、资源与环境和谐发展，有利于揭示区域土地利用安全特点2。国外学者的研究多集中在生态风险评价、生态系统服务价值评价、土地质量评价等方面3，与国内土地生态安全评价完全对应的研究较少4。从 1973 年国务院首次召开全国环境保护会议至今，我国的生态保护观念主要经历了启蒙的初期、可持续发展和生态文明 3 个阶段5。国内对土地生态安全评价的研究主要集中在土地生态安全的定义6、评价指标体系的构建7、评价模型的设计与选择8、土地生态安全预警9等方面。虽然研究成果颇为丰富，但尚未有统一的指标体系与评价模型10。我国大部分土地生态安全评价的研究区域主要是对环境变化较为敏感的西北部生态脆弱区和长江、黄河流域的生态敏感区11。综合已有研究发现，一是已有研究区域主要侧重对生态敏感区和生态脆弱区土地生态安全的评价，缺少对城市土地生态安全的评价。二是缺少对区域土地生态安全的空间相关性分析。因此，文章以吉林省长春市为研究区，分析当地土地生态安全状况，为长春市土地资源可持续发展和改善土地生态安全状态提供参考。1?研究区概况长春市位于 124 18 E127 05 E，43 05 N45 15 N，地处吉林省中部松辽平原腹部，是我国粮食主产区。气候属温带大陆性半湿润季风气候，全年四季分明，年平均气温 4.8?，年平均降水量为 522615?mm12。长春市总面积为 24?744?km2，2021 年耕地面积为 182.5 万 hm2。公主岭市自 2020 年 6 月由四平市划归到长春市，文章主要研究 20052020 年长春市土地生态安全状况，故研究不包括公主岭市。2?数据来源及处理本研究选择长春市 20052020 年的相关数据构建评价指标，所需原始数据主要来源于 吉林省统计年鉴（20062021 年）、长春市统计年鉴（20102021 年）和 长春市国民经济和社会发展统计公报。3?研究方法3.1?构建土地生态安全评价指标体系1990 年，联合国经济与合作开发组织（OECD）与联合国环境署（UNEP）提出测算生态安全的 PSR 模型，PSR 模型普遍用来建立土地生态安全评价指标体系13。文章基于此模型，遵循科学性、目的性和实用性原则，考虑研究区域特有的自然、经济、社会因素，构建土地作者简介：于蕊（2002），女，汉族，黑龙江虎林人，在读本科，研究方向为土地生态。于露（2001），女，汉族，山东武城人，在读本科，研究方向为土地生态。侯茹青（2002），女，汉族，山西平遥人，在读本科，研究方向为土地生态。皇甫方舟（2002），女，汉族，吉林洮安人，在读本科，研究方向为土地生态。王宇航（2002），男，汉族，黑龙江绥化人，在读本科，研究方向为土地生态。/?生态经济/123 MY K山西农经/?2023 年 15 期目标层准则层指标层指标性质单位权重/土地生态安全综合指数（Z）土地生态压力（P）人口密度（X1）人均耕地面积（X2）人口自然增长率（X3）城镇化率（X4）农药使用量（X5）农用化肥使用量（X6）农用塑料薄膜使用量（X7）工业废水排放量（X8）工业固体废物产生量（X9）-+-人/km2?hm2/人kg?t?t?万 t?万 t1.3093.5995.7195.5922.1821.6992.9984.2594.898土地生态状态（S）森林覆盖率（X10）耕地面积（X11）地下水资源量（X12）农林牧渔业总产值（X13）农业机械总动力（X14）粮食作物总产量（X15）+hm2?亿 m3?亿元kW?t5.2214.2884.6904.6165.9224.794土地生态响应（R）人均 GDP（X16）农民人均纯收入（X17）城市居民人均可支配收入（X18）林地面积比重（X19）建设用地面积比重（X20）绿化覆盖面积（包括建成区）（X21）第三产业占 GDP 的比重（X22）生活垃圾无害化处理率（X23）+元/人元/人元/人hm2?3.8525.6125.2215.2304.4705.3574.7993.673表 1?长春市土地生态安全评价指标体系生态安全评价指标体系，见表 1。在 PSR 模型中，压力层是指人们生产生活对土地的影响；状态层是指自然及人类生活所处的状态；响应层是指生态系统对环境变化的响应，以及为了改善土地生态安全状态，人类社会所采取的相关措施。结合长春市实际情况，共选取 23 个评价指标，正向指标15 个，负向指标 8 个。其中，正向指标越大，表明区域土地生态环境越好；负向指标越小，表明区域土地生态环境越好。3.2?评价指标标准化及熵权法确定权重数据标准化包括去量纲化和一致化。去量纲化是指不同指标之间由于单位不同，不能直接比较，需要消除量纲的影响；一致性是指将指标作用方向一致化，由于正向指标和负向指标的作用方向不同，不能将指标作用直接相加，所以需要对指标进行一致化处理。计算权重主要有主观赋权法和客观赋权法 2 种，为了减少人为因素的影响，使评价结果更为准确，文章选择客观赋权法中的熵权法来确定指标权重。由于这 2 种方法较为常见，故不列明计算公式。3.3?测算土地生态安全综合指数通过上述计算，利用公式（1）进行加权处理，计算长春市土地生态安全系统中的压力指数、状态指数、响应指数以及土地生态安全综合指数。Zi?=nj=1移wjyj?（1）式中：Zi为土地生态安全综合指数，wj为第j个评价指标权重值，yi为第j个评价指标的标准化值。3.4?确定土地生态安全的等级在土地生态安全评价中，为了能更好地评价区域土地生态安全状况，需要对土地生态安全综合指数进行分级。根据长春市的综合指数数值及土地生态特点，参考相关文献14-16，将整个研究区域的土地生态安全等级划分为 5 个，分别为危险0.0，0.2）、较为危险0.2，0.4）、预警0.4，0.6）、较为安全0.6，0.8）、安全0.8，1.0），见表 2。3.5?GM（1，1）模型预测土地生态安全指数灰色预测模型具有准确性高、计算工作量小等优点，已成为社会、经济、科学技术等诸多领域进行预测、决策、评估、规划控制的方法之一，其对时间序列短、统计数据少、信息不完全系统的分析与建模更为准确。土地生态安全综合值的后验差比值为 0.181，因此模型精度好。根据模型拟合程度，模型平均相对误差为 7.446，意味着模型拟合效果良好。该模型预测结果满足要求。124 MY K年份压力指数状态指数响应指数综合指数安全等级20050.227?10.091?00.075?30.393?4较为危险（VI）20060.231?90.077?70.115?10.424?6预警（）20070.180?80.060?90.092?80.334?5较为危险（VI）20080.179?20.107?40.101?50.388?0较为危险（VI）20090.163?90.086?40.102?30.352?7较为危险（VI）20100.156?10.133?30.153?30.442?6预警（）20110.131?00.117?10.180?20.428?3预警（）20120.191?10.170?80.202?80.564?7预警（）20130.149?40.181?20.188?60.519?2预警（）20140.152?50.153?60.247?70.553?8预警（）20150.166?90.151?30.268?80.587?0预警（）20160.152?60.181?70.251?10.585?4预警（）20170.194?30.129?40.270?50.594?2预警（）20180.142?10.108?30.291?30.541?6预警（）20190.130?60.151?80.310?20.592?6预警（）20200.145?40.237?30.316?80.699?5较为安全（）表 2?20052020 年长春市土地生态综合值及等级3.6?探索性空间数据分析（ESDA）探索性空间数据分析法可以分为全局空间自相关分析和局部空间自相关分析。其中，全局自相关反映综合指数在长春市各区县中的整体关联程度；局部自相关则是进一步分析长春市各区县的综合指数与相邻区县上综合指数的相互关联程度。本研究运用ESDA 法选取自相关统计量 Morans?I分析长春市土地生态安全状况的空间相关性。3.6.1?全局空间自相关性分析全局空间自相关性分析公式表达如下。I?=nni=1移nj=1移Wij(Xi-X軈)(Xj-X軈)ni=1移nj=1移Wij(Xi-X軈)2?（2）式中：I为全局莫兰指数，n为长春市区县数量，i、j分别为i区与j区的综合指数水平，Wij为所设邻接单元权重矩阵，X軈为综合指数平均值。I（-1，1），当I0 时，要素在空间上呈现为集聚效应；当I0 时，要素在空间上呈现分散效应；当I=0 时，区域之间不存在空间关联。3.6.2?局部空间自相关性分析局部空间自相关性分析公式表达如下。Ii?=ni=1,j1移(Xj-X軈)(Xi-X軈)ni=1移(Xi-X軈)?（3）式中：Ii为局域莫兰指数。所得出的莫兰散点图的 4 个象限分别对应 4 种不同的空间聚聚状态：第一象限（HighHigh，HH）中，高观测值与高观测值聚集；第二象限（LowHigh，LH）中，低观测值被高观测值包围；第三象限（LowLow，LL）中，低观测值与低观测值聚集；第四象限（HighLow，HL）中，高观测值被低观测值包围。第一、第三象限为正相关，第二、第四象限表现为空间负相关。4?结果与分析4.1?长春市土地安全等级由表 2 得出，20052020 年长春市土地生态安全等级整体趋势平稳且良性发展，个别年份有小幅度波动。从整体上看，主要经历 5 个阶段：20052006 年土地生态安全指数上升；20062007 年土地生态安全等级由预警转变为较危险；20072009 年土地生态安全等级为较为危险状态；20102019 年虽然土地生态安全综合指数有波动，但等级稳定在预警；2020 年长春市土地生态安全等级为较为安全。4.2?土地生态安全压力系统分析长春市土地生态安全系统的压力指数主要呈现波动下降的变化趋势。20052020 年压力指数下降了 0.081?7。究其原因，是因为长春市的生活垃圾无害化处理率由 2005 年的 90.73上升到 2020 年的98.50，增幅达 8.56，有效缓解了土地生态的压力。20132015 年和 20192020 年，城镇化率的上升和第二、第三产业的迅速发展使得土地生态压力指数逐渐增大。人口自然增长率由 2005 年的 2.42降低至 2020 年的-4.5，人口数量的减少减轻了土地/?生态经济/125 MY K山西农经/?2023 年 15 期年份压力指数状态指数响应指数综合指数2021 年2022 年2023 年2024 年2025 年0.1380.1340.1310.128?0.124?0.1950.2030.2110.218?0.226?0.3500.3700.3900.410?0.430?0.6830.7070.7310.756?0.781?表 3?20212025 年压力、状态、响应及综合指数预测值年份Morans?IZ值P值2010 年2015 年2020 年0.2010.306-0.207?1.582?51.854?5?-0.051?3?0.0510.0380.430表 4?长春市全局莫兰指数及检验结果生态环境的压力。长春市土地生态安全等级总体处于预警至较为安全，表明研究期间长春市土地生态安全压力负荷有所减轻，预期长春市土地生态安全状况将延续良性发展的趋势。4.3?土地生态安全状态系统分析20052020 年长春市土地生态安全系统的状态指数由 0.091?0 上升到 0.237?3，整体呈波动上升趋势。从整体看，长春市土地生态安全状态指数呈波动上升下降上升的趋势。农林牧渔业总产值和粮食作物总产量都有大幅提升，反映了长春市土地资源利用程度的提高和对土地结构的优化。长春市土地生态安全状态指数在 2007 年达到最低值 0.060?9，主要是该年耕地面积较 2006 年减少了 4.4，地下水资源较 2016 年减少了 17.6，粮食作物总产量和森林覆盖率较其他年份有所减少。森林覆盖率由 2016 年的14.3减至 2017 年的 7.9，森林覆盖率的降低使得长春市生态环境受到沙尘暴、土地沙化等影响。随着人们越来越重视环境保护，关注生态文明，在 2018 年以后土地生态安全系统的响应指数有明显提升。4.4?土地生态安全响应系统分析20052020 年长春市土地生态安全响应指数呈波动上升趋势，响应指数变化趋势和综合指数变化趋势相似。15 年间响应指数上涨 0.241?5，2020 年响应指数达到最大，2005 年响应指数最小。这与政府越来越重视土地资源、生态保护、绿色发展等观念相符。响应指数在 2006 年、2012 年、2015 年均有不同程度下降，主要原因是林地面积比重降低，绿化覆盖面积减少。20162020 年响应指数逐年增加，推断主要是因为政府注重生态环境保护、生态移民工程实施、开展植树造林和生态建设、落实退耕还林政策，使生态环境得到了修复，改善了土地生态安全状况。4.5?GM（1，1）模型预测结果分析运用 GM（1，1）模型对长春市 20212025 年的城市土地生态安全系统综合指数进行预测，预测结果见表 3。预测结果为 20212025 年综合指数呈逐年上升趋势，预测值由 0.683 上升到 0.781，土地生态安全等级都较为安全。其中，响应指数的增长对综合指数的增长影响程度最大，这与政府加强对水资源综合治理、防治空气污染、推广使用清洁能源、加强重点污染源的监督管理等措施息息相关。4.6?全局和局部空间自相关分析对长春市各区县（不包含公主岭市）的土地生态安全综合指数进行全局莫兰指数分析，将南关区、宽城区、朝阳区、二道区、绿园区合并为主城区进行统计。利用 GeoDa 软件基于距离权重矩阵测算出全局莫兰指数，结果见表 4。对长春市 2010 年、2015 年、2020 年土地生态安全综合指数进行空间相关性分析。2010 年、2015 年、2020 年的莫兰指数分别为 0.201、0.306、-0.207。2010 年和 2015 年莫兰指数均为正值，表明各区县的综合指数呈现空间正相关。2010 年和 2015 年莫兰散点大致分布于第一、第三象限，莫兰指数呈上升趋势，表明长春市土地生态安全综合指数呈现出正向的空间集聚性，各区县的综合指数保持空间相关性，相关性有持续增强的趋向。2020 年莫兰指数为负值，表明各区县的综合指数呈现空间负相关。2020 年莫兰散点大致分布于第二、第四象限，表明各区县的综合指数空间差异性较大。通过局部空间自相关分析发现，2020 年双阳区呈现高低集聚区，说明双阳区土地生态安全水平较高，但二道区和南关区土地生态安全水平相对较低。5?结束语长春市土地生态安全总体处于安全状态，且呈缓慢上升趋势。为了进一步提升长春市的土地生态安全水平，构建生态文明理念下的生态安全格局，使长春126 MY K参考文献：1陕永杰，魏绍康，苗圆，等.基于 PSR-TOPSIS 模型的“晋陕豫黄河金三角”地区土地生态安全评价J.生态经济，2022，38（7）：205-211.2郭利刚，冯珍珍，刘庚，等.基于物元模型的汾河流域土地生态安全评价J.生态学杂志，2020，39（6）：2061-2069.3Feng?L.Valuation?of?ecosystem?services：research?progress?and?prospects 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