基于PSR_TOPSIS法的区域土地资源生态安全动态分析_以陕西省为例

贵州农业科学 2011,39(1):223~227 GuizhouAgriculturalSciences

[文章编号]1001 3601(2011)01 0063 0223 05

基于PSR TOPSIS法的区域土地资源生态安全

动态分析:以陕西省为例

陈西蕊,张蓉珍

(西安文理学院旅游与环境系,陕西西安710065)

[摘 要]为陕西省土地资源的可持续利用提供科学参考,基于压力!状态!响应(PSR)模型框架体系,构建了陕西省土地资源生态安全评价指标体系;利用TOPSIS法(即理想解法)分析了陕西省土地资源生态安全的变化动态。结果表明,1996!2006年,陕西省土地资源生态安全系统与理想解的贴近度C均值总体上先降后升,土地资源生态安全呈现先恶化后好转的变化趋势,2004!2006年处于临界安全状态,区域巨大的生态压力尚未得到根本性的缓解。

[关键词]土地资源生态安全;评价指标;PSR模型;TOPSIS法;陕西[中图分类号]F304.5[文献标识码]A

DynamicEvaluationofLandResourcesEcologicalSecurityBased

onPSR TOPSISMethod:AcasestudyofShaanxiprovince

CHENXi rui,ZHANGRong zhen

(DepartmentofTourismandEnvironment,Xi anUniversityofArtsandScience,Xi an,Shaanxi710065,China)

Abstract:Theindexsystemofecologicalsecurityassessmentoflandresourceswasestablishedbased

onpressure state response(PSR)modelframeworksystem,thedynamicevaluationoflandresourcesecologicalsecurityofShaanxiprovincewasanalyzedusingTOPSISmethodtoprovidescientificreferenceforsustainableuseoflandresourcesofShaanxiprovince.TheresultsshowedthattheclosenessdegreeoflandresourcesecologicalsecurityofShaanxiandidealsolvingvalue(C)increasedfirstandthendeclined,thevariationtendencyoflandresourcesecologicalsecurityalsogetsworsefirstandthenbetterfrom1996to2006.Itwasstillincriticalconditionandtheregionalecologicaltremendouspressurehasnotbeenfundamentallymitigatedfrom2004to2006.

Keywords:landresourceecologicalsecurity;evaluationindex;PSRmodel;TOPSISmethod;Shaanxi 土地资源生态安全(LandResourceEcologicalSecurity,LRES)是指一定时空范围内,通过对土地资源的合理利用和管理,使土地生态系统能够保持其结构与功能不受威胁或少受威胁的健康平衡可持续状态,并能够为保障人类社会经济与农业可持续发展提供稳定、均衡、充裕的自然资源,从而维持土地自然、社会、经济复合体长期协调发展。土地资源是一切资源和环境的载体,土地资源只有处在一种生态安全状态,才能维持土地资源与人类的协调发展,才能实现自然、经济和社会的可持续发展[1]。

土地资源生态安全评价是当前土地资源生态安全研究的关键环节和主要方向,对区域社会经济发展、资源合理利用和生态环境保护具有至关重要的作用。目前,国内土地资源生态安全的评价尚处于探索阶段,常用的方法主要有综合指数法、景观生态学法、生态足迹法、物元评判法、灰色关联度法等,但就其本质讲,这些方法都属于多指标综合评价法,由于不同的方法对指标类别和数量选取存在较大的主观随意性,所得出的结论往往存在一定的片面性和

差异性。TOPSIS法(TechniqueforOrderPrefer encebySimilaritytoIdealSolution)即理想解法,是一种多目标决策方法,被广泛应用于工程项目招投标、企业员工绩效考评、地区经济综合评估等领[2]

域,但在土地资源生态安全评价中,国内外学者尚未有人涉及。为此,以陕西省为例,在PSR模型框架下引入TOPSIS法,用于定量测度区域土地资源生态安全变化,以期为研究区土地资源的可持续利用提供科学参考。

1研究方法

1.1区域土地资源生态安全评价方法

1.1.1土地资源生态安全评价指标体系的构建在评价指标体系的构建上,借鉴了PSR模型,即压力(Pressure)-状态(State)-响应(Response)模型[2](图),该模型是联合国经济合作开发署(Or ganizationforEconomicCooperationandDevelop ment,简称OECD)20世纪80年代末提出的定量测度生态安全的概念模型,根据指标选择的科学性、全

[收稿日期] 2010 09 22;2010 12 06修回

[基金项目] 陕西省科技厅 陕西省生态安全评价与研究 (2008RK61)

[作者简介] 陈西蕊(1965-),女,硕士,讲师,从事区域资源开发与保护工作。

图土地资源生态安全的PSR框架模型

Fig. PSRframemodeloflandresourceecologicalsecurity

面性、简洁性、可操性等原则,结合研究区域土地资源生态问题的特点,从土地资源生态安全压力、安全状态和安全响应三方面选取了26个评价指标,建立区域土地资源生态安全评价指标体系(表1)。

1.1.2TOPSIS法基本原理TOPSIS由Hwang,C.L.AndYong,K.S[4]于1980年首次提出,基本原理是利用各评价对象的综合指标,通过计算各测评对象与理想解的接近程度,作为评价各对象优劣的依

[4 5]

据,是一种多目标决策方法。TOPSIS法对数据分布、样本量、指标多少无严格限制,具有应用范围广、计算量小、几何意义直观以及信息失真小等特[6]

点。该方法的主要步骤如下:

1)构建评价样本矩阵。假设X为区域土地生态安全状况对应的m个评价指标与n个评价对象的样本矩阵。

X= xij n#m(1)

式中,xij为第i年第j项指标的实际值,对效

益型指标取实际值,对成本型指标采用实际值的倒数。

2)评价指标规范化。由于各指标实际值没有统一的量纲,会干扰和影响运算的结果,故必须对原始数据进行规范化处理,即无量纲化处理。假设样本矩阵规范化后记为Y。

Y= yij n#m,yij [0.1,1]

ijij

yij=0.1+#0.9(2)

maxxij-minxij

式中:yij为规范化的指标值,maxxij和minxij

分别为各指标实际值的最大值和最小值。

3)采用变异系数法确定各指标权重。指标权重确定的方法有主观赋权法和客观赋权法两类。其中,主观赋权法有特尔菲法(Delphi)和层次分析法(AHP法)等;客观赋权法有熵权法、变异系数法、主成分分析法、因子法、均方差法等。客观赋权法较为客观,但不能反映专家的经验知识,有时得到的权重可能与指标的实际重要性程度完全不相符合;主观赋权法是专家经验的反映,带有很大的主观随意性。故笔者在确定指标权重时将变异系数法和专家意见相结合,使得到的指标权重更科学。其步骤如下:

首先,采用变异系数法(客观赋权法)确定各指标权重,计算公式:

Vj=Sj/ Yj,(j=1,2,3,%m)(3)

Wj=Vj/j=&1Vj

m

(4)

表1陕西省土地资源生态安全评价指标体系

Table1 TheevaluationindexsystemoflandresourceecologicalsecurityofShannxiprovince

目标层

Destinationlayer 区域土地生态安全评价指标系统

准则层 Standardlayer P系统压力

指数层 Indexlayer P1人口压力P2资源压力

指标层Markerbed

X1人口密度/(人/km2)

X2人均耕地面积/(hm2/人)X3人均林地面积/(hm2/人)X4人均草地面积/(hm2/人)X5人均后备资源量/(hm2/人)X6城市化水平/%

X7非农建设占用耕地率/%X8土地产出率/(元/km2)X9农药使用强度/(kg/km2)X10化肥使用强度/(kg/km2)X11固废负荷水平/(t/km2)X12耕地旱涝保收率/%X13年降水量/mmX14森林覆盖率/%

X15坡耕地面积比例/%X16水土流失面积比例/%X17沙化土地面积比例/%X18农业灾害受灾率/%X19水土流失治理率/%

X20累计退耕还林面积比例/%X21自然保护区面积比例/%X22工业固废综合利用率/%X23生态区/个

X24农民人均纯收入/(元/a)X25人均GDP/(元/人)X26第三产业产值比重/%

安全趋向Securitytendency

-++++--+---+++----++++++++

权重(Wj)Weight0.039600.004620.039010.041130.052150.027510.032730.042040.043150.039620.038440.044870.027910.042410.028300.052720.033130.070660.039760.041740.042370.039280.030310.042440.040430.02368

P3社会经济压力

P4环境压力

S系统状态S1土地资源质量

S2土地退化S3土地灾害R1环境响应

R系统响应

R2经济响应

+

式中,Wj代表第j项指标的权重,Vj代表第j

项指标的变异系数, Yj代表第j项指标的平均值,m为指标个数。

其次,根据专家意见调整各指标权重,结果见表1。最后,由权重Wj与规范化的决策矩阵Y得到加权规范化决策矩阵Z。

Z= zij m#n= Wj#Yij m#n(5)4)确认理想解和负理想解。分别以加权规范化决策矩阵Z= zij m#n= Wj#Yij m#n中的最大值和最小值代表理想解和负理想解。

Z+=[maxzij],(i=1,2,3,%n)(6)Z-=[minzij],(i=1,2,3,%n)(7)5)计算各评价对象到理想解和负理想解的距离。

D=

+i

(zij-z),D==1

+2

-i

-2

(zij-z)1

(8)

式中,D+和D-分别为各评价对象到理想解和负理想解的距离,分别从不同的角度反映了各年份

土地资源生态安全状态,D越小,表明评价对象越接近理想解,土地资源越安全;D-越小,表明评价对象越接近负理想解,土地资源安全度下降。

6)计算各评价对象与理想解的贴近度。为了综合D+和D-2个距离指标所反映的评价对象安全状态,采用贴近度Ci均值描述。Ci值越大表明评价对象越接近理想解,土地资源越安全。

D-i

Ci=(9)

Di+Di

1.2土地资源生态安全标准与等级的划分

区域土地资源生态安全评价标准和等级的确定是生态安全评价中的关键环节,标准和等级设置是否科学合理,直接影响到评价结果的正确与否。目前,生态评价标准与安全等级的划分尚处于探索阶段。本研究参考已有的研究成果,根据综合指标与理想解的贴近度C均值将区域土地资源生态安全评价标准分为5个等级,即安全状态、较安全状态、临界安全、较不安全、不安全(表2),并据此对区域土地资源生态安全动态进行综合判定。

表2土地资源生态安全评价标准与安全等级

Table2 Landecologicalsecuritystandardandsafetyclass

安全等级Safetyclass)较不安全 临界安全+较安全状态,安全状态

贴近度(C)Closenessdegree

0.2~0.40.4~0.60.6~0.80.8~1.0

土地生态系统特征 Soilecosystemcharacteristic

功能丧失,抗外界干扰能力极差,生态恢复与重建很困难。 土地生态系统受到较大破坏,生态系统及结构很不合理,系统功能退化,抗外界干扰能力很差。

土地生态系统受到中度破坏,生态系统结构较不合理,但系统尚可维持基本功能,抵抗部分外界干扰。

土地生态系统受到轻微破坏,生态系统结构比较合理,系统自身功能和自我恢复能力较强。

土地生态系统基本未受干扰破坏,生态系统结构合理、稳定,系统自身功能和自我恢复能力强。

1.3

数据来源及其处理

本研究原始数据来源于 陕西省统计年鉴.(1997!2007年), 陕西国土资源年报.(2002!2007年),陕西 环境质量状况公报.(1997!2007年),陕西省 十一五 土地利用专项规划,中国科学院地理科学与资源研究所中国自然资源数据库,西部大开发土地资源调查评价数据等。来源数据处理程序:1)应用公式(1)、(2)统一各指标量纲;2)应用公式(3)和(4)确定各指标权重(表1);3)应用公式(5)计算得到规范化的决策矩阵Z,分别以其最大值和最小值作为理想解和负理想解;4)应用公式(6)~(9)计算研究期各年份土地资源生态安全准则层(压力层、状态层、响应层)、目标层各项评价指标到理想解、负理想解的距离及与理想解的贴近度(表3);5)根据计算结果和表2土地资源安全等级评判标准确定研究期各年份土地资源安全等级。

2

2.1

结果与分析

土地资源生态安全压力系统动态

从表3可知,1996!2006年,陕西土地资源压

力系统与理想解的距离DP呈明显增加趋势,由1996年的0.14增加到2006年的0.24;与负理想解

-的距离DP呈减小趋势;与理想解的贴近度CP呈减小趋势,由1996年的0.62下降为2006年的0.28,表明,研究期陕西省土地资源压力负荷逐年加大。原因如下:第一,1996!2006年10a中,陕西省人口由1996年的3543万人增加到2006年的3735万

2

人,净增加192万人,人口密度由171人/km上升为182人/km2,人口压力加大。第二,人口增长直接导致人均耕地面积、人均草地面积下降,土地资源压力加大。第三,2000年我国开始实施西部大开发战略,作为西部大开发的重点省区,这一时期陕西省经济快速发展,工业化进程加快,经济密度由1996年57.34万元/km2增长为2006年的219.81万元/2

km;城市化水平由21%上升为27%;固废排放量,农药、化肥施用强度加大,从而导致土地资源经济环境压力增大。

2.2土地资源生态安全状态系统动态

从表3可看出,1996!2006年陕西省土地生态

+

安全状态系统与理想解的距离DS先增后减;与负

+

表31996!2006年陕西省土地资源生态安全状态

Table3 LandresourcesecologicalsecuritystateinShaanxiprovinceduring1996-2006

土地资源安全系统Landresourcessecuritysystem压力系统

项目ItemD-PD+PCPD-SD+SCSD-RD+RCRD-D+C

19960.230.140.620.270.210.570.020.320.070.290.400.42

19970.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.221462153033043113184528

19980.190.150.550.150.300.340.050.290.160.180.440.29

19990.150.190.430.060.330.160.100.260.280.130.460.22

20000.110.200.360.090.320.220.090.270.250.130.470.22

20010.100.210.310.100.300.250.120.220.350.160.430.27

20020.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.072126112927171848204033

20030.070.210.240.150.260.370.190.160.540.240.380.39

20040.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.072323152637231463273743

20050.090.230.290.190.230.450.250.120.670.310.340.48

20060.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.102428242450310782403553

状态系统

响应系统

土地资源系统

理想解距离D-S及与理想解的贴近度CS均值的变化

则先减后增,其转折点是1999年。1996年,土地安全状态系统CS均值为0.57,处于临界安全状态,至1999年CS值减小为0.16,处于不安全状态;自1999年开始,土地资源状态系统CS均值逐年增大,由1999年0.16增至2006年0.50,安全状态也由不安全状态转为临界安全状态。

陕西省位于季风区和非季风区过渡地带,外营力多变,南北纵跨秦巴山地、关中平原和黄土高原3个地形单元,地面斜坡不稳定,加之长期以来不合理的土地利用方式,植被破坏严重,水土流失和土地沙化问题突出,是我国土地退化最严重的地区。经过1949年以来50多年的建设,陕北防护林体系、生态农业、沙漠治理都取得了显著成绩,生态环境有了较为明显的改善,但在20世纪90年代水土流失和土地沙化面积仍在扩大。1999年随着西部大开发战略的出台,陕西省加大了生态环境建设的力度,植树造林,退耕还林还草,小流域综合治理,农业生产结构调整等措施实施,土地退化的局势得到了有效的遏制。据水保部门监测,2006年全省水土流失面积由1999年的13.75万km2减少为9.6万km2,全省沙

2

化土地面积较1999年减少2.08万hm,坡耕地面积比例、水土流失面积比例和沙化土地面积比例降低,土地资源生态环境状态好转,安全水平逐渐提高。2.3土地资源生态安全响应系统动态

从表3看出,1996!2006年,陕西省土地生态安全响应系统与理想解的距离D+R呈明显减小趋势,由1996年的0.32降至2006年的0.07;与负理

想解的距离DR及与理想解的贴近度CR均值呈明显增长趋势,分别由1996年的0.02和0.07增大到2006年的0.31和0.82,表明,该省对土地资源的保护能力、保护力度增强。随着经济持续高速发展,陕西省人均GDP和农民人均纯收入水平不断提高,分别由1996年3446元和1161.1元增长到2006年的12138元和3337.58元。同期,陕西省生态环境保护成绩显著,自然保护区面积占国土面积的比例由1996年的1.5%上升到2006年的5.2%;生态示

范区从无到有,至2006年,全省国家级生态示范区已经达到20个;1999年,陕西省实施以退耕还林为主的生态环境建设战略以来,坡耕地退耕还林面积比例、森林覆盖率大幅度提高。在环境污染防治方面也初见成效,固废综合利用率由1996年的16.4%提高到38.25%,从而使土地资源生态安全响应能力不断提高。

2.4土地资源生态安全系统动态

1996!2006年,陕西省土地生态安全系统与理

+

想解的距离D虽有波动,但总体上表现为先增后减,与负理想解的距离D-及与理想解的贴近度C均值变化恰相反,表现为先减后增。陕西省土地资源生态安全的变化可分为2个阶段:第1阶段(1996!1999年),土地资源生态安全与理想解的贴近度C均值波动明显,但总体上呈下降趋势,C均值由1996年的0.42突降至1997年下降0.28,1998年略有回升,1999年再次降为0.22,相应土地资源生态安全等级也由临界安全转为较不安全,向低安全等级方向转变。第2阶段(1999!2006年),土地资源生态安全系统C均值逐年上升,由1999年的0.22增大到2006年的0.53,安全状态由较不安全升至临界安全,表明,这一时期陕西省土地资源生态安全水平整体上得到不断改善,但其生态安全现状水平仍处于临界安全状态,生态安全变化趋势表现为不稳定的安全系统,区域巨大的生态压力尚未得到根本性的缓解。其主要的限制性因素是人地矛盾突出,2006年人均耕地仅0.07hm2,土地资源人口压力仍在持续增大;耕地旱涝保收率,水土流失治理率,坡耕地退耕还林面积比例水平较低,土地资源生态环境质量未有明显改观;固废负荷水平、化肥农药使用水平居高不下,建设用地占用的不可逆转使得该区域土地资源仍存在较大的不安全隐患。

3小结与讨论

1)1996!2006年,陕西省土地生态安全状态的变化可明显的分为2个阶段:第1阶段(1996!1999年),土地资源生态安全波动明显,但总体上由

[参[1]

考

文

献]

高安全等级向低安全等级转变,安全状态由临界安

全转为较不安全;第2阶段(1999!2006年),土地资源生态安全状态逐渐好转,由低安全级别向高安全级别变化,安全状态由较不安全转为临界安全。

2)1999!2006年,陕西省土地资源生态安全水平整体上在不断改善,但其生态安全现状水平仍处于临界安全状态,生态安全变化趋势表现为不稳定的安全系统,区域巨大的生态压力尚未得到根本性的缓解。对此,陕西省应继续坚持控制人口数量、提高人口素质的政策,减轻土地资源人口压力;坚持退耕还林为主的生态环境建设,提高坡耕地退耕还林率和水土流失治理率;大力发展生态农业,科学使用化肥、农药,减少化肥、农药残留量;完善基本农田保护体系的建设,控制建设用地规模,遏制耕地面积减少的趋势;综合治理 三废 ,减轻土地污染,以维护土地资源生态系统的安全,促进区域土地资源的可持续利用。

3)试验结果表明,PSR TOPSISI法评价的结果较为客观,符合研究区土地资源生态安全变化的实际情况,适用于区域土地资源生态安全的动态评价。

(上接第222页)

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(责任编辑:杨晓容)

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