张凤太，王腊春，苏维词（.南京大学地理与海洋学院，江苏 南京 2009；2.贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳 55008；.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 55000）

基于物元分析-DPSIR概念模型的重庆土地生态安全评价

张凤太1,2*，王腊春1，苏维词3（1.南京大学地理与海洋学院，江苏 南京 210093；2.贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001）

构建基于驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSⅠR）概念框架的土地生态安全评价指标体系，借助灰色关联模型进行赋权，引入物元分析法对重庆市土地生态安全进行评价，研究结果表明:①1997年重庆土地生态安全属于不安全等级，2001年属于较安全、2005年属于不安全、2009和2012年属于安全等级，表明1997～2012年重庆市土地生态安全总体呈现转好趋势，但由于关联度均小于0，土地生态安全的水平不稳定；②重庆市土地生态系统脆弱，承载干扰的能力较弱；③1997直辖后，经济社会的发展，环境保护意识的提升，政府部门生态环境建设力度和环保投入的加大是重庆市土地生态安全有效提升的保障.人口增加，经济社会以及城市化的快速发展，农业面源污染等是重庆市土地生态安全的制约因素；④该评价模型和指标体系适用性较强，评价结果较为客观，为土地生态安全评价提供了一个方法的参考.

土地；DPSⅠR概念模型；物元分析；生态安全；重庆

土地生态安全关系着人类未来的可持续发展，对土地生态安全的研究具有重要的现实意义

［1］，已成为生态安全领域研究的热点.

土地生态安全是指陆地表层由各种有机物和无机物构成的土地生态系统的结构不受破坏，并且，该系统提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需要［1-2］.近年来学术界对土地安全的研究较多，取得了丰富的研究成果，研究内容主要集中在土地生态安全的定义［3］，土地生态的评价指标体系构建［1］、评价模型的设计与选择［4］，土地生态安全的预警［5］等方面，研究对象主要集中在城市土地生态安全［6］，流域（区域）土地生态安全以及特殊地带（农牧交错带［7］，海岸带［8］，西南山地生态敏感区［9］）土地生态安全.土地安全评价研究方法主要体现在评价指标体系的构建、指标权重的确定和评价模型的设计与选择方面，研究方法对土地生态安全评价结果的影响重大.目前，从土地生态安全评价方法来看，张军以等［1］基于 PSR 框架模型构建评价指标体系，采用熵权赋权法确定权重，运用土地生态安全综合评价模型，对三峡库区生态经济区土地生态安全进行评价分析；王鹏等［10］采用主成分分析方法选取了8项能反映衡阳社会，经济，生态状况的指标，对衡阳市土地生态安全进行分析，并重点分析了影响土地生态安全状况的关键因素.余健等［11］笼统的选取与生态安全密切相关单位面积耕地化肥负荷，人均耕地面积，土地多样性指数、区域开发指数等17个属性特征构建评价指标体系，采用熵权模糊物元模型对皖江地区马鞍山，合肥，芜湖等9个市土地生态安全水平进行评价.杨春红等［12］基于PSR模型构建土地生态安全评价指标体系，采用主成分分析法确定指标权重，依据土地生态安全综合指数法对2001～2008年汕头土地生态安全状况进行了评价.这些研究无疑对当前土地生态安全的研究起到了巨大的推动作用，但也存在不足：（1）简单的多指标综合评价法强调对综合质量的分析，忽略了从影响因子的角度构建评价指标体系，忽视了土地生态安全演进变化全过程和内在机制.（2）指标权重确定主观性较强，忽视了指标客观信息.（3）简单的将综合评价分值划分为若干等级，主观性较强，存在无法识别单指标，总体与评价等级之间的隶属程度，会遗漏指标间以及评价结果中间状态等分异信息，不能很好地解决指标间不相容的矛盾［13］.物元分析模型采取系统物元变换、结构变换等方法，化不相容问题为相容问题，无丢失地综合各种因素的全部信息，揭示了更多的分异信息，克服了评价过程中人为因素的影响，提高了评价的精度［13］.灰色关联法，基于灰色理论，其原理是若干统计数列所构成的各条曲线几何形状越接近，即越相平行，则它们的变化趋势越接近，其关联度就越大，具有数学模型的客观性，同时分辨系数体现一定的主观性，主客观结合，权重确定更趋合理［14］.驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSⅠR）模型综合考虑影响土地生态安全的经济、社会、生态、环境等因素，完全刻画了土地生态安全的演化内在机理，突出了自然环境、资源与人类的耦合关系［15］.鉴于此，本文构建基于驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSⅠR）模型的土地生态安全评价指标体系，引入灰色关联法和物元分析法对重庆市土地生态安全评价做出实证研究，为重庆土地生态安全研究和生态环境建设提供依据，也为土地生态安全评价研究提供方法参考.

1970年，加拿大统计学家安东尼 · 弗雷德针对环境质量评价学科中生态系统的健康评价提出PSR，即压力-状态-响应模型［15-16］.但PSR模型的缺陷是：人类活动对环境的影响只能通过环境状态指标随时间的变化而间接地反映出来［17］.因此，欧洲环境署采用系统论方法，基于表述引发生态环境问题的起源与结果关系因果链的角度，提出“驱动力-压力-状态-影响-响应”模型（DPSⅠR模型）［18］，DPSⅠR模型能表达影响生态安全各因素之间的信息耦合关系，体现了生态安全的演进变化具有动力学特点［17］.该模型从系统分析的角度看待人和环境系统的相互作用，是一种在环境系统中广泛使用的评价指标体系概念模型，是组织环境状态信息的通用框架［16］.

目前PSR框架模型在土地生态安全评价中应用较广泛，DPSⅠR概念模型在区域生态安全评价，水资源安全评价，生态系统健康评价中应用较广，在土地资源可持续利用，土地利用规划环境影响评价中有所应用，但是在土地生态安全评价中的应用却较少且没形成统一的认识.因此本文参照已有耕地［19］，土地生态安全PSR 模型［1］，农业土地资源持续利用评价［20］，区域生态安全评价的DPSⅠR概念框架［17］，将DPSⅠR概念框架引入到土地生态安全评价当中， DPSⅠR 概念模型涵盖社会经济发展、资源利用和环境保护等自然、人文的多个领域，将土地生态看成生态系统的一部分，将土地生态安全与环境问题，社会经济发展状况、政府政策导向等方面按照因果顺序有机的整合在一起，为土地生态安全评价提供了新的研究思路［20］.土地生态安全评价DPSⅠR概念模型由驱动力了模型，压力了模型，状态了模型，影响了模型，响应了模型5部分构成.如图1：

图1 土地生态安全评价DPSIRM模型框架Fig.1 Framework of DPSIRM land ecological security evaluation model

社会经济发展与人口的增长作为长期驱动力（D）对土地生态产生压力（P），人口增加，经济社会飞速发展，过度垦殖，城市化占用大量耕地，农业面源污染加剧，造成土地生态系统量和质的变化，人地矛盾突出，土地污染，水土流失，土地生态系统安全面临胁迫，胁迫反馈到经济社会中，促使人们做出反思，政府和相关环境与土地管理部门根据对土地生态系统安全的影响程度以及驱动力，压力，状态的动态变化情况制定政策，加大环境建设和资金投入的力度，集约利用土地，减少污染物排放，加强土地生态安全的调控，实现土地生态系统与自然环境，人类社会的良性互动耦合.

1 研究方法

1.1 灰色关联方法确定权重

灰色关联方法是灰色系统理论中新的分析方法，它根据因素间的相似或相异程度，来衡量因素之间的关联度［14］，克服了传统主观赋权法，如层次分析法（AHP）等主观任意性，以及单纯的客观赋权，如熵权赋权法的指标之间权重差距过大的局限性.具有数学模型的客观性，同时分辨系数体现一定的主观性，主客观结合，权重确定更趋合理.

1.1.1 数据标准化 标准化方法本研究采用min-max标准化方法，此方法是对原始数据进行线性变换.设minA和maxA分别为属性A的最小值和最大值，将A的一个原始值x通过min-max标准化映射成在区间［0，1］中的值x'，其公式为：

1.1.2 确定数列的最优向量 由于进行对原始数据进行了标准化处理，所以最优向量为［14-15］：

式中：v为取最大运算符.

1.1.3 计算联系数 利用灰色关联计算公式计算联系数，并依据联系数计算指标的权重，详见文献［14-15］.

1.2 土地生态安全物元分析模型

物元分析方法是我国学者蔡文于20世纪80年代提出，主要用于解决不相容的复杂问题，适合于多因子评价.此方法的优点就是可以无丢失地综合各种因素的全部信息，并能以定量的数值表示评价结果，从而较完整，客观地反映事物质量的综合水平［19］.

1.2.1 确定土地生态安全物元 物元分析中所表述的对象即区域（时段）土地生态安全评价N及特征向量c和特征量值x组成土地生态安全评价物元R=（N，c，x），作为土地生态安全评价的基本单元，称为一维物元，如果对象N有n个特征向量C1，C2，…，Cn及其对应的量值x1，x2， …xn，则称R为土地生态安全评价的n维物元，表示为［21-22］：

1.2.2 确定经典域和节域物元矩阵 土地生态安全评价的经典域物元矩阵可以表示为Roj=（Noj，Ci，Xo），其中，Roj为土地生态安全评价的经典域物元，Noj为第j个评价等级（其中，j=1，2…n），Ci代表第i个评价指标.因此，土地生态安全评价的经典域物元矩阵可表示为［22-23］：

式中：（aoji，boji）表示评价等级j的量值范围，即经典域.

按照土地生态安全评价的经典域物元矩阵确定的方法，其节域物元矩阵可表示为Rp=（Np，Cn，Vn），其中，Rp为节域物元，p为全体评价等级.因此，土地生态安全评价的节域物元矩阵可表示为［22-23］：

式中：（apn，bpn）为节域物元关于特征Cn的量值范围，即节域.

1.2.3 确定待评价物元 把待评价对象Nm的物元表示为RM：

1.2.4 确定关联函数和关联度 令有界区间Xo=［a，b］模定义为：

|Xo=|b-a||

则土地生态安全评价指标关联函数K（x）如下公式：

其中：

式中：p（X，Xo）为点X与对应的特征向量的有限区间即Xo=［ao，bo］的距离，p（X，Xp）为点X与对应于特征向量节域的有限区间即Xp=［ap，bp］的距离；X、Xo、Xp分别为土地生态安全评价物元的量值，经典域物元量值范围和节域物元的量值范围［22-23］. 1.2.5 综合关联度计算及评价等级确定 待评价对象NM（M=1，2，3…，m）关于等级j的综合关联度Kj（Nm）为：

式中：Wi为土地生态安全各评价指标的权重，Kj（Nm）为待评价对象NM属于等级j的综合关联度，kj（xi）为待评价对象各单一指标属于第j等级的关联度.确定评价对象（单一指标）最后属于那个等级的标准采用大数原则，即Kjm=max［Kj（Nm）］，则NM属于土地生态安全的标准等级j级，j=1，2，3， …，n；若Kji=max［Kj（xi）］，则评价对象第i指标属于土地生态安全评价的标准等级j级，j=1，2，3，…，n ；当K值小于负1时，表明待评价对象不符合评价等级要求，同时也不具备转化成评价等级的条件；当K值大于负1小于0时，说明待评价对象不符合评价等级的要求，但具备转化为评价等级的条件，且数值越大，越容易转化；当K值大于0时，说明待评价对象符合评价等级的要求且K值越大说明该评价对象（评价指标）在相对应的等级中越稳定［22-23］.

1.3 基于DPSⅠR概念模型的评价指标体系的构建及评价经典域、节域的确定

1.3.1 土地生态安全DPSⅠR指标体系构建 DPSⅠR概念模型用于表征资源或环境系统的概念与复杂因果关系结构［17］.按照图1确定的土地生态安全DPSⅠR概念模型，根据重庆市土地资源的特点和利用状况，参照已有的研究［12,17,24］，遵循指标的全面性，代表性、可操作性等原则，建了基于DPSⅠR概念模型的重庆市土地生态安全评价指标体系.2012年重庆主城区人口795.36万人，占全市人口的23.8%，占全市城市人口的60.4%，因此是典型的大城市，大农村的地区，农业面源污染是其土地生态安全的主要压力，因此，本文在选择表征压力（P）指标时侧重从农业面源污染角度选择指标.如表2.

表1 土地生态安全指标及含义Table 1 Land ecological security indexes and meaning

1.3.2 土地生态安全评价经典域、节域的确定根据土地生态安全的可拓性，将土地生态安全状态划分为4个等级，分别为No1， No2， No3， No4，即安全（Ⅰ级），较安全（ⅠⅠ级）、敏感（ⅠⅠⅠ级）和不安全（ⅠV级）4个等级.本文参考已有的相关研究中关于评价指标等级的确定［15,21-23,25-27］，结合重庆地区土地资源的特点确定各指标的经典域范围，其中“城镇人均公共绿地面积”指标按照我国生态市建设中“城镇人均公共绿地面积”指标数据为标准进行节域确定，“保护区面积占土地总面积比重”按照12%的世界平均水平为标准进行节域确定.依据上述方法确定土地生态安全评价经典域物元矩阵Ro1， Ro2， Ro3， Ro4和节域矩阵Rp，如下：

2 重庆土地生态安全评价

2.1 研究区概况

重庆位于中国内地西南部，长江上游地区，青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，气候温和，属亚热带季风性湿润气候.截至2014年末，重庆市常住人口2991.40万人.城镇化率59.6%.全市城镇常住居民人均可支配收入25147元，农村常住居民人均可支配收入9490元.但由于由于历史，文化，人口，开发模式等多重因素的影响，重庆市的生态环境较脆弱，土壤侵蚀和土地退化情况较严重［1］.据2012年重庆市水土保持公报，全市现有水土流失面积3.14万km2，占全市土地面积的38.02%，全市平均侵蚀模数3392.59t/km2.a，年均土壤侵蚀量为10640.30万t.重庆市土地生态安全不仅影响三峡水利枢纽工程的安全运行，而且对整个长江流域生态安全有着举足轻重的作用.

2.2 数据来源及待评价物元确定

研究数据主要来源于《重庆市统计年鉴》（1997～2012），《重庆市水土保持公报》（1997～2012），部分数据通过年鉴数据换算得出，另一部分数据采用趋势预测获取.

由于数据获取的难度等原因，选取1997、2001、2005、2009和2012年重庆市土地生态安全进行评价，并且这些年份均没有较大自然灾害和异常情况，属于正常年份，可以代表重庆市经济社会发展的常态水平，依据本文1.2.3节确定待评价物元方法，确定其待评价物元矩阵R如下：

2.3 结果与分析

依据收集获得的重庆市土地生态安全评价指标数据，代入公式1～2及参考文献［14、15］灰色关联计算方法，计算得到各评级指标的权重（表1），将1997、2001、2005、2009和2012年重庆市土地生态安全待评价物元R1997，R2001，R2005， R2009， R2012代入物元分析模型［式（7），（8）］计算出重庆市土地生态安全评价指标关联度、因子层关联度与综合关联度的结果（表2，3，4）.以1997年为例介绍计算结果，kj（x1）对应四个等级的联系度分别为No1=-0.052、No2=0.058、No3=-0.471、No4= -0.647，因此可以判断人口自然增长率指标属于No2，即“较安全”，同理可以判断出其他指标的隶属等级，如表2.Kj（N1997）对应的4个等级的总体关联度分别为No1=-0.408，No2=-0.329，No3=-0.393，No4= -0.246，依据判断标准，可以看出1997年重庆市土地生态安全属于第ⅠV等级，即“不安全”，以此类推可以得出其他年份的安全等级，见表4，同理也可得出重庆市土地生态安全评价因子层（DPSⅠR）的安全等级，见表3.

表2 重庆市土地生态安全评价指标关联度及评价结果Table 2 Correlation and evaluation results of land ecological security evaluation index in Chongqing

依据单个评价指标提供的分异信息来看（表2），1997～2012年人均GDP、单位面积GDP产出率，森林覆盖率，城市人均公园绿地而积，保护区面积占土地总面积比重，农村居民家庭人均纯收入，工业废水达标污排放率，工业固体废物排放率和环保投资占GDP比例等指标出现不同等级的增加趋势，说明以上指标对于重庆市土地生态安全等级的提升起到了支撑作用.但是，城市化水平，GDP增长率，人口密度，单位耕地面积化肥施用量，单位耕地面积地膜使用量物等指标出现不同等级的下降趋势，说明这些指标是制约重庆市土地生态安全提升的关键因素.表明1997年直辖后，随着人民生活水平的提高，环境保护意识的提升，加上政府部门生态环境建设力度和环保投入的加大，重庆市土地生态安全得到了有效提升.但是随着人口的大量增加，城市化的快速发展，农业面源污染得不到有效控制，重庆市土地生态安全面临巨大威胁.

从因子层（DPSⅠR）分异信息来看（表3），1997～2012年重庆市土地生态安全除了压力状态没有变化外，其他因子层安全均出现不同等级的变化.压力安全等级虽然没有变化，但是Kj（N1997，D） =-0.261，Kj（N2001，D） = -0.109， Kj（N2005，D） = -0.290，Kj（N2009，D） =-0.245， Kj（N2012，D） = -0.231，均小于0，“安全”状态不稳定.驱动力安全1997年和2001年为较安全，2005年为敏感，2009年回归到较安全，2012年变为安全状态.状态安全由1997，2001和2005年的不安全，2009年为较安全，2012年为敏感.影响安全1997和2005年为不安全，2001，2009和2012年为敏感. 1997年和2001年在驱动力和压力安全等级相对安全的情况下，状态安全和影响安全等级属于不安全和敏感状态，这也说明重庆市土地生态系统脆弱，承载干扰的能力较弱.响应安全1997年为不安全等级，2001，2005，2009和2012年全部为安全等级.其中响应安全等级变化较大，也表明随着经济社会发展，在土地生态安全面临威胁时，重庆市政府和环境部门的管理反映迅速.影响安全等级跨度较大.从以上单个评价指标提供的分异信息来看，2005，2009和2012年状态安全和影响安全等级转好，正是由于环保建设和投资加大等响应安全等级的提升而起的作用，正说明，在重庆目前经济社会发展水平相对较低的大背景，土地生态系统承载干扰能力较低，同时面临经济和城市化的飞速发展和人口密度增大的压力情况下，政府和环境部门的环境调控能力的提高，通过制定严格的土地保护政策，加大环境保护的力度，是减缓重庆市土地生态面临威胁，提升土地生态安全等级的关键因素.

从总体来看（表4），1997年重庆土地生态安全属于不安全等级，2001年属于较安全，2005年属于不安全，2009和2012年属于安全等级，表明1997～2012年重庆市土地生态安全总体呈现转好趋势.但是判断属于安全等级的关联度均小于0，即0＞Kj（N2005，D）=-0.177＞Kj（N1997，D）=-0.246＞Kj（N2001，D）=-0.261＞Kj（N2012，D）=-0.302＞ Kj（N2009，D）= -0.312，表明1997～2012年重庆市土地生态安全整体变好，但是十分不稳定.2009年和2012年属于“安全”状态，但是其关联度数值小于零，且数值较小，表明2009年和2012年虽然被认定为“安全”等级，但不完全符合NO1的标准，只是更具备转化为NO1的条件，但转化为“安全”等级的难度较大，因此，重庆市土地生态安全的状况不容盲目乐观，还需要加强农业面源污染的控制，提升土地资源的管理的水平和加大环保资金投入的力度，保持土地生态安全的平稳增长.

表3 DPSIR因子层关联度及评价结果Table 3 Correlation of DPSIR factor layer， and the evaluation results

表4 土地生态安全评价指标关联度及评价结果Table 4 Correlation and evaluation results of land ecological security evaluation index

3 讨论

较传统的简单的多指标的综合评价，物元分析法对土地生态安全评价不但揭示了单因子指标之间的分异规律，也能够展示出综合安全水平与中间转化过程的关系.灰色关联法客观为主，主观修正为辅，主客观结合，赋权更加合理.因此，熵权-物元法适合土地生态安全的评价，有利于提高土地生态安全评价的准确性.

土地生态安全评价指标体系多样，没有形成一个统一的标准，评价方法也众多，本文作为一个方法的尝试研究，基于DPSⅠR概念框架构建土地生态安全评价模型，利用灰色关联法赋权，引入物元分析法对重庆市土地生态安全进行评价分析，研究结果与实际情况基本符合，方法可行.研究案例地重庆属于西部落后地区，生态环境脆弱，因此，方法的普适性是今后仍需努力的地方.

4 结论

4.1 本研究基于DPSⅠR概念框架构建土地生态安全评价模型，利用灰色关联法赋权，引入物元分析法对重庆市土地生态安全进行评价分析，并且根据已有耕地资源，水资源，土地资源，生态系统健康评价的相关参考文献，结合重庆地区土地资源的特点参考我国生态市建设标准以及一些指标的世界平均水平确定物元评判标准，研究结果表明：表明1997直辖后.人口增加，经济社会以及城市化的快速发展，农业面源污染等是重庆市土地生态安全的制约因素；重庆市土地生态系统脆弱，承载干扰的能力较弱；1997年重庆土地生态安全属于不安全等级，2001年属于较安全，2005年属于不安全，2009和2012年属于安全等级，表明1997～2012年重庆市土地生态安全总体呈现转好趋势，但由于关联度均小于0，土地生态安全的水平不稳定.研究结论与当前重庆市的土地生态现状相吻合.

4.2 通过对重庆市土地生态安全的实证研究表明，土地生态安全评价的DPSⅠR概念框架从土地生态安全演化的内部机理出发，考虑了社会经济、自然环境等各方面因素以及因素之间的相互作用，能够准确地反映土地生态系统内部演化规律和各因素之间的关系，能够实现对土地生态安全的准确评价.

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Evaluation of land ecological security in Chongqing based on the matter-element analysis-DPSIR model.

ZHANG Feng-tai1,2， WANG La-chun1， SU Wei-ci3（1.School of Geographic & Oceanographic Sciences， Nanjing University，Nanjing 210093， China；2.School of Geography Science & Tourism， Guizhou Normal College， Guiyang 550018， China；3.Institute of Mountain Resource， Guizhou Academy of Sciences， Guiyang 550001， China）. China Environmental Science，2016，36（10）：3126～3134

This paper builded evaluation index system of land ecological security based on driving force-pressure-stateimpact-response （DPSIR） conceptual framework， using grey correlation model of empowerment， and introduced matter-element analysis method to evaluate land ecological security in Chongqing， the results showed that: ①In 1997and 2005， land ecological security of Chongqing belonged to unsafe level； In 2001， at a safer level； In 2009 and 2012， at a safe level， in 1997～2012 showed a trend of turned for the better， but as a result of correlation degree less than zero， the land ecological security level was not stable. ② Fragile land ecological system in Chongqing， weak bearing interference ability； ③After Municipalities directly under the central government in 1997， the development of society and economy，the environmental protection consciousness promoting， government efforts in ecological environment construction and Environmental protection investment increasing were guarantee of effective promotion of land ecological security in Chongqing. Population growth， the rapid development of economic society and urbanization， agricultural non-point source pollution were limiting factors of land ecological security. ④The applicability of the evaluation model and index system was stronger， the evaluation results more objective， provides a reference for land ecological security evaluation method.

land；DPSIR model；the matter-element analysis；ecological security；Chongqing

X821

A

1000-6923（2016）10-3126-09

张凤太（1979-），男，山东沂南人，副教授，南京大学博士研究生，主要研究方向为水文水资源与区域可持续发展等.发表论文60余篇.

2016-01-29

国家十二五科技支撑计划项目（2014BAB03B01）

* 责任作者， 副教授， zhfthero@126.com