基于能值分析的哈尔滨所辖市县土地资源生态安全评价

2014-09-14李玉清王学伟

水土保持研究 2014年3期

李玉清，宋戈，王越，王学伟

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030；2.东北大学土地管理研究所，沈阳110819；3.东北农业大学村镇发展研究中心，哈尔滨150030）

土地资源生态安全作为生态安全的重要组成部分，是决定区域生态安全的基础，直接关系着区域可持续发展［1］。科学评价城市周边所辖市县土地资源生态安全，对合理利用土地资源，促进城市周边所辖市县经济、社会、生态可持续稳定健康发展具有重要意义。

目前，国外对土地资源生态安全多是针对于稀缺性资源或景观［2－3］、土地资源管理方式［4］和土壤退化［5］等方面进行研究。国内研究多是从土地资源生态系统自身稳定性［6］、土地生态系统结构功能对人类社会发展提供稳定资源［7］等角度进行分析，研究区多集中在典型生态脆弱区［8－9］、沿海经济较发达地区［10－11］以及国内大中城市［12－14］。但以受到城市扩张冲击下的城市所辖市县为研究区对土地资源生态安全状况进行研究的甚少。研究方法多是主成分分析法［15］、层次分析法［16］与 PSR 模型［17－18］、物元模型［19］相结合构建评价指标体系对其进行研究。这些方法与模型相结合虽能综合自然、社会经济多方面评价指标，但没有将对生态安全测度比较重要的因素，尤其是生态影响因素考虑进来［20］，其指标权重、相关性、指标质量差异等因素的确定过于主观而失去指标本身意义，会直接影响评价结果。而能值分析法以能值为基准，引入太阳能值转换率，统一量化自然生态系统和社会经济系统中的各个指标，解决不同系统物质间统一评价的问题，有效避免评价过于主观性。本文以哈尔滨所辖市县为研究区，以城市扩张冲击下的土地资源生态安全状况为研究对象，从土地资源生态系统的物质流、能量流、信息流等生态流角度入手，运用能值分析法和“压力—状态—影响—响应”（PSIR）模型［20］构建土地资源生态安全评价指标体系及土地资源生态安全能值指数（EULESI），对2004—2011年哈尔滨所辖市县土地资源生态安全状况进行评价，以期为全面了解及有效开展城市所辖市县的土地资源生态安全评价研究，为城市扩张中土地资源生态安全建设、土地资源利用和土地规划提供科学依据，也为其他地区开展类似研究提供参考。

1 研究区概况

哈尔滨市地处我国东北北部，位于黑龙江省南部，气候属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，雨水充沛，多年平均降雨量380.71～470.33 mm，年均日照时数2 157.44～2 553.72 h，年太阳辐射总量（4.60～5.00）×109J／m2，地形多为山地、丘陵和平原，土壤肥沃。2004年哈尔滨市在经济发展、城市扩张的需求下，由原来的“七区十二县（市）”变为“八区十县（市）”。哈尔滨所辖10县（市）包括尚志市、双城市、宾县、方正县、依兰县、巴彦县、五常市、木兰县、延寿县和通河县。2011年哈尔滨所辖市县土地面积4.59万k m2，总人口为521.74万人，其中农业人口占73.79%。哈尔滨是全国农业发展的重要地区，研究区更是商品粮供应的重要区域。2011年哈尔滨所辖市县粮食产量为1.38×107t，占全市粮食总产量的96.73%；农林牧渔业生产总值为678.21亿元，占全市农林牧渔业生产总值的76.99%。2011年哈尔滨所辖市县工业产值为508.66万元，占全市工业生产的13.03%。近年来随着研究区大力发展农业、工业，以牺牲土地资源为代价，工业“三废”、农业化肥农药以及地膜使用过度，水土流失、土地沙化等生态环境问题相继出现，破坏土地生态系统平衡性与稳定性，土地资源生态安全问题已影响到该区域的农业、经济社会可持续健康发展。

2 研究方法与数据处理

2.1 数据来源与处理

本研究数据源于2005—2012年的《哈尔滨市统计年鉴》、《黑龙江省统计年鉴》等统计年鉴数据。利用能值转换率［21］，将土地生态系统的各种物质和能量形式的投入转化为太阳能值。计算2004—2011年哈尔滨所辖市县土地资源生态系统能值数据，并利用能值分析［22－23］建立的能值指标，对能反映土地资源生态系统与社会经济关联的能值流指标进行计算（表1）。

表1 土地资源生态能值流指标 10 22sej／a

2.2 研究方法

（1）基本原理。土地资源生态安全评价是对土地资源生态系统内安全状况的客观描述，其关键在于建立适宜的模型以及相应的指标体系。以往土地资源生态安全评价是尽可能多地选取反映生态系统特点的表征指标，确定指标权重，通过要素层权重的分配得到综合评价结果因受到人为因素影响过于主观。本文基于能值分析的土地资源生态安全评价方法，在传统的PSR模型框架基础上，综合考虑土地资源生态系统与人类社会经济交互作用，添加反映生态安全测度的生态影响因素层，改进为PSIR模型。将能值分析法与PSIR模型相结合，综合考虑城市土地资源生态系统内部能流、物流、人口流和货币流代谢的运行趋势及其相互作用，结合数据来源，整理分类，绘制能量流图（图1）。

图1 研究区土地资源生态系统能量流动图

（2）评价指标体系的构建。根据研究区土地资源生态安全实际情况，将其分为系统压力、系统状态、系统影响、系统响应4方面，构建基于能值分析的压力—状态—影响—响应（PSIR）城市土地资源生态安全评价指标体系（表2）。压力子系统，包含社会经济和人类活动对土地资源需求和对其生态系统破坏等压力；状态子系统，反映当前系统内部各种生态流与

EISD可用以综合评价系统可持续发展程度，EISD值越高，说明单位环境压力下的社会经济效益越高，系统可持续发展性能越好。所谓可持续发展强调“自然、经济、社会”复杂关系的整体协调，是“发展、协调、持续”的综合反映和内在统一。土地资源生态安全是为人类在生产、生活和健康等方面不受或少受土地资源生态破坏与环境污染等影响的保障程度。保障人类基本生存所需条件是土地资源生态安全的基本含义，其次是保证国家及人类社会可持续发展。所以，土地资源生态安全的本质以人类社会可持续发展为目的，是实现可持续发展的基础和必要条件，没有土地资源生态安全就没有可持续发展。土地资源生态安全作为生态安全的重要组成部分，更是实现和维护可持续发展的首要工作。

本文基于能值分析的土地资源生态安全评价指标体系，选取环境负荷率（EIR）、能值产出率（EYR）、可更新有机能值／能值比（RER）以及环境潜力（EP）分别代表压力子系统、状态子系统、影响子系统和响应子系统，构建表征土地资源生态安全水平综合指标——土地资源生态安全能值指数（Emery-based urban land resource ecological security index，EULESI）。由于土地资源生态安全与其状态、响应子系统呈正相关，与压力、影响子系统呈负相关，所以其计算外界交流的状况；影响子系统，表征土地资源生态安全稳定性及生产力与活力等生态安全测度情况；响应子系统，表征由影响能值指标的状态改变所导致的变化。

（3）城市土地资源生态安全可持续能值指数的构建。在评价系统可持续发展能力综合指标中，陆宏芳等构建了评价系统可持续发展能值指标EISD［24］，即：公式为：

EULESI值越大，表示土地资源生态安全程度越高。该安全指标可用于某一研究区土地生态安全发展趋势研究，也可用于不同区域间土地生态安全的横向比较研究。通过检验构建EULESI的科学合理性，将2004—2011年研究区EULESI值与EISD值变化趋势进行person相关性比较分析，如果二者相关系数为0.8～1.0表明极强相关、0.6～0.8强相关、0.4～0.6中等相关，则说明EULESI指标构建具有科学性；如果二者相关系数为0.2～0.4表征弱相关、0.0～0.2极弱相关或无相关，则说明EULESI指标构建不具有合理性。

表2 土地资源生态安全评价指标体系

为了准确评价土地资源生态安全程度，反映土地生态环境建设和保护程度，构建土地资源生态安全等级。由于土地资源生态安全等级划定尚未形成统一标准，借鉴国内外研究［21，25－26］，综合考虑研究区土地资源生态系统状况并将评价结果确定为不安全（＜1.5）、较不安全（1.5～3.0）、临界安全（3.0～4.5）、较安全（4.5～6.0）和安全（＞6.0）5个评价等级。

3 评价结果与分析

3.1 压力分析

由图2可看出，2004—2011年环境负荷率总体呈增长态势，但有所波动，在2005年达到最低值4.902，随后2006—2007年有所增长，到2011年出现最高值8.707，表明研究区综合发展对土地资源生态环境压力在逐渐增大，其原因在于对研究区不可更新资源开采量的增加；2004—2010年废弃物／可更新能值比值总体趋于平稳，2011年数值骤然增加，是2010年数值的2.75倍，说明研究区经济发展的效率有增加趋势，经济发展对土地资源生态环境构成严重威胁；从能值货币比指标看，2004—2011年数值呈先增长后下降的态势，2004—2006年数值由3.352一直上升，且2006年达到最大值4.242，之后降至2011年的3.133，表明在城市规模扩张和工业化程度的增强下，研究区经济发展、农业生产过程中，土地自然资源对其作出巨大贡献，特别是对不可更新资源的利用；2004—2011年能值密度普遍呈上升趋势，数值由3.791增长至5.543，可知研究区能值使用集约程度属于高度开发的地区，经济活动频繁，对该地区土地生态系统间接构成威胁。总体来看，是由于对矿石、燃油、燃煤的过度开采以及工业开发及污染过重对土地生态环境造成巨大压力。

图2 研究区压力子系统研究期间各指标变化趋势

3.2 状态分析

由图3可知，2004—2011年研究区能值产出率数值从3.385降至3.368，总体呈下降态势，表明土地资源生态系统虽投入大量的工业辅助能和可更新有机能，但系统产出能值的利用效率较低，同时研究区近8 a来能值产出率一直大于1，表明土地资源生态系统整体功能性相对较好；从人均能值使用量、电力能值比指标来看，2004—2011年数值均呈上升趋势，分别从3.340增加至4.885和从0.261升至0.432，表明随着人口数量的增长，输出能值的绝对数量增加很快，而电能作为维持经济发展的主要能源，虽在总利用能值中所占比重较小，但发展空间仍较大；从能值交换率来看，2004—2011年数值从0.435骤降至0.196，普遍呈下降趋势，表明近8 a来研究区土地资源输入量逐渐减小，而对经济能值产出持续增长。

图3 研究区状态子系统研究期间各指标变化趋势

3.3 影响分析

由图4得出，研究区土壤损耗／可更新有机能值比数值从2004年的0.040升至2011年的0.054，总体呈上升态势，表征土地损耗能值逐年增加，且有继续增加趋势；2004—2011年系统稳定性指数数值从0.499降至0.452，且波动较大，可知研究区土地资源生态系统各子系统物质流、能量流连接失和，系统的自控、调节、反馈作用差，自身稳定性较低；从可更新有机能值／能值比来看，2004—2011年数值稳定不变，但仍起伏波动，从2004年的0.017增加至2008年的0.020，且为最大值，之后数值逐渐下降至2011年的0.017，可以得出可更新有机能值占总能值比较小，原因在于研究区劳动力能值较小；2004—2011年研究区系统生产优势度数值均接近于1，总体呈增加趋势，表明研究区产业结构比例协调，生产优势明显。

3.4 响应分析

从图5看出，2004—2011年能值自给率数值从0.942跌至0.883，总体呈下降趋势，略有小幅波动，表明研究区土地资源生态系统响应程度不高，其经济发展对土地资源的开发利用程度较高、依赖较大。从废弃物／能值比来看，2004—2011年数值波动较大，总体呈上升趋势，从2004年0.390降至2005年0.335，2006年略有回升，在2011年达到峰值0.676，说明废弃物能值过大是导致数值呈上升趋势的原因，特别是生活垃圾等固态废弃物和工业污水等液态废弃物排放量增多导致。环境潜力值与环境承载力2004—2011年虽均呈下降态势，但起伏波动剧烈，环境潜力的变化直接导致环境承载力的下降，说明研究区实际人口数远超过自然环境所能承载的适宜人口数，土地资源生态环境承受巨大负荷。

图4 研究区影响子系统研究期间各指标变化趋势

图5 研究区响应子系统研究期间各指标变化趋势

3.5 土地资源生态安全能值指数分析

对ESID与EULESI指数进行person相关性分析，二者相关系数为0.84，具有极强相关性，且由图2可知，二者变化趋势基本相同，因此EULESI指数构建具有科学合理性，可用于表征研究区土地资源生态安全水平。由表3可知，2004—2011年可持续发展能值指数（ESID）由5.452降至2.048，总体呈下降态势，土地资源生态安全水平波动剧烈。具体而言，由2004年最高值5.452降至2006年的4.798，这阶段研究区处于较安全水平。虽然近3 a来整体处于较安全水平，但数值逐渐下滑，表明城市扩张后的研究区土地资源生态系统逐渐受到外界影响，但不十分明显。之后数值继续下滑至2008年的2.295，这段时期研究区土地资源生态安全水平为较不安全，年平均下滑速度为1.251 5，表明研究区系统已受到外界严重影响，并持续恶化。2009—2010年数值有所回升，在临界安全范围内波动，环境负荷率的降低和环境潜力的增加显示研究区土地资源生态安全水平有所改善。但至2011年数值达到最低值2.048，土地资源生态安全水平再度严重，反弹为较不安全状态，并有继续发展趋势。

表3 EULESI指数评价安全等级

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）通过person相关性分析得知，EISD与EULESI二者具有极强相关性，相较于EISD指数，EULESI指数对土地资源生态安全评价研究更具有敏感性和代表性，同时作为评价土地资源生态安全水平指标具有科学性，可用于其他类似地区相关研究评价指标。

（2）受到城市扩张冲击下的2004—2011年研究区土地资源生态安全总体呈递减趋势，土地资源生态安全水平波动较大，处于较不稳定发展阶段，总体处于较不安全水平。2004—2006年研究区土地资源生态安全处于较安全水平；2007—2008年处于较不安全水平；2009—2010年均处于临界安全水平；2011年数值处于近8 a来最低值，处于较不安全水平。

4.2 讨论

本文从土地资源生态系统的物质流、能量流、信息流等生态流角度入手，综合考虑土地资源生态系统与人类社会经济交互作用，引入表征生态安全测度的生态影响要素层，运用能值分析和“压力—状态—影响—响应”（PSIR）模型构建的评价指标体系及土地资源生态安全可持续能值指数（EULESI），有效避免了选取指标过多，指标权重的确定过于主观的弊端，从而对2004—2011年哈尔滨所辖市县土地资源生态安全水平进行评价，得出的评价结果与实际相符。这说明本研究构建的评价指标体系及EULESI指数合理，评价方法科学可行，这也为其他同类地区土地资源生态安全相关研究提供参考，也为城市扩张下哈尔滨所辖市县生态安全建设、土地资源利用和土地整治提供科学依据。

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