基于压力-状态-响应模型的天津市土地生态安全评价研究

2019-07-15邱亮亮周笑白

绿色科技 2019年12期

邱亮亮,王倩,周笑白,王斌,张赞,李炜

(1.天津师范大学地理与环境科学学院,天津 300387;2.天津市生态环境监测中心,天津 300191)

1 引言

土地是人类赖以生存的物质资源，健康稳定的土地生态功能是地区的人类健康、生态安全、经济发展和社会安定的重要基石。近年来，随着人口增加和城镇化进程加速，我国对土地资源的开发强度不断增强，土地在充分体现其经济价值的同时也出现了一系列生态安全问题，如土壤肥力下降、水土流失、土地污染等。要解决土地生态安全存在的问题，需对土地生态安全进行全面、客观、准确的评价。明确区域存在的土地安全问题，对生态安全建设、保护和维持土地安全起着至关重要的作用。

土地生态安全评价是土地生态安全研究的核心内容，是从生态安全的角度出发，评价土地生态系统健康水平和服务功能状况[1]。土地安全评价的流程如下：选择评价指标—确定指标权重—选择标准值—计算综合安全指数。根据安全指数和评价等级值，综合评价和分析区域的土地安全，并基于此评价结果提出对策。土地安全评价方法主要包括数学模型法(层次分析法、压力-状态-响应法、BP神经网络法、灰度模型法等)、土地承载力分析法、生态足迹法、景观生态学方法等[2～5]。其中，应用较为广泛的是综合指数评价法中的“压力一状态一响应”(PSR)法，是世界银行、联合国粮农组织、联合国开发署、联合国环境署在1996年土地质量指标研究项目中提出的。该模型通过利用土地质量指标测量人类活动对土地资源的压力和这些压力对土地质量状态的影响及社会对这些变化的响应，分析土地环境功能，其结果与土壤相关政策和管理决策联系紧密。

天津市是我国重要的特大城市之一。本研究将基于PSR方法，建立天津市的土地生态健康评价体系，开展天津市土地安全评价，分析天津市土地安全存在问题，对促进天津市可持续发展具有积极的意义。

2 研究对象

天津市地处华北平原北部，毗邻首都北京，位于东经116°43′～118°04′，北纬38°34′～40°15′。作为国家的4个直辖市之一，天津市的常住居民超过1000万人，是环渤海经济圈的中心，也是我国北方最大的沿海工业城市。近年来，天津市人口和经济增长迅速，2005～2015年，常住人口1043.00万人增长到1546.95万人，全市生产总值从3905.64亿元增长到16538.19亿元。人口激增带来的是人地矛盾的不断增加，而化工、冶炼等工业企业的发展也给地区土壤环境质量造成了一定的安全隐患。

3 天津市土地安全评价模型建立

3.1 指标筛选

在充分了解天津土地生态规律的基础之上，综合土地生态压力、土地生态状态和土地生态响应三个方面的对于土地生态安全的具体影响，确定22项安全评价指标(图1)。评价指标对于土地生态安全的影响可能是积极的，也有可能是消极的。所以将这些评价指标分为两种，分别是负安全趋向性指标以及正安全趋向性指标。

(1)正安全趋向性指标: 这类指标越高就表示土地被破坏和影响的程度越小，即生态安全性水平越高，这些指标主要包括林地面积比重、人均耕地面积比重以及森林覆盖率等；人均GDP、经济密度, 第三产业产值比重、农电集约度、就业率、机耕程度、水土流失治理面积比重、城市化程度越高说明该地区对于土地生态安全的保护力度越大。

(2)负安全趋向性指标: 这类指标越高就表示土地被破坏和影响的程度越大，即生态安全性水平越高，这些指标主要包括农药使用量、耕地面积比重以及人口密度等。所谓耕地压力指数就是产出维持该地区居民粮食消耗量的最低人均耕地面积与实际人均耕地面积之间的比值[28]，该指标主要的作用就是用来判断耕地面积的紧张程度，如果值越大，说明可供利用的耕地面积非常少，所以土地生态安全情况越差。

图1 天津市土地生态安全评价指标体系

其中，水土协调度指某地单位区域内水资源与土地(耕地)资源的协调情况。农电集约度指农业相关的配套设施达到最好的配合集中情况。农业机械化水平指农业生产中使用机器设备作业的数量占总作业量的百分数。耕地压力指数指最小人均耕地面积与实际的人均耕地面积之比。

3.2 评价方法

天津市土地生态单指标安全值数学模型为:

S(i)=P(i)W(i)

(1)

式(1)中:S(i)为土地生态指标安全值，P(i)为土地生态的安全指数，W(i)为该指标权重。虽然单项指标安全值可以从各个方面反映天津市土地生态安全的现状，但是想要系统全面地反映天津市土地生态安全现状，还需对指标结果综合计算，土地生态安全指标综合值的数学模型为:

(2)

式(2)中，T-土地生态综合安全值；P(i)-各指标安全指数；W(i)-各指标权重；N-指标项数；计算后结果见表2。制作出了天津市土地生态安全标准综合评判表(表1)，本表中的安全值的取值范围是0～1，而且根据这个取值范围将其划分为5个等级，其中取值越趋近于1就表示土地生态安全没有得到破坏和影响。如果结果趋近于0则表示土地生态安全情况越差，分别对5个等级的安全状况进行详细的解释。

3.3 评价指标权重

本研究采用层次分析法(AHP法)计算相关指标权重。具体来说，将递阶层次中的某一元素设置为准则S，那么相对于准则S的权重就是在S支配下的下一层元素C1,C2…Cn相对于S的重要性。但这种重要性是无法进行定量分析的，所以只能进行定性分析，所以在衡量权重的过程中就需要将每两个指标进行比较，具体来说，就是在S的基准下，要比较两个元素之间的重要性，就需要对这两个元素进行赋值，赋值的比例标度一般为1～9之间，其中1表示的是二者具有相同的重要性，前者的重要性比后者的重要性大的程度越高，那么赋值也就越高[6]。在S准则层中，将所有元素进行两两比较，形成一个比较判断矩阵：

A=(aij)nXm

(3)

式(3)中：aij为Ci和Cj对于S准则的重要性比例标度。判读矩阵A可得如下的性质：aij>0，aij=1/aij，aii=1。

将判断矩阵A的n个行向量计算值依次归一化后的算术平均值，近似作为权重向量，即：

(4)

结合以上方式展开计算并落实检验工作后，将会得到单项指标权重数值，结果如表1所示。

3.4 基准值的确定

基准值主要是国际的公认值为基础。分析我国的生态的情况，通过对相关文献资料分析[7～11]，将全国的平均值作为一些指标的基准值，以这些数据为基础，并采用以下的计算方法，来衡量某一区域内土地的生态指标情况。

设X(i)为第i个算数评价指标的实际值，Y(i)为第i个算数评价指标的基准值，P(i)为第i个评价指标的安全指数，0

(1) 正安全趋向性指标: 当X(i)大于等于Y(i)，则P(i)值为1；当X(i)小于Y(i)，则P(i)值为X(i)与Y(i)的比值。

(2)负安全趋向性指标: 当X(i)小于等于Y(i)，则P(i)值为1；当X(i)大于Y(i)，则P(i)值为Y(i)与X(i)的比值。

表1 天津市土地生态安全标准综合评判

4 天津市土地安全评价

4.1 数据来源

本研究选取2005年、2010年和2015年的22项指标作为研究对象，研究数据主要来自天津统计年鉴(2006年，2011年，2016年)，天津滨海新区年鉴(2006年，2011年，2016年)，中国统计年鉴(2006年，2011年，2016年)。

4.2 评价结果与分析

4.2.1 评价结果

土地生态安全评价是一个不断变化的动态过程，对该过程进行评价是获取土地生态发展演化的重要手段，本表以2005-2015年为时间序列，以5年为一个时间节点，运用土地生态安全评价模型对天津市土地生态安全进行分析，结果表明天津市2005年、2010年和2015年的土地安全综合利用值为0.646095、0.576704和0.625785，按照相关参考文献及天津市土地生态安全标准(表1)进行分析[7～10,12]，2005年土地生态安全评价等级为敏感级，2010年土地生态安全评价等级为风险级，2015年的土地生态安全评价等级为敏感级，呈现出先恶化后改善的趋势(表2)。不同因子的变化趋势如表3所示。

表2 天津市土地生态压力状态响应及安全综合值

4.2.2 土地生态安全年度变化分析

2005～2015年，天津市土地生态安全综合值先减小后上升，土地安全生态状况从2005年的敏感级掉到2010年的风险级，之后土地生态安全状况改善，2015年返回敏感级，但是仍比2005年的0.646095低了0.02031。2005年到2015年，土地生态压力安全值不断上升，十年间升高了0.045031；土地生态状态安全值不断降低，十年间降低了0.067932；土地生态响应值先减小后增加，2005年到2010年减小了0.047184，2010年到2015年增加了0.051336(表2)。

造成天津市土地生态安全值先减小后上升的原因是：2005～2010年，地方政府过于注重经济的发展，而忽视了生态环境的保护和可持续发展，一些地区粗放耕种，过度垦殖，掠夺式经营造成土地覆地被破坏和生态环境恶化，企业及个人保护环境的意识淡薄；2010～2015年，政府、企业和个人开始意识到土地生态环境保护的重要性，开始了政府主导，企业和个人积极配合，坚持可持续发展战略，不再一味的追求GDP，具备了红线意识。使土地生态安全状况不断改善，土地生态安全综合值开始上升。

4.2.3 土地生态安全影响因子分析

根据土地生态安全的分项指标，分析天津市土地生态安全变化，结果如表3所示。

4.2.3.1 土地生态压力

天津市的土地生态压力安全值2005年、2010年和2015年分别为0.201389、0.244196和0.246420，土地生态压力安全值不断上升，但均处在全国平均水平以下，其主要原因如下。

(1)人口密度不断上升。2005～2015年人口密度不断上升，特别是2010～2015年，人口密度从1050人/km2增加到了1100人/km2，都超过了全国平均人口密度的104人/km2的10倍以上，而且远远超过了国际公认值的128.78人/km2的警戒线。10年间外来人口不断大量涌入天津。人口自然增长率从2005年的1.43%增加到2010年的2.6%，又骤减至2015年的0.23%，已经低于世界平均值的1.33%，但由于人口自然增长率的增减所引发的人口数量下降具有滞后性，所以短

表3 天津市土地生态安全评价指标及安全值

期内并不能缓解天津市人口压力过大的问题。

(2)土地压力较大。2005～2015年间，起到正反馈效应的人均耕地面积比下降，而这两年的比例均与国际公认值存在较大差距，而机耕程度和农业机械化水平小幅上升，农电集约度大幅增加，三者都远远超过全国平均值。但是，起到负反馈作用的农田化肥施用量和农药施用量，则大大超过了国际标准，并且使用量还在逐渐增加，分别从24.42 kg/hm2和0.34 kg/hm2增加到619.5 kg/hm2和3.77 kg/hm2，造成了严重污染。

(3)社会压力增加。2005～2015年间，天津的城市化水平不断提高，经济密度不断变大。2015年，经济密度更是紧随北京、上海、广东和深圳四个一线城市之后，位列第五名。10年间经济密度增长具体体现在房地产行业快速发展，天津市工业化和商业化程度进一步提高，且密度发展造成非农建设用地大量增加，耕地大量减少，给土地造成了很大的压力。2005～2015年间，以蓟州区为代表的旅游度假产业，以滨海新区为代表的存储服务和高新技术产业以及文化教育等对土地压力不是很大的产业同样在高速的发展，一定程度上缓解了天津市的土地生态压力；城市化率在2010年到2015年这五年间增长较快，期间受到“十二五”规划政策的指导，各地中心城区很快形成，并且以示范小镇为载体，天津市实现了百万农民搬入小城镇的目标，城市化率从2010年的81%增加到2015年的90%；

综合来看，土地生态的人口、土地和社会的压力安全值呈上升趋势，使土地生态压力安全值从2005年的0.201389到2015年的0.24642，上升了0.045031。

4.2.3.2 土地生态状态

天津市2005年、2010年和2015年的土地生态状态安全值分别为0.216384、0.149231和0.148452，10年间土地生态状态安全值呈不断下降，均处在全国的下游水平，其中2005～2010年土地生态状态安全值下降较多，5年间下降了0.067153，2010～2015年土地生态状态安全值比较接近，但仍有小幅下降。综合来看2005年到2015年天津市土地状态安全值下降的原因以及安全值偏低的原因主要如下。

(1)耕地锐减，耕地产能下降。2005～2010年起正反馈作用的林地面积比重、森林覆盖率和水土协调度均有较高幅度提高，且接近全国平均值，而草地面积虽然也有小幅度增加，但与全国平均值仍有较大差距，其原因为天津市的地理位置和气候条件适宜耕作，草地并不具有优势。起负反馈作用盐渍耕地面积比虽然有小幅度的减少，但仍高于世界平均值。而耕地面积比重从2005年的56.61%锐减到2010年的38.4%，导致2005～2010年土地状态安全值下降较多，出现这种现象的原因是2005～2010年大量耕地被违规占用，农村宅基地由于缺乏规划，盲目扩张，乱占耕地，加之城市吸引力加大，国家缺少对改善农民收入的政策倾斜，农业土地产出率不高，土地撂荒现象增多。

(2)土地覆盖合理性差。天津市的土地利用类型以居民点、工矿和农用地为主，耕地占比远高于全国平均水平，林地、森林覆盖率和水域面积与全国平均值相当，牧草地面积偏少，远低于全国平均水平。

(3)建设用地激增，人地资源竞争加剧。2005～2015年，城市化进程加快，非农建设用地大大增加，从2005年的2183.45 km2增加到2010年的3057.79 km2，再增加到2015年的3251.75 km2，土地利用率非常高，造成土地后备资源率大大降低。

4.2.3.3 土地生态响应

从土地生态响应来看，天津市土地生态状态安全值较高，2005年、2010年与2015年分别为0.229722、0.182577和0.233913。排在全国前列，这主要是因为：

(1)经济发展有利于土地安全。天津市的人均GDP远远高于全国平均水平，2015年的人均GDP更达到了全国平均水平52000元的两倍。这表明2005年到2015年天津经济发展已经达到了很高的水平，经济发展水平高证明了天津对土地资源的经济投入能力很强。

(2)产业结构有利于土地安全。第三产业比重持续提高，且分别高出全国平均水平的16%和18%，这说明了随着天津经济规模不断扩大，资源环境压力日益增大，第三产业超越制造业成为我市经济增长的主动力将是常态，也将成为吸纳就业的绝对主力。

5 结论与建议

5.1 结论

本研究建立了基于PSR模型的天津市土地生态安全评价指标体系，从土地生态环境压力、土地生态环境状态和土地生态环境响应三个方面建立了评价指标体系。在分析国内外研究成果的基础上选取了评价质变，并运用层次分析法确定各指标权重，综合评价了天津市2005～2015年的土地生态安全情况，并据此对天津市土地生态安全存在的问题进行了分析，主要结论如下。

(1)天津市2005年土地生态安全评价等级为敏感级，2010年土地生态安全评价等级为风险级，2015年的土地生态安全评价等级为敏感级，呈现出先恶化后改善的趋势。

(2)土地生态压力安全值不断上升，但均处在全国平均水平以下；2005年、2010年、2015年天津市土地生态状态均处在全国的下游水平，且安全值呈不断下降趋势；天津市土地生态状态安全值较高，排在全国前列。

(3)天津市土地生态安全的主要问题在于人口增加、经济发展和污染造成的生态压力增大，土壤人地矛盾增加，但天津市较高的经济水平和不断优化的产业结构有助于改善天津土地生态安全状况。