韦宇婵, 张丽琴,2,3

(1.中国地质大学(武汉)公共管理学院, 武汉 430074; 2.加拿大渥太华大学 地理系,渥太华; 3.中国土地勘测规划院, 国土资源部 土地利用重点实验室, 北京 100035)

土地作为一种特殊的资源，既有经济功能，也融合了生态、环境等具有战略意义的功能，因此土地资源安全关系区域的和谐发展[1]。生态安全预警是生态安全研究的重要内容，是运用定性和定量相结合的预警模型对生态环境和区域资源进行评价、预测和警报，其目的在于预防和控制影响区域生态系统正常运行的不安全因素，对维护区域生态安全具有重要的意义[2-4]。

在生态环境破坏的背景下，引起了国内外学者对区域生态安全保护的广泛关注。国外生态安全预警主要围绕土壤肥力和土壤质量[5]、土地利用变化动态监测预测[6-8]、土地生态环境预警预测[9]、农业土壤环境等[10-11]内容研究，其系统的研究方法应用于生态安全和土地利用变化领域[7-8]。指标体系方面较为完整，Krotscheck等于1996年提出可持续过程指数成为生态评价的新维度[12]，在此基础上，Costanza等注重评价指标的建设应考虑可持续利用[13]，Herrick认为指标选取应反映土地生态系统状态特征[14]。国内生态安全预警研究起于20世纪九十年代末，理论研究方面，傅伯杰等首次对区域生态环境预警进行了较深入的研究，提出了区域生态安全预警综合指标体系[15]；马克明等提出区域生态安全格局概念以适应生态恢复发展需求[16]。在理论与概念建立的基础上，随之展开了具体的实证研究，研究内容包括土地生态安全时空格局[17]、湖泊湿地生态环境评价[18]、群岛生态安全预警[19]、耕地生态安全评价[20]。研究方法方面，BP神经网络算法[21]、改进TOPSIS法[22]、GM(1,1)预测模型[23]、有序加权平均算子(OWA)[24]、模糊物元法[25]、情景分析法[26]等方法均应用于生态安全预测预警。指标体系方面，一是陈美婷、徐美、张智光等基于“压力—状态—响应”(PSR)模型构建生态安全预警指标体系[27-30]，二是吴冠岑、赵旭等基于“环境—社会—经济”(EES)模型构建土地生态安全预警指标[31-32]，对不同区域的生态安全演变趋势进行预测预警。

国内外区域生态安全预警研究成果丰富，但研究内容多侧重时间和空间总体预警层面，障碍因子从省域尺度进行诊断分析，以时空双维度全面分析土地生态安全总体预警、压力系统、状态系统和响应系统，并动态分析地级市尺度的障碍因子成果较少。中原区域地处中国中心地带，中原经济区是三大国家战略规划之一，河南省作为中原经济区的主体，随着城镇化、工业化进程的快速推进，区域内土地生态环境压力不断增大，威胁到区域土地资源生态安全，对河南省土地生态进行安全警情评估十分有必要。鉴于此，本文以河南省18个地市作为研究对象，基于PSR-EES模型构建耕地生态安全评价指标体系，运用熵值法确定权重，采用综合指数进行评价，并通过GIS空间分析方法，在分析2005—2016年河南省各城市土地生态安全总体警情、压力系统、状态系统和响应系统时空格局的基础上，动态分析其限制型因子，旨在为解决河南省生态安全保护与政策制定提供更具有针对性的指导。

1 研究区域、指标体系的建立及数据来源

1.1 研究区概况

河南省地处我国中东部、黄河中下游，黄淮海平原西南部，位于北纬29°01′53″—33°6′47″，东经108°21′42″—116°07′50″，东接安徽、山东，北界河北、山西，西连陕西，南临湖北，呈望北向南、承东启西之势，土地总面积为16.7万km2。2016年底，全省区域生产总值40 160亿元，总人口9 532万人，地均GDP为2 438万元/km2。地势呈西高东低，其中北面太行山、西面伏牛山以及南面桐柏山、大别山等山脉环绕三面，中部和东部为黄淮海冲积平原，平原面积占总面积55.7%，丰富的土地资源是河南省经济社会发展的重要物质基础，但随着城镇化进程不断加快，建设占用导致土地非农化、人口增长、农业面源污染以及土地污水负荷等问题越来越严重，对其生态实施有效的安全保护，具有重要的现实意义。

1.2 预警指标体系的构建

土地生态安全预警作为土地生态安全研究的重要内容之一[28]，对其进行研究要全面考虑土地作为自然环境系统内的资源要素与人类经济活动、社会发展之间的相互关系。土地生态安全指标选取必须与当地的土地生态安全特点结合在一起，除了要对土地生态环境现状进行考虑外，对于影响土地生态安全的潜在因素，以及人类的相关活动都应该纳入其考虑范畴[33]。河南省是全国重要的农业和人口地区,土地利用的自然及社会经济条件优越,人口及经济增长速度较快,土地资源特别是耕地资源紧缺,人地矛盾较为突出。选取土地生态安全指标时结合河南省人口与耕地资源的实际情况，从经济、社会、人口、资源和环境五大方面遴选27项指标。因此，本文以PSR模型为基础，遵循可操作性、实用性、动态性、完整性、科学性等相关原则，参考相关研究成果[20-22，27-29]，结合“压力—状态—响应”(PSR)模型和“环境—经济—社会”(EES)模型，构建河南省土地生态安全指标体系(表1)。

表1 河南省土地生态安全评价指标体系

1.3 数据来源

本文研究数据主要来自2005—2016年的河南省土地利用结构现状数据，2006—2017年的《中国农村统计年鉴》[34-36]、《中国城市统计年鉴》[37]、《河南统计年鉴》[38]、《河南省环境状况公报》[39]，空间矢量数据来源于国家1∶400万基础地形图。

2 研究方法

2.1 土地生态安全预警模型

(1) 指标标准化。利用极差标准化方法对参评指标进行量化统一，公式为：

正向指标：

yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(1)

逆向指标：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(2)

式中：xij为i区域第j个指标具体数值；yij为指标标准化后的标准值；maxxj，minxj分别为所在区域中第j项指标的最大值，最小值。

(2) 权重计算。在计算指标权重时，为避免主观因素造成的误差，采用客观性较强的熵权法，公式为：

(3)

(3) 预警指数计算其公式为：

FP=wj×yij

(4)

(5)

式中：FP(P=1,2,3)为yij的生态评价值；wp为P系统对应的权重值；F为第i个区域的预警指数。

2.2 障碍度模型

在对区域土地生态安全预警进行计算的基础上，对各区域的障碍因子进行诊断，以期因地制宜地制定相应措施，解决土地生态安全问题。本文引进因子贡献度(Ij)、指标偏离度(Jij)和障碍度(Oij，Uij)3个指标进行障碍因子诊断[1，20，33]，公式为：

(6)

Uij=∑Oij

(7)

式中：Ij=wj；Jij=1-yij;Jij表示第i年第j个指标与土地生态预警值的差距;Oij为第i年各单项指标对该年土地生态安全的障碍度;Uij是准则层指标的障碍度。

2.3 土地生态安全警度确定

采用等分的原理，根据预警指数大小，参考相关文献[4,17,19,28]，本文将河南省土地生态安全警度评判标准划分为安全、较安全、轻警、中警、重警5个安全档次(表2)，不同的预警指数对应不同等级的生态安全预警级别。综合预警指数越高，说明区域的土地生态安全警度越严重；反之，说明区域的土地生态安全预警状况越好[21-22,28]。

表2 河南省土地生态安全警度标准

3 结果与分析

3.1 土地生态安全警情时间变化特征

3.1.1 土地生态安全综合警情分析 总体来看，2005—2016年河南省的土地生态安全综合预警指数由2005年的0.725下降到2016年的0.388(图1与表3)，呈现下降趋势，生态安全等级变化趋同，土地生态安全状态也由“中警”逐渐下降到“轻警”，土地生态环境得到一定改善。2005—2010年土地生态安全综合预警指数上升的有洛阳、濮阳和三门峡3个城市，其中洛阳和三门峡综合预警指数虽有所上升，但安全等级变化不大，而濮阳上升了0.161，其他15个城市土地生态安全综合预警指数存在不同程度的下降，其中最明显的驻马店下降了0.322，安全等级下降了2个等级，从第Ⅲ级下降到第Ⅰ级。2010—2016年土地生态安全综合预警指数上升的城市增加到10个，仅洛阳、平顶山、安阳、鹤壁、焦作、濮阳、漯河和南阳8个城市土地生态环境得到改善，改善最明显的濮阳下降了0.193，安全等级改善到第Ⅰ级，安全等级下降了1个等级，焦作土地生态环境改善较缓，安全等级无变化。

3.1.2 土地生态安全子系统警情分析 2005—2016年，河南省土地生态安全压力系统预警指数变化趋势是整体波动上升,警度从最初的“安全”上升到“较安全”(图1与表4)，表明河南省土地生态面临的压力不断加大。河南省从2005年开始，随着工业化与城市化进程不断加快，农业面源、地下水与化肥等污染问题日益显现，土地污染问题已逐渐影响到了整个土地的生态安全，河南省人口密度从2005年的585人/km2增长到2016年的646人/km2，人口不断增加逐渐加剧了人地矛盾，同时生态负荷逐渐增大，从2005年的8.77×106t/km2上升到2016年的1.11×107t/km2。不同阶段压力指数变化幅度不同，2010—2016年土地生态安全压力指数上升0.114，2005—2010年上升幅度相对较小为0.032。2005—2016年河南省各城市土地生态安全压力指数变化显著，开封、洛阳、平顶山、安阳、鹤壁、焦作、濮阳、漯河、三门峡和南阳土地生态安全压力指数下降幅度较大，变化幅度处于0.03～0.07。土地生态安全压力指数下降幅度较小的城市包括新乡、濮阳、许昌、商丘、周口、驻马店和济源，变化幅度在0.01～0.03。郑州土地生态安全压力指数呈上升趋势，郑州作为省会城市其城市化水平最高，人口密度与建设用地占用耕地面积比重最大，这12 a间土地生态安全压力指数不断上升，土地生态环境压力较大。

图1 2005-2016年河南省土地生态安全预警指数及警度的变化

表3 2005-2016年河南省区域土地生态安全综合预警指数

城市2005年预警指数等级2010年预警指数等级2016年预警指数等级郑州0.811Ⅴ0.716Ⅳ0.731Ⅳ开封0.520Ⅲ0.263Ⅱ0.264Ⅱ洛阳0.591Ⅲ0.596Ⅲ0.470Ⅲ平顶山0.553Ⅲ0.391Ⅱ0.295Ⅱ安阳0.555Ⅲ0.292Ⅱ0.233Ⅱ鹤壁0.526Ⅲ0.326Ⅱ0.175I新乡0.365Ⅱ0.244Ⅱ0.361Ⅱ焦作0.446Ⅲ0.372Ⅱ0.364Ⅱ濮阳0.204Ⅱ0.366Ⅱ0.172I许昌0.378Ⅱ0.229Ⅱ0.295Ⅱ漯河0.545Ⅲ0.370Ⅱ0.282Ⅱ三门峡0.456Ⅲ0.457Ⅲ0.505Ⅲ南阳0.443Ⅲ0.284Ⅱ0.229Ⅱ商丘0.349Ⅱ0.141I0.277Ⅱ信阳0.202Ⅱ0.113I0.195I周口0.369Ⅱ0.193I0.280Ⅱ驻马店0.437Ⅲ0.115I0.147I济源0.451Ⅲ0.358Ⅱ0.394Ⅱ

2005—2016年，河南省土地生态安全状态系统预警指数呈现波动下降的态势，该指数整体处于0.08～0.19之间，警度处于“安全”状况(图1与表4)，表明土地生态环境状态得到改善。河南省森林覆盖率和城市人均公园绿地面积不断增加，环境状态改善成效显著，经济状态中农电集约度指标增长较快，社会状态主要受耕地粮食单产和人均耕地面积两个指标影响改善明显。分阶段看，2005—2010年土地生态安全状态指数下降较快，下降明显的驻马店为0.048，焦作状态指数则上升了0.012；2010—2016年土地生态安全状态指数下降速度放缓，指数值下降最快的洛阳为0.038，状态指数上升较快的周口为0.020。2005—2016年河南省各区域土地生态安全状态指数变化差异较小，河南全省18个地市状态指数都呈下降的变化趋势。三门峡由于城市人均公园绿地面积指标从2005年的13.90 m2下降到2016年的5.08 m2，影响了土地生态环境状态的改善。郑州状态指数有所下降，土地生态环境状态得到改善，但由于城市人均公园绿地面积和人均耕地面积指标改善较小，其状态指数一直处于全省最大值。安阳、鹤壁、漯河、信阳和驻马店由于环境状态和经济状态指标改善较大，其状态指数下降幅度相对较大。

表4 2005-2016年河南省区域土地生态安全子系统预警指数

2005—2016年，河南省土地生态安全响应系统预警指数从0.370下降至0.015，警度由“较安全”下降至“安全”(图1与表4)，可见其发展态势良好，表明在土地生态压力加大的趋势下，土地生态响应得到较大程度的优化。为应对破坏土地生态等一系列问题，河南全省积极响应，先后出台了《河南省耕地质量管理条例》、《河南省农业环境保护条例》等一系列的政策法规。响应指数阶段变化特征明显，2005—2010年土地生态安全响应指数下降显著，该阶段数值与压力指数和状态指数相比变化幅度大，由于河南省积极推进生态建省的理念，土地生态环境治理效果显著；2010—2016年土地生态安全响应指数下降速度放缓，其中全省自然保护区面积、工业废水排放达标率和工业固体废弃物综合利用率指标不断上升。2005—2016年河南省各区域土地生态安全响应指数变化差异明显，其中洛阳、新乡、焦作、濮阳、三门峡、商丘和信阳响应指数上升，驻马店环境、经济和社会各方面指标改善明显，其响应指数下降幅度最大，其余区域响应指数下降幅度较小。

3.2 土地生态安全预警空间格局分析

运用ArcGIS 10.2 制图技术，将河南省各区域2005年、2010年、2016年的土地生态安全警情绘制成空间分异图(图2)。

从土地生态安全预警指数空间变化看(图2)，2005年高值出现在中部郑州，低值出现在东部和南部，中部大部分城市和西南部城市警度处于“中警”，土地生态安全等级分3个级别；2010年呈中西北部高、东南部低的格局，商丘、信阳、周口和驻马店警度处于“安全”，中西部大部分城市警度处于“较安全”，总体预警指数有下降趋势，且幅度较大，土地生态安全等级分4个级别；2016年则呈中西部高、东北部和南部低的格局，中北部大部分区域警度处于“较安全”，东北部和南部区域警度处于“安全”，东西差异明显。2005—2016年17个城市土地生态安全预警值呈现下降趋势，土地生态安全状况优化趋势明显。郑州面临人口压力过大、土壤质量下降、河流湖泊水质恶化等问题严重，促使其城市土地生态安全预警值一直处于最高值，可见其面临严峻的土地生态安全环境问题。三门峡土地生态安全综合预警值呈增加态势，压力指数虽小幅下降，但三门峡作为矿产资源型城市，同时受限于其所处的地形区位，其生态环境状态指数和响应指数上升幅度较大，导致土地生态安全状况逐年下降，2016年警度达到了“轻警”水平。

图2 2005-2016年河南省土地生态安全预警空间分异

从生态安全预警压力指数空间变化看(图2)，2005年中北部生态压力高于其他区域，压力指数在0.07～0.32，全省生态安全压力差异显著。2005—2010年压力指数高值区出现在中北部区域，其他区域为低值区。焦作和漯河生态安全压力明显改善，压力指数下降幅度大。郑州、三门峡和信阳压力有逐渐增大的趋势，压力指数空间格局逐渐形成中部与周围的差异，且高值区范围逐渐扩大，压力指数在0.07～0.33。2010—2016年压力指数空间分布发生变化，呈中部区域较高于周围其他区域的格局，生态压力格局差异减小，平顶山、安阳、鹤壁、濮阳和三门峡压力环境改善较好。2005—2016年河南省压力指数空间格局由南北差异向中部与周围差异演变。

从生态安全预警状态指数空间变化看(图2)，2005年状态指数北部(除安阳外)、东部和南部较低，中西部(除许昌外)区域状态指数较高。2005—2010年状态指数空间分布成中间高、周围低的格局，生态安全状态格局在保持上一阶段的基础上，7个城市生态安全状态得到改善。2010—2016年生态安全状态洛阳和济源生态安全状态优化明显，三门峡、信阳和周口状态指数呈现上升的趋势。2005—2016年河南省状态指数呈中部高、周围低的格局，状态指数数值在0～0.20之间，郑州生态安全状态一直处于最高值。

从生态安全预警响应指数空间变化看(图2)，2005年响应指数空间分布仅西部(洛阳和三门峡)和南部(南阳和驻马店)4个城市较高，其他区域响应指数较低。2005—2010年由于积极响应土地生态环境治理，驻马店响应指数下降幅度最大，5个城市响应指数呈上升的变化趋势，响应指数数值范围在0～0.20，响应指数分布在东北部和西部较高，中部区域响应指数较低。2010—2016年响应指数空间差异整体有缩小的趋势，虽有15个城市响应指数较低，但响应指数上升的城市增加到7个，数值范围逐渐增大，在0～0.30，响应指数空间分布呈西部较高、其余区域(除新乡外)较低的格局。2005—2016年河南省响应指数总体呈中部低、西部高的空间分布格局，响应指数数值呈增大趋势。

3.3 障碍因子诊断

据公式(6) 和(7) 可计算得到2005—2016年河南省18个地市土地生态安全的指标障碍度。由于指标因子较多，本文仅选取障碍度排序前6的指标为主要障碍因子(表5)，以此对河南省各城市土地生态安全的主要障碍因素进行诊断[40]。

不同区域间主要障碍因子差异显著。中部平原区域的郑州、开封、洛阳、平顶山、焦作、许昌、漯河和济源，各城市间限制性因子变化差异较大。郑州、开封和洛阳作为中原区域的重要中心，3个城市社会经济稳步发展，2005—2016年主要障碍因子变化集中在第三产业比重、单位耕地化肥施用量、环保治理投资占GDP比重、人均生产总值等指标上，且限制因子排序变化差异较小。焦作和济源主要障碍因子集中在由农业发展和环境保护相关指标向经济投入发展指标转变。平顶山、许昌和漯河2005—2016年土地生态安全状况逐渐提高，其主要障碍因子变化较大，限制因子变化集中在环境保护和农业经济有关的指标。东部区域的商丘和周口，2005—2016年主要障碍因子变化集中在与人口增长和环境保护有关的指标上，且变化趋同。商丘、周口是豫东平原传统农业区，两城市经济发展平缓，限制因子在城市化水平、人均建设用地面积、水土协调度、单位土地废水负荷、工业固体废物综合利用率等指标波动变化。南部区域的南阳、信阳和驻马店，2005年主要障碍因子集中在GDP增长、人均建设用地面积这几个与社会经济相关的指标上，2016年人均耕地面积、环保治理投资占GDP比重、人口密度等指标取而代之。北部区域的安阳、鹤壁、新乡和濮阳，主要障碍因子集中在与环保治理和社会经济发展相关的指标。西部地处山区的三门峡12 a来土地生态安全预警值逐渐增大，生态安全状况不断下降，其主要障碍因子2005年第1位的耕地面积比重为17.26%，全省最低，而GDP增长率2005年为30.08%，增长幅度较大，2016年该指标为5.98%，仅次于耕地面积比重成为第二大障碍因子。期间三门峡不断加强对生态环境投入建设，由于自然条件较差，绿化建设、环境保护仍成为城市发展的限制性因子。

4 结 论

本文运用主客观赋权法和综合指数法对河南省2005—2016年土地生态安全及各子系统进行综合评价并分析其时空演变规律，其结果与河南省实际情况相符[41-43]，得出以下主要结论：

(1) 从时间尺度看，2005—2016年河南省土地生态环境压力虽呈上升趋势，但状态和响应预警指数均呈下降趋势，且全省积极响应采取有效治理措施，土地生态安全综合预警指数逐渐下降，安全等级由第Ⅳ级提高到第Ⅲ级。但安全等级靠近“预警”临界值波动变化，因此目前土地生态安全仍未从根本上提高且不稳定。采取有效措施解决土地生态的压力，促进人地协调的可持续发展，这将成为河南省未来几年发展的重要环节。

表5 2005-2016年河南省区域土地生态安全主要障碍因子

(2) 从空间格局看，2005—2016年，豫东和豫南区域的土地生态综合环境明显优于河南省其他区域，且区域间土地生态安全警度差距逐渐减小。土地生态压力系统空间分布由南北差异向中部与周围差异演变，生态环境压力得到明显改善；生态环境状态系统呈中部高、周围低的格局，生态环境状态保持较好；积极响应状况呈中部低、西部高的空间分布格局，西部山区受地理区位限制，区域生产总值增长幅度较小，对城市生态环境治理的经济投入造成影响。

(3) 从障碍因子看，2005—2016年，河南省中部平原区域各城市间限制性因子变化差异较大，郑州、开封和洛阳主要障碍因子与产业经济发展和生态环境治理等指标，焦作和济源主要障碍因子集中在由农业发展和环境保护相关指标向经济投入发展指标转变，平顶山、许昌和漯河主要障碍因子变化集中在与环境保护和社会经济有关指标；东部区域主要障碍因子集中在与人口增长和环境保护有关的指标；南部区域主要障碍因子集中在与生态环保和经济发展有关的指标上；北部区域主要障碍因子集中在与环保治理和社会经济发展相关的指标；西部山区主要障碍因子与绿化环保、人口和经济发展有关。