基于物元模型的土地生態(tài)安全評價研究

基于物元模型的土地生態(tài)安全評價研究

國際應用統(tǒng)計分析研究所（nationalacademyofinformationsecurity）在1989年提出“生態(tài)安全”一詞后，生態(tài)安全成為了一個新的安全概念，受到了各國的高度重視。我國于2000年12月29日發(fā)布了《全國生態(tài)環(huán)境保護綱要》,首次明確提出了“維護國家生態(tài)環(huán)境安全”的目標,認為保障國家生態(tài)安全,是生態(tài)保護的首要任務。目前,雖然對生態(tài)安全的認識不一致,但不少學者進行了大量探索性研究,包括生態(tài)系統(tǒng)健康診斷、區(qū)域生態(tài)風險分析、景觀安全格局、生態(tài)安全監(jiān)測與預警,以及生態(tài)安全管理、保障等。近年來生態(tài)安全評價研究活躍,主要集中于評價方法、指標體系、等級劃分、評價標準和定量化等方面,評價生態(tài)安全的手段也趨于多元化。土地生態(tài)安全評價是生態(tài)安全評價的重要組成部分,也是當前土地可持續(xù)利用研究的前沿課題。近年來,水土流失、土地荒漠化、森林銳減等土地生態(tài)問題引起了人們的廣泛關注和重視,眾多學者對土地生態(tài)安全展開了研究[13,14,15,16,17,18,19,20,21]。但目前土地生態(tài)安全評價還處于起步階段,土地生態(tài)安全評價的理論研究還處于探討階段,評價方法、評價指標體系和標準值的確定仍是研究難點。物元分析是我國學者蔡文教授創(chuàng)立的一門研究如何解決不相容問題的新型學科,其最突出的特點就是在經(jīng)典數(shù)學和模糊數(shù)學的基礎之上對不相容的問題提供了新的分析工具。土地生態(tài)安全可以看成是一個由多種因素組成的不相容問題,適合采用物元模型進行研究。許多研究證明,物元模型被廣泛應用在環(huán)境質量的綜合評判、產(chǎn)品質量分級和農(nóng)業(yè)資源評價等方面,目前,部分學者應用此法對土地生態(tài)安全進行了評價。位于長江中下游的洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū),包括湖南的岳陽市、益陽市、常德市、長沙市的望城區(qū)及湖北的荊州市,是我國重要的商品糧基地和湘鄂兩省重要的經(jīng)濟區(qū),其土地生態(tài)安全狀況對整個洞庭湖地區(qū)產(chǎn)生重要影響。岳陽市是洞庭湖經(jīng)濟區(qū)重要的組成部分,對岳陽市土地生態(tài)安全進行研究,不僅可以了解該區(qū)域土地生態(tài)安全現(xiàn)狀,對于該區(qū)域土地利用的優(yōu)化具有現(xiàn)實的指導意義,而且對于洞庭湖經(jīng)濟區(qū)的生態(tài)、環(huán)境、資源的可持續(xù)發(fā)展提供科學的參考依據(jù)。為此,運用于物元模型,構建了岳陽市土地生態(tài)安全評價指標體系,對其土地生態(tài)安全狀況進行評價。1研究區(qū)域的總結和數(shù)據(jù)來源1.1丘陵、丘陵土地現(xiàn)狀岳陽市地處長江中下流南岸,湖南省東北部(東經(jīng)111°12′19″~112°04′15″,北緯29°16′30″~29°57′30″),屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),年平均氣溫16.9℃,平均降水量1302mm,無霜期277d。丘陵、平原占土地總面積的2/3,地勢東高西低,呈階梯狀向洞庭湖傾斜,湖泊星布,河流網(wǎng)織,水系發(fā)達。土地總面積15019km2,轄岳陽樓區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)、岳陽縣、華容縣、湘陰縣、平江縣、汨羅市、臨湘市。2011年末,岳陽市總人口545.53萬人,其中,城鎮(zhèn)人口260.69萬人,農(nóng)業(yè)人口284.84萬人。1.2統(tǒng)計年份及農(nóng)村統(tǒng)計年原始數(shù)據(jù)來源于《岳陽市統(tǒng)計年鑒》和同期的《湖南省統(tǒng)計年鑒》及《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。通過原始指標復合計算得出構建指標,如人口密度=人口數(shù)/轄區(qū)面積,單位面積耕地化肥負荷=化肥使用量/轄區(qū)耕地面積。2學習方法2.1指標體系的構建由于土地生態(tài)安全是一個多因素組成的復合系統(tǒng),因此遵循科學性原則、綜合動態(tài)性原則、可獲得及可操作性原則,結合相關研究[13,16,18,19,20,21],綜合岳陽市實際情況,在自然—經(jīng)濟—社會概念模型的基礎上選取16項指標構建了指標體系(表1)。為了使評價結果合理客觀地反映出洞庭湖經(jīng)濟區(qū)的實際情況,采用層次分析法確定各評價指標的權重(表1)。2.2利用物元模型進行評價的一般步驟設事物的名稱為M,它關于特征C的量值為X,以有序三元R=(M,C,X)組作為描述事物的基本元,簡稱物元。利用物元模型對事物進行評價的一般步驟為:(1)確定土地生態(tài)安全物元;(2)確定經(jīng)典域與節(jié)域物元矩陣;(3)確定待評物元;(4)確定關聯(lián)函數(shù)及關聯(lián)度;(5)計算綜合關聯(lián)度并確定評價等級。具體步驟見參考文獻。2.2.1啟動元系統(tǒng)以岳陽市9個縣市區(qū)2011年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎,通過原始指標復合計算得出構建指標,通過加權平均得到每個縣市區(qū)各個指標的原始值。2.2.2評價指標的確定經(jīng)典域(即評價等級的取值范圍)的確定是物元評價的基礎。在確定經(jīng)典域和節(jié)域之前,需要先確定所選各項指標的生態(tài)安全標準。從岳陽市生態(tài)環(huán)境和土地利用結構特點出發(fā),結合專家意見,根據(jù)各項指標的特性和水平,參照全國平均水平、國家環(huán)保總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(試行)》標準值、國際通行標準取值、湖南省平均水平等,確定了土地生態(tài)安全評價指標的基準值。依據(jù)土地生態(tài)安全評價的可拓性,將其劃分為4個等級,定性描述為:安全→較安全→臨界安全→不安全。據(jù)此,土地生態(tài)安全評價的經(jīng)典域物元矩陣設P={安全→較安全→臨界安全→不安全},P1={安全},P2={較安全},P3={臨界安全},P4={不安全}。根據(jù)16項評價指標的標準值和物元模型的計算公式,建立土地生態(tài)安全評價的經(jīng)典域物元矩陣。2.2.3待評物元的關聯(lián)度以岳陽樓區(qū)為例,簡單介紹計算過程。根據(jù)各指標的具體量值,確定岳陽樓區(qū)土地生態(tài)安全矩陣。土地生態(tài)安全指標關聯(lián)函數(shù)K(x):式(1)中,式(2)中,ρ(X,XO)表示點X與有限區(qū)間Xo=[ao,bo]的距離;式(3)中ρ(X,Xρ)表示點X與有限區(qū)間Xρ=[aρ,bρ];|XO|=|bo-ao|,X,XO,Xρ分別表示待評土地生態(tài)安全物元量值、經(jīng)典域物元量值和節(jié)域物元量值的范圍。待評對象Px關于等級j的綜合關聯(lián)度Kj(Px)為式(4)中:Kj(Px)表示待評對象Px關于等級j的綜合關聯(lián)度;ki(xi)表示待評對象Px關于等級j的單指標關聯(lián)度j=(1,2,…m);ai表示各評價指標的權重,若則待評對象第i指標屬于土地生態(tài)安全標準等級j。若將待評物元輸入物元模型,即可輸出相應的計算結果。以岳陽樓區(qū)c1指標為例,簡單介紹計算過程。將c1代入公式(1)~(6),得出c1的各級關聯(lián)度,k1(c1)=-0.940,k2(c1)=-0.925,k3(c1)=-0.850,k4(c1)=0.150,可以判斷該指標屬于級別P4,即不安全。同理,將其他指標按該方法計算得到相關數(shù)值,見表2。將得到的各項指標對應各等級的關聯(lián)度與其對應的權重輸入式(4)求出所有指標的綜合關聯(lián)度,可判定岳陽樓區(qū)土地生態(tài)安全級別為安全級別。3分析與建議3.1長沙州規(guī)定的土地生態(tài)安全狀態(tài)存在以下幾種運用物元模型同樣可得岳陽市其他縣市區(qū)的土地生態(tài)安全級別(表3和圖1)。從表3和圖1中可知,岳陽市各縣市區(qū)土地生態(tài)安全狀態(tài)以“安全”為主。其中,岳陽樓區(qū)、云溪區(qū)、岳陽縣、平江縣及汨羅市為安全狀態(tài);君山區(qū)和湘陰縣為較安全狀態(tài);華容縣和臨湘市為臨界安全狀態(tài)。岳陽市的土地生態(tài)安全狀態(tài)雖然以“安全”為主,但仍然存在較大隱患,其原因在于:人地矛盾突出,人均耕地日益減少,對土地生態(tài)系統(tǒng)的壓力加大;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中注重土地產(chǎn)出忽視對其保護,不恰當施用化肥和農(nóng)藥,土地生態(tài)功能更加薄弱;對生態(tài)環(huán)境的改造趕不上人口增長對其的需求。3.2土地生態(tài)安全狀態(tài)的空間分異格局從圖1中看出,對于岳陽市城區(qū)的岳陽樓區(qū)、云溪區(qū)和君山區(qū)3個區(qū)而言,君山區(qū)土地生態(tài)安全等級稍低。根據(jù)各指標關聯(lián)度及等級,其主要原因是君山區(qū)森林覆蓋率、城市化水平,人均GDP、經(jīng)濟密度、人口密度等指標均遠低于岳陽樓區(qū)和云溪區(qū)。君山區(qū)是近年設立的一個新區(qū),目前其區(qū)域經(jīng)濟的主體為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟,正在向加工工業(yè)轉型,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的產(chǎn)出能力較弱,這一時期對土地資源的經(jīng)濟投入有所忽視。岳陽樓區(qū)和云溪區(qū)的土地生態(tài)安全狀態(tài)為安全,這與它們作為岳陽市中心城區(qū)的地位是符合的,它們在經(jīng)濟上遠超過其他縣市區(qū),在經(jīng)濟發(fā)展的同時能夠加大對自然環(huán)境保護的投入,采取積極措施,提高土地產(chǎn)出能力,將土地系統(tǒng)的壓力降低。對于岳陽市其他縣市區(qū)而言,岳陽縣、汨羅市和平江縣的土地生態(tài)安全等級為安全狀態(tài),湘陰縣的為較安全狀態(tài)。這主要得益于這些地區(qū)較高的森林覆蓋率和人均耕地面積、單位耕地面積農(nóng)藥化肥使用率,以及災害發(fā)生面積比較低。華容縣和臨湘市的土地生態(tài)安全狀態(tài)為臨界安全,華容縣森林覆蓋率低,單位耕地面積化肥農(nóng)藥使用量大,人均GDP較低,對土地生態(tài)的破壞和壓力較大;臨湘市以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主,人口密度不大,經(jīng)濟密度較低,工業(yè)生產(chǎn)方式粗放,工業(yè)萬元GDP耗煤量大。綜上所述,人均耕地、經(jīng)濟密度、人均GDP、人口密度是制約區(qū)域土地生態(tài)安全的首要問題。造成岳陽市土地生態(tài)安全狀態(tài)空間分異格局的原因歸納起來大致為以下兩點:(1)經(jīng)濟發(fā)展程度。經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高的地方,能夠對環(huán)境保護提供充足的資金和設備,土地生態(tài)安全狀態(tài)相對較好。2011年岳陽樓區(qū)和云溪區(qū)的經(jīng)濟密度和人均GDP分別為16586元/km2、4990元/km2和61851元/人、117751/人,遠遠高于岳陽市的其他縣市區(qū),經(jīng)濟發(fā)展水平較高,因而生態(tài)環(huán)境得到較大程度的保護和改善。經(jīng)濟發(fā)展水平低以及經(jīng)濟轉型區(qū)域,由于盲目追求經(jīng)濟發(fā)展,發(fā)展方式粗放,因此忽視土地資源保護或者缺乏財力,引起土地生態(tài)惡化。臨湘市、華容縣、湘陰縣和君山區(qū)均以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主,工業(yè)生產(chǎn)方式粗放,經(jīng)濟水平不高,對土地資源保護投入不足。(2)人口密度與土地利用狀況。人口密度低,耕地和林地比重大的區(qū)域,對土地資源的壓力較小,土地生態(tài)安全狀況較好。岳陽縣、汨羅市和平江縣人口密度較低,耕地林地面積廣大,故其土地生態(tài)安全狀況較好。3.3合理利用土地資源(1)保護耕地資源,堅持開發(fā)與保護并重。進一步加大土地整理與土地復墾的力度,緩解日益突出的人地矛盾;同時,進一步改善耕地質量,使得已經(jīng)很有限的耕地資源能夠可持續(xù)利用。(2)改善土地生態(tài)環(huán)境,合理施用化肥農(nóng)藥,減輕對土地的污染?？茖W指導農(nóng)民合理施用化肥和農(nóng)藥,保障土地資源的生產(chǎn)能力。(3)合理控制人口增長,緩解人地矛盾。人口數(shù)量的增加、人口密度的增大將會造成人均耕地面積的減少,將會給當?shù)赝恋厣a(chǎn)力帶來巨大的壓力而造成土地生態(tài)環(huán)境的破壞。(4)在經(jīng)濟發(fā)展的同時,加大對土地資源的保護力度。增加財政對土地生態(tài)安全建設的支持,建立生態(tài)補償機制和新的土地資源有償使用制度。(5)增強公民的環(huán)保意識,促使生態(tài)安全意識深入人心。4長沙州州大陸地區(qū)土地生態(tài)保護規(guī)劃的建議(1)對于土地這一復雜的生態(tài)系統(tǒng),物元模型能夠較好地解決各指標的不相容問題,消除量綱,也不用對各數(shù)據(jù)進行歸一化處理,計算過程比較簡單方便,是區(qū)域土地生態(tài)安全評價的一種合理可行的方法。(2)位于洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的岳