甘肅省土地生態安全評價及預測實證研究

李青松， 何如海， 周穎， 陸雅雯

安徽農業大學經濟管理學院， 安徽 合肥 230036

土地作為一個自然經濟綜合體是人類賴以生存和發展的基礎，改革開放以來，經濟社會的快速發展，人口數量的增加，城鎮化和工業化進程的加快，導致人們利用土地資源的強度增加，引起了植被破壞、耕地面積減少、生物多樣性下降、水土流失等危害土地生態安全的現象.黨的十九大提出加大生態系統保護力度，提升生態系統質量和穩定性，開展國土綠化行動.土地生態是中國生態文明建設的重要內容，是當前自然資源部面臨的主要挑戰之一，對區域土地生態安全進行研究具有重要意義[1].

國外對土地生態的研究起步較早，早在二十世紀四十年代就提出了有關“土地健康”的概念[2]，直至二十世紀八十年代末，“生態安全”這一術語正式出現[3].二十一世紀以來，國外學者對土地生態安全的研究多側重于土地污染[4]、土地質量評價[5]、土地生態系統服務價值評價[6]；國內學者對土地生態安全評價的研究，在研究區域上涵蓋跨省經濟帶，省、市、縣(區)級，在研究方法上涉及RBF神經網絡模型[7]、主成分分析法[8]、TOPSIS模型[9]、PSR模型[10]、物元模型[11]等.

本文選取位于我國西部地區的甘肅省作為研究區域.甘肅省位于中國西部地區，北緯32°11′～42°57′，東經92°13′～108°46′之間，總面積42.59 萬km2，總人口2 637.26萬人.地處黃河中上游，同時也是三大高原交匯地帶，地勢自西南向東北傾斜，地形狹長，氣候類型多樣.由于地理因素的影響，甘肅省生態環境問題表現突出，自然災害多發.近年來，甘肅省快速發展，截至2018年，甘肅省GDP為8 246.1億元，人均GDP約為31 267元.甘肅省作為“一帶一路”上的交通大樞紐和物流大通道，其區位優勢在“一帶一路”中將會更加凸顯，社會經濟的發展對區域生態環境的影響將更加緊密.因此，對甘肅省土地生態安全進行科學的評價，測算2008年～2017年甘肅省土地生態安全指數動態變化的過程，并運用GM(1，1)模型對未來5年甘肅省土地生態安全綜合指數進行預測，有利于識別甘肅省整體的土地生態安全現狀，促進后期土地資源可持續利用，改善生產生活環境.

1 甘肅省土地生態安全評價和預測指標體系及模型構建

PSR模型由聯合國經濟合作開發署提出，由“狀態—響應—壓力”三部分指標建立指標體系[12]，具有較強的系統性，體現了人類與環境之間的相互作用關系.本文基于PSR模型，構建甘肅省土地生態安全評價指標體系，運用綜合指數法評價甘肅省2008年～2017年的土地生態安全狀況，運用灰色預測GM(1，1)模型對未來5年甘肅省土地生態安全態勢進行預測.

本研究原始數據來源于《甘肅發展年鑒》(2010—2018年)、《甘肅省國民經濟和社會發展統計公報》(2008—2018年)，以及《中國統計年鑒》和甘肅省官方網站公布的有關數據.

1.1 指標體系的確立

依據科學性、合理性以及數據獲取的可得性原則，結合甘肅省社會經濟與生態環境發展的實際情況，在借鑒已有研究成果的基礎上[13]，運用PSR模型選取了具有代表性的24個評價指標構建了甘肅省土地生態安全評價指標體系(表1).

表1 甘肅省土地生態安全評價指標體系

1.2 數據標準化

由于評價指標涉及多個領域，其大小、單位、性質不盡相同，所以需要對數據進行標準化處理，在區分評價指標正負功效的情況下采用如下公式進行標準化處理：

對于正向指標

對于負向指標

式中，i表示年份，i=1,2,3,...,m；j表示第j項指標，j=1,2,3,...,n；Xij表示第i年第j項指標的原始數據值，Yij表示第i年第j項指標的標準化值.max(Xij)和min(Xij)分別表示第i年第j項指標的最大值和最小值.

1.3 指標權重確定

為確保甘肅省土地生態安全評價的準確度和客觀性，本文對所選指標的權重采用熵權法確定，計算公式如下：

第j項指標熵值

第j項指標熵權

1.4 土地生態安全指數計算

依據土地生態安全綜合評價模型，本文采用綜合指數法計算得出甘肅省土地生態安全綜合指數(表2)，計算公式如下：

表2 2008年～2017年甘肅省土地生態安全指數

式中，A表示土地生態安全指數，Yij表示第i年第j項指標的標準化值，Wj表示第j項指標的權重.

1.5 土地生態安全評價標準的劃分

為了將定量的評價結果進行定性描述，必須根據該區域的實際情況對土地生態安全態勢進行不同等級的綜合判定.在參考相關學者研究成果的基礎上[14，15]，結合甘肅省實際情況，本文將甘肅省土地生態安全評價標準劃分為5個等級(表3)，2008年～2017年甘肅省土地生態安全等級見表4，土地生態安全狀況見圖1.

表3 甘肅省土地生態安全評價標準與安全等級

表4 2008年～2017年甘肅省土地生態安全等級

圖1 2008年～2017年甘肅省土地生態安全狀況

1.6 土地生態安全動態預測

利用灰色預測方法對2018年～2022年甘肅省土地生態安全狀況進行預測，將2008年～2017年甘肅省土地生態安全綜合指數作為數據源，在Matlab 2016軟件中運行灰色預測GM(1，1)模型程序，對甘肅省未來5a土地生態安全發展趨勢進行預測.

在灰色預測精度檢驗等級標準中，當P>0.95，C<0.35時，即為1級(好)，本研究計算所得的原始數列的還原值與實際值之間的殘差值的方差C=0.199 1，最小誤差概率P=1，故本預測模型效果較好.預測結果顯示2018年～2022年甘肅省土地生態安全呈上升趨勢(圖2).

圖2 2008年～2022年甘肅省土地生態安全變化趨勢

2 結果與分析

2.1 土地生態安全綜合分析及總體特征

通過計算得出2008年～2017年甘肅省土地生態安全指數(表2)，可以看出甘肅省土地生態安全綜合指數介于0.2～0.8之間，土地生態安全水平總體呈上升趨勢，略有小幅波動，綜合指數由研究期內的最低值0.264 7增加到研究期內的最高值0.773 2，土地生態安全整體狀況得到改善和提升，安全等級由較不安全狀態轉變為較安全狀態.

結合表2和圖1可知，2008年～2009年甘肅省土地生態安全綜合指數小幅上升，從0.264 7增加到0.281 9；2009年～2011年，土地生態安全綜合指數上漲較為迅速，增加到了0.444 9，由較不安全狀態轉變為臨界安全狀態.2011年～2013年，綜合指數經歷了先緩增后大增的過程，這是因為人均耕地面積和人均水資源總量達到研究期內的最大值.2014年較2013年而言，土地生態安全綜合指數略有下降，下降幅度僅為0.005 7，主要是由自然保護區面積的減少和工業固廢綜合利用率的降低所引起的.2014年～2017年，甘肅省土地生態安全綜合指數逐年上升，從0.586 7增加到0.773 2，自2015年起至2017年，甘肅省土地生態安全等級處于較安全時期，生態環境得到改善，人地關系較為和諧.主要原因是雖然甘肅省的生態環境基礎較差，水土流失和荒漠化問題突出，但是經過十年的發展，經濟發展水平提高，三次產業的合理布局，節能減排力度的加大，農業機械化水平增加，更重要的是對綠色發展的重視.甘肅省下大力氣植樹造林，進行土地整治與生態恢復，土地生態潛力得到釋放，水土協調度增加.

2.2 土地生態安全壓力指數分析

由表2和圖1可知，2008年～2017年，甘肅省土地生態安全壓力指數呈現波動上升趨勢，經歷了先上升后下降再上升的過程.2008年～2011年，壓力指數從0.120 5增加到0.167 0，只在2009年有小幅下降，下降了0.003 4；2012年，壓力指數出現研究期內最大幅度下降，下降了0.028 7，主要是農業生產上化肥施用量較往年增加明顯，經濟增長穩中有進.2013年～2017年，壓力指數從0.181 3增加到0.233 0，中期增長放緩并出現小幅下降.在整個研究期內，甘肅省城鎮化水平增加14.24 %，人口密度由56.187 人/km2增加到61.665 人/km2，全省經濟密度翻番，節能減排成效顯著，二氧化硫排放量減少約一半.但在農業生產上，化肥和塑料薄膜使用量有所增加，尤其是塑料薄膜使用量增加顯著，研究期末單位耕地面積塑料薄膜施用量為32.021 kg/hm2，比研究期初的19.616 kg/hm2增長了63.24 %.經濟的發展和人口的增加，導致人民對農產品的需求旺盛，農業生產想獲得產量的增長，會增加化肥農藥以及塑料薄膜的使用，但過度使用化肥農藥、塑料薄膜不利于土地生態環境的改良.

2.3 土地生態安全狀態指數分析

由表2和圖1可知，2008年～2017年，甘肅省土地生態安全狀態指數整體呈現先增長后下降再增長的趨勢.2008年～2013年，狀態指數從0.023 6增加到0.300 8，2013年～2015年，狀態指數從0.300 8下降到0.269 6，2015年～2017年，狀態指數回增到了0.346 7.研究期內，甘肅省人均GDP從2005年的12 250元增加到2017年的28 497元，單位面積糧食產量從2005年的191.73 kg/hm2增加到2017年的259.72 kg/hm2.甘肅省深居內陸，大部分地區氣候干燥，干旱、半干旱區占總面積的75 %.降水量不多且相對集中，易引發干旱或暴雨洪澇災害.人口數量的增加，導致相對人均水資源總量的減少，2017年甘肅省平均降水量451.6 mm，為近3年最多.農業基礎設施的改善和機械化水平的提高，降低了農業成災率，提高了農業機耕水平，促進糧食產量的增加.同時，甘肅省加強土地整治與修復，耕地面積從2008年的46 237 km2增加到2017年的53 777 km2，受人口數量和耕地面積變化的影響，人均耕地面積呈現增長—下降—增長的趨勢.

2.4 土地生態安全響應指數分析

由表2和圖1可知，2008年～2017年，甘肅省土地生態安全響應指數較不穩定，中間段漲落起伏較大.2008年～2011年，響應指數從0.120 6增加到0.172 0，2011年～2014年，響應指數從0.172 0下降到0.102 1，2014年～2017年，響應指數從0.102 1增加到0.193 5.隨著社會經濟的發展，甘肅省的基礎設施開發投資增多，因交通建設、礦山開采引發的人為性的水土流失有所增加.研究期內，甘肅省水土流失面積從2008年的154 594.5 km2增加到281 288 km2，水土流失治理速度遠落后于水土流失的速度.2013年～2014年，有關部門對水土流失治理和節能環保支出重視程度不夠，工業固廢綜合利用率也出現明顯下滑，導致響應指數在2014年達到最低水平.2015年～2017年，甘肅省經濟發展水平持續上升，2007年，農村人均可支配收入達到8 076元，造林面積達到3 230.2 km2，水土流失治理強度加大，節能環保支出占GDP的比重有所增加，響應指數回升.

2.5 土地生態安全預測結果分析

灰色預測GM(1，1)模型的預測結果顯示2018年～2022年甘肅省土地生態安全水平呈上升趨勢，土地生態安全等級后期達到安全狀態.土地生態安全水平的不斷提高，將有利于農業生產水平和人居環境的改善，促進甘肅省的社會經濟發展、“一帶一路”建設和生態文明建設，從而形成社會經濟—生態環境互相影響的良性循環.

3 結論與對策

3.1 結論

2008年～2017年，甘肅省土地生態安全壓力指數呈現波動上升趨勢，經歷了先上升后下降再上升的過程，從0.120 5下降到0.181 3后又增加到0.233 0；土地生態安全狀態指數整體上呈上升趨勢，從0.023 6增加到0.346 7，只在2013年～2015年間從0.300 8下降到0.269 6，較增長幅度而言，下降幅度較小.土地生態安全響應指數較不穩定，從2008年的0.120 6增加到2011年的0.172 0，從2011年的0.172 0下降到2014年的0.102 1，又從2014年的0.102 1增加到2017年的0.193 5.

2008年～2017年，甘肅省土地生態安全綜合指數呈上升趨勢，略有小幅波動，從0.264 7增加到0.773 2，安全等級由較不安全狀態轉變為較安全狀態，土地生態安全整體狀況得到改善和提升.甘肅省在本研究期內的土地生態安全綜合指數的增加主要是由狀態指數的增加所引起的，說明近年來甘肅省在經濟發展、園林綠化和農業生產上取得一定成效.結合2018年～2022年甘肅省土地生態安全綜合指數的預測情況來看，2018年土地生態安全等級將達到安全狀態.

3.2 對策

首先，加快對接“一帶一路”建設的同時，提高第三產業比重，推進經濟增長方式轉變.甘肅省應奮力搶占“一帶一路”建設的五個制高點，集中力量培育發展生態產業，發揮財政對節能環保產業的扶持力度，推進供給側結構性改革.改變以往低效、落后的發展方式，向清潔、高效、環保的生產方式轉變.

其次，大力推進鄉村振興，推廣農業生態模式.甘肅省應改變傳統的農業生產方式，科學與平衡施肥，科學合理使用塑料薄膜，加強耕地保護，做到用地養地相結合.同時，大力發展新興綠色產業，培育壯大特色綠色產業.放大比較優勢，打造產業集群.實施農產品加工業提升行動，打造具有甘肅特色的“現代絲路寒旱農業”.

最后，運用3S技術建立土地生態安全預警體系.甘肅省應盡快完成農用地土壤污染狀況詳查，實施土壤污染治理與修復技術應用試點項目.著力解決突出的環境問題，定戰略、出政策、上項目務必堅守生態環保紅線底線，并構建土地生態安全的法律體系及監管體系，廣泛發動人民群眾參與生態文明建設.