黃河干流沿線陜西段土地生態安全時空分布特征

張 艷胡征南周浩浩崔國屹李駿南

(1.長安大學 土地工程學院,陜西 西安710000;2.陜西省土地整治重點實驗室,陜西 西安710000)

黨的19屆5中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第14個5年規劃和2035年遠景目標的建議》明確提出,推動黃河流域生態保護和高質量發展。2020年4月,中央領導到陜西省考察時強調,要堅持不懈開展退耕還林還草,推進荒漠化、水土流失綜合治理,推動黃河流域從過度干預、過度利用向自然修復、休養生息轉變,改善流域生態環境質量[1]。國內學者從不同角度、不同尺度和不同方位開展土地生態安全研究,主要包括評價內容、方法、模型以及尺度等方面。在評價內容方面,主要是兩個重點,一些學者[2-4]進行土地生態安全狀況評價及制約因素研究,一些學者[5-7]研究土地利用覆蓋變化與土地生態安全相互耦合關系;在評價方法方面,不同學者有著不同方法,但方法基本大同小異,土地生態安全評價的主要方法有物元模型[8]、TOPSIS評價模型[3]、突變模型[9]、綜合指數法[10]、人工神經網絡法等[11];在評價指標體系構建模型方面,模型比較多且各有利弊,總的來說是社會經濟和自然狀況的結合,主要模型有PSR模型[12]、EES模型[5]、DSR模型[13]、NES模型[14]、PSR-EES結合模型[15]、三角模型[16]、IDRISI模型[17]、DPSIR模型等[18];在研究空間尺度方面,土地生態安全涉及宏觀尺度的全球和國家、中觀尺度的流域和生態系統、微觀尺度的群體和個體;根據我國行政單元進行劃分又可分為區域、省、市、縣、鎮、村6級,具體有區域尺度研究[19-20]、省市尺度研究[12,16-17]、縣級尺度研究[14,21]、鄉級尺度研究[9]。就目前研究來看,基于宏觀研究居多,尤其是以黃河流域縣域尺度研究過少。

黃土高原具有嚴重的水土流失現象,屬于生態脆弱區的典型地區,對黃河干流沿線陜西段土地生態安全時空分布特征研究,找出影響此區域的土地生態安全環境的因子,理清其內部相關作用和耦合機制,可以指導黃河干流沿線陜西段土地資源可持續利用,提高土地生態質量,為維護當地的土地生態環境提供科學依據和技術支持,為保障黃土高原區生態安全提供科學參考,進而為治理和改善提供合理的建議和措施,也可以為其他同類型區域土地生態安全時空分布特征研究提供參考。

1 研究區概況

本研究區為黃河干流沿線陜西段,共包含府谷縣、神木市、佳縣、吳堡縣、綏德縣、清澗縣、延川縣、延長縣、宜川縣、韓城市、合陽縣、大荔縣和潼關縣等13個縣市,2020年共計人口320.18萬人,區域面積29 071.54 km2;地形地貌北部屬于風沙草灘和黃土丘陵溝壑區;中部以黃土高原丘陵溝壑區為主;南部以山塬和平川為主要特征;水域面積484.94 km2;氣溫四季分明,主要有煤炭、石油、天然氣、巖鹽等資源。

2 數據來源

黃河干流沿線陜西段13個縣市的社會經濟、自然狀況資料和行政區劃數據。數據主要來源包括:13個縣市2000—2020年20 a間《統計年鑒》《社會公報》《環境狀況公報》和土地利用現狀調查數據;行政區劃矢量數據、遙感數據和數字高程數據來源于中國科學院數據云平臺。

3 評價方法

3.1 評價指標體系構建

采用DPSIR模型,其中包括“驅動力—壓力—狀態—影響—響應”5個部分,該模型主要用于描述社會環境和自然環境的相互因果關系。在這個過程中通過社會經濟活動所產生的驅動力和壓力因素對自然生態環境會產生一定的影響,并且有反饋的作用。構建土地生態安全評價指標體系是一個相對復雜的系統,根據全面性、科學性、可操作性等原則,充分考

慮影響土地生態安全評價的驅動力、壓力、狀態、影響和響應等方面因素,結合黃河干流沿線陜西段實際情況,最終共確定5個維度方面,18個2級指標。在指標的選取過程中,根據對目標層作用的方向,定義了正向和負向指標屬性[3-4,6,9,15-17],構建土地生態安全評價指標體系,結果詳見表1。

3.2 指標權重的確定

目前,大多數學者采用特爾斐法、模糊聚類分析求均值法、層次分析法和熵值法等方法確定土地生態安全評價的指標權重。本文確定指標的權重選擇了客觀賦值的熵值法[22-23],這種方法很大程度上可以減少主觀因素帶來的偏差。

3.3 改進的TOPSIS評價模型

改進后的TOPSIS法是從系統工程中有限方案多目標決策中進行最佳選擇[24],這個方案就是多個備選方案中的最佳選擇方案[25]。改進的TOPSIS法通過改進評價公式,最后對正、負理想解與評價對象作對比[26]。根據已研究的成果[27-28]和黃河干流沿線陜西段實際情況,利用自然斷點法[29],把貼近度分成4個等級標準,來客觀評價黃河干流沿線陜西段土地生態安全水平的高低,結果詳見表2。

表2 土地生態安全評判標準

3.4 障礙度模型

黃河干流沿線陜西段土地生態安全評價是對該研究區域土地生態安全的現狀水平進行客觀全面的評價,并且從中尋求制約土地生態安全水平發展的障礙度和障礙度因子,進而提出具有針對性的策略來提升土地生態安全的水平,最終可以為政府政策的調整和土地生態的優化提供參考意見和科學遵循。所以,本研究采用障礙度模型[30],為了診斷出來制約黃河干流沿線陜西段土地生態安全水平的因素。

4 結果與分析

4.1 土地生態安全水平綜合評價

黃河干流沿線陜西段土地生態安全綜合評價結果詳見表3。

表3 黃河干流沿線陜西段土地生態安全綜合貼近度評價結果

由表3可以看出,黃河干流沿線陜西段土地生態安全綜合水平不斷上升,且增長幅度不斷擴大。按平均數值來看,2000年0.448 7上升到2020年0.535 3,增加了0.086 6。同時,各縣市生態安全綜合貼近度出現不同程度的增長起伏,但總體上還是呈現上升趨勢。2010年后,除了神木市和宜川縣,清澗縣和延長縣也達到了良好水平狀態,這一時期屬于“十一五”時期(2006—2010年),隨著經濟的發展和政策的實施,清澗縣和延長縣的經濟密度數值分別從2005年的53.22和67.46萬元/km2到2010年的108.13和147.80萬元/km2。到2015年佳縣也從中級水平到達良好水平,這是由于佳縣人均GDP從2010年的1.11萬元/人到2015年的1.73萬元/人,經濟密度從2010年的111.98萬元/km2到2015年的169.67萬元/km2。值得一提的是神木市自2000年以來一直是處于良好水平,2015年土地生態安全水平綜合貼近度為0.465 8降為了中級水平,究其變化原因,由于城市不斷擴張,現代化步伐不斷加快,導致人均建設用地面積不斷增加由原來的513.70 m2/人改變為582.53 m2/人,人均水資源占有量不斷減少由原來的330.93 m2/人減少至245.30 m2/人。到了2020年,除了韓城市、合陽縣、大荔縣和潼關縣處于中級水平,其余9個市縣均達到良好水平。其中韓城市和合陽縣生態安全綜合貼近度已經超過0.488,相當接近于良好水平。但由于黃河干流沿線自然經濟稟賦薄弱和社會經濟條件基礎不均衡,雖然在研究期間整體由中級水平到良好水平,并且持續向更加安全的水平發展,但是現在還達不到優質水平,所以對于土地生態安全的保護仍然需要進一步加大力度,投入更多的人力物力,實施更加可行的政策和監督,經濟的發展是一時的階段,需要顧及生態的保護,需要大力發展環保經濟,走可持續發展道路。

由圖1可知,土地生態安全水平不斷提升,不斷向好發展,中部和北部發展較好,且有繼續發展的趨勢,渭南市4縣市雖處于土地生態安全中級水平,但其分值已相當接近良好水平?？梢钥闯?土地生態安全水平由延安市南部和榆林市中北部良好水平向延安市北部和榆林市南部發展,呈兩邊向中間合并持續向好之狀。

圖1 黃河干流沿線陜西段土地生態安全綜合等級區域分布

4.2 土地生態安全水平單項評價

4.2.1 土地生態安全驅動力水平評價 由圖2可知,

圖2 黃河干流沿線陜西段土地生態安全驅動力貼近度時空演化

土地生態安全驅動力貼近度的變化呈微弱M形變化趨勢,總體是向上有起伏,但這一時期一直處于中級水平,達到良好水平有很大的提升空間。2010年,只有佳縣一處達到了驅動力良好水平,其余各縣均有起伏波動,整體呈下降趨勢,但總體水平仍處于中級水平。究其原因,由于社會經濟的發展,城市化水平不斷增加,城市化率的不斷推進,經濟的發展也促使著人口的增長,這些因素對土地生態安全驅動力貼近度產生負增長,因此土地生態安全驅動力水平有所下降。到2015年達到了最低水平,其中綏德縣降至到0.270 1,最主要原因在于人口自然增長率由2010年的2.11‰變成了2015年的9.54‰。2020年又重新恢復到了良好,府谷縣更是達到了最高值0.576 9,整體數值也比2000年高出了0.016 1,這與當時的城市轉型,城鎮有序擴張的政策和打贏藍天碧水凈土保衛戰戰略是分不開的。

4.2.2 土地生態安全壓力水平評價 由圖3可知,土地生態安全壓力貼近度變化呈波浪式上升弱W形變化,總體是向上趨勢。2005年整體水平是稍微下降,其中合陽縣下降至0.297 8,大荔縣更是下降到0.066 6,均由中級變成了低級水平這是由于化肥施用量過大。2015年大荔縣再次分數回到了0.274 7,由中級變成了低級水平,這表明種植天然無公害的作物和適度施用化肥的做法要持之以恒,減少對土壤和環境的危害才能使土地生態安全系數得以提高。2020年重新恢復到了良好水平,佳縣更是達到了最高值0.970 3,這也使得佳縣成為唯一土地生態安全壓力水平達到了優質的縣市。

圖3 黃河干流沿線陜西段土地生態安全壓力貼近度時空演化

4.2.3 土地生態安全狀態水平評價 由圖4可知,土地生態安全狀態貼近度變化呈緩慢式下降弱V形,總體是減少趨勢。2010年延川縣從0.504 5下降至0.487 0,由良好下降成了中級水平,究其原因,人均耕地面積從2005年0.468 hm2/人減少到2010年0.424 hm2/人,這也可以看出人均耕地面積對土地生態安全狀態水平影響是不可忽視的,細微的減少就可以改變其等級水平。2015年達到了歷史最低值,這是綜合影響的結果,除了人均耕地面積有所減少,再者就是人均建設面積的增加,隨著經濟的發展,土地固有性質在利益驅使下改變了原來的用途,這也說明了防止耕地非糧化和禁止城市大面積擴張任重道遠。2020年較2015年有所上升,整體屬于中級偏上,但仍需不斷提升和改進,應該更加重視耕地面積的保護和建設用地面積的減少,只有這樣才能使得土地生態安全狀態水平再上一個等級。

圖4 黃河干流沿線陜西段土地生態安全狀態貼近度時空演化

4.2.4 土地生態安全影響水平評價 由圖5可知,土地生態安全影響貼近度變化呈波浪式上升弱N形變化,總體是向上趨勢。2000年吳堡縣、延川縣、韓城市和潼關縣處于0.300 0以下,其余的9個縣市低于0.500 0,整體而言處于中級偏下水平。到2020年宜川縣達到了最高值0.636 8,人均生態用地面積的增加對土地生態安全的影響是不言而喻的,這也是土地生態安全影響水平不斷提高的主要因素。神木市、佳縣、綏德縣、清澗縣、延長縣和合陽縣均由中級上升成為良好水平,這些縣市的變化幅度很明顯。整體水平從中級偏下上升到良好偏下,雖說仍舊處于土地生態安全影響良好水平不高,但已經有逐漸上升發展向好的趨勢。

圖5 黃河干流沿線陜西段土地生態安全影響貼近度時空演化

4.2.5 土地生態安全響應水平評價 由圖6可以看出,土地生態安全響應貼近度變化呈不斷向上遞進式變化,總體是上升趨勢,由中級到良好水平不斷向好發展。

圖6 黃河干流沿線陜西段土地生態安全響應貼近度時空演化

2010年神木市達到了0.804 9,從良好升至為優質,究其原因,神木市的固定資產投資從2005年的58.31億元增加到了2010年的310.26億元。到2015年,神木市從優質水平下降為中級水平,這個波動幅度很大,下降了0.393 0,因為固定資產投資和污水處理率有所下降,這也從側面說明了正確的利民措施需要貫徹到底,不可朝令夕改,只有不斷地投入人力物力財力,真正地做到了保護環境和維護土地質量,才能使得土地生態安全響應水平達到良好甚至優質。2020年各縣市也達到了歷史最高值,神木市達到了1.000,其他12個縣市也均到達了良好水平。相信隨著固定資產投資的增加和生活垃圾無害處理率的提高,土地生態安全響應水平將會整體達到優質水平。

4.3 土地生態安全子系統等級分布

由圖7—11可知,土地生態安全驅動力水平,由榆林市南部向北部發展,由渭南市中部向北部發展,黃河干流沿線陜西段中部即延安市區域由于自然環境和社會歷史因素的影響,一直處于土地生態安全驅動力中級水平。壓力水平北部和中部比較穩定,一直處于良好到優質水平這個階段,南部稍微有點落后,甚至一度降至為低級水平,但最終還是可以整體達到良好水平。狀態水平南部一直處于中級水平,中部處于良好水平,這兩個區域比較穩定;北部極不穩定,由最初的良好變成中級最終變成低級水平,經歷3個等級,且不斷下降。影響水平北部比較穩定,一直處于中級到良好水平這個階段;中部3個等級都有存在,相對不均衡,最終趨于良好水平;南部稍微有點落后,甚至一度降至為低級水平,總體上是向趨好發展,最終整體完成了由中級水平到良好水平的轉變。響應水平是上向趨好發展,并且是由南部向北部遞進式發展,后期北部發展較迅速,最終整體完成了由中級水平到良好水平的轉變,并保持著繼續向優質水平發展的持續內在動力。

圖7 黃河干流沿線陜西段土地生態安全子驅動力等級區域分布

圖8 黃河干流沿線陜西段土地生態安全壓力等級區域分布

圖9 黃河干流沿線陜西段土地生態安全狀態等級區域分布

圖10 黃河干流沿線陜西段土地生態安全影響等級區域分布

4.4 障礙度分析

在上文黃河干流沿線陜西段土地生態安全評價的基礎上,分別就準則層指標和指標層指標其主要障礙因子進行診斷。

4.4.1 準則層障礙因子診斷 從表4可知,土地生態安全各準則層指標障礙度呈現不同的變化趨勢?？傮w來說,驅動力和狀態的障礙度變化呈現的趨勢是不斷上升,壓力和影響的障礙度變化趨勢在波動中下降,響應的障礙度變化呈現的趨勢是不斷下降。從數值來看,2015年之前,影響障礙度最大,驅動力障礙度緊跟其后,狀態障礙度次之,最后兩位是響應障礙度和壓力障礙度。2015年,狀態障礙度成了首位,影響障礙度升至為第二,驅動力障礙度緊隨其后,壓力障礙度和響應障礙度排在最后。到2020年障礙度從大到小依次是:狀態、驅動力、影響、壓力和響應,障礙度數值分別為29.75%,27.25%,23.64%,10.89%,8.47%。從年變化率來看,2000—2020年,驅動力和狀態的障礙度分別從23.44%和21.84%,上升到了27.25%和29.75%,以年均5.81%和6.81%的速度增加;影響和響應障礙度分別從28.99%和15.16%,下降到了23.64%和8.47%,以年均26.74%和33.43%的速度下降;壓力障礙度先增加后減少,總體處于增加狀態,從10.58%到10.89%,以年均5.51%的速度增加。從平均障礙度來看,2000—2020年,驅動力、壓力、狀態、影響和響應的障礙度的平均指數,分別為24.99%,11.40%,24.93%,26.50%和12.19%。由此可知,影響黃河干流沿線陜西段土地生態安全的準則層障礙依次是影響、驅動力、狀態、響應和壓力?？偟膩砜?從影響子系統到狀態和驅動力子系統轉移,這符合城市發展的客觀因素。由于國家層面大力提倡綠色環保理念和人們自身對生態環境問題的警覺,促使政府不斷通過行政立法和積極引導,對土地生態環境治理力度和投入資金在不斷加大,促進了土地生態安全的良性發展。但是,經濟不斷發展出現了城市化率不斷增大,人口密度的增大導致人均耕地減少和建設用地面積增加等問題日益突出。因此,黃河干流沿線陜西段土地生態安全水平想要有所提高,必須解決狀態子系統中突出的問題,還要考慮驅動力子系統制約性比較大的方面如何協調。緩解部分土地的壓力,通過產業轉型升級減少生活污水和垃圾的排放,在經濟發展的同時也要兼顧土地的生態安全,可以通過合理布局城市建設用地來緩解對土地造成的影響,適度控制人均建設用地的面積,通過多植樹多種草來提高森林覆蓋率。由于黃河干流沿線陜西段自然條件的約束,土地生態安全水平的提高不是一時可以改變的,需要久久為功,還有很長的發展道路要走,一定要堅持綠色發展,不搞大開發,注重水土涵養功能,走可持續發展是黃河干流沿線陜西段必然選擇。

表4 影響黃河干流沿線陜西段土地生態安全的準則層指標障礙度

4.4.2 指標層障礙度因子診斷 2000—2020年黃河干流沿岸陜西段13個縣市土地生態安全的指標障礙度,因為指標層因子太多,本文根據其障礙度大小,列舉影響較大前5位的因子,以此對黃河干流沿線陜西段各縣市指標因子障礙度進行診斷。從表5可知,主要因子障礙度大小不一,各有側重。2000年驅動力、狀態和影響方面的障礙度因子排序前5位。其中,神木市、吳堡縣、清澗縣、延川縣、延長縣、宜川縣和大荔縣的農民人均純收入因子障礙度最大,排序障礙度因子第一位,宜川縣更是高達12.54%。府谷縣、佳縣和合陽縣的森林覆蓋率因子障礙度最大,排序障礙度因子首位,府谷縣達到10.73%。韓城市和潼關縣的人均耕地面積因子障礙度最大,排序障礙度因子第一位;綏德縣則是人均水資源占有量因子障礙度最大。農民人均純收入因子障礙度在7個縣市均排首位,說明了農民人均純收入已經成為了影響黃河干流沿線陜西段土地生態安全的最大的阻礙和因素,亟須提高農民人均純收入,以此來提高整體的土地生態安全水平。在排序前5位障礙度因子中,主要是影響系統里的農民人均純收入和糧食總產量;狀態系統里的森林覆蓋率、人均耕地面積和人均水資源占有量;驅動力系統的人均GDP和經濟密度。這一時期沒有出現壓力系統和響應系統的因子,說明了壓力和響應方面對黃河干流沿岸陜西段土地生態安全具有一定的貢獻,側面可以看出了在這兩方面此地區做法得當,對整個土地生態安全具有積極作用。與2000年相比,2020年的時候農民人均純收入因子已經退出了前5位,表明了該階段針對農民人均純收入已經有了明顯提高,此因子不再是主要影響土地生態安全水平的因素。值得一提的是,壓力系統里的人均糧食產量首次出現在前5位主要障礙度因子里,雖僅宜川縣的障礙度9.78%,但已經說明了一定的問題,表明在人口不斷增加和耕地不斷減少的情況下,耕地面積和質量須進一步提高。除此之外,排前5位還出現了新的障礙度因子分別是城市化水平、人均建設用地面積、人均生態用地面積和第二產業比重。這說明了隨著經濟不斷發展,由原來的單一的制約因素變成了多元化的障礙制約了,其中突出就是城鎮化的水平與土地生態保護的矛盾,這是城市的通病,也是黃河干流沿線陜西段個別縣市的特性。神木市人均建設用地面積從2000的50.22 m2/人增加到2020年582.53 m2/人,這在一定程度上顯示出人均建設用地面積配置極不合理,嚴重超過了《城鄉用地分類與規劃建設用地標準GB50137(修訂)(征求意見稿)》中不得超過300 m2/人的要求。為了轉變障礙度因子的制約,需要合理改變建設用地面積,減少過度擴張和政策控制勢在必行。神木市的第二產業比重從2000年的58.12%增大到了2020年的60.54%,增加的幅度不大,但已然成為了障礙度的主要因子,這也說明在發展經濟的同時,應注重土地生態安全的保護,加強城市的生態環?？沙掷m發展是將來必須走的道路。

表5 黃河干流沿岸陜西段土地生態安全主要障礙因子

5 結論及對策

5.1 結論

(1)黃河干流沿線陜西段土地生態安全綜合水平不斷上升,且增長幅度不斷擴大。研究期間土地生態安全綜合水平經過了兩個水平過程,分別是中級階段和良好階段。

(2)土地生態安全驅動力貼近度的變化呈向上微弱M形趨勢;壓力貼近度變化呈波浪式上升弱W形趨勢;狀態貼近度變化呈緩慢式下降弱V形趨勢;影響貼近度變化呈波浪式上升弱N形趨勢;響應貼近度變化呈不斷向上遞進式變化趨勢。

(3)土地生態安全驅動力等級分布由南北部向中部發展;響應和壓力等級分布由北部向中南部發展;影響和狀態等級分布中部向南北部發展。

(4)準則層障礙度變化,驅動力和狀態的趨勢是持續上升,響應的趨勢是不斷下降,壓力和影響呈現出波浪式下降的走勢?？偟膩砜?準則層障礙因子從影響子系統到狀態和驅動力子系統轉移,這符合城市發展的客觀因素。

(5)就指標層障礙度變化來說,黃河干流沿線各縣市主要因子障礙度大小不一,各有側重。2000年驅動力、狀態和影響方面的障礙度因子排序前5位。到2020年,黃河干流沿線陜西段各縣市主要因子排序發生了顯著的變化,壓力系統的障礙度因子進入了前5的序列。

5.2 對策

(1)貫徹落實黃河流域高質量發展和生態保護戰略,始終堅持綠水青山就是金山銀山的理念,堅持系統治理的原則,牢固山水林田湖草沙綜合治理的思維,加強沙化土地植被修復和天然林保護等工程建設。

(2)找準黃河干流沿線區域定位,堅持分類指導、因地制宜的原則,制定土地利用規劃及相關的政策。依據《陜西省國土空間生態修復規劃(2021—2035年)》和陜西省“十四五”土地利用規劃,嚴格落實耕地保護制度,提高土地節約、集約利用水平,改善重點流域河湖濕地水生態,保障水資源安全。

(3)注重綠色經濟發展,要注重深入挖掘黃河干流沿線陜西段各縣市間更為精細的差異化綠色發展潛能,尤其在資源型產業、重化工業這類傳統優勢產業中加快綠色轉型。在做好傳統產業綠色轉型的基礎上,還要注重培育綠色發展新動能,放大綠色發展優勢。

(4)資源優化配置,各縣市要根據城市總體規劃,進一步細化所轄各類功能區的保護和發展路徑;要充分利用自有資源和流域資源兩種資源建設資源節約型、環境友好型社會,創造更多生態福利績效,杜絕盲目擴張和無序開發,推動實現可持續發展。

(5)多管齊下,獎罰同行。加大多方聯動,明晰各類主體的權利責任,落實多級協同推進;增強對生態環境治理的重視程度;落實河湖長制度,建立健全河流管理體系,加強流域內水生態環境保護修復聯合防治和執法;完善土地生態安全監督監管體系。