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基于熵权TOPSIS法的湖北省土地生态安全评价

作者:未知

  摘要:为了有效地开展土地生态安全评价与演变趋势预测,以湖北省为例,基于PSR指标体系,运用熵权TOPSIS法测算研究區土地生态安全的发展状态,并基于测算结果,运用分数阶GM(1,1)模型对湖北省2017—2019年土地生态安全的演变趋势进行预测分析。结果表明,2000—2016年湖北省土地生态安全总体水平不断提高,经历了较不安全-临界安全-较安全的演变过程,但2016年的较安全水平不高,具有不稳定性。压力子系统总体呈下降趋势,状态与响应子系统保持逐年增加态势。社会经济、生态环境和土地集约利用水平是土地生态安全提升的关键因素;2017—2019年湖北省土地生态安全区水平将保持上升趋势,处于较安全状态。研究证明分数阶GM(1,1)模型具有较高的预测精度,能够较好地预测湖北省土地生态安全综合值。
  关键词:熵权TOPSIS法;分数阶GM(1,1)模型;土地生态安全评价;预测
  中图分类号:F301         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)08-0028-07
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.007           开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  Abstract: The purpose was to effectively evaluate values and predict the trend of land ecological security in Hubei province. Based on the PSR (pressure-state-response) model, the land ecological security assessment index system of Hubei province was built by entropy method and TOPSIS method, and the land ecological security situation of the province were evaluated. Meanwhile, according to the performance evaluation result, comprehensive performance change trend of Hubei province land ecological security in 2017—2019 were predicted and analyzed by using GM(1,1) model with fractional order. The research results showed that the land ecological security comprehensive value in Hubei province was gradually improved from risk stage to critically safe and to safer stage during 2000 to 2016, but the stage of safer was not high in 2016. The pressure index showed a downward trend, while the state and response indexes showed a generally upward trend. Crucial constraints on the improvement of land ecological security included the development of society and economic, the ecological environment and intensive land use. The land ecological security in Hubei province would show a steady upward trend from 2017 to 2019. GM(1,1) model with fractional order had high simulation precision and was able to predict the land ecological security stage.
  Key words: methods of entropy-weight and TOPSIS; GM(1,1) model with fractional order; evaluation of land ecological security; prediction
  土地作为一切人类活动的基石,是一切存在和发展的先决条件,人类社会要实现其自然、经济、社会的可持续发展必须依托健康稳定的土地生态环境。然而,中国城镇化发展进程中由于忽略外部经济性造成的环境污染和生态破坏,出现的土壤污染、土地质量下降、耕地占用、生态价值补偿等问题无不与土地生态安全息息相关。由此可见,土地生态是否安全,将对人类经济、社会、生活等各个方面产生根本性的影响,土地生态安全问题的研究也显得尤为重要。
  近年来,学术界对土地生态安全的研究已由简单的定性描述阶段发展到以各种模型为主的定量评价阶段,在指标体系的构建、权重确定、评价方法的探讨和预测研究上均取得了一定的成果。在指标体系构建上,大致可归纳为2种,一种是FAO(1995)在其《土地质量指标》研究项目中提出的压力-状态-响应(P-S-R)指标体系;另一种是自然-经济-社会(N-E-S)指标体系;也有学者将二者结合起来,以发挥其各自优势[1,2]。在权重确定方面,通常包括静态赋权和动态赋权2类。静态赋权以熵值法、AHP法等运用较为普遍。由于土地生态安全的影响因素多样化,土地生态安全状态随时序变化,因此近年来以物元法、变权思想为代表的动态赋权法[3-6]逐步受到重视。目前多采用指数型变权函数,然而权重调整效果一般,大部分变权后的结果与变权前的结果类似于普遍意义上的向下调整,幅度较为一致,此种变权方法是否有效还有待进一步认证。在评价方法方面,目前较为常用的评价方法是综合指数法,因其计算简单应用最为广泛,但该方法也存在无法识别单指标的生态安全状态水平、遗漏指标间分异信息的缺陷。因此,主成分分析法、模糊综合评价法、物元分析、TOPSIS法、突变基数法、集对分析法等在后续研究中广为运用[7,8],力图解决综合指数评价法的不足。在预测预警方法上,灰色模型法、BP神经网络、RBF神经网络等方法在生态安全领域均有运用[9-15]。虽然有学者采用BP神经网络法对土地生态安全预测取得了一定的成果,但该方法对建模条件要求苛刻,存在模型精度难以控制的缺陷。此后也有学者采用RBF模型对土地生态安全进行预测[16,17],但该模型不适用于研究小样本数据,其预测方法选择的合理性有待商榷。鉴于此,本研究选取湖北省为研究区域进行实证,采用相对成熟的PSR框架构建评价指标体系,运用熵权法计算客观权重,TOPSIS法测度相对贴近度作为湖北省土地生态安全水平的代表值,选取对信息量要求较小、预测精度较高的分数阶GM(1,1)模型预测全省土地生态安全综合指数的动态变化,以期为改善区域土地生态系统状况,优化区域土地利用方式,提高土地生态安全水平提供一定的参考依据。   1  湖北省土地生态安全评价模型
  1.1  研究区域概况
  湖北省地處长江中游,东邻安徽,南界江西、湖南,西连重庆,西北与陕西接壤,北与河南毗邻。东西长约740 km,南北宽约470 km。全省国土总面积18.59万km2,占全国总面积的1.94%。丰富的土地资源、优越的自然条件为全省的经济发展提供了重要的物质基础。近年来在长江经济带建设与中部崛起战略背景的发展契机下,湖北省社会经济得到了迅猛推进与快速发展,2016年全省GDP达到32 297.91亿元,城镇化率由42.6%增至58.1%,人口自然增长率从2000年的0.37%持续增长至2016年的0.51%。然而,随着城镇化进程的不断推进,土地资源开发利用强度加大,使得全省人均耕地面积常年处于0.053~0.055 hm2,接近联合国粮农组织确定的人均耕地0.053 hm2的警戒线,更低于0.059 hm2的全国平均水平,人地矛盾较为突出,土地生态系统安全状况亟待改善。
  1.2  指标体系构建
  参考土地生态安全研究的相关成果[2,12-14],结合湖北省土地利用的实际情况,按照指标选取的科学性、动态性、实用性、可操作性等原则,基于PSR模型构建湖北省土地生态安全综合指标体系(表1)。目标层旨在反映湖北省土地生态安全的总体水平;系统层用于反映压力、状态和响应3个子系统对目标层的影响程度。其中压力子系统表征土地生态安全恶化的不利因素,状态子系统说明土地生态系统在不利因素的影响下所处的状态,响应子系统表征政府保护土地生态安全所施行的可量化的措施以及政策效果。指标层中各项指标的原始数据来源于2001—2017年《湖北统计年鉴》《湖北农村统计年鉴》《中国统计年鉴》和湖北省历年土地利用变更调查数据。为剔除价格变动因素的影响,与GDP相关的指标均采用基期为2000年的不变价格进行现价换算。由于2012、2015年的旱涝保收率数据缺失,为保证数据的完整性,采用5年移动平均法,补充缺失数据。
  1.3  评价方法
  1.3.1  熵权TOPSIS法  TOPSIS法又称双基点法,是系统工程中常用的一种决策方法[18]。其基本原理如下:首先针对指标体系中的每一个评价指标分别确定正理想解与负理想解,作为该评价指标的最优和最劣水平;其次,计算被评价对象与之前所选定的正理想解、负理想解的欧式距离;最后,根据公式计算被评价对象的相对贴近度,以此代表被评价对象相对于理想解的优劣程度。鉴于此,本研究借助该思路分析土地生态安全与理想状态的差距,系统分解土地生态安全问题。具体步骤如下:
  3)确定评估目标的正、负理想解。
  4)计算被评价对象与正、负理想解的欧式距
  1.3.2  分数阶GM(1,1)预测模型  灰色模型具有小样本、贫信息的特点,可通过研究已知的部分信息中有价值的部分,认知未知信息,实现不确定系统的科学预测[19]。GM(1,1)模型作为灰色系统理论最为核心和基础的模型,自创立以来得到了广泛应用。然而,传统GM(1,1)预测模型对高增长序列往往有较大的滞后误差。而分数阶GM(1,1)预测模型能基于新信息优先原理,借助分数阶所蕴含的in between思想,通过选择合适的累加阶数,使高增长序列变平缓,从而提高模型的预测精度[20,21]。分数阶GM(1,1)模型的建模步骤与基础GM(1,1)模型基本一致,两者区别在于灰色生成算子类型,前者为分数阶累加生成算子,后者为一次累加生成算子,模型效果也因灰色生成序列性质不同而存在差异。分数阶GM(1,1)模型的建模步骤如下:
  1)收集原始数据形成非负序列X(0),对原始序列作r阶累加生成处理,得到新序列X(r);
  2)运用OLS估计模型辨识参数和,将新序列的变化趋势用微分方程描述。
  5)精度检验(残差检验、后验差检验)
  较为常用的精度检验为残差检验和后验差检验。残差检验的实质在于了解绝对误差和相对误差的水平和分布。一般给定检验的显著性水平?琢为0.01、0.05、0.10,当相对误差小于?琢时,模型等级为优、良、中、差。后验差检验的实质在于计算方差比与小误差概率,依据方差比C和小误差概率P的具体水平,可参照表2进行判断模型是否通过检验适用于预测。
  1.3.3  评价标准划分  按照等分的原则,参考相关文献分级方法[22],依据安全综合指数将湖北省土地生态安全状态分为5个等级,确定其评价标准如表3所示。
  2  结果与分析
  根据熵值法计算指标权重(表4),调整归一化矩阵得到湖北省土地生态安全评价指标加权决策矩阵,依据TOPSIS法计算各子系统、安全综合值系统的正负理想解及相对贴近度(表5)。
  2.1  土地生态安全综合评价结果
  从表5来看,2000—2016年湖北省土地生态安全状态基本保持不断上升的趋势,d+逐渐变小,逐步趋于正理想解,d-则呈波动性上升趋势,逐渐偏离负理想解,土地生态安全综合值由2000年的0.33上升至2016年的0.62,17年间全省土地生态安全状态经历了较不安全-临界安全-较安全的发展过程。结合图1趋势走向,以2006年为分水岭,将变化过程分为两个阶段:第一阶段(2000—2006年),湖北省土地生态安全水平处于较不安全阶段。土地生态安全综合指数在波动中呈缓慢增长态势。在2006年前,重经济增长、轻环境保护的发展思路导致土地生态系统受到较大的人为干扰和破坏,由于人口基数大,人多地少造成的人地关系紧张、资源紧缺的现状没有得到根本上的重视与改善,人与自然和谐相处的目标短期内难以达成。第二阶段(2007—2016年),湖北省土地生态安全水平开始好转,土地生态安全综合指数呈较快增长态势,从2007年的0.43上升到2016年的0.62,安全等级由较不安全转化为较安全状态,整体较第一阶段有明显增长。主要原因在于经济水平的持续提升,生态环境保护逐步成为社会共识,森林覆盖率的提高和城市绿化率增加,与此同时环保治理的投入加大,改善了生态环境。值得注意的是,虽然近3年(2014—2016年)研究区土地生态安全综合值进入了较安全状态,但土地生态安全属于低层次的较安全状态,存在不稳定性,土地生态问题仍然值得重视。   依据熵权法的基本原理,如果某个指标的权重越大则其在综合评价中所起的作用也越大[16]。由此可通过分析湖北省土地生态安全各项指标的权重来探析影响生态安全状况的主要原因。结合表4可知,响应子系统的权重值增高,说明人类社会经济活动响应能力的增强,有助于改善土地生态安全的水平。压力和状态子系统的权重值相对较低,应成为今后一段时间持续改善与重点关注的方面。从具体指标来看,n1人口自然增长率、n3城镇化水平、n5单位耕地化肥负荷、n11森林覆盖率、n15单位播种耕地粮食产量、n16环保治理投资额、n17农业机械化水平、n18耕地旱涝保收率、n19经济密度、n20人均GDP、n21第三产业占GDP比重、n22工业固体废弃物综合利用量、n23水土流失治理面积等指标的权重值较大,均大于0.03,是影响湖北省土地生态安全水平的主要因素。其中,n1、n3、n16、n19、n20、n21为社会经济因素,n5、n11、n22、n23为环境因素,n15、n17、n18为土地集约利用水平。说明持续提升湖北省土地生态安全水平的等级需要重视以下方面:①控制人口增长、优化人口结构,进一步转变经济发展方式,降低经济增长对土地资源的过度消耗;②重视生态环境的保护,加强对水土流失和水患严重地区的土地综合治理力度,提高处理工业固体废弃物的综合利用率,减轻环境污染对水土资源的侵害;③加快推进农业科技创新,合理施用化肥、农药,加强高标准基本农田建设,提高土地集约利用的能力。
  2.2  子系统土地生态安全水平分析
  土地生态安全综合值仅代表了评价对象的综合效果,图1还反映了研究区内土地生态安全3个子系统17年(2000—2016年)的变化情况,从图1可以发现,研究区土地生态安全系统在压力、状态、响应3个子系统上的表现因发展的侧重不同而表现出差异。
  2.2.1  压力子系统  由表5可知,压力子系统指标与正理想解的欧式距离在不断扩大,与负理想解的欧式距离在不断减小,相对贴近度也在不断降低,说明土地生态系统受到外界带来的压力在不断增加。从图1可以看出,2000—2016年湖北省土地生态安全压力子系统安全指数呈波动下降趋势,压力子系统指数由2000年的0.64下降至2016年的0.33,安全等级从临界安全下降至较不安全,在2007年以前,压力子系统指数在0.6~0.7,呈小幅波动态势,而2007年以后,压力子系统指数开始逐年递减,直到2015年才有略微提升。这表明湖北省土地生态安全压力面临的形势不容乐观,研究期内人类活动对土地生态的干扰强度并未减轻。究其原因:一是人口快速增长。数据显示,湖北省人口自然增长率从2000年的3.7‰持续增长至2016年的5.07‰,人口密度由303.72人/km2增加到316.57人/km2,人口压力增大;二是城镇化的推进加剧了资源需求与供给的矛盾。近年来,湖北省城镇化的发展速度已由研究期初的42.66%升至期末的58.1%,城镇化综合水平的不断攀升也造成了环境污染和生态破坏。如,2000—2016年,单位耕地化肥负荷由0.751 t/hm2增加到1.024 t/hm2,单位土地废水负荷由12 538.2 t/km2增加到16 894.2 t/km2,城市生活垃圾清运量由650.57 t增加到827.13 t,人类活动对土地生态系统的干扰增加,破坏了土地生态系统原有的平衡,给土地生态压力子系统造成了巨大的压力。
  2.2.2  状态子系统  2000—2016年,湖北省土地生态安全状态子系统安全指数整体呈现上升趋势,由2000年的0.27大幅上升至2016年的0.86,安全等级从较不安全上升为安全。相比于压力子系统逐年下降的趋势,状态子系统的警情呈现较好态势的原因主要在于一方面人居环境的不断改善,森林覆盖率和水土协调度不断提高,分别由研究期初的25.98%和63.05%上升至期末的38.4%和68.67%;另一方面在于耕地利用效率的提升,單位耕地粮食产出持续增加所致。状态子系统指数的变动主要分为两个阶段:第一阶段(2000—2006年)为波动下降期。土地生态安全状态子系统的状况不断恶化,于2006年达到最低值,主要由于当年湖北省遭遇50年不遇的大旱,降水量偏少,水资源紧缺所致。第二阶段(2007—2016年)为快速上升期。森林覆盖率持续增加,城市绿化工作力度不断增强,人居环境逐步改善。随着科技投入的增加,土地综合整治力度逐年加大,有效耕地面积得到了增加,单位播种耕地粮食产量稳步提升,由2000年的5.34 t/hm2增加到2016年的6.071 t/hm2,大大提升了土地利用的产出水平,使得状态系统安全指数逐渐上升。
  2.2.3  响应子系统  2000—2015年湖北省土地生态安全响应子系统警情指数波动上升,整体上保持上涨的趋势,由2000年的0.07上升至2014年的0.74,2016年跌至0.65,但仍处于较安全区间内,从整个研究期来看,警情等级从最初不安全逐步好转至较安全区域。结合表4各指标权重分析,压力、状态、响应3系统的权重对土地生态安全综合指数贡献率的比重分别为0.275、0.270、0.445,响应系统对安全值起到了重要作用,说明湖北省在治理和改善土地生态安全方面采取了积极有效的政策与措施。研究期内全省经济持续快速发展,区域经济密度由2000年的190.71万/km2增长到2016年的991.25万/km2,人均GDP同期内也由6 293.41元/人飙升至55 038.4元/人;此外,环保治理的重视程度逐年加强,环保治理投资额2016年已达到262 884万元,较2000年增长了3倍;工业固体废弃物综合利用量由1 514.30万t提升至5 253.00万t,水土流失治理和除涝工作力度也在增强。以上措施的实施都大大提高了研究区土地生态安全的经济效益和集约利用能力,间接缓减了土地的生态压力,提升了湖北省土地资源生态安全的响应能力。   2.3  模型预测结果
  利用表5中所得2000—2016年湖北省土地生态安全综合指数作为原始数据,构建原始序列x(0),在此基础上利用MATLAB软件,采用试错法,通过不断的尝试,确定阶数为1.182,对原始序列的r阶累加生成序列x(r),构造矩阵B与Y。
  运用式(12)确定原始序列的模型拟合值,由此得到2017—2019年的预测值分别为0.663 5、0.706 9和0.750 1,具体变化趋势见图2。由图2可知,土地生态安全系统综合指数预测值与2000—2016年的真实值曲线基本吻合,保持整体水平向好的趋势特征。2017—2018年,湖北省土地生态安全水平逐步好转,自2014年首次达到较安全水平,2015年有所回落后,2017—2019年的3年间,始终处于较安全状态,安全指数维持在0.6~0.8。通过进一步的精度检验发现,分数阶GM(1,1)模型的平均相对误差为0.040 9,模型整体的预测精度达95.91%,说明模型预测精度较高。后验差比检验结果显示,方差比为0.244 0,小误差概率为1,说明模型整体效果为优,因此,阶数为1.182的分数阶GM(1,1)模型效果很好,可运用该模型对湖北省2017—2019年土地生态安全水平进行预测。
  3  小结与讨论
  在分析湖北省土地安全现状的基础上,构建PSR指标体系,运用熵值法计算客观权重,采用TOPSIS法计算相对贴近度作为湖北省土地生态安全水平的代表值,对2000—2016年的土地生态安全子系统与安全综合系统指数进行分析,根据指标权重的贡献,探究土地生态安全系统的主要影响因素。运用分数阶GM(1,1)模型,对2017—2019年的安全系统综合警情指数进行预测,分析湖北省土地生态安全的未来变化趋势。实证结果符合实际情况,也验证了其他专家学者的研究结果[6,22]。证明本研究方法和思路可行,对后续研究有一定的参考价值。
  2000—2016年湖北省土地生态安全水平不断提高,经历了较不安全-临界安全-较安全的演变过程,压力子系统指标与正理想解的欧氏距离在不断扩大,与负理想解的欧氏距离在不断减小,子系统综合值也在不断降低。状态、响应子系统的综合值基本保持增加态势。现阶段土地生态安全状态虽然转好,但属于低层次的较安全等级且存在不稳定性,土地生态问题仍然突出,值得重视。影响湖北省土地生态安全水平的主要因素是社会经济、生态环境和土地集约利用水平,包括人口自然增长率、城镇化水平、单位耕地化肥负荷、森林覆盖率、单位播种耕地粮食产量、农业机械化水平、耕地旱涝保收率、经济密度、人均GDP、第三产业占GDP比重、工业固体废弃物综合利用量、水土流失治理面积等,在今后的土地生态安全建设中需要引起重视。
  全面系统的指标体系和有效的评价方法是土地生态安全评价的基础和保障。受数据可得性和连续性等方面的制约,本研究仅从省域层面对土地生态安全进行了探究,未对地级市层面进行时空格局、微观机制和风险调控等方面深入研究,这是本研究的不足也是今后努力的方向。
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  收稿日期:2018-09-14
  基金项目:教育部人文社会科学青年基金项目(17YJCZH126)
  作者简介:马  艳(1984-),女,湖北武汉人,讲师,博士,主要从事土地生态安全研究,(电话)13026159025(电子信箱)mayan1126@hotmail.com。
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