基于PSR模型的城郊结合带土地利用系统健康评价＊——以武汉市江夏区为例

■ 陈红凤 陈洪祥 李虎 杨成锋

1.自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室 深圳 518040

2.三峡大学水利与环境学院 宜昌 443002

3.中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院 武汉 430074

4.中国科学院生态环境研究中心环境水质学实验室 北京 100085

0 引言

土地利用(Land-Using)是人类对土地自然属性的利用方式和目的意图，是一种动态过程，土地利用变化影响着众多自然条件与生态系统的演变[1-4]。我国土地利用存在诸多问题，例如利用结构不合理、资源供给与经济发展矛盾、生态环境恶化等。自19 世纪80年代以来，我国经济、社会、文化等各方面的快速发展，使我国城镇化水平不断提高，城市圈逐渐扩大，农村圈逐渐缩小[5,6]。这一快速发展对这两大圈的交接区域——城郊结合带的土地利用产生着剧烈影响。城郊结合带作为城市快速发展衍生出的一种新型区域，是城市与农村或是周围郊区的过渡性地带，该区既有城市土地利用特征又有农村的空间环境特征[7,8]。合理利用、开发和规划城郊结合带的土地资源，对城市和农村的协调、可持续发展具有重要作用。

目前，土地利用系统健康评价研究多关注自然生态系统、城市系统这类土地利用结构较简单、脆弱的区域，很少关注城郊结合带区域。例如李少帅等[9]对内蒙古河套灌区生态系统的健康评价研究；金宇宏等[10]以及张悦和宋戈[11]等学者构建了基于“压力-状态-响应”模型(PSR)的城市土地利用系统健康评价体系。城郊结合带的土地利用系统不同于自然生态系统和城市区域，其影响因素更复杂，主要是需要考虑自然资源和人类活动的综合作用对土地利用结构的影响。由于城郊结合带既具有生态结构脆弱、土地利用方式变化快、人类活动剧烈等特点，以及社会功能地位次于城市和农村，导致其土地利用结构变化剧烈，其土地利用系统的健康状况亟待深入了解。

随着经济、社会的快速发展，我国的城市化水平快速提高，城郊结合带作为城市与农村的过渡性地带，其土地利用变化往往是最迅速、矛盾最尖锐[12,13]，因此对城郊结合带的土地进行健康评价，是掌握城市化发展对农用土地资源、环境可持续发展的基本特征、规律的基础，为制定合理的土地利用制度等有重要意义。本文以武汉市的城郊结合带——江夏区为研究区域。江夏区位于武汉城市化发展的边缘地带，在城市化快速发展与保护农业用地的冲突与矛盾下，江夏区的土地利用系统存在着发展经济与保护生态、城市扩张与保护农用耕地等矛盾与问题。本文从土地利用的人地关系角度出发，基于城市土地利用系统健康评价体系的PSR 模型，改建了PSR 评价框架内的指标因子，从时空角度分析了江夏区土地利用系统健康状况差异，探讨了影响城郊结合带土地利用系统健康状况的主要障碍因素。

1 江夏区概况

武汉市地处我国中部，内陆地区的中心城市，且是唯一副省级城市；位于江汉平原东部，长江与汉江交汇处[14]。优越的地理位置，造就了武汉城区的快速发展。然而，经济的迅速增长、人口的急速膨胀，周边农村人口向城市圈的迁移，导致武汉城市圈向周边区域急剧扩散，进而影响了武汉城区边缘地区——城郊结合带土地利用系统结构的健康发展。江夏区位于湖北省武汉市最南端，北与武汉主城区——洪山区相连，南与咸宁市咸安区、嘉鱼县接壤，东临鄂州市、大冶市，西与蔡甸区、汉南区隔江相望。处于东经114°01′至114°35′、北纬29°58′至30°32′之间，南北长83.2 km，东西宽54.17 km，总面积约2018.3 km2。研究区地理位置如图1 所示，本区地处武汉中心城区边缘，城乡兼备，是武汉市的新型城郊结合区。

图1 江夏区地理位置示意图

2 数据来源

土地利用系统健康评价指标数据主要涉及区域人类活动、社会发展水平土地利用结构和生态环境3 个方面，评价指标数据主要来源于武汉市、江夏区统计部门的相关统计资料(2009～2018年)。

3 评价指标与评价框架

PSR 模型，由压力子系统(P)、状态子系统(S)和响应子系统(R)构成，3个子系统相互制约、影响。P反映的是人类活动、社会经济发展对土地利用结构的压力;S反映的是土地利用系统对压力系统的缓冲能力和抗干扰能力，即在人类活动、社会经济发展产生的压力之下，体现的土地集约利用水平与社会经济效益的关系;R 是土地利用管理者、决策者根据土地利用结构面临的压力和土地资源集约利用现状所作出的响应[10,11,15]。PSR 模型是在评价土地利用系统健康发展、土地利用结构可持续性基础上，揭示人类活动和生态环境变化的因果关系[16]。因此根据PSR 模型在城市土地利用系统健康评价中的应用，该模型也可应用于城郊结合带的土地利用系统健康评价中。根据城郊结合带特点，指标因子的选取将根据区域内土地利用结构特征进行调整优化，使PSR 模型适用于人类活动剧烈、生态结构脆弱的城郊结合带区域。但土地利用系统健康评价的内涵不变，即土地利用的3个子系统之间是良性循环、健康发展的，最终形成良好的“作用—反馈—作用”机制[11]。

3.1 评价指标体系

城郊结合带的土地利用系统既具有城市土地利用系统和自然生态土地利用系统特征，又有其本身特性，是一个综合土地利用、人类活动、自然、经济、环境的复合系统。城郊结合带受中心城区扩张的剧烈影响，其土地利用结构快速转换、人-地关系不协调，自然生态系统变得更脆弱、土地结构矛盾激化，其土地利用结构较城市土地利用系统、自然生态土地利用系统更复杂。因此，城郊结合带内土地利用系统健康评价指标因子选取，需要根据区内土地利用结构特征。

本文在构建城郊结合带评价指标体系时，将在遵循土地利用系统一般规律上，结合城郊结合带特有区域特征。江夏区地处武汉最南端，水域发达，水土流失严重、森林覆盖率低，生态环境脆弱。为了客观、全面地评价江夏区土地利用系统的健康状况，本文采用人口压力、经济发展、人均收入等一般规律，结合植被覆盖率、水土协调度等生态环境脆弱特征的方法构建江夏区土地利用系统指标体系。根据上述构建的原则和思路，评价指标体系结构和指标见表1，根据指标对土地利用系统健康的正、负影响，将指标性质定义为正效应和负效应指标。构建的土地利用系统健康评价指标体系用“综合指数”来反映土地利用系统的好坏，“综合指数”反映的是压力、状态和响应指数之间的协调关系[17]。

3.2 指标权重计算

土地利用系统健康评价的关键在于评价指标权重计算的合理性，指标原始数据量纲不一致，各指标之间无可比性，首先需将评价指标的原始数据进行无量纲化计算[11,18]。本文采用功效函数根据指标因子的正、负效应，根据公式(1)和(2)进行无量纲化计算[11]，并统一到[0，1]区间内:

式中，指标无量纲值Ui;指标初值Xi;指标初值的最大值ai(指标上限)；指标初值的最小值bi(指标下限)。

对评价指标因子进行无量纲计算后，采用信息熵值法计算评价指标在体系中的权重，公式(3～5)如下，计算的权重值见表1：

表1 江夏区土地利用系统健康评价指标体系及权重

式中，ej为信息熵，dj熵冗余度，Wj为指标权重；m 为评价年数；n 为指标个数；Uij表示第j项指标下，第i年份指标值的比例。各指标权重应满足0≤Wj≤1，各指标权重之和为1。指标权重越大，表示该指标在土地利用系统中越重要；反之，则重要性越小。对土地利用系统的健康评价，正是对多项指标定量综合评价的过程，指标数值的准确性影响健康评价结果。本研究采用的熵值法是一种客观赋值法，其权重根据指标的变异程度大小确定，客观性较强，不依赖人的主观判断。指标变异程度与信息熵值成反比，权重越大，熵值越小[19-21]。

4 土地利用系统健康综合评价

PSR 模型中“压力—状态—响应”系统内部各子系统之间的相互协调关系反映了土地利用系统的健康程度，是研究区内土地利用的综合呈现，土地利用健康评价体系中每个评价指标都从不同角度呈现了土地利用系统的健康状况。基于二次综合函数在城市土地利用系统健康评价中的成功应用[11,17]，本文将二次综合函数用于城郊结合带土地利用系统的健康指数评定:

式中,P 为城市土地利用系统健康综合水平；w1、w2、w3分别为3 个子系统的权重；ri、rj、rk分别为各个子系统内单项因子的权重；Ui、Uj、Uk为各子系统内单项指标的量化值[11,17]。

5 障碍因素诊断

基于土地利用系统的健康水平，可进一步分析影响土地利用系统健康水平的主要影响因子，对其进行障碍因素诊断[20]。从单项因素对总目标的影响程度Vj(Wi*Wij)、单项指标与土地利用系统健康目标差距(指标偏离度)两个方面计算障碍度[20,21]，计算公式下：

式中，zij表示指标偏离度；bj 表示第i年单项指标对土地利用系统的障碍度，Bj分类指标对土地利用系统总的障碍度，体现的是土地利用系统健康障碍诊断的目标和结果。

6 结果分析

6.1 综合评价结果

根据公式(6、7)，计算出2009～2018年武汉市江夏区土地利用系统P、S、R这3个子系统的评价指数和综合指数值如图2。同时，基于土地利用系统的健康等级[16,17]，根据计算的综合指数值对不同时间段的土地利用系统健康程度进行健康级别评价。由图2 可知，江夏区2009～2018年的土地利用系统健康的综合指数曲线在2009～2014年呈上升趋势，在2014年之后呈下降趋势，表明土地利用系统健康状况是从2014年开始逐渐变差的。2009～2014年，系统综合指数从0.27802 上升到0.45719，平均增长率达10.20%，表明城郊结合带的土地利用系统健康状况有所改善，土地利用结构朝良性发展；而2014～2018年，系统综合指数下降明显，平均减少率为15.54%。各子系统的评价指数变化趋势与综合指数一致，其中压力指数下降趋势明显，由0.21946 下降到0.09053，递减率为26.26%，说明土地利用系统压力导致土地利用系统健康水平降低，人类对土地利用系统的干扰不断加强(负向指标数值越小，生态压力相对越大[22-24])，这与江夏区快速城镇化相关。

图2 2009～2018年武汉江夏区土地利用系统健康评价指数

根据土地利用系统健康分级判断标准[16,17,20]，可判断江夏区土地利用系统健康水平在2014年以前虽有所提升，但总体上仍处于“临界状态”到“不健康状态”之间；2011～2014年，其健康水平逐渐好转为“临界状态”；2014年以后，土地利用系统健康水平又降低为“不健康状态”。以上土地利用健康评价结果与江夏区2009～2018年的经济、社会发展，对土地利用结构造成影响的实际情况相吻合。根据《武汉市土地利用总体规划(2006～2020 和2010～2020)》，在2010年以前武汉市的发展重心在中心城区，更注重中心经济发展和城镇化建设，从而对城郊结合带的影响较小，在此期间内江夏区的土地利用系统受中心城区影响较小；2010年以后，中心城区的快速发展开始向城郊结合带辐射，导致大量工业用地和建设用地增加，进而加剧了土地结构的不合理，因此江夏区的土地利用系统健康状况在2014年以前有所改善，2014年以后开始下降。

6.2 障碍因子分析

根据障碍因素诊断方法[公式(7)]计算的2009、2013和2018年武汉江夏区土地利用系统健康障碍度结果，见表2。2009、2013 和2018年阻碍其健康水平提高的障碍因素主要在P 和S 两个子系统。2009年，障碍度较低的指标因子主要有人口压力、土地利用率、城镇人均可支配收入、森林覆盖率、水土协调度等；2013年是人口压力、GDP 增长率、城镇人均可支配收入、人均耕地面积、固定资产投资增长率、土地垦殖率等；2018年主要是城市化水平、基本农田保护率、人口压力、人均耕地面积、固定资产投资增长率、地垦殖率等。2009～2018年，由于武汉中心城区的快速城镇化发展带动其周边城郊结合带的城镇化进展加快，导致江夏区总人口数量增加、大部分农业人口向非农人口转变、耕地面积减少，这些均加剧了江夏区的人口、耕地不足等压力。此外，基本农田保护率、城镇人均可支配收入、建设用地率、森林覆盖率、水土协调度、环保投资强度等指标障碍度的下降，主要与江夏区的政策响应相关。根据《武汉市江夏区土地利用总体规划（2010-2020年）》，其明确规定到2020年江夏区耕地保有量不低于77825 公顷，基本农田保护面积不低于60845 公顷，建设用地总规模控制在35498 公顷，新增建设用地控制在9845 公顷[25,26]。规划还指出，江夏区要严守生态红线，将加大水土保持力度。基于土地利用总体规划，使得该区基本农田保护率、建设用地率、森林覆盖率、水土协调度等指标的障碍度下降。

表2 2009、2013和2018年武汉江夏区土地利用系统健康障碍度因素排序

在计算单项指标障碍度基础上，进一步计算了分类指标障碍度，结果见图3。由图3 可知，P 系统的障碍度持续上升，而S 系统和R 系统的障碍度持续下降。根据指标障碍度的数值可知，2013年之前S 系统的障碍度最大，其次是P 和R 系统；2013年开始，P 系统的障碍度升至最大，其次是S、R 系统。可见，提高土地利用系统健康水平必须着重于P 和S 系统的改善，同时注重加强R系统的改善。从各分类指标障碍度年变化率来看，2009～2018年P系统的障碍度的增速达到年均15.76%，S和R 系统的障碍度平均变化速率分别是-13.64%和-37.59%。基于此可判断，2009～2018年期间，影响江夏区土地利用系统健康的是压力系统中的指标因子。

图3 2009～2018年各分类指标障碍度

7 结论与讨论

2009年以来，江夏区土地利用系统健康水平总体呈先上升后下降趋势，在2014年时土地利用健康水平达到最高，但其健康等级为“临界状态”。2009～2018年系统压力的指标障碍度以年均15.76%的速度增加，系统状态和响应的障碍度分别以年均13.64%和37.59%的速度下降。根据不同时段评价指标对系统的障碍度分析，影响江夏区土地利用系统健康的主要评价指标有人口压力、城镇人均可支配收入、人均耕地面积、土地垦殖率、森林覆盖率、水土协调度、固定资产投资增长率等。根据以上结果，对于江夏区土地利用系统健康发展意见如下：

(1)提升江夏区土地利用系统健康水平的关键是改善系统压力，其次则是系统状态和响应的综合水平提升。系统压力主要体现在人类活动对土地资源的不合理开发利用，导致人地关系不协调。基于此，江夏区需要进一步转变经济发展方式，优化产业结构，降低经济增长对生态环境的破坏和土地资源的过度消耗；提高耕地、基本农田保护率，降低建筑用地对土地资源的消耗，有效增加土地集约利用度，进而提升土地资源对经济、生态协调发展的保障能力。

(2)根据江夏区土地利用系统健康评价和障碍度分析，系统响应指标对土地利用系统健康发展促进作用较低。土地利用管理者和决策者需要继续增加环境保护投入，加大环境治理力度，提升生活污水、工业废水处理率，降低土地垦殖率，保护水土资源，有效控制水土流失程度，进而持续改善江夏区土地利用系统的健康状况。江夏区水产资源丰富，渔业较发达，渔业对该区水土资源消耗较大，政府需要加大对渔业的管控，保护该区水资源。

(3) 江夏区紧邻武汉光谷高新开发区，其经济发展除传统农林牧渔业外，现代装备制造、互联网、电子、现代物流业等已成为其主导产业。受武汉中心城区影响较大，其生产总值快速发展，带到了城镇人均可支配收入、固定资产投资增长率；同时增加了人口流动，导致人均耕地面积、土地垦殖率等下降；另外现代产业的快速发展，必然导致该区建设用地增加，耕地面积、森林覆盖率等的减少，以及现代产业对社会环境的压力加大。政府管理部分需要在发展社会经济的同时，提前做好土地利用规划，合理分配土地资源，守住耕地红线和基本农田保护率，减少土地资源的过渡消耗对环境、社会产生的负影响。