基于物元分析的瑞丽市土地生态安全评价及障碍因素诊断

梁 睿，黄义忠，牟禹恒，魏成国

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650500)

【研究意义】生态文明建设是推动经济社会高质量发展的必然要求，土地生态安全是生态文明建设的重要基石，对维持生态环境稳定性具有举足轻重的作用。土地生态安全是指在一定的时间范围内，区域能够维持其土地生态安全系统稳定的状态[1]，从而为人类及自然环境提供可持续的生态服务，实现各系统协调发展[2]。目前，经济、环境与人口对土地的压力逐渐增大，资源需求量逐渐增加[3]，对土地生态安全造成严重威胁[4]，成为相关研究领域重点关注的问题。【前人研究进展】国外学者主要围绕生态健康评价与生态工程[5]、土地粮食安全[6]、生态系统服务价值[7]、生态风险评价[8]等展开。中国土地生态安全研究起步较晚，始于20世纪80年代，较多是的是评价、方法及模型等方面的内容。从评价内容来看，土地环境健康效应评价[9]、土地生态预警[10]、土地生态脆弱性评价[11]等研究较多；从评价模型来看，PSR模型[12]、EES模型[2]、DPSIR模型[13]、DPSIRM模型[14]等得到广泛应用；从评价方法来看，理想点法[15]、BF神经网络法[16]、生态足迹法[17]、生态系统服务价值法[18]等运用较多。研究表明，物元分析法克服了由于人为因素对分析、评价和预测结果的干扰[19]，同时能够区分各指标的信息，准确反映土地生态因子与结果的隶属度，从而定量评价具有多个特征的待评单元[20]。【本研究切入点】瑞丽市作为云南沿边贸易区，拥有得天独厚的气候条件及经济优势。【拟解决的关键问题】本研究以生态视角建立DPSIR模型，综合选取18项指标构建评价指标体系，为避免主观因素的偏差，在熵权法的基础上运用物元模型对瑞丽市2010—2017年土地生态安全进行定量研究，结合障碍度模型对主要影响因素进行分析，为建设生态小镇提供科学依据，对强化国家边境生态安全具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

瑞丽市位于云南省西部、德宏州西南部，与缅甸国家级口岸城市木姐毗邻，辖3乡3镇(图1)，国土面积944.75 km2。截止2019年，瑞丽市总人口达到22.69万人，人口密度240人/km2，人均GDP为6.57万元，人均耕地面积0.06 hm2。地势东南偏低，西北偏高。南亚热带季风性气候使得瑞丽市全年分旱雨两季，全年基本无霜，年平均气温为21 ℃，年平均日照达2330 h，年平均降水量达1394.8 mm。

图1 研究区区位图

1.2 数据来源

本文研究数据主要来源于《瑞丽统计年鉴》(2010—2017年)，《中国县域统计年鉴》(2010—2017年)，瑞丽市相关国民经济和社会发展统计公报，2010—2017年土地利用现状数据。

1.3 研究方法

1.3.1 土地生态安全评价指标体系建立 根据瑞丽市自然条件和经济发展情况，借鉴国内相关研究成果[4,21]，从驱动力(Driving forces)、压力(Pressure)、状态(State)、影响(Impact)、响应(Responses)5个方面选取18项评价指标构建土地生态安全评价指标体系[21]，见表1。

表1 瑞丽市土地生态安全评价指标体系

1.3.2 土地生态安全评价物元模型 20世纪80年代，中国学者蔡文教授[22]首创物元模型，以研究促进事物转化，用数学方法有效解决多因子间不相容的问题。本文包含计算指标较多，单独指标评价结果具有不相容性[2]，鉴于物元模型可以准确解决多指标间不相容的问题，反映事物的实际情况，基于物元变换理论构建瑞丽市土地生态安全评价物元模型。

(1)土地生态安全物元。土地生态安全物元模型R由土地生态安全N、特征向量c和特征量值u构成，N包含n个特征，表示为c1，c2，…，cn，对应的量值表示为u1,u2,…，un，则R可以表示为：

(1)

(2)经典域和节域。构建土地生态安全经典域物元矩阵：

(2)

式中，Roj表示经典域物元；Noj表示土地生态安全的第j个评价等级，j=1,2，…，n；ci表示第i个评价指标；(aoji,boji)表示对应评价等级j的量值范围，即经典域。

构建土地生态安全节域物元矩阵：

(3)

式中，表示节域Rp物元；Upi=(api,bpi)表示节域物元关于ci的取值范围；Np表示全体评价等级。

本文将土地生态安全划分为理想安全(I级)、较安全(II级)、临界安全(III级)、较不安全(IV级)、不安全(V级)5个等级。根据云南省平均水平、国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》标准值、研究区土地相关标准等，参照有关研究[23]确定瑞丽市土地生态安全评价经典域和节域取值范围(表2)。

表2 土地生态安全评价指标经典域和节域的取值范围

(3)待评物元。设RX为待评对象NX的物元，则：

(4)

(4)关联函数及关联度。土地生态安全指标关联函数H(X)的定义为：

(5)

式中，G(X,X0)表示点X至有限区间X0的距离；G(X,X0)表示点X至有限区间Xp的距离；|X0|=|b0-a0|；X、X0、Xp分别为待评物元量值、经典域物元量值范围和节域物元量值范围。

(5)综合关联度及评价等级。待评事物NX对于等级j的综合关联度Hj(NX)为：

(6)

式中，Hj(NX)为待评事物NX关于等级j的综合关联度；hj(Xi)为待评事物NX关于等级j的单指标关联度(1,2，…，n)；wi为第i个评价指标的权重。

关联度h(X)表示的是待评事物达到某一标准的程度。当h(X)≥0时，表示待评事物符合标准，结果越大于0越符合；当-1.0≤h(X)<0 时，表示待评事物不符合标准，但具备向理想标准转化的条件，且数值越接近0越容易转化；当h(X)<-1.0 时，表示待评事物2个条件都不符合。

1.3.3 障碍因子诊断 在研究区域土地生态安全物元分析评价结果的基础上，尝试引入障碍度模型对影响土地生态安全的障碍因子进行诊断，厘清其主要障碍因子，以便进一步进行病理诊断。引入因子贡献度wi(单因素对总目标的权重)、指标偏离度Ti(单因素与土地生态安全目标之间的差距，即单项指标标准化值与100%之差)、障碍度Oi3个指标进行障碍因子诊断。

Ti= 1-xi j

(7)

(8)

2 结果与分析

2.1 瑞丽市土地生态安全状况分析

以瑞丽市2010—2017年指标数据为基础，利用min-max标准化对数据进行标准化处理，熵权法计算各指标权重，结果见表3。将瑞丽市各评价指标数据及权重输入公式(5)和(6)，计算得到土地生态安全评价指标关联度及综合关联度。以2010年D1人均GDP(元/人)为例，将D1=19514输入公式计算得到D1对应的各评价等级关联度：H1(D1)=-0.0492，H2(D1)=-0.0469，H3(D1) =-0.0399，H4(D1)=-0.0275，H5(D1)=0.0275，依据关联度最大值确定指标土地生态安全为Ⅴ级，即“不安全”水平，同样方法计算其他指标相关数值(表4)。将2010年各指标的各评价等级关联度输入对应公式，计算得到各评价等级综合关联度分别为H1(N2010)=-0.2779，H2(N2010)=-0.1871，H3(N2010)=-0.3244，H4(N2010)=-0.3657，H5(N2010)=-0.3554，K值均为负值，可判定2010年瑞丽市土地生态安全等级为Ⅱ级，即属于“向较安全转化”，同理可得瑞丽市2010—2017年土地生态安全级别。

表3 瑞丽市土地生态安全评价指标权重

表4 瑞丽市2010—2017年土地生态安全评价指标关联度

由表5可知，瑞丽市2010—2017年土地生态安全水平在“向较安全转化”和“向理想安全转化”2个等级间波动，总体上土地生态安全等级在提升，且级别较高，但综合关联度均为负值，说明瑞丽市土地生态安全评价不符合标准要求，稳定性较差。针对瑞丽市维持边境生态安全和建设生态智慧小镇的需求，土地生态安全级别应整体符合Ⅰ级标准并保持稳定。

表5 瑞丽市2010—2017年土地生态安全综合关联度

2010—2013年瑞丽市土地生态安全等级略有波动，除了2012年为“向理想安全转化”等级，其余均为“向较安全转化”等级。虽然0>H1(N2012)>H2(N2012)，但数值差距较小，说明土地生态安全级别不够稳定，有跌回“向较安全转化”水平的可能；自2013年后，土地生态安全级别向Ⅰ级发展的趋势才趋于稳定，4年的土地生态安全等级均为“向理想安全转化”，虽然H1(NX)>H2(NX)，且差距不大，但均为负值，说明2014—2017年瑞丽市土地生态安全级别即使处于Ⅰ级，也不完全符合Ⅰ级的标准，具备转化为Ⅱ级的条件，“向理想安全转化”水平不稳定。

2.2 各子系统土地生态安全状况分析

从子系统(DPSIR)分异信息(表6)来看，2010—2017年瑞丽市土地生态安全除了状态系统和影响系统没有变化外，其他子系统生态安全均出现不同等级的变化。

表6 瑞丽市2010—2017年土地生态安全各子系统关联度

驱动力系统方面，其2010—2011年安全等级为Ⅱ级，2012年安全级别降至Ⅳ级并延续至2017年，关联度值均为负值，说明驱动力生态安全系统不稳定，虽然人均GDP逐年增长，但依然徘徊在“较不安全”水平，而城镇化水平由Ⅳ级降至Ⅴ级，成为影响土地生态安全驱动力系统的主要因素。

压力系统方面，2010—2014年安全等级为Ⅴ级，2015—2017年上升至Ⅳ级，说明经济社会发展使土地压力得到缓解。虽然人口密度一直保持“较安全”水平，但地均GDP和单位耕地粮食产量安全等级一直处于“临界安全”水平以下。近年来瑞丽市社会经济向好对建设用地、粮食产量及耕地质量带来一定压力，在对经济做“加法”的同时应注重土地生态的“减法”。

状态系统方面，其8年间安全等级均为Ⅰ级，综合关联度值为负值，表明瑞丽市状态安全系统处于“向理想安全转化”水平。其中，人均建设用地面积安全等级为Ⅴ级，其余指标安全等级均保持在Ⅲ级及以上，说明提高建设用地集约度、补充耕地面积等方面对提升土地生态安全有重要意义。

影响系统方面，其8年间安全等级均为Ⅰ级，综合关联度值由负值转为正值，说明瑞丽市影响安全系统由“向理想安全转化”水平转为“理想安全”水平，并趋于稳定。从单指标来看，人均生态用地面积和森林覆盖率保持在“理想安全”水平，农民人均可支配收入随着经济社会的发展也由“较不安全”水平转为“理想安全”水平。

响应系统方面，其安全等级由Ⅱ级变为Ⅰ级，由“向较安全转化”水平转为“向理想安全转化”水平。其中，除了城市污水处理率一直在Ⅲ级水平附近徘徊外，其余指标都在Ⅲ级及以上，说明人们的环保意识、政府和环境部门的管理效能是推动土地生态安全水平好转的重要因素。

2.3 障碍因子分析

在前述评价结果的基础上，根据障碍度模型，即公式(5)和(6)，计算得到瑞丽市2010—2017年土地生态安全指标障碍度，结果见表7。

表7 瑞丽市2010—2017年土地生态安全主要障碍因子

2010—2012年，障碍度最大的因子分别为地均GDP(P2)和耕地面积占比(S3)，障碍度第二的因子包含人均GDP(D1)和地均GDP(P2)，反映了当地经济活力低，结合表4指标关联度计算结果，D1和P2的指标关联度均为Ⅴ级，说明经济发展缓慢是当时限制瑞丽市土地生态安全提升的主要因素之一。S3在2011年障碍度排第1，在2012年排第5，之后并退出主要障碍因子，而其指标关联度在研究期间均保持在Ⅰ级，表明在耕地数量处于理想安全状态时，耕地质量成为影响土地生态安全的重要因素。

2013—2017年，障碍度最大的因子均为人均建设用地面积(S4)，根据中国《城市用地分类与规划建设用地面积标准》(GBJ 1337—90)，人均建设用地面积应在60～120 m2/人，根据瑞丽市生态小镇建设标准，人均建设用地面积应控制在110 m2/人以内，而研究期间瑞丽市S4均在150 m2/人以上，严重超过国标上限，且逐年增加，处于“不安全”水平，急需进行建设用地整理，提高建设用地集约利用度。障碍度排第2位和第3位的因子在5年间各不相同，这表明阻碍土地生态安全提升的主要因素不仅是经济投入及产出、耕地面积和人均建设用地面积，还包含了耕地质量、产业发展、生态用地、污染防治等多方面因素，需从主要障碍因子入手以提高瑞丽市土地生态安全水平。

3 讨 论

随着中国与周边国家政治、经济合作的加强，边境地区的小城镇将逐渐成为边疆边境区域最活跃的经济中心[24]，人口与经济的发展对土地造成压力，土地生态安全已成为边境口岸城镇生态安全的核心问题[25]。瑞丽市作为中国面向南亚、东南亚开放的重要前沿和窗口之一，拥有开放前沿的区位优势，随着自贸试验区发展带来的人口涌入和经济增长，土地生态安全会愈发受到威胁。2010—2017年瑞丽市土地生态安全水平由“向较安全转化”至“向理想安全转化”等级提升，但综合关联度值一直为负，稳定性较差。因此，瑞丽市在发展旅游经济和产业经济的同时，应尽量改善经济结构，转变自身的生活方式，避免为了经济增长造成对生态环境的恶意破坏，减轻对土地的压力；此外，还需对土地资源配置进行优化，提高建设用地集约度，保护并适量增加生态用地来有效缓和人地矛盾，实现瑞丽市各类用地的统筹优化布局，以促进土地生态安全的稳定发展。

柳江等[25]从陆疆跨境资源与环境问题方面探讨跨境生态安全研究及其调控机制，发现沿边土地利用覆被变化以及森林退化是影响跨境生态安全的主要因素。Tian等[26]在压力、状态、反应概念模型的基础上构建了区域生态安全评价指标体系，并采用综合指标法对区域的生态安全进行了评价。Wang等[27]提出一种基于改进的人工蜂群算法(MABCA)的城市土地生态安全空间探索模型，对城市生态用地的危险区域进行模拟，实现生态危险区的空间检测。罗文斌等[28]采用物元分析法对中国城市土地生态安全水平进行评价，发现物元评价可以揭示每一个评价指标的水平状态和变化趋势等分异信息，适合用于城市土地生态安全水平评价。结合前人的研究发现，运用于土地生态安全评价的模型较多，物元分析法在获取综合评价结果的基础上还可以获取单项指标的评价结果，有较好的适用性；土地利用覆被变化、森林退化等问题会对土地生态安全产生不良影响，从而影响新型城镇化进程。

本研究对瑞丽市进行土地生态安全评价，由于统计年鉴包含的数据有限，未能离散到更小的评价单元，选择的评价指标较为片面，因此研究存在一些不足，缺乏一定的严谨性。未来应从扩大时间序列、细化评价单元、综合选取社会经济及生态环境指标[29]等方面进行完善，应从时间和空间两方面对土地生态安全状况进行评价。较传统简单的多指标综合评价，物元分析法对土地生态安全评价不但揭示了单因子指标之间的分异规律，也能够展示出综合安全水平与中间转化过程的关系。熵权法客观为主，主观修正为辅，主客观结合，赋权更加合理，因此，熵权物元模型运用数学方法从客观上解决了指标间的不相容性，使评价结果更加准确。但关于经典域与节域界定等问题目前还缺乏统一的标准，缺乏指标经典域范围的系统界定，未来还有待精琢和细化。

4 结 论

(1)2010—2017年瑞丽市土地生态安全状况包括了“向较安全转化”和“向理想安全转化”2个等级。总体来看，研究期内瑞丽市土地生态安全级别上升，但综合关联度一直为负值，说明生态安全状况未稳定，考虑到国家边境生态安全的特殊性和生态小镇构建生态宜居人居环境的战略目标，需建立稳定的生态本底条件，从而有力防护外界干扰。

(2)从各子系统(DPSIR)土地生态安全来看，研究期间瑞丽市土地生态安全除了状态系统和影响系统没有变化外，其他子系统生态安全均出现不同等级的变化。应根据系统协调发展理论制定土地生态发展策略，全面提高瑞丽市土地生态安全等级。

(3)从指标层障碍度来看，影响瑞丽市土地生态安全的障碍因子主要包括地均GDP、耕地面积占比、第三产业比重、人均建设用地面积、单位耕地粮食产量等。对此，瑞丽市应针对主要障碍因子制定统筹发展战略，在稳定产业、经济发展的同时，严格控制建设用地盲目扩张，提高耕地质量，为巩固国家边境生态安全和建设生态小镇打牢基础。