基于PSR模型-熵权法的土地生态安全评价
—— 以上海市为例
谢亦欣, 袁章帅, 邹 怡, 朱家明
(安徽财经大学,蚌埠233030)
摘要： 基于PSR模型, 采用压力-状态-响应框架, 选择25个具有代表性的评价指标, 构建上海市的土地生态安全评价体系。 引入熵权法确定权重, 根据生态综合指数对上海市2008-2017年十年间的生态安全进行了评估。 结果表明： 上海市土地生态综合指数总体上有上升的趋势, 由2008年的0.1888增长到2017年的0.7081, 增长幅度较大, 土地生态等级从退化状态上升到较稳定状态。 整体的变化趋势说明其土地生态退化成本降低, 生态功能总价值在升高, 土地生态安全逐步提升。
关键词： PSR; 土地生态安全; 熵权法; 生态综合指数; 上海市
21世纪以来,我国经济飞速发展。十九大报告中多次提及“生态文明”,无疑为各省市政府的工作指明了方向、明确了道路,需要在今后的工作中加以落实。土地是承载一切生物的载体,是生态环境中最重要的组成部分,其生态安全状况深刻影响着人类社会的生存与发展。随着城市化进程的不断加快,对土地的需求量日益加大,土地生态环境难免遭到破坏,土地生态安全问题逐渐凸显。土地生态安全是指土地资源可以保持其结构完整性,维持其自身健康平衡,并为人类社会经济和农业发展提供更好的支持,从而加快建设环境友好型社会,实现可持续发展。目前我国有很多学者对土地生态安全进行了研究：熊建华(2018)通过分析大量文献,发现当前研究难点在于定位土地生态安全内涵、选择评价指标以及划分生态安全门槛[1];谭文兵、李雪梅(2017)基于灰色关联投影模型,对土地生态安全进行实证研究,为地区生态保护提供理论依据;还有更多学者以地区为例,运用不同模型对土地生态安全进行评价,为当地土地利用及城市发展提供政策参考。在深入了解国内土地生态安全评价基本情况的基础上,本研究以上海市为研究对象,建立生态安全评估模型,不仅对上海应对当下环境退化以及城市基础设施合理布局具有指导作用,而且对实现全球气候变化和快速城市化背景下的可持续发展具有重要的战略意义,对其他海岸带城市和河口城市也具有一定的借鉴价值。
一、研究区域概况
上海市位于东经 120°52＇-122°12＇,北纬 30°40＇-31°53＇之间,东隔东海与日本九州岛相望,南濒杭州湾,北、西与江苏、浙江两省相接。上海是中国典型的河口沿海城市,位于长江三角洲地区,地势低洼,自然生态系统复杂,极易受到全球气候变化的影响。作为中国第一大城市和长三角城市群的龙头城市,其城市化水平位列全国第一,目前已进入城市化高级阶段,其快速的城市化进程给城市局部气候与环境带来了压力[2]。作为发展中国家的特大型国际城市,上海市政治经济地位和国际影响显著,人口和资源高度集中,这进一步放大了生态环境和极端事件的社会经济影响。由此可见,上海市土地生态安全具有一定的研究价值,可为上海市建设资源节约型、环境友好型社会提供参考。
二、数据来源与研究方法
(一)数据来源
本研究收集了上海市2008-2017年各类指标原始数据,该数据均来自中华人民共和国国家统计局、2008-2017年的《上海统计年鉴》以及中国经济与社会发展统计数据库,均有较高的权威性和准确性。
(二)研究方法
结合上海市土地利用现状和经济发展水平,并考虑数据的可获取性、完整性以及可靠性,基于PSR模型和熵权法建立生态安全评估模型。首先,在PSR模型框架下确定和收集了影响框架的指标,主要包括给环境造成压力并能反映土地生态安全状况的指标;其次,利用熵权法确定各评价指标权重,导出评估方程。并在此基础上,对上海市近十年的生态安全状况进行实证研究,开展生态服务综合评价;最后,利用纵向分析,评价土地生态安全随时间的变动状况,为土地生态安全管理提供科学的指导,为进一步提升和改善土地生态安全和城市环境提供参考。
1.PSR模型
计算得到压力指数、状态指数、响应指数以及土地生态环境综合指数。设第j 年的土地生态环境综合指数为Aj ,则有公式：
1.2.6 RT-qPCR Trizol法提取细胞总RNA并测定RNA浓度和纯度,调整样品浓度后按照RT Mix试剂说明书反转录合成cDNA，PCR反应体系为5 μL SYBR、3.6 μL DEPC水、0.4 μL引物与1 μL cDNA。内参GAPDH引物序列为5′-AGAAGGCTGGGGC-TCATTTG-3′和5′-AGGGGCCATCCACAGTCTT-C-3′；Atg5引物序列为5′-GCTTCGAGATGTGTGG-TTTG-3′和5′-CAGTGGTGTGCCTTCATATT-3′，其相对表达量用2-ΔΔCt表示。
图1 PSR模型框架
在PSR模型框架下,从压力、状态和响应三个方面选取了25项能够反映上海土地退化状况的指标,其中正向指标15项,负向指标10项(见表1)。
表1 上海市土地生态安全评价指标体系
2.熵权法
地基处理后，新路竣工运营20 a后，路堤表面最大工后沉降为2.2 cm，在此沉降变形作用下，路面各结构层的拉应力云图，如图7所示。
熵权法是先根据各个指标包含信息量的多少计算出各个指标的信息熵,从而导出熵权以确定整个指标系统中每个指标的权重。由于各个指标加权的客观性越高越好,所以本文采用熵权法计算PSR模型中指标数据的权重。
(1)原始数据标准化。由于性状取值的量纲和单位不同,且指标的趋向性有正负之分,因此,需要对原始数据进行变换处理。首先,建立2008-2017年上海市生态退化测定评价指标的原始数据矩阵,设该矩阵为A ,如下：
式中Aij 表示上海市第j 年的第i 个指标的数值,1≤i ≤25,1≤j ≤10。
那一年我刚大学毕业，又很幸运地考取了省委组织部的选拔生，终于长吁了一口气，人生的大门又将是一个新的开启。看到同学们一个个满脸焦急地穿梭于人才市场的人群中，我的心底有了稍许欣喜，但脸上却静如止水。我不想让同学疾妒我的幸运。
确定所有指标的趋向性以后,将极差法应用到各指标数值的无量纲化值计算,计算公式为：
《老人与海》的巨大成功，最主要的原因在于塑造了主人公圣地亚哥这一不朽的艺术形象。在作品中，作者将人物内心世界的描绘省略到最低限度，除了一些必要的，一切可省的都被省略。另外，运用了直白的语言塑造人物形象。老渔夫在经历了海上惊心动魄的生死较量后，对小男孩说的是：“它们把我打败啦，真的，它们打败了我”“是的，的确没有，可是后来鲨鱼打败了我”“这几天我真想念你”。他内心丰富多变的感情变化实际上全部隐藏在这几句简单的话语之中。作品没有繁杂的描述，却深深地震撼了读者的心，读者从这些简单的话语里感受到主人公的内心活动以及作者所要表达的思想感情。
(2)计算指标权重
第一步,求各个指标的信息熵。根据信息熵的定义,一组数据的信息熵计算公式为：
由于采用了一种被称为基因编辑的尖端技术，科学家现在可以轻轻松松地将植物基因‘打开’和‘关闭’，这个操作过程就像打开照明灯开关一样。
如果pij =0,则定义pij lnpij =0。
立足当前、放眼长远。天脊集团发出了“再领风骚30年”的动员令，这是天脊集团谋略所在、站位所在、实力所在。
滑坡区地势整体北高南低，覆盖层厚度小，山坡坡顶边坡可见基岩出露(图1)。滑坡后缘五星学校施工现场地面高程151～152 m，前缘高程122 m，相对高差29～30 m，一般坡度约为30°～35°，滑坡平面形态上呈半椭圆状，后部呈弧形。滑坡纵向上坡度大体相等，前缘-中部陡，后缘缓。滑坡体宽约170 m，纵长约55.5 m，滑坡体体积约9.4×104 m3，滑坡主滑方向115°，滑坡类型为小型浅层牵引式土质滑坡。
表2 各项评价指标的信息熵
第二步,确定各个指标的权重。基于信息熵的计算公式及结果,计算各指标的权重如下：
其中
得到生态退化测定评价指标的熵权详见表3。
表3 各项评价指标的熵权
第三步,土地生态评价指数的计算及土地退化等级的划分。
PSR模型(压力—状态—响应模型)常被用于生态环境问题研究,它是一个动态的模型结构,是一种在环境系统中广泛应用的评价体系模型。其认为由于人类的各项活动使生态环境退化,这种环境状态的变化将使人类意识到保护生态环境的重要性和紧迫性。于是,人类将会通过意识和行为的变化而对这种状态做出反应,采取各种措施来进行环境治理。PSR模型下压力、状态、响应三大类别的指标包含了经济、政治、文化、社会、生态等诸多方面,能综合考察到事物在受多种因素影响下的发展变化情况,较好地解释了“发生了什么、为什么发生、我们将如何做”三个可持续发展的基本问题。这三类指标之间往往相互影响、相互制约,共同作用于生态系统(见图1)。
式中,yij 为第j 年第i 项指标的标准化值,wi 为第i 项指标的熵权。将计算得到的土地生态质量综合指数按照生态退化等级标准进行对比分析,原则上生态退化等级根据综合评分值的高低,分为五类,即：土地处于严重退化状态、退化状态、预警状态、较稳定状态和稳定状态五个等级,得出最终的评价结果(见表4)。
式中,min(xi )表示在原始数据矩阵A 中第i 个指标的最小值,max(xi )表示在原始数据矩阵A 中第i 个指标的最大值。
表4 上海市土地生态评价综合指标表
三、评价结果分析
根据上述分析与模型建立,得到上海市生态系统各类指标指数的变化趋势如图2所示。
图2 上海市2008-2017年生态退化评价指数趋势图
(一)压力系统分析
压力指数从2008年至2017年,上海市土地生态压力指数呈先上升后下降再上升的趋势。在2008-2015年,压力指数从0.1110上升到0.3677,并在2015年达到峰值0.3677,2015-2016年土地生态压力指数从0.3677下降到0.2513,2016-2017年,压力指数再上升到0.2607。其主要原因如下：(1)仍然面临经济发展与环境保护的博弈。经济水平逐渐提高,但能源消费强度高,经济发展对环境影响度逐渐扩展,空间差异大。(2)人口数量大幅增加,人口密度不断加大,以致土地承载压力加大;(3)私人汽车拥有量大幅增加,由于私家车带来了巨大的能源消耗和二氧化碳的排放量,因此它对交通环境造成的压力最大,给生态环境带来极大的压力和威胁。
(二)状态系统分析
状态指数经历了几个阶段,但整体上呈波动上升趋势。从2008年的0.0542上升到2017年的0.2721,表明上海市土地生态发展状况良好,其原因主要为：(1)绿地面积大幅增加。上海市绿地面积从2008年的31795公顷上升到2017年的136327公顷,森林覆盖率也由3.17%上升到16.2%,说明上海市10年来对环境绿化十分重视并取得了较好的效果。(2)工业废水和二氧化硫排放量大大减少。其中二氧化硫排放量从49.8万吨下降到1.85万吨,城市的污染物排放得到了有效地控制。这些举措都极大改善了上海市土地资源的生态安全现状,因此其生态系统状态指数呈现小幅增长趋势。
根据上述公式求得各项指标的信息熵,详见表2。
(三)响应系统分析
响应指数与状态指数变化幅度大致相似,从2008年的0.0237增长到2017年的0.1753,整体上呈波动上升的趋势。其原因主要表现在：(1)上海市政府对环境保护力度加大,财政环境保护支出从25.08亿元增加到224.66亿元,工业污染治理投资从103901万元增加到448240万元;(2)城市污水处理总量大幅增加,工业固体废物综合利用率提高,处理效率提高。同时城市生活垃圾无害化处理率不断提升,说明上海市自身解决生态问题的能力也在不断提高。
(四)综合指数分析
土地生态综合指数是由压力指数、状态指数、响应指数三个指数共同决定的。由图2可知,随着三类指标的影响,上海市土地生态综合指数呈现出波动增长的趋势,从2008年的0.1888增长到2017年的0.7081,增长幅度很大,土地生态等级从退化状态上升到较稳定状态。整体的变化趋势说明了上海市的土地生态退化成本在降低,人类活动对土地生态环境的破坏减小,土地提升到更为安全的状态。由此可见,上海市的生态文明建设总体上取得了较大进步。
2.1 两组患者临床基线比较 在192例患者中，ST段抬高型急性冠脉综合征（STE-ACS）患者155例，非ST段抬高型急诊冠脉综合征（NSTE-ACS）患者37例，术后1年死亡率为29.17%。两组患者在性别、急性冠脉综合征的类型等方面比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；两组在年龄、入院时血肌酐（Cr）水平、心肌坏死标志物（血清cTnⅠ）水平和术前心功能等方面，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。
党的十九大提出要坚决打好防范化解重大风险、精准脱贫、污染防治三大攻坚战，把脱贫攻坚摆在十分重要的位置。习近平总书记在同中华全国总工会新一届领导班子成员集体谈话时强调“要做好城市困难职工解困脱困工作，及时做好因各种原因返贫致困职工的帮扶救助，为广大职工提供具有工会特点的普惠性、常态性、精准性服务。”
四、结论与建议
(一)结论
文章基于PSR模型,构建上海市土地生态安全评价指标体系,并运用熵权法对其2008-2017年的土地安全状况进行了综合评价。结果表明,上海市土地生态安全值呈现出波动增长的趋势,从2008年的0.1888增长到2017年的0.7081,安全等级由“极不安全”上升至“较安全”的状态。主要由于上海市政策的支持对该市土地状况改善发挥了很大的作用。采取PSR模型分析上海的土地生态安全,可以全面反映上海的土地资源利用现状以及存在问题。但由于指标选择存在局限性,指标体系受主观影响较大,对社会效应和环境反馈机制的研究仍然缺乏,由此对评价结果有一定的影响。
(二)建议
第一,加强对不同土地生态系统的管理,优化配置有限的土地资源。研究数据显示,不同类型土地的生态价值功能核算依此为：水域＞草地＞森林＞农田＞湿地＞荒漠＞建设用地。因此在进行土地资源利用时可从生态功能价值低的进行土地开发,优化土地资源配置。充分利用不同主体的力量,进一步加强土地宏观调控,对废弃工矿地进行复垦,提升土地利用效益。
第二,对生态功能价值高的土地类型加以保护,抑制生态服务价值的退化。生态功能价值高的土地主要以水域、森林、耕地、湿地为主导,对此在进行土地规划项目时,应该减小此类规划。此外,管理人员应当坚决执行国家土地管理制度,严格控制耕地、湿地类转为建设用地,对水域、耕地、湿地加以保护。对耕地占用进行补偿,加强基本农田的维护和管理。
第三,协调人地矛盾,合理规划建设用地。反观当前土地资源利用状况,一般都占用耕地、林地、湿地等经济效益较低而生态效益较高的土地利用类型,转化类型以经济效益较高而生态价值为零的建设用地为主。由此来看,生态服务价值损失较大。经济发展避免不了建设用地,政府需要在保证人类需要的前提下,合理规划建设用地。
第四,增强解决生态问题的能力,提高土地安全指数。从PSR模型分析来看,不难发现随着年份的增加,生态环境综合指数是在上升的,也就意味着土地安全系数在提高,即地区解决生态问题的能力在增强,与此同时土地的安全指数也在增加。因此,土地利用项目规划人员和管理人员在进行土地利用时,也要抓紧提升自身解决生态问题的能力,如更具科学性的治理手段和主动承担环境保护责任等。
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中图分类号： F301
文献标志码： A
文章编号： 1004-8626( 2019) 08-0094-05
收稿日期： 2019-03-06
基金项目： 国家自然科学基金项目“3-流猜想,Fulkerson-覆盖及相关问题”(项目编号：11601001);安徽财经大学教研项目：“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”(项目编号：acxkjsjy201803zd);大数据背景下数学类专业课程《数学建模》教学内容的研究(项目编号：acjyyb2018006);安徽财经大学大学生科研创新基金重点项目(项目编号：XSKY1910ZD);国家级大学生创新创业训练项目(项目编号：201810378087)。
(责任编辑：谢蓓)