抚仙湖流域土地生态安全评价与优化
尹 娟
(玉溪师范学院 地理与国土工程学院，云南 玉溪 653100)
[关键词] 抚仙湖流域；土地生态安全；PSR模型；耦合协调度模型
[摘 要] 采用PSR模型构建抚仙湖流域土地生态安全评价指标体系，结合综合指数法计算区域土地生态安全指数，利用耦合协调度模型探讨压力、状态、响应系统间的耦合协调程度.结果表明：抚仙湖流域土地生态安全综合指数整体偏低且各乡镇间差异明显，流域北部建城区及南部农业生产区生态安全差，东部山区生态安全较好，西部旅游开发区生态安全呈现稳中向坏的特征，生态不安全重心有南移和西扩的趋势；不同子系统表现出不同的特征，经济发展加速和持续的生态环境治理使流域响应安全指数呈增长趋势；土地压力安全指数整体较高，且各年变化不大，状态安全指数东西高、南北低，安全响应指数呈现出区域分化和圈层特征；压力、状态、响应系统间的耦合度虽然较高，但协调性不足.
随着人类对土地资源利用的深度和广度不断增加，土地利用的生态问题逐渐凸显，日益受到国内外学者的广泛关注[1].国外相关学者在生态风险、生态系统健康、生态预报等方面取得了较丰硕的成果[2～5].国内学者主要围绕土地生态安全内涵、评价方法、评价模型、指标体系构建、安全阈值的界定等方面展开研究[6～9].评价方法与模型因对土地生态安全评价结果影响重大，而成为现有研究的高频内容之一.纵观现有研究，土地生态安全评价所采用的方法主要有综合指数法、主成分分析法、突变级数法、熵权法、物元分析法、有序加权平均算子法、生态足迹法等；评价模型主要有灰色关联模型、GIS网格模型、PSR模型、因果网络模型、属性识别模型、DEA模型、TOPSIS 模型等，研究方法与模型逐渐趋于完备.PSR 模型是目前评价区域生态安全最广泛的方法之一[10]，能较好地反映人与自然环境之间的因果关系.然而基于PRS模型的现有研究中，P(压力)、S(状态)、R(响应)三方面指标体系构建还不尽合理：压力指标多从社会经济度量，自然因素考虑较少，或者只考虑自然因素而忽略社会经济因素[11]；状态指标也多从社会经济出发，生态方面简化为林草绿地覆盖率等[12]，土地生态系统的结构和功能很少体现；响应指标往往缺乏针对性.加之，过去的研究多采用综合指数法对压力、状态、响应三类指标进行加权求和，得到研究区土地生态安全综合状况.该方法强调的是一种线性关系，不能有效揭示压力、状态、响应三者之间的相互作用关系[13].
抚仙湖位于云南省玉溪市东北部，地处长江流域和珠江流域的分水岭，流域面积155 066.64 hm2，涉及玉溪市的3个县(区)、10个乡镇.流域内人口稠密，农业农村面源污染突出，旅游业的无序发展及城市规模持续扩大均给流域生态安全带来压力.加之地处水土流失和易石漠化的喀斯特山区，自然环境脆弱，生态问题不断显现，对区域可持续发展构成巨大威胁.本文以抚仙湖流域为例，综合考虑社会、经济、资源与环境之间的关系，构建基于PSR模型的土地生态安全评价指标体系，采用综合指数法对研究区土地生态安全状况进行实证研究，并利用耦合协调度模型对压力、状态、响应子系统之间的作用关系进行探讨，揭示区际生态安全差异机制，为改善土地生态安全状况，促进资源可持续利用提供依据.
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1 指标体系构建
表 1土地生态安全评价指标体系
土地生态系统是地球陆地表层各自然要素与人类相互作用的有机统一体，这种相互作用表现在人与地、地与地、人与人之间，它们相互促进相互制约，形成紧密的因果关系.PSR模型能清晰展示这种因果关系，该模型是经济合作和开发组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出，由互为因果的压力(P)、状态(S)、响应(R)三部分组成的概念性框架.本文采用这一框架，遵循全面性、实用性、地域性和可操作性等原则构建土地生态安全评价指标体系(表1).表1中：H 为景观多样性指数，p i 为景观类型i 所占比例，n 为研究区内景观类型数目，E 为地生态系统弹性度，λ 为调节系数(取0.01)，c 1为年气温变率，c 2为年降水变率，V 为植被指数，S i 为土地类型i 的弹性分值.
压力指标反映各类因素对土地生态系统的直接作用力，包括自然压力、经济压力和社会压力.自然压力主要由海拔、坡度和水土流失率3个指标构成；经济压力包括人均GDP、城市化水平、第二产业比重、第三产业比重；社会压力主要表现在人口密度、人口自然增长率、单位耕地农药使用量、单位耕地化肥施用量及工业废水排放量五方面.自然环境本底的脆弱性、社会经济的快速发展均可能给生态系统带来压力，加剧生态系统负担.
状态指标反映土地生态系统目前的现状，可从系统结构、功能及稳定度三方面表现.系统景观结构决定系统生态服务功能的类型及大小，系统功能进化还是退化可用稳定度来衡量，一般系统稳定度越高，系统抵御外界风险的能力越强，其功能有望朝好的方向发展，表现为进化，反之为退化.具体指标构建上，景观结构用景观多样性表现，生态系统服务价值能有效反映生态服务的功能，系统稳定性则通过生态系统弹性度、耕地旱涝保收率、自然灾害成灾率及农用地转为非农用地比例来表达.
响应指标反映人类面对土地生态系统变化，降低压力所采取的对策与措施，分为土地整治、环境治理及生态建设三方面.土地整治用土地利用集约度、中低产田改造率、水土流失治理率、湖滨区建设用地整治率来表示；环境治理通过农业污染治理投入强度、环保投资占GDP的比重及工业废水处理率体现；生态建设主要采用退耕还林指标表达.响应指标构建上更具有针对性.
2 研究方法
2.1 综合指数法
耦合度模型：
(1)
T =F p ×w p +F s ×w s +F R ×w R
(2)
式中，F p 、F s 、F R 分别代表压力、状态、响应子系统评价指数；x i 、x j 、x k 分别代表三大子系统各指标的标准化值；r i 、r j 、r k 分别代表三大子系统各指标的权重；T 代表综合评价指数；w p 、w s 、w R 分别代表三大子系统的权重.指数值越大，生态安全系统越安全.
式中，C 为耦合度，值越高，耦合度越大，各子系统之间相互作用越强；D 为协调度，值越高，协调度越大.
2.2 耦合协调度模型
土地生态安全评价系统中的压力系统、状态系统、响应系统之间相互影响、相互制约，其中，压力是因，状态是果，响应是补救措施.综合指数在一定程度上能反应系统综合安全状况，但不能揭示系统内各组成分之间的联系度.因此，本文借助耦合协调度模型说明各子系统相互作用的强弱及协调发展水平的高低.该模型分为耦合度模型和协调度模型[17].
本文采用综合指数法计算土地生态安全的压力指数、状态指数和响应指数，再通过加权求和计算出综合指数.具体操作如下：首先，因土地安全评价涉及的指标类型多样，指标之间存在不同量纲的影响，采用极值法[14]对各指标进行标准化处理；其次，采用层次分析法[15]和熵权法[16]求取指标权重，从而体现各指标对土地生态安全的重要程度；最后，采用加权求和计算出压力指数、状态指数、响应指数三大子系统安全指数及综合安全指数，根据综合安全指数值的高低划分土地生态安全等级.
(3)
西部旅游发展区(江城镇、龙街镇)土地系统临界安全，子系统间耦合协调性较好.区域第三产业以旅游业为主，孤山风景区、禄充风景区是抚仙湖流域两大重要景区，本区域因旅游发展带来的农业用地转为非农业用地比例高、速度快，如旅游小镇、澄川高速等的建设均加快了土地农转非的速度，状态安全指数较低.今后需进一步加强旅游规划，防止旅游业盲目扩张，开展旅游经营秩序的专项整治，加大违法用地惩处力度，引导湖滨缓冲带建设用地逐步退出.
(4)
选取从2007年3月至2017年9月进行胃肠手术后并发肠瘘患者50例,随机分为常规组与观察组,25例/组。常规组患者男19例,女6例,年龄均在34~59岁,平均年龄(52.34±6.13)岁,患病周期为6~10天,平均周期为(6.27±3.12)天;观察组患者男15例,女10例,年龄均在32~63岁,平均年龄(58.45±5.12)岁,患病周期为5~11天,平均周期为(8.16±2.02)天。患者在治疗前均确诊为胃肠手术患者,并伴有肠瘘症状,同时排除患有其他重大疾病或传染性疾病。对两组患者姓名、性别和基本检查等基线资料比较分析,均无统计学意义(P>0.05),具有可比性。
3 研究结果
3.1 抚仙湖流域土地生态安全分析
根据上述指标体系和评价方法，计算得出了抚仙湖流域2000年、2005年、2010年、2014年的土地生态安全综合指数及各子系统指数，以综合指数为依据采用自然断点法将研究区土地生态安全状况分为不安全、较不安全、临界安全、较安全和安全5种类型(表2).
乳汁质量检查选择使用隐性乳腺炎诊断液进行快速诊断。在乳汁检验盘上，分别有4个直径6 cm、高1.6 cm的有机玻璃制作的检验器，分别用来检验由4个乳区前后左右位置，将4个乳区的乳汁分别装入到4个检验器中，每个检验器装入乳汁2 mL，然后在其中加入等量的诊断液，旋转摇动，确保药液和乳汁充分混合，作用10 s后观察乳汁变化情况。乳汁诊断标准见表1，根据上述诊断标准，23头奶牛中4个乳区全部呈现阳性的奶牛11头，3个乳区呈现阳性的奶牛有7头，2个乳区呈现阳性的奶牛有3头，1个乳区呈现阳性的有2头。由此判定为奶牛隐性乳腺炎。
表 2土地生态安全分级标准
抚仙湖流域土地生态安全总体特征分析 15年间，抚仙湖流域各乡镇土地生态安全综合指数在0.33～0.65之间，平均综合指数0.45，大多数乡镇处于不安全-临界安全状态(表3、图1)，虽然安全乡镇的数量有所突破，但较安全乡镇的减少及较不安全、不安全乡镇数量增加，流域土地生态安全总体状况不容乐观.各乡镇综合指数变化差异明显，根据变化特征分为稳定型、上升型、下降型和波动型4种.凤麓镇、右所镇、九村镇和海口镇土地生态安全水平较稳定，综合等级没有发生改变；青龙镇综合指数由2000年的0.62持续增加至2014年的0.65，其生态安全等级随之由较安全上升至安全，生态安全逐渐好转，为上升型；下降型乡镇有路居镇、江城镇、龙街镇和阳宗镇，生态安全等级由临界安全向较不安全、不安全转变，安全状况不断恶化；雄关乡生态安全综合值呈现出波动变化的特点，生态安全等级经历了较不安全-不安全-较不安全的变化.
表 3 2000～ 2014年抚仙湖流域 10个乡镇土地生态安全等级数量统计
图 1 2000～ 2014年抚仙湖流域土地生态安全等级
抚仙湖流域土地生态安全子系统特征分析 抚仙湖流域土地压力安全指数呈现出整体较高、局部塌陷的特征(图2).15年间，抚仙湖流域土地压力安全指数总体变化不大，除2010年各乡镇压力安全指数为0.67以外，其余各年平均值为0.7.澄江县城凤麓镇作为流域北部的政治、经济、文化中心，人类活动对土地的干预强度明显高于其他区域，压力指数为流域内最低，并有持续下降的趋势.人口密度(指标与评价结果的相关系数为0.901 2)大是造成压力指数低的主要原因，凤麓镇平均人口密度为2 427 人/m2，是其他乡镇平均值的9.8倍；城市化和经济发展水平也是区域最高，2014年城市化水平为75%，国内生产总值239 864万元，远大于区域平均值；工业结构简单，层次低，工业废水、生活污水排放量大，均给土地生态安全状况造成了一定的经济压力和社会压力，成为区域内的压力安全塌陷地带.
图 2 2000～ 2014年抚仙湖流域土地压力安全指数
总体来看，抚仙湖流域压力、状态、响应三大土地生态安全子系统之间耦合度较高，各乡镇历年平均值在0.8以上(图5)，表明自然环境本底、经济发展水平、人口状况与土地生态系统结构、功能相吻合，在一定程度上决定了生态治理的水平，导致子系统之间安全指数差异较小；江城镇、凤麓镇、龙街镇、右所镇、海口镇耦合度呈下降趋势，其余乡镇上升.凤麓镇耦合度不仅是区域低值中心，而且年变化率也最大(-24.12%).一方面，人口的高度集中和产业的不断转移加大了系统压力，造成系统功能退化，安全治理更为紧迫；另一方面，经济发展水平的提高推动安全治理投入增强与技术提升，子系统安全指数差距日益拉大.
图 3 2000～ 2014年抚仙湖流域土地状态安全指数
响应安全指数呈现区域分化和圈层特征，表现为离城镇中心越近指数越高，越远指数越低(图4).澄江县城凤麓镇生态环境治理的政策、经济和技术优势明显，土地利用集约度、农业污染治理投资强度、环保投资及工业废水处理率均居流域首位，污水处理厂改扩建、东大河清水产流机制修复等工程的启动大大增强了该镇环境治理力度，响应安全指数为流域最高.以凤麓镇为中心，响应安全指数呈现向外不断递减的趋势，离其较近的龙街镇、右所镇、九村镇安全指数相对较高，较远的海口镇、路居镇、雄关乡安全指数较低，其中雄关乡响应安全指数位于流域最末端，路居镇为倒数第二.指数最高的凤麓镇是雄关乡的7.1倍，区域差异明显.总体来看，全流域响应安全指数呈增长的趋势，主要得益于经济发展水平的不断提高，生态环境治理工程的持续开展.2014年，抚仙湖流域完成石漠化治理1 000余亩，矿区生态环境整治面积11 274亩，土地平整670亩，水土流失治理面积4 309亩.此外，湖滨区缓冲带内“退田、退塘、退房”还湖生态工程建设及径流区植被恢复治理项目正式启动,均推动着流域响应安全指数的提升.
桑料再一次被点燃，这一次只有一小堆，盛放在一只铜盘内。铜盘直径不足尺，底部的支架造型是两只铜制的羽人，它们相向跪坐，共同将铜盘托起。桑料在铜盘内阴燃着，没有火焰，只有蓝色的火星忽明忽暗。
图 4 2000～ 2014年抚仙湖流域土地响应安全指数
3.2 抚仙湖流域土地生态安全子系统耦合协调度分析
图 5 2000～ 2014年土地压力、状态、响应系统耦合度
状态安全指数呈现东西高、南北低的特点(图3).状态安全指数最高的是青龙镇，四期平均值为0.77，该镇位于抚仙湖东岸，以山地地形为主，森林覆盖率高，耕地面积和林地面积大，景观结构丰富，生态系统服务价值居流域首位，系统弹性指数高，农用地转为非农用地比例低，是状态安全指数高的主要原因.状态安全指数低值区位于湖泊北岸的凤麓镇、右所镇和南岸的路居镇、雄关乡，南北两侧指数低的原因各有不同.北侧凤麓镇和右所镇为澄江县的主要建城区，土地利用结构单一，以建设用地为主，生态系统服务价值低，城市无序扩张使农用地转为非农用地比例大，速度快；南侧路居镇、雄关乡为流域内的农业生产区，农业产值均占地区生产总值的50%以上.区域旱涝、霜冻等自然灾害严重，平均每年作物绝受灾面积80多万亩，造成直接经济损失3 000余万元，加之地质灾害隐患点数量多，给区域安全状态构成威胁.
图 6 2000～ 2014年土地压力、状态、响应系统协调度
为进一步反映土地安全压力、状态、响应系统间的协调关系及其对综合安全水平的影响，利用协调度模型进行定量分析，测算结果表明：流域各乡镇协调度不高，80%乡镇子系统间协调度不足0.7，这与同期耦合度相比明显偏低(图6).其中，平均值小于0.5的乡镇有路居镇、雄关乡、凤麓镇，大于等于0.5、不足0.7的乡镇有江城镇、右所镇、九村镇、海口镇和阳宗镇，大于等于0.7的乡镇有龙街镇和青龙镇.各乡镇协调度年变化较小，平均变化率-0.83%，呈现稳中偏低的特点.流域工农业增长模式粗放，土地非农化速度大于城市化增长速度，化肥和农药使用量逐年增加使耕地板结化、酸化严重，工业以磷化工、食品、造纸、煤炭等初级生产为主等原因均造成土地安全系统压力大、状态差.近年来，虽然各地政府开展了一系列生态修复补救措施，取得一定的成效，但与系统面临的压力、状态相比仍存在一定差距，各乡镇协调度不高.
3.3 抚仙湖流域生态安全格局优化
从以上分析可知，抚仙湖流域东部山区(青龙镇)土地系统安全，子系统间耦合协调度好.但因域海拔高、坡耕地面积广、经济发展水平不高，该区响应安全指数低.今后一方面需继续加强生态保持林建设，提高区域植被覆盖度，减少水土流失；另一方面需结合资源禀赋积极发展具有地方特色的乡镇企业，转移农村剩余劳动力，减轻农民对土地的过度依附，提升区域经济发展水平，达到经济与生态保护同步发展.
东北部远郊区(阳宗镇、九村镇、海口镇)土地系统较安全，子系统间耦合协调性较好.区内磷矿资源丰富，产业结构以资源型和粗放型为主，生态环境破坏较严重，状态安全指数偏低.今后需继续加强生态环境整治及投入力度，改善矿区生态环境质量；同时，延长产业链优化产业结构，改变高耗低产的经济发展局面；再次，积极开展抚仙湖径流区植被恢复工作，提高区域植被覆盖率.
食品企业的行为。对于食品而言，食品企业是第一负责人，其行为会直接影响食品的安全性。目前，我国市场经济不断发展，企业追逐利益的本质越发凸显，要实现该目标，必须在合理范围内提高价格与减少成本。部分食品企业一味追求利益最大化，为实现该目的甚至采取违法违规手段，尽一切可能降低成本，该行为产生非常消极的影响，在影响食品质量安全的同时也不利于企业形象。此外，在食品质量安全控制方面，由于缺乏激励措施，企业提高食品质量的积极性也得不到有效调动。
怀洪新河续建工程 （安徽段）是位于淮河中游的大型人工河道，上起怀远县的何巷，下至江苏洪泽湖的溧河洼，主要作用是分泄淮干洪水，提高淮干中游段防洪标准，确保淮北大堤防洪安全；同时扩大漴潼河水系排水出路，提高流域排涝标准，并兼有供水、灌溉、航运等综合效益。怀洪新河安徽段河道总长95km，堤防260km，大中型水闸9座，小型水闸99座。工程地处淮北平原的南侧，具有淮北平原气候的一般特征。自20世纪90年代中期，河道管理部门开始进行河道绿化建设，目前河道管理范围内共栽植防浪林、用材林及景观林等各类林木60余万株。
协调度模型：
南部农业生产区(路居镇、雄关乡)土地系统较不安全，子系统间耦合协调性较差.本区域耕地旱涝保收率低、自然灾害成灾率高，农业农村面源污染较大，土地整治与环境治理投入力度不足，状态安全指数与响应安全指数低.今后需大力发展生态农业，减少农业污染排放量，建立环境污染主体责任制，加强农业基础设施建设，提高抵御外界风险的能力，实现农业经济增长与环境保护之间相协调.
北部建城区(凤麓镇、右所镇)土地系统不安全，子系统间耦合协调度差.该区域人口密度大、城镇化水平高、人均耕地占有量少、土地农转非速度快、工农业废水排放量大，压力响应指数和状态响应指数偏低.今后发展中需处理好建设开发与耕地保护之间的关系，经济发展与环境保护的关系，积极调整产业结构，加大第三产业比重，改变粗放增长方式，加快产业结构转型升级.
4 结论与讨论
2000～2014年，抚仙湖流域土地生态安全综合指数在0.33～0.65之间，大多数乡镇处于不安全至临界安全状态.各乡镇综合指数差异明显，总体来看，北部建城区及南部农业生产区生态安全差，东部山区生态安全较好，西部旅游开发区生态安全呈稳中向坏的特征，生态不安全重心有南移和西扩的趋势.
1)对苹果园南路口与晋元庄路口之间的行人过街，其信号灯放行时序与上游苹果园南路口西向东直行相位相同，此时南北方向车辆因处于排队状态，因此行人过街安全性得到保证；同时，当南北向车流获得通行权，行人过街处于红灯状态，因此减缓了行人过街对直行车辆造成的影响.
不同子系统表现出不同的特征，土地压力安全指数整体较高且各年变化不大；状态安全指数呈现东西高、南北低的特点，森林覆盖率、土地类型多样性及农转非比例、自然灾害成灾率是造成状态安全指数空间分异的主要原因；生态安全响应指数呈现区域分化和圈层特征，表现为离城镇中心越近指数越高，越远指数越低.经济发展加速和生态环境治理工程的持续开展使流域响应安全指数呈增长的趋势.
从土地生态安全各子系统耦合协调度来看，压力、状态、响应三大子系统之间耦合度较高，安全指数差异较小.80%的乡镇子系统间协调度不足0.7，与同期耦合度相比明显偏低.根据土地生态安全综合指数及各子系统耦合协调度可将流域分东部山区、东北部远郊区、西部旅游发展区、南部农业生产区、北部建城区5个区域，不同区域土地安全等级与耦合协调度存在明显差异，今后发展方向也各有不同.
利用PSR模型和耦合协调度模型能有效反映区域土地安全状况，计算结果与抚仙湖流域实际基本吻合.PSR模型中压力、状态、响应三大子系统间绝不是简单的线性关系，一个子系统的优化虽然在短期内有利于整个系统生态安全等级提升，但不利于系统长期稳定，只有三大子系统协调进步才能推动整个系统健康有序发展.在三大子系统中，响应措施实施的方向与力度对整个系统的安全状况起着决定性作用.如果响应措施仅针对状态而没有针对压力，可能会使系统安全现状得到缓解，但却未解决存在的隐患，未来仍有朝着不安全发展的风险；反之，如果响应措施仅针对压力而没有针对状态，系统安全状况改善效果在短期内就难以显现.只有兼顾压力和状态两方面制定响应措施，系统安全格局的优化才更为快速有效.然而，在现实中很难区分究竟哪些措施是针对压力，哪些是针对状态，这为针对性强的改善型策略的提出带来了难度.
集成预测结果hensemble（x）=f（hi（x））=y与Bagging算法不同，Boosting算法第一次构建基分类器给每一个训练数据样本赋予动态权重，加强分类错误样本权重。在下一次基分类器采用新的样本权重进行随机抽样构建新的基分类器并以此类推构建多个基分类器，并形成一个精度较高的强分类器。
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Assessment and Optimization of Land Ecological Security in the Fuxian Lake Basin
YIN Juan
(School of Geography and Land Engineering,Yuxi Normal University,Yuxi,Yunnan 653100)
Key Words ： land ecological security;PSR model;coupled coordination degree model;Fuxian lake basin
Abstract ：An index system for evaluating the ecological security of the land in the Fuxian lake basin was constructed with PSR model.The regional land ecological security index was calculated with comprehensive index method and the degree of coupling coordination among pressure system,state system and response system was explored with coupling coordination degree model.The results show that: (1) the comprehensive index of land ecological security in the Fuxian Lake basin is low and the differences among townships are obvious.The ecological security in the built-up areas of towns in the north and the agricultural production areas in the south of the basin is poor.The ecological security in the eastern mountain areas is better.The ecological security in the western tourism development zones is stable,moderate and deteriorating.The focus of ecological insecurity tends to move southward and expand westward.(2) Different subsystems show different characteristics.The response security index shows a trend of growth because of the development of economy and continuous ecological improvement.The pressure safety index is higher and has little change each year.The state safety index is higher in the East and west,lower in the North and south.The safety response index shows a regional differentiation and circle characteristics.(3) The coupling degree between pressure system,state system and response system is high,but the coordination is insufficient.
[作者简介] 尹 娟，硕士，讲师，研究方向：土地利用与国土规划研究.
[基金项目] 云南省应用基础研究项目“基于RS与GIS的抚仙湖流域土地利用/覆被变化及其生态安全评价与优化”(项目编号：2015FD090)；云南省应用基础研究项目——地方高校联合专项“滇中城市群综合承载力时空演变机理和调控研究”(项目编号：2017FH001-046).
[中图分类号] F301
[文献标识码] A
[文章编号] 1009-9506(2019)03-0098-09
标签：抚仙湖流域论文; 土地生态安全论文; PSR模型论文; 耦合协调度模型论文; 玉溪师范学院地理与国土工程学院论文;