基于改进TOPSIS模型的土地生态安全评价*
——以安徽省为例

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(安徽农业大学 经济管理学院，安徽 合肥 230036)

十九大报告中提出，打造生命共同体，统筹推进山、水、林、田、湖草系统治理，建设美丽中国。土地作为最重要的自然资源，对于生态文明建设具有重要意义，而高速发展的经济社会与有限的土地供给之间的矛盾，导致耕地占用、水域破坏、土壤污染等问题突出。土地生态安全关系国民生活与社会发展的方方面面，是国家政治、经济和社会安全的重要载体，因而土地生态安全评价十分必要。

目前，国内外学者对土地生态安全评价多有研究，国外研究多侧重于土地污染[1-2]、土地适宜性研究[3]；国内在研究区域方面主要集中于西北、西南等生态环境脆弱地区[4-5]，研究对象以湖泊、湿地、绿洲、山区为主[6-8]，研究方法上涉及主成分分析法[9]、TOPSIS模型[10]、PSR模型[11]、生态足迹法[12-13]、物元模型[14]、GIS模型[15]、灰色关联度模型[16]等。就研究区域而言，对中部地区研究较少，已有对安徽省的土地生态安全评价中，多为使用时间序列数据评价不同年份土地生态安全变化[17]；研究方法仅涉及传统TOPSIS模型、BP神经模型[18]等方法。因而，本研究借助改进TOPSIS模型，基于PSR模型使用2016年安徽省各地级市截面数据构建评价指标体系，进行土地生态安全评价，并与2012年比较，探究影响安徽省土地生态安全的主要因素，以期为安徽省生态文明建设提供借鉴。

一、评价指标构建与研究方法

(一)指标体系构建

PSR模型[19]是经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)于20世纪八九十年代共同发展起来的用于研究环境问题的框架体系，现阶段构建生态安全评价指标体系多使用该模型。本研究综合考虑安徽省土地生态安全状况并参考已有相关研究成果，按照科学性、全面性、适用性和可操作性的要求，利用人口密度、常住人口自然增长率、城市化水平等24个指标构建土地生态安全评价指标体系(见表1)，以实现全面客观的土地生态安全评价。

表1　土地生态安全评价指标体系及权重

注：表中“-”和“+”分别表示指标对土地生态安全的负向作用和正向作用。

(二)研究方法

1.数据处理

研究数据主要来源于2013年、2017年《安徽省统计年鉴》和安徽省各地级市《国民经济与社会发展统计公报》。由于研究指标涉及领域、单位和性质存在差异，不能直接进行比较分析，因此对其进行规范化处理，通过公式(1)、(2)对数据进行极差标准化。

(1)

(2)

其中，Yij表示原始指标规范化处理之后的值，xij表示第i个地区j指标原始值，Min{xj}和Max{xj}表示第j项指标的最小值和最大值。

2.权重确定

确定指标权重的方法有主观赋值法和客观赋值法，考虑到主观赋值法受决策者意愿影响，主观随意性较强，因此本研究采用客观赋值法中的熵权法确定指标权重。

(3)

(4)

3.改进的TOPSIS模型

TOPSIS模型由Hwang和Yoon[20]于1981年首次提出，其原理是通过计算评价对象与理想化目标之间的距离来衡量方案的优劣，当方案靠近理想值且远离负理想值则为最优方案。当方案的解关于理想值对称时，TOPSIS模型不能有效地解决，本研究通过计算加权距离以改进传统模型的弊病。具体过程如下：

第一步，对决策矩阵Yij进行规范化处理得Zij：

(5)

其中，Yij表示经过公式(1)和公式(2)的标准化处理后，第i个评价对象在第j个指标上的取值。

第二步，确定各评价指标的正理想解和负理想解：

(6)

(7)

其中，J1={正向指标}，J2={负向指标}，j=1,2,…,m。

第三步，计算各评价指标距离理想解的加权距离：

i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(8)

i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(9)

第四步，计算各评价指标与最优方案的接近程度：

(10)

(三)土地生态安全等级标准

土地生态安全等级为衡量区域土地生态安全提供了评价标准，但现阶段对土地生态安全等级划分并无统一规定。在综合已有研究成果的基础上，根据TOPSIS模型测算的各方案值与理想值的贴近程度，形成一套土地生态安全等级标准(见表2)，为评价区域生态安全作出指导。

表2　土地生态安全等级标准

二、安徽省土地生态安全评价实证分析

(一)研究区概况

安徽省位于华东地区，介于东经114°54′～119°37′，北纬29°41′～34°38′之间，长江、淮河、新安江的横贯划分出由北到南的淮北平原、江淮丘陵、皖南山区三大自然区域。辖境国土面积14.01万平方千米，2016年常住人口达6 196万人，国内生产总值24 117.9亿元，水资源总量为1 245.17亿立方米，森林覆盖率为28.65%，林业用地面积达449.3万公顷[21]。随着长江经济带、中原城市群、皖江示范区等规划建设推进，尤其是“十三五”规划中生态强省、“三重一创”建设的提出，安徽省在经济发展的同时更需注重土地生态安全。

(二)安徽省土地生态安全评价

结合安徽省2016年相关数据，依据PSR模型构建安徽省土地生态安全评价指标体系，对数据规范化处理，通过熵权法计算指标权重，利用改进的TOPSIS模型测算2016年各地级市土地生态安全理想值和实际值的贴近度，按照土地生态安全等级标准判断，实现对安徽省土地生态安全评价。此外，通过对比2012年安徽省土地生态安全评价结果，根据不同年份变化，判断影响区域土地生态安全主要因素，为提高各城市土地生态安全水平提供针对性政策建议。

1.土地生态安全综合评价

根据2016年安徽省土地生态安全评价结果(见表3)，对各地级市土地生态安全进行综合评价。首先，通过各地级市生态安全与理想值的贴近度判断生态安全等级。总体上，安徽省土地生态安全综合贴近度均高于0.3，平均值为0.405 2，达到基本安全水平。可见，随中原城市群、长江经济带、皖江示范区等建设，安徽经济迅速发展，城市化进程加快，但土地生态环境依然十分脆弱，各地生态文明建设力度仍需加强。就地理位置而言，南部优于北部，皖南山区土地生态安全评价结果高于江淮丘陵城市，北部平原城市整体处于较低水平。其中，合肥市、马鞍山市、宣城市、铜陵市、池州市和黄山市六市的土地生态安全等级均为Ⅲ级，综合贴近度最高值为黄山市0.512 47，最低值为宣城市0.419 35，平均值为0.451 34，土地生态状况处于基本安全状态，生态服务功能相对完善，生态结构合理稳定，生态环境处于较好水平。

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表3　2016年安徽省土地生态安全评价结果

其次，通过比较压力、状态和响应指标差异综合评价土地生态安全。整体上，安徽省土地生态安全压力较大，最大值为蚌埠市0.628 11，且平均值也达到0.505 5，可见2016年安徽省在经济发展中土地面临巨大压力，工业产值的增长以生态环境为代价，对生态环境造成严重负担。土地生态安全状态指标皖南各市较高，达到基本安全水平，皖中、皖北城市土地生态安全水平较低，其中黄山市达最高值0.601 27，一方面由于皖南城市森林覆盖、水资源总量、空气质量高于皖中皖北各市；另一方面，人口相对较少，经济发展对土地资源压力相对较小也是重要原因。土地生态安全响应指标全省呈较大幅度波动，其中合肥、马鞍山、芜湖和蚌埠居前列，且合肥达最大值0.803 32，第三产业比重、“三废”整治以及生态保护力度是影响地区土地生态安全的主要因素。就生态安全等级为Ⅲ级的合肥市来看，其生态安全压力大，状态较低，但响应指标评价高达0.803 32，主要由于近几年合肥市生态文明建设力度的加大，包括“十二五”期间耕地保护、累计造林78 533公顷、空气整治“九招治霾”、巢湖治理“八大工程”、能源生产“总量减排”等措施的推进，使合肥市土地生态安全虽面临巨大压力，仍能处于基本安全状态。

2.土地生态安全比较分析

为探索安徽省土地生态安全建设状况，以5年为研究阶段，比较“十二五”规划与“十三五”规划中安徽省土地生态发展情况。因此，利用2012年安徽省数据，测算当年土地生态安全指标与理想值贴近度，对比2012年与2016年土地生态安全水平分析安徽省土地生态安全变化(见图1)。

图1　2012年和2016年安徽省各地级市土地生态安全评价结果

通过2012年和2016年综合对比分析，发现安徽省2012年土地生态安全最高值仍为黄山市0.553 61，全省平均值为0.400 4，达到基本安全水平，全省整体生态安全水平低于2016年。2012年提出打造文化强省、经济强省和生态强省，通过调整产业结构和增长方式保护生态环境，并加强水域整治，森林覆盖率提高，土地生态安全质量增强，达基本安全水平。其中从2012年到2016年，合肥、亳州、宿州、淮南和马鞍山五市土地生态水平皆有所提高，其造林面积、城市污水治理和工业固废利用效率等指标明显优于2012年，生态保护和土地综合利用为土地生态安全提供保障。淮北、六安、芜湖、池州、安庆和黄山六市土地生态安全水平有所下降，主要由于城市化进程加快，人口剧增导致建设用地无序扩张，土地资源人口压力巨大，成为制约生态安全综合评价结果的主要因素。蚌埠、阜阳、滁州、宣城和铜陵五市土地生态安全存在小幅波动，基本稳定在相应安全等级，综合各指标来看，各市生态环境面临压力巨大，人口与土地、资源间矛盾依然尖锐，土地生态安全处于稳定状态，但仍有提升空间，通过土地整治、耕地保护等手段可以进一步提高生态安全等级。

此外，可以发现2012年和2016年对比中淮南市土地生态安全水平有小幅上升，铜陵市整体波动不大，而六安市和安庆市则小幅下降，出现这一情况与2015年安徽省行政区划调整密切相关。2015年寿县由六安市划分至淮南市，一定程度上影响淮南市造林面积、经济密度等，使其生态安全状况得到优化；反之，导致六安市土地生态安全水平小幅下降。枞阳县原属于安庆市，2015年划分至铜陵市，该县地理位置优越，位于长江流域，河湖众多，水系十分发达，生态状况良好，行政区划调整对安庆市2016年空气质量、森林覆盖等指标造成影响，进一步影响土地生态安全水平，而铜陵市由于区域面积和人口的增加，综合全市各要素来看，波动不大。

三、结论与讨论

本研究以安徽省为例，根据PSR模型构建评价指标体系，基于改进型的TOPSIS模型，对安徽省2016年土地生态安全状况进行评价，得出如下结论：首先，借助熵权法测算各指标权重，发现影响土地生态安全的主要因素集中在人口密度、人均水资源量、农业机械化水平、经济密度和森林覆盖率等方面，因而提升区域土地生态安全水平应注重此类要素投入。其次，2016年安徽省整体土地生态处于较不安全状态，少数城市达到基本安全状态，集中在皖南地区，皖中、皖北城市土地生态安全水平较差。安徽省土地生态结构较脆弱，生态环境遭到比较严重破坏，生态服务功能仍有缺陷，土地受到外界干扰恢复较困难。最后，2016年安徽省土地生态安全状态略高于2012年水平。通过比较压力、状态、响应和综合评价指标变化，发现2012年土地资源人口压力大，人均公共绿地面积少，农业农药化肥施用量居高不下，安徽省通过合理控制人口规模，引导建设用地有序扩张和土地整治，提高耕地质量，减轻土地生态压力。