PSR框架下土地生态系统健康诊断

摘要：建立了基于PSR模型的土地生态系统健康评价指标体系，运用改进的熵值法与障碍度模型诊断了四川省土地生态系统健康水平。研究分析结果：（1）2000-2013年四川省土地生态系统健康水平总体不断提升，综合指数从0.478 5增加到0.643 2，健康水平等级经历了“临界状态-亚健康”的演变历程；（2）总体来看，压力指数、状态指数呈现下降趋势，响应指数呈现上升趋势；（3）长远来看，系统压力是影响土地生态系统健康水平的首要因素，2000-2013年系统压力、系统状态的障碍度分别以年均5.14%、4.15%的速度增加，而系统响应的障碍度以年均3.87%的速度下降；（4）单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、土地垦殖率、水土流失程度、单位耕地农药负荷、人均建设用地等是土地生态系统健康水平等级提高的关键制约因素。
　　关键词：土地生态系统健康；诊断；改进的熵值法；PSR模型；四川
　　改革开放以来，我国经济社会快速发展，环境与发展之间的不协调问题日益凸显，土地生态环境呈现恶化趋势，土地质量呈现下降趋势，土地生态系统健康面临一定的威胁[1-3]。因此，开展土地生态系统健康研究，剖析土地生态系统健康水平的制约因素，优化土地生态系统健康水平的提升路径，改善土地生态系统健康状况，对于加强生态文明建设，保障我国生态安全，促进社会经济可持续发展具有非常重要的意义[3]。
　　目前，关于土地生态系统健康的研究主要集中在土地生态系统健康内涵、土地生态系统健康机理、土地生态系统健康水平分析和土地生态系统健康调控等几个方面[3-8]。总体来看，土地生态系统健康评价研究尚属起步阶段，定性分析相对较多、定量研究较少；土地生态系统健康水平评价是对土地生态系统的综合诊断，主要包括资源的开发、生态环境质量、政策管理水平等，但目前的评价指标主要集中于资源、环境状况，很少综合考虑人类活动、社会经济等对土地生态系统健康水平诊断的作用；评价指标权重的测算多采用德尔菲法、层次分析法等，此类方法虽因研究较为成熟而被广泛应用，但评价指标权重的测算多包含人为因素，时常因选择的专家不一样而产生较大的差异，导致研究结果趋于不稳定[9]。PSR模型综合考虑社会、经济、资源与环境，突出了人地关系；改进的熵值法根据评价指标的固有信息测算评价指标的权重，能够避免一些主观确权法所带来的结果不稳定的问题。
　　鉴于此，本研究建立了PSR框架下土地生态系统健康评价指标体系，运用改进的熵值法、障碍度模型对四川省土地生态系统健康水平评价进行实证分析，诊断了土地生态系统健康水平的制约因素，以期为提高土地生态系统健康水平提供一定的参考依据。
　　1材料与方法
　　1.1区域概况与数据来源
　　四川省地处长江上游，东与重庆市接壤，南与云南省、贵州省相连，西邻西藏自治区，北接青海、甘肃、陕西省[9]。四川省包括18个地级市与3个自治州，自然资源丰富，光热条件好，是我国重要的农业经济区、粮食主产区。伴随着经济社会快速发展，发展与环境之间的不协调问题日益凸显，土地生态环境呈现恶化趋势，土地质量呈现下降趋势，土地生态系统健康水平亟待提升。
　　PSR框架下土地生态系统健康诊断数据主要来源于《四川统计年鉴（2001-2014）》《四川农村统计年鉴（2001-2014）》《中国环境统计年鉴（2001-2014）》《中国统计年鉴（2001-2014）》《中国农村统计年鉴（2001-2014）》《中国农业年鉴（2001-2014）》以及四川省土地利用变更调查数据等。
　　1.2研究方法
　　1.2.1指标体系构建
　　土地生态系统健康是指在自然因素、人为因素共同作用下土地生态系统仍然能够维持自我恢复能力，自身结构合理，功能得到正常发挥，满足人类以及经济发展的需要[3-8]。土地生态系统健康诊断是以土地生态系统为分析对象，综合剖析自然生态要素、社会经济要素，评价自然因素与人为因素带来的系统破坏、退化程度[9-10]。PSR框架是由联合国OECD和UNEP提出的[11-12]，该框架基于因果关系开展分析，主要目的在于剖析生态系统的可持续性，建立人类活动与生态环境之间的因果链[13]。本研究借助PSR框架开展土地生态系统健康水平诊断（图1）。
　　在土地生态系统健康水平诊断中引入PSR框架能够从总体上体现土地生态系统、社会经济发展目标与管理决策之间的相互依存、相互制约的关系（图1）。从土地生态系统健康内涵、PSR框架出发，遵循指标体系构建的科学性、可获取性、系统性与可比性等原则，在参考相关文献的基础上，建立了基于PSR模型的土地生态系统健康评价指标体系（表1）。
　　1.2.2评价模型建立
　　1.2.2.1标准化处理
　　本研究采用极差法[3]对土地生態系统健康评价指标数据开展标准化处理，计算公式如下：
　　[JZ（]正向指标：Xij′=（Xij-minXj）/（maxXj-minXj）；[JZ）][JY]（1）
　　[JZ（]负向指标：Xij′=（manXj-Xij）/（maxXj-minXj）。[JZ）][JY]（2）
　　式中：Xij、Xij′代表第i年第j项评价指标的原始值、标准化值，maxXj、minXj代表第j项评价指标的标准最大值、标准最小值。制定评价指标标准值（健康值、病态值）主要依据国家、地方、行业及国际相关标准，研究区域本底背景值，全国平均水平等[3，8-9]。[FL）]
　　1.2.2.2指标权重的确定
　　不同评价指标对土地生态系统健康水平的影响程度存在一定的差异，需要对评价指标赋以一定的权重，本研究采用改进的熵值法来确定土地生态系统健康水平评价指标权重，具体步骤如下[9，14]：
　　（1）土地生态系统健康水平评价指标标准化处理。由于不同的评价指标具有不一样的量纲，需要对土地生态系统健康水平各评价指标数据进行标准化变换[14]：
　　[HS+6mm]Xij″=（Xij-X[TX-]j）/sji=1，2，…，m；j=1，2，…，n。[JY]（3）
　　式中：Xij″代表评价指标标准化后的值；X[TX-]j代表第j项评价指标的均值；sj代表第j项评价指标的标准差。
　　（2）开展坐标平移：Xij=H+Xij″。式中：Xij代表平移后的指标值，H代表指标平移的幅度。
　　（3）测算第j项评价指标下的i个样本值的比重，Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij。
　　（4）测算第j项评价指标熵值。ej=-k∑[DD（]mi[DD）]Pijln（Pij），k>0，ln表示自然对数，ej>0。假设Xij对于给定的j一样，则 [JP3]Pij=Xij/∑[DD（]mi=1[DD）]Xij=1/m，此时ej达到最大，即ej=-k∑[DD（]mi=1[DD）][SX（]1m[SX）]ln[SX（]1m[SX）]=[JP]klnm。假设k=1/lnm，ej=1，因此0≤ej≤1。
　　（5）测算第j项评价指标差异性系数gj，gj=1-ej。
　　（6）测算第j项评价指标的权重wij：wij=gj/∑[DD（]mi[DD）]gj，j=1，2，…，n。
　　1.2.2.3计算综合指数
　　本研究运用综合评价法测算土地生态系统健康水平，具体公式如下[2]：
　　[JZ（]F=∑[DD（]3i=1[DD）]wi×（∑[DD（]nj=1[DD）]Xij′×wij）。[JZ）][JY]（4）
　　式中，F代表土地生态系统健康水平，wi代表第i子系统权重，wij代表第i子系统第j项评价指标权重，n代表第i子系统所包含的评价指标数。F越接近1，代表土地生态系统健康水平越高。在借鉴国内外生态系统健康等级划分的基础上[3-4]，将土地生态系统健康水平划分成5个等级，具体为病态、不健康、临界状态、亚健康与健康（表2）。
　　1.2.3障碍因素诊断
　　在土地生态系统健康水平诊断的基础上，开展土地生态系统健康的病理分析，剖析影响土地生态系统健康水平的制约因素[15]。障碍因素测算采用因子贡献度、指标偏离度、障碍度3个指标进行诊断，因子贡献度（Uj）表示各评价指标对土地生态系统健康水平的权重，指标偏离度（Iij）表示土地生态系统健康各评价指标标准化值与100%之差；障碍度（Yj，yj）分别表示各评价对象分类指标、单项指标对土地生态系统健康水平的影响程度，计算公式如下[15-16]：
　　[HS2][JZ（]yij=Iij×wj/（∑[DD（]nj=1[DD）]Iij×wj），Yij=∑yij。[JZ）][JY]（5）
　　2结果与分析
　　根据土地生态系统健康评价指标体系收集相关数据，采用改进的熵值法测算各评价指标权重，在此基础上测算四川省土地生态系统健康水平（图2）。
　　2.1综合评价结果
　　研究结果显示，2000-2013年，四川省土地生态系统健康水平总体上呈现上升趋势，土地生态系统健康状况得到进一步改善。土地生态系统健康综合指数由2000年的0478 5上升至2013年的0.643 2，四川省土地生态系统健康状况总体上不断好转，年均增长率达到2.65%，由此可见，四川省土地生态系统健康水平总体上不断提升。参考土地生态系统健康水平分级标准， 四川省土地生态系统健康水平由临界状态
　　等级提升为亚健康等级，研究发现，2000-2013年四川省经济发展水平不断提高，收入水平持续提升，生态保护意识不断强化；单位耕地面积农业机械动力不断增加，耕地粮食单产有效提高；生态环境保护建设力度不断加强，加大了对废水、废气污染的控制力度，深入开展水土流失治理，水土流失治理率持续提高，提高了土地生态系统健康水平。
　　2.2分类指标对比
　　2000-2013年，四川省土地生态系统健康压力指数总体上呈现下降趋势，从2000年的0.6598降低至2013年的0611 6，表明土地生态系统的压力状况有所恶化（负向指标）[9]，人类对土地生态系统的干扰有所强化。根据变化趋势能够将压力指数变化划分为5个阶段：（1）2000-2001年压力指数缓慢增长，增长率为1.75%；（2）2001-2009年压力指数下降幅度相对较大，递减率为2.64%；（3）2009-2010年压力指数增长幅度较大，增长率为17.16%；（4）2010-2012年压力指数缓慢下降，递减率为1.51%；（5）2012-2013年压力指数缓慢增长，增长率为1.62%。不难看出，随着四川省经济发展水平不断提高，土地生态系统压力总体上持续提高，近年来，土地生态系统压力有所缓解。2000-2013年四川省土地生态系统健康状态指数呈波动下降趋势，2013年状态指数是2000年的0.96倍，下降幅度不大。除2006年以外，其他年份的土地生态系统健康响应指数均逐年增大，健康水平迅速提升，2013年土地生态系统健康响应指数是2000年的3.55倍，年均增长率为19.62%。从图2可以看出，2000-2005年土地生态系统健康响应指数上升幅度较大，年均增长率达到25.89%，促进了土地生态系统健康水平的提高；2006-2013年土地生态系统健康响应指数上升幅度较小，年均增长率仅为8.05%。
　　2.3障碍因素诊断
　　2.3.1主要障碍因素
　　依据障碍因素测度方法，对四川省2000年与2013年土地生态系统健康障碍度进行了测度。2000年，四川省土地生态系统健康水平提升的障碍因子主要体现在系统响应与系统状态，具体包括工业固体废物综合利用率、生活污水治理率、工业废水排放达标率、农民人均纯收入、水土流失治理率、单位耕地农业机械动力等；2013年，四川省土地生态系统健康水平提升的障碍因子主要集中在系統压力与系统状态，具体包括单位耕地化肥负荷、水土流失程度、土地垦殖率、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、人均建设用地、工业固体废物综合利用率等。从土地生态系统健康单项指标来看，2000-2013年，单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、水土流失程度、人均建设用地、单位耕地农药负荷、土地垦殖率等指标障碍度增长幅度较大。结果表明，虽然四川省一直深入开展水土流失治理，但由于易水土流失区域较大，且存在反复的现象，目前，四川省水土流失程度仍较大，还需进一步加大治理力度，有效保护土地资源。随着经济发展水平的持续提高，四川省固定资产投资增长速度明显提升，但这种高速增长是以资源高消耗为代价的，建设用地面积持续增加，耕地面积不断下降，土地资源集约利用水平不高。对于农业生产而言，单位耕地农药施用强度、单位耕地化肥施用强度仍在提高。
　　2.3.2分类指标的障碍度
　　在单项指标障碍度测度的基础上，进一步测度四川省土地生态系统健康水平分类指标障碍度（图3）。总体来看，系统压力与系统状态的障碍度呈现上升的趋势，而系统响应的障碍度在波动中呈下降态势。从3类指标障碍度测算结果来看，2008年之前系统响应障碍度最大，从2009年开始，系统压力障碍度最大，其次是系统响应、系统状态；2012年以后系统状态障碍度超过系统响应，排名第2。由此可知，提高土地生态系统健康水平必须从系统压力、系统状态入手，同时合理改善系统响应。总体来看，2000-2013年系统压力与系统状态的障碍度分别以年均514%、4.15%的速度提高，系统响应的障碍度以年均387%的速度下降。从长远来看，系统压力会成为影响四川省土地生态系统健康的首要因素。
　　3结论与建议
　　2000年以来，四川省土地生态系统健康水平总体不断提高，2013年土地生态系统健康综合指数是2000年的1.34倍，且土地生态系统健康水平由2000年的临界状态等级提升为2013年的亚健康等级；土地生态系统健康压力指数、状态指数总体上呈现下降趋势，土地生态系统健康响应指数总体上不断提高；系统压力、系统状态对土地生态系统健康水平影响较大，2000-2013年系统压力、系统状态的障碍度分别以年均5.14%、4.15%的速度提升；制约土地生态系统健康水平提升的主要因子包括单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、土地垦殖率、水土流失程度、单位耕地农药负荷、人均建设用地等。
　　根据土地生态系统健康水平诊断结果，进一步优化调整产业结构，加快经济转型升级，提高经济发展质量，强化土地利用监管，持续提升土地利用集约化水平，降低经济发展对土地资源的消耗；普及农业清洁生产，加快生态循环农业建设，持续推进化肥农药减量化；大力开展农村土地整治，推进土地科技创新，持续增加耕地资源数量、提升耕地资源质量；进一步加强环保资金投入，深入开展环境治理，有效降低水土流失程度，促进四川省土地生态系统健康状况改善。
　　实证分析结果表明，PSR模型以因果关系为基础，综合分析社会经济、人类活动、资源环境之间的关系，可以更准确地体现土地生态系统、社会经济发展目标与管理决策之间的相互关系；改进的熵值法依据土地生态系统健康评价指标之间的差异，采用信息熵测算评价指标权重，能够避免主观赋权法的不稳定问题，可以提高土地生态系统健康诊断的质量；PSR框架下的土地生态系统健康评价指标体系与改进的熵值法能够实现对土地生态系统健康水平的诊断。
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