基于物元分析的土地生态安全评价

第26卷第3期农业工程学报V ol.26 No.3

316 2010年3月 Transactions of the CSAE Mar. 2010 基于物元分析的土地生态安全评价

黄辉玲1,2，罗文斌1，吴次芳1，李冬梅2

（1．浙江大学东南土地管理学院，杭州 310029；2．黑龙江科技学院建筑工程学院，哈尔滨 150027）

摘 要：针对综合指数评价存在的信息屏蔽和主观性问题，该研究采用物元分析法对中国土地生态安全进行评价。在诠释土地生态安全概念的基础上，基于“经济-环境-社会”模式和层次分析法构建土地生态安全评价指标体系，运用物元分析方法构建土地生态安全评价的综合评判模型，并以河北省为例进行了实证研究。结果表明：从2005－2007年河北省土地生态安全整体上呈现出由临界安全向较安全跃升的趋势，2004年之后的河北省环保政策和措施绩效明显；人均耕地面积、农药施用量和工业废水排放达标率成为制约河北省土地生态安全水平的因素。从而得出结论：物元模型能够揭示单个评价指标的分异信息，物元分析方法适用于土地生态安全评价。

关键词：生态，土地利用，数学方法，生态安全，物元分析

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.03.054

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-03-0316-07

黄辉玲，罗文斌，吴次芳，等. 基于物元分析的土地生态安全评价[J]. 农业工程学报，2010，26(3)：316－322.

Huang Huiling, Luo Wenbin, Wu Cifang, et al. Evaluation of land eco-security based on matter element analysis[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(3): 316－322. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

土地生态安全是一个全新的概念，它来源于近年来兴起的“生态安全”的研究。关于生态安全，其确切的含义还没有科学的界定。一般认为，它是指一个国家或地区的生态环境资源状况不受或少受来自于资源和生态环境的制约与威胁的状态[1]。它包括双重的含义，其一是生态系统自身的安全，即其自身结构未受破坏；二是生态系统对于人类是否安全，即生态系统所提供的服务是否满足人类的生存需要。生态安全包括国土资源安全、生物安全、生态系统安全、环境与健康安全等[2]。诸多生态安全问题的出现，从根本上是不合理的土地开发利用的结果[3]。

近年来，日益突出的水土流失、土壤沙化、草场退化和森林减少等土地生态问题引起了人们的广泛关注和重视，众多学者对土地生态安全展开了研究[4-8]。综合以上的研究，笔者认为土地生态安全是指在一定时空范围内，土地生态系统能够保持其结构和功能不受或少受威胁的状态，同时，土地生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需求，从而达到土地环境、社会和经济复合体的长期协调发展。可见，土地生态安全是土地资源可持续利用的核心和基础，土地生态安全研究已成为当前土地资源可持续利用研究的前沿课题[9]。人口的增长和经济的发展已对某些区域的土

收稿日期：2009-03-23 修订日期：2009-10-20

基金项目：中国博士后基金项目（20080430210）

作者简介：黄辉玲（1973－），女，黑龙江省哈尔滨市人，副教授，博士，研究方向为土地资源管理、房地产经济。杭州浙江大学公共管理学院，310029。Email: huanghuiling00@ 地生态系统造成冲击与破坏，某些破坏已经达到甚至超过了土地的生态承受能力，因此，对土地生态安全进行科学评价，准确掌握土地生态安全状态成为区域可持续发展测度的一个重要内容，也是进行土地生态安全环境分析、土地利用规划与建设、土地生态安全预测和预警的重要依据[10]。

目前，土地生态安全评价研究尚属起步阶段[7,9]，相关研究的主要不足体现在：第一，目前对土地生态安全评价定性分析多，定量研究少；第二，传统土地生态安全评价研究中评价等级的判定都是先求评价对象的评价综合值，然后主观确定等级取值范围并划分若干等级，各等级取值范围一般取0～100或者0～1之间的若干均等分，最后根据评价综合值归等评级，这种方法的主观性较强；第三，定量研究较多使用综合指数分析方法，其方法是将分散的信息通过模型集成，再进行综合值分级来评价研究对象的综合水平，但该方法无法识别单指标、总体指标与评价等级之间的隶属程度，也会遗漏单指标之间的一些评价信息[11]。而本研究所采用的物元分析法的关联函数属于（-∞，+∞），极大地拓展了它的研究范围，能提示更多的分异信息；在等级确定上结合某些客观标准先对评价指标的经典域进行区间界定，然后通过单指标的关联函数计算得到单指标状态，再通过模型集成得到多指标的综合水平，提高了等级判定的客观性和科学性。许多研究证明，该方法已广泛应用于环境质量评价[12]、农用地分等定级[13]和土地项目决策[14-15]等方面。目前将物元模型应用于土地生态安全评价的研究较少[16]。本文以河北省为例，探讨物元分析法在土地生态安全评价中的应用，并对2005—2007年各年的土地生态安全状况进行比较，对各单个指标提供的分异信息进

第3期 黄辉玲等：基于物元分析的土地生态安全评价 317

行分析，对区域土地生态安全评价方法作一种尝试与探索，以期验证环境保护政策和措施的成效。

1 土地生态安全评价的物元模型

物元模型由中国学者蔡文教授于20世纪80年代初创立，主要用于解决不相容的复杂问题，适合于多因子评价。土地生态安全可以看成一个不相容的问题，根据物元分析法构建土地生态安全评价物元模型，基本步骤如下[11,17]。

1.1 确定土地生态安全物元

土地生态安全N ，土地生态安全特征c 和特征量值v 共同构成土地生态安全物元。假设土地生态安全N 有多个特征，它以n 个特征c 1,c 2,…c n 和相应的量值v 1,v 2,…v n 描述，则表示为

1

112

22n

n n v R N c v R c R v R c ==#

##

式中R ——n 维土地生态安全物元，简记R =(N ,c ,v )。 1.2 确定经典域与节域物元矩阵

土地生态安全的经典域物元矩阵可表示为

111

222

,(,)(,)

(,)(,)

oj oj oj oj oj oj oj i o ojn ojn n

a b N c a b c R N C V a b c ==

## （1） 式中：R oj ——经典域物元；N oj ——所划分土地生态安全

的第j 个评价等级，j =(1,2,…n )；c i ——第i 个评价指标；(a oj 1,b oj 1)——对应评价等级j 的量值范围，即经典域。

土地生态安全的节域物元矩阵表示为

111222,(,)(,)

(,)(,)

p p p

p p p p n p pn pn n a b N c a b c R N C V a b c ==

##

（2） 式中：R p ——节域物元：v pi =(a pi , b pi )——节域物元关于特征c i 的量值范围；p ——土地生态安全全体等级。 1.3 确定待评物元

把待评对象N x 的物元表示为R x

1

12

2x x n

n v N c v c R v c =##

1.4 确定关联函数及关联度

土地生态安全指标关联函数K (x )的定义为

(,)

, ()(,)

, (,)(,)

o o

o

i o o

p o X X X X X K x X X X X X X X X ρρρρ−∈=

∉− （3）

式中

1

1(,)()()22

o o o o o X X X a b b a ρ=−+−−

（4）

11(,)()()22

p p p p p X X X a b b a ρ=−+−−

（5）

式中：ρ(X ,X o )——点X 与有限区间X o =[a o ,b o ]的距离；ρ(X ,X p )——点X 与有限区间X p =[a p ,b p ]的距离； |X o |=|b o －a o |，X ，X o ，X p ——待评土地生态安全物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。 1.5 计算综合关联度并确定评价等级

待评对象N x 关于等级j 的综合关联度K j (N x )为

1()()n

j x i j i i K N a k x ==∑ （6）

式中：K j (N x )——待评对象N x 关于等级j 的综合关联度；k j (x i )——待评对象N x 关于等级j 的单指标关联度j =(1,2,…m )；a i ——各评价指标的权重。若

max[()], 1,2,ji j i K k x j n ==" （7） 则待评对象第i 指标属于土地生态安全标准等级j 。

max[()], 1,2,jx j x K K N j n ==" （8）

则待评对象N x 属于土地生态安全标准等级j 。 关联度数值k (x )在实数轴上的大小表征了待评对象隶属于土地生态安全水平某一标准的程度，物元模型的关联度将逻辑值从模糊数学的[0，1]闭区拓展到 (-∞,+∞)实数轴后，比模糊数学的隶属度所代表的内涵更为丰富，能揭示更多分异信息：当k (x )≥1.0时，表示待评对象超过标准对象上限，数值越大，开发潜力愈大；当0≤k (x )＜1.0时，表示待评对象符合标准对象要求的程度，数值越大，愈接近标准上限；当-1.0≤k (x )＜0时，表示待评对象不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件，且数值愈大，愈易转化；当k (x )＜-1.0时，表示待评对象不符合标准对象要求，又不具备转化成标准对象的条件。

2 土地生态安全评价指标体系的构建及评价经典域的确定

2.1 土地生态安全评价指标体系的构建

在本研究界定的土地生态安全的概念基础上，以依据指标数据的可得性和方法的可操作性为原则，充分考虑区域土地生态安全各评价因子的复杂关系，借鉴国内相关的研究成果[7-11,18]，采用“经济（economy ）-环境（environment ）-社会（society ）”模式（EES 模式），来构建土地生态安全评价指标体系，如表1。

本研究采用专家咨询法和层次分析法（analytic hierarchy process ，AHP ）确定各指标权重，鉴于篇幅有限，具体计算方法不再赘述，结果见表1。