基于DPSIR-TOPSIS法的新疆土地生态安全评价

张晓娟，高敏华

（新疆大学资源与环境科学学院/绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046）

土地生态安全评价是当前土地生态安全研究的重要环节和主要方向，土地生态安全状态的准确把握对区域社会经济可持续发展、资源可持续利用、生态环境保护具有重要意义［1］。由于土地受到自然、社会、经济各方面因素的影响以及土地生态系统的复杂性，目前土地生态安全的概念还没有明确的定义。一般认为，土地生态安全是指土地资源所处的生态环境处于一种不受或少受威胁与破坏的状态［2］。土地生态安全是一个多因素相互影响、相互作用的复杂的巨系统，涉及的要素很多，合理的评价指标体系和方法均对其结果产生重要影响。然而，在指标上，已有的PSR概念模型不能把握系统的结构和决策过程［3］，人类活动对环境的影响只能通过环境状态指标间接地反映出来［4］。自然-经济-社会模型也存在一定缺陷，不能全面反映系统之间的相互作用过程。而欧洲环境署对PSR模型修正后提出的驱动力（Driving force）-压力（Pressure）-状态（State）-影响（Impact）-响应（Response）（DPSIR）概念模型从系统角度看待人和环境的相互关系，具有系统性、综合性等特点，能够监测各指标之间的连续反馈机制［5］，有利于反映土地生态安全的系统过程。在评价方法上，已逐步由定性为主走向定量为主，物元模型、熵权法、层次分析法、主成分分析法、模糊综合评判法、生态足迹、BP神经网络等方法均有较广泛的运用。随着现代信息技术的发展，基于3S技术的土地生态安全评价方法正逐步发展起来［6］。基于熵权法改进的TOPSIS法是系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用的决策技术，有利于系统分析土地生态安全与理想状态的差距，系统分解土地生态安全问题。

目前，国内学者对土地安全的研究较广泛。李玉平等［7］研究土地生态安全的概念，并运用层次分析法对河北省土地安全状况进行了评价；
孙德亮等［8］以重庆市为例，运用灰色关联法对该地区的土地生态安全进行了评价；
徐美等［9］以DPSIR为评价模型，结合TOPSIS法对湖南省土地生态安全进行了研究，杨晓玲等［10］运用PSR模型，基于压力指标对庄浪县土地生态安全进行了评价。本文以新疆为研究区，结合区域环境特征，据此尝试将DPSIR概念模型与基于熵权法改进的TOPSIS评价方法相结合，对新疆土地生态安全状况进行系统动态评价，以了解该区域土地生态安全状况，以期为制定土地可持续利用政策，采用合理的土地管理方式和建立可持续的土地利用模式提供依据。

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区，是中国5个少数民族自治区之一。新疆位于中国西北边陲，地处73°40′—96°18′E，34°25′—48°10′N，地理位置十分重要。其面积166万km2，约占中国国土面积的1/6，是中国行政面积最大的省级行政区，全区辖有14个地州市，其中包括5个自治州、7个地区和2个地级市。2018年末全区常住人口2 486.76万人。

1.2 数据来源

研究时段为2008—2019年，所用的研究数据主要来源于《新疆统计年鉴》《中国城市统计年鉴》以及新疆14个地州市的国民经济和社会发展统计公报，研究区行政区划矢量图由资源环境科学数据中心获取。

2.1 指标体系构建

DPSIR概念模型是欧洲环境署对PSR模型进行改进后提出的新模型，它将一个自然系统的评价指标分成驱动力、压力、状态、影响和响应5个系统，每个系统又分成若干种指标，并通过各系统间的作用和反馈表达它们之间的信息联系和动力学特点，即系统驱动力导致压力产生，压力迫使系统某些状态发生改变，状态的改变对系统产生影响，这些影响促使人类做出直接或间接响应。该模型系统描述了人类活动与环境之间相互作用的各因子之间的关系［11］，能够把复杂的问题分解细化，有利于土地生态安全问题的进一步解决。本研究借鉴DPSIR模型，在参考相关研究成果的基础上［12，13］，按照指标选取的完整性、动态性、科学性、实用性、针对性等原则，结合新疆实际情况，并考虑数据的可得性等因素，构建了新疆土地生态安全评价指标体系，详见表1。

表1 新疆土地生态安全评价指标体系

2.2 方法

2.2.1 熵权法熵权法是依据评价对象指标值所构成的判断矩阵来确定指标权重的一种研究方法，具有较强的客观性，可避免主观因素的影响，所以本研究采用熵权法来计算指标权重。

1）评价指标标准化。用极差标准化将各指标进行标准化［14］。

式中，xij为各指标的原始数据，Xij为各指标标准化值。

2）计算指标信息熵（Hj）。

式中，k=1 ln(m)且k＞0，Pij为第i年第j个指标值的比重。

3）计算第j项指标的差异性系数（Gj）。

4）计算指标权重（Wj）。

2.2.2 TOPSIS评价法［15］

1）建立加权规范化矩阵（V）。

式中，Yij为标准化后的矩阵。

2）确定正理想解和负理想解。分别以加权规范化决策矩阵V中的最大值和最小值代表正理想解（V+）和负理想解（V-），即：

3）计算不同年份评价对象到正理想解的距离。

式中，D+越大，表明评价对象越接近正理想解，土地生态越安全；
D-越小，表明评价对象越接近负理想解，土地生态越不安全。

4）计算各评价对象与理想解的贴近度（C）。

式中，C介于0～1，其值越大，表明土地生态状况越安全。

2.2.3 评价等级划分土地生态安全评价在中国尚处于探索阶段，还没有统一的评价标准，其评价标准不仅复杂，且需要因地制宜。参考相关学者的有关研究成果［16，17］，结合新疆土地生态安全评价的区域实际，采用非等间距的方法，依据贴近度C将新疆土地生态安全状况划为5个评判等级：C≤0.2，不安全；
0.2＜C≤0.4，较不安全；
0.4＜C≤0.6，临界安全；
0.6＜C≤0.8，较安全；
C≥0.8，安全。

3.1 新疆土地生态安全发展演变特征

3.1.1 新疆土地生态安全状况分析运用DPSIR评价模型和TOPSIS评价方法，计算得到新疆2008—2019年土地生态安全指数。由图1和图2可知，2008—2019年，新疆土地生态安全总体水平呈缓慢上升趋势，土地生态安全等级逐渐提高。贴近度呈上升趋势，由2008年的0.37提高到2019年的0.63，增长了0.26，土地安全状况由较不安全等级提升到较安全等级。其中，2008—2016年安全水平较低，处于较不安全状态，2017年以来，新疆土地生态安全状况不断提高，逐渐趋向于较安全状态，说明新疆土地生态保护的重要性日益受到重视，但是新疆土地生态状况距离安全状态还有一定差距。

图1 2008—2019年新疆土地生态安全D+、D-的变化趋势

图2 2008—2019年新疆土地生态安全贴近度的变化趋势

3.1.2 各子系统土地生态安全状况分析

1）驱动力系统方面。D+逐年波动减小，逐步偏向正理想解（图3），D-逐年波动增大，逐步偏离负理想解（图4），土地生态安全形势趋于好转，C波动上升（图5），安全状态也由较不安全转变为较安全状态。近12年来，新疆社会经济各方面均取得明显进步，区域经济发展迅速，人均GDP由2008年的19 893元增加到2019年的54 280元；
城市化水平显著提升，城镇化率由2008年的39.6%发展到2019年的51.9%。这给土地生态安全提供了强劲支撑，带动全疆土地生态安全的驱动力系统呈上升发展态势，推动全疆土地生态安全朝好的方向发展。

2）压力系统方面。D+逐年增大，逐步偏离正理想解（图3），D-逐渐减小，逐步偏向负理想解（图4），致使C逐渐变小，土地生态安全压力越来越大，由2008年的安全状态逐步转变为2019年的不安全状态（图5），这是社会经济高速发展的后果。近年来新疆社会经济在发展的同时，也给其土地带来了沉重的压力，建设占用大量耕地、农药化肥广泛施用、污染物大量排放等问题均十分明显，对土地生态造成严重威胁，使其面临的压力越来越大。在保持社会经济快速发展的同时，减轻其对土地生态的压力，应成为缓解全疆土地生态安全态势的重要关注点。

3）状态系统方面。D+逐年变小，逐步接近正理想解（图3），D-逐年增大，逐步偏离负理想解（图4），C呈上升趋势，由2008年的0.107 7提升到2019年的0.993 8，土地生态安全由不安全状态转变为安全状态（图5）。这说明城市森林覆盖率、城市人均道路面积、人均公共绿地面积、建成区绿化覆盖率、用水普及率和燃气普及率的不断提高对提高土地生态安全状态有着重要意义。

4）影响系统方面。随着状态系统安全状况的逐步好转，其对社会经济发展的影响也趋于好转，全疆土地集约利用水平明显提升，粮食产量不断增加，城镇居民可支配收入和农村居民可支配收入不断提高，二三产业增加值逐年增加，第三产业比重不断增加，产业结构逐步优化，人民生活水平进一步提升，致使影响系统的D+逐年变小，逐步接近正理想解（图3），D-逐年增大，逐步偏离负理想解（图4），C呈上升趋势，土地生态安全状况呈趋好态势，由2008年的不安全状态转变为2019年的安全状态（图5）。

5）响应系统方面。随着近年生态环境问题的日益凸显，人们环保意识明显增强，保护土地生态已日益受到社会各界的广泛重视，全疆环境治理力度逐步加大，一系列环保措施相继出台，环保治理投入不断增加、新疆节能环保支出由2008年的30.45亿元增长到2019年110.58亿元，各类污染物处理的水平都明显提升，污染排放总量得到有效控制，带动响应系统D+逐年变小，逐步接近正理想解（图3），D-逐年增大，逐步偏离负理想解（图4），C呈上升趋势，安全状况明显提升，由2008年的不安全状态转变为2019年的安全状态（图5）。

图3 2008—2019年新疆土地生态安全各子系统D+的变化趋势

图4 2008—2019年新疆土地生态安全各子系统D-的变化趋势

图5 2008—2019年新疆土地生态安全各子系统贴近度的变化趋势

3.1.3 各地州市土地生态安全状况空间变化分析由图6可知，2008—2019年，新疆各地州市土地生态安全总体水平呈缓慢上升趋势，土地生态安全等级逐渐提高。2008年克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区和和田地区土地生态安全状况处于较不安全状态，其余11个地州市土地生态安全状况处于临界安全状态（图6a）；
到2013年，各地州市土地生态安全状况整体呈上升趋势，C呈上升趋势，各地州市土地生态安全状况已没有较不安全状态，提升为临界安全和较安全状态，克拉玛依市和昌吉回族自治州土地安全状况达到较安全状态，其余12个地州市土地安全状况为临界安全状态（图6b）；
2019年，各地州市土地生态安全状况整体上仍呈上升趋势，土地安全状况达到较安全状态的地区已由2013年的2个州市增加到6个地州市（克拉玛依市、乌鲁木齐市、昌吉回族自治州、哈密市、阿勒泰地区和塔城地区），其余8个地州市土地安全状况处于临界安全状态（图6c）；
并且新疆土地生态安全状况存在明显的区域性差异，总体上为北疆地区优于南疆地区。

图6 各地州市土地生态安全状况变化趋势

3.1.4 各地州市各子系统土地生态安全状况变化分析

1）驱动力系统方面。2008—2019年，除哈密外，各地州市C波动上升，土地生态安全形势趋于好转（表2），乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉、哈密和伊犁一直处于临界安全状态，和田和克州一直处于较不安全状态，其他7个地州市由较不安全状态转变为临界安全状态。近12年来，新疆区域经济发展迅速，各方面均取得明显进步，城镇化水平不断提高，人均GDP不断增加，农业机械总动力逐年提升，这给土地生态安全提供了强劲支撑，带动全疆土地生态安全的驱动力系统呈上升发展态势，推动全疆土地生态安全朝好的方向发展。

2）压力系统方面。2008—2019年，除巴州外，各地州市C逐渐变小，土地生态安全压力越来越大，乌鲁木齐由临界安全状态转变为较不安全状态，阿克苏由较安全转变为临界安全状态，巴州一直处于较安全状态，喀什由较安全状态逐步转变为较不安全状态，吐鲁番、克拉玛依、克州、哈密和阿勒泰一直处于安全状态，昌吉、塔城、伊犁、和田和博州由安全状态转变为较安全状态（表2）。新疆社会经济在发展的同时，也给其土地带来较大压力，人口密度不断增大，农药、化肥和地膜的广泛使用等问题十分明显，对土地生态造成威胁，使其面临的压力越来越大。

3）状态系统方面。2008—2019年，各地州市C呈上升趋势，乌鲁木齐、哈密、昌吉、阿克苏和阿勒泰由临界安全状态转变为较安全状态，克拉玛依一直处于较安全状态，吐鲁番、塔城和伊犁由较不安全状态转变为较安全状态，巴州和博州一直处于临界安全状态，喀什、和田和克州由较不安全状态转变为临界安全状态（表2）。这表明森林覆盖率、城市人均道路面积、人均公共绿地面积、建成区绿化覆盖率、用水普及率和燃气普及率的不断提高对提高土地生态安全状态有较大作用。

表2 各地州市土地生态安全各子系统贴近度的变化趋势

4）影响系统方面。随着状态系统安全状况的逐步好转，2008—2019年，各地州市影响系统的C逐年上升，乌鲁木齐和伊犁由较不安全状态转变为较安全状态，克拉玛依、吐鲁番、阿勒泰和巴州由不安全状态转变为临界安全状态，其余8个地州市由较不安全状态转变为临界安全状态。这表明粮食产量不断增加，城镇居民可支配收入和农村居民可支配收入不断提高，第三产业比重不断增加，产业结构逐步优化，土地集约利用水平明显提升，使土地生态安全状况呈趋好态势。

5）响应系统方面。2008—2019年，各地州市C逐年上升，乌鲁木齐由较安全状态转变为安全状态，克拉玛依和昌吉一直处于较安全状态，哈密、塔城、博州、阿克苏和巴州由临界安全状态转变为较安全状态，克州、阿勒泰和伊犁由较不安全状态转变为临界安全状态，喀什、和田和吐鲁番由较不安全状态转变为较安全状态。随着近年环保意识不断增强，政府相继出台一系列环保措施，环保治理投入不断增加，各地州市工业固体废物综合利用率、工业废水排放达标率和生活垃圾无害化处理率不断提高，使得土地生态安全状况呈趋好态势。

土地生态安全评价是了解区域土地生态安全状况的基础，亦是开展土地生态安全预警、构建和优化土地生态安全格局的重要依据，是土地生态安全研究的核心内容。本文利用DPSIR模型构建了土地生态安全评价指标体系，利用TOPSIS评价方法计算了新疆土地生态安全状况，结果如下。

1）2008—2019年新疆土地生态安全状况总体水平呈缓慢上升趋势，土地生态安全等级逐渐提高，土地安全状况由较不安全等级提升到较安全等级。但是，新疆土地生态安全状况距离安全状态还有一定差距。就各子系统而言，2008—2019年新疆土地生态安全的驱动力系统、状态系统、影响系统、响应系统的安全状况均呈逐步上升趋势，其中驱动力系统由较不安全状态转为较安全状态，状态系统、影响系统和响应系统由不安全状态转变为安全状态，而压力系统则呈下降趋势，由安全状态转为不安全状态。

2）2008—2019年，新疆各地州市土地生态安全总体水平呈缓慢上升趋势，土地生态安全等级逐渐提高，新疆土地生态安全状况存在明显的区域性差异，总体上为北疆地区优于南疆地区；
就各地州市各子系统来看，各地州市驱动力系统、状态系统、影响系统和响应系统贴近度波动上升，土地生态安全状况呈趋好态势；
各地州市压力系统贴近度逐渐变小，土地生态安全压力越来越大。