土地生态安全评价指标体系的选择和确定是定量研究土地生态安全的关键所在^[14],目前学术界用来研究土地生态安全评价指标体系的模型较多,本研究采用DPSIR模型,一方面该模型继承了DPS模型的优点,具有清晰的逻辑思路和理论框架^[15],另一方面该模型经过多年的发展,已是较成熟的理论框架模型。在中国知网中,有508条关于该模型的研究和应用,被广泛运用于城市发展、水资源、生态环境等领域。

本文将DPSIR模型作为准则层,借鉴其他专家的研究成果^{[5-6,14,16-17]},结合广东省的土地生态环境状况,建立包括16个具体评价指标的广东省土地生态安全评价指标体系(表1),以客观、真实地描述广东省土地生态安全水平。

表1 广东省土地生态安全评价指标体系

经济发展是以经济增长为基础,社会经济结构持续高级化的创新过程或变化过程,涉及的因素众多,其内涵比经济增长更广泛,除了要展现地区自身的经济水平和未来的发展外,还要体现人民的生活水平。前人的研究^{[11-14,18-19]}多从经济总量、经济结构和经济效益三方面描述经济发展水平,虽然经济效益的指标选取上会关注到人民的生活水平,但还是以经济本身为从发点,对人民生活状况的体现不够全面、深入。

鉴于此,本研究对前人的三方面评价体系进行改进、优化,从经济总量、人民生活和经济结构3个层面出发,根据广东省经济发展的实际情况,建立具有10项具体评价指标的经济发展评价指标体系(表2),使评价体系在更加关注人本身、突出人文关怀的基础上,实现对广东省经济发展的全面、客观评价。

土地生态安全与经济发展评价指标体系中,每个指标的量纲和单位存在一定的差异,如果直接参与计算得到结果,进行分析时会造成数字过大,评定标准难易确定等问题。因此,在计算前应采用极差标准化法进行标准化处理,将各指标数据投影到0～1之间,实现数据的无量化。而根据指标趋向性的不同,采用的公式存在差异。

正向指标:B_ij=(X_ij-X_min)/(X_max-X_min)(1)

负向指标:B_ij=(X_max-X_ij)/(X_max-X_min)(2)

式中:B_ij为标准化处理结果值; X_ij为第i列第j行的指标实际值; X_max第i列指标实际值中的最大值; X_min为第i列指标实际值中的最小值。

表2 广东省经济发展评价指标体系

土地生态安全与经济发展综合评价的首要任务是赋权,指标权重的确定可分为主观赋权法、客观赋权法、主客观组合赋权法^[20]。主观赋权法受研究者主观偏好影响较大,研究结果容易出现误差; 主客观组合赋权法虽然综合运用到了主、客观赋权法,在一定程度上能降低主观偏好的影响,但算法的复杂度普遍比较高,其应用性受到较大限制。因此,本研究采用客观赋权法。

客观赋权法又分为熵值法、主成分分析法和多目标规划法,其中运用较多的是熵值法,它是根据指标离散程度的大小来确定指标权重,具有较强的客观性、合理性和科学性,可以充分避免个人主观因素对评价结果的影响,提高研究结果的可信度。具体计算方法为:

第一步:计算第i列指标的熵值:

E_j=-k∑ⁿ_i=1P_ijlnP_ij(3)

式中:E_j为第i列指标的熵值,k=1/lnn,P_ij=B_ij/∑ⁿ_i=1B_ij。由式可知,当B_ij=0时,P_ij=0,与上式不符,因此需改进公式,改进后的公式为:p_ij=(1+B_ij)/(n+∑ⁿ_i=1B_ij)

第二步:计算各指标的差异系数和权重:

G_i=1-E_j(4)

W=G_i/∑ⁿ_i=1G_i(5)

式中:G_i为指标差异系数值; W为各指标权重。

第三步:计算土地生态安全和经济发展的综合评价值:

N=∑^m_i=1B_ijW(6)

M=∑^m_i=1B_ijW(7)

式中:N土地生态安全综合评价值; M为经济发展综合评价值。

借鉴相关成果^[21],确定土地生态安全与经济发展耦合协调水平要通过构建耦合协调模型,测算耦合度指数,再计算土地生态安全与经济发展综合指数进而求得耦合协调度指数,从而判断两系统的耦合协调发展程度,公式如下:

式中:C为耦合度指数; T为综合指数; D为耦合协调度指数; a,b分别为土地生态安全和经济发展重要性系数。由于土地生态安全和经济发展对于社会、国家和人类的未来同等重要,所以a,b值均取0.5。

耦合指数可用来描述系统相互耦合作用的强弱相互关系^[22],本研究中表示广东省的土地生态安全系统与经济发展系统耦合作用的强弱。广东省土地生态安全与经济发展的耦合指数每年是上升还是下降有较强的不确定性,趋势不明显,但总体水平较高,在研究的时间范围内,只有2000年和2006年的值较低,分别为0.223,0.360 8,其余年份耦合指数都在0.6以上(表5),说明广东省土地生态安全与经济发展十九年来的耦合程度保持在较高水平,大部分年份属于中度耦合类型,反映出两系统不断磨合以保证土地生态系统的安全和经济的平稳发展。

耦合模型综合指数可描述耦合作用主体整体发展水平对相互耦合协调度的贡献程度,如果综合指数越大,各主体的发展对耦合协调度的贡献就越大。反之,综合指数越小,贡献也就越小。在本研究中,土地生态安全与经济发展综合指数描述的是广东省土地生态安全与经济发展对于两系统相互耦合协调度的贡献程度。广东省土地生态安全和经济发展综合指数呈“勾型”,2000—2004年不断下降,2004年降到最低值0.168 3,然后开始逐年上涨(表5),说明2004年开始这两系统的整体发展对其耦合协调度的贡献力在不断增强。

广东省土地生态安全与经济发展耦合协调度大致可以分为3个阶段(表5)。第一阶段是2000—2002年,耦合协调度指数快速上升,从0.221 9涨到0.439 5,年均增长率约为49.03%,使广东省土地生态安全与经济发展协调类型从中度失调跃升到濒临失调。在此期间,广东省的土地生态安全综合评价值大于经济发展综合评价值,但都保持在较低水平且土地生态安全综合评价值在减小,经济发展综合评价值在增加,两者评价值之差在缩小。因此,根据广东省土地生态安全与经济发展耦合协调类型划分标准,可以确定广东省当时属于低水平经济发展滞后型,且一直处于失调状态。

表5 广东省土地生态安全与经济发展耦合协调度测算

第二阶段是2002—2006年,耦合协调度在逐渐减小,两系统的耦合协调类型从濒临失调降至轻度失调,土地生态安全综合评价值仍旧大于经济发展综合评价值,且各年的增减趋势相同,属于经济滞后型。其中2002—2004年两系统的综合评价值都在下降,两系统综合评价值之差保持在相同水平,而2004—2006年综合评价值开始上升,土地生态安全综合评价值增长速度大于经济发展; 2005—2006年土地生态安全综合评价值的明显上涨造成两系统的协调度指数迅速下降,使协调类型下降一级至轻度失调,分析土地生态安全评价指标数据每年的变化发现,2005—2006年单位面积耕地化肥施用量和农药施用量有明显的减少,下降率分别为24.38%,21.95%,对土地生态安全状况影响较大。

第三阶段是2006—2018年,广东省土地生态安全与经济发展耦合协调水平愈来愈高,耦合协调度从0.312 3上升到0.771 7,增长率为147.1%。其中2006—2007年、2010—2011年增长较快,增长率分别为46.58%,21.3%,2016—2017年受土地生态安全综合评价值的影响,耦合协调度有所降低,不过接着下一年又恢复到正常水平。相应地该段时间内广东省土地生态安全与经济发展协调类型经过了从轻度失调—勉强协调—基本协调—中度协调的等级上升变化,2017年出现降级,降至基本协调。对比土地生态安全与经济发展综合评价值,两系统综合评价值之差经历了先减小后增大的变化,从2013年开始广东省就从原先的经济滞后型转变为土地生态滞后型,且两系统的综合评价值之差在不断地增大。由此也可以看出广东省虽然对土地实施了一定的保护措施和政策,土地生态安全与经济发展协调水平有了较大提升,但是随着经济的快速发展,土地保护已不再能跟上,造成土地生态系统保护的滞后。

为进一步增加研究的实用性和针对性,以便更好地制定土地生态保护和经济发展的政策,需进一步分析土地生态安全与经济发展各层面的耦合协调状况。

3.4.1 土地生态安全与经济总量耦合协调分析

由图3A可知,广东省土地生态安全与经济总量的耦合指数在研究时期内除2006年和2018年有降低外,整体呈现上升水平,从0上涨到0.909,耦合类型从研究期初的不耦合至期末的高度耦合。协调度呈现出非常平稳的上涨,从0开始一直上涨到0.693 5,协调类型从严重失调等级逐步升到基本协调。由此看出,广东省土地生态安全与经济总量相互耦合作用不断增强,协调水平不断上涨,以更好地相互促进,实现土地生态保护和经济总量的健康发展。

图3 广东省土地生态安全与经济发展子系统耦合协调度

3.4.2 土地生态安全与人民生活耦合协调分析 由图3B可知,广东省土地生态安全与人民生活的耦合指数、协调度指数和土地生态安全与经济总量的相似度较高,研究期初都为0,但各年的耦合指数与协调度指数都相对较小,2018年的耦合指数值为0.749 9,协调度值为0.599 2,耦合类型为中度耦合,协调类型为基本协调,说明广东省土地生态安全与人民生活的耦合等级比土地生态安全与经济总量要低一级,协调类型等级则相同。这说明在与土地生态安全耦合协调上,广东省的人民生活水平要弱于经济总量。在所选的经济总量和人民生活指标都与经济发展呈正相关关系,因此可以更加关注人民的生活,进一步提高人民生活水平,促进土地生态安全与经济发展的协调程度的提升。

3.4.3 土地生态安全与经济结构耦合协调分析 由图3C可知,广东省土地生态安全与经济结构耦合度整体呈现上升—下降—上升的变化趋势,2002年增长到最大值0.942 6,2010年降至最小值0.216 3。耦合类型从期初的中度耦合升级到高级耦合,之后逐步降级至勉强耦合,最后又升级到基本耦合,研究期后三年均保持在该等级。协调度整体变化不大,指数值介于0.2～0.45,协调类型经历了濒临失调—轻度失调—中度失调—轻度失调—濒临失调的变化,呈现出“V”字型,属于缓慢式的升降级变化。结合经济结构层面各指标数值发现,2000—2018年广东省第二产业产值占比呈现先变大后变小、第三产业产值占比和固定资产投资占GDP比重都呈波动式上涨。第二、三产业产值占比从接近到第二产业高于第三产业,再到第三产业高于第二产业,由此反映出广东省从以发展第二产业为主的经济结构向以第三产业为主转变,而固定资产投资占比的上升正好说明广东为实现该转变进行的投资,也就使得广东省土地生态安全与经济结构协调度能逐渐上升。