基于PSR模型和集对分析的耕地生态安全诊断_生态安全论文

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      中图分类号：F301.24 文献标识码：A 文章编号：1001-8158(2015)12-0042-09

      doi：10.11994/zgtdkx.2015.12.006

      修稿日期：2015-11-10

      耕地资源作为最宝贵的自然资源之一，是非常重要的农业生产资料，经过人类长期的干预，耕地生态系统逐渐演变成为具有高度耦合性的社会—经济—生态复合系统[1-3]。伴随着经济社会的快速发展，工业化、城镇化和现代化建设进程快速推进，出现了土地生态环境日趋恶化、土地污染负荷加重、土地质量下降等一系列问题，耕地资源的稀缺性增强，耕地生态安全问题日渐凸显[3-5]。因此，开展耕地生态安全诊断研究，优化耕地生态安全的改善路径，对于加强农村生态文明建设、保障粮食安全、维护国家生态安全、促进社会经济可持续发展具有非常重要的理论意义和现实意义[6]。

      国外学者主要将耕地生态安全与可持续利用相结合进行系统研究，Rasul和Thapa[7]从农业生态环境、社会经济方面构建了评价指标体系，分析了孟加拉的耕地可持续利用与生态状况；Mark等[8]运用磷肥厂附近的耕地土壤与蔬菜样本中天然放射性评估化肥厂对周围环境的潜在放射性影响。国内学者关于耕地生态安全的研究主要集中在内涵[2，9-10]、评价[3，11-13]、影响因素[11]、调控对策[12-13]等。总体来看，耕地生态安全评价研究尚属起步阶段，定性分析相对较多、定量研究较少；耕地生态安全评价是对耕地生态系统的全面诊断，但现有的评价指标多集中于资源与环境状况，很少综合考虑人类活动、社会经济等对耕地生态安全评价的作用。与此同时，耕地生态安全诊断多采用综合评价法[2，11]、层次分析法[12]等，针对这些方法的不足之处，专家学者作了改进(采用物元分析法[10，13]优化综合评价法，运用改进的熵值法替代层次分析法等)，取得了一定的研究成果(通过物元分析法得到的综合评价结果信息更丰富，能够显示综合水平的中间转化状态；通过改进的熵值法可以克服一些主观赋值法所带来的结果不稳定的现象，在一定程度上改善和提高了诊断的质量)，但由于耕地生态安全评价影响因素的不确定性，评价指标与安全等级之间存在复杂的非线性关系，所以至今尚没有一个统一的评价模型来诊断耕地生态安全水平[14]。集对分析法面世以来，在数学、物理、信息管理、经济、资源与环境等领域得到了广泛的运用，它是一种综合的不确定性分析方法[15-16]，能从整体和局部上剖析研究系统内在的关系，把对不确定性的辩证认识转换成具体的数学问题，但尚未被应用到耕地生态安全诊断研究中；“压力—状态—响应”(Pressure-State-Response，PSR)模型是目前应用最广泛的评价指标体系之一，它综合考虑了社会、经济、资源与环境，突出了人地关系，被运用在土地(耕地)质量评价、农业可持续发展评价、环境保护投资分析等方面，但在耕地生态安全诊断中的应用则鲜见报道。

      鉴于此，本文构建了基于PSR模型的耕地生态安全评价指标体系，建立基于集对分析法和改进熵值法的耕地生态安全诊断模型，并以四川省为例进行实证研究，有效诊断耕地生态安全障碍因子，以期为改善耕地生态系统状况、协调人地关系、促进耕地资源可持续利用提供一定的参考依据。

      1 耕地生态安全评价指标体系构建

      耕地生态系统是人类在长期的使用中使耕地资源在自身组织功能的作用下形成的人工生态系统，该系统不仅提供人类稳定的农产品，而且形成了一种新的生物生存环境，促进了生物多样性的存续与发展，同时还具有生态环境保护等功能[17]。耕地生态安全是指在一定的时间和空间尺度内，耕地生态系统处于保持自身正常功能结构和满足社会经济可持续发展需要的状态[10，12-13]。耕地生态安全评价是以耕地生态系统为评价对象，对一定时间、一定区域的自然生态要素、社会经济要素进行综合评价，它本质上是一种诊断评价[18]。

      PSR概念模型是由联合国OECD和UNEP提出的[19]，该模型以因果关系为基础，主要目的是诊断生态系统的持续性，剖析生态系统内在的因果关系，构建人类活动与生态环境影响之间的因果链，得到较为普遍的认可与应用[15，20]。因此，本文借鉴PSR概念模型作为耕地生态安全评价指标体系的基本框架：人口增长、经济社会发展给耕地生态系统带来一定的压力(P)；人类不断利用土地资源，通过社会经济活动向耕地生态系统排放污染，改变了耕地生态系统结构与功能(S)；压力之下，耕地生态系统在原有状态基础上做出反应，同时反馈于社会经济的发展过程，人类对耕地生态系统的反馈进一步做出响应(R)，进行政策调整、环境保护等，改善耕地生态系统状态，使之保持良好的结构与功能，进而实现可持续发展[15]。根据耕地生态安全评价指标体系的基本框架，遵循科学性原则、可比性原则、可获取性原则、系统性原则[18]，在参考现有研究成果的基础上[3，7，11-13]，构建了基于PSR模型的评价指标体系(表1)。

      

      2 集对评价模型

      2.1 集对分析法的原理

      集对分析是指对不确定性系统中的两个有关联的集合构造集对，对集对的某特性做同一性、差异性、对立性分析，建立联系度描述集对的同、异、反关系的分析方法[16]，它通过注重信息处理过程中的模糊性和相对性比较好地解决了问题的不确定性[14]。对于两个有关联的集合A和B组成的集对H(A，B)，A、B分别有N项表征其特性，在具体问题Z的背景下，分析集对H(A，B)的特性，其中有S特性为A和B共同拥有的，P特性为A和B对立的，其余的F特性既不为A和B共同拥有也不相互对立[15，21]，则有：

      

      令a=S/N，b=F/N，c=P/N，则式(1)可改写为：

      μ=a+bi+cj (2)

      式(2)中：μ为联系度，μ∈[-1，1]；a、b、c为联系度分量，a，b，c∈[0，1]，分别称为集对H(A，B)的同一度、差异度和对立度，且满足a+b+c=1；i为差异度系数，i∈[-1，1]；j为对立度系数，其恒取值为-1[21]。

      式(1)、式(2)是常用的三元联系度，将其看成1个数，可以称为三元联系数，将式中的bi进一步展开可以得到K元联系数：

      

      本文依据耕地生态安全的特征，将其划分为5个等级：安全、较安全、临界安全、较不安全和不安全，运用集对分析法进行耕地生态安全水平诊断，在安全等级界定上更加精确，不仅可以得到评价对象安全等级，还可以得到评价对象对于不同安全等级的趋同程度，诊断结果准确可靠、合理直观。

      2.2 指标联系度的确定

      

      

      

      2.3 评价指标权重确定

      对于耕地生态安全，不同评价指标的影响程度存在一定的差异，为了反映这种差异性，需要对评价指标赋以一定的权重，本文采用改进的熵值法来确定评价指标权重，主要步骤包括评价指标标准化处理、坐标平移、评价指标熵值计算、评价指标差异性系数测算、指标权重确定[15]。

      2.4 样本联系度的确定

      假设集合A为评价样本，B为评价指标等级标准的集合，则H(A，B)的联系度为[21]：

      

      2.5 评价等级的确定

      根据“均分原则”，将[-1，1]区间K等分，则从右至左每个区间依次分别对应耕地生态安全评价等级

，将μ(A，B)与各个评价等级对应的区间范围进行比较，得到耕地生态安全评价等级[15-16]。

      2.6 障碍因素诊断

      障碍因素诊断采用因子贡献度、指标偏离度和障碍度三个指标进行分析[23]，因子贡献度(

)表示单项因素对总目标的影响程度，即单因素对总目标的权重(

)指标偏离度(

)表示单项指标与耕地生态安全目标之间的差距，设为单项指标标准化值与100%之差；障碍度(

)分别表示第i年分类指标和单项指标对耕地生态安全的影响，是耕地生态安全障碍因素诊断的目标和结果。

      

      3 实证研究——以四川省为例

      3.1 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。辖区东西长约1075 km，南北宽约921 km，现辖18个地级市、3个自治州。四川省是中国重要的农业经济区和粮食主产区，承担着国家粮食安全的重任[18]。然而随着经济社会的发展，建设用地规模持续扩张，耕地数量锐减，耕地生态功能减弱，土壤污染加剧，耕地生态系统安全状况亟待改善。

      耕地生态安全评价指标数据主要来源于《四川统计年鉴》、《四川农村统计年鉴》、《中国统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《中国农业年鉴》和四川省土地利用变更调查数据等。土壤污染程度由于缺乏省域尺度的历年数据，在开展实证分析时没有纳入评价模型。

      3.2 评价标准制定

      评价标准的确定是集对评价模型的基础，主要参考国家、行业或国际相关标准(如《全面建成小康社会标准》、国家环境保护总局制定的《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》、联合国粮农组织确定的人均耕地0.053

的警戒线、国际公认的化肥施用安全上限225 kg/

等)，具体指标包括单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、人口密度、灾害指数、人口自然增长率、可持续发展指数等；科学研究的判定标准(如城市化水平、森林覆盖率等)；研究区域本底背景值(如水土流失治理率、单位耕地农业机械动力、人均水资源量、耕地粮食单产、污水排放量、土地垦殖率、水土流失程度、农民人均纯收入、有效灌溉面积比等)[10，18，24]，具体标准见表2。

      

      3.3 结果分析

      根据1999年、2005年、2013年各评价指标的具体数值，建立四川省耕地生态安全的集对

，将三个集对的数据分别输入集对评价模型，得到耕地生态安全评价指标联系度、样本联系度(表3)。

      

      

      1999年阻碍耕地生态系统安全状况改善的障碍因素主要集中在系统响应方面、系统状态方面，主要包括水土流失治理率、农民人均纯收入、水土流失程度、单位耕地农业机械动力、有效灌溉面积、土地垦殖率等。2013年阻碍耕地生态系统安全状况改善的障碍因素主要集中在系统压力方面、系统状态方面，主要包括水土流失程度、单位耕地面积化肥负荷、土地垦殖率、人均耕地面积等。在此基础上，计算分类指标障碍度，结果表明：压力障碍度不断增加，状态障碍度呈现上升趋势，响应障碍度不断减少。从长远来看，压力是影响耕地生态安全的首要因素。

      

      从单个评价指标来看，1999-2013大部分指标发生等级跳跃，单位耕地农业机械动力、灾害指数、农民人均纯收入、有效灌溉面积比、水土流失治理率、耕地粮食单产等指标出现不同等级的上升趋势，说明以上指标对四川省耕地生态安全水平的提升有重要的贡献。研究发现：1999年以来四川省经济社会持续发展，农民收入水平不断提高，耕地生态保护意识不断强化；不断加强农田基础设施建设，积极开展农村土地整治，加大中低产田改造力度，有效改善农业生产条件；持续加大农业科技投入，加强农业技术推广普及，积极开展农民科技培训，着力提高耕地粮食单产；加大生态环境保护建设的力度，有效加强水土流失治理，水土流失治理率持续增加，促进了耕地生态系统安全状况改善。

      μ[，2013](A，B)=0.2193，说明虽然2013年四川省耕地生态安全等级为“较安全”，但水平不高，仍需进一步改善耕地生态系统的安全状况。障碍因素诊断结果表明，1999-2013年单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等指标的障碍度上升幅度较大。从单个指标分析结果来看，2013年四川省耕地生态安全有9个指标未达到“较安全”，而单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等指标只达到“较不安全”等级。研究发现，虽然四川省一直致力于水土流失的综合治理，但由于易水土流失区域较大，且存在反复的现象，目前水土流失程度仍较大，还需加大治理力度，有效保护土地资源。随着经济社会的发展，四川省国内生产总值持续增长，但这种高速增长是以资源高消耗为代价的，建设用地规模不断扩大，耕地面积持续减少，土地集约利用水平较低。与此同时，单位面积耕地农药施用量、单位面积耕地化肥施用量不断增加。

      4 结论与建议

      (1)四川省实证研究表明，PSR模型以因果关系为基础，综合考虑人类活动、社会经济、资源环境之间的相互关系，改变现有研究主要关注资源环境的状况，能更准确地反映耕地生态系统、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，基于PSR模型的评价指标体系能够实现对耕地生态安全的诊断。

      (2)传统综合评价法中，较少考虑耕地生态安全评价影响因素的不确定性、评价指标与安全等级之间的非线性关系，而集对分析法通过注重信息处理过程中的相对性和模糊性能很好地解决不确定性问题[25]，利用原创联系度的可展性建立耕地生态安全的集对分析诊断模型，更为细致地描述了评价对象的同一性、差异性、对立性，能从整体和局部上剖析耕地生态安全内在的关系，把对不确定性的辩证认识转换成具体的数学问题，有效挖掘耕地生态安全存在的具体问题。改进的熵值法根据耕地生态安全评价指标之间离散程度，运用信息熵确定评价指标的权重，能够解决一些主观赋值法所带来的结果不稳定的问题，在一定程度上改善和提高了评价的质量。

      (3)与传统综合评价结果相比，集对分析理论简单实用、操作方便，在安全等级界定上更加精确，一方面可以得到评价对象安全等级，另一方面还可以诊断评价对象对于不同安全等级的趋同程度，分析结果准确可靠、合理直观，为耕地生态安全综合评价提供了一种更科学合理且简单易操作的诊断方法。

      (4)诊断结果表明，四川省1999-2013年耕地生态安全水平不断提高，系统安全状况有所改善，耕地生态安全等级经历了“临界安全—较安全”的演变历程，但2013年“较安全”水平不高。长远来看，系统压力和状态对耕地生态安全影响较大，响应的障碍度不断减少，单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等是制约耕地生态系统安全状况改善的关键因素。

      (5)根据耕地生态安全的诊断结果，大力开展农业生态文明建设，加快推进农业科技创新，合理施用农药、化肥，降低单位耕地化肥负荷、单位耕地农药负荷；积极开展农村土地整治，加强高标准基本农田建设，增加有效耕地面积，提高人均耕地面积、土地垦殖率；持续增加环境保护投入，加大环境治理力度，提高水土流失治理率，降低水土流失程度，持续提升耕地生态安全等级。

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