張 銳，鄭華偉，劉友兆

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095)

基于PSR模型的耕地生態(tài)安全物元分析評(píng)價(jià)

張 銳，鄭華偉，劉友兆*

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095)

耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)是改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況、促進(jìn)耕地可持續(xù)利用的重要基礎(chǔ)。針對(duì)多數(shù)綜合評(píng)價(jià)研究中存在信息屏蔽和主觀性的問題，在界定耕地生態(tài)安全內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用物元分析方法和改進(jìn)的熵值法對(duì)我國耕地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：(1)1996—2010年我國耕地生態(tài)安全水平不斷提高，安全等級(jí)經(jīng)歷了“臨界安全-較安全”的演變歷程，但2010年“較安全”等級(jí)關(guān)聯(lián)度很弱；(2)單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、土地墾殖率、水土流失程度等是耕地生態(tài)安全等級(jí)提升的關(guān)鍵制約因素。為了促進(jìn)耕地生態(tài)安全等級(jí)不斷提升，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，加強(qiáng)土地利用監(jiān)督管理，降低經(jīng)濟(jì)增長對(duì)土地資源的過度消耗；大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，合理施用農(nóng)藥、化肥；積極開展農(nóng)村土地整治，加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)；加大環(huán)境治理力度，有效控制水土流失程度?；赑SR模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能更準(zhǔn)確地反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系，物元分析方法可以揭示單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分異信息和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的中間信息、挖掘耕地生態(tài)安全存在的具體問題，適合用于耕地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)。

耕地生態(tài)安全；物元分析；PSR模型；障礙因素

耕地資源作為最寶貴的自然資源之一，是非常重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，具有食物生產(chǎn)、空間承載、生態(tài)服務(wù)等多種功能，經(jīng)過人類長期的干預(yù)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)逐漸演變成為具有高度耦合性的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)[1- 2]。隨著人類對(duì)耕地資源利用的深度和廣度增加，耕地資源的稀缺性增強(qiáng)，耕地利用生態(tài)問題逐漸凸顯[3]。因此，開展耕地利用生態(tài)安全研究，優(yōu)化耕地生態(tài)安全的改善路徑，對(duì)于緩解人地矛盾，保障我國糧食安全，維護(hù)國家安全，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義[4]。

國外學(xué)者主要將耕地生態(tài)安全與可持續(xù)利用相結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)研究，Rasul和Thapa[5]從農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析了孟加拉的耕地可持續(xù)利用與生態(tài)狀況；Beesley和Ramsey[6]指出，在農(nóng)用地保護(hù)中，耕地生態(tài)價(jià)值與安全越來越受到農(nóng)場主的認(rèn)可與關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于耕地生態(tài)安全的研究主要集中在耕地生態(tài)安全內(nèi)涵、耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)、耕地生態(tài)安全影響因素以及耕地生態(tài)安全調(diào)控對(duì)策等[7- 9]；在耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究方面，王千等[3]結(jié)合生態(tài)學(xué)中的能值理論構(gòu)建了耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)法估算了河北省138個(gè)縣耕地生態(tài)安全狀況，重點(diǎn)探討其空間聚集格局差異特征，分析聚集格局產(chǎn)生的主要影響因素。張傳華[7]運(yùn)用層次分析法、綜合評(píng)價(jià)法測(cè)算了重慶市豐都縣耕地生態(tài)安全水平。徐輝等[9]從自然因素、經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)因素3個(gè)方面構(gòu)建了耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用組合賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)寧安市耕地生態(tài)安全進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。朱紅波和張安錄[10]從直接影響因素、間接影響因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素3個(gè)方面構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用綜合評(píng)價(jià)法測(cè)算了中國耕地生態(tài)安全水平。總體來看，耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究尚屬起步階段，定性分析相對(duì)較多、定量研究較少；評(píng)價(jià)指標(biāo)多集中于資源與環(huán)境狀況，很少綜合考慮人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等對(duì)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的作用；評(píng)價(jià)方法較為單一，多采用綜合評(píng)價(jià)法，存在一定的不足：1)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法通常先主觀確定耕地生態(tài)安全等級(jí)取值范圍并劃分若干等級(jí)，然后測(cè)算評(píng)價(jià)對(duì)象的耕地生態(tài)安全水平綜合分值，最后根據(jù)評(píng)價(jià)綜合分值歸等定級(jí)，這種方法的主觀性較強(qiáng)[11]；2)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法是將分散的信息通過模型集成，再進(jìn)行綜合分值分級(jí)來評(píng)價(jià)研究對(duì)象的耕地生態(tài)安全綜合水平，無法有效識(shí)別指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的隸屬程度，容易遺漏單個(gè)指標(biāo)之間的一些評(píng)價(jià)信息[12]；3)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法可以測(cè)算出評(píng)價(jià)對(duì)象的耕地生態(tài)安全等級(jí)，但無法說明評(píng)價(jià)對(duì)象向某個(gè)等級(jí)轉(zhuǎn)化的中間狀態(tài)[13]。物元分析方法通過計(jì)算單個(gè)指標(biāo)與各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)系數(shù)得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠揭示更加豐富的評(píng)價(jià)信息，有效診斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況，但尚未被應(yīng)用到耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究中；壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境，突出了人地關(guān)系。鑒于此，本文在界定耕地生態(tài)安全內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于PSR模型的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并引入物元分析法和改進(jìn)的熵值法對(duì)我國耕地生態(tài)安全進(jìn)行實(shí)證研究，診斷耕地生態(tài)安全的制約因子，為改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況、協(xié)調(diào)人地關(guān)系、促進(jìn)耕地資源可持續(xù)利用提供一定的依據(jù)。

1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類為滿足生存需要，干預(yù)自然生態(tài)系統(tǒng)，依靠土地資源，利用農(nóng)作物的生長繁殖來獲得物質(zhì)產(chǎn)品而形成的半自然人工生態(tài)系統(tǒng)[14]。耕地資源生態(tài)安全是指在一定的時(shí)間和空間尺度內(nèi)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)處于保持自身正常功能結(jié)構(gòu)和滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要的狀態(tài)；在這種狀態(tài)下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有穩(wěn)定、均衡、充裕的自然資源可供利用，生態(tài)環(huán)境處于健康狀態(tài)[10，15- 16]。由此可見，耕地生態(tài)安全主要包括兩個(gè)方面的含義，一是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在人類利用耕地資源過程中，自身結(jié)構(gòu)合理，功能得到正常發(fā)揮；二是人類可以持續(xù)獲得耕地資源來滿足健康生存的需要[15，17]。

PSR概念模型是由聯(lián)合國OECD和UNEP提出的[18- 19]，該模型以因果關(guān)系為基礎(chǔ)，即人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境施加一定的壓力；環(huán)境改變了其原有的性質(zhì)或自然資源的數(shù)量(狀態(tài))；人類社會(huì)采取一定的措施對(duì)這些變化做出反應(yīng)，以恢復(fù)環(huán)境質(zhì)量或防止環(huán)境退化[20- 22]；它突出了環(huán)境受到的壓力和環(huán)境退化之間的因果關(guān)系，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)環(huán)節(jié)相互制約、相互影響，正是決策和制定對(duì)策措施的全過程[20]。因此，本文借鑒PSR概念模型作為耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架(圖1)：人口增長、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的壓力(P)；人類不斷開發(fā)土地資源，通過社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放污染，改變了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能狀態(tài)(S)；壓力之下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在原有狀態(tài)基礎(chǔ)上做出反應(yīng)，同時(shí)反饋于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程；人類對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的反饋進(jìn)一步做出響應(yīng)(R)，進(jìn)行政策調(diào)整、環(huán)境保護(hù)等，改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，使之保持良好的結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[22- 23]。

圖1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的PSR模型框架Fig.1 PSR framework for evaluation on the cultivated land ecological security

從耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本框架出發(fā)，遵循科學(xué)性原則(評(píng)價(jià)指標(biāo)體系要建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，各評(píng)價(jià)指標(biāo)概念必須明確，并且有一定的科學(xué)內(nèi)涵，能夠衡量或反映耕地生態(tài)安全狀況)、可比性原則(評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定時(shí)期內(nèi)涵義、范圍、方法等方面等保持相對(duì)穩(wěn)定，以便于保證資料的可比性，從而有利于研究長期趨勢(shì)和變化規(guī)律)、可獲取性原則(評(píng)價(jià)指標(biāo)盡可能建立在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)體系的基礎(chǔ)上，即使現(xiàn)行統(tǒng)計(jì)體系不能滿足，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)資料也能通過典型調(diào)查或抽樣調(diào)查獲得)、系統(tǒng)性原則(評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為一個(gè)整體，要能夠比較全面地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域的特征)[4，22]，在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[3,5,9- 10]，構(gòu)建了3個(gè)層次的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。基于PSR模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以從總體上反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)與管理決策之間的相互依存、相互制約的關(guān)系，改變現(xiàn)有耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究中指標(biāo)體系主要關(guān)注資源環(huán)境的狀況，能更準(zhǔn)確地反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的各要素之間的關(guān)系。

2 物元評(píng)價(jià)模型及經(jīng)典域的確定

2.1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的物元模型

物元分析方法是中國學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代提出的用于解決矛盾問題的技術(shù)方法，可應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境、水資源承載力、農(nóng)用地分級(jí)和土地生態(tài)水平等綜合評(píng)價(jià)研究中[13]。物元分析方法以可拓?cái)?shù)學(xué)為基礎(chǔ)，把現(xiàn)實(shí)問題概括為相容性、不相容性問題并進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理；通過引入負(fù)數(shù)的概念建立關(guān)聯(lián)度，可以無丟失地綜合各種因素的全部信息，并能以定量的數(shù)值表示評(píng)價(jià)結(jié)果，從而較完整、客觀地反映事物質(zhì)量的綜合水平[12，24]。因此，本文運(yùn)用物元分析的理念，建立耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型，同時(shí)采用改進(jìn)的熵值法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，可以比較全面、客觀地對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況進(jìn)行診斷。根據(jù)物元分析方法和改進(jìn)的熵值法構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型[11，13，24]。

表1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1 確定耕地生態(tài)安全物元

耕地生態(tài)安全N，耕地生態(tài)安全特征c和特征量值v共同構(gòu)成耕地生態(tài)安全物元。假設(shè)耕地生態(tài)安全N有多個(gè)特征，它以n個(gè)特征c1，c2，…，cn和相應(yīng)的量值v1，v2，…，vn描述，則表示為：

(1)

式中，R為n維耕地生態(tài)安全物元，簡記R=(N，c，v)。

2.1.2 確定耕地生態(tài)安全的經(jīng)典域

耕地生態(tài)安全的經(jīng)典域物元矩陣可表示為：

(2)

式中，Roj稱為經(jīng)典域物元；Noj表示所劃分耕地生態(tài)安全的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(j=1，2，…，m)；ci表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；區(qū)間lt;aoji，bojigt;為ci對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)j的量值范圍，即經(jīng)典域。

2.1.3 確定耕地生態(tài)安全的節(jié)域

耕地生態(tài)安全的節(jié)域物元矩陣表示為：

(3)

式中，Rp稱為節(jié)域物元；vpi=lt;api，bpigt;為節(jié)域物元關(guān)于特征ci的量值范圍，p表示耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的全體，顯然有l(wèi)t;aoi，boigt;?lt;api，bpigt;(i=1，2，…，n)。

2.1.4 確定待評(píng)物元

把待評(píng)對(duì)象Nx的物元表示為Rx：

(4)

2.1.5 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

令有界區(qū)間Xo=[a,b]的模定義為：

|Xo|=|b-a|

(5)

某一點(diǎn)x到區(qū)間Xo=[a,b]的距離為：

(6)

則耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)K(x)的定義為：

(7)

式中，ρ(x，Xo)表示點(diǎn)x與有限區(qū)間Xo=[a，b]的距離；ρ(x，Xp)表示點(diǎn)x與有限區(qū)間Xp=[ap，bp]的距離；x、Xo、Xp分別表示待評(píng)耕地生態(tài)安全物元的量值、經(jīng)典域物元的量值范圍和節(jié)域物元的量值范圍。

2.1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于耕地生態(tài)安全的影響程度存在一定的差異，為了反映這種差異性，需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦以一定的權(quán)重，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法主要有客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法。為了避免人為因素的影響，使耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定更加具有科學(xué)性，本文采用客觀賦權(quán)法中的熵值法來確定指標(biāo)權(quán)重；熵值法根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)變異程度的大小來確定指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)變異程度越大，信息熵越少，該指標(biāo)權(quán)重值就越大，反之越小[25- 26]。在熵值法的計(jì)算過程中，運(yùn)用了對(duì)數(shù)和熵的概念，根據(jù)相應(yīng)的約束規(guī)則，負(fù)值和極值不能直接參與運(yùn)算，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一定的變換，即應(yīng)該對(duì)熵值法進(jìn)行一些必要的改進(jìn)；改進(jìn)的辦法主要有兩種：功效系數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)化變換法，本文采用標(biāo)準(zhǔn)化變換法對(duì)熵值法進(jìn)行改進(jìn)[25]。用改進(jìn)的熵值法確立評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的主要步驟如下[26]。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于不同的指標(biāo)具有不同的量綱和單位，為了消除量綱和量綱單位的不同所帶來的不可公度性，需要對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行變換：

(8)

(2)為了清除負(fù)數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)平移：

(9)

式中，X?ij為平移后的指標(biāo)值，H為指標(biāo)平移的幅度。

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下的i個(gè)樣本值的比重

(4)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值

(5)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異性系數(shù)gj。熵值越小，指標(biāo)間的差異性越大，指標(biāo)就越重要：

gj=1-ej

(6)定義第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

2.1.7 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度并確定評(píng)價(jià)等級(jí)

待評(píng)對(duì)象Nx關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nx)為：

(10)

式中，Kj(Nx)為待評(píng)對(duì)象Nx關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度；Kj(xi)為待評(píng)對(duì)象Nx的第i個(gè)指標(biāo)關(guān)于等級(jí)j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度(j=1，2，…，n)；wij為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

若Kji=max[Kj(xi)]，(j=1，2，…，n)，則待評(píng)對(duì)象第i指標(biāo)屬于耕地生態(tài)安全等級(jí)j；若Kjx=max[Kj(Nx)]，(j=1，2，…，n)，則待評(píng)對(duì)象Nx屬于耕地生態(tài)安全等級(jí)j。

2.2 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)經(jīng)典域、節(jié)域的確定

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定是耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)在我國尚處于探索階段，還沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；耕地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅復(fù)雜，而且需要因地制宜[13]。經(jīng)典域(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))的確定是物元評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)，本文依據(jù)耕地生態(tài)安全的可拓性，將其劃分為5個(gè)等級(jí)，即N01→N05，定性描述為：安全→較安全→臨界安全→較不安全→不安全。評(píng)價(jià)經(jīng)典域的確定主要參考國家、行業(yè)及國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)研究的判定標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域背景值或本底值等[4，11，13，27]，具體取值區(qū)間見表2。以x1人口密度(人/km2)為例，安全、較安全、臨界安全、較不安全和不安全的取值區(qū)間分別為[0，80)、[80，120)、[120，250)、[250，500)、[500，800)。由于數(shù)據(jù)的可獲得性限制，本文主要分析全國尺度的耕地生態(tài)安全狀況，耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定主要著眼于全國整體；水土流失程度、水土流失治理率、災(zāi)害指數(shù)、耕地糧食單產(chǎn)等指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在不同地理區(qū)域存在一定的差異，在分析不同地理區(qū)域耕地生態(tài)安全水平時(shí)，需要結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)一步討論確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國農(nóng)業(yè)年鑒》、《中國國土資源年鑒》和中國國土資源公報(bào)等。由于數(shù)據(jù)的可獲得性限制，本研究只選擇對(duì)1996、2003和2010三年我國耕地生態(tài)安全水平進(jìn)行分析。

3.2 結(jié)果分析

收集我國有關(guān)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析整理后，按照改進(jìn)的熵值法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表3)。根據(jù)1996年、2003年、2010年各評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體量值，建立我國耕地生態(tài)安全水平待評(píng)物元矩陣R1996、R2003、R2010，將待評(píng)物元的數(shù)據(jù)輸入物元模型，得到耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與綜合關(guān)聯(lián)度的測(cè)算結(jié)果(表4，表5)。表4中Kj(xi)(i=1，2，…,17)即第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，以評(píng)價(jià)指標(biāo)人口密度(人/km2)(x1)為例，2010年其對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度分別為K1(x1)=-0.2994、K2(x1)=-0.1235、K3(x1)=0.1514、K4(x1)=-0.4413、K5(x1)=-0.7206，因此可以判定該指標(biāo)屬于級(jí)別N03，即“臨界安全”。同理，可以得到其他指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果(表4)。

表2 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域的取值范圍

No1—No5表示所劃分耕地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)等級(jí)

表3 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

Kj(Nx)是指多指標(biāo)加權(quán)求和的綜合關(guān)聯(lián)度，將耕地生態(tài)安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度與其權(quán)重輸入式(10)可以得到綜合關(guān)聯(lián)度。2010年耕地生態(tài)安全水平對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度分別為K1(N2010)=-0.2623、K2(N2010)=-0.0735、K3(N2010)=-0.1494、K4(N2010)=-0.2595、K5(N2010)=-0.4704，可以判定該年耕地生態(tài)安全水平屬于級(jí)別N02，即“較安全”。同理可知，1996年、2003年耕地生態(tài)安全等級(jí)分別為“臨界安全”、“臨界安全”(表5)。從表5可知，K3(N2003)gt;K3(N1996)，由此可見雖然1996年與2003年耕地生態(tài)安全等級(jí)均為“臨界安全”，但2003年對(duì)應(yīng)的N03在[0，1]區(qū)間內(nèi)更接近于標(biāo)準(zhǔn)上限，即耕地生態(tài)安全水平較1996年稍高。從耕地生態(tài)安全的變化來看，1996—2010年我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況有所改善，耕地生態(tài)安全等級(jí)在提升，耕地生態(tài)安全水平有變好的趨勢(shì)。

表4 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

從單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來看，我國耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)各個(gè)水平等級(jí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果顯示，1996—2010年大部分指標(biāo)發(fā)生等級(jí)跳躍。根據(jù)單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)提供的分異信息，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、災(zāi)害指數(shù)、森林覆蓋率、農(nóng)民人均純收入、有效灌溉面積比、環(huán)境污染治理投資占GDP比例、水土流失治理率等指標(biāo)出現(xiàn)不同等級(jí)的上升趨勢(shì)，說明以上指標(biāo)對(duì)我國耕地生態(tài)安全水平的提升有重要的貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)：1996年以來我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，農(nóng)民收入水平不斷提高，耕地生態(tài)保護(hù)意識(shí)不斷強(qiáng)化；不斷加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極開展農(nóng)村土地整治，加大中低產(chǎn)田改造力度，有效改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件；持續(xù)加大農(nóng)業(yè)科技投入，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣普及，積極開展農(nóng)民科技培訓(xùn)，著力提高耕地糧食單產(chǎn)；加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)的力度，有效加強(qiáng)水土流失治理，環(huán)境污染治理投資比例不斷提高，水土流失治理率持續(xù)增加，促進(jìn)了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況改善。

表5 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

0gt;K2(N2010)gt;K3(N2010)，說明雖然2010年我國耕地生態(tài)安全等級(jí)為“較安全”，但不完全符合N02的標(biāo)準(zhǔn)，具備轉(zhuǎn)化為N02的條件，“較安全”水平不太穩(wěn)定；為了促使2010年的耕地生態(tài)安全等級(jí)穩(wěn)定在“較安全”狀態(tài)，仍需進(jìn)一步改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況。根據(jù)單個(gè)指標(biāo)提供的分異信息，1996—2010年單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、土地墾殖率等指標(biāo)呈現(xiàn)等級(jí)下降趨勢(shì)，水土流失程度改善幅度較小，這些指標(biāo)成為制約我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況改善的因素。從單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果來看，2010年我國耕地生態(tài)安全有14個(gè)指標(biāo)未達(dá)到“較安全”，而單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、土地墾殖率、水土流失程度等指標(biāo)只達(dá)到“較不安全”等級(jí)。雖然我國一直致力于水土流失的綜合治理，但由于易水土流失區(qū)域較大，且存在反復(fù)的現(xiàn)象，目前水土流失程度仍較大，還需加大治理力度，有效保護(hù)土地資源。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國固定資產(chǎn)投資增長速度明顯提升、國內(nèi)生產(chǎn)總值持續(xù)增長，但這種高速增長是以資源高消耗為代價(jià)的，建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)大，耕地面積持續(xù)減少，土地集約利用水平較低。與此同時(shí)，單位面積耕地農(nóng)藥施用量、單位面積耕地化肥施用量不斷增加。

4 結(jié)論與討論

(1)通過對(duì)1996—2010年我國耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的實(shí)證分析表明，PSR模型從社會(huì)經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境有機(jī)統(tǒng)一的觀點(diǎn)出發(fā)，將資源環(huán)境、人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等聯(lián)系起來并考慮它們之間的相互作用，改變現(xiàn)有研究主要關(guān)注資源環(huán)境的狀況，能更準(zhǔn)確地反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的各要素之間的關(guān)系；基于PSR模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)耕地生態(tài)安全的綜合評(píng)價(jià)。

(2)傳統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)法中，較少揭示單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)信息，評(píng)價(jià)結(jié)果不會(huì)顯示超出等級(jí)外的中間狀態(tài)，而物元分析法能夠獲得單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，揭示各評(píng)價(jià)指標(biāo)的水平狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果信息更豐富，能夠顯示綜合水平的中間轉(zhuǎn)化狀態(tài)(如2010年耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的綜合結(jié)果)，有效挖掘耕地生態(tài)安全存在的具體問題；熵值法根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的離散程度，用信息熵來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，可以克服一些主觀賦值法所帶來的結(jié)果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在一定程度上改善和提高了評(píng)價(jià)的質(zhì)量；物元分析法和熵值法適用于耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)，有利于提高耕地生態(tài)安全水平。

(3)研究結(jié)果表明，1996—2010年我國耕地生態(tài)安全水平不斷提高，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況有所改善，安全等級(jí)經(jīng)歷了“臨界安全—較安全”的演變歷程，但2010年“較安全”等級(jí)關(guān)聯(lián)度很弱；單位耕地化肥負(fù)荷、人均耕地面積、單位耕地農(nóng)藥負(fù)荷、土地墾殖率、水土流失程度等是制約農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)安全狀況改善的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)升級(jí)布局，加強(qiáng)土地利用監(jiān)督管理，提高土地資源市場化配置程度，形成節(jié)約集約用地的“倒逼機(jī)制”，有效增加土地利用集約度，降低經(jīng)濟(jì)增長對(duì)土地資源的過度消耗；大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，合理施用農(nóng)藥、化肥，減少對(duì)耕地資源的污染；積極開展農(nóng)村土地整治，加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)，增加有效耕地?cái)?shù)量、提高耕地資源質(zhì)量；持續(xù)增加環(huán)境保護(hù)投入，加大環(huán)境治理力度，有效控制水土流失程度，持續(xù)提升耕地生態(tài)安全等級(jí)。

(4)本文作為一種研究方法的探討，在構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，嘗試性將物元分析方法和熵值法運(yùn)用到耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中，基本達(dá)到預(yù)期的研究目的。由于此類研究尚不多，耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)選擇、經(jīng)典域的確定，物元分析方法中的關(guān)聯(lián)函數(shù)的普適性等問題有待深入研究。

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EvaluationoncultivatedlandecologicalsecuritybasedonthePSRmodelandmatterelementanalysis

ZHANG Rui, ZHENG Huawei, LIU Youzhao*

CollegeofPublicAdministration,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

Evaluation on cultivated land ecological security is a significant foundation for improving the security of farmland ecosystems and the sustainable use of cultivated land. To solve the problem of asymmetric information and subjectivity in most integrated evaluations, the authors define the cultivated land ecological security, construct an evaluation index system based on the Pressure-State-Response (PSR) model, and then conduct an evaluation of the ecological security of cultivated land in China by the matter element analysis and the improved entropy method. The results show: (1) The ecological security of cultivated land in China was gradually improved from critically safe to safer from 1996 to 2010, but the correlation of “safer” was extremely weak in 2010; (2) Crucial constraints on the improvement of cultivated land ecological security include fertilizer load per unit of cultivated land, per capita cultivated land, pesticide load per unit of cultivated land, land reclamation rate, and soil erosion. For the cultivated land ecological security to be continuously improved, the economic development pattern should be transformed, land use supervision and management strengthened, and excessive consumption of land resources for economic growth reduced; green agriculture should be vigorously developed, pesticides and fertilizers applied only as needed; rural land consolidation and high-standard basic farmland construction should be strengthened, environmental protection intensified, and soil erosion effectively controlled. The evaluation index system based on the PSR model can accurately reflect the relationship between various elements of the farmland ecosystems, while the matter element analysis can reveal differentiation information of every single indicator and intermediate information of comprehensive evaluation, discovering specific problems in cultivated land ecological security. Therefore, the evaluation index system and the matter element analysis are suitable to assess the cultivated land ecological security.

cultivated land ecological security; matter element analysis; PSR model; obstacle factors

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71173112)；江蘇省國土資源科技項(xiàng)目(201003)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ11_0690)

2012- 09- 19;

2013- 04- 18

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yzliu@njau.edu.cn

10.5846/stxb201209191319

張銳，鄭華偉，劉友兆.基于PSR模型的耕地生態(tài)安全物元分析評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(16):5090- 5100.

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