劉亞男，李淑杰，黃爍秋

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061)

基于PSR和改進(jìn)熵值法的縣域耕地生態(tài)安全評價(jià)研究

劉亞男，李淑杰*，黃爍秋

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061)

以汪清縣為例，基于PSR模型建立耕地生態(tài)安全的評價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后基于改進(jìn)的熵值法測算指標(biāo)因子權(quán)重，綜合定量評價(jià)了汪清縣2005～2015年耕地生態(tài)安全。結(jié)果表明：2005～2015年間汪清縣耕地生態(tài)安全總指數(shù)由0.2045增加到0.7072，評價(jià)等級由危險(xiǎn)級過渡到敏感級，耕地生態(tài)安全狀況已得到改善，可維持基本生態(tài)功能。但目前耕地生態(tài)安全面臨的問題還很嚴(yán)峻。改進(jìn)的熵值法測算權(quán)重解決了熵值法確權(quán)時偏離標(biāo)準(zhǔn)值太大的指標(biāo)權(quán)重值太大的問題；提出了耕地生態(tài)保護(hù)的措施，為耕地保護(hù)提供科學(xué)參考。

耕地；生態(tài)安全；PSR；改進(jìn)的熵值法；汪清縣

0 引言

耕地作為土地資源的一部分，是人類最珍貴的財(cái)富，是人類生存發(fā)展的根本，耕地的安全關(guān)系到人類生存及可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著時間進(jìn)程及社會發(fā)展，人類對土地的需求與日俱增，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致耕地資源不斷減少；耕作中化肥、農(nóng)藥等的使用以及生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的垃圾都使得耕地質(zhì)量逐漸下降，同時人類活動也會影響耕地生態(tài)環(huán)境的變化。

黨在十八大將生態(tài)文明建設(shè)提升到國家“五位一體”建設(shè)的地位后，國務(wù)院推出關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見。2017年中國兩會熱議耕地“三位一體”保護(hù)，耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一樣都不能少，耕地的生態(tài)安全問題已然是當(dāng)今關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[2]。

迄今為止，國內(nèi)外都逐步開始對耕地生態(tài)安全進(jìn)行研究。Di Pietro從景觀生態(tài)學(xué)的角度對庇里牛斯山中部的農(nóng)業(yè)土地生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)，并分析了其發(fā)展的可持續(xù)性[3]。Rasu結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)，選取相應(yīng)指標(biāo)評價(jià)了孟加拉國的耕地生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展[4]。國內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注耕地生態(tài)安全，王萬茂等系統(tǒng)闡述了耕地生態(tài)保護(hù)規(guī)劃的原則、內(nèi)容、程序和方法[5]；朱紅波分析了中國耕地資源生態(tài)安全的特征及影響因素[6]；王千等基于空間格局分析技術(shù)，在壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架下，結(jié)合能值理論，分析了河北省耕地生態(tài)安全及空間聚集格局[7]。耕地的生態(tài)安全關(guān)乎著人類當(dāng)前及將來的生產(chǎn)生活，只有人類、社會、生態(tài)之間互相協(xié)調(diào)，整個系統(tǒng)才能有序可持續(xù)的發(fā)展。

汪清縣作為吉林省縣級區(qū)域面積第二大縣，由于林地面積占比較大，被命名為“中國木業(yè)之都”。本文以汪清縣為例，運(yùn)用PSR模型，參考我國環(huán)境保護(hù)部對生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)的指標(biāo)[8]，選取了15個指標(biāo)因子，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后基于改進(jìn)的熵值法確定了指標(biāo)權(quán)重，綜合評價(jià)了汪清縣耕地生態(tài)安全情況，為縣域耕地生態(tài)安全評價(jià)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

汪清縣位于吉林省延邊朝鮮族自治州東北部，東經(jīng)129°51′～130°56′、北緯43°06′～44°03′。南北縱長108 km，東西橫距152 km，地處長白山東麓，緊靠東北亞經(jīng)濟(jì)貿(mào)易區(qū)。相鄰我國開放城市綏芬河、琿春、圖們，面向綏芬河、長嶺子、沙坨子、圖們、三合、南坪、雙目峰等8個口岸，距俄羅斯40 km，距朝鮮18 km。汪清縣屬長白山區(qū)境，內(nèi)有老爺嶺山脈，從東南走向北，其支脈幾乎橫貫全縣，海拔1447 m。汪清縣屬于北半球西風(fēng)帶中溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有春季和暖風(fēng)大、夏季短促多余、秋季涼爽晴朗、冬季漫長寒冷的特點(diǎn)。區(qū)域面積9016 km2，是吉林省縣級區(qū)域面積第二大縣(圖1)。

圖1 汪清縣在吉林省位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《汪清縣年鑒》(2005～2015年)，《延邊州年鑒》(2005～2015年)，《吉林省年鑒》(2005～2015年)，汪清縣土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫，汪清縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，汪清縣土地利用總體規(guī)劃，《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》以及其他統(tǒng)計(jì)資料。

3 研究方法及過程

3.1 PSR模型及評價(jià)指標(biāo)體系

PSR(Pressure-State-Response)模型，即壓力、狀態(tài)、響應(yīng)模型。最初由加拿大統(tǒng)計(jì)學(xué)家David J.Rapport和Tony Friend提出，后于20世紀(jì)80～90年代由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同發(fā)展起來的用于研究環(huán)境問題的模型。該模型同樣適用于耕地生態(tài)環(huán)境評價(jià)。全球生態(tài)系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，包括耕地生態(tài)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為資源生態(tài)系統(tǒng)，人類在生產(chǎn)生活中從資源生態(tài)系統(tǒng)中獲取所需糧食及其他資源，同時又向生態(tài)系統(tǒng)排放垃圾廢物，改變了生態(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境及物質(zhì)儲量，而生態(tài)系統(tǒng)的變化也會影響人類的生存與發(fā)展，因而人類社會又通過采取各種措施來應(yīng)對這種變化。該模型即是將人類與生態(tài)系統(tǒng)相互聯(lián)系，構(gòu)成人類與自然界之間的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)關(guān)系模型。

根據(jù)PSR模型，選取的指標(biāo)分為3類，即壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)。評價(jià)指標(biāo)因子體系見表1。

3.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

對耕地生態(tài)安全影響的指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)對耕地生態(tài)安全起正向作用，負(fù)向指標(biāo)對耕地生態(tài)安全起負(fù)向作用，對正負(fù)向指標(biāo)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理方式如下：

正向指標(biāo)：Zij=(Aij-minAij)/(maxAij-minAij)

負(fù)向指標(biāo)：Zij=(maxAij-Aij)/ (maxAij-minAij)

其中：Zij代表指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化值；Aij代表第i年第j個指標(biāo)因子原始值；maxAij、minAij分別為研究區(qū)間內(nèi)第j個指標(biāo)因子原始值的最大值、最小值；Zij處于[0,1]之間，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值見表2。

3.3 指標(biāo)權(quán)重值

耕地生態(tài)安全評價(jià)過程中涉及到的因子較多，指標(biāo)權(quán)重的確定關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性[9]，因此在研究中為了體現(xiàn)客觀性，選用了指標(biāo)賦權(quán)法中的客觀賦權(quán)法?？陀^賦權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)間的關(guān)系通過一定的方法來確定指標(biāo)權(quán)重，反映指標(biāo)的相對重要程度，包括主成分分析法、因素分析法、聚類分析法和熵值法等。本文評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定基于熵值法，對于熵值法確權(quán)時偏離標(biāo)準(zhǔn)值太大的指標(biāo)權(quán)重值太大的問題，借鑒層次分析法，對熵值法進(jìn)行改進(jìn)[10]，過程如下：

(1)基于熵值法計(jì)算指標(biāo)的差異性系數(shù)：

差異性系數(shù)：αj=1-Hj

(2)差異性系數(shù)比的最大值：β=maxαj/minαj

其中：γ為映射比；δ為調(diào)整系數(shù)，若β≤9，則δ取最接近β的整數(shù)值，反之δ取9。標(biāo)度值與映射值間的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表1 評價(jià)指標(biāo)因子體系

表2 指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化值

表3 1～9標(biāo)度映射值表

(4)基于改進(jìn)熵值法的判斷矩陣：先計(jì)算指標(biāo)間的差異性系數(shù)比，若比值小于1，則取其倒數(shù)；再計(jì)算差異性系數(shù)比與1～9標(biāo)度映射值的差值，差值絕對值最小的那個標(biāo)度作為指標(biāo)間的相對重要性比較結(jié)果，從而建立基于改進(jìn)熵值法的判斷矩陣，結(jié)果如下：

(5)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重值：基于上式的判斷矩陣，求取指標(biāo)因子的權(quán)重值，結(jié)果見表1。由于計(jì)算過程中是基于指標(biāo)間的差異性系數(shù)比，不會出現(xiàn)指標(biāo)間重要性不一致性的問題，因此本次判斷矩陣不用進(jìn)行一致性檢查。

3.4 耕地生態(tài)安全評價(jià)

耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)反映耕地生態(tài)安全狀況的變化，本文采用多因素綜合評價(jià)方法計(jì)算汪清縣耕地安全綜合指數(shù)，公式如下：

其中：C代表耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)；Zij代表指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化值；Qij代表指標(biāo)因子權(quán)重值；m為指標(biāo)因子個數(shù)。

為了客觀科學(xué)地評定耕地生態(tài)安全狀況，通過參考眾多相關(guān)文獻(xiàn)[1,11-20]，并根據(jù)汪清縣實(shí)際情況，將汪清縣耕地生態(tài)安全指數(shù)劃分為5個區(qū)間等級，級別標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 耕地生態(tài)安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜合指數(shù)區(qū)間級別狀況(0，0．25)危險(xiǎn)耕地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，生態(tài)災(zāi)害嚴(yán)重，缺乏生態(tài)保護(hù)(0．25，0．5)風(fēng)險(xiǎn)耕地生態(tài)安全指數(shù)較低，生態(tài)安全存在風(fēng)險(xiǎn)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，生態(tài)問題顯著(0．5，0．75)敏感耕地生態(tài)安全指數(shù)中等，生態(tài)系統(tǒng)受到一定的污染與侵襲，生態(tài)安全敏感，但可維持基本生態(tài)功能(0．75，0．9)良好耕地生態(tài)安全指數(shù)較高，生態(tài)系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)較正常，系統(tǒng)受到的污染與侵襲較少，生態(tài)安全問題小(0．9，1．0)安全耕地生態(tài)安全指數(shù)高，生態(tài)系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)基本未受到污染與侵襲，幾乎沒有生態(tài)安全問題

4 結(jié)果與分析

綜合以上研究方法及過程，得到汪清縣2005～2015年間耕地在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指標(biāo)下的生態(tài)安全指數(shù)，如表5所示，生態(tài)安全指數(shù)高，則耕地生態(tài)安全度越高。

表5 汪清縣2005～2015年間耕地生態(tài)安全指數(shù)

從表4可以看出，2005年汪清縣耕地生態(tài)安全為0.2045，處于評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的危險(xiǎn)級，此時耕地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，生態(tài)災(zāi)害嚴(yán)重，缺乏生態(tài)保護(hù)；2006～2008年，耕地生態(tài)安全指數(shù)由0.3107增加到0.4800，處于評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)級，政府開始意識到生態(tài)安全的重要性，對環(huán)境保護(hù)投資及治理力度加大；2009～2015年，耕地生態(tài)安全指數(shù)繼續(xù)增加，到2015年增加到0.7072，此時處于評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的敏感級，生態(tài)系統(tǒng)受到一定的污染與侵襲，生態(tài)安全敏感，但可維持基本生態(tài)功能。

5 結(jié)論與討論

以汪清縣為例，基于PSR模型，選取了15個反映生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)因子，建立該評價(jià)研究的評價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后基于改進(jìn)的熵值法測算指標(biāo)因子權(quán)重，綜合定量評價(jià)了汪清縣耕地生態(tài)安全。2005～2015年汪清縣耕地生態(tài)安全評價(jià)總指數(shù)由0.2045增加到0.7072，評價(jià)安全等級由危險(xiǎn)級到風(fēng)險(xiǎn)級再到敏感級，耕地生態(tài)安全狀況已得到改善，但生態(tài)系統(tǒng)仍受到一定的污染與侵襲，生態(tài)安全較敏感，可維持基本生態(tài)功能，但目前耕地生態(tài)安全面臨的問題還很嚴(yán)峻。

熵值法在確權(quán)的過程中，若指標(biāo)的差異性系數(shù)值大，則該指標(biāo)的權(quán)重值就大。評價(jià)體系中選取的指標(biāo)在一定程度上并未完全反映出影響耕地生態(tài)系統(tǒng)的全部因素，因而單一指標(biāo)權(quán)重太大會影響評價(jià)結(jié)果的可靠性。文中對熵值法進(jìn)行改進(jìn)，解決了熵值法確權(quán)時偏離標(biāo)準(zhǔn)值太大的指標(biāo)權(quán)重值太大的問題，確保了評價(jià)結(jié)果的真實(shí)可靠性。

為了保護(hù)耕地生態(tài)安全，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。在農(nóng)田方面，要注重保持合理的投入產(chǎn)出，不能片面地追求高產(chǎn)量而忽略了對農(nóng)田的投入，施用肥料的時候要少用無機(jī)化肥，多施有機(jī)肥料，保持耕地自我的生態(tài)調(diào)節(jié)能力；在自然災(zāi)害方面，政府要加大保障措施及資金投入，保護(hù)森林等用地，減少水土流失、泥石流等自然災(zāi)害，保障耕地生態(tài)安全；在人類社會經(jīng)濟(jì)方面，加大宣傳耕地生態(tài)健康安全意識，提高人民素質(zhì)等措施進(jìn)一步改善耕地生態(tài)安全。

本文研究過程中基于PSR模型，選取的15個評價(jià)指標(biāo)因子可能并未完整地反映影響耕地生態(tài)安全的全部因素，但研究結(jié)果仍能體現(xiàn)出目前汪清縣耕地生態(tài)安全問題，可為汪清縣區(qū)域發(fā)展及后續(xù)土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃及整治規(guī)劃提供科學(xué)參考。

[1] 徐輝,雷國平,崔登攀,等.耕地生態(tài)安全評價(jià)研究:以黑龍江省寧安市為例[J].水土保持研究,2011,18(6):180-189.

[2] 張祥義,許皞,劉名沖.基于熵權(quán)物元模型的耕地生態(tài)安全評價(jià)研究:以河北省肥鄉(xiāng)縣為例[J].土壤通報(bào),2014,45(1):18-23.

[3] Dipietro F. Assessing ecologically sustainable agricultural land-use in the central pyrenees at the field and landscape level[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2001, 86: 93-103.

[4] Rasulr T G. Sustainability analysis of ecological and conventional agricultural systems in Bangladesh[J]. World Development, 2003, 31(6): 1721-1741.

[5] 王萬茂,李志國.關(guān)于耕地生態(tài)保護(hù)規(guī)劃基本問題的探討[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2001,9(4):54-55.

[6] 朱紅波.我國耕地資源生態(tài)安全的特征與影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2008,29(2):194-197.

[7] 王千,金曉斌,周寅康.河北省耕地生態(tài)安全及空間聚集格局[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(8):338-344.

[8] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)[S].北京,2008.

[9] 陶曉燕,章仁俊,徐輝,等.基于改進(jìn)熵值法的城市可持續(xù)發(fā)展能力的評價(jià)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2006,20(5):38-41.

[10] 黃國慶,王明緒,王國良.效能評估中的改進(jìn)熵值法賦權(quán)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(28):245-248.

[11] 李?？?張紅俠,劉燕,等.基于PSR 模型的商洛市土地生態(tài)安全評價(jià)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015,27(7):189-195.

[12] 熊建華,韓書成.基于熵權(quán)法和PSR模型的佛山市土地生態(tài)安全評價(jià)研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2015,40(6):160-164.

[13] 張安,孫福軍,賈樹海,等.GIS在縣域耕地生態(tài)環(huán)境安全評價(jià)中的應(yīng)用研究:以凌源市為例[J].土壤通報(bào),2013,44(4):292-295.

[14] 趙漫,余景,陳丕茂,等.深圳鵝公灣漁業(yè)水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價(jià)[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,46(6):1025-1031.

[15] 郭榮中,楊敏華,申海建.長株潭地區(qū)耕地生態(tài)安全評價(jià)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(10):193-201.

[16] 任平,洪步庭,周介銘.長江上游農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)耕地生態(tài)安全評價(jià)與空間特征研究[J].中國人口資源與環(huán)境,2013,23(12):65-69.

[17] 張紅俠,成忠旭,張孝存.基于投影尋蹤模型的安康市土地生態(tài)安全評價(jià)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,28(11): 94-98.

[18] 宋永永,米文寶,楊麗娜,等.寧夏農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)演化研究[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,46(5):922-928.

[19] 張冰潔,宋戈.松嫩高平原黑土區(qū)典型地域耕地生態(tài)安全評價(jià)及驅(qū)動力分析:以黑龍江省綏化市為例[J].水土保持研究,2012,19(3):215-220.

[20] 楊康,李睿康,張紅俠.關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)增長與城市土地生態(tài)安全評價(jià)研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,28(1):109-113.

(責(zé)任編輯：許晶晶)

Ecological Security Assessment of County-scale Cultivated Land Based on PSR and Improved Entropy Method

LIU Ya-nan, LI Shu-jie*, HUANG Shuo-qiu

(College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China)

Taking Wangqing county as an example, the author established an index system for the evaluation of cultivated land ecological security based on PSR model, measured the weight of every standardized index factor in the system by using the improved entropy method, and comprehensively and quantitatively evaluated the ecological security of cultivated land in Wangqing county from 2005 to 2015. The ecological security total index of cultivated land in Wangqing county increased from 0.2045 in 2005 to 0.7072 in 2015, and the evaluated grade transited from dangerous level to sensitive level, indicating that the ecological security status of cultivated land in this county has been improved and the basic ecological function of cultivated land was maintained. But the problems in the ecological security of cultivated land at present were still very serious. The improved entropy method was used to calculate the weight of index factors, and it solved the problem that the index whose value deviated from the standard value too much was given too big weight value by the entropy method. The measures for the ecological protection of cultivated land were put forward to provide a scientific reference.

Cultivated land; Ecological security; PSR; Improved entropy method; Wangqing county

2017-04-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71303006)；中國科學(xué)院知識創(chuàng)新項(xiàng)目(KZCX2-YW-Q1-07)。

劉亞男，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)管理與利用規(guī)劃。*通訊作者：李淑杰。

S154.1

A

1001-8581(2017)08-0114-05