文高輝, 袁 泉, 趙 懿, 熊子昕, 張 漫

(1.湖南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410081;2.地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410081)

耕地是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，也是保障我國(guó)糧食安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。然而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展、人口的持續(xù)增長(zhǎng)及城市化工業(yè)化的快速推進(jìn)，人地矛盾日益尖銳，耕地生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅。耕地生態(tài)安全關(guān)乎國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略和社會(huì)穩(wěn)定，維護(hù)耕地生態(tài)安全是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重要手段。因此，耕地生態(tài)安全問題受到各級(jí)政府和社會(huì)各界高度關(guān)注[2-3]。近年來，學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注耕地生態(tài)安全問題，并取得了豐富的成果。國(guó)外學(xué)者主要關(guān)注耕地?cái)?shù)量的變化，以及耕地利用活動(dòng)對(duì)土壤、水文等的影響[4-5]。例如，Gibson等[6]分析了社會(huì)政治對(duì)伊拉克耕地面積變化的影響；Bateman等[7]研究了氣候變化對(duì)耕地利用的直接影響，以及誘發(fā)耕地利用變化對(duì)自然環(huán)境的間接影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)耕地安全的研究主要關(guān)注耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)安全等方面。例如，鄧楚雄等[8]分析了長(zhǎng)株潭城市群地區(qū)耕地?cái)?shù)量時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素；劉洪彬和呂杰[9]基于農(nóng)戶微觀視角分析了大城市郊區(qū)耕地土壤質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)因素；鄭華偉等[10]采用集對(duì)分析法診斷了1999—2013年四川省耕地生態(tài)安全狀況。特別是在生態(tài)文明建設(shè)的背景下，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始更加關(guān)注耕地生態(tài)安全問題。劉寶濤等[11]評(píng)價(jià)了2000—2016年吉林省耕地生態(tài)安全狀況；袁零和楊慶媛[12]評(píng)價(jià)了生態(tài)退化區(qū)甘肅省環(huán)縣2005—2016年耕地生態(tài)安全變化狀況；韓磊等[13]和馬年圣等[14]分別評(píng)價(jià)了云南和西藏地區(qū)耕地生態(tài)安全狀況并進(jìn)行了預(yù)測(cè)；韓逸等[4]則以南方丘陵地區(qū)為研究區(qū)域，進(jìn)一步分析了耕地生態(tài)安全的影響因素；也有學(xué)者從糧食安全和生態(tài)安全等視角來探討區(qū)域耕地資源安全等問題[15]。在耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法選擇方面，主要采用熵值法[16]、物元分析法[2]、能值生態(tài)足跡模型[17]、隨機(jī)森林算法等[18]方法；耕地安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也主要是依據(jù)PSR[10,12-14,19]模型進(jìn)行構(gòu)建。PSR模型反映了人類活動(dòng)對(duì)耕地生態(tài)環(huán)境造成的壓力、耕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化以及人類對(duì)于耕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的響應(yīng)三者之間的關(guān)系，但隨著自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的關(guān)系越來越緊密，以及自然環(huán)境的自身特征和屬性的復(fù)雜性，PSR模型不能科學(xué)而準(zhǔn)確地反映經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然之間的關(guān)系與存在的問題[20]。因此，本文在PSR模型基礎(chǔ)上加入驅(qū)動(dòng)力因素與影響力因素，建立基于DPSIR模型耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

洞庭湖平原是中國(guó)重要的商品糧基地，但同時(shí)存在著嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題，極大影響了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)文明建設(shè)。黨和政府高度重視洞庭湖區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)。湖南省啟動(dòng)并實(shí)施3個(gè)“洞庭湖生態(tài)環(huán)境專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃”和洞庭湖水環(huán)境治理五大專項(xiàng)行動(dòng)等系列工程。因此，研究洞庭湖平原耕地生態(tài)安全狀況具有重要現(xiàn)實(shí)意義?？傮w來講，耕地生態(tài)安全相關(guān)研究取得積極進(jìn)展，但仍然存在一些不足之處。①現(xiàn)有研究大多分析某一研究區(qū)域耕地生態(tài)安全的時(shí)間規(guī)律，以縣級(jí)尺度為評(píng)價(jià)單元來揭示耕地生態(tài)安全狀況的空間格局的研究較少，而以縣(區(qū)、市)為單位的研究可更直觀地反映洞庭湖平原耕地生態(tài)安全狀況；②基于DPSIR模型對(duì)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的研究較少?；诖耍疚囊远赐ズ皆鲜〔糠值?1個(gè)縣(區(qū)、市)為研究區(qū)域，基于DPSIR模型構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從縣域尺度采用改進(jìn)的TOPSIS模型和障礙度模型評(píng)價(jià)洞庭湖平原耕地生態(tài)安全時(shí)空狀況，并診斷其障礙因子，以期為洞庭湖平原耕地合理利用和耕地污染治理提供參考依據(jù)。

1 研究概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

洞庭湖平原是以洞庭湖為中心的河湖沖積平原區(qū)，位于湖南省東北部和長(zhǎng)江中游荊江以南，地跨湘、鄂兩省，北部與江漢平原相接，面積約1.88×104km2。本文以洞庭湖平原湖南省部分的21個(gè)縣(區(qū)、市)為研究區(qū)域。洞庭湖平原屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，光照充足、雨水充沛，是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，素有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。研究區(qū)域21縣(區(qū)、市)糧食總產(chǎn)量由2007年的8.00×106t增至2017年的8.22×106t，農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值由2007年的701.19億元提高至2017年的1 330.15億元。洞庭湖平原區(qū)域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化快速發(fā)展，耕地生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，存在著嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題。有研究表明，1991—2015年，洞庭湖TN和TP濃度呈顯著上升趨勢(shì)[21]；根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)匯總，研究區(qū)域21縣(區(qū)、市)農(nóng)用化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜投入強(qiáng)度一直處于高位，單位農(nóng)作物播種面積化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜使用量分別由2007年的1 131.56，15.64和10.38 kg/hm2變化至2017年的1 170.99，14.17和10.98 kg/hm2。因此，研究洞庭湖平原的耕地生態(tài)安全問題對(duì)保障國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需數(shù)據(jù)主要來源于《2008—2018年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《2008—2018年湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，以及各縣(區(qū)/市)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)》。

2 研究方法

2.1 利用DPSIR模型構(gòu)建指標(biāo)體系

耕地是一個(gè)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的經(jīng)濟(jì)綜合體。耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和合理性程度，會(huì)直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性以及提出對(duì)策的全面性。當(dāng)前關(guān)于土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的模型有很多，其中歐洲環(huán)境署于1993年基于PSR和DSR框架的基礎(chǔ)上建立起來的“驅(qū)動(dòng)力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(yīng)”(DPSIR)模型具有綜合性強(qiáng)、邏輯清晰的優(yōu)點(diǎn)，該模型還強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)方面對(duì)生態(tài)安全的影響和兩者之間的聯(lián)系，能更好地揭示人類的活動(dòng)與生態(tài)之間的關(guān)系(圖1)，現(xiàn)該模型在生態(tài)安全研究領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[20-22]。故本文依據(jù)DPSIR模型構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

圖1 “驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(DPSIR)概念模型

表1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1) 驅(qū)動(dòng)力(driving forces，D)是指引起耕地生態(tài)安全發(fā)生變化的潛在原因。選取人口密度、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重4個(gè)指標(biāo)來反映人口變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)耕地生態(tài)安全的潛在驅(qū)動(dòng)力。

(2) 壓力(pressure，P)是指人類活動(dòng)和自然環(huán)境等因素對(duì)耕地生態(tài)安全的直接影響。選取化肥施用強(qiáng)度、農(nóng)藥施用強(qiáng)度、地膜使用強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害成災(zāi)比例4個(gè)指標(biāo)來反映了農(nóng)業(yè)污染和自然災(zāi)害對(duì)耕地造成的壓力。

(3) 狀態(tài)(state，S)是指在驅(qū)動(dòng)力和壓力的共同作用下，耕地生態(tài)安全的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。選取耕地墾殖率、有效灌溉率、人均耕地面積、人均糧食占有量、復(fù)種指數(shù)5個(gè)指標(biāo)來反映耕地資源利用現(xiàn)狀。

(4) 影響(impact，I)是指耕地生態(tài)安全狀態(tài)發(fā)生變化給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來的影響。選取農(nóng)民人均純收入、糧食單產(chǎn)2個(gè)指標(biāo)來反映耕地資源利用帶來的經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果。

(5) 響應(yīng)(responses，R)是指為了實(shí)現(xiàn)耕地生態(tài)安全，人類所提出的應(yīng)對(duì)措施和對(duì)策。選取中低產(chǎn)田改良比例、測(cè)土配方施肥比例、秸稈還田比例3個(gè)指標(biāo)來反映農(nóng)戶對(duì)耕地可持續(xù)利用所采取的措施。

本文依據(jù)DPSIR模型的內(nèi)涵和相關(guān)文獻(xiàn)[1,19,23]對(duì)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的安全趨勢(shì)進(jìn)行綜合研判。耕地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的含義及安全趨勢(shì)詳見表1。

2.2 改進(jìn)的TOPSIS方法

逼近理想排序法(TOPSIS)，是一種有限方案、多目標(biāo)決策分析方法[1]。它依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)、最劣值分別構(gòu)成正、負(fù)理想解，計(jì)算各評(píng)價(jià)目標(biāo)與正負(fù)理想解的距離，進(jìn)而獲得各方案與理想解的貼近度，并進(jìn)行排序，以此判斷方案的優(yōu)劣[1]。鑒于此，本文采用TOPSIS模型來測(cè)算洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)耕地生態(tài)安全程度。結(jié)合本文的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的TOPSIS方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改進(jìn)：耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)決策矩陣的建立不是直接基于評(píng)價(jià)指標(biāo)層，而是基于驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)這5個(gè)準(zhǔn)則層。

2.2.1 指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化 由于各項(xiàng)指標(biāo)性質(zhì)不同，其單位和數(shù)量級(jí)也有一定差異，沒有可比性，因此要對(duì)指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向、負(fù)向2類指標(biāo)，分別表示指標(biāo)對(duì)耕地生態(tài)安全的影響是積極或者消極的，計(jì)算公式為：

正向指標(biāo)：

rij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

rij=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(2)

式中：rij為標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值,其值在[0,1]區(qū)間;xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)的原始值;xjmax為評(píng)價(jià)指標(biāo)j的最大值;xjmin為評(píng)價(jià)指標(biāo)j的最小值。

2.2.2 權(quán)重的確定 鑒于熵權(quán)法客觀性較強(qiáng)，不受決策者主觀意識(shí)的影響，故采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。

(3)

dj=1-ej

(4)

(5)

式中：wj為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;dj為信息冗余程度;ej為指標(biāo)信息熵;m為評(píng)價(jià)年數(shù);n為指標(biāo)個(gè)數(shù);zij為第t年第j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值比例。

2.2.3 構(gòu)建規(guī)范化決策矩陣 利用權(quán)重對(duì)各指標(biāo)加權(quán)求和，建立規(guī)范化決策矩陣。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：KD為驅(qū)動(dòng)力安全指數(shù);KP為壓力安全指數(shù);KS為狀態(tài)安全指數(shù);KI為影響安全指數(shù);KR為響應(yīng)安全指數(shù);t=1,2,3表示2007，2012，2017年;r和w的含義同上。

2.2.4 確定正負(fù)理想解 在決策矩陣中找出各指標(biāo)的最優(yōu)值為正理想解(K+)，最劣值為負(fù)理想解(K-)。

K+={maxKif│f=1,2,…,5}

(11)

K-={maxKif│f=1,2,…,5}

(12)

式中：Kif為表示第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的第f個(gè)安全指數(shù)；i=1,2,…；q(q為評(píng)價(jià)單元個(gè)數(shù));f=1,2,…,5,分別表示為驅(qū)動(dòng)力安全指數(shù)、壓力安全指數(shù)、狀態(tài)安全指數(shù)、影響安全指數(shù)、響應(yīng)安全指數(shù)。

2.2.5 確定評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)理想解的距離D+和D-

(13)

(14)

2.2.6 計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的貼近度Ci：

(15)

式中：0≤Ci≤1,Ci越大,表明耕地生態(tài)安全程度越高。當(dāng)Ci=0時(shí),表示耕地生態(tài)安全程度最低;Ci=1時(shí),表示耕地生態(tài)安全程度最高。

2.3 耕地生態(tài)安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)用基于熵權(quán)的改進(jìn)TOPSIS模型測(cè)算得到耕地生態(tài)安全程度(即貼近度)數(shù)值在0～1之間，分值越接近1表明耕地生態(tài)安全程度越高；分值越接近0，表明耕地生態(tài)安全程度越低。在參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)生態(tài)安全的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]的基礎(chǔ)上，并結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，基于“均分原則”[23]將洞庭湖平原耕地生態(tài)安全程度劃分為5個(gè)等級(jí)，由低至高依次為非常危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)、臨界狀態(tài)、較安全、非常安全(表2)。

表2 洞庭湖平原耕地安全評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 障礙度模型

在耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，本文采用障礙度模型對(duì)耕地生態(tài)安全狀況進(jìn)行病理診斷，挖掘出影響耕地生態(tài)安全程度的障礙因子，為進(jìn)一步提高洞庭湖平原耕地生態(tài)安全水平提供決策參考。障礙度模型主要采用因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度、障礙度3個(gè)指標(biāo)來分析診斷。因子貢獻(xiàn)度(Uj)為單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重(wj)；指標(biāo)偏離度(Ij)為單項(xiàng)指標(biāo)與耕地生態(tài)安全的理想解為1的差距；障礙度(Yj，yj)分別為分類指標(biāo)和單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)耕地生態(tài)安全的影響程度[24]。計(jì)算公式為：

(16)

式中：Ij=1-rj；wj為指標(biāo)j的極差標(biāo)準(zhǔn)化值。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞庭湖平原耕地生態(tài)安全時(shí)空分析

3.1.1 耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007年10月印發(fā)的《湖南省“十一五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，湖南省耕地面積減少，地力下降，農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重老化，環(huán)境污染、自然災(zāi)害、生物災(zāi)害仍然是農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素；該文件同時(shí)提出了增產(chǎn)增收、提高化肥農(nóng)藥利用率等發(fā)展目標(biāo)，提出了加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等主要任務(wù)。2012年4月印發(fā)的《湖南省“十二五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出了主要農(nóng)產(chǎn)品綜合生產(chǎn)能力不斷增強(qiáng)、資源綜合利用和循環(huán)使用水平不斷提高、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步改善、資源循環(huán)利用水平進(jìn)一步提高、農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害的能力進(jìn)一步增強(qiáng)等發(fā)展目標(biāo)。2016年8月印發(fā)的《湖南省“十三五”農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)劃》指出，湖南省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展仍然存在著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)性矛盾突出，抗御自然風(fēng)險(xiǎn)的能力較弱，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理水平不高，資源環(huán)境約束趨緊，農(nóng)業(yè)發(fā)展支撐能力不強(qiáng)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全形勢(shì)嚴(yán)峻，農(nóng)民持續(xù)增收困難等問題和挑戰(zhàn)，并據(jù)此提出了健全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，大規(guī)模推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，構(gòu)建新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)體系，完善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全體系，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境治理，強(qiáng)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)支撐體系等主要任務(wù)。從湖南省十一五、十二五和十三五3個(gè)時(shí)期農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃文件可以看出，湖南省日趨重視耕地保護(hù)，采取了推進(jìn)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)建設(shè)、中低產(chǎn)田改造、農(nóng)業(yè)面源污染治理等重要舉措，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境得到了積極改善，但耕地生態(tài)安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。同時(shí)考慮到洞庭湖平原縣級(jí)層面數(shù)據(jù)的可獲得性，本文選取用2007年、2012年、2017年為研究時(shí)點(diǎn)來分析洞庭湖平原在十一五、十二五和十三五3個(gè)時(shí)期初期的耕地生態(tài)安全空間格局。2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。2007年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)為0.796，2012年降至0.754，2017年進(jìn)一步降至0.732(圖2)?；贏rcGIS工具，依均分原則將耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)各子系統(tǒng)安全指數(shù)指標(biāo)分為5個(gè)等級(jí)。

圖2 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全變化趨勢(shì)

由圖3可知，洞庭湖區(qū)耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)較低的地區(qū)四散分布于研究區(qū)外圍。從縣域尺度來看，在3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)，武陵區(qū)及岳陽樓區(qū)的耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)均明顯低于洞庭湖平原平均水平，這與它們均為地級(jí)市的政治經(jīng)濟(jì)文化中心關(guān)系較大。其中，武陵區(qū)為常德市的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，其耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)整體水平較低，且惡化趨勢(shì)明顯，從2007年的0.500降至2017年的0.236，現(xiàn)已成為全域內(nèi)耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)最低地區(qū)，這與當(dāng)?shù)乜焖僭鲩L(zhǎng)的人口及較高的城鎮(zhèn)化率密切相關(guān)；岳陽樓區(qū)為岳陽市的政治文化中心，其耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)在研究期內(nèi)總體呈“先降后升”變化趨勢(shì)，由2002年的0.392降至2012年的0.279，此后岳陽樓區(qū)人地矛盾問題引起地方政府重視，政府大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，2017年驅(qū)動(dòng)力指數(shù)微幅提升至0.306。此外，2007—2017年，汨羅市、君山區(qū)、湘陰縣、阮江市、南縣等地耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)均出現(xiàn)降級(jí)，人地矛盾問題在洞庭湖平原日漸凸顯。

圖3 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全驅(qū)動(dòng)力指數(shù)空間格局

3.1.2 耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)整體呈“先降后升”變化趨勢(shì)。2007年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)為0.824，2012年降至0.783，2017年升至0.832(圖2)。由圖4可知，洞庭湖平原北部耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)偏低，東部及南部地區(qū)耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)較高。從縣域尺度來看，在3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)華容縣耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)均明顯低于洞庭湖平原平均水平。這與大量使用農(nóng)藥、化肥、地膜密切相關(guān)，資本密集型耕作方式不利于地力養(yǎng)護(hù)，直接影響耕地生態(tài)系統(tǒng)平衡。此外，2007—2012年，南縣、汨羅市、湘陰縣、鼎城區(qū)、澧縣、安鄉(xiāng)縣、臨澧縣等地耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)明顯下降，2012—2017年，漢壽縣、阮江市、臨澧縣、安鄉(xiāng)縣等地耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)顯著上升。洞庭湖平原整體耕地生態(tài)安全壓力狀態(tài)經(jīng)歷了一個(gè)先惡化后改善的過程，這與國(guó)家和政府實(shí)施測(cè)土配方精準(zhǔn)施肥、化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)、有機(jī)肥推廣，以及農(nóng)民養(yǎng)地意識(shí)的提高等密切相關(guān)。

圖4 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)空間格局

3.1.3 耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。2007，2012和2017年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)均為0.449(圖2)。由圖5可知，洞庭湖平原大部分縣(區(qū)、市)耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)處于0.4～0.6區(qū)間內(nèi)。從縣域尺度來看，在3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)，岳陽樓區(qū)、云溪區(qū)、武陵區(qū)等地耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)均低于洞庭湖平原平均水平。其中，岳陽樓區(qū)耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)在研究期內(nèi)升幅明顯，由2007年的0.107提升至2017年的0.250，相對(duì)升幅達(dá)134%。這一變化特征與岳陽樓區(qū)驅(qū)動(dòng)力安全指數(shù)的上升互為映照，說明當(dāng)?shù)卣谥匦抡J(rèn)識(shí)人地矛盾及耕地生態(tài)安全現(xiàn)狀后采取的一系列耕地生態(tài)安全改善措施開始顯現(xiàn)成效。此外，2007—2017年，安鄉(xiāng)縣、阮江市、鼎城區(qū)等地耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)明顯下降，桃源縣等地耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)顯著上升。耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)的空間分布差異與洞庭湖平原耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量異質(zhì)性密切相關(guān)。

圖5 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)空間格局

3.1.4 耕地生態(tài)安全影響指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全影響指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)。2007年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均耕地生態(tài)安全影響指數(shù)為0.201，2012年升至0.334，2017年升至0.558(圖2)。由圖6可知，洞庭湖平原耕地生態(tài)安全影響狀態(tài)得到顯著改善，各縣(區(qū)、市)表現(xiàn)出不同程度升幅，這一變化特征與近年來洞庭湖平原耕作條件改善、農(nóng)戶耕地利用效率提高密切相關(guān)。從縣域尺度來看，在3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)，望城區(qū)耕地生態(tài)安全影響指數(shù)明顯高于洞庭湖平原平均水平，在2007—2017年增幅最為顯著，相對(duì)增幅達(dá)222%。這一變化與望城撤縣設(shè)區(qū)、在政策扶持下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展密切相關(guān)，具體表現(xiàn)在糧食單產(chǎn)提高、農(nóng)民人均純收入顯著增長(zhǎng)。

3.1.5 耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)。2007年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均響應(yīng)指數(shù)為0.128，2012年為0.154，2017年升至0.174(圖2)。洞庭湖平原耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)上升趨勢(shì)與政府及農(nóng)戶耕地保護(hù)意識(shí)的提高密切相關(guān)，近年來，國(guó)家和湖南省高度重視洞庭湖平原的農(nóng)地綜合整治(含中低產(chǎn)田改造)、測(cè)土配方施肥、秸稈還田等工作，為洞庭湖平原耕地生態(tài)安全狀況的改善創(chuàng)造了條件。由圖7可知，洞庭湖平原耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)空間分異日趨明顯。從縣域尺度來看，在3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)，澧縣、華容縣、臨湘市、汨羅市等地耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)均呈“先升后降”變化趨勢(shì)，上述縣(區(qū)、市)在2007—2012年，耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)攀升至0.2～0.4區(qū)間內(nèi)，在2012—2017年降級(jí)回跌。此外，在2012—2017年，沅江市、資陽區(qū)、岳陽縣、臨澧縣耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)顯著上升，平均增幅為86%。

圖7 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)空間格局

3.1.6 耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)時(shí)空規(guī)律 2007—2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全水平整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2007年洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)平均耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.594，2012年為0.580，2017年為0.618，10 a內(nèi)耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)升幅為3.98%(圖2)。由圖8可知，2007—2012年，多數(shù)縣(區(qū)、市)耕地生態(tài)安全水平處于安全臨界狀態(tài)；2012—2017年，阮江市、臨澧縣、桃源縣、漢壽縣、赫山區(qū)等地耕地生態(tài)安全程度從臨界狀態(tài)越至較安全及以上狀態(tài)。其中，阮江市耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)在2017年達(dá)0.809，實(shí)現(xiàn)非常安全狀態(tài)。而華容縣耕地生態(tài)安全程度在2007年處于非常危險(xiǎn)狀態(tài)，2012年和2017年耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)雖略有上升，但仍處于較危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖8 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)空間格局

3.2 洞庭湖平原耕地生態(tài)安全障礙因子診斷

3.2.1 準(zhǔn)則層障礙因素 由表3可知，洞庭湖平原耕地生態(tài)安全準(zhǔn)則層的障礙度各有不同且變化趨勢(shì)也有所不同?？傮w而言，阻礙耕地生態(tài)安全狀況改善的主要障礙因素為響應(yīng)子系統(tǒng)，其次是壓力、狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)力和影響子系統(tǒng)。地方政府和農(nóng)戶以往更多的是注重耕地的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，忽視了對(duì)耕地質(zhì)量和健康的生態(tài)保護(hù)，近年來特別是生態(tài)文明建設(shè)以來，地方政府更加清晰地認(rèn)識(shí)到生態(tài)保護(hù)的重要性，為改善洞庭湖平原耕地生態(tài)安全采取了諸如測(cè)土配方施肥等新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、農(nóng)業(yè)面源污染治理、中低產(chǎn)田改造等舉措，但實(shí)施力度不夠大，仍需繼續(xù)加強(qiáng)。未來，為切實(shí)提高洞庭湖平原耕地生態(tài)安全水平，首要是加強(qiáng)并改進(jìn)耕地生態(tài)安全響應(yīng)舉措，加強(qiáng)洞庭湖平原“山水林田湖草”綜合整治，加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，同時(shí)要緩解耕地生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力，確保耕地長(zhǎng)期處于一個(gè)健康可持續(xù)的利用狀態(tài)。

表3 洞庭湖平原2007-2017年耕地生態(tài)安全準(zhǔn)則層指標(biāo)障礙度 %

3.2.2 指標(biāo)層障礙因子 由于評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，根據(jù)指標(biāo)層障礙度大小，本文僅列出排序前50%的障礙因子(表4)。通過對(duì)比可得出，2007—2017年，洞庭湖平原耕地生態(tài)安全障礙度排序前三的因子均為響應(yīng)措施。障礙度最大因子均為中低產(chǎn)田改良比例(R1)，其障礙度雖有所下降，但仍占最大比重。雖然黨和國(guó)家以及湖南省人民政府高度重視洞庭湖平原等糧食主產(chǎn)地區(qū)的土地綜合整治建設(shè)，投入了大量財(cái)政資金，但當(dāng)前洞庭湖平原中低產(chǎn)田改良工程和農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)的力度仍應(yīng)繼續(xù)加大，以提升農(nóng)田糧食綜合生產(chǎn)能力。障礙度第2位的因子為秸稈還田比例(R3)，國(guó)家大力提倡秸稈還田，這是由于秸稈還田具有培肥地力、改善土壤養(yǎng)分狀況、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、減少因秸稈焚燒造成的大氣污染等好處。但倘若秸稈還田方式不當(dāng)，也會(huì)造成一些負(fù)面影響，因而很多農(nóng)戶并未全面實(shí)施秸稈還田。對(duì)于秸稈還田措施，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)與培訓(xùn)，進(jìn)而充分發(fā)揮秸稈還田的正向效應(yīng)。障礙度第3位的因子為測(cè)土配方施肥比例(R2)，當(dāng)前測(cè)土配方施肥并未在洞庭湖平原全面開展，只有少部分地區(qū)實(shí)施了測(cè)土配方施肥技術(shù)。測(cè)土配方施肥技術(shù)可有效解決作物需肥與土壤供肥之間的矛盾，針對(duì)性地補(bǔ)充農(nóng)作物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，提高肥料利用率，減少肥料流失帶來的農(nóng)業(yè)面源污染。障礙度第4位的因子為農(nóng)藥施用強(qiáng)度(P2)，洞庭湖平原農(nóng)藥施用量占全省總量的1/3，而耕地面積卻只占全省的1/4，農(nóng)藥施用量過大，嚴(yán)重影響耕地生態(tài)安全。障礙度第5位的因子為地膜使用強(qiáng)度(P3)，地膜使用是提高產(chǎn)量的重要手段，但隨著地膜使用年限的增加，殘留地膜回收率低，造成極大的污染。障礙度第6位的因子為化肥施用強(qiáng)度(P1)，化肥使用過量是土壤污染的重要因素，易造成土壤板結(jié)、地下水污染等。障礙度第7位的因子為農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害成災(zāi)比例(P4)，可直接導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降或數(shù)量減少，防治自然災(zāi)害是今后工作的重中之重。障礙度第8位的因子為復(fù)種指數(shù)(S5)，當(dāng)前洞庭湖平原平均復(fù)種指數(shù)為2.85，明顯高于湖南省平均復(fù)種指數(shù)2.11的水平，較高的復(fù)種指數(shù)通常具有較高的耕地利用效率，但洞庭湖平原的耕地也不能一直處于高壓利用狀態(tài)，應(yīng)適時(shí)實(shí)行稻油、稻肥等輪作方式，改良土壤，提高地力。障礙度第9位的因子為人均耕地面積(S3)，快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程及人口增長(zhǎng)不斷加劇洞庭湖平原人地矛盾，需優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率。

表4 2007-2017年洞庭湖平原耕地生態(tài)安全指標(biāo)層主要障礙因子及障礙度 %

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 2007—2017年洞庭湖平原整體耕地生態(tài)安全水平處于臨界狀態(tài)，耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)在研究期內(nèi)波動(dòng)上升但增速緩慢。對(duì)于洞庭湖平原耕地生態(tài)安全各子系統(tǒng)，影響和響應(yīng)子系統(tǒng)安全指數(shù)呈不同程度的上升趨勢(shì)，狀態(tài)子系統(tǒng)安全指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，壓力子系統(tǒng)安全指數(shù)呈“先降后升”變化趨勢(shì)，而驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)安全指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

(2) 洞庭湖平原各縣(區(qū)、市)耕地系統(tǒng)生態(tài)安全變化特征不一。多數(shù)縣(區(qū)、市)耕地生態(tài)安全水平在研究期內(nèi)處于安全臨界狀態(tài)，阮江市為研究期內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)非常安全狀態(tài)的地區(qū)。

(3) 從準(zhǔn)則層來看，影響洞庭湖平原耕地生態(tài)安全程度的主要障礙因子集中在響應(yīng)子系統(tǒng)。從指標(biāo)層來看，中低產(chǎn)田改良比例、秸稈還田比例、測(cè)土配方施肥比例、農(nóng)藥使用強(qiáng)度、地膜使用強(qiáng)度、化肥施用強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害成災(zāi)比例、人均耕地面積等是制約洞庭湖平原耕地生態(tài)安全的主要障礙因子。

4.2 建 議

(1) 大力實(shí)施全域土地綜合整治。積極推進(jìn)中低產(chǎn)田改良工程、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田和農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增加有效耕地面積，提高人均耕地面積，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害的能力，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提升農(nóng)田糧食綜合生產(chǎn)能力。

(2) 加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理。大力實(shí)施減藥控肥行動(dòng)，強(qiáng)化農(nóng)藥殘留超標(biāo)治理，全面推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)，提高化肥農(nóng)藥利用率，實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)；開展農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污資源化綜合利用，提高地膜回收率，降低地膜殘留量；大力推廣綠肥種植、增施有機(jī)肥等措施，提高耕地質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。