銀 盈，羅懷良,2，向珈瑤

(1.四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610101;2.四川師范大學(xué) 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610068)

1 引言

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個受自然因素和人為因素共同影響的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，其關(guān)系著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)40年代以來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，資金、農(nóng)藥、化肥和農(nóng)業(yè)機(jī)械等農(nóng)業(yè)投入快速增長，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量得到空前提高，與此同時農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也在不斷退化、脆弱性顯著增強(qiáng)；資源過度消耗，人地矛盾日益突出，耕地退化、水土流失、土地沙化等農(nóng)業(yè)環(huán)境問題頻發(fā)。因此，研究農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展勢態(tài)的迫切需求。

20世紀(jì)初，生態(tài)脆弱性的內(nèi)涵便開始不斷發(fā)展和完善。一般認(rèn)為生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)本身固有的隱藏屬性，這種隱藏屬性是只有當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾后才展現(xiàn)出來的一種敏感性和恢復(fù)到原狀態(tài)的能力[1，2]。生態(tài)脆弱性研究是針對生態(tài)系統(tǒng)偏離其原始狀態(tài)，并受到外界因素影響后難以恢復(fù)其原始狀態(tài)的研究[3]。2010年，IPCC在報告中指出生態(tài)脆弱性研究的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)對外界擾動的敏感性、系統(tǒng)變化的評估、變化對系統(tǒng)造成潛在影響的估測，以及系統(tǒng)對影響和變化的適應(yīng)性評價等[4]。

目前，國內(nèi)有關(guān)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的研究主要集中在農(nóng)業(yè)干旱脆弱性[5，6，16，18]、農(nóng)業(yè)洪澇災(zāi)害脆弱性[9，10]、農(nóng)業(yè)水資源脆弱性[12～14]及農(nóng)業(yè)氣候脆弱性[15～17]。國內(nèi)學(xué)者在指標(biāo)體系的選擇和研究方法上也逐漸豐富。楊奇勇[5]在灰色關(guān)聯(lián)法和層次分析法等方法疊加分析的基礎(chǔ)上，評價了湖南農(nóng)業(yè)水資源的脆弱性，為湖南省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中水資源的合理配置和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供了針對性的建議。周松秀[18]從自然、社會、經(jīng)濟(jì)三方面選取13個指標(biāo)，利用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算出以縣域?yàn)閱挝坏霓r(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)，并對湘中丘陵盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱性強(qiáng)度和空間分布規(guī)律進(jìn)行分析。夏興生等[19]從氣候條件、承載體、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和社會經(jīng)濟(jì)4個方面建立農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系，綜合層次分析法和主成分分析法的各指標(biāo)權(quán)重，最后利用綜合權(quán)重計(jì)算生態(tài)脆弱性指數(shù)。舒英格[20]基于灰色三角白化權(quán)集對分析(SPA)模型，從生態(tài)環(huán)境外在脆弱性方面選擇人口密度、人均耕地面積、人均造林面積等11個評價指標(biāo)，利用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，對喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評價。

2 研究區(qū)概況

四川東部盆地區(qū)，地跨東經(jīng)102°07′～108°23′，北緯27°39′～33°03′。該區(qū)地貌以丘陵和盆地為主，兼有山地。涉及四川省17個市(成都市、自貢市、瀘州市、德陽市等)，其國土總面積達(dá)185740.9 km2，約占四川省總面積的1/3。該區(qū)現(xiàn)有總?cè)丝?368.9萬人，人口密度為451人/km2?，F(xiàn)有耕地5957620 hm2，人均耕地0.0712 hm2。該區(qū)氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，熱量豐富，雨量充沛，氣溫日較差小，年較差大，年平均氣溫為17.6 ℃，年平均降水量為1243.7 mm。該區(qū)土壤主要有紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰?guī)r和紫色土。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，宜于農(nóng)、林、牧、漁各業(yè)生產(chǎn)，是主要的水稻、油菜籽產(chǎn)區(qū)。2019年，四川省人均GDP達(dá)55774元，3次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為1∶3.6∶5，其中第一產(chǎn)業(yè)占地區(qū)生產(chǎn)總值的10.3%，糧食總產(chǎn)量達(dá)3498.5萬t，農(nóng)作物總播種面積達(dá)9692990 hm2。農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)為34.71%，農(nóng)民生活水平處于相對富裕狀態(tài)。

3 研究方法和數(shù)據(jù)來源

3.1 研究方法

3.1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性多指標(biāo)綜合評價法

本文通過多指標(biāo)綜合評價法研究農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性，農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)的計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：EVI為農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)；n為指標(biāo)數(shù)量；Xij為標(biāo)準(zhǔn)化后各指標(biāo)值；Si為指標(biāo)的綜合權(quán)重。

其中，綜合權(quán)重通過層次分析法的主觀權(quán)重和熵權(quán)法的客觀權(quán)重綜合計(jì)算。

3.1.1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性是由多種因素共同決定的，本文在參考相關(guān)論文[18,19,21,28～30]的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，分析影響四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性的各項(xiàng)因素，遵循綜合性、可比性和可獲取性的原則，從自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三方面選取15項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系

(1)自然環(huán)境因子。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)受到氣候、地形、土壤等諸多自然因子的影響，而四川省東部盆地的地形差異相對較小，因此本文在自然因子中主要選取氣候指標(biāo)。良好的水熱條件有利于農(nóng)作物生長，年降水量和年平均氣溫可反映區(qū)域的水熱組合狀況，但年降水量過多或過少會帶來洪澇和干旱，制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展，另外，四川省存在低溫危害，即溫度過低時制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展。年平均相對濕度可反映區(qū)域的干旱程度；年日照時數(shù)表征太陽全年輻射的小時數(shù)，用來反映農(nóng)作物光合作用的強(qiáng)度。

(2)社會經(jīng)濟(jì)因子。當(dāng)人口壓力超過土地所能承受的有限值時，人地矛盾日益突出，耕地質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性加強(qiáng)，但人口自然增長率過大或過小，都會影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。人均GDP和農(nóng)業(yè)占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例與農(nóng)民的生活質(zhì)量水平成正比，恩格爾系數(shù)與其成反比，當(dāng)農(nóng)民的生活質(zhì)量越高時，其對農(nóng)業(yè)的投入越大，農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性也就越小。農(nóng)民作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的主導(dǎo)因子，城鎮(zhèn)化率越大，農(nóng)業(yè)人口比例越小，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)受到的外界干擾越小，農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性就越小。

(3)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因子。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的高低將直接影響農(nóng)業(yè)發(fā)展過程的快慢，每公頃農(nóng)業(yè)機(jī)械動力越大，越有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)每公頃耕地投入的化肥過量時，會帶來土壤肥力退化、環(huán)境污染等問題，盡管短期內(nèi)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益但最終會加劇農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。當(dāng)人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積和灌溉面積占耕地面積的比重越大的時候，區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)越能抵抗外界的負(fù)面影響，其農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性越小。

3.1.1.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性的分區(qū)

根據(jù)四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指標(biāo)的綜合權(quán)重和各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，通過式(1)計(jì)算得到四川省東部盆地區(qū)各市的農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)EVI，參考相關(guān)論文生態(tài)脆弱性的劃分標(biāo)準(zhǔn)[18,19,29～31]，將四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性劃分為4個等級(表2)。

表2 四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性劃分等級標(biāo)準(zhǔn)

3.1.2 層次分析法

表3 層次分析法判斷標(biāo)度

3.1.3 熵權(quán)法

熵值可用于評估指標(biāo)的分散性，信息熵值越小，指標(biāo)的分散程度越大，該指標(biāo)對綜合評價的影響(即權(quán)重)就越大，如果某項(xiàng)指標(biāo)的值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評價中不起作用。因此，可利用信息熵計(jì)算各個指標(biāo)的權(quán)重，從而為多指標(biāo)綜合評價奠定基礎(chǔ)。按照正向、負(fù)向及適度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理公式(2)～(4)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣。

正向評價指標(biāo)，值越大，脆弱性越大：

(2)

負(fù)向評價指標(biāo)，值越大，脆弱性越小:

(3)

適度指標(biāo)，值過大、過小都不好:

(4)

通過式(5)分別計(jì)算2010～2019年第i項(xiàng)指標(biāo)下j市指標(biāo)值的比重Pij，利用式(6)得到10 a各項(xiàng)指標(biāo)的熵值Hi，然后通過式(7)求得10 a各指標(biāo)權(quán)重值wi，最后將這10a各指標(biāo)的權(quán)重值求平均，得到最終權(quán)重值Wi。參考楊美玲等[25]研究結(jié)果，通過式(8)計(jì)算得到綜合權(quán)重值。

(5)

(6)

(7)

Si=0.7qi+0.3Wi

(8)

式(5)～式(8)中：xij含義同上;Pij為第i項(xiàng)指標(biāo)下j市指標(biāo)值的比重；Hi為第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值；wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；m為研究市區(qū)的數(shù)量；qi為層次分析法的指標(biāo)權(quán)重；Wi代表熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重；Si代表綜合權(quán)重。

3.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所采用的自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三大方面數(shù)據(jù)來源于2011～2020年的《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》，其中恩格爾系數(shù)、農(nóng)業(yè)占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例、人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積、每公頃化肥施用量、每公頃農(nóng)業(yè)機(jī)械動力、灌溉面積占耕地面積的比重均經(jīng)過計(jì)算求得。

由于行政區(qū)劃和地貌單元并不完全吻合，本文將四川東部盆地區(qū)分為了成都平原區(qū)(德陽、成都、眉山、雅安和樂山)、川中丘陵區(qū)(綿陽、南充、遂寧、廣安、資陽、內(nèi)江和自貢)、川東平行嶺谷區(qū)(達(dá)州)、北部山地區(qū)(廣元和巴中)和南部山地區(qū)(宜賓和瀘州)五大區(qū)域單元。

4 結(jié)果與分析

4.1 農(nóng)業(yè)脆弱性各指標(biāo)綜合評價的指標(biāo)權(quán)重確定

首先依據(jù)專家打分結(jié)果計(jì)算出研究區(qū)域農(nóng)業(yè)脆弱性層次分析法的指標(biāo)權(quán)重qi，然后將四川省東部盆地區(qū)近10 a的15個指標(biāo)數(shù)據(jù)對應(yīng)指標(biāo)性質(zhì)經(jīng)過公式(2)～式(7)的處理，得到指標(biāo)權(quán)重Wi，最后通過式(8)得到綜合權(quán)重值Si(表4)。

表4 四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)綜合權(quán)重

由表4可知，一級指標(biāo)的綜合權(quán)重值大小為：自然環(huán)境(0.48)>社會經(jīng)濟(jì)(0.305)>農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(0.207)。在這15個指標(biāo)中，年降水量、年平均氣溫和恩格爾系數(shù)在四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價中最為重要，而每公頃農(nóng)業(yè)機(jī)械動力和城鎮(zhèn)化率的影響則較小。

4.2 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)平均脆弱性分級結(jié)果及區(qū)域差異

將表4中15個指標(biāo)的綜合權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)值經(jīng)過公式(1)的處理，得到17個市近10a的農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)值，再按照表3的劃分等級標(biāo)準(zhǔn)，得到近10a四川省東部盆地區(qū)五大區(qū)域單元、17個市的農(nóng)業(yè)生態(tài)平均脆弱性等級(表5)。

由表5可知，17個市中僅有雅安市屬于極度脆弱區(qū)，其近10a平均EVI值高達(dá)0.586，主要由于雅安市的降水量較大、氣溫較低，農(nóng)作物受到的太陽光照射時長較短，在農(nóng)業(yè)上易造成洪澇災(zāi)害。另外，其城鎮(zhèn)化率較低、人均耕地面積也較少。因此，雅安市應(yīng)加速提高農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，彌補(bǔ)自然環(huán)境方面的不足，以降低其農(nóng)業(yè)脆弱性。

4.2.1 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性整體分級情況

從17個市的脆弱等級(表5)可知，整體上，四川省東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性等級以中度脆弱和重度脆弱為主。其中，中度脆弱等級有9個市，面積為85291.4 km2，占研究區(qū)域總面積的45.92%；重度脆弱等級有7個市，面積為85403.3 km2，占研究區(qū)域面積的45.98%；極度脆弱等級有1個市(雅安市)，面積為15046.2 km2，占研究區(qū)域面積的8.10%。且四川東部盆地區(qū)的農(nóng)業(yè)脆弱性在空間上是由中心(資陽市)向四周逐漸增強(qiáng)的。

表5 近10年四川東部盆地區(qū)五大區(qū)域單元、17個市的農(nóng)業(yè)生態(tài)平均脆弱性等級

4.2.2 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性區(qū)域差異

由表5可知，5大區(qū)域單元近10a的平均EVI值由小到大依次為：川中丘陵區(qū)(0.387)，南部山地區(qū)(0.391)，北部山地區(qū)(0.419)，成都平原區(qū)(0.423)與川東平行嶺谷區(qū)(0.465)，前2個屬于中度脆弱等級，后3個屬于重度脆弱等級。除川東平行嶺谷區(qū)外，其他四大區(qū)域單元按照次序的脆弱性差值均保持在0.01左右。對五大區(qū)域單元內(nèi)部包含的市所屬的脆弱性等級進(jìn)行面積比例計(jì)算，得到表6，從中可知成都平原區(qū)內(nèi)部的脆弱性差異是最大的。

表6 四川東部盆地區(qū)五大區(qū)域脆弱等級所占比例

4.3 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性動態(tài)特征

根據(jù)四川東部盆地區(qū)近10 a17市的農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)結(jié)果，計(jì)算整個研究區(qū)域和五大區(qū)域單元逐年的平均脆弱性指數(shù)，得到圖1和圖2，以此對近10 a農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性演變特征進(jìn)行討論，再通過對5大區(qū)域單元的極差分析(圖3)探討區(qū)域差異。

4.3.1 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性動態(tài)特征

據(jù)圖1可知，近10年的農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性，成都平原區(qū)和川東平行嶺谷區(qū)呈現(xiàn)小波波動，川中丘陵區(qū)的變化趨勢十分穩(wěn)定，北部山地區(qū)呈現(xiàn)波動式上升，南部山地區(qū)則呈現(xiàn)波動式下降。據(jù)圖2可知，四川東部盆地區(qū)近10年的脆弱性變化經(jīng)歷了3個階段：下降階段(2010～2013年)、上升階段(2013～2016年)和穩(wěn)定階段(2016～2019年)。在下降階段，其脆弱性年均降低值為0.021，從重度脆弱變?yōu)橹卸却嗳醯燃?；在上升階段，其脆弱性年均增加值為0.022，從中度脆弱又變?yōu)橹囟却嗳醯燃?；在穩(wěn)定階段，其脆弱性變化幅度逐年減少，并穩(wěn)定于中度脆弱等級。

圖1 近10年五大區(qū)域單元農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性動態(tài)變化

圖2 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性動態(tài)變化

4.3.2 近10年四川東部盆地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性內(nèi)部差異動態(tài)變化

由于本文所劃分的川東平行嶺谷區(qū)只包括達(dá)州市，故此處不對其極差進(jìn)行動態(tài)分析。據(jù)圖3可知，近10a成都平原區(qū)的極差波動較大，其他3個地貌單元則是小幅度波動，且成都平原區(qū)和南部山地區(qū)整體上呈現(xiàn)下降趨勢，區(qū)內(nèi)差異減少。對于近10a的極差最大值，成都平原區(qū)出現(xiàn)在2010年，川中丘陵區(qū)和南部山地區(qū)出現(xiàn)在2011年，而北部山地區(qū)則出現(xiàn)在2019年，主要是因?yàn)?019年巴中市年降水量大幅增加，使其農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性指數(shù)驟增。

圖3 近10年五大區(qū)域單元脆弱性指數(shù)極差的動態(tài)變化

5 結(jié)論與討論

本文以四川東部盆地區(qū)17地級市為研究單元，對其近10年(2010～2019年)的農(nóng)業(yè)脆弱性進(jìn)行評價分級和動態(tài)分析，得到以下結(jié)論：①17市中僅有雅安市屬于極度脆弱區(qū);②該區(qū)脆弱性等級整體上以中度脆弱(45.92%)和重度脆弱(45.98%)為主，且脆弱性在空間上是由中心(資陽市)向外逐漸增強(qiáng)的;③五大區(qū)域單元近10年的平均EVI值排序?yàn)椋捍ㄖ星鹆陞^(qū)(0.387)<南部山地區(qū)(0.391)<北部山地區(qū)(0.419)<成都平原區(qū)(0.423)<川東平行嶺谷區(qū)(0.465);④近10年該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性經(jīng)歷下降(2010～2013年)、上升(2013～2016年)和穩(wěn)定(2016～2019年)三階段;⑤近10年成都平原區(qū)、川東平行嶺谷區(qū)和南部山地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性呈波動下降，川中丘陵區(qū)較穩(wěn)定，北部山地區(qū)則呈波動上升，且成都平原區(qū)和南部山地區(qū)區(qū)內(nèi)差異逐年減少。

因此，四川東部盆地區(qū)可通過把控人口質(zhì)量、恢復(fù)和重建農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)技術(shù)水平等措施不斷降低農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性。當(dāng)然，由于受數(shù)據(jù)可獲得性的限制，某些重要指標(biāo)(如森林覆蓋率、每公頃農(nóng)藥施用量、糧食單產(chǎn)等)尚未納入到農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系中，在今后的研究中可加以改進(jìn)。