黃土山丘區耕地生態安全動態評價及預測

璩路路++師學義++榮聯偉

摘要：基于2003—2012年山西省晉城市耕地生態安全的相關數據，構建了壓力-狀態-響應（PSR）模型的評價指標體系，采用熵權法確定其指標權重，對晉城市耕地生態安全狀況進行動態評價，并采用GM（1，1）模型對未來耕地生態安全狀況進行預測。結果表明，晉城市耕地生態安全綜合值總體呈上升趨勢，耕地生態安全等級從2003年的Ⅲ級變成2012年的Ⅱ級，耕地生態安全狀態從 2003年的 “敏感”狀態變成 2012年的 “較安全”狀態；2013—2017年耕地生態安全程度預測將達到“較安全”水平，安全狀況上升趨勢較為顯著；晉城市耕地生態安全狀況空間差異明顯，不同縣（市、區）由于社會經濟發展水平、自然資源稟賦、農業科技投入水平、環保投入力度、土地利用結構和耕地質量等因素，導致晉城市耕地生態安全格局分布的差異性和空間演化的異質性。

關鍵詞：耕地生態安全；PRS模型；主成分分析法；熵權法；黃土山丘區

中圖分類號： X24；X171.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0532-05

耕地資源是重要的農業生產資料，具有食物生產、空間承載、生態服務等多種功能，經過人類長期的干預，農田生態系統逐漸演變成為具有高度耦合性的社會-經濟-生態復合系統[1]。耕地生態系統是指在耕地范圍內，在人類活動的干預下，以作物為生物群落主體和環境因素的相互作用而形成的生態系統。隨著耕地利用生態問題逐漸凸顯，區域耕地生態安全評價逐漸成為學術界研究的熱點。目前耕地生態安全評價的方法有生態模型法（包括土地承載力分析法、生態足跡法）[2-4]、數學模型法（層次分析法、綜合指數法、物元分析法）[5-7]、景觀生態模型法（景觀生態安全格局法、景觀指數法）[8-10]、BP神經網絡法[11]。耕地生態安全評價指標體系構建的方法主要有PSR框架模型和自然-經濟-社會概念框架模型[12-13]。但是，目前的大多數研究主要集中于定時、定區域研究，在耕地生態安全時空變化分析、動態變化分析及對未來發展趨勢的預測研究較少。黃土山丘區作為北方典型地貌區，長期以來水土流失和土地退化嚴重，伴隨著工業化和城鎮化的不斷加快，正面臨著耕地數量減少、質量下降、耕地污染加劇、耕地生態系統結構不合理等狀況，這將對糧食安全和人類生存環境造成不利影響，因此科學評價黃土山丘區耕地生態安全具有重要意義。本研究以黃土山丘區典型城市——山西省晉城市為研究區，基于 2003—2012年山西省晉城市耕地生態安全的相關數據，構建壓力-狀態-響應（PSR）模型的評價指標體系，采用熵權法確定其指標權重，對晉城市耕地生態安全狀況進行動態評價，并采用GM（1，1）模型對未來耕地生態安全狀況進行預測。本研究可為區域耕地生態安全評價提供一種思路，為黃土山丘區耕地可持續利用和耕地生態系統修復提供決策依據。

1研究區概況及數據來源

1.1研究區概況

晉城市位于山西省東南部，處于黃土高原區地帶，地貌以山地丘陵為主，地勢呈東西北高，中部、南部低的簸箕狀，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季降水集中，春秋季溫涼短促，植被類型主要為針葉林帶、闊葉及針闊混交林帶、草甸帶、旱生灌叢草本帶及農作物，地理坐標為東經111°55′～113°37′，北緯 35°12′～ 36°00′，是山西省通往中原地區的門戶。根據 2012 年土地利用變更調查數據統計，晉城市土地總面積 942 487.13 hm2，農用地、建設用地、其他用地面積比例分別為 70.64%、6.13%、23.23%。其中全市耕地面積為204 747.07 hm2，占土地總面積的 21.72%，耕地以平川旱地、坡耕地和梯田為主，地面坡度大，中低產田面積多，保水保肥能力低，土壤侵蝕嚴重，水土流失面積占總面積的79.9%，耕地生態安全狀況面臨挑戰。

1.2數據來源

本研究相關研究數據資料來源于《中國環境統計年鑒（2003—2012年）》《山西省農村統計年鑒（2003—2012年）》《晉城市土地利用變更調查數據》《晉城市統計年鑒（2003—2012年）》《晉城市土地利用總體規劃（2006—2020年）》《晉城市國土資源公報》《晉城市環境保護公報》和《晉城市農業普查報告》。

2評價方法與過程

2.1構建指標體系

評價指標體系是耕地生態安全定量評價的基礎，也是耕地生態安全評價的關鍵，直接影響評價結果的科學性和準確性。運用PSR模型分析黃土山丘區耕地生態系統特點和主要生態安全問題后，遵循科學性原則、可比性原則、可獲取性原則和系統性原則，構建了目標層、準則層、指標層3個層次、26個指標的評價指標體系（表1）。該指標體系可從總體上反映耕地資源環境狀況，社會經濟發展目標與政策措施之間的相互依存、相互制約的關系，能夠體現出整個評價的層次結構性和系統綜合性，為有效反映耕地生態安全的動態變化提供理論基礎。

由于影響耕地生態安全的因素較多，本研究采用主成分分析法對指標因素進行篩選，具體步驟如下，對初選的26項指標去量綱化；以2003—2012年指標數據為樣本，利用SPSS 20.0統計分析軟件計算組合矩陣的特征值和方差貢獻率；選取累計方差貢獻率達85%的指標為主成分，得到篩選后的18個評價指標（表1）。表1黃土山丘區耕地生態安全動態評價指標體系

目標層準則層指標層指標含義方向權重黃土山丘區生態安全綜合值CESCV耕地生態安全壓力值CESPV人均耕地面積（hm2/人）區域耕地面積/總人口正0.056人口密度（人/km2）總人口/行政區面積 負0.045城市化水平（%）非農業人口/總人口負0.041單位面積耕地化肥負荷（kg/hm2）化肥施用量/耕地面積負0.066人均糧食占有量（t/人）糧食總產/總人口正0.027耕地生態安全水土流失面積比例（%）水土流失/土地總面積負0.042狀態值CESSV耕地糧食單產（kg/hm2）糧食總產/耕地面積正0.026土壤侵蝕模數（mm/年）土壤侵蝕厚度/年負0.038土地墾殖率（%）耕地面積/土地總面積正0.072森林覆蓋率（%）林地面積/土地總面積正0.062自然災害受災指數（%）受災面積/耕地總面積負0.039旱田面積占耕地比重（%）旱地面積/耕地總面積負0.07225°以上坡耕地面積比（%）25°以上坡耕地面積/耕地總面積負0.071耕地生態安全有效灌溉面積比（%）有效灌溉面積/耕地面積正0.060響應值CESRV單位農機總動力（kW/hm2）農機總動力/耕地面積正0.037水土流失治理率（%）水土流失治理面積/水土流失總面積正0.027環境污染治理占GDP比例（%）環境污染治理投資/GDP正0.105農業財政支出比重（%）農業財政支出/財政總支出正0.114

2.2數據標準化、確定指標權重

由于選取的指標來自于評價系統的各個方面，為了消除量綱和單位不同所帶來的影響，使數據之間具有可比性，需要用標準化法對原始指標值進行變換：

rij=xij-minxjmaxxj-minxj；（1）

rij=maxxj-xijmaxxj-minxj。（2）

式中：xij為第i年第j個指標實際值；rij為其標準化值；maxxj和minxj分別為第j個指標的最大值和最小值。公式（1）為正向指標標準化公式，公式（2）為負向指標標準化公式。

權重表示被評價對象不同側面重要程度的定量分配，常用確定指標權重的方法包括主觀賦權法如 Delphi法、層次分析（AHP）法、成對比較法等；客觀賦權法如主成分分析法、熵權法和灰色關聯度法等。為避免人為主觀性，本研究采用客觀賦權法——熵權法確定耕地生態安全評價指標權重。熵權法根據評價指標變異程度的大小來確定指標權重，指標變異程度越大，信息熵越少，該指標權重值就越大，反之越小。設有m個評價指標，n個被評事物，定義第 j個指標的信息熵為ej，其權重為wj，主要算法為：

計算第j項指標下的i個樣本值的比重Pij

Pij=rij∑ni=1rij。（3）

計算第j項指標的熵值

ej=-k∑ni=1PijlnPij，k=1lnn。（4）

定義第j項指標的權重

wj=1-ejm-∑mi=1ej。（5）

式中：rij為第i個被評事物第j個指標的標準化值；為使lnPij有意義，一般約定，當Pij=0 時，lnP ij=0，其中0≤ej ≤1。

2.3測算生態安全綜合指數

考慮影響耕地生態安全因素的多樣性，本研究采用多因素綜合指數法對晉城市耕地生態安全進行綜合評價。采用綜合指數法計算標準化后的數據，再加權評分，最終得到耕地生態安全的綜合值[14]，即

E=∑18i=1ciwi。（6）

式中：E表示耕地生態安全綜合值；ci表示第 i個指標的安全值（即第i個指標的標準化值）；wi表示各指標權重。綜合指數處于0～1之間，其值越小，說明耕地生態安全狀況越差。同理可得到耕地生態安全3個分項值，即耕地生態安全壓力值（P）、耕地生態安全狀態值（S）和耕地生態安全響應值（R）（表2）。

2.4耕地生態安全綜合評判

參照生態系統安全等級劃分[15]，并考慮標準的現勢性與超前性要求，將安全綜合指數取值范圍分為5個區間，依次對應5個等級，并對系統特征進行描述得到黃土山丘區耕地生態安全標準綜合評判集（表3）。

2.5耕地生態安全動態預測

針對生態安全研究對象的變化敏感性和模糊不確定性，本研究采用灰色系統GM（1，1）模型對2013—2017年黃土山

2.5.1灰色系統 GM（1，1）預測模型原理灰色預測是建立一種以灰色模塊為基礎的描述系統動態變化特征的模型。對于灰色量的處理，不是尋求它的統計規律和概率分布，而是將無規律的原始數據通過一定的方法處理，變成比較有規律的時間序列數據，即以數找數的規律，再建立動態模型。灰色系統GM（1，1）模型的建模基礎是將無規律的原始數據X（0）依次進行累加，從而得到規律性較強的生成數列X（1），然后構造累加矩陣B和常數向量Yn，并用最小二乘法擬合求解系數，進行微分建模，由生成模型得到的數據進行累減得到原始數據的預測值，進而進行預測[16]，其時間相應函數為：

X（1）（t+1）=X（0）（1）-uae-at+ua。（7）

為了驗證模型的可靠性，通常需要對模型進行后驗檢驗，先計算原始數據離差S1和殘差離差S2，再計算后驗比C和小誤差概率P。

S1=∑mt=1[X（0）（t）-X（t）]2，

S2=1m-1∑m-1t=1[q（0）（t）-q-（0）（t）]2，

C=S1/S2。（8）

P={q（0）（t）-q-（0）（t）<0.674 5S1}。（9）表3黃土山丘區耕地生態安全標準綜合評判集

等級區間安全程度系統特征Ⅰ≥0.9安全人地關系和諧，耕地生態系統結構完整、功能較強，土地肥沃，無農業污染，耕地生態環境基本未受到干擾破壞，植被覆蓋率高，無沙化、堿化現象，生態問題不顯著。Ⅱ<0.9～0.7較安全耕地資源承載能力強，耕地生態受到一定破壞，耕地生態系統結構尚完整，土壤肥力高，農業污染程度較輕，土地利用程度高，水土協調性好，可持續發展能力較強。Ⅲ<0.7～0.6敏感耕地生態環境受到較少破壞，耕地生態系統結構有惡化趨勢，但尚能維持基本功能，受干擾后易惡化，鹽堿化程度較高，土壤肥力降低，生態問題顯現，可持續能力較弱。Ⅳ<0.6～0.4風險耕地生態環境受到較大破壞，耕地生態系統結構惡化較大，功能不全，受外界干擾后恢復困難，鹽堿化程度高，治理困難，一般為低產田，生態問題較大，自然災害較多。Ⅴ<0.4惡化耕地生態環境受到很大破壞，耕地承載能力很低，生態環境很脆弱，自然災害頻繁，耕地生態系統結構殘缺不全，功能低下，發生退化性變化與重建很困難。

2.5.2灰色GM（1，1）模型動態預測耕地生態安全以2003—2012年黃土山丘區耕地生態安全綜合值為原始數據，利用灰色系統理論及其應用軟件V 3.0和Matlab 8.0，建立灰色GM（1，1）模型[17]，得到后驗檢驗結果參數值（表4），根據灰色預測精度檢驗等級標準，后驗差比值C<0.35，小誤差概率 P>0.95，模型精度等級為好，模型可用于預測2013—2017年耕地生態安全綜合值（表5）。表4灰色GM（1，1）模型預測后驗結果參數值

時間響應函數平均相對誤差后驗差比小誤差概率模型精度等級x（k+1）=17.393 301exp（0.033 021k）-16.768 9014.861 058C=0.176P→1好

3結果與分析

3.1耕地生態安全時間變化

3.1.1總體變化分析2003—2012年，晉城市耕地生態安全總體呈波動上升趨勢，從表5可以看出綜合指數從0.624 4上升到0.807 6，安全等級也由2003年的“敏感”變為2012年的“較安全”。晉城市山多川少，水土流失嚴重，作為重要的煤炭基地，由于長期煤炭開采塌陷，致使生態環境較為脆弱，加之粗放耕作的傳統生產方式，耕地生態安全本底值較低。10年期間可分為2個階段，第一階段（2003—2007年），耕地生態安全波動下降，此階段晉城市處于工業化階段，城市擴張，大量耕地被占用，工業化帶來耕地污染，日益增大的人口壓力和化肥的不合理施用對區域耕地生態安全狀況造成威脅，同時水土流失和干旱缺水仍然是限制因素，耕地生態安全綜合指數下降，甚至出現了2007年的“敏感”狀態；第二階段（2008—2012年）耕地生態安全下降趨勢得以緩和，耕地生態安全綜合指數逐漸回升，特別是2010—2012年耕地生態安全綜合指數上升明顯，主要是因為環保投入的加大和農村土地整治，尤其是2008年以來開展的全市范圍內農村土地整治，坡耕地顯著減少，農田生產條件持續改善，同時積極開展水土流失治理和退耕還林還草工程，以小流域為基本單元，完成了40多條小流域治理任務，有效減少了水土流失帶來的土壤侵蝕，退耕還林初見成效，森林覆蓋率有所增加，耕地生態安全狀況改善顯著。

根據耕地生態安全的變化趨勢和預測結果可知，晉城市2013—2017年耕地生態狀況不斷優化， 晉城市不斷采取改善措施，到2017年，安全等級可達“Ⅱ級”，安全程度為“較安全”狀態，耕地生態安全狀態良好。根據預測的耕地生態安全綜合值，擬合出2013—2017年區域耕地生態安全指數變化的趨勢線及對應函數（圖1），擬合度R2趨向于1，擬合度為優。“十二五”期間，生態文明建設的提出，對耕地生態安全提出了更高要求，晉城市大力推進現代農業建設，修建農田水利設施，改善農業基礎條件，實施以退坡還林為主的水保生態建設，科學規劃土地利用，提高了有效灌溉面積，緩解了洪澇災害，保證了耕地的保收面積，同時積極推廣種子品種改良，測土配方施肥，提高土壤肥力，保證了耕地的糧食產量，鄉鎮企業不斷完善對其排放的“三廢”的處理水平，耕地生態安全能夠在一定時期內處于增長的趨勢，2017年耕地生態安全等級為“Ⅱ級”，其安全綜合指數仍然小于0.9，表明晉城市耕地生態安全還具有較大提升空間，生態環境問題依然比較嚴峻。

3.1.2評價子系統變化分析將表2中的耕地生態安全壓力值、狀態值和響應值分別除以3個準則層的權重（0.235、0.422、0.343）得到耕地生態安全系統的壓力系數、狀態系數、響應系數及其安全狀態（表6）。耕地生態安全壓力分析表明，2003—2012年晉城市耕地生態安全壓力總體呈下降趨勢，壓力系數由2003年的0.721下降到2012年的0.432，耕地安全狀態經過了較安全狀態—敏感狀態—風險狀態，10年期間晉城市人口增長較快，加之城鎮化速度加快，大量農村勞動力向城鎮轉移，導致城鎮人口急劇增加，耕地面積減少，使得土地壓力加大；同時為了追求耕地產量的提高，大量施用化肥，從而導致土壤肥力下降，雖然糧食產量實現連增，但是耕地生態安全限制因素凸顯，從各指標生態安全壓力指數來看，土壤肥力下降、人口增長和城市化帶來的耕地減少是主要限制因素，耕地生態安全壓力巨大。

從狀態系統來看，狀態系數由2003年的0.752上升到2012年的0.987，安全狀態呈總體上升趨勢，等級由2003年的“較安全”變為2012年的“安全”。晉城市大面積植樹造林，水土流失得到有效遏制，林地覆蓋率提高，以及實施“沃土工程”、“坡改梯工程”，推廣節水抗旱技術，使得區域旱田作物產量安全得以保證，土壤侵蝕減少，自然災害受災面積銳減，耕地生態安全狀態達到較高水平。從響應系統來看，響應系數從2003年的0.401上升到0.844，正向演化明顯，其等級由2003年的“風險”變為2012年的“較安全”，期間可分為2個階段，第一階段（2003—2007年）響應指數變化不大，且響應安全等級處于“風險”的低水平狀態，說明人們耕地環保意識還較薄弱；第二階段（2008—2012年）隨著晉城市生態區劃和新一輪土地利用規劃的實施，環境污染治理投入和農業財政投入不斷加大，有效灌溉面積比例增大，農業機械總動力和水土流失治理率增加，耕地集約利用率提高，響應系數不斷上升。

3.2耕地生態安全空間分異

以晉城市所轄縣（市、區）為基本評價單元，按照上述評價方法對晉城市各縣（市、區）的耕地生態安全進行了分析。以2012年為例，晉城市耕地生態安全等級整體處于“較安全”狀態，但各縣（市、區）安全狀態存在明顯的空間差異。晉城市城區、南部的陽城縣和北部的高平市耕地生態安全均為“敏感”狀態，3個縣（市、區）在空間上呈“U”形分布，雖然耕地生態安全綜合值接近，但生態安全子系統存在差異：城區經濟發展水平較高，環保投入大，但耕地非農化比例相對高，人口密度大，耕地生態安全壓力大；陽城縣位于晉城市南部丘陵，自然狀況良好，但是耕地投入、農業財政支出、單位耕地農業機械化總動力不大，水土流失治理率較低，耕地集約化水平不高，耕地生態安全處于“敏感”狀態；高平市位于晉城市北部，自然環境較為脆弱，水土流失治理率處于較低水平，且旱田面積占耕地比重較大，耕地生態安全狀態值相對較低。澤州縣、沁水縣和陵川縣的耕地生態安全為“較安全”狀態，耕地生態安全壓力小，響應指數較高。

通過對比2012、2017年（預測）的耕地生態安全空間分布圖（圖2、圖3），耕地生態安全空間演化明顯，且總體呈優化趨勢。陽城縣和高平市隨著經濟轉型，農業財政支出提高，加大了環保投入力度，水土流失治理率和森林覆蓋率顯著提高；土地整治規劃的實施，土地利用結構得以優化，農田有效灌溉面積比例提高，耕地數量和質量均有提高，耕地生態安全狀態轉變為“較安全”狀態。城區由于經濟發展和人口集聚化，人均耕地面積、人均水資源量受到限制，而建設用地占用耕地的需求短期內仍為剛性，雖然環境污染治理投入加大，但是耕地生態安全壓力依然較大，因此城區周邊耕地生態安全狀態保持不變。澤州縣、沁水縣和陵川縣的安全狀態仍保持“較安全”狀態，但耕地生態安全綜合值有所提高，耕地生態安全朝著良性趨勢演化。耕地生態安全是個過程值，受到各因素（包括指標體系中的壓力、狀態及響應）綜合作用，這3個縣生態安全指數均已達到“較安全”狀態，進一步提高生態等級的難度加大，需要持續不斷的環保投入、農業科技投入、產業布局調整等一系列的積極響應措施。

4結論與討論

本研究從耕地生態安全壓力、耕地生態安全狀態和耕地生態安全響應3方面構建黃土山丘區耕地生態安全動態評價指標體系，運用主成分分析法對評價指標進行篩選，用熵權法賦予指標權重，對晉城市2003—2012年的耕地生態安全進行動態評價，并采用灰色系統GM（1，1）模型對晉城市2013—2017年的耕地生態安全進行預測，得出以下結論：（1）晉城市耕地生態安全綜合值總體呈上升趨勢，耕地生態安全程度從 2003年的 “敏感”變成 2012年的 “較安全”，耕地生態安全波動幅度不大，安全程度整體上相對較低；2013—2017年耕地生態安全程度處于“較安全”水平，安全狀況上升趨勢較為顯著。（2）晉城市耕地生態安全狀況空間差異明顯，2012年晉城市城區、南部的陽城縣和北部的高平市耕地生態安全均為“敏感”狀態，3個縣（市、區）在空間上呈“U”形分布，而澤州縣、沁水縣和陵川縣的耕地生態安全為“較安全”狀態。自然條件、環保投入、經濟發展水平是空間格局分布差異的主要原因。（3）通過對2003—2012年黃土山丘區耕地生態安全評價的實證分析，并采用灰色系統GM（1，1）模型對晉城市2013—2017年的耕地生態安全進行預測，既能夠反映某時間點上區域耕地生態安全狀態，也能夠揭示耕地生態安全的變化趨勢。

本研究可為黃土山丘區耕地生態安全動態評價提供一種思路，為區域耕地可持續發展和保障糧食安全提供依據。耕地生態安全評價研究尚處于起步階段，耕地生態安全是個復雜的系統，隨著社會的發展，耕地生態安全標準也會隨之改變，本研究基于10 年的數據進行趨勢的分析與預測，時間序列尚短，而晉城市耕地生態安全變化是個長期演化的過程，因此在今后研究中應適當延長時間序列，進而預測耕地生態安全的實現時點。同時本研究在用綜合指數法評價耕地生態安全時，根據已有的研究成果結合晉城市所在地域的背景值，劃分耕地生態安全綜合值判別標準，實際值與標準值兩者閾值耦合可能存在一定偏差。如何更加有效地修正和調整也需后續研究進一步完善。

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