基于熵值法和灰色預測模型的耕地生態安全診斷

鄭華偉, 夏夢蕾, 張 銳, 劉友兆

(1.南京農業大學 農村發展學院, 江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學 公共管理學院, 江蘇 南京 210095)

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基于熵值法和灰色預測模型的耕地生態安全診斷

鄭華偉1，2, 夏夢蕾1, 張 銳2, 劉友兆2

(1.南京農業大學 農村發展學院, 江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學 公共管理學院, 江蘇 南京 210095)

摘要：[目的] 彌補已有耕地生態安全診斷中指標體系及評價方法的不足，分析耕地生態安全水平。[方法] 在界定耕地生態安全內涵的基礎上，構建了基于PSR模型的評價指標體系，采用熵值法和灰色預測模型，對四川省耕地生態安全水平進行了診斷。[結果] 1999—2013年四川省耕地生態安全水平總體不斷提高，耕地生態安全等級經歷了“臨界安全—較安全”的演變歷程，但2013年“較安全”水平不高；壓力指數總體上呈現下降趨勢，狀態指數呈現波動下降趨勢，響應指數呈現上升趨勢；單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等是耕地生態安全等級提升的關鍵制約因素；2014—2018年四川省耕地生態安全水平呈現穩步上升趨勢。[結論] 基于PSR模型的評價指標體系能更準確地反映耕地生態安全各要素之間的關系；熵值法和灰色預測模型能有效挖掘耕地生態安全存在的問題，適合用于耕地生態安全評價。

關鍵詞：耕地生態安全; 灰色預測模型; 熵值法; PSR模型; 四川省

文獻參數： 鄭華偉, 夏夢蕾, 張銳, 等.基于熵值法和灰色預測模型的耕地生態安全診斷[J].水土保持通報，2016,36(3)：284-289.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.049

耕地資源作為最寶貴的自然資源之一，是非常重要的農業生產資料，經過人類長期的干預，耕地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[1-3]。伴隨著經濟社會的快速發展，工業化、城鎮化和現代化建設進程快速推進，導致土地生態環境日趨惡化、土地污染負荷加重、土地質量下降等一系列問題，耕地資源的稀缺性增強，耕地生態安全問題日漸凸顯[3-5]。因此，開展耕地生態安全水平診斷研究，優化耕地生態安全的改善路徑，對于加強農村生態文明建設，保障中國糧食安全，維護國家生態安全，促進社會經濟可持續發展具有非常重要的理論意義和現實意義[2,6]。

國外學者主要將耕地生態安全與可持續利用相結合進行系統研究，Rasul和Thapa從農業生態環境、社會經濟方面構建了評價指標體系，分析了孟加拉的耕地可持續利用與生態狀況[7]；Mark等[8]運用磷肥廠附近的耕地土壤與蔬菜樣本中天然放射性評估化肥廠對周圍環境的潛在放射性影響。在國內，專家學者關于耕地生態安全的研究主要集中在內涵[2,9-10]，評價[3,11-13]，影響因素[11]，調控對策[12-13]等。從總體上來說，耕地生態安全水平診斷研究目前處于起步階段，定性研究相對較多、定量分析較少；耕地生態安全評價是對耕地生態系統的全面診斷，包括耕地資源負荷、經濟社會發展、耕地產出水平、生態環境質量、政策管理水平等方面的內容，但現有的耕地生態安全評價指標多集中于資源與環境狀況，很少綜合考慮人類活動、社會經濟等對耕地生態安全診斷的作用。從研究方法上看，已有的研究主要采用層次分析法、綜合評價法、物元分析法等，上述方法均以某個區域或多個區域一年或多年數據為基礎，進行綜合評價或研究方法優化比較分析，缺少對耕地生態安全動態發展的研究[14]。此外，耕地生態安全評價指標權重的確定多采用德爾菲法、層次分析法等，此類方法雖因研究較為成熟而被廣泛應用，但評價指標權重的賦予多帶有人為因素，常常因選取專家的不同而差異較大，使分析結果趨于不穩定[2]。

灰色預測模型GM(1,1)對研究對象的信息量要求較小，預測模型精度較高，是比較理想的預測方法[4]。熵值法根據評價指標的離散程度，用信息熵測算評價指標的權重，能夠克服一些主觀賦值法所帶來的結果不穩定現象[2]。鑒于此，本研究擬構建基于PSR(pressure-state-response)模型的耕地生態安全評價指標體系，建立基于灰色預測模型和改進熵值法的耕地生態安全評價模型，并以四川省為例進行實證研究，開展耕地生態安全狀況的未來變化趨勢預測，以期為改善耕地生態系統狀況、提高耕地生態安全水平、促進耕地資源可持續利用提供一定的參考依據。

1區域概況與數據來源

四川省地處長江上游，東與重慶市接壤，南與云南、貴州省相連，西鄰西藏自治區，北接青海、甘肅、陜西省。轄區東西長約1 075 km，南北寬約921 km，幅員面積4.85×105km2，為中國第5大省區。四川省自然資源豐富，光熱條件好，是中國重要的農業經濟區和糧食主產區，承擔著國家糧食安全的重任[15]。然而隨著經濟社會的快速發展，建設用地面積不斷增加，耕地資源不斷減少，耕地生態功能下降，土壤污染加劇，耕地生態系統安全狀況亟待改善。

耕地生態安全評價指標數據主要來源于《四川農村統計年鑒(2000—2014)》《四川統計年鑒(2000—2014)》《中國統計年鑒(2000—2014)》《中國農村統計年鑒(2000—2014)》《中國農業年鑒(2000—2014)》和四川省土地利用變更調查數據等。

2研究方法

2.1指標體系構建

耕地生態系統是人類在長期的使用中使耕地資源在自身組織功能的作用下形成的人工生態系統，該系統不僅提供人類穩定的農產品，而且形成了一種新的生物生存環境，促進了生物多樣性的存續與發展，同時還具有生態環境保護等功能[16]。耕地生態安全是指在一定的時間和空間尺度內，耕地生態系統處于保持自身正常功能結構和滿足社會經濟可持續發展需要的狀態[10,12-13]。耕地生態安全評價是以耕地生態系統為評價對象，對一定時間、一定區域的自然生態要素、社會經濟要素進行綜合評價，它本質上是一種診斷評價[15]。

PSR概念模型是由聯合國OECD和UNEP提出的[17]，該模型以因果關系為基礎，主要目的是診斷生態系統的持續性，剖析生態系統內在的因果關系，構建人類活動與生態環境影響的因果鏈，得到較為普遍的認可與應用[18-19]。因此，本文借鑒PSR概念模型作為耕地生態安全評價指標體系的基本框架：人口增長、經濟社會發展給耕地生態系統帶來一定的壓力(P)；人類不斷利用土地資源，通過社會經濟活動向耕地生態系統排放污染，改變了耕地生態系統結構與功能(S)；壓力之下，耕地生態系統在原有狀態基礎上做出調整，同時反饋于社會經濟的發展過程；人類對耕地生態系統的反饋進一步做出響應(R)，進行政策調整、環境保護等，改善耕地生態系統狀態，使之保持良好的結構與功能，進而實現可持續發展。

根據耕地生態安全評價指標體系的基本框架，遵循科學性原則、可比性原則、可獲取性原則、系統性原則等[15，18]，在參考現有研究成果的基礎上[3,7,11-13]，構建基于PSR模型的評價指標體系(表1)。

表1　耕地生態安全評價指標體系及權重

2.2評價模型建立

2.2.1標準化處理本研究采用極差法對耕地生態安全評價指標數據進行標準化處理[5]，計算公式具體如下：

正向作用指標：

(1)

負向作用指標：

(2)

2.2.2指標權重確定對于耕地生態安全水平，不同評價指標的影響程度存在一定的差異，為了體現這種差異性，需要對評價指標賦以一定的權重，本研究采用改進的熵值法來確定耕地生態安全評價指標權重(表1)，主要步驟如下[15,21]：

(1) 評價指標標準化處理。由于耕地生態安全水平診斷中不同的評價指標具有不一樣的量綱和單位，為了消除量綱和單位的差異所帶來的不可公度性，需要對評價指標數據開展標準化變換[15]：

(3)

(2) 為了清除負數，進行坐標平移：

X?ij=H+X″ij

式中：X?ij——平移后的指標值；H——指標平移的幅度。

(3) 計算第j項指標下的i個樣本值的比重Pij:

(5) 計算第j項指標的差異性系數gj：gj=1-ej

j=1，2，…，n。

表2　耕地生態安全評價指標標準值

2.2.3計算綜合指數本研究采用綜合指數模型對耕地生態安全水平進行評價，綜合指數模型[2，5]的表達式為：

(4)

式中：F——耕地生態安全綜合指數；wi——第i子系統(壓力、狀態、響應)權重；wij——第i子系統第j項指標(x1—x17)權重；n——第i子系統所包含的指標數。F越接近0，表示耕地生態安全水平越低。

在借鑒國內外生態系統安全等級劃分的基礎上，將耕地生態安全水平級別分為5個等級，具體包括安全、較安全、臨界安全、較不安全和不安全(表3)。

表3　耕地生態安全分級標準

2.3灰色預測模型

灰色系統理論是由華中理工大學鄧聚龍教授于1982年提出并加以發展的[4]，灰色預測模型是對灰色系統所做的預測，它是通過少量的、不完全的信息，建立數學模型并做出預測的一種預測方法[22-24]。灰色預測模型GM(1,1)的建模步驟如下[14,23]：

(1) 收集原始數據形成數列x(0)，對原始數列作一次累加生成處理，得到一個新的數列x(1)；

(2) 將新數列x(1)的變化趨勢近似地用微分方程描述：

(5)

式中：a，u——辨識參數，辨識參數通過最小二乘法擬合得到。

(3) 建立矩陣B，YN，計算：

(4) 得到預測模型：

(6)

(5) 開展精度檢驗(殘差檢驗、后驗差檢驗)，檢驗過程具體參見參考文獻[23]。GM(1,1)模型的檢驗通過后驗差檢驗即對殘差分布的統計特性來判斷效果，通過方差比C和小殘差概率P的值來判斷[4,24](表4)。若模型通過檢驗，利用灰色預測模型GM(1,1)進行預測；否則，建立殘差模型對其進行修正。

表4　后驗差檢驗判別參照表

3結果與分析

收集、整理四川省耕地生態安全診斷中評價指標的數據，運用改進的熵值法計算各評價指標的權重，在此基礎上根據評價模型測算四川省耕地生態安全水平、分類指標水平(圖1)。

圖1　四川省耕地生態安全評價結果

3.1綜合評價結果

從四川省耕地生態安全綜合指數變化走勢來看(圖1)，1999—2013年四川省耕地生態安全綜合指數總體處于改善上升趨勢，耕地生態系統安全狀況將會得到進一步改善。四川省耕地生態安全綜合指數由1999年的0.494 1提高到2013年的0.600 5，耕地生態安全不斷好轉，年均增長率達到1.537 8%，表明耕地生態安全水平不斷提高。根據耕地生態安全分級標準(表3)，四川省耕地生態安全等級由1999年的“臨界安全”轉變為2013年的“較安全”。

從耕地生態安全評價指標來看，1999—2013年大部分指標發生水平等級跳躍，單位耕地農業機械動力、災害指數、農民人均純收入、有效灌溉面積比、水土流失治理率、耕地糧食單產等指標出現不同水平等級的上升趨勢，說明以上評價指標對四川省耕地生態安全水平的提升有重要的貢獻。研究發現：1999年以來四川省經濟社會不斷發展，農民收入水平持續提升，耕地生態保護意識逐步強化；持續開展農田基礎設施建設，深入推進農村土地整治，加大中低產田改造力度，有效改善農業生產條件；逐步增加農業科技投入，加強農業技術推廣普及，積極開展農民科技培訓，有效提升耕地糧食單產水平；大力開展生態文明建設，加大生態環境保護建設的力度，有效加強水土流失治理，水土流失治理率不斷增加，促進了耕地生態系統安全狀況改善。

但2013年四川省耕地生態安全水平不高，有待于進一步改善四川省耕地生態系統安全狀況；從評價指標來看，四川省耕地生態安全水平提升的障礙因素主要包括單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等。研究發現，雖然四川省持續開展水土流失綜合治理，但由于易水土流失區域較大，且存在反復的現象，目前四川省水土流失比例仍然較高，還需大力推進水土流失治理，有效保護土地資源。隨著經濟社會的快速發展，四川省國內生產總值持續增長，但這種高速增長是以資源高消耗為代價的，建設用地面積不斷增加，耕地面積不斷減少，土地集約利用水平不高。與此同時，單位面積耕地農藥施用量、單位面積耕地化肥施用量不斷增加。

3.2分類指標對比

四川省1999—2013年壓力指數總體上呈現下降趨勢，從1999年的0.574 2下降到2013年的0.525 3，表明四川省耕地生態系統壓力現狀有所惡化(負向指標，數值越小，生態壓力相對越大)[2]，人類對耕地生態系統的干擾有所強化。根據曲線的形狀可以將壓力指數的變化分為5個階段：第1階段是1999—2001年壓力指數處于上升趨勢，年均增長率為1.204 9%；第2階段是2001—2009年壓力指數處于下降趨勢，年均遞減率為1.492 5%；第3階段是2009—2010年壓力指數處于上升趨勢，年均增長率為1.522 5%；第4階段是2010—2011年壓力指數處于下降趨勢，年均遞減率為2.242 5%；第5階段是2011—2013年壓力指數處于上升趨勢，年均增長率為1.114 3%。由此可見，隨著經濟社會的持續發展，耕地生態系統的壓力不斷增加，但近年來壓力有所緩解。狀態指數呈波動下降趨勢，2013年狀態指數是1999年的0.933 0倍，年均遞減率為0.478 4%。響應指數逐年增大，發展水平迅速提高，2013年響應指數是1999年的2.917 8倍，年均增長率達到13.698 5%，增長幅度較大。

3.3模型預測結果

以圖1中1999—2013年四川省耕地生態安全綜合指數作為原始數據，構成數列x(0)，對原始數列作一次累加生成處理，得到一個新的數列x(1)，構造矩陣B，YN：

圖2　四川省耕地生態安全評價及預測

GM(1,1)模型是基于灰色累加生成序列的方法上建立的，在預測結果上表現出較強的規律性，適合于短期內系統變動趨勢關聯度預測[14,22]。由圖2可見，1999—2013年四川省耕地生態安全綜合指數曲線與GM(1,1)模型預測綜合指數曲線基本吻合，2014—2018年四川省耕地生態安全水平呈現穩步上升趨勢，年均增長率為1.595 2%。

4結論與討論

(1) 四川省1999—2013年耕地生態安全水平不斷提高，耕地生態安全等級經歷了“臨界安全—較安全”的演變歷程，但2013年“較安全”水平不高；壓力指數總體上呈現下降趨勢，狀態指數呈現波動下降趨勢，響應指數呈現上升趨勢；單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等是制約耕地生態系統安全狀況改善的關鍵因素；從耕地生態安全水平預測結果來看，今后幾年四川省耕地生態安全水平保持持續增長態勢。

(2) 根據耕地生態安全的診斷結果，進一步轉變經濟發展方式，加強土地資源利用管控，降低經濟增長對土地資源的過度消耗；大力發展綠色農業、低碳農業，加快推進農業科技創新，合理施用農藥、化肥，降低單位耕地化肥負荷、單位耕地農藥負荷；積極開展農村土地整治，加強高標準基本農田建設，增加有效耕地面積，提高人均耕地面積、土地墾殖率；大力開展生態文明建設，持續增加環境保護投入，加大環境治理力度，提高水土流失治理率，降低水土流失程度，持續提升耕地生態安全等級。

(3) 實證研究表明，PSR模型以因果關系為基礎，綜合考慮人類活動、社會經濟、資源環境的相互關系，能更準確地體現耕地生態系統、社會經濟發展目標與管理決策的相互依存、相互制約的關系；基于PSR模型的評價指標體系能夠實現對耕地生態安全的診斷。

(4) 傳統綜合評價中，缺少對耕地生態安全動態發展的研究，而運用基于灰色預測模型和改進熵值法的耕地生態安全評價模型對耕地生態安全水平進行動態評價，可以得到更客觀、更全面的分析結果；熵值法與灰色預測模型適用于耕地生態安全的動態評價。

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收稿日期：2015-10-30修回日期：2015-12-20

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0284-06

中圖分類號：F301

Diagnosis on Ecological Security of Cultivated Land Based on Entropy Method and Grey Prediction Model

ZHENG Huawei1,2, XIA Menglei1, ZHANG Rui2, LIU Youzhao2

(1.CollegeofRuralDevelopment,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China;2.CollegeofPublicAdministration,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

Abstract：[Objective] To compensate for the defects in the evaluation index system and the used methods in the diagnosis on the cultivated land ecological security in order to analyze the ecological security level of cultivated land. [Methods] On the basis of defining the cultivated land ecological security, the evaluation index system for cultivated land ecological security was developed using the PSR(pressure-state-response) model, and then an empirical analysis was conducted in Sichuan Province by entropy method and grey prediction model. [Results] The ecological security of cultivated land in Sichuan Province was gradually improved from critically safe to safer level from 1999 to 2013, but the level of “safer” was not high in 2013. The pressure index and status index generally showed a downward trend, while the response indexes showed a upward trend. Crucial constraints on the improvement of cultivated land ecological security include fertilizer load per unit of cultivated land, cultivated land per capita, pesticides load per unit of cultivated land, land reclamation rate and soil erosion. The ecological security level of cultivated land in Sichuan Province would show a steady upward trend from 2014 to 2018. [Conclusion] These methods are suitable in the evaluation of cultivated land ecological security because the evaluation index system based on the PSR model can accurately reflect the relationship among various elements of the cultivated land ecological security, while the entropy method and grey prediction model can detect the problems in the cultivated land ecological security.

Keywords:ecological security of cultivated land; grey prediction model; entropy method; PSR model; Sichuan Province

資助項目：國家自然科學基金項目“農村土地整治生態風險管控研究”(71403130); 江蘇省國土資源科技項目(201320); 南京農業大學中央高校基本科研業務費人文社會科學研究基金面上項目(SK2014008); 南京農業大學人文社會科學重大招標項目(SKZD201302)

第一作者：鄭華偉(1985—),男(漢族),江蘇省漣水縣人,博士,講師,主要從事土地利用與鄉村發展教學和研究。 E-mail:huaweizheng2008@163.com。