西安市耕地生態安全測度及影響因素分析

賈書楠, 孫 睿, 夏顯力, 張天中

(1.西北農林科技大學 經濟管理學院, 陜西 楊凌 712100; 2.甘肅省國土資源規劃研究院, 蘭州 730000)

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西安市耕地生態安全測度及影響因素分析

賈書楠1, 孫 睿1, 夏顯力1, 張天中2

(1.西北農林科技大學 經濟管理學院, 陜西 楊凌 712100; 2.甘肅省國土資源規劃研究院, 蘭州 730000)

耕地生態安全評價對改善耕地生態系統安全狀況、促進耕地可持續利用具有重要的現實意義。以西安市為研究區域，采用壓力—狀態—響應模型，構建了基于能值理論的耕地生態安全指標評價體系，采用組合賦權法來確定指標權重，測度了2001—2012年西安市耕地生態安全水平值及變動趨勢，并采用多元線性回歸模型分析了耕地生態安全的影響因素。結果表明：西安市耕地生態安全值總體波動趨勢為:2001—2007年耕地資源由較安全區下降至安全臨界區，在2004年出現一次波動；2007—2010年耕地資源安全評價值呈上升趨勢，且達到最高值，耕地生態狀況由安全臨界區跨越到較安全區；2010—2011年耕地資源安全狀態下降至安全臨界區，幅度較大，2012年雖有升高，但仍然處于安全臨界區。提高人均能值產出、增加農業財政支出比例和嚴格管控建設用地占用耕地是改善西安市耕地生態安全的重要措施。

耕地; 生態安全評價; 能值理論; 西安市

耕地是最寶貴的土地資源，耕地安全是糧食生產和安全的基礎和保障。近年來，隨著經濟的快速發展和人口的迅速增長，耕地資源利用壓力超出負荷，耕地資源系統開始退化[1]。因此，從耕地生態安全的角度對耕地利用開展評價，對指導區域耕地生態環境建設、提高耕地產出能力和實現耕地資源可持續發展有著重要的意義。目前，大量學者主要對耕地生態安全內涵、安全程度測度、問題表現和改進策略等方面進行了深入研究。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[2]。耕地生態安全評價屬于多指標綜合評價，指標評價體系的構建和指標賦權方法至關重要。較多的學者采用的是壓力—狀態—響應模型評價指標體系[3-4]，也有對自然因素、經濟因素、社會因素和生態因素等直接或間接影響因素進行分析構建指標體系的[5-6]。從研究結果來看，耕地生態安全主要受人口增長、社會經濟發展、土地利用和土地利用的技術水平和自然災害等方面的影響[6-7]。

這些成果為本文研究設計提供了重要參考，但由于研究對象的復雜性和特殊性，在評價指標體系構建和研究方法選擇上還沒有形成共識，耕地生態安全評價研究還有進一步拓展的空間。本文以西安市為研究區域，采用壓力—狀態—響應模型，構建基于能值理論的耕地生態安全指標評價體系，采用層次分析法和熵值法結合的方法確定指標權重，對2001—2012年西安市耕地生態安全變化狀況做出評價，并采用多元線性回歸模型分析耕地生態安全的影響因素，為改善西安市耕地生態環境提供參考。

1　研究區概況

西安市位于陜西省關中平原中部地區，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，東西長約204 km，南北長約116 km，總面積為1 010 800 hm2，市區面積為358 200 hm2。2012年年末實有耕地面積246 607 hm2，占土地總面積的24.40%，人均占有耕地面積僅有0.031 hm2，遠遠低于全國人均耕地面積0.09 hm2的水平，耕地資源不足的現象已經十分突出。2001—2012年耕地面積共減少了27 458 hm2，主要流向為建設用地、農業結構調整和生態退耕，耕地的年均遞減率為1.19%。西安市GDP由2001年的734.86億元增至2012年的4 366.1億元，其中，第一產業總產值由45.87億元增加到195.59億元。

2　耕地生態系統能值分析

能值分析方法可以綜合反映某地區的社會經濟生態系統的結構、功能與效率。應用能值可衡量分析自然環境資源與經濟活動的價值以及它們之間的關系，對自然資源的科學評價和合理利用、經濟發展方針的制定以及可持續發展戰略均有重要的意義[8]。能量流動也是耕地生態系統存在和發展的基礎，運用能值分析可以更好地反映耕地生態系統結構和功能上所具有獨特的性質。

2.1數據來源及計算方法

能值分析的基本原理就是將不同種類不可比較的能量換算成同一量綱的太陽能值(sej)；能量和能值可以相互轉化的關鍵是能值轉換率。本文的基礎數據來源于2002—2013年《西安統計年鑒》和《陜西統計年鑒》[9-10]。一般來說，太陽能值的求解公式是：某要素的太陽能值=原始數據×能量折算系數×能值轉換率。耕地生態系統部分項目的能量折算系數和能值轉換率[8]，如表1所示。

表1　能量折算系數和能值轉換率

而一些特殊物質的能量計算方法[8]如下：

(1) 太陽光能(sej)=耕地面積(m2)×太陽光平均輻射量(J/m2)×能值轉換率(1 sej/J)；

(2) 雨水化學能(sej)=耕地面積(m2)×年降雨量(m)×密度(103kg/m3)×吉布斯自由能(4.94×103J/kg)×能值轉換率(15 444 sej/J)；

(3) 雨水勢能(sej)=耕地面積(m2)×平均海拔高度(m)×年均降雨量(m)×密度(103kg/m3)×重力加速度(9.8 m/s2)×能值轉換率(8 888 sej/J)；

(4) 表層土損耗能(sej)=耕地面積(m2)×[表土侵蝕速率(g/m2)-表土形成速率(g/m2)]×土壤平均有機質含量(%)×表土層吉布斯自由能(5.4×4 186 J/g)×能值轉換率(62 500 sej/J)。

2.2西安市耕地能值投入產出

基于上述的統計數據收集和能值計算方法闡述，我們編制出2001—2012年西安市耕地能值投入產出表(表2)。

2.3西安市耕地能值分析

西安市能值投入主要包括可更新環境資源投入、不可更新工業輔助能投入和有機能的投入；耕地能值產出主要包括小麥、玉米、稻谷3種糧食作物，另加大豆、棉花、油料和蔬菜4種經濟作物。能值投入產出變化曲線見圖1。

表2　2001-2012年西安市耕地能值投入產出　10E+20 sej

注：根據參考文獻，太陽光能、風能、雨水化學能和雨水勢能均為同一太陽能驅動，只選取最大值即雨水化學能。每個勞力按1 a平均工作300 d計算；各種作物種子按當年總產量的2%計算；西安市屬于關中平原區域，其表土侵蝕速率取2 000 g/m2，表土形成速率取值1 260 g/m2，土壤平均有機質含量按1.31%計算。

圖1　西安市2001-2012年耕地能值投入產出變化

2001—2012年能值投入呈上升趨勢，由2001年的8.67×1021sej增加到2012年的9.87×1021sej，增長了13.8%。其中，可更新環境資源投入較低，在研究期圍繞1.2×1021sej上下波動，在2003年達到最大值，原因是當年降雨量比較大。在不可更新環境資源中，西安市表土層損失值在逐漸減小，說明耕地保護意識在逐漸加強，水土流失現象也逐步緩解。不可更新工業輔助能在能值投入中的比例約為76.9%，且與能值總投入變化趨勢基本一致，可見工業輔助能對西安市農業發展貢獻最大；在工業輔助能中，化肥投入量最大，其次是農業機械。可更新有機能呈下降趨勢，是因為西安市農業勞動力在減少，但是勞動力在研究期內對能值投入的貢獻率約為20.7%，說明西安市農業發展集約化程度不高，還未擺脫傳統的農業生產模式。2001—2012年能值產出由2.60×1021sej增加到3.37×1021sej，上升了29.6%。而西安市耕地產投比由29%增加到34%，說明耕地單位投入所帶來的經濟效益在增加。

3　西安市耕地生態安全測度

3.1評價指標體系的構建

本文認為耕地生態安全即為耕地生態環境處于基本未受到干擾或破壞、功能性強、產出能力穩定、生態環境無污染、生態災害少的狀態。當前國內外關于耕地生態安全評價指標體系主要從經濟、社會、環境和科技方面選取評價指標，本文在綜合國內外相關研究成果的基礎之上[11-15]，考慮人類活動、社會變化和環境條件對耕地的數量、質量和生態的影響，結合西安市耕地條件和開發利用的實際情況，引入能值理論及其對耕地生態影響機理，從壓力(P)、狀態(S)、響應(R)3個方面選定15個評價指標構建西安市耕地生態安全評價指標體系，如表3所示。

表3　西安市耕地生態安全評價指標體系

注：*表示需結合能值理論進一步分析。

3.2指標標準化及指標權重的確定

本文所構建的耕地生態安全評價指標體系是多指標綜合評價的、各個指標之間缺乏統一的度量標準，而極差變換法可以有效地消除不同指標標準對評價結果的作用，因此首先對所有評價指標的觀測值進行標準化處理以便更準確地確定指標權重。

對于正指標，計算公式為：

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

對于負指標，計算公式為：

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(2)

式中：Xij——第i個評價單元在第j個指標上的實際數據；max(Xij)——第j個指標的最大值；min(Xij)——第j個指標的最小值，j=1，2，…，n。

3.3綜合評價值測算及標準的確定

根據上文計算所得的極差標準化后的數據和各個二級指標的權重，采用如下計算公式，計算二級指標下各個因素綜合評價值，得出2001—2012年西安市耕地生態安全的最終評價值，如表4所示。

(3)

式中：P——2001—2012年各年西安市耕地生態安全綜合評價值；wi——第i個指標的權重；bij——指標標準值。

表4　耕地生態安全綜合測度值

目前有關耕地生態安全評價的相關研究中，沒有統一的標準來衡量耕地生態安全情況，本文根據上文對西安市耕地生態環境的評價結果，在借鑒其他學者生態系統安全等級劃分的基礎上[14-15]，將耕地生態安全評價值劃分為5個等級區域：耕地生態不安全區、安全敏感區、安全臨界區、基本安全區和安全區，見表5。

表5　耕地生態安全等級標準

3.4評價結果分析

根據上述分析計算，可以直觀清晰地觀察2001—2012年西安市耕地生態安全值及所處的安全等級，見圖2。

圖2　2001-2012年西安市耕地生態安全綜合評價曲線

對2001—2012年西安市耕地生態安全綜合評價值變化走勢分析表明，西安市耕地生態安全綜合指數總體偏低呈波動性特征，2006年處在峰谷，2010年達到峰值，說明西安市耕地生態系統安全狀況總體偏低且極不穩定。西安市耕地生態安全評價值由2001年的0.475 8降到2003年的0.379 7，由安全臨界區下降至安全敏感區；2004—2005年年耕地安全評價值有所上升，但到2006年安全評價值下降到0.347 3，處于安全敏感區。2007—2010年生態安全評價值繼續呈波動上升至0.608 9，生態安全等級有大幅提高，進入基本安全區，但在2011年，生態安全評價值降到0.474 7，2012年增長至0.498 9，又降至安全臨界區。

4　西安市耕地生態安全影響因素分析

由上文論述可得出耕地的生態安全狀況受耕地利用的壓力因素、狀態因素和響應因素3個方面的共同作用，而各個因素又受指標層因子的影響。對影響耕地生態安全的各個指標層因子進行進一步分析，可以更深入地把握耕地生態安全狀況。因此采用上文西安市2001—2012年耕地生態安全評價指標體系中的基礎數據，選擇多元線性回歸模型中的逐步回歸法將15個指標篩選出影響較大的因素進行分析，以期能影響揭示西安市耕地生態安全的影響因素。

4.1模型建立

以耕地生態安全評價值Y作為因變量，以耕地生態安全評價15個二級指標X1，X2，…，X15作為解釋變量，模型構建如下：

(4)

式中：ε——隨機誤差項;β0——常數項;βj——待估計的參數(j=1，2，…，15)。

4.2多元線性回歸模型分析

首先，采用回歸分析中的進入(enter)法進行分析，分析結果雖然模型擬合通過顯著性檢驗，但是部分指標方差膨脹因子VIF值遠大于10，表明模型中解釋變量存在多重共線性。因此我們運用逐步回歸法(Stepwise)來解決多重共線性的問題，具體詳見表6。

表6　模型逐步回歸分析結果

模型逐步回歸分析結果顯示，調整后的R2=0.962，且F=7.218，顯著性p≈0.000，通過F檢驗，表明方程擬合優度良好。同時，由表6可知所有系數的估計值都通過了T檢驗，均在5%的水平上顯著。

4.3影響因素分析

人均能值產出與耕地生態安全評價值呈正相關。人均能值產出越大，耕地產出能力越強，在一定的價格水平下，農業產出增加的同時農業收入也在增加，為進一步加大農業投入提供了可能。能值密度反映一個地區的經濟發展水平，它與耕地生態安全呈負相關，說明西安市經濟發展在一定程度上造成了耕地生態環境破壞。農業財政支出比例與耕地生態安全評價值呈正相關。農業財政支出比例反映政府對農業的重視程度和扶持力度，增加耕地保護投入的資金，既可以大幅度地提高農業現代化水平，又能使耕地質量、耕地產出逐年提高，耕地安全程度也會越高。耕地非農化指數越大，一方面耕地非農化面積增加，耕地面積減少，另一方面非農建設過程中會造成土地污染，這些都會導致耕地生態安全值下降。人口密度與耕地生態安全評價值呈負相關。人口增長需要更多的耕地滿足口糧，同時也需要占用耕地建設基礎設施滿足生活需要，勢必造成耕地生態安全壓力。

現對2001—2012年西安市耕地生態安全綜合評價值變化走勢進行影響因素分析。2001—2002年耕地生態安全值處于安全臨界區，由于人們對耕地生態環境的影響較小，人均耕地面積相對較高，耕地非農化指數較低；單位耕地輔助能值投入較低，耕地污染程度低，耕地生態問題不顯著；2003年耕地生態安全水平下降至安全敏感區，是因為2003年西安市降雨量大，農業受災面積較大，人均能值產出低；2004—2005年耕地生態安全值回升，原因是農業稅的取消農業財政支出比例的上升使得農民的生產積極性增加；2006年耕地生態安全值位于峰谷，人口增長過快，能值密度值大，這段時期內受人類活動干擾，耕地生態系統結構有惡化趨勢，耕地污染嚴重，生態問題顯現，耕地生態安全處敏感水平；2006—2010年耕地生態安全值一直增加至最高值，原因是政府加大了對耕地生態環境的投入，農業科技水平的提高和應用使得耕地產出能力增強，西安市加強了對水土流失的綜合治理，加大對非農建設用地占用耕地的管制，人均能值處于較高水平，生態安全水平的逐步回升；2011—2012年耕地生態安全值又下降至臨界安全區，是因為耕地非農化面積大幅增加，耕地面積減少，另一方面非農建設過程中會造成土地污染，這些都會導致耕地生態安全值下降。

5　結論與建議

通過對2001—2012年西安市耕地生態安全評價分析表明，西安市耕地生態安全程度呈波動性特征，耕地生態安全狀況總體偏低且不穩定。人均能值產出、能值密度、農業財政支出比例、耕地非農化指數和人口密度是影響西安市耕地生態安全水平的重要因子。

研究結果顯示，耕地生態安全耕地生態水平有很大提升空間，政府和民眾都應該意識到耕地生態安全的重要性，采取措施控制耕地數量，保護耕地質量，穩定糧食產量，不斷協調影響耕地生態安全的自然、經濟和社會因素，從而提高西安市耕地生態安全水平。建議如下：第一，加大農業科技投入力度，提高人均能值產出。第二，增加農業財政支出，通過開展土地整理提高耕地質量；同時，合理引導和培訓農民采用先進合理的耕作方式提高耕地生態安全程度。第三，嚴格控制非農建設占用耕地，確保耕地數量安全與質量安全。第四，提升區域人口與耕地資源匹配性，減輕耕地資源承載能力。

因此，通過能值理論與PSR模型有機結合，將資源環境、人類活動、社會經濟等聯系起來并考慮它們之間的相互作用，有利于調整耕地生態環境、人類活動和經濟發展的關系。在PSR模型下建立的耕地生態安全評價體系中，能值指標選取和生態安全等級劃分時存在一定的主觀性，今后在系統表征指標的選取和生態安全等級的確定方面還應進一步深入研究。

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Estimation on the Cultivated Land Ecological Security of Xi′an and Analysis on Its Influence Factors

JIA Shunan1, SUN Rui1, XIA Xianli1, ZHANG Tianzhong2

(1.CollegeofEconomicsandManagement,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.LandResourcesPlanningInstituteofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

Ecological security evaluation of cultivated land has the important practical significance to improve the cultivated land situation and promote the sustainable utilization of cultivated land. We established evaluation index system of cultivated land ecological security based on P-S-R model and evaluated the cultivated land ecological security during the period from 2001 to 2012 by using combination weighting method in the range of Xi′an，and the multiple linear regression was carried out to find the driving forces on cultivated land ecological security with SPSS software. The results showed that the evaluation value of cultivated land resources changed from the relatively safe area to safety critical region during the period from 2001 and 2007, there was a wave in 2004; The evaluation value increased during the period from 2007 to 2010, and reached up to the highest levels in 2010, cultivated land ecological situation changed to the safety critical region from the relatively safe area; The cultivated land resources safety state changed to the critical safety region in 2011, it had improved slowly in 2012, but still belonged to the safety critical state. Therefore, improving the output of per capita energy, increasing the proportion of agricultural financial expenditure and controlling the construction of farmland are all the important measures to improve the ecological security of cultivated land in Xi′an City.

cultivated land; ecological security evaluation; energy theory; Xi′an City

2015-06-01

2015-06-23

賈書楠(1992—),女,山東德州人,碩士研究生,研究方向為土地管理與規劃。E-mail:dzjsn1992@163.com

張天中(1973—),男,甘肅靖遠人,高級工程師,主要從事土地規劃和土地管理研究。E-mail:gsztz@163.com

F301; X826

A

1005-3409(2016)03-0164-06