滁州市農業生態環境質量動態評價及預測

房莎莎，王 妮，2*，孫 杰

(1.滁州學院地理信息與旅游學院，安徽滁州 239000；2.安徽省地理信息集成應用協同創新中心，安徽滁州 239000)

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滁州市農業生態環境質量動態評價及預測

房莎莎1，王 妮1，2*，孫 杰1

(1.滁州學院地理信息與旅游學院，安徽滁州 239000；2.安徽省地理信息集成應用協同創新中心，安徽滁州 239000)

[目的]客觀準確地評價和預測滁州市農業生態質量狀況及發展趨勢。[方法]選取滁州市農業生態環境質量評價指標，運用主成分分析法對評價指標進行篩選，建立農業生態環境質量綜合評價模型，采用灰色系統GM(1，1)模型對農業生態環境質量狀況進行預測。[結果]滁州市農業生態環境質量長期處于III級，且波動幅度較小；農業生態環境保護指標和農業環境污染指標對滁州市農業生態環境質量的影響較大。[結論]滁州市農業生態環境質量有很大改善空間，人類活動對農業生態環境質量的影響顯著。

生態農業；農業生態環境質量；滁州市

農業生態環境是農業生存和發展的前提，是人類社會生產發展最重要的物質基礎，是由社會經濟、自然和人類活動組成的復合生態系統[1-2]。農業生態環境的質量不僅影響著農業可持續發展，還影響著人類生活環境。隨著社會經濟的發展和人類進步，農業生態環境質量也處于不斷的動態變化中，既朝著有利方向的發展，又有不斷惡化的趨勢[3]。因此，對農業生態環境質量進行評價，客觀、深入地認識和了解農業生態環境的動態變化顯得尤為重要[4-5]。近年來，國內外學者對農業生態環境的研究主要集中于經濟、社會、環境、科技、資源等要素在內的復合農業生態系統。國內的研究較多地關注社會效益和經濟效益的評價，弱化了生態環境指標的作用[6-7]，從而忽視了對農業生態環境質量時空變化的分析。農業生態環境質量評價的方法和模型應用較為廣泛，目前主要采用模糊綜合評價法[8]、灰色綜合聚類法[9]、層次分析法[10-11]、人工神經網絡評價模型[12]及投影追蹤模型[13]等。其中主成分分析法便于找到符合研究區域的評價指標，可準確評價農業生態環境質量。滁州市不僅是南京都市圈核心圈層城市、合肥經濟圈的重要城市之一，更是江淮地區重要的樞紐城市，近年來致力于打造蘇皖之間新興區域中心城市，經濟發展水平不斷提高。但是，隨著城市化進程的加快，各種農業問題接踵而來[14-16]。因此，分析滁州市農業生態環境質量的時空變異具有重要意義。筆者運用主成分分析法對滁州市農業生態環境評價指標進行篩選，采用灰色系統GM(1，1)模型對未來滁州市農業生態環境狀況進行預測，對農業生態環境質量進行定量和定性評價，旨在為該地區農業可持續發展及農業生態環境建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 滁州市位于皖東江淮丘陵地區，主要地形為平原和丘陵，地理坐標為118°11′ E，32°32′ N。滁州市總面積13 398 km2，下轄天長市、明光市、來安縣、全椒縣、定遠縣、鳳陽縣、瑯琊區、南譙區，總人口435萬。滁州處于北溫帶與亞熱帶的南北過渡地帶，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雨，年均溫14.4～16.6 ℃，多年平均降水量1 031.2 mm。全市土地肥沃，氣候適宜，盛產優質水稻、小麥、玉米、大豆等農副產品，農產品豐富，商品率高，是國家大型商品糧生產基地之一，糧食總產量占全省的12.50%，糧食商品量占全省的25.00%[17]。滁州市下轄的定遠縣被列為國家瘦肉型豬養殖基地，全國糧食生產先進縣，為全省社會經濟的發展及生態建設提供重要的物質基礎。隨著經濟的不斷發展和城鄉建設的投入，耕地面積不斷減少，農業生態環境污染日益嚴重，全市的農業生態環境面臨越來越大的壓力。雖然滁州市不斷加強農業生產投入和環保投資力度，加大對農業生態環境污染的治理，但是農業生態環境存在的問題仍不容忽視。滁州市作為國家商品糧生產基地之一，其農業生態環境質量狀況對于滁州市乃至整個南北過渡地帶的農業可持續發展具有重要意義。

1.2 評價指標體系構建

1.2.1 指標選取。農業生態環境質量評價是指以縣域農業生態環境為評價對象，依據農業生態系統屬性數據和資料，要求評價指標的選取要遵循科學性、適用性、完備性、動態性及可操作性等原則[18]，以評價指標體系覆蓋農業生態環境各方面，能夠有效反映農業生態環境質量動態變化為出發點，將農業生態環境質量評價指標分為農業自然環境狀況指標、農業現代生產投入指標、農業環境污染指標和農業生態環境保護指標。農業自然環境狀況指標是指滁州市自然環境狀況；農業現代生產投入指標是指現代化技術在農業生產中的投入；農業環境污染指標是指人類的生產活動對農業生態環境質量的影響；農業生態環境保護指標是指農業生態環境質量在自然和人類共同影響下的變化趨勢。

筆者運用主成分分析法對初選評價指標進行進一步篩選，對不同子系統的主成分進行分析，得出各子系統的主成分。具體步驟：對各子類指標進行標準化處理，并構建判別矩陣，用SPSS軟件計算矩陣的特征值和方差貢獻率，選取累積指標達到85%的指標作為主成分來概括各子系統指標的特性。利用主成分分析法篩選后，評價指標體系共有18個評價指標(表1)。

表1 滁州市農業生態環境質量動態評價指標體系

1.2.2 權重確定。確定評價指標權重的方法有德爾菲法、層次分析法、兩兩比較法、熵權法等。筆者運用熵值確定權重法來確定各評價指標的權重。熵權法具有客觀公正和無偏好的特點，并且減少了不可控因素引起的不確定性。

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Hj，其權重為Wj，計算公式為：

(1)

式中,rij為第i個被評事物第j個指標的標準化值。

(2)

(3)

式中，為使lnPij有意義，一般約定：當Pij=0時，PijlnPij=0，其中變異越大的指標權重越大。

1.2.3 評價過程。

1.2.3.1 指標標準化。根據構建的評價體系，收集各評價指標的統計數值并對其進行標準化處理。筆者采用最大-最小值法對統計數據進行標準化處理，對各評價指標進行無量綱化處理。最大-最小值標準化方法是對原始指標數據進行線性變換，將指標數據值統一到0～1，消除原始指標變量量綱差異的影響。最大-最小值標準化方法如下：

(1)正效應指標，即數值越大效益越好的指標，標準化方法如下：

(4)

(2)負效應指標，即數值越小效益越好的指標，標準化方法如下：

(5)

式中,Sij是指標的標準化值；Xij是第i個評價對象的第j項指標的實際數值；maxXj為該項指標的最大值，minXj為該項指標的最小值。

1.2.3.2 綜合指數計算。

(6)

式中，E為農業生態環境質量綜合指數；Wj為指標j的權重；Sij為評價指標的標準化值。綜合指數為0～1，該值越小，說明農業生態環境質量越差。

1.3 預測方法 由于評價指標值的模糊不確定性，筆者采用灰色系統GM(1，1)模型對2012～2017年農業生態環境質量評價指標的變化進行預測。

1.3.1 灰色系統GM(1.1)模型構建。灰色系統GM(1.1)是在灰色理論的引導下，將一切隨機變量看作是在一定范圍內變化的灰色量，將隨機過程看作是在一定范圍內與時間有關的灰色過程。它以指數形式為基礎，確定觀測初始值為定積分常數。通過對時間序列累加后，用微分擬合法構建一階常數系微分方程。該方法能夠對雜亂無序的數據進行處理，并將缺失數據通過計算進行補充，對于預測分析結構關系和運行機制不明晰的對象和過程系統具有獨特的優勢。灰色系統GM(1，1)模型建立過程如下[19]：

x(1)={x(1)(1),x(1)(2)，…，x(1)(n)}

(7)

(2)構造累加矩陣和常數向量。

(8)式中，B為構造數據矩陣；YM為常數向量；M為新數據列的元素個數。

(3)求解灰色參數。通過最小二乘法擬合計算灰色參數，計算公式：

(9)

(4)建立預測公式。構建時間響應函數：

(10)

式(10)為數列預測的基礎公式，由該式可得到一次累加生成數列的預測值，預測公式見下：

(11)

(5)模型診斷。為了保證模型的可靠性，必須對模型進行診斷。筆者采用的診斷方法是先計算指標數據的離差S1和殘差S2，進而計算后驗比(C)及小誤差概率(P)。根據C和P分析模型的可靠性，當P>0.95和C<0.35時，認為該模型可以對評價系統進行預測：

(12)

(13)

(14)

1.3.2 質量等級劃分。參照《中華人民共和國環境保護行業標準》[20]，根據評價的綜合指數和相關研究[21-22]，將滁州市農業生態環境質量和各子系統各劃分為5級，劃分結果見表2～6。

表2 滁州市農業生態環境質量分級標準

Table 2 Classification standard of agricultural ecological environment quality in Chuzhou City

質量等級Qualitygrade綜合指數(E)Compositeindex等級含義LevelmeaningI0≤E<0.20農業生態環境總體質量差,條件惡劣,服務功能喪失,生態環境受損程度大II0.20≤E<0.35農業生態環境總體質量較差,服務功能退化且不全,生態環境受損程度相對較大III0.35≤E<0.55農業生態環境總體質量一般,生態環境受到一定程度的破壞,社會經濟發展水平呈現良好趨勢IV0.55≤E<0.75農業生態環境總體質量良,系統結構基本完善,服務功能良好,社會經濟發展水平較高VE≥0.75農業生態環境總體質量優,服務功能很好,自然社會經濟協調發展,社會經濟發展水平高,農田水利設施完善,農業生態系統穩定

表3 滁州市農業環境污染指標質量分級標準

Table 3 Classification standard of agricultural environmental pollution index in Chuzhou City

質量等級Qualitygrade綜合指數(E)Compositeindex等級含義LevelmeaningI0≤E<0.35農業環境屬特大污染,土壤肥力遭到嚴重破壞,農藥、農膜過度使用,土地退化非常嚴重;工業廢水廢氣排放量大,生態災害經常發生II0.35≤E<0.55農業環境遭到重大污染,土壤肥力破壞較大,農藥、農膜使用量相對較多,土地退化較為嚴重;工業污染物排放較大,生態災害較多III0.55≤E<0.65農業環境屬較大污染,土壤肥力損失較為明顯,農藥、農膜使用量不斷降低,土壤污染程度較輕,工業污染物排放量趨于合理,生態災害時有發生IV0.65≤E<0.80農業環境屬一般污染,農藥、化肥、農用塑料薄膜使用量一般,土地退化及土壤污染情況不明顯,工業污染物能夠得到有效處理VE≥0.80農業環境幾乎沒有受損現象,農藥、農膜使用量較少,且能自行分解,沒有土地退化現象,工業污染物得到有效遏制

表4 滁州市農業現代生產投入指標質量分級標準

Table 4 Classification standard of agricultural modern production inputs in Chuzhou City

質量等級Qualitygrade綜合指數(E)Compositeindex等級含義LevelmeaningI0≤E<0.30農業現代化生產投入較差,機械化水平非常低,農田灌溉很不合理,農業產值很低II0.30≤E<0.50農業現代化生產投入差,機械化水平較低,農田灌溉不合理,農業產值低III0.50≤E<0.65農業現代化生產投入一般,機械化水平一般,農田水利設施不斷發展,農業產值一般IV0.65≤E<0.75農業現代化生產投入良好,農業機械化水平趨于完善,農田水利設施良好,農業產值較高VE≥0.75農業現代化生產投入優,農業機械化完善,農田水利設施完善,農業產值高

表5 滁州市農業自然環境狀況指標質量分級標準

Table 5 Classification standard of agricultural natural environmental conditions in Chuzhou City

質量等級Qualitygrade綜合指數(E)Compositeindex等級含義LevelmeaningI0≤E<0.30水熱條件組合很差,農業產值很低II0.30≤E<0.50水熱條件組合較差,農業產值較低III0.50≤E<0.65水熱條件組合一般,農業產值一般IV0.65≤E<0.80水熱條件組合良好,農業產值較高VE≥0.80水熱條件組合非常好,農業產值高

表6 滁州市農業生態環境保護指標質量分級標準

Table 6 Classification standard of agricultural eco-environmental protection in Chuzhou City

質量等級Qualitygrade綜合指數(E)Compositeindex等級含義LevelmeaningI0≤E<0.20土地治理投資低,水質達標率低,水土流失面積非常大,農業生態環境系統的恢復與重建非常困難,生態災害經常發生II0.20≤E<0.35土地治理投資較低,水質達標率較低,水土流失面積大,農業生態環境系統的恢復與重建比較困難,生態災害較多III0.35≤E<0.55土地退化比較明顯,農業生態環境系統遭到一定程度破壞,生態災害有時發生IV0.55≤E<0.75土地退化不明顯,農業生態環境系統受損程度較小,生態災害不大,且能及時控制和預防VE≥0.75農業生態環境系統完好,沒有土地退化情況,生態災害幾乎很少發生

2 結果與分析

2.1 農業生態環境質量總體變化 由表7可知，滁州市農業生態環境質量長期維持在III級，屬于一般水平，波動幅度較小。近年來，滁州市致力于打造蘇皖之間新型區域中心城市，農業生態環境的重要性日益得到滁州市人民的廣泛關注及重視，產業結構調整、農業發展方式轉變、環境保護等一系列措施的實施，以及推廣秸稈還田政策的制訂，固體廢棄物無害化處理廠、污水處理廠等環保基礎設施相繼建成并投入使用，使得滁州市農業生態環境質量不斷好轉。但是滁州市的農業生態環境質量的綜合指數仍處于較低水平，農業生態環境質量仍需要很大的改善和調整，土壤質量退化、耕地資源不斷減少，農業污染嚴重等問題仍然阻礙著農業生態環境質量的進一步提升。2002—2011年滁州市農業生態環境質量呈波動上升，這與滁州市的每年實施措施緊密相關。

表7 滁州市農業生態環境質量動態評價結果

Table 7 Dynamic evaluation results of agricultural eco environmental quality in Chuzhou City

年份Year實際值Actualvalue擬合值Fittedvalues誤差Error∥%質量等級Qualitygrade20020.42710.4271III20030.65140.64781.7362IV20040.38480.3918-1.3945III20050.30950.3139-1.2562II20060.42170.39231.8374III20070.34210.34100.3294III20080.28850.27991.5382II20090.29410.28840.3646II20100.40480.39070.8632III20110.34880.34510.5425II20120.33460.3358-0.3276III20130.41370.41330.2236III2014—0.4314—III2015—0.4644—III2016—0.4949—III2017—0.5259—III

2.2 農業生態環境質量評價子系統變化

2.2.1 農業自然環境狀況指標。由表8可知，2002—2011年滁州市農業自然環境狀況指標總體呈穩步改善的趨勢，農業自然環境指標總體處于III級。滁州市地屬皖東地區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雨。氣候不穩定會影響農業發展，隨著農作物產業的調整以及農作物對南北區域過渡帶氣候的適應，使得農業自然環境狀況，在滁州市農業生態環境質量中發揮越來越重要的作用。未來幾年，滁州市加快轉變農業發展方式，致力打造生態農業城市和旅游城市，將采取一系列措施積極改善農業生態環境，提升農業生產效益。這一階段土壤質量得到有效改善，水資源得到一定程度的開發，使得農業自然環境狀況得到進一步優化。根據預測結果可知，2012—2017年滁州市農業自然環境狀況指標仍不斷提高，將更加有利于提高滁州市農業生態環境質量。

2.2.2 農業生態環境保護指標。由表8可知，2002—2012年滁州市農業生態環境保護指標總體呈較低水平，其評價等級可以分為3個階段：2003年擬合值達到0.719 7，等級為IV級，這是由于2003年造林總面積和治理水土流失面積達到研究階段的最高值；2004—2010年農業生態環境保護指標總體呈下降趨勢，這一階段滁州市社會經濟發展迅速，城市化進程加快，不合理的土地利用方式加劇了農田退化和水土流失，在大力發展經濟的同時忽略了環保問題的解決，導致農業生態環境保護投入不足，嚴重影響滁州市農業生態環境質量，其等級由IV級退化為I級。2010年之后，農業生態環境保護指標擬合值不斷上升，這是由于隨著滁州市土地利用規劃和城市空間結構規劃的逐步實施和完善，人類活動對農業生態環境的破壞逐漸緩解。隨著社會經濟發展水平的不斷提高和人們的環保意識不斷增強，農業污染防治和生態防護逐漸開展和加強，農業生態環境保護指標不斷上升。

2.2.3 農業環境污染指標。由表8可知，2002—2011年滁州市農業環境污染指標綜合指數總體呈上升趨勢，其等級由I級上升為IV級。2002—2004年農業環境受到嚴重污染，綜合評價指數處于差與較差的階段。這是由于人們不合理使用農藥、農膜和化肥，導致農田污染嚴重，再加上滁州市處于工業化和城市化迅速發展的階段，工業廢氣廢水排放量較大，治理工作不足，使得工業污染和農業面源污染等污染問題日益嚴重，農業環境質量受到嚴重的影響。從2007年開始，農業環境污染指標上升到IV級，并且不斷優化。隨著滁州市產業結構的調整和發展旅游城市目標的提出，加大污染防治，限制土地利用方式，逐漸減少了人類活動對農業生態環境的破壞，農業環境質量得到顯著提升并趨于穩定，其綜合指數持續保持IV級。

2.2.4 農業現代生產投入指標。由表8可知，2002—2011年滁州市農業現代化生產投入指標總體處于III級，擬合值從0.351 9上升到0.533 9。農業現代生產投入子系統由農業產值、有效灌溉面積、機耕面積和人均耕地面積4個指標組成。滁州市在加大農業現代生產投入的同時，不斷加強水利設施建設和水資源開發，以保證農田有效灌溉。機械化的發展推動了機耕面積的擴大，在一系列措施的推動下，農業現代生產投入仍不斷改善和強化。2012—2017年在滁州市一系列積極政策的促進下，農業現代生產投入進一步增加，根據預測結果可知，農業現代生產投入等級從III級上升到IV級并不斷優化，擬合值增加至0.683 7。

表8 滁州市農業生態環境質量評價子系統綜合指數預測結果

3 結論與建議

(1)筆者從農業自然環境狀況指標、農業現代生產投入指標、農業環境污染指標和農業生態環境保護指標4個方面構建農業生態環境評價指標體系，運用主成分分析法對初選評價指標進行了篩選，利用熵權法計算每個評價指標的權重，并采用灰色系統GM(1，1)模型對2012—2017年滁州市農業生態環境狀況進行預測，在此基礎上對滁州市2002—2017年的土地生態安全狀況進行了動態評價。結果表明，滁州市農業生態環境質量綜合指數總體呈穩步上升趨勢。由于不同時期的社會經濟發展水平、環保投資力度、農業發展方式等存在差異，導致2002—2017年滁州市農業生態環境質量不斷變化。通過對滁州市農業生態環境的動態評價可知，農業環境污染指標對農業生態環境質量的變化影響最大，表明農業環境污染是影響農業生態環境變化的主導因素。農業自然環境狀況指標是農業生態環境質量的重要組成部分，但是農業自然環境狀況受滁州市所處的特殊的地理位置和氣候條件等自然因素的影響，短期內仍難以改變。農業現代生產投入指標在農業生態環境質量中發揮著重要作用，表明人類活動深刻影響著農業生態環境質量。農業生態環境保護指標是人類活動在自然環境的影響下對農業生態環境質量做出的改善和調整，是農業生態環境質量評價中不可或缺的一部分。

(2)鑒于農業生態環境是由社會經濟、自然和人類活動組成的復合系統，評價其質量高低的關鍵是構建全面有效的評價指標體系，選擇合適的評價方法。筆者選取指標時存在數據的難獲得性和部分評價指標的局限性，導致評價指標體系存在一定的缺陷，需要今后進一步發展和完善。

(3)從不同子系統對農業生態環境質量的影響程度出發，滁州市應該減少農藥、農膜的使用量，大力實施秸稈還田政策，推廣生物農藥的替代施用，逐步加大生物農藥的施用比重，加快滁州市由傳統農業向現代農業轉型；加快調整經濟產業結構，減少工業廢水廢氣的排放量，保護農業生態環境不受工業污染的影響；大力開展植樹造林活動，提高林地指數；合理加大水資源開發力度，改善農田排水灌溉系統；深入推進深松整地技術，增強耕地蓄水保墑和抗旱能力，減少農田用水量，增加土壤肥力；加大環保投資力度，降低環境污染對農業生產的影響，為農業的健康發展創造良好的條件。

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Dynamic Assessment and Prediction on Quality of Agricultural Eco-environment in Chuzhou

FANG Sha-sha1, WANG Ni1,2*, SUN Jie1

(1.School of Geographic Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou, Anhui, 239000;2. Anhui Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Integration and Application, Chuzhou, Anhui 239000)

[Objective]The study amied to evaluate and forecast the status and development trend of agricultural ecological quality objectively and accurately of Chuzhou City. [Method]Selection the index of agricultural ecological environmental quality evaluation and screening evaluation indexes by using principal component analysis. Established the comprehensive evaluation model of agricultural ecological environment quality and and the GM (1,1) grey system theory model was applied to predict the evolution trend of agricultural eco-environment. [Result]The agricultural ecological environment quality of chuzhou in the “III” for a long time and less volatility ; The index of agricultural ecological environment protection and agricultural environmental pollution index has great influence on the quality of agricultural ecological environment in Chuzhou city. [Conclusion]The Chuzhou agricultural ecological environmental quality is still great rising space and human activities have an significant influences on the quality of agricultural ecological environment.

Ecological agriculture；Agricultural ecological environment quality; Chuzhou City

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510377014)；安徽高校省級自然科學研究項目重點項目(KJ2016A531)；滁州學院大學生創新創業訓練計劃項目(2015CXXL036)；安徽省大學生創新創業訓練計劃項目(201510377032)。

房莎莎(1993-)，女，安徽阜陽人，本科生，專業：GIS應用。*通訊作者，講師，博士，從事遙感與GIS研究。

2016-08-17

S 181.3

A

0517-6611(2016)31-0052-06