近30年珠海市耕地生態安全評價及未來預測

李久楓，劉艷艷，吳大放，楊木壯，陳震霖

（1.廣州大學地理科學學院國土與城鎮規劃研究所，廣東 廣州 510006；

2.華南師范大學地理科學學院，廣東 廣州 510631）

近30年珠海市耕地生態安全評價及未來預測

李久楓1，2，劉艷艷1，吳大放1，楊木壯1，陳震霖1

（1.廣州大學地理科學學院國土與城鎮規劃研究所，廣東 廣州 510006；

2.華南師范大學地理科學學院，廣東 廣州 510631）

開展耕地生態安全評價有利于耕地資源的可持續利用與國家糧食安全。為了解珠海市耕地生態安全狀況，構建了基于PSR模型的評價指標體系。運用熵值法確定各項指標權重，定量分析1985—2014年珠海市耕地生態安全值，采用等間距法將耕地生態安全級別劃分為不安全、較不安全、臨界安全、較安全、安全5個等級，并引入灰色系統理論預測2015—2020年珠海市耕地生態安全等級，分析其驅動因素。研究結果表明：1985—2014年珠海市耕地生態安全綜合值呈U型變化，安全等級經歷了較安全-臨界安全-較安全-臨界安全-較不安全-臨界安全-較不安全-臨界安全的演變歷程，耕地生態安全等級于1999年之后顯著轉好；2015—2020年珠海市耕地生態安全綜合值呈上升趨勢，安全等級由臨界安全發展到較安全，未來耕地生態安全水平較為樂觀；人口增長與經濟發展導致的人地矛盾仍是影響耕地生態安全水平的關鍵因素。

耕地生態安全；PSR模型；灰色系統理論；珠海市

隨著國家“五位一體”戰略布局，生態安全評價愈來愈融入到區域建設的各個層面，生態安全評價也愈加關注耕地生態系統的安全性。耕地作為土地資源的精華，歷經長期的人為作用，形成了一個多功能、綜合性的生態系統［1］。耕地生態安全是指耕地相對于生態威脅來說的特殊功能狀態，它包括耕地資源環境、生態系統和社會經濟的安全［2］。由于中國城市化進程的不斷加快，人地矛盾不斷加劇，導致耕地生態安全壓力加大，表現為水土流失加劇、農田生物多樣性豐度下降、耕地數量減少及質量下降［3］，進而誘發國家糧食安全、農產品質量安全、生態安全等問題，威脅社會穩定及經濟可持續發展［4］。因此，開展耕地生態安全評價研究、認識當前耕地生態安全狀況、采取有效措施改善和加強耕地生態安全保護，對于維護國家糧食安全及走中國特色農業現代化道路具有重要意義。

自20世紀70年代提出生態安全概念以來，耕地生態安全研究不斷受到關注［5］。目前，國際上對耕地生態安全的研究主要側重在耕地生態安全與可持續利用，如Rasul等［6-7］分析了耕地持續利用與生態狀況的關系；Cassman等［8］研究了糧食安全與生態平衡的關系；Faber等［9-11］在土壤生態安全評價中引入生態系統服務概念，改進了傳統的生態安全評價。國內關于耕地生態安全評價研究成果豐碩，在評價模型與理論應用上結合DPSIR模型［12-14］、PSR模型［15-16］、生態足跡法［17-19］、GIS空間分析技術［20-22］、生態學能值理論［23-25］等開展了四川盆地、長江中下游平原、華北平原等耕地集中連片區的耕地生態安全評價，另外部分學者將影響耕地生態安全的因素依據不同驅動力進行分類，如劉圣歡等［26-27］將影響耕地生態安全的因素分為直接因素、間接因素和社會經濟因素3類，并通過構建耕地生態安全評價指標體系對江漢平原耕地生態安全水平進行分析，得出江漢平原耕地生態總體上處于非常安全狀態；徐輝等［28-30］從自然、經濟和社會3個角度出發構建了耕地生態安全的評價指標體系，分別分析了黑龍江省寧安、哈爾濱、河北省肥鄉縣3地區耕地生態安全水平。

由現有研究可知，耕地生態安全評價研究主要集中于重要糧食產區，對東部尤其是東南沿海經濟發達城市的耕地生態安全狀況研究相對較少［31-32］。現有研究多偏重于現狀分析，缺少動態變化與模擬研究，且耕地生態評價指標體系還不是很完善［2］，不能很好地體現東部城市現有耕地當前的生態安全狀況及未來變化趨勢。同時耕地生態安全系統作為一個土地生態系統的子系統，采取長時間序列的變化研究更為重要，但是由于數據獲取的難度加大，很少有進行長時間序列的耕地生態安全評價研究。近30年來珠海市耕地資源總量減少速度快，農業結構調整導致耕地資源的大量流失，耕地資源質量差，雖然耕地后備資源豐富，但開發利用難度較大［33］。其中1973—2008年珠海市耕地面積快速減少，凈減少17 358.99 hm2，下降幅度為32.13%，平均每年減少173.59 hm2，人均耕地面積減少84.85%［34］，其耕地生態安全狀況堪憂。為彌補現有研究不足，我們基于壓力-狀態-響應（PSR）模型并綜合自然經濟社會因素，選取19個影響耕地生態安全的指標，構建耕地生態安全評價指標體系，并結合珠海市1985—2014年的耕地生態安全數據進行實證分析，最后運用灰色系統理論建模，利用灰色關聯分析對珠海市當前耕地生態安全狀況進行驅動力分析，利用灰色預測模型對珠海市未來耕地生態安全狀況進行模擬預測，以期為中尺度地域耕地生態安全評價提供理論支撐與決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

珠海位于廣東省珠江口西南部，地理坐標處于21°48′～22°27′N、113°03′～114°19′E之間。區位優越，東與香港隔海相望，南與澳門相連，西鄰新會、臺山市，北與中山市接壤。珠海市區內陸部分地勢由西北向東南傾斜，地形多樣，以平原（占25．5%）、丘陵（占58．68%）為主，兼有低山、灘涂等。珠海市地處北回歸線以南，冬季風與夏季風交替明顯，終年氣溫較高，冬無嚴寒，夏無酷暑，年日溫差較小，年均氣溫22.4℃，年均降水量1 985.8 mm，年均日照時數1 947.3 h，平均相對濕度80%，屬南亞熱帶海洋性季風氣候。自然植被以常綠季雨林和季風性常綠闊葉林為主，人工植被包括木麻黃群落、臺灣相思群落和水松群落。

1.2 數據來源

本研究基礎數據主要來源于1985—1990年《珠海統計年鑒》、1990—2015年《廣東統計年鑒》、2002—2015年《珠海統計年鑒》、珠海市統計信息網、珠海市土地利用總體規劃和珠海市土地利用變更調查等資料，少量指標數據通過原始數據計算得出。

1.3 評價指標體系的建立

評價指標體系依據壓力-狀態-響應指標框架建立，其中人口增長率等壓力與響應因子參考張銳等［16］與趙宏波等［35］研究成果，糧食單產等狀態因子參考張銳等［16］與張冰潔等［36］研究成果，同時考慮到數據的可獲取性，綜合自然、經濟、社會因素重點選取影響耕地生態安全的單位耕地化肥負荷、單位耕地農藥負荷、人均耕地面積、農民人均純收入等19個指標建立耕地生態安全評價指標體系（表1）。

1.4 評價指標權重及綜合評價值的確定

采用熵值法確定各評價指標的權重。熵值法是一種客觀賦權方法，它通過計算指標的信息熵，根據指標相對變化程度對系統整體的影響決定指標的權重，相對變化程度大的指標具有較大權重，此方法避免了人為決策帶來的主觀影響因素，保證了權重賦值的客觀性與科學性［37］。由于各指標的量綱、數量級均有差異，為消除因量綱不同對評價結果的影響，需要對各指標進行標準化處理，最終結果見表1。

1.4.1 標準值的確定

式中，Xij為第i個年份的第j個指標的數值（i=1，2，…m；j=1，2，…n）。Xmax為該項指標最大值，Xmin為該項指標最小值，為該項指標標準化值（表2）。

1.4.2 評價指標權重的確定

式中，n為指標個數，Pij為第j項指標下第i年份指標值占全部年份指標值的比重，k為常數，eij為第j個指標的熵值，dj為第j個指標的差異性系數，Wj為第j項指標的權重。

1.4.3 綜合評價值的確定

式中，T為綜合評價值。T值越接近1，表示耕地生態安全狀況越好。在借鑒國內外相關文獻研究的基礎上［37-38］，并結合珠海市耕地生態安全實際狀況，依據等距劃分原則，將耕地生態安全級別劃分為不安全（0～0.2）、較不安全（0.2～0.4）、臨界安全（0.4～0.6）、較安全（0.6～0.8）、安全（0.8～1）5個等級，其5個等級特征分別是生態問題嚴重、生態問題突出、生態問題不顯著、生態良好、生態優異。

1.5 灰色系統理論

1.5.1 灰色預測模型 灰色系統理論是由鄧聚龍于20世紀80 年代在國際上首先提出來的一種新理論。灰色系統是介于內部特征完全已知的白色系統和內部特征完全未知的黑色系統之間，一部分信息已知，另一部分信息未知或不確定的系統。灰色系統理論將任何隨機變量

都看作是一定時空區域內的灰色量，隨機過程是一定區域內變化的與時間有關的灰色過程，這一理論在農業經濟發展等方面應用十分廣泛［39-41］。GM（1，1）是最常用的灰色預測模型，其建模步驟一般為：

表1 耕地生態安全評價指標體系

表2 耕地生態安全評價指標標準化值

（續表2）

（1）對原始數據進行初始化得到數列x(0)，對數列x(0)作一次累加生成處理，得到數列x(1)。

（2）對數列x(1)的變化趨勢可以近似地用微分方程表示：

式中，a，u為參數，可通過最小二乘法擬合得到。

（3）構造矩陣B，YM，計算

（4）求出時間響應式與預測模型：

時間響應式：

預測模型：

（5）利用后驗差方法進行精度檢驗。

1.5.2 灰色關聯分析 灰色關聯分析法是基于灰色系統理論提出的，用以研究系統的功能和結構，將系統看作一個變化發展狀態，對不同系統的發展態勢進行量化比較分析。灰色關聯分析對數據樣本量及數據的典型分布規律要求不太嚴格，其中灰色綜合關聯度綜合表現了不同序列之間的相似程度，比較完整的表征了序列之間的緊密程度，因此較為實用。

設序列X0與Xi長度相同，X0與Xi初始值不為零，ε0i和γ0i分別為X0與Xi的灰色絕對關聯度和灰色相對關聯度，θ∈[0，1]，則灰色綜合關聯度公式為：

式中，ρ0i為X0與X1的灰色綜合關聯度，θ一般取值為0.5。

2 結果與分析

2.1 珠海市耕地生態安全評價

圖1 1985—2014年珠海市耕地生態安全值變化趨勢

2.1.1 1985 —2014年耕地生態安全值總體變化 由圖1可知，珠海市耕地生態壓力值與狀態值雙雙波動下降，耕地生態響應值持續上升。耕地生態壓力值由1985年的0.4819下降到2014年的0.1001，年均下降0.0127；耕地生態狀態值由1985年的0.0855下降到2014年的0.0454，年均下降0.0013；耕地生態響應值由1985年的0.0385提高到2014年的0.2984，年均提高0.0087，積極變化最為顯著。珠海市耕地生態壓力值與狀態值呈下降趨勢的原因主要是經濟發展迅速，城市化水平不斷提高，人口自然增長率下降，單位化肥與農藥負荷減少，耕地生態壓力減小，但是由于城市化的快速擴張，耕地面積的急劇減少，土地墾殖率及復種指數不斷下降，導致耕地生態狀態惡化。因此政府加強了耕地生態安全保護措施，通過提高農業機械化水平，加大對農業技術人員的培養，不斷增加農民人均純收入，促進了耕地生態響應值的提升。

2.1.2 1985 —2014年耕地生態安全等級變化 由圖1可知，珠海市耕地生態安全等級變化較大，呈現先下降、后上升的趨勢。1985—1999年安全值不斷下降，1985年安全值為0.6059，1986-1993年安全值由0.5597下降到0.4077，1994—2003年安全值一直處于0.4以下；2004—2014年總體呈上升趨勢，2004—2014年安全值由0.4108上升到0.4493，安全等級經歷較安全-臨界安全-較安全-臨界安全-較不安全-臨界安全-較不安全-臨界安全的發展狀態。珠海市于20世紀80年代中期實施的西區大開發戰略，大量耕地資源被征用，優質耕地面積急劇下降，西區大開發戰略對耕地生態造成了較大破壞，成為1985—2003年間珠海市耕地生態安全等級不斷下降的主要原因之一。隨著珠海市農業發展戰略的不斷調整，耕地生態保護愈加重要，嚴格保護耕地措施不斷加強。政府對農業科技、農業機械的支持力度加大，耕地生態響應值持續上升，壓力值不斷下降，2004—2014年耕地生態安全等級不斷提升。

2.2 2015-2020年耕地生態安全等級預測

本研究以1985—2014年近30年的耕地生態安全壓力值、耕地生態安全狀態值、耕地生態安全響應值做為樣本數據，分別進行灰色模擬預測，鑒于篇幅限制，計算過程不再贅述，具體步驟參考2.3，以下列出各預測模型：

2.2.1 灰色預測模型 （1）耕地生態壓力的GM（1，1）模型：

（2）耕地生態狀態的GM（1，1）模型：

（3）耕地生態響應的GM（1，1）模型：

2.2.2 精度檢驗 由表3可知，因為C＜0.35，P＞0.95，所以耕地生態安全模型擬合很好，可以用于預測耕地生態安全等級。由表4可知，C顯然小于0.35；

表3 后驗差檢驗精度等級標準

表4 模型的精度檢驗

由表5可知，2015—2020年珠海市耕地生態安全等級不斷上升，由臨界安全等級上升到較安全等級。其中耕地生態壓力值與耕地生態響應值持續下降，耕地生態安全值由0.5029上升到0.6326，表明珠海市未來耕地生態安全狀況不斷改善，生態安全措施將不斷落實，到2020年全面建成小康社會之際，珠海市耕地生態安全等級將保持在較安全等級，且將持續上升，確保國家生態安全戰略的實施。研究發現，近年來珠海市不斷投入技術與資金，加大政策支持力度，積極推動傳統農業向生態農業發展。如在耕地生態的保護與開發問題上，珠海建立了基本農田保護補償機制、飲用水源保護補償機制和基本公共服務能力保障機制，先后出臺了《珠海市基本農田保護經濟補償辦法（暫行）》、《蓮洲鎮生態保護補償財政轉移支付方案》、《珠海市飲用水源保護區扶持激勵辦法》、《珠海市財政生態保護轉移支付辦法》等制度［42］。同時《珠海市綜合發展的生態農業總體規劃（2011—2020）》的出臺極大推動了對耕地生態的保護，有益于將珠海市農業發展成為生態農業。而耕地生態系統作為農業生態系統的重要組成部分，保護其科學利用與開發對促進國家生態城市建設具有重要作用。

表5 2015—2020年珠海市耕地生態安全等級預測

2.3 珠海市耕地生態安全驅動因素分析

灰色關聯度分析主要反映兩個因素之間變化態勢的一致性，相應序列之間關聯度越高，一致性越強，聯系就越為緊密，反之越為松散。由表6可知，以絕對關聯度為標準，各影響因子與耕地生態安全值緊密程度由大到小為X8＞X6＞X19＞X16＞X7＞X5＞X13＞X3＞X2＞X17＞X11＞X4＞X15＞X1＞X18＞X12＞X10＞X14＞X9，第一產業占GDP比重與耕地生態安全值發展態勢最為接近，年日照時數與耕地生態安全值發展態勢差別最大；以相對關聯度為標準，各影響因子與耕地生態安全值緊密程度由大到小為X1＞X11＞X18＞X4＞X13＞X2＞X15＞X10＞X7＞X5＞X9＞X12＞X6＞X8＞X17＞X14＞X3＞X16＞X19，人口自然增長率相對于始點的變化速率與耕地生態安全值最為接近，專業技術人員相對于始點的變化速率與耕地生態安全值差別最大；以綜合關聯度為標準，各影響因子與耕地生態安全值緊密程度由大到小為X8＞X6＞X1＞X11＞X13＞X4＞X18＞X2＞X7＞X15＞X5＞X10＞X9＞X12＞X17＞X19＞X3＞X16＞X14，第一產業占GDP比重與耕地生態安全值緊密程度最高，復種指數與耕地生態安全值緊密程度最差。綜合3個關聯度的計算結果可知，影響耕地生態安全值的主要因素為第一產業占GDP比重、人口自然增長率、耕地面積、人均耕地面積、土地墾殖率、有效灌溉面積比、單位耕地化肥負荷、GDP增長率、農業機械總動力，即人口、經濟、耕地保有量以及農業科技。其中珠海市人口密度由1985年的248人/km2增加到2014年的936人/km2，增長2.77倍，而珠海市耕地面積由1985年的37 720 hm2下降到2014年的18 103 hm2，減少了52%，極大增加了耕地的人口負擔，從而導致耕地的生態壓力越來越大。而管理者對耕地的經濟投入不斷增加，農業科技比例也在不斷上升，例如30年間農業機械投入增加約1.36倍，專業技術人員增加約30倍。但是為提高耕地的產出量，導致耕地生態問題不容樂觀，如2014年糧食單產是1985年的1.32倍，但單位耕地化肥負荷卻是1985年的2.14倍。可見，人口增長與經濟發展導致的人地矛盾仍是制約耕地生態安全水平的最重要因素。因此純粹依賴對耕地的粗放投入是不可持續的，而是要建立耕地的生態保護屏障，從耕地的土壤質量、環境質量、管理質量與經濟質量［43］4個維度來提升耕地的生態質量。

表6 各影響因子與耕地生態安全值關聯度

3 結論與討論

3.1 結論

本研究基于PSR模型構建耕地生態安全評價指標體系，在定量評價1985—2014年珠海市耕地生態安全等級基礎上，運用灰色系統理論構建耕地生態安全灰色預測模型，預測2015— 2020年珠海市耕地生態安全等級，并從自然、經濟、社會等方面分析其驅動因素。研究結論如下：

（1）從研究區發展歷程來看，珠海市耕地生態安全水平處于較差水平，1985—2014年，珠海市耕地生態安全水平56.7%的年份處于臨界安全等級，36.7%的年份處于較不安全等級，6.6%的年份處于較安全等級；1985—2014年珠海市耕地生態安全等級發展趨勢呈U型變化，耕地生態安全等級經歷了較安全-臨界安全-較不安全-臨界安全的演變歷程，其中耕地生態安全值于1999年最低，之后持續上升，這表明珠海市耕地生態安全狀況開始逐漸轉好。

（2）從研究區預測趨勢看，2015—2020年珠海市耕地生態安全預測值不斷上升，耕地生態安全水平處于較好水平，耕地生態安全等級由臨界安全等級發展到較安全等級，表明未來珠海市耕地生態安全狀況將不斷改善，耕地生態安全保護措施將嚴格落實，這與《珠海市綜合發展的生態農業總體規劃（2011—2020）》的規劃要求相符合。

（3）從珠海市耕地生態安全變化驅動因素分析，人地矛盾仍是制約耕地生態安全系統改善的關鍵因素。因此珠海市應該更加注重人口發展戰略，合理規劃城鎮人口規模，協調好人地關系，促進社會和諧發展；繼續實施農機購置補貼政策，加大市級財政補貼力度，提高農業機械化水平；加強農田水利設施規劃，通過建設高標準基本農田，完善農田水利系統；積極促進農業科技下鄉，提高廣大農業從業人員生產技術和管理水平，加大環境治理力度，改善耕地土壤生態，提高糧食產量，進而提高耕地生態安全水平。

3.2 討論

（1）與相似區域或城市進行對比研究。對比吳大放等［22］研究的同時期珠海市耕地生態安全狀況表明，評價等級劃分一致，珠海市耕地生態是逐漸趨好的。但吳大放等研究指示從1988年由耕地生態等級為臨界安全占總面積85.46%變化為2008年等級為較安全的占總面積80.63%，該結論與本研究不同，可能原因是其研究是基于空間角度的分析，而本研究主要是基于長時間序列角度進行的分析。對比黃鵬等［31］對廣州市耕地生態安全研究的評價來看，1995—2007年廣州市耕地生態安全等級由較安全向安全靠近，說明珠海市與廣州市耕地生態發展狀況相似，可能由于其農業區位相似。但本文相同時期耕地生態安全評價值低于廣州市，這可能是由于指標體系構建的差異，對比謝戈力研究的廣州市耕地資源生態安全狀況表明，廣州市耕地資源生態一直處在赤字狀態，有降低趨勢，其耕地資源處于不可持續利用狀態，急需改善和保護耕地資源安全狀況［32］，這表明東部沿海發達地區的耕地生態狀況不容忽視。

（2）與其他學者運用灰色理論的對比研究。對分析鄭華偉等［37，41，44］運用灰色理論進行預測的數據表明，筆者與其建立的預測模型的分布等級一致，皆處于一級等級。但本模型在C值精度上要優于其他學者，可能的原因是本研究選取的樣本較為充足。

（3）傳統研究缺少耕地生態安全狀況的動態預測分析，而分析未來耕地生態安全狀況對于制定合理的農業政策具有重要意義。研究嘗試將灰色系統理論引入耕地生態安全評價指標體系，基本達到預期研究目標，一定程度上彌補了耕地生態安全評價在模擬與預測方面的不足。同時鑒于數據獲取的限制以及模型精度隨樣本而波動的情況，需要對耕地生態安全評價的指標選取與模型適用性開展進一步研究。由于此類研究較少，這為進一步評價東部經濟發達區耕地生態安全狀況提供了實證分析與理論借鑒。

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（責任編輯 白雪娜）

Evaluation of cultivated land ecological security in Zhuhai city in recent 30 years and its future prediction

LI Jiu-feng1，2，LIU Yan-yan1，WU Da-fang1，YANG Mu-zhuang1，CHEN Zhen-lin1
（1.Institute of Land Resources and Urban-Rural Planning，School of Geographical Sciences，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2. School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China）

The evaluation of cultivated land ecological security is conducive to the sustainable utilization of cultivated land resources and national food security. In order to understand the situation of cultivated land ecological security in Zhuhai City，the evaluation index system based on PSR model was constructed. Entropy method was used to determine the weight of every index，and then quantitatively analyzed Zhuhai ecological security of cultivated land value in 1985-2014，the cultivated land ecological security level was divided into five grades such as insecurity，less secure，criticality safety，relative safety，safety. In this paper，the grey system theory was introduced to predict cultivated land ecological security level in Zhuhai City in 2015-2020，analyzes the driving factors were analyzed. Results showed that，the Zhuhai ecological security of cultivated land comprehensive value showed a U-shaped curve in 1985-2014，safety - experienced relative safety - critical safety - relative safety - critical safety - less safety -critical safety - less safety - critical safety evolution. The cultivated land ecological security level was significantly improved after 1999. Zhuhai ecological security of cultivated land comprehensive value assumed the trend ofescalation in 2015-2020，security level from critical security development to relative safety，the future level of ecological security of cultivated land was more optimistic. The contradiction between population nature and economic development was still the key factor to influence the level of cultivated land ecological security.

cultivated land ecological security；PSR model；Grey system theory；Zhuhai city

F301.21

A

1004-874X（2017）01-0156-11

2016-10-08

國家自然科學基金 (41101078)；廣東省教育廳特色創新項目（2014KTSCX090）；教育部人文社會科學研究規劃項目（14YJA630083）；廣州市哲學社會科學“十二五”規劃項目（15Q28）；廣東省教育廳省級大學生創新訓練項目（201511078019，CX2015025，201611078085）；廣州大學2015年示范性實驗建設項目“地理信息系統在土地利用規劃中的應用”

李久楓（1993-），男，在讀碩士生，E-mail：1970892598@qq.com

劉艷艷（1980-），女，博士，高級工程師，E-mail：sunnylyy08@163.com

李久楓，劉艷艷，吳大放，等.近30年珠海市耕地生態安全評價及未來預測［J］.廣東農業科學，2017，44（1）：156-166.