基于DPSIR模型的基本農田生態安全評價研究

梁宇哲，賈琛琛，吳茗華，郭泰圣

（1.廣東省土地調查規劃院，廣東·廣州 510075；2.華南農業大學資源環境學院，廣東·廣州 510640；3.廣東友元國土信息工程有限公司，廣東·廣州 510640）

1963年，“基本農田”一詞首現于我國的“黃河中下游水土保持工作會議”中，當時定義為能夠抵御旱澇自然災害，穩產且高產的農田[1]。但目前基本農田的內涵是指按照一定時期的人口和社會經濟發展對農產品的需求，依據土地利用總體規劃確定的不得占用的耕地，是耕地的精華[2]。基本農田保護制度是中央政府保護“保命田”，約束行為主體的強制性制度安排[3]。近年來，生態環境的不斷惡化，基本農田也遭到威脅，這直接影響我國的糧食安全。如何保護現有基本農田資源，有效評估基本農田的生態安全狀況，防止基本農田生態環境受到污染和破壞，成為耕地生態安全領域迫切需要解決的科學問題[4-5]。這對于保護高質量耕地、穩定農業生產、確保糧食安全和生態安全以及促進社會經濟科學發展具有重要的戰略意義。

生態安全評價是對生態系統完整性以及對各種風險下維持其健康的可持續能力的評估，以生態健康和生態風險評價為核心[6]。隨著20世紀80年代生態健康問題研究[7]、2001年全球性“新千年生態系統評估”[8]以及美國國際研究委員會（NRC）的風險測度量化技術[9]等研究的不斷興起，生態安全評價得到了迅速發展。我國對于生態安全的探索興起于20世紀90年代[10]，有關學者就生態安全內涵進行研究和界定[11-13]。目前國內的生態安全評價的研究主要集中在評價模型指標體系研究、土地生態安全評價、區域流域生態安全評級、生態脆弱區生態安全評價等方面[14-20]，應用較多的評價模型有P-S-R、D-S-R、D-PSR、D-PSE-R等模型[10]。

由于基本農田受到人類活動的密切影響，但以往的耕地生態安全評價往往難以深刻地反映人類活動與環境之間的交互作用，而DPSIR模型不僅能夠有效反映人類活動與生態環境之間的復雜影響機制，而且也已廣泛應用于土地利用、建設用地、耕地等領域。因此本文將引入DPSIR模型進行基本農田的生態安全評估，旨在探求生態安全空間差異性的內在機制，這對制定土地整治規劃、土地利用總體規劃、生態規劃等具有至關重要的意義。

1 數據與方法

1.1 研究區域

羅定市系廣東省轄的縣級市，位于廣東省西部，北緯22?25'11"～22?57'34"，東經 111?03'08"～111?52'44"。羅定西部、西北部和南部一部分為云開大山山地，東面為云霧山山地，中部、東北部和南部為盆地、丘陵地帶。鎮街道域面積2327.5km2，總人口約126萬人。2016年全年實現地區生產總值195.46億元，比上年增長（下同）8.3%；固定資產投資總額117.15億元，增長0.3%。與此同時，隨著社會經濟快速發展和人口的持續增加，全市基本農田面積明顯減少，人類活動對脆弱的生態安全產生極大挑戰，二者間的矛盾不斷增加。所以，現時期對基本農田的生態安全評價顯得非常重要。

1.2 數據來源

本研究以羅定市2017年耕地質量年度變更數據庫、基本農田數據庫、羅定市土地利用總體規劃調整完善方案數據庫（2017）作為基本信息源，結合外業調查以及羅定市基本農田的實際情況。文中所用的社會經濟數據來自于羅定市統計年鑒（2017），利用Fragstats進行景觀分析提取景觀破碎度指標，綜合評價2016年羅定市生態安全狀態及空間分布差異。

1.3 研究方法

1.3.1 基本農田生態安全的形成機制

驅動力-壓力-狀態-影響-響應 (DPSIR)模型是一種在環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型。它是由歐洲環境署提出的PSR模型演化而來，并增加了“驅動力”和“影響”，從系統分析的角度闡述人類活動與環境系統的相互作用。人類的社會經濟活動及自然災害產生的驅動力（D）對生態系統產生壓力（P），這使得生態系統（S）發生改變，狀態的改變對人類或生態系統產生影響（I），影響使得人類產生直接或者間接的響應（R），響應反作用于驅動力、壓力、狀態、影響。DPSIR概念模型因其綜合性、整體性、系統性和靈活性等優點被廣泛應用于復雜環境或資源系統的評價中。

在本文研究的這5個生態安全的影響因子中,驅動力（D）指的是基本農田所處的人類社會經濟系統的相關屬性，主要包括人類社會經濟活動，如工業生產、農業生產和觀光旅游業發展等。壓力（P）指各驅動力因子對基本農田生態環境的需求和作用(如糧食安全對耕地質量的需求, 城市化的發展對耕地的占用)。狀態（S）是指基本農田生態系統中各組成部分的基本情況，反映基本農田的生態現狀條件(如基本農田生態系統中的有效灌溉面積、土壤有機質含量、田面坡度等，狀態指數與生態系統相對的生態健康狀況成正比)。影響（I）是指基本農田生態系統原有“狀態”在壓力作用下的負向演化(如基本農田生態系統中生物多樣性減少等)。響應（R）是指人類在感知驅動力、壓力、狀態或影響對基本農田產生的負面影響后，對生態系統采取的補救措施,如生態環境的恢復與重建或法律體系的修正完善。因此可以借鑒DPSIR模型將社會經濟驅動力、基本農田利用壓力、基本農田狀態、環境影響和社會響應歸納為各種指標，以評價基本農田的生態安全情況[2]（圖1）。

1.3.2 評價指標體系的構建

選出羅定市的基本農田,以地塊作為最小評價單元，基于DPSIR模型并結合羅定市的實際情況，以生態安全指數為目標層；驅動力、壓力、狀態、影響、響應為因子層；參考相關文獻并結合研究地基本農田的具體情況，選擇較有代表性的20項生態安全因子作為指標層,并將各個指標因子標準化，利用層次分析法確定各指標權重系數。文中借助層次分析軟件YAAHP，對各指標權重賦值，結果顯示一致性比例均小于0.005，通過一致性檢驗。并以分析結果咨詢有關專家，運用特爾菲法檢驗證明所得指標權重基本符合實際，最終建立羅定市基本農田生態安全評價指標體系（表1），描述研究區基本農田生態安全的狀態與水平。

圖1 DPSIR模式下的生態安全形成機制Fig.1 The formation mechanism of ecological security under DPSIR model

表1 生態安全評價指標體系Table 1 Ecological security evaluation index system

1.3.3 基本農田生態安全評價模型的構建

為保證各項參評因子之間具有可比性，消除各指標間由于不同單位、不同度量所產生的影響。在本文研究中采用極差標準化方法對各指標進行標準化處理。由于各項指標與生態安全指數之間存在正負影響關系，對于正向指標,采用公式（1）；負向指標,采用公式（2）。

人類活動和自然環境對生態系統的驅動力越大，對生態環境所產生的壓力也越大，這往往不利于生態安全狀況。在DPSIR模型中，驅動力 、壓力和影響這三個因子往往對生態系統產生較多壓力，因此與生態安全指數呈負相關。而區域內生態環境的狀態、響應因子往往與該系統本身的生態安全指數呈正相關（如森林覆蓋率較高的區域生態安全程度往往較高；人類在生態環境惡化后所作的修復和補救工作往往有利于區域的生態安全情況）。

式中：xi為評價因子實測值；xmax為評價因子實測最大值；xmin為評價因子實測最小值；xj為標準化之后的指標值。

由于耕地生態安全情況是由驅動力、壓力、狀態、影響及響應因子共同作用影響的，所以本文采用多標準評價（multi-criteria evaluation, MCE）方法中的常用模型──線性加權求和模型公式（3），進行生態安全指數模型的計算：

其中Xi是指標量化后的值；WI為指標的權重,表示各指標對生態安全指數的主要因子的相對重要性。

基本農田生態安全評價在我國尚處于探索階段，還未形成統一的標準。由于各地基本農田的生態差異較大，需要因地制宜。根據計算結果，結合國內外相關生態安全等級劃分方法，采用自然間斷點分級法將羅定市生態安全指數（ESI）劃分為以下四個等級，ESI＜0.55屬生態不安全的I級，ESI在0.55-0.65之間屬生態欠安全的II級，ESI在0.65-0.70之間屬生態較安全的III級，ESI＞0.70屬生態安全的IV級，以此表示不同級別的生態安全水平。此外，由于行政區劃的調整，原飛馬林場圖斑的經濟社會屬性值缺失，故取周邊鎮的均值賦值，得到評價結果。

2 結果與分析

2.1 各鎮生態安全情況分析

2.1.1 各鎮生態安全因子分析

為詳細分析羅定市生態安全因子的地域分異特征和生態安全指數的時空分布特征，以羅定市羅城街道、素龍街道、附城街道、雙東街道、羅鏡鎮、太平鎮等21個鎮（街道）鎮街道為評價對象，根據上節建立的生態安全評價模型以及驅動力、壓力、狀態、影響、響應因子的計算方法，分析各鎮街道的生態安全因子與生態安全指數情況。羅定市驅動力因子值的平均值最高，為0.171，而響應因子值的平均值最低，為0.062，其主要原因在于近年來隨著羅定市的經濟發展以及城鎮化進程的不斷推進，各行業對于土地的需求量不斷增加，不同程度上都驅動著環境改變。然而，地方政府對于耕地資源保護政策的落實力度相對較低，對于生產及生活污染廢棄物的處理力度有待加強，需要進一步提供政策支持、追投資金、引進人才及高新技術以加強對羅定市耕地的保護力度，提高其環境污染處理能力，推進羅定市生態文明建設的全面開展。羅定市的壓力因子、狀態因子及影響因子的平均值分別為0.160、0.086、0.138，其中壓力因子值最高，狀態因子值最低。其主要原因在于幾年來隨著羅定市人口的不斷增長及城鎮化率的不斷提高，人們對于糧食、住房、基礎設施等的要求越來越高，為提高糧食產量，耕地的農藥化肥施用量有所增加，土地墾殖率、建設用地開發強度也在不斷提升，這都直接導致羅定市后備耕地資源的數量尤其是優質耕地的數量不斷降低，耕地有機質含量等質量指標的下降。

（1）驅動因子

除羅城街道、素龍街道、附城街道、雙東街道外，羅定市其余各鎮的驅動力因子值分布相對較均一，其中附城街道的驅動力因子值最低為0.062，生江鎮的驅動力因子值最高為0.237。這是由于生江鎮的人口自然增長率最高，而城鎮化率水平較低，因而由于農業發展、城鎮化工業化發展而產生的驅動力相對較大。而附城街道由于本身的城鎮化水平相對較高，人口增長率相對較低，因此其農業、工業等產業產生的驅動力相對較低。

（2）壓力因子

羅定市的壓力因子主要來自于城鎮化發展對于耕地的占用，其中龍灣鎮的壓力因子值最大，為0.219；素龍街道的壓力因子值最小，為0.076。這主要是由于龍灣鎮的土地墾殖率較高，耕地后備資源尤其是優質耕地資源不足，為保證區域糧食安全，農藥化肥的大量施用使得其耕地生態環境的壓力因子值相對較高。素龍街道的土地墾殖率最低，農藥化肥的施用量較低，因此其耕地生態環境的壓力因子值相對較低。

（3）狀態因子

羅定市各鎮街道的狀態因子值分布相對均一，平均值為0.086，說明各鎮街道耕地生態環境的背景值相對一致。羅平鎮的狀態因子值最高為0.124，羅城街道的狀態因子值最低為0.047。羅城街道的森林覆蓋率相對較低，由于其本身耕地面積較少尤其是有效灌溉面積，土壤有機質含量水平較低，因此其狀態因子最低。

（4）影響因子

羅定市各鎮街道的影響因子值差異相對較大，其中羅城街道的影響因子值最低為0.014，船步鎮的影響因子值最高為0.219。羅城街道耕地數量少、質量情況較低，景觀破碎化程度較高，因此其影響因子值較低；而船步鎮耕地數量基本保持不變，質量較高，耕地連片性程度高，因此其影響因子值較高。

除素龍街道及羅平鎮以外，羅定市各鎮街道的耕地生態環境的響應因子值總體偏低，這表明地方政府對耕地生態環境的修復及補救政策還需要進一步完善。素龍街道的響應因子值最高為0.125，主要由于地方政府在素龍街道劃定的基本農田保護區面積較大，農業機械化程度較高；在環境污染的修復工作中，素龍街道的環境污染治理資金較多，污水處理率水平較高（圖2）。

2.1.2 各鎮生態安全等級分析

羅定市總體生態安全指數中等，大多分布在欠安全和較安全等級，不安全和安全等級分布較少（圖3）。

圖2 羅定市各鎮生態安全因子值Fig.2 Value of each ecological safety factor in Luoding city

圖3 羅定市各鎮（街道）生態安全指數Fig.3 Index of each ecological security in Luoding city

其中生態不安全的有附城街道、羅城街道和雙東街道，羅城街道生態最不安全，生態安全指數為0.336。生態欠安全的有泗綸鎮、連州鎮、金雞鎮、分界鎮、羅鏡鎮、 濱鎮、龍灣鎮、黎少鎮、華石鎮、蘋塘鎮、素龍街道，其中龍灣鎮的生態安全指數最低為0.583，而蘋塘鎮的生態安全指數較高為0.649；生態較安全的有加益鎮、生江鎮、太平鎮、圍底鎮、朗塘鎮和船步鎮，其中太平鎮的生態安全指數最低為0.670，生江鎮的生態安全指數最低為0.693；生態安全的有羅平鎮，生態安全指數為0.731（圖4）。

圖4 羅定市各鎮生態安全等級分布圖Fig.4 Distribution of each ecological security level in Luoding city

2.2 各地類（水田、旱地、水澆地）生態安全等級分析

羅定市耕地總面積為45988.02hm2，其中旱地18053.77hm2，占總面積的39.3%，水田27923.75hm2，占總面積的60.7%。其中素龍街道耕地總面積最多為4055.53hm2，水田面積為2939.75hm2，居全市首位。但是由于素龍街道的城鎮化率較高，建設用地的開發強度大，耕地后備資源不足、農藥化肥的施用量過高等問題，因此素龍街道屬于生態較安全。黎少鎮、泗綸鎮的旱地面積較高，分別為1880.78hm2和1706.99hm2；羅平鎮、太平鎮和羅鏡鎮的水田面積較高，分別為2755.48hm2、1923.41hm2和1923.92hm2。除太平鎮屬于生態較安全外，以上各地均為生態欠安全地區，這說明生態安全等級與鎮街道內的耕地數量并無絕對相關性。

2.3 耕地質量（自然、利用、經濟）等別生態安全分析

羅定市耕地自然質量平均等為4.09，3等地面積最多為11671.5hm2，占總面積的25.41%，8等地面積最少為104.32hm2，占總面積的0.23%。其中附城街道的耕地自然質量平均等別最差為5.05，以4等耕地為主；羅平鎮的耕地自然質量平均等別最好為3.16，以2等、3等耕地為主。附城街道的生態安全指數較低為0.44，屬于生態不安全；而羅平鎮的 生態安全指數最高為0.73，屬于生態安全。

羅定市耕地利用質量平均等為5.43，以3等、4等耕地居多分別為11248.49hm2、10388.68hm2，占總面積的47.1%；6等地面積最少為814.31hm2，占總面積的1.77%。其中泗綸鎮的耕地利用質量平均等別最差為7.05，以5等、10等耕地為主，分別為1005.06hm2、966.62hm2；素龍街道的耕地利用質量平均等別最好為4.12，以3等耕地為主，面積達2488.08hm2。但是，泗綸鎮的生態安全指數較高為0.64，而素龍街道的生態安全指數較低為0.60，兩者均屬于生態欠安全。

羅定市耕地經濟質量平均等為6.43，以5等耕地居多，為13614.15hm2，占總面積的29.64%；3等地面積最少為1195.05hm2，占總面積的2.60%。其中泗綸鎮的耕地經濟質量平均等別最差為8.25，以10等耕地為主，面積為1704.4hm2；素龍街道的耕地經濟質量平均等別最好為4.92，以4等耕地為主，面積為2219.19hm2。但是，泗綸鎮的生態安全指數較高為0.64，而素龍街道的生態安全指數較低為0.60，兩者均屬于生態欠安全。

綜上，耕地自然質量等別與生態安全等別有存在一定的正相關聯系，而耕地利用質量等別及耕地經濟質量等別與生態安全等別等別不存在明顯的正相關聯系。

2.4 生態安全空間聚集分析

Moran’s I空間自相關分析Z值得分為正值0.7257，在[-1.65,1.65]之間，生態安全指數在空間上表現為獨立隨機分布。羅定市各鎮街道生態安全指數的全局Moran’s I指數為正值I=0.0770，對應的標準化統計量Z=0.7257，在正態分布的假設下顯著性水平P值為0.468，未通過一致性檢驗，在隨機分布假設下，Moran’s I期望值與方差值分別為-0.05和0.0306。說明從整體看，羅定市各鎮街道生態安全指數不存在空間自相關性。

鎮街道對應的局部Moran’I指數以及對應的統計值Z都為負的鎮街道，顯著性水平沒有通過檢驗，其在空間分布上呈現一定的隨機性。由圖5可知，羅定市各鎮街道的生態安全指數之間并沒有顯著的空間關聯。

圖5 羅定市各鎮（街道）空間自相關分析Fig.5 Spatial autocorrelation report in Luoding city

3 結論

3.1 羅定市耕地生態安全狀況

從羅定市生態安全分析中可以得出以下結論：（1）全市總體的生態安全水平較高，但是各鎮街道的生態安全指數差異較大，其中羅城街道生態最不安全，生態安全指數為0.336，生態安全的有羅平鎮，生態安全指數為0.731；（2）羅定市耕地生態安全等級在空間分布上呈現出北部低、南部高，西部低、東部高的趨勢；（3）從耕地的數量質量情況分析，耕地的絕對數量及地類構成（水田、水澆地、旱地）不直接影響耕地的生態安全程度；耕地的自然質量等別與其生態安全指數有較大的正相關性，但耕地的利用質量等別、經濟質量等別與耕地的生態安全指數并無較大關聯性；（4）在Moran’s I空間自相關分析中發現，各鎮街道的生態安全指數之間并無顯著的空間關聯。其原因可以歸結為以下幾個方面：

（1）羅定市自然資源地域性分布特征明顯，自然災害頻發是各鎮街道生態安全差異較大，生態安全水平低的原因。羅定市西部、西北部為云開大山山地，東部及南部部分為云霧山山地，中部、東北部和南部為盆地，氣流受南部以及西部的大山阻隔，年降水量為廣東省最少，強降水條件下山洪和山體滑坡等地質災害頻發，臺風、泥石流等自然災害也直接影響羅定市的生態安全；金雞鎮、蘋塘鎮的石灰石礦產豐富，是優質的建筑材料，利于工業的發展，卻不利于農業生產，直接影響地區的耕地生態安全。

（2）人、地、經濟發展水平不均衡、各鎮街道政策規劃的差異是導致羅定市各鎮街道生態安全指數差異較大，無顯著的空間聚集性的原因。例如：城鎮化率較高的素龍街道總人口達12萬人，耕地面積6萬畝（合4000hm2），居全市首位，工業總產值113541萬元；附城街道總人口6.6萬人，耕地面積3.6萬畝（合2400hm2），但2016年工業總產值457499萬元，居全市首位；此外各鎮街道的發展規劃存在較大差異，實施的生態退耕、農業結構調整、農田水利基礎設施建設工程也存在不同。

（3）近年來，羅定市經濟發展及城鎮化給耕地生態環境帶來了極大壓力，相比于二、三產業的快速增長，羅定市農業發展較為緩慢，與2015年相比，2016年的可比價增長僅為0.3%。為保證耕地總量不變，往往補充質量較差的耕地，為提高產量而大量投入的農藥化肥，不合理的開發活動、人們對于耕地的過度使用以及對于自然資源的污染浪費都是影響其生態環境安全的重要因素。因此盡管耕地數量基本保持，但耕地的生態安全情況卻不容樂觀。

3.2 保護建議

（1）羅定市各鎮街道在耕地數量、質量及生態上的差異，決定了必須指定有針對性的耕地安全戰略，可以依據其經濟發展特點等采取功能分區的方法進行引導和管制，劃分耕地重點保護區、耕地限制利用區、耕地禁止開發區等。采取分區的保護管理政策，給予不同耕地分區不同的激勵和保護政策。

（2）嚴格執行耕地占補平衡政策，實現耕地數量、質量、生態的全面平衡，建立農地異地代補機制，嚴格保護耕地；完善耕地占用補償機制，提高征地補償標準，建立和完善耕地保護的社會補償和生態補償機制，保障被征地農民的合法權益。

（3）促進土地的節約集約利用，制定與完善土地集約評價指標體系、各類建設用地標準與準入機制，盤活存量，推動城市更新，提高土地資源利用率，減少非農業建設對于耕地資源的占用。充分認識到各鎮街道耕地的地域景觀特征和價值，構建耕地景觀生態安全評價模型，加強耕地尤其是水田的多功能性研究，不斷提升其景觀生態服務功能。

4 討論

本文基于DPSIR概念模型，從自然、經濟、人口、社會4個方面選取驅動力、壓力、狀態、影響、響應因子，29個指標，建立耕地生態安全評價指標體系，借助GIS技術，構建了適宜羅定市基本農田生態安全的定量評價模型，并借助GIS技術對生態安全評價結果的等級空間特征進行制圖，客觀表達了羅定市基本農田生態安全指數的時空分布現狀。整套方法和流程將DPSIR模型引入到地區性基本農田生態安全的評價中，為基本農田的生態安全評價引入新思路，其評價結果也將為羅定市土地管理政策的制定及維護區域生態安全提供支撐。但文章仍存在以下需要改進之處：一是各指標選取及權重的確定主要通過專家經驗和知識進行判斷，存在主觀性；二是可用的數據精度較低，如相關社會經濟數據無法精確至村甚至地塊，導致評價結果較為粗略；三是應進一步深入研究生態安全評價指數的分級標準，以確保等級劃分的科學性。