四川省耕地生態安全的時空格局及生態阻力分析

李 政，何 偉，吳冬林，劉晉希

(四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室/四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610068)

耕地資源屬于寶貴的自然資源，是人類的生存之本，具有生產、環保、空間承載等功能，經人類長期的經營與開發，耕地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］。21世紀以來，伴隨著工農業現代化以及城市化進程的加快，耕地利用等生態問題逐漸凸顯。一方面建設用地快速擴張導致耕地稀缺性增強;另一方面為追求糧食高產而大量施用化肥和農藥導致土壤污染嚴重，這些都對我國耕地資源的保護與糧食安全的保障提出了巨大的挑戰，引起政府部門與學者的廣泛關注［2－3］。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，是保障區域經濟可持續發展、協調人地關系的必要前提。

國外學者在耕地生態安全評價方面，成果頗豐，其中與可持續利用相結合的研究占絕大部分。Rasul等將生態與社會經濟相結合，分析了孟加拉國耕地的可持續利用［4］;Beesley等將耕地可持續利用與生態安全相結合進行了系統的研究［5］。我國對耕地的生態安全研究也不乏亮點，鄭華偉等在進行四川省耕地生態安全診斷時，將壓力 －狀態 －響應(pressure－state－response，簡稱PSR)模型與集對分析相結合，從整體與局部剖析耕地生態安全的內在關系［6］。張銳等在評價我國耕地生態安全狀況時注重方法創新，將PSR模型與物元分析法相結合［7］?？傮w來看，耕地生態安全評價目前還處于初級階段，定性分析較多，定量分析較少;理論支撐不夠;指標多集中于資源、環境狀況，而人類活動、社會經濟因素往往被忽視。本研究將四川省21個市(州)作為研究對象，構建基于PSR模型的耕地生態評價指標體系，運用耕地生態安全動態指數模型、綜合指數法、ArcGIS 10.2軟件平臺地理信息系統(geographic information system或，簡稱GIS)空間分析模塊對2004—2014年四川省耕地生態安全進行時間與空間格局的分析，并運用生態阻力模型對影響四川省以及各地區的阻力因子進行分析。旨在響應國家“藏糧于地、藏糧于技”的口號，為四川省耕地資源的合理利用與可持續發展以及生態安全提供參考和理論依據。

1 研究地區概況、技術路線、數據來源

1.1 研究區概況

四川省地處西南腹地，位于 97°21'～108°31'E，26°03'～34°19'N，東臨重慶市，西達西藏自治區，北接陜西、甘肅、青海等省，南抵貴州、云南等地區，地域面積約為48.5萬km2，位列全國第5，總人口約8 800萬人，位列全國第4，是西部第一大省。地勢西高東低，地形類型多樣，中部東部以平原、丘陵為主，西部以山地和高原為主。盆地中廣布著有機質含量較高的紫色土。氣候以亞熱帶季風氣候為主，夏季高溫多雨，冬季溫暖濕潤，適宜居住，可以種植多種作物。如此優越的地理條件使得四川省成為我國重要的農業經濟區，糧食、油料、棉花等農作物產量高居全國前列。近年來，隨著城市化進程的加快，建設用地的急劇增加與耕地的不斷減少，以及土壤污染加劇導致耕地生態安全受到了極大的沖擊，亟待改善。

1.2 技術路線

在熟悉耕地生態安全概念、理論以及國內外研究動態，對比相關研究方法的基礎上，梳理論文研究思路并確定評價方法，本研究主要分為3個部分:數據的搜集與處理、評價模型的建立與耕地生態安全等級的劃分、時空序列與生態阻力分析，具體技術路線如圖1所示。

1.3 數據來源

本研究數據主要參考《四川省統計年鑒》(2004—2014年)、四川省各地區的統計年鑒、國民經濟、社會發展統計公報(2004—2014年)以及四川省農業部門、國土部門、氣象部門的相關資料等。

2 研究方法

2.1 PSR評價體系的構建與指標的選取

PSR模型是由經濟合作與發展組織(organization for economic co－operation and development，簡稱 OECD)、聯合國環境規劃署(united nations environment programme，簡稱UNEP)共同提出的一種測度環境狀況的評價框架，揭示了環境保護的“作用－反饋－作用”的循環機制，體現了過程與結果之間的互動關系，被廣泛運用于土地質量、生態安全評價等方面［8］。對于四川省耕地生態評價而言，由于人口不斷增長、城市化進程加快、化肥農藥大量使用，導致耕地生態系統承受了巨大的壓力;在此情況下，耕地生態系統本身的結構和功能呈現出一定的狀態;人們為了改變目前耕地的狀況做出了一定的響應，采取了一系列的措施，使之朝著可持續的方向發展［9］。

耕地生態安全是指耕地資源生態系統能夠基本保持自身正常功能運轉、滿足社會經濟可持續發展的需要［10］。本研究在PSR模型的評價框架指導下，遵從指標選取的科學性、系統性、可操作性等原則，結合四川省的實際情況，以及數據的可獲得性共選取了17個正項指標，7個負向指標，共24個評價指標，構建四川省耕地生態評價指標體系，具體情況如表1所示。

2.2 評價方法

2.2.1 評價指標的標準化 為了使各指標之間具有可比性，本研究運用最大離差法對數據進行標準化處理，以消除不同量綱的影響。

(1)正向指標計算公式:

式中:xij、Xij分別為標準化前、標準化后的值;xjmax、xjmin分別為第j項指標的最大值、最小值;m、n為系統包含的指標數。

2.2.2 評價指標權重的確定 目前確定指標權重的方法有很多，例如 Delphi法、層次分析法(the analytic hierarchy process，簡稱AHP法)、熵值法等，本研究為了消除人為因素的影響，使權重的確定更具有客觀性與科學性，因此采用熵值法確定評價指標的權重，其具體步驟如下:

(1)計算i地第j項指標值的比值:

(2)負向指標計算公式:

(2)計算指標的信息熵:

式中:k ＞0，k=1/ln(n);ej≥0。

(3)計算第j項指標的差異性系數:

式中:dj為差異性系數。

(4)計算權重:

表1 耕地生態安全評價指標

2.2.3 耕地生態安全指數的計算 本研究采用更為直接的綜合指數法對四川省以及21個市(州)耕地生態進行評價。其公式為

式中:F為耕地生態安全綜合指數;wi為第i子系統的權重;Xij為標準值。F越趨近于1，表示耕地生態越安全。

2.2.4 耕地生態安全等級動態模型 為了更好地分析耕地生態安全類型對區域生態安全的影響，本研究運用耕地生態安全動態等級模型來描述耕地生態安全等級的變化速度，從而提出可行性的措施［11］。公式如下:

式中:V為2個時間段內耕地生態安全等級動態;Ua、Ub分別為研究初期、末期某種耕地生態安全等級的數量;T為研究時間［12］。

2.2.5 耕地生態安全阻力值計算 為了有效改善耕地的環境質量，提高其生態安全水平，有必要對單項和分類指標的阻力進行診斷，找出阻礙因子，阻力值計算采用阻力診斷模型［13］，其公式為

式中:Zj為阻力值;pij=1－Xij;Xij為單項指標的標準化值;wij為單項指標的標準的權重;wj為評價指標的總權重［14］。

3 耕地生態安全評價標準的確定

不同的研究對象，其評價的結果通常以級別的方式體現。在計算出耕地生態安全綜合指數(F)后，參照王燕輝等的研究成果［15］，結合四川省當地的實際情況，根據相關標準對評價結果進行分級，最終將其分為5個等級:風險級、敏感級、臨界安全級、一般安全級、比較安全級，具體分級情況見表2。

表2 耕地生態安全分級和系統標準

4 四川省耕地生態安全時空演變特征分析

4.1 耕地生態安全時間序列分析

在構建基于PSR模型耕地生態評價指標體系的基礎上，經過最大離差法對數據進行標準化處理，消除不同量綱的影響后，運用綜合指數法計算得到四川省2004年、2009年、2014年的耕地生態安全綜合值與各子系統的生態安全指數值。

4.1.1 各子系統分析

4.1.1.1 耕地壓力系統 由圖2可知，研究期間，壓力指數先增后減，呈現波動下降的趨勢。2004—2009年壓力指數由0.492上升到0.627;2009—2014年壓力指數由0.627下降到0.332。表明四川省耕地所面臨的壓力在先減小后加增大，自2009年以來，隨著四川省人口的增加、單位耕地化肥負荷的加大，特別是污水的大量排放，農田生態系統受到一定程度的污染和破壞，耕地壓力隨即上升。

4.1.1.2 耕地狀態系統 由圖2可知，狀態指數呈“V”字形的變化趨勢，由2004年的0.586下降到2009年的0.279再上升到2014年的0.493。2004—2009年為下降時期，該時期四川省自然災害頻發，特別是2008年汶川大地震對四川省的自然、社會經濟環境造成了巨大的破壞，使得部分地區耕地生態系統短時間內難以恢復，糧食單產下降。同時由于這一時期四川省大力發展經濟，忽視了對環境的保護，導致污水未經處理而大量排放，污水處理率下降到最低點，僅為67.47%。在2009年之后，耕地狀態開始有所好轉，該時期政府加強對農村的投資，農田基本設施逐步完善，以及企業重視環境的保護，使得狀態指數逐年提升。

4.1.1.3 耕地響應系統 由圖2可知，響應指數呈持續上漲的趨勢，2 個時間段分別上漲 0.101、0.584，因此 2004—2009年為上升期，2009—2014年為快速上升期。這與該時期四川省大力發展國民經濟、增加農業的投入、加強農田水利設施建設、注重發展教育培養高科技人才、完善社會保障制度、積極治理被污染的耕地、推行土地的集約利用政策等密不可分，全面帶動了四川省耕地生態安全響應機制的發展。在多種響應措施下，四川省人均GDP由7 771.57元上升到32 937.48元，農村居民人均純收入約增長6 223元，人民生活水平逐年提高。

4.1.2 耕地生態安全綜合評價 由圖2可知，耕地生態安全綜合指數呈“V”字形的變化趨勢，安全等級經歷了一般安全級－臨界安全級－比較安全級的過程，呈現出好轉的趨勢。綜合指數由2004年的0.43下降到2009年的0.40再上升到2014年的0.57，出現波動的原因在于2004年以來，伴隨著城市化進程加快、城市人口增加、一些因人類不良活動(如化肥的大量使用、污水的大量排放、農藥的大量)等所帶來的環境問題，加之2008年汶川地震和一些自然災害對生態與社會系統的破壞，導致了耕地生態系統的嚴重受損。在此以后，政府加大對農業、農村、教育的投入，同時將經濟發展與環境相協調，一定程度上促進了生態環境的好轉。四川省耕地生態安全水平提升速度緩慢，2004—2014年期間共增長了0.14，剛好達到比較安全的等級，但仍有較大的提升空間，這就須要繼續加大對耕地生態的保護力度。

4.1.3 變化速度特征 由表3可知，高水平安全等級數量以相對較高的變化速度在增加，中水平安全等級的數量以相對較高的速度在減少，低水平安全等級數量基本保持不變，四川省耕地生態總體水平在逐年提高。2004—2009年，四川省耕地生態安全等級動態中，敏感級以20%的年速度快速增長，一般安全級以12%的年增長速度緊隨其后，比較安全級則以13.3%的年速度減少;2009—2014年，比較安全級則以40%的年速度增長，臨界安全級以20%的速度在減少。

表3 2004—2014年四川省耕地生態安全等級動態變化率

4.2 四川省耕地生態安全的空間演變特征

4.2.1 空間類型的演變 在2004—2014年間選取2004年、2009年、2014年作為關鍵的時間點來研究耕地生態安全的空間演變特征。由表4可知，全省耕地生態安全總體水平在逐年提升。2004年、2009年臨界安全級的地區數量占比較大，均在50%左右;比較安全級和臨界安全級的地區數量在遞減;一般安全級、敏感級的地區數量在遞增;沒有出現風險級地區。2009—2014年，比較安全級和一般安全級的地區數量在增加，其中一般安全級增幅較大，增加到52.4%;臨界安全級的地區數量則減少了5個;敏感級、風險級的地區數量則沒有變化。

表4 2004—2014年四川省耕地生態安全等級空間類型的演變

4.2.2 空間格局的演變 運用 ArcGIS 10.2中的空間分析工具，對四川省2004年、2009年、2014年這3年的地區耕地生態安全等級進行分析，得到其空間分布圖。由圖3可知，研究期間，四川省耕地生態安全水平空間分布格局差異明顯，敏感級主要分布在四川省西部的阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州，一般安全級和比較安全級多分布在四川盆地的中部平原與東部的低山丘陵地帶，臨界安全級呈環狀分布于四川盆地的邊緣地區。耕地生態安全水平自盆地中部向周邊地區遞減。2004年，四川省耕地生態評價水平空間分布格局大致呈環狀，自內向外依次為比較安全級、一般安全級、臨界安全級，敏感級分布在川西高原。2009年，敏感級向東部延伸，四川省東北部地區出現了一般安全級，比較安全級范圍在縮小，總體變化不大。2014年，環狀分布的格局被打破，耕地生態安全水平呈片狀分布，西部和西北部依然是敏感級分布區，中部平原為比較安全級，臨界安全級分布在四川省南部和四川省東北部，一般安全級則向東突圍，占據了大片低山丘陵地區，面積大增。表明近年來，四川省耕地保護措施與環境治理措施有一定成效，耕地生態水平得到進一步提升。

4.2.3 空間自相關分析 運用Geoda 10.0軟件的全局空間自相關功能求出四川省耕地生態安全綜合指數的Moran's I指數，從而判斷其空間集聚程度。2004年、2009年、2014年生態安全綜合指數的 Moran's I值分別為 0.118 560、0.071 655、0.128 075。說明2014年空間集聚格局分布最為明顯，2004年相對明顯，2009年最不明顯。通過Moran散點圖能夠清楚地定性各區域與周邊區域某地理現象或某一屬性值的相互關系。Moran散點圖4個象限中的屬性值分別代表不同的關聯性，HH為高－高空間關聯區，LH為低－高空間關聯區，LL為低－低空間關聯區，HL為高－低空間關聯區。其中，落入HH、LL象限的屬性值存在較強的空間正相關，具有均質性;落入LH、HL象限的屬性值則存在較強的空間負相關，具有異質性。由圖4可知，2004年耕地生態安全綜合指數位于HH、LL象限的地區數量達樣本總數的66.6%，位于LH、HL象限的占33.4%，存在較強正相關的地區主要分布在成都市、綿陽市、樂山市、眉山市、資陽市以及四川省東北部和東南部的部分市域。2009年耕地生態安全綜合指數位于HH和LL、LH和HL的地區數量分別占52.4%、47.6%，存在較強正相關的地區主要分布在四川省中部的成都市、綿陽市、樂山市、德陽市以及四川省東北部的南充市、巴中市和四川省西部地區。2014年耕地生態安全綜合指數位于HH和LL、LH和HL的地區數量分別占66.7%、33.3%，存在較強正相關的地區主要分布在四川省中部的成都市、綿陽市、德陽市，以及四川省東北部、東南部的部分市域。綜上所述，2004—2014年四川省耕地生態安全在省域內具有較強的空間相關性，空間集聚格局明顯，存在較強正相關的地區主要分布在成都平原及平原偏東地區，存在較強負相關的地區主要分布在內江市、遂寧市、阿壩藏族羌族自治州、涼山彝族自治州等地區。

5 四川省及其各地區耕地安全阻力分析

5.1 四川省耕地生態安全阻力分析

為提高耕地生態安全水平，有必要找出影響它的主要因素，本研究通過阻力診斷模型計算得到四川省耕地生態安全的阻力因子，再根據阻力值的大小選取排名前6的主要阻力因子作為分析對象。由表5可知，污水排放量、單位耕地化肥負荷、人均糧食占有量、耕地減少率、旱地占比、有效灌溉面積占比等是影響耕地生態安全的主要因子，占據主導作用。近年來，四川省人口增加、城市化進程加快，一方面大量耕地被占用，導致耕地面積逐年減少，糧食減產，人均糧食占有量減少，在糧食需求的巨大壓力下人們為追求耕地的高產出而大量使用化肥、農藥，對耕地生態環境造成了巨大的壓力;另一方面，工業廢水未經完全處理而大量排放，導致耕地污染嚴重。這一系列的惡性循環成為重要的限制因素。農村居民人均純收入、糧食單產、耕地產出率、農村投資強度等是影響耕地生態安全的不穩定因子，僅出現在2004年前后。該時期經濟發展水平相對較低，政府投入不足，導致農田水利設施落后，農業發展緩慢，耕地產出與糧食單產下降，但隨著科技的進步、政府部門投入的加大，這些因素之后并沒有成為阻礙耕地生態安全的主要阻力因子。

表5 四川省耕地生態安全的阻力因子排序及阻力值

2個時期的主要阻力因子變化趨勢具有明顯的差異。2004—2009年，僅有有效灌溉面積比沒有變化，其余的因子各不相同;2009—2014年，污水排放量、人均糧食占有量、旱地占比、耕地減少率均無變化，僅少量因子出現變化。這說明，隨著社會經濟的發展，一些原本是主要阻力的因子逐步得到改善，但仍然有一些因子沒有得到解決，這些因子是制約目前生態安全水平提高的主要阻力，也是今后亟待解決的中心問題。因此，要改善耕地生態安全水平，須要從提高人均糧食占有量、改進農業耕作的技術和方法、加大農業水利設施建設、合理分配水田和旱地的占比、減少工業廢水的排放等方面進行實施。

5.2 不同地區阻力因素的差異

通過分析四川省耕地生態安全的阻力，得到影響各地區生態安全前6位的阻力因子(表6)。對各地區3年的阻力因子進行對比分析，不僅能夠得到每年主要的阻力因子，還能提取出各地區一直都存在的主要阻力因子，為進一步改善耕地生態環境政策的調整提供了重要依據。由表6可知，大部分地區主要阻力因子相同。自貢市、綿陽市、廣元市、遂寧市、內江市、樂山市、眉山市、宜賓市、南充市、廣安市、達州市、資陽市、涼山彝族自治州、巴中市、甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州等的耕地生態安全阻力因子主要有農電集約度(C18)、單位耕地農業機械動力(C19)、人均GDP(C20)等，表明這些市、州須要提高經濟發展水平，增加人民的收入，同時須要大力發展農業機械。

極少數地區的主要阻力因子不同，例如成都市、瀘州市等。成都市的耕地生態安全阻力因子主要有單位耕地農業機械動力(C19)、農村投資強度(C22)、人均糧食占有量(C12)等，表明成都市須要加強農業投入，改進農業耕作的技術與方法從而提高糧食產量;瀘州市的耕地生態安全阻力因子主要有城市人口比例(C3)、人均GDP(C20)、單位耕地農業機械總動力(C19)等，表明瀘州市須要在挖掘和利用耕地資源的基礎上提高農業機械化水平。

不同時期的主要阻力因子變化不大。通過對比分析四川省21個地區2004—2009年、2009—2014年2個時期耕地生態主要的阻力因子，可以發現影響各地區的生態安全阻力因子具有穩定性，即不同時間段各地區的主要阻力因子中存在諸多因子是沒有變化的。這表明各地區在耕地生態的治理中，主要問題沒有得到很好地解決，這是制約耕地生態水平的關鍵。因此，只有因地制宜地解決好各地區的主要生態阻力因子，才能促進四川省整體耕地生態水平的提高。

6 結論與討論

基于PSR模型，綜合考慮自然、社會、人類活動因素，建立了以24個指標為基礎的耕地生態安全評價體系。在時間尺度上，2004—2014年四川省耕地生態安全壓力指數先上升后降低，狀態和響應指數先降低后上升，綜合指數呈現“V”字形趨勢，表明在壓力和狀態的影響下，四川省積極采取應對措施，使得耕地生態安全有所好轉。在研究區域內，高水平安全等級的地區數量以相對較高的變化速度在增加，中水平安全等級的地區數量以相對較高的速度在減少，低水平安全等級的地區數量基本保持不變，表明四川省耕地生態水平逐年提高。在空間尺度上，四川省耕地生態安全空間分布格局由環狀向片狀變化，其中一般安全級向川東地區延伸，且地區數量增長最多。耕地生態安全在省域內具有較強的空間相關性，空間集聚格局明顯。阻礙四川省耕地生態安全狀況改善的阻力因子主要包括單位耕地面積化肥負荷、旱地占比、有效灌溉面積占比、污水排放量、人均糧食占有量、耕地減少率等。就地區而言，主要的阻力因子因地域差異而不同，但也存在著共性，大部分地區的共同阻力因子包括農電集約度、單位耕地農業機械動力、城市人口比例、人均GDP等。因此，政府部門不僅要從全局出發還要依據各地區的個體差異制定出相應的解決措施，從而全面提升四川省的耕地生態安全水平。

表6 2004—2014年四川省耕地生態安全各地區排名前6的阻力因子

耕地生態安全問題是復雜的、系統的，科學全面地構建指標體系、選擇合理的方法是研究的基礎。由于數據的可獲得性、連續性以及研究方法自身的局限性等因素導致本研究并不完善。四川省作為我國重要的農業大省、人口大省以及西部第一大省，在保障國家糧食安全方面具有重要的戰略地位，因此，研究四川省耕地生態安全問題是當下和以后重要的使命。