基于熵權集對分析的西北地區耕地生態安全水平差異比較

劉 銳,李 濤

(1.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000；2.巢湖學院旅游管理學院，安徽 合肥 238000；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

耕地是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，對地球環境有非常重要的生態服務功能，經過人類長期干預，耕地生態系統逐漸演變為高度耦合的自然-社會-經濟-生態復合系統[1-2]。隨著耕地開發進程的深入，出現了耕地資源的數量降低、耕地的投入產出效率偏低和耕地周圍的生態環境惡化等一系列影響耕地生態安全的問題[3]。因此，科學準確地開展區域耕地生態安全評價，優化區域耕地生態安全的改善路徑，對于提高耕地利用效率、支撐經濟社會穩定發展、保護生態環境及實現區域可持續發展具有較高的理論意義和現實意義[4]。通過梳理已有相關文獻，耕地生態安全研究主要涉及如下方面：(1)從不同角度和不同尺度對耕地生態安全進行評價。張詳義[5]、吳大放[6]、聶艷[7]、郭榮中[8]等分別對河北省肥鄉縣、廣州市、湖北省、長株潭地區等進行了研究。(2)依據可持續發展理論，注重從多維度視角構建耕地生態安全評價指標體系。張詳義[5]、聶艷[7]等以自然、經濟、社會等要素分別對河北省肥鄉縣、湖北省耕地生態安全進行評價；賈書楠[9]、張銳[10]、李政[11]等分別基于能值理論、PSR模型、DPSIR模型構建耕地生態安全指標評價體系。(3)運用計量經濟方法定量化反映耕地生態安全狀態，形成較為系統的耕地生態安全評價研究方法。主要包括量子遺傳投影尋蹤模型[7]、熵權物元模型[5]、改進生態足跡模型[12]、熵權TOPSIS法[11]、耗散結構理論[13]、集對分析法[14]等方法。(4)耕地生態安全影響因素與調控策略。國內學者對耕地生態安全影響因素的研究大多從單一視角出發，缺乏全面性和系統性，且注重理論分析，缺乏實證分析[15-16]。因此，以耕地生態安全作為耕地資源可持續利用研究的切入視角，對評價不同時空尺度和研究對象均具代表性。耕地生態安全研究是復雜、系統的科學問題，然而，耕地生態安全研究存在指標權重確定的主觀性和框架模型設置包容性不足等問題，需要進一步改進與完善。一方面，運用熵權法可以根據指標間的離散程度來確定權重，避免了權重確定的主觀性，在一定程度上改善和提高了評價的質量；另一方面，PSR概念模型從壓力、狀態、響應3個角度綜合測度不同系統對耕地生態系統的反應與響應結果并整合為耕地生態安全評價模型，可更加客觀、準確地反映西北地區耕地生態安全特征及形成過程。鑒于此，基于壓力—狀態—響應(PSR)模型，在構建耕地生態安全評價指標體系基礎上，運用熵權法和集對分析理論，建立耕地生態安全評價模型，對西北地區耕地生態安全水平和障礙因子進行差異比較分析，旨在為耕地生態安全評估提供一種新思路，也為西北地區合理利用耕地資源及保護生態安全提供理論和技術支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

中國西北地區屬溫帶大陸性氣候，為資源型缺水區，光熱資源豐富，干燥少雨，蒸發強烈，晝夜溫差大，植被覆蓋稀疏，主要以草原、荒漠為主。該區域位于大興安嶺以西，長城和昆侖山—阿爾金山—六盤水以北，介于31°32′～49°10′N，73°15′～111°15′E之間，包括青海省、甘肅省、陜西省、寧夏回族自治區和新疆維吾爾自治區，總面積達310萬km2，約占全國總面積的32.3%。西北地區由于所處地理位置特殊，不僅是全球氣候變化響應最敏感的地帶、生態環境變化最脆弱的地區[17]，也是我國耕地資源富集的地區。當前耕地已成為我國經濟社會發展的重要約束性稀缺資源，因此研究西北地區耕地生態安全對實現我國經濟社會的穩定發展具有重要實踐意義[3]。

1.2 數據來源

文中采用的數據主要來源于2003、2009和2017年的《中國農業統計年鑒》、《新疆統計年鑒》、《甘肅統計年鑒》、《寧夏統計年鑒》、《青海統計年鑒》和《陜西統計年鑒》等并整理計算得到。

2 研究方法

2.1 集對分析法

集對分析法是通過結合確定性和非確定性問題以進行同異反定量分析的方法[18]。本研究運用集對分析方法計算耕地生態安全指數，將具有緊密聯系的2個集合看成一個集對，通過引入同異反聯系度來分析集合之間的聯系程度，以便統一處理隨機、模糊、中介和信息不完全所致的不確定性[19]。具體公式表示如下：

μ=a+bi+cj

(1)

式中，μ表示2個集合之間的同異反聯系度，a、b、c分別表示同一度、差異度和對立度，且滿足歸一化條件a+b+c=1；i、j分別為差異度系數和對立度系數，i∈[-1,1]，j一般情況下取-1[20]。同一度和差異度主要用來描述集合之間的確定性關系，差異度主要用來描述其不確定性關系。

根據集對分析基本原理，設西北地區耕地生態安全評價指標體系為集合A，耕地生態安全評價等級為集合B。設Im代表要素層評價指標，Imq代表指標層評價指標，Imq的觀測值為tmq。評價等級為五級，有4個臨界值分別表示為amq1、amq2、amq3、amq4，從而可以建立指標層、要素層和目標層的耕地生態安全復雜系統評價的五元聯系數，并通過均分原則確定耕地生態安全等級[21-22]。具體步驟如下：

(1)指標層評價指標五元聯系數計算公式

耕地生態安全指標層評價指標Imq的五元聯系數為：

μmq=rmq1+rmq2i1+rmq3i2+rmq4i3+rmq5j

(2)

式中，rmql∈[0,1]是指標層指標Imq相對于評價等級Bl的聯系度分量；μmq為指標層指標Imq的五元聯系數，其計算公式如表1。

(2)要素層和目標層的五元聯系數計算公式

要素層綜合評價五元聯系數為：

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5j

(3)

(4)

式中，μm為要素層評價指標Im的五元聯系數；ωmq為要素層評價指標Im的權重；km為素層評價指標Im包含的指標層評價指標Imq的個數。

表1 指標層指標Imq的綜合評價五元聯系數計算公式

目標層綜合評價五元聯系數為：

μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(5)

(6)

式中，μ為目標層的五元聯系數；ωm為指標Im的權重；i1，i2，i3表示安全等級的不確定性差異度系數，j=-1，為對立度系數。總體評價聯系數隨著耕地生態安全狀況不斷好轉而不斷發展變化。

(3)耕地生態安全評價各級指標的五元聯系數主值

根據公式(6)，由于μ∈[-1,1]，按照“均分原則”，將[-1,1]區間4等分得4個子區間，當i1，i2，i3從左至右依次取i1=0.5，i2=0，i3=-0.5及j=-1時，可得五元聯系數主值的主值μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j。

(4)耕地生態安全的評價等級確定

根據“均分原則”，將[-1,1]區間分為5等分，分別為(0.6～1.0)、(0.2～0.6)、(-0.2～0.2)、(-0.6～-0.2)、(-1.0～-0.6)，該5個區間對應評價等級依次為“安全”、“較安全”、“臨界安全”、“較不安全”、“不安全”。將得出的μ值與各個等級對應的區間范圍進行對比，得到耕地生態安全評價等級，μ值越大，說明評價等級越高，耕地生態安全狀況越好[14，23-24]。

2.2 熵權法

2.3 障礙因素診斷

通過因子貢獻度、指標偏離度和障礙度三個指標診斷阻礙耕地生態安全的障礙因子及其影響程度大小。因子貢獻度(Yn)表示因子對總目標的貢獻度；指標偏離度(Pn)表示單項指標與最大目標之間的差距設為指標標準化值與1之間的差距；障礙度(an)表示指標n對耕地生態安全的影響[26]。其計算公式為：

(7)

(8)

3 結果與分析

3.1 評價模型構建

耕地生態安全是指一定時空尺度背景下，耕地生態系統為實現維持其正常功能結構和社會經濟可持續發展而應達到的一種狀態[27]。耕地生態安全評價的目標是全面掌握耕地生態安全狀況，揭示影響耕地生態安全的限制性因素，評估耕地生態安全水平，為耕地可持續利用提供科學依據。壓力(Pressure)—狀態(State)—響應(Response)模型是由聯合國OECD和UNEP共同提出，目前該模型被廣泛應用于人地關系、資源利用與可持續發展等研究領域[28]。本研究借鑒PSR概念模型作為耕地生態安全評價指標體系的基本框架，耕地生態安全評價指標體系框架由3個層次構成，即目標層、要素層和指標層。目標層反映耕地生態安全的總體態勢和總體效果，要素層是診斷生態系統的持續性、剖析人類活動與生態環境之間內在的因果關系，指標層是評價耕地生態安全水平的具體量度。依據耕地生態安全評價指標體系的基本框架，遵循科學性、主導性、區域性、可測度性和動態性等原則，在借鑒國內外現有研究成果的基礎上[5-10]，遴選基于PSR模型的耕地生態安全評價指標體系(表2)。各項評價指標及其涵義為：x1～x6為壓力指標，表征人口增長、經濟社會發展給耕地生態系統帶來一定的壓力。其中：x1人均耕地面積=耕地面積/總人口;x2單位耕地化肥負荷=化肥施用量/耕地面積；x3單位耕地農藥負荷=農藥施用量/耕地面積；x4土地墾殖率=耕地面積/土地面積；x5人口密度=總人口/土地面積；x6城市化水平=城鎮人口/總人口；x7～x11為狀態指標，表征人類不斷開發利用土地資源，通過人類活動向耕地生態系統排放污染，改變了耕地生態系統結構與功能。其中，x7森林覆蓋率=森林面積/土地面積；x8單位耕地農業機械化水平=農業機械總動力/耕地面積;x9災害指數=成災面積/農作物播種面積;x10單位耕地糧食產量糧食總產量/耕地面積;x11人均水資源量=水資源總量/總人口；x12～x16為響應指標，表征耕地生態系統在壓力條件下對原有狀態的反應并反饋人類社會的過程，在此基礎上，人類通過政策、環保投入等措施進行響應，從而改善耕地生態系統狀態，實現可持續發展。其中，x12灌溉保證率=耕地有效灌溉面積/耕地面積；x13第一產業產值占GDP比重=第一產業產值/GDP；x14農民人均純收入=農民純收入/農村人口；x15農業從業人員投入=農業從業人員數量/耕地面積；x16環保污染治理投資占GDP比重=環保污染治理投資額/GDP。

耕地生態安全評價的關鍵環節是評價標準的制定，為科學合理地反映西北地區耕地生態系統的安全狀況，通過參考國家、行業及國際相關標準并借鑒前人的研究成果[14,29-31]將耕地生態安全評級指標劃分為5級，即安全、較安全、臨界安全、較不安全、不安全。具體標準見表3。

3.2 西北地區耕地生態安全狀況分析

在分析西北地區耕地生態安全評價指標數據基礎上，運用熵權法計算各評價指標的權重值(表2)，依據集對分析原理，計算耕地生態安全評價指標聯系數主值，并確定安全等級(表4)。由表4可知，2002年西北地區耕地生態安全聯系數主值均小于0.2，安全等級均為“臨界安全”，2008年新疆、甘肅、寧夏安全等級較2002年沒有發生變化，青海、陜西聯系數主值分別為0.2334、0.2019，接近“較安全”等級下限，2016年新疆安全等級較2008年出現較大幅度提升，聯系數主值由0.0499提升為0.2692，安全等級提升為“較安全”，甘肅、寧夏聯系數主值較2008年略微增加，但安全等級未發生改變，仍然處于“臨界安全”等級，而青海、陜西聯系數主值出現微降微升的狀態，安全等級仍然為“較安全”。從各省耕地生態安全的時序變化來看，2002—2016年期間，甘肅、寧夏安全等級一直處于“臨界安全”，青海、陜西安全等級處于穩步提升狀態，由2002年的“臨界安全”提升為2008年和2016年的“較安全”等級，新疆則在2008年后安全狀況有所提升，由之前的“臨界安全”提升為“較安全”等級。

表2 西北地區耕地生態安全評價指標體系

表3 耕地生態安全評價等級標準

表4 西北地區2002—2016年目標層的五元聯系數、主值及安全等級

3.3 障礙因子診斷

運用障礙度模型，從要素層診斷西北地區耕地生態安全障礙因子(圖1)。西北地區耕地生態安全系統中要素層3個指標的安全障礙度程度與變化情況分別不同。從不同年份要素層障礙度變化情況來看，西北地區壓力、狀態和響應障礙度均值由2002年的52.434、21.296、26.270變化為2016年的38.479、44.168、17.353，壓力和響應呈下降趨勢，而狀態呈上升趨勢。從要素層障礙度多年均值來看，2002年和2016年兩個年份西北地區壓力、狀態和響應障礙度均值分別為45.457、32.732、21.811，壓力一直是西北耕地生態安全系統最大的障礙因子，其次是狀態，最后是響應。西北地區自然環境條件惡劣，要提高耕地生態安全水平，就要制定支農政策，強化耕地占補平衡，改善農業生產條件，改進耕作技術，積極推進土地整理、復墾，動態監測耕地質量，協調好耕地利用與經濟社會發展和環境保護的關系。計算西北地區耕地生態安全聯系數主值與壓力、狀態、響應障礙度的相關系數，得出2002年相關系數分別為-0.226、0.120、0.055,2016年分別為-0.830、0.851、-0.661，可見西北地區耕地生態安全水平與要素層障礙度密切相關。新疆、青海和陜西耕地生態安全等級提升一方面與壓力障礙度降低有關，另一方面與狀態障礙度大幅度增加有關，表明依賴農業科學技術以提高土地集約化利用程度及加大土地投入以提高單位面積糧食產量可以顯著提高耕地生態安全水平。

根據各評價指標障礙度大小，列出2002年和2016年西北地區耕地生態安全主要障礙因子(表5)。2002年阻礙西北地區耕地生態安全水平的障礙要素主要集中在壓力、響應方面，主要包括人均耕地面積(x1)、單位耕地化肥負荷(x2)、人口密度(x5)、城市化水平(x6)、第一產業產值占GDP比重(x13)、農民人均純收入(x14)、農業從業人員投入(x15)等；而2016年阻礙西北地區耕地生態安全水平的障礙要素主要集中在壓力、狀態方面，主要包括人均耕地面積(x1)、單位耕地化肥負荷(x2)、單位耕地農藥負荷(x3)、土地墾殖率(x4)、人口密度(x5)、災害指數(x9)、單位耕地糧食產量(x10)、人均水資源量(x11)等。從單向指標變化趨勢分析可知，新疆和青海耕地生態安全值上升的主要原因是人均水資源量的大幅度增加。陜西耕地生態安全值上升得益于農業科研投入和環境治理投資的增加，提高了耕地生產率和耕地環境，但城市建成區的擴張、固定資產投資的增加和水資源的短缺制約了生態安全等級提升。甘肅、寧夏耕地生態安全維持等級不變，是由于耕地數量的減少和耕地質量的下降沒有明顯改善，農業生產技術條件的落后、農田施肥等原因致使耕地負荷嚴重，威脅生態安全。

4 結論與建議

4.1 結 論

(1)2002—2016年西北地區耕地生態安全總體水平不斷提高，但安全等級在地區內部存在差異，表現為甘肅、寧夏維持“臨界安全”等級不變，新疆、青海、陜西則由2002年的“臨界安全”升級為2016年的“較安全”等級。

圖1 2002年和2016年西北地區耕地生態安全要素層障礙度Fig.1. Obstacle values of cultivated land ecologicalelements layer security in the northwest region in 2002 and 2016

表5 2002和2016年西北地區耕地生態安全障礙因子及障礙度

(2)2002—2016年西北地區要素層障礙度變化表現為壓力和響應呈下降趨勢，狀態呈上升趨勢。從2002年和2016年障礙度均值來看，影響西北地區耕地生態安全水平障礙因子排序依次為壓力、狀態、響應。新疆、青海和陜西耕地生態安全等級提升與狀態障礙度大幅度增加有關。

(3)新疆和青海耕地生態安全值上升的主要原因是人均水資源量的大幅度增加。陜西耕地生態安全值上升得益于農業科研投入和環境治理投資的增加，提高了耕地生產率和耕地環境，但城市建成區的擴張、固定資產投資的增加和水資源的短缺制約了生態安全等級提升。甘肅、寧夏耕地生態安全維持等級不變，是由于耕地數量的減少和耕地質量的下降沒有明顯改善，農業生產技術條件的落后、農田施肥等原因致使耕地負荷嚴重，威脅生態安全。

4.2 建 議

耕地是糧食生產的物質基礎，維持耕地生態安全關系到糧食安全和農業的可持續發展。西北地區總體耕地生態安全水平不高，結合耕地生態安全評價等級標準(表3)分析，從主要障礙因子出發提出現階段各地區耕地生態安全水平的提升對策。

(1)新疆要持續完善耕地可持續利用的激勵機制，積極做好防災減災工作。長期以來新疆積極的支農激勵政策導致耕地開墾嚴重，今后應注重在耕地資源開發利用中兼顧保護和開發。2016年新疆排名前五的耕地生態安全障礙因子中災害指數(x9)為8.14%，位于第4安全等級，今后需要積極做好災害預警與應對工作，建立政府農業保險政策，實現耕地的可持續利用。

(2)甘肅和寧夏應著力加大農田水利建設，積極推進土地整理和復墾政策，加強耕地質量監控。2016年排名前五位的耕地生態安全障礙因子中土地墾殖率(x4)分別為12.62%和19.41%，位于第4和第3安全等級，人均水資源量(x11)分別為和646.40 m3·P-1和143.00 m3·P-1，均屬于第5安全等級，且寧夏單位耕地糧食產量(x10)生態安全為第4等級，僅為2 875.62 kg·hm-2，因此兩地區目前面臨的共性問題是耕地數量的減少和人均水資源量的短缺，今后應采取措施嚴格控制非農占地，注重土地深度開發與集約利用，加大農業投入力度，完善農田水利基礎設施建設；針對寧夏單位耕地糧食產量較不安全的情況，還應積極改善農業生產條件，提升耕地質量。

(3)青海應持續加大水土保持生態建設項目力度，改善農業生產條件，實現耕地占補平衡。2008年以來，青海耕地生態安全屬于“較安全”等級，排名前五的障礙因子安全等級較高，均為第2等級以上，其中人均水資源量的大幅度上升是生態安全狀態轉變的主要影響因素，但青海土地墾殖率(x4)為0.85%，單位耕地糧食產量(x10)僅為1 755.17 kg·hm-2，究其原因，青海耕地大多分布于社會經濟較發達的黃河流域和湟水河兩岸，耕地占補平衡矛盾大，水土流失面積占比位居全國第四位，近年來通過落實最嚴格的耕地保護政策，持續推進坡耕地水土流失綜合治理工程建設，實現了耕地占補平衡，改善了農業生產條件，提高了糧食產量，增加了農民收入。

(4)陜西應加大農業投入力度和農田水利建設，改善耕地環境，提升耕地質量。陜西排名第4的障礙因子單位耕地糧食產量(x10)為3 078.83 kg·hm-2，雖然高于西北其他地區，但仍然位于第4安全等級，人均水資源量(x11)位于第5安全等級，僅為713.90 m3·P-1。此外，隨著退耕還林政策的推進、人口的增加和城市化的快速發展在一定程度上也導致了耕地的減少，可見退耕還林政策推進、固定資產投資增加和水資源短缺制約了陜西生態安全等級提升，現階段應加快土地開發與整理復墾，改善農業生產條件，加大農田水利建設的投入，合理開發和有效利用水資源。