中國糧食主產區農業生態環境評價研究

易杏花，何 苗

（中國地質大學（武漢）經濟管理學院，武漢 430074）

改革開放40 多年以來，中國以僅占全球7%的耕地，養育了接近全世界18%的人口。為了提高土地單位面積產量，中國農藥化肥的施用量多年來皆高于國際平均水平，卻在先進農業技術的應用和推廣上存在短板，導致農作物對農藥化肥的吸收轉化率較低［1］。糧食安全關乎國計民生與國家發展，農業對自然生態環境的依賴性也比其他產業更強，因此農業生態環境問題不容忽視。在農業環保方面，2014 年中國出臺了首部農業環保法規《畜禽規模養殖污染防治條例》，標志著中國農業農村污染治理進入法制化治理階段。2015 年印發的《關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》，提出“一控兩減三基本”目標，促進了農藥化肥的科學使用和防治農業非點源污染。這些農業環保政策法規的出臺和實施，在農業面源污染防治方面也取得了一些成效，為農業可持續發展奠定了基礎。然而，中國農業面源污染防治和農村生態環境建設依舊是重大難題。為了進一步了解中國農業生態環境中阻礙農業綠色發展的因素以及其作用機理，考察農業生態安全現狀及各方面為緩解生態環境壓力的應對效果，本研究采用PSR 模型，從農業經濟環境、社會環境及環境污染和治理等方面構建評價指標體系，結合熵權法對指標賦權并對系統進行評分，對2011—2016 年中國糧食主產區的農業生態環境進行綜合評價，并使用密切值法按照環境優劣對各省進行排名。

1 研究現狀

中國在農業生態安全評價方面的研究集中在評價方法和指標體系建設、影響因素以及政策建議，其中用到的評價方法主要有層次分析法（AHP）、主成分分析法（PCA）、模糊聚類分析、灰色系統理論、投影尋蹤模型、地理信息系統多源數據分析、模糊綜合評價等。層次分析法在環境質量評價中應用最為廣泛，但是其定量分析不足，得出的評價結果欠缺說服力，且對指標數量有一定限制；主成分分析法在數據降維之后會使得出的結果與實際偏離，結論難以準確解釋；聚類分析在數據相關性識別上比較機械，且在樣本量較大時難以得到聚類結論。因此，這些評價方法往往被研究者搭配使用以優劣互補。如夏興生等［2］將主成分分析法與層次分析法結合確定指標權重；孫靖南等［3］用熵權法確定指標權重，以彌補模糊綜合評價方法對多因子賦權計算的缺陷；王麗梅等［4］將評價分為兩級，分別用改進了的標準賦權法和層次分析法相結合確定指標權重，以排除實測值對賦權的干擾。

評價一個區域的農業生態環境質量，在考慮人類活動給環境帶來破壞的同時，也應當衡量人類為適應和維護生態環境而作出的反應。PSR 模型是一種強調人的主觀能動性的邏輯分析框架，它表現了人類活動與生態環境之間不可分割的關系，通常在區域生態系統健康評價中與上述方法結合使用。李大鳴等［5］以 AHP 方法確定指標權重，用 PSR 框架對渤海新區海岸帶陸域生態環境進行綜合評價；朱衛紅等［6］利用3S 技術獲取圖們江流域景觀格局指標數據，基于PSR 模型用層次分析法對指標賦權，對該流域濕地生態安全作出評價；李中才等［7］為增強評價的客觀性、可比性和通用性，應用生態足跡和能值理論計算PSR 模型下生態狀態、響應和壓力指數來改進該模型與層次分析法的局限，并對山東長島生態安全狀況進行研究。

目前，中國生態安全評價已呈現出以空間尺度為主體、客體屬性為輔助、城市區域為核心、湖泊盆地等的綜合研究模式。關于農業生態環境方面的研究大多是在省內縣域層面，且利用面板數據的動態評價也比較少，而PSR 模型中壓力、狀態和響應3 個系統相互作用，用面板數據更能凸顯子系統之間相互作用的效果。因此，本研究采用2011—2016 年的各省數據，從宏觀上對中國糧食主產區各省份的農業生態環境進行比較分析。為了加強評價的客觀性，本研究在PSR 模型框架下建立評價指標體系，并利用熵值法對各指標賦權，利用密切值法對各省進行評估和排名。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

依據2003 年財政部發布的《關于改革和完善農業綜合開發若干政策措施的意見》，中國糧食主產區由遼寧、吉林、黑龍江、內蒙古、河北、山東、河南、四川、湖北、江西、湖南、江蘇和安徽共計13個省份組成。

本研究數據來源于2012—2017 年的《中國統計年鑒》、13 個省的統計年鑒、13 個省的《農村統計年鑒》《中國工業機械年鑒》《中國農業機械工業年鑒》《中國環境統計年鑒》以及《中國水利統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 PSR 模型概述 PSR 模型（壓力-狀態-響應）是經濟合作與發展組織（OECD）［8］和聯合國環境規劃署（UNEP）共同提出的用于研究環境問題的一種框架體系。1992 年聯合國可持續發展委員會（CSD）提出驅動-狀態-響應（DSR）概念模型，更加強調驅動力的作用。隨后，1993 年歐洲環境署（EEA）在PSR 模型中增加了驅動力和影響的指標，衍生出驅動力-壓力-狀態-影響-反應（DPSIR）模型。PSR 模型以及其擴展模型皆被用于生態評價領域，其中PSR 模型應用最為廣泛。DSR 模型中的驅動力能全面反映人類改造環境的正面和負面影響，但PSR 模型中人類活動給環境施加的壓力與響應系統的因果鏈關系更加緊密，而且對中國農業生態環境而言，農業生產活動帶來的負面影響不可忽視，因此，PSR 模型更具有適用性。而DPSIR 模型較為復雜，選取指標時容易出現模棱兩可界限不清的缺點。

PSR 模型的基本思想是人類生產生活會對周圍環境產生壓力，使環境和自然資源出現變化，從而影響人類自身的生存，迫使人類社會采取措施減輕生態壓力，改變不利于自身發展的狀態。就農業環境具體而言，農業生產中的主要環境壓力包括土地的過度耕作、粗放的灌溉方式、農膜和秸稈資源的不充分利用、農村生活垃圾和畜禽養殖業廢棄物的隨意排放以及農藥化肥的過度施用等。這些環境壓力造成水土資源的浪費和污染、空氣污染，進而導致地力下降、水資源不足、農作物產量和質量下降，影響農村居民收入和生活質量。為了提高資源利用率，政府會出臺相關政策法規以及利用市場工具防治污染，企業加強科技創新為農業生產提供高效和清潔的農用物資，農業工作者參加培訓，學習更先進的生產方法。這些措施落實其實就是農村生產生活方式的轉變，減輕了對環境的壓力，逐漸修復之前對自然生態的破壞，使農業生產走上可持續發展的道路。

2.2.2 指標體系構建 基于PSR 模型的基本思路，參考現有農業環境評價研究中出現頻次較高的指標，遵守科學性、完整性、簡潔性和數據可獲得性原則，以實現農業可持續發展為目標，構建農業生態環境壓力系統、農業生產狀態系統以及農業管理響應系統。其中壓力系統主要包括影響農業生產最直接的土壤環境和水環境；農業生產狀態包括農業生產產量、生產率、自然資源條件以及基本社會條件；響應系統由農業資源綜合利用率、廢棄物無害化處理以及生態環境的保護和投入情況。具體指標含義見表1。

3 中國糧食主產區生態環境綜合評價

3.1 熵權法計算權重

熵本是一個物理概念，后被引入信息論表示在一個系統中信息的無序程度，普遍應用于工程技術和社會經濟領域。在綜合評價中，一個指標的熵越小，指標變異程度越大，應該賦予的權重就越高。由于經濟指標中存在正負性質之分，計算權重之前應對指標進行標準化處理，本研究以13 個省份的30 個指標作為樣本，設樣本S i在指標A j下的實測值為C ij，建立初始的數據矩陣C=(Cij)13×30，則：

表1 壓力、狀態、響應系統指標含義

式中，i= 1,2…n;j= 1,2…m

即得到標準化矩陣Yij，第j個指標的信息熵值ej為：

其中，常數k=[l n (m)]-1，m=13，令hj= 1-ej，則第j個指標的權重為：

計算出每個指標權重之后取平均數得到表2。

表2 壓力、狀態、響應系統指標權重

圖1 為2011—2016 年30 個指標的平均熵權重。從圖1 可以看出，指標A22 秸稈綜合利用率所占權重最高，其次是A20 農機推廣培訓投入占10.98%。大多數權重高的指標都分布在響應系統，因而響應系統在評價中總體占比高達65.13%，說明在農業生態環境的治理和污染防治上各省努力程度上差異較大。而壓力和狀態系統所占比重較小，這也反映了近年來中國糧食主產區環境壓力都比較大。

圖1 2011—2016 年30 個指標的平均熵權重

中國秸稈資源總量巨大但是分布不均，同時秸稈難以收集，秸稈運輸和存儲壓力大，對沒有完善鄉村道路建設的地區來說，秸稈再利用成本較高。結合以上原因，河北、江蘇以及湖北在這一指標上明顯勝于遼寧、黑龍江以及內蒙古地區。農機推廣培訓投入能夠反映當地對農業機械化的重視程度。機械化生產是農業現代化的標志，也是推動中國從農業大國向農業強國轉變、促進農業可持續發展的重要因素。但是家庭聯產承包責任制下，農戶使用農業機械成本較高，推廣起來也比較困難，再者農業機械更適合平原地區使用，中國南方多山地丘陵，因而在農機推廣方面地域差異也比較大。

圖2 是2011—2016 年壓力、狀態、響應系統的權重變化。期間響應系統權重有所下降，狀態系統權重略微增加，壓力系統權重經歷了先下降后上升的趨勢，但是相較而言變化不大。這表明在考察期間各省雖然面臨的環境壓力無較大差異，但是由于在環境治理反應上差異較大，使得農業生產狀態上出現了差距。

3.2 各省農業環境排名

圖2 2011—2016 年壓力、狀態、響應系統的權重變化

密切值法是多目標決策中選擇最優解的一種方法，以其計算簡便，邏輯嚴謹而在工程決策和經濟社會綜合評價中得到推廣和應用。其基本原理是在指標體系中找到每個指標的最優面和最劣面，然后計算每個樣本離最優面和最劣面的距離來比較樣本優劣情況。本研究采用改良的密切值法來評價糧食主產區的生態環境并作出比較，對指標作無量綱化處理，運用歐氏距離計算13 個樣本省份與理想最優農業生產環境樣本面的距離di,0和理想最劣農業生產環境樣本面的距離di,W，Ei,0是各省的最優密切值。

每個省的最優密切值表示該省份與農業生態環境最優面的距離，因此，Ei,0越小，表明該省農業越符合可持續發展要求。2011—2016 年各省最優密切值和排名見表3。

表3 2011—2016 年13 省最優密切值和排名

4 結果與分析

為了方便比較，本研究將13 個省份根據結果劃分成3 個區域，即包括內蒙古自治區、遼寧省、吉林省和黑龍江省的東北平原，包括河北省、山東省、河南省和安徽省的華北平原，以及包括江蘇省、江西省、湖北省、湖南省和四川省的長江中下游平原。

4.1 東北平原農業環境評價排名

圖3 為東北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。由圖3 可以看出，內蒙古自治區在前2 年排名保持第一，自2013 年開始下滑，到2016 年成為最后一位。該地區大陸性氣候強，氣候干旱，還存在土地沙化等問題，因此更加注重生態環境治理，所以前4 年都能保持前五的排名。但是期間其他省份也更加注重農業環境問題的治理，而縮小了與最優面的距離，導致內蒙古自治區排名下滑。黑龍江省與內蒙古自治區趨勢相似，但不同的是黑龍江省農藥化肥施用強度等指標較小，其環境治理力度也不突出，所以在后期也出現排名下滑的情況。2016 年遼寧省化學需氧量排放、總磷排放等環境壓力指標均大幅下降，農機推廣和培訓投入增加，節水灌溉面積擴大，因此2016 年遼寧省農業環境評價結果較好，但需要注重提高秸稈綜合利用率以及水資源利用率。吉林省在2015 年排名第十位，但在其他年份中一直排在前五，表明該省在研究期間農業環境較穩定。從指標上看，該地水污染比較輕，污染物排放不斷減少，狀態系統指標值保持在平均水平以上，農業科技進步、農機推廣和培訓投入貢獻率較高。

圖3 東北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名

4.2 華北平原農業環境評價排名

圖4 為華北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。河北省除了2015 年，其他年份排名皆在第五位到第八位波動，全省農業總產值大，農業污染排放壓力也很大，但由于污染物處理方面投入較大，且有足夠的農機推廣培訓投入，環境壓力也能得到緩解。安徽省總體情況穩中向好，全省有效灌溉面積擴大，糧食產量繼續上升，其他各項指標均處于平均水平，但應該注意提高農機推廣和培訓投入。河南省排名在2015 年以前比較穩定，但是2015 年和2016 年連續排名第一。作為農業大省，河南省糧食產量大，但農業環境污染也嚴重，因此對污染的治理力度也不斷加大，大部分反應指標都向好，狀態指標都排名靠前，才能在后2 年更接近農業環境評估中的理想面。山東省在考察期后2 年加大對農業機械化的投入，縮減農藥化肥的施用量，其排名也在后2年顯著提升。

圖4 華北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名

4.3 長江中下游農業環境評價排名

圖5 為長江中下游平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。由圖5 可以看出，湖北省、江西省和湖南省的排名變化趨于一致，在2015 年以前都位列排名的中后段。湖北省在評估中比較靠后，全省秸稈綜合利用率高于平均水平，但其他環境響應指標大多為平均水平及以下；且湖北省農藥和化肥施用強度較高，環境壓力大；狀態指標處于平均水平以上，生產緊張，環境壓力大，環境應對措施不足。江西省是農藥施用率最高的省份，水資源充足，但有效灌溉面積和節水灌溉面積都較小，反映出用水效率不高；農業生產條件和狀態都較好，但是其環境保護和治理落后于平均水平，所以排名也處于中后段。湖南省的情況與江西省相似，氨氮和總磷排放量巨大。在響應系統中，農機推廣投入有待提高，生態建設總投資小，波動大，使其排名靠后。

四川省排名一直靠前且穩中向好。農藥、化肥的施用強度在中等偏下，環境壓力較小；土地利用效率和勞動效率以及其他正向狀態指標不斷上升，物耗系數逐年縮小，狀態系統良好。江蘇省農業環境持續優化，直到2016 年，排名降至第九位。其狀態系統僅為中等，環境治理投入較高，但其化學需氧量排放、氨氮排放等在2016 年的縮減程度不如河南省等地。

圖5 長江中下游平原各省份2011—2016年的密切值和排名

總體上，2011—2016 年東北平原排名最為靠前，華北平原居于中位，長江中下游平原排名靠后。但是后2 年很多省份排名出現較大變化，分析其原因可能在于中國“十二五”規劃于2015 年結束，各省農業發展也接近目標。2016 年是“十三五”規劃的第一年，而推進農業現代化、生態環境改善是兩大戰略目標。各省污染物排放量在2016 年的大幅下降，減輕了環境壓力，同時，大多數省份加大了對農業環境治理的投入，為農業生產提供了更好的條件。

5 小結與建議

為對中國糧食主產區農業生態環境進行綜合評價，本研究在PSR 模型框架下構建評價指標體系，利用熵權法確定指標權重，結合密切值法對各省農業環境優劣進行排名。主要結論如下：①在此綜合指標體系中，糧食主產區省份在秸稈綜合利用率和農機推廣培訓投入這2 項指標上差異最大；②在PSR框架下，各省響應系統的差距＞狀態系統的差距＞壓力系統的差距；③內蒙古（2011 年和2012 年）、吉林（2013 年）、黑龍江（2014 年）、河南（2015 年和2016年）是考察期間農業生態環境綜合評價最好的省份，總體上，2011—2016 年，東北平原農業生態環境排名最為靠前，華北平原居于中位，長江中下游平原排名靠后。

中國近年來秸稈綜合利用率能夠達到80%以上，2020 年更是要達到85%，以實現“十三五”規劃關于秸稈資源綜合利用的目標。中國秸稈資源總量大，但是秸稈焚燒屢禁不止，當務之急是轉變農民觀念，完善秸稈收集、運輸和儲存系統，加快秸稈利用產業化，并且推廣秸稈還田技術、固化成型以及氣化等循環利用技術。由于歷史因素，大型農業機械很少為家庭所有，對一般農戶而言農機成本過高；再者中國南北地形差異較大，南方多丘陵山地，難以大規模農機作業，導致農機化水平存在地域差異；且當前高素質人才大多流向城市，農機化研究和技術的推廣缺少智力支持。針對以上這些特點，在增加農機推廣培訓投入的同時，各地應鼓勵農業集約化生產，合理規整土地，并且制定吸引人才返鄉的相關政策，提高農業機械化程度，促進中國農業現代化發展。