基于PSR 模型的耕地可持續集約利用評價研究
——以京津冀地區為例

劉允瑄 ，趙華甫 ，2，王璟珩 ，張守國 ，李 杰 ，鐘 榮

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100083）

耕地是重要的農業生產基地，與國家糧食安全息息相關［1］。為追求高的農產品產出，獲得高額的回報，越來越多的資本、勞動、技術和服務投入到耕地上，從而不斷提升耕地的集約利用程度，但同時也產生了大面積地下水漏斗區、土壤環境惡化等問題［2］。隨著中國社會經濟不斷發展，中國耕地面積急劇減少與糧食需求量高速增長的矛盾日益突出，彰顯其稀缺性［3，4］，所以京津冀地區只能走可持續集約化經營之路［5］。

國外學者將農業與可持續集約利用相結合，開展可持續集約利用研究。關于可持續集約利用的概念，Pretty［6］提供了較為通用的定義，即增加現有農田的糧食產量，同時最大限度地減少對環境的壓力。Barnes 等［7］提出可持續集約利用成為一個管理選項，能夠提高生產率，更有效地利用自然資源，同時減少負面環境影響。Gliessman［8］將農業和生態可持續性與社會、經濟和文化可持續性相結合，對可持續集約利用進行整合研究。有關食品和農業的遠見報告，Senker［9］將可持續集約利用定義為從同一地區生產更多，同時減少對環境的影響。國內學者馬賢磊等［10］提出了土地可持續集約利用即通過產業結構升級、增加環境保護性投入和提高企業的環境準入門檻等措施，實現包括社會、經濟和生態環境在內的綜合效益最大化的過程。牛善棟［11］認為可持續集約利用通過提升農業生產率或集約化水平，推動耕地生產力的高效利用和可持續利用的協同耦合，實現1+1>2。總體來說，耕地可持續集約利用評價的研究還處于界定內涵、開展探索性例證研究的萌芽階段。

傳統的耕地評價指標體系構建方法有很多，王紅英等［12］解析了“壓力-狀態-響應”（PSR）模型的結構和運行原理，結合影響耕地資源可持續利用的自然、社會、經濟因素以及各因素間相互影響、相互制約的內部系統規律，構建了耕地資源可持續利用評價的指標體系，該研究結果可為城市化和工業化進程中耕地資源保護和可持續利用提供參考，為下一步開展耕地資源生態質量綜合評價奠定基礎。曾榮艷等［13］根據阿勒泰市的具體情況，從壓力、狀態、響應3 方面選取了24 個指標，建立了阿勒泰市耕地可持續利用評價指標體系，采用熵值法、多因素綜合評價法評價2005—2011 年阿勒泰市耕地可持續利用狀況，并對限制耕地可持續利用障礙因素進行了分析。王建慶等［14］以浙江省為例，運用功效系數法對浙江省耕地利用集約狀況從橫向和縱向2 個方面進行了綜合評價，并對浙江省耕地集約利用影響因素進行了研究。鄧際洪［15］以四川省為研究對象，采用PSR 模型（壓力-狀態-響應）構建耕地可持續利用指標體系，對四川省耕地資源可持續利用進行評價研究，進而找出問題所在，為采取切實有效的措施提供科學依據。牛善棟［11］以山東省典型地區為例，構建Tobit 模型分析農戶層面耕地可持續集約利用的影響因素及作用機理，并結合研究結果為促進耕地可持續集約利用提出相應的優化對策。鑒于耕地可持續集約利用集成了可持續利用和集約利用2 個維度的內容，且二者相互制約、互為因果，需要建立一套能夠識別過程機制的指標體系才能較好地刻畫可持續利用的特征。因此，本研究采用PSR 模型構建耕地可持續集約利用評價指標體系，以京津冀地區為例進行實證分析，對研究區耕地的可持續集約利用進行評價，為促進耕地可持續集約利用提供參考。

1 耕地可持續集約利用評價指標體系構建與評價方法

1.1 耕地可持續集約利用評價指標體系構建

耕地可持續集約利用評價是指在特定時空對耕地進行自然、經濟和社會要素的綜合評價。王紅英等［12］基于PSR 模型，以耕地資源可持續利用為目標層，以耕地資源可持續利用壓力、耕地資源可持續利用狀態、耕地資源可持續利用響應為準則層，以人均耕地面積、單位耕地面積化肥負荷、GDP 年增長率、年平均降水量、田面坡度、土壤有機質、土地整理力度、農田機械化水平等44 個指標構建耕地資源可持續利用評價指標體系。鄧際洪［15］以四川省為例，基于PSR 模型，以耕地可持續利用為目標層，以壓力、狀態、響應為準則層，以人均耕地面積、人口凈增長率、糧食單產、有效灌溉面積率、復種指數、農機化水平、農業產值占GDP 比重等23 個指標構建耕地可持續利用評價指標體系。

本研究評價指標體系的建立基于PSR 概念模型［16-18］，從自然稟賦與社會經濟相協調的角度出發，遵循科學性和全面性原則、層次性和動態性原則、獨立性和針對性原則、定性與定量分析相結合的原則［19］，構建了以耕地可持續集約利用水平為目標層，以壓力、狀態、響應為準則層，以19 個具體評價指標為指標層的耕地可持續集約利用評價指標體系（表1）。

1.2 評價方法

1.2.1 PSR 系統協調度計算 由于耕地利用是一個持續變化的過程，故要在PSR 模型中通過人為的調控保證壓力、狀態和響應各系統的變化保持協調，進而對耕地綜合利用產生影響［20］。選用協調度計算壓力、狀態、響應的協調水平。協調度計算公式為：

式中，Y為農用地集約利用協調度指數，B1、B2、B3分別為壓力、狀態、響應子系統的指數。

1.2.2 指標權重確定 采用熵權法確定指標的權重，熵權法的基本思路是根據指標變異性的大小來確定客觀權重。一般來說，若某個指標的信息熵越小，表明指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權重也就越大。

表1 PSR 框架下耕地可持續集約利用評價指標體系

1）原始數據標準化。由于各項原始數據存在不同量綱，無法直接進行各項指標權重的計算，故采用極值法進行數據的標準化處理。公式如下。

正指標：

式中，Yij為標準化數值，Xij為第i縣的第j個指標，max（Xj）為第j個指標的最大值，min（Xj）為第j個指標的最小值。

2）信息熵計算。根據標準化數值，第j個指標的信息熵可以定義為Hj，綜合標準化數值可定義為fij。值得一提的是，由于Yij可能為0，導致lnfij沒有意義，故近似為0 的fij為無窮小，即規定fij= 0，令fij=0.000 000 01，此時fij× lnfij有意義。

3）求取各指標熵權。根據第j項指標的信息熵，求出第j項指標的熵權Wj。

2 研究思路與實證研究——以京津冀地區為例

2.1 研究思路

遵循“辨識科學問題-構建評價指標體系-實證分析-結果分析”的研究思路，以京津冀地區為例，分析耕地可持續集約利用的水平，并得出結論。具體研究技術路線見圖1。

2.2 區域概況

京津冀是中國的“首都經濟圈”，包括北京市、天津市以及河北省的保定、唐山、廊坊、石家莊、秦皇島、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺、衡水11 個地級市以及定州和辛集2 個省直管市。位于黃淮海平原，處于溫帶季風氣候區，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥。由于大量的地下水被開采和截蓄地表水，致使該地區地下水位持續下降，漏斗面積不斷增加，農業可利用水資源總量持續萎縮，農村建設用地擴張無序，土地不合理利用情況突出，占用了大量優質的耕地資源。

圖1 研究技術路線

2.3 數據處理

2.3.1 數據來源 土地利用數據及社會經濟數據主要來源于2005—2015 年《北京市統計年鑒》《天津市統計年鑒》和《河北省統計年鑒》等。

2.3.2 評價指標遴選 遵循系統性、科學性、獨立性、動態性和可操作性等原則選取評價指標［21-23］，確保評價結果的準確性和可靠性。確定京津冀地區耕地可持續集約利用評價體系所包含的指標主要經過以下3 個步驟。

1）基于耕地可持續集約利用評價的研究成果，通過梳理相關文獻所涉及的指標并統計各指標的使用頻率進行指標篩選。在指標篩選初期共有19 個相關指標入選，包含人均耕地面積、≥15°人均坡耕地面積、人口密度、農業人均GDP、耕地安全系數、復種指數、有灌溉的耕地比例、地均產值、勞均產值、糧食單產、墾殖率、土壤有機質含量、農產品產值、地均水資源占有量、人力投入、地均化肥施用量、機械力投入比例、土地整理力度、生態休耕比例。

2）評價指標相關性檢驗。查閱《北京市統計年鑒》《天津市統計年鑒》《河北省經濟年鑒》《河北省統計年鑒》并整理計算出京津冀地區2015 年19 個預設指標統計數據，并運用Excel軟件對這些指標數據進行相關性檢驗，通過比較剔除相關度較大的原始指標，刪除的指標有≥15°人均坡耕地面積、人口密度、地均產值、勞均產值、墾殖率、有灌溉的耕地比例。

3）基于當前實際情況認識的調整。根據京津冀地區耕地現實利用情況，剔除耕地安全系數、復種指數、土壤有機質含量、機械力投入比例、土地整理力度、生態休耕比例等指標，確定了本研究所涉及的農產品產值、人力投入、糧食單產、地均化肥施用量、人均耕地面積、農業人均GDP、地均水資源占有量7 個評價指標。

人類活動對環境施以壓力，選取的評價指標因子為人均耕地面積和農業人均GDP。人均耕地面積是指耕地面積與總人口數的比值，反映了一定區域個人占有的耕地數量。人均耕地面積越大，對耕地可持續集約利用的壓力越小。農業人均GDP 是指農業生產總值與總農業人口數的比值，反映了一定區域每個農業人口的生產總值，農業人均GDP 越高，對耕地可持續集約利用的壓力越小。

壓力結果影響到耕地數量和質量的狀態。選取的評價指標因子為糧食單產、農產品產值和地均水資源占有量。糧食單產是指糧食總產量與糧食播種面積的比值，反映了一定區域單位耕地的糧食產量。糧食單產越高，說明單位耕地的糧食產出能力越強，產出狀態越高，耕地可持續集約利用的狀態越好。農產品的總產值越高，說明耕地可持續集約利用所帶來的效益越好。地均水資源占有量能在一定程度反映農業技術水平，其值越小表明農業技術水平越好。

為緩解壓力、改變現有狀態作出響應。選取的評價指標因子為人力投入和地均化肥施用量。人力投入是指農業人口與耕地面積的比值，反映了人力在農業生產中的作用大小，是農業現代化水平的度量。地均化肥施用量是指化肥總施用量與耕地面積的比值，反映了農民在從事農業生產過程中生產資料的投入程度。

3 結果與分析

3.1 PSR 模型評價指標權重

收集整理 2005 年、2010 年、2015 年京津冀各城市有關耕地可持續集約利用的評價指標數據，依照熵權法計算各評價指標的權重。熵權法的主要步驟是原始數據的標準化處理、信息熵的計算、各指標熵權的求取，是一種剔除主觀信息的客觀賦權法。求得農產品產值、人力投入、糧食單產、地均化肥施用量、人均耕地面積、農業人均GDP、地均水資源占有量的權重分別為27%、2%、13%、10%、6%、35%、7%。

由指標權重結果可知，壓力指標層所包含的指標人均耕地面積和農業人均GDP 占41%；狀態指標層所包含的指標糧食單產、農產品產值和地均水資源占有量占47%；響應指標層所包含的指標人力投入和地均化肥施用量占12%。表明在PSR 模型中，狀態系統的因子是影響耕地可持續集約利用水平最主要的因子，壓力系統的因子影響程度次之，響應系統的因子影響程度最小。其中，農業人均GDP 和農產品產值更能體現京津冀地區耕地可持續集約利用水平，人力投入和人均耕地面積評價指標對耕地可持續集約利用水平貢獻率較低。

3.2 京津冀地區時間序列PSR 模型評價

京津冀地區 2005 年、2010 年、2015 年時間序列耕地可持續集約指數及壓力-狀態-響應子系統指數計算結果見圖2 和圖3。

河北省各地區2005—2015 年總體可持續集約指數呈現不規律波動的形式，但總體呈增加的趨勢，如石家莊市、承德市、張家口市、唐山市、廊坊市、保定市、衡水市、邢臺市和邯鄲市。其中，保定市可持續集約指數增加態勢明顯，主要原因是保定市依托京津發展縣城特色經濟，采用“一節、二保、三調”的節水措施。不同地區可持續集約指數的增長與人們關注到耕地可持續集約發展的重要性和國家出臺的舉措有關。保定市壓力子系統指數在2005—2010年上升緩慢，在2010—2015年增長顯著，增長898.66%；保定市狀態子系統2005—2010 年下降16.2%，2010—2015 年增加23.88%；保定市響應子系統變化不顯著，2005—2015 年呈先減后增的變化趨勢，總體增加1.26%。

圖2 耕地可持續集約指數

北京市2005—2015 年耕地可持續集約指數呈下降的趨勢。主要原因為城市擴張導致城市周圍耕地面積不斷減少，可開發利用的土地資源不足，土壤環境污染嚴重。北京市壓力子系統在2010—2015年變化最為明顯，下降64.92%。

天津市2010 年耕地可持續集約指數迅猛增加，2015 年又迅速回落，這種變化趨勢與2007 年天津市出臺的《天津市耕地質量管理辦法》密切相關，但由于天津市耕地面積減少、水資源不足、農產品生產成本高以及農業環境污染，導致2015 年其可持續集約指數又迅速回落。天津市壓力子系統2005—2010年增長26.62%，2010—2015 年下降62.87%；天津市狀態子系統 2005—2010 年增長 552.21%；2010—2015 年下降40.81%；天津市響應子系統呈先減后增的趨勢，但總體變化趨勢不大，2005—2010 年下降8.63%。

3.3 京津冀地區時空差異分析

為了進一步分析13 個城市耕地可持續集約利用的時空變化，選取基年2005 年、終年2015 年及中間年2010 年3 個時間點，繪制京津冀地區耕地可持續集約利用空間分布（圖4）。根據均分原則將耕地可持續集約指數分為五等，指數從0～100 分別為弱、較弱、中、較強和強，對其變化進行分析。

由圖4 可見，2005—2015 年，研究區弱耕地可持續集約利用水平的城市明顯減少，中等耕地可持續集約利用水平地區增加，整體從2005 年可持續集約利用水平弱提升到2015 年可持續集約利用發展水平較弱。這一結果與研究區各城市耕地自然條件及社會經濟發展水平相符，也顯示出研究區耕地可持續集約利用空間分布特征及變化特點。

圖3 壓力-狀態-響應子系統指數變化

3.4 京津冀地區耕地可持續集約利用冷熱點分析

由可持續集約指數分析可知，京津冀地區空間冷熱點分布呈現出“中部熱、南北部冷”的格局。熱點區域主要位于中部，包括北京市、天津市和保定市，這些區域經濟發展較快，由于城市的不斷擴張導致耕地迅速減少，所以政府出臺了一系列加強耕地可持續集約利用的政策與途經，以提高耕地質量。冷點主要分布于河北東部與南部，以衡水市、秦皇島市、邢臺市和邯鄲市為主，這些區域大多位于山區，由于壩上高原區的耕地土壤質地、氣候條件、自然災害、經濟發展水平等的影響，使得耕地可持續集約利用發展受到制約。

圖4 2005 年、2010 年、2015 年可持續集約利用空間分布

北京市、天津市周邊有次冷點分布，以唐山市為例，由于唐山市距離海岸線較近，耕地鹽堿化明顯，導致土壤質地對耕地可持續集約利用有一定程度的影響。2005—2010 年中西部熱點范圍有所下降，而中東部有熱點出現，冷點區域變化不大。2010—2015 年中西部熱點局部有所上升，有熱點出現，中東部熱點局部下降，南北部冷點上升明顯。

3.5 基于PSR 模型的耕地可持續集約利用系統協調度

PSR 模型的系統協調度能反映子系統之間的關系，較小壓力會產生較低的耕地利用狀態，作出較低的響應即可，較大壓力反之［24］。子系統指數越相近，說明系統協調度越好。選取2005 年、2010 年、2015 年3 個時間點，根據公式（1）計算京津冀地區各地級市PSR 模型系統協調度，結果如圖5 所示。由圖5 可知，京津冀地區13 個城市耕地可持續集約利用PSR 模型系統協調度整體呈現穩定趨勢。2005—2015 年呈下降-下降趨勢的市有4 個，呈上升-上升趨勢的市有6 個，呈上升-下降趨勢的市有2 個，呈下降-上升趨勢的市有1 個。

2005—2015 年，北京市與天津市系統協調度有明顯的提升，表明各子系統相互協調促進了耕地可持續集約利用水平的增加，PSR 模型的3 個子系統處于較為高效、平衡的狀態。由圖6 可知，2005—2015 年，在PSR 模型子系統中，壓力子系統和狀態子系統增長或下降幅度明顯，對可持續集約利用水平變動的貢獻度高，而響應子系統增長或下降幅度較小，對可持續集約利用水平的貢獻度較低。因此，在進一步改善京津冀地區耕地可持續集約利用的PSR 模型系統協調度時，對各子系統依據其特點采取不同的措施進行調整。為了實現區域耕地的可持續集約利用，應逐漸增加壓力系統指數、適當增加狀態系統指數和持續增加響應系統指數。

圖5 13 個城市耕地可持續集約利用PSR 模型系統協調度變化

4 結論與建議

4.1 結論

采用PSR 模型和熵權法，結合GIS 技術，深入研究京津冀地區耕地可持續集約利用現狀，并剖析影響其空間差異的原因?；诰┙蚣降貐^的實證評價表明，依據PSR 模型構建評價指標體系，利用熵權法確定權重，并采用綜合評價方法評價耕地可持續集約利用水平具有可行性，主要結論如下。

圖6 2005—2015 年各城市耕地可持續集約壓力、狀態、響應指數

1）耕地可持續集約利用是一個動態變化的過程，PSR 模型構建出的壓力、狀態、響應3 個子系統將影響耕地可持續集約利用的社會、經濟和環境因素聯系起來。基于PSR 模型對京津冀各地區進行耕地可持續集約利用評價，依據各地區的特點采取不同的措施，對PSR 模型各子系統不斷地調控能實時達到對耕地資源較為合理的利用，為促進京津冀各地區耕地可持續集約利用提供科學指導。

2）京津冀地區耕地可持續集約利用水平在空間和時間上都有差異。在空間上，包括北京市、天津市和保定市在內的經濟較為發達的中部地區耕地可持續集約利用水平高，以秦皇島市和邢臺市為主的南北部地區由于受到自然條件的影響，耕地可持續集約利用發展受到制約。在時間上，2005—2015 年，京津冀地區各城市耕地可持續集約利用水平呈不規律波動的態勢，總體呈增高趨勢。這一空間分區結果和時間變化與實際情況基本相符。

3）京津冀地區耕地可持續集約利用水平2005—2015 年總體呈增加的趨勢，但耕地集約程度不理想且空間離散程度明顯，耕地的數量已經成為制約耕地可持續發展的主要因素。

4）京津冀地區空間冷熱點分布呈現出“中部熱、南北部冷”的格局，這與區域經濟發展水平、耕地土壤質地、氣候條件和自然災害等息息相關。

4.2 建議

1）優化耕地空間利用。京津冀地區地形條件復雜，總體地勢為西北高、東南低，自西北向東南依次分布壩上高原、燕山-太行山山地和東南部平原。在耕地條件好的平原地區，嚴格保護基本農田，保證糧食安全；在農業生產效率較低的丘陵地區，以基本農田整治為主，提高農業生產效率；在濱海鹽堿地區，以改善農田生態環境、進行生態建設為主。

2）加大農業基礎設施建設。增加資金投入，提高農業設施利用水平，提高灌溉設施利用率，有效用水節水。注重丘陵地區路網建設，加強田間機耕道路的修建，保證農用機械的正常工作，提高耕地投入水平與耕作效率。