基于PSR-可拓云模型的湖南省懷化市農業生態安全評價

周子英, 劉伏英

(1.湖南工程學院 管理學院, 湖南 湘潭 411104; 2.湖南農業大學, 資源環境學院, 湖南 長沙 410128)

農業生態安全是生態安全的重要組成部分，是指農業自然資源和生態環境處于一種健康、平衡、不受威脅的狀態，農業生態安全是農業可持續發展的根本保障[1]。農業生產的主要目的就是為市場提供農產品，隨著人們生活水平的提高，健康、綠色、環保的農產品越來越受到市場的青睞，保障農業生態安全是綠色農業的基本要求[2]。目前，城市化與工業化的快速發展，對農業生態系統造成了很大的壓力，農業生態系統不斷破碎化、農業面源污染加大、生態環境惡化等，影響了農業生態系統的安全性與穩定性[3]。懷化市地處湖南省西部，經濟發展較為落后，農業在三大產業結構中占據了較大的比重，對當地國民經濟的發展起著十分重要的作用，因此，分析懷化市農業生態環境現狀，并對當地農業生態安全性進行評價研究，對推動懷化市農業健康可持續發展具有十分重要的現實意義。近年來，一些學者對農業生態安全進行了評價研究，如呂川和陽桂前[4]基于DPSIR框架模型從驅動力、生態系統壓力、生態環境狀態、生態系統響應和人文響應5個方面構建了評價指標體系，并對遼河上游流域農業生態安全進行了評價研究。劉歡等[5]運用熵值法、障礙度分析模型對西安都市農業生態安全進行了評價研究。廖琪等[6]從壓力、狀態和響應3方面構建了農業生態安全評價指標體系，并利用熵權法確定各評價指標權重，采用PSR模型對佛山市順德區農業生態安全進行了定量評價。龔英和陳振江[7]以重慶武隆縣作為案例地，用綜合指數法對其農業生態安全進行了評價。蘇世燕和楊俊孝[8]基于農戶土地利用行為，構建了農業生態安全評價指標體系，并采用PSR模型對農業生態安全進行了評價研究。從相關研究成果可以看出，學者們對農業生態安全評價均采用較為簡單的層次分析法、熵權法、PSR模型、綜合指數法等，這些評價方法未能全面考慮評價過程中農業生態安全分級邊界的模糊性，無法依據評價指標的變化情況掌握農業生態安全的轉化趨勢，從而影響了農業生態安全評價結果的準確性。因此，需要建立一個能夠考慮指標間相關性的農業生態安全指標體系和考慮不確定性的農業生態安全評價模型，以完善農業生態生安全評價結果，從而指導農業生產活動。針對以上問題，本文開展的農業生態安全與指標間相關性以及不確定性影響農業生態安全評價研究，旨在解決以下問題： ①如何建立考慮農業生態環境狀態與農業生態安全相互關系的評價指標體系； ②如何科學確定評價指標的權重，使得評價指標權重系數能夠體現其對農業生態安全的影響； ③如何建立一個考慮不確定性和模糊性的農業生態安全綜合評價模型。針對以上問題提出以下解決方案，首先針對問題①，參考相關學者的研究成果[6，8-10]，基于PSR指標框架，從農業生態系統壓力、狀態、響應方面，構建農業生態安全評價指標體系；其次，針對問題②，由于主觀權重極易受到專家知識經驗、偏好的影響，具有一定的主觀隨意性，而客觀權重依據評價指標的數值變化，突出局部差異和變化性，缺乏了主觀事實經驗，為了獲得科學的評價指標權重值，采用基于專家經驗的主觀權重和基于相關系數的客觀權重相結合的權重確定方法，并采用合作博弈法得到評價指標的組合權重[11-12]；最后，針對問題③，采用可拓云模型對農業生態安全評價過程中的模糊性與隨機性進行處理，全面考慮農業生態安全等級分級邊界的模糊性和計算過程中參數求解的隨機性，利用云模型的不確定推理特性和可拓學中的物元理論兼具定性、定量分析的優點[13]，提出基于可拓云理論的農業生態安全評價模型。

1 研究方法

1.1 可拓云模型

1.1.1 云模型 李德毅教授提出的云模型是一種實現定性定量轉換的不確定性數學模型[14]，該模型用數學表達式對事物本身的模糊性和隨機性進行統一的描述與分析，通過構建云發生器來實現定性與定量之間的映射關系。正態云模型是最基本的云模型，數學性質獨特，具有普適性[15]。正態云模型通過期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)組成云關聯度函數，其計算公式為：

Ex=(xmax+xmin)/2

(1)

En=(xmax-xmin)/6

(2)

He=s

(3)

式中：xmax，xmin分別代表某一評價指標的最大值和最小值;s代表經驗取值,由專家組根據經驗進行調整給出; 期望Ex代表評價指標等級; 熵En描述了屬性概念的不確定程度; 超熵He用來度量熵不確定性程度。

1.1.2 可拓云模型 可拓云模型是將云模型引入物元分析理論中的耦合模型[16]，根據物元模型的定義，結合云模型具有雙重不確定性的性質，利用云模型中的(Ex,En,He)代替物元模型中的評價指標值xi，則農業生態安全評價待評可拓云物元模型可表示為：

(4)

式中：P為農業生態安全水平;n為單指標評價等級個數;ci為農業生態安全水平的評價指標;xi為農業生態安全評價指標ci的指標值。

1.2 合作博弈法確定組合權重

(5)

(6)

計算評價指標的組合權重：

(7)

1.3 確定可拓云模型云關聯度

根據農業生態安全評價的特點，將各項評價指標值xi視為一個云滴，產生一個均值為En，標準差為He的服從正態分布的隨機數En′，計算出評價指標值xi與該正態可拓云之間的關聯度u為：

u=exp〔-(xi-Ex)1/2(Eni′)2〕

(8)

1.4 確定農業生態安全評價等級

整合各評價指標的云關聯度矩陣與權重矩陣，得到綜合云關聯度，并對其進行加權平均得到農業生態安全評價等級的期望值：

Rk=wi·U

(9)

(10)

式中：Rk為綜合云關聯度;R′為等級特征值;wi為各指標組合權重值;U為各評價指標正態云關聯度矩陣;k為評價等級,本研究將農業生態安全等級劃分為5級,即k∈{1,2,3,4,5}。

根據熵理論，云熵越大，表明農業生態安全水平等級的標準隸屬云受影響最為均衡，運用加權平均法求出綜合評判分數r，計算公式為：

(11)

式中：fj為得分值,分別對應Ⅰ—Ⅴ的評價等級;bj為綜合云關聯度Rk對應的分量。在評價指標與正態云之間,由云關聯度計算公式可以推出隨機因素存在的關聯度k,經過多次運算后求出綜合評判分數的期望值Exr和熵Enr,分別為：

(12)

(13)

式中：m為運算次數,在本研究中取m=1 000；ri(x)為第i次運算出的綜合評判分數,用期望值代表農業生態安全等級的評價; 用熵值來衡量評價結果分歧度,熵值越大時,表示結果越趨向于無序,評價結果越分散。

評價中，為了說明評價結果的可信度，定義了可信因子(θ)，計算公式為：

(14)

2 評價過程及評價結果

2.1 評價指標體系的構建

本文從農業生態系統壓力、狀態、響應3方面構建懷化市農業生態安全評價指標體系，借鑒農業生態安全相關研究成果[4-10,21-22]，結合懷化市歷年農業發展現狀，基于PSR模型框架選取具有代表性的22個單項指標來構建懷化市農業生態安全評價指標體系(表1)。

表1 農業生態安全評價指標體系

2.2 數據來源與評價標準的確定

本研究各指標的原始數據均來自于2011—2019年《懷化統計年鑒》、統計公報和由懷化市農業局提供的相關數據資料，依據《農業綠色發展技術導則(2018—2030年)》和懷化市農業發展現狀以及農業生態安全評價相關研究成果[1,7-10]，結合專家意見，將農業生態安全評價等級劃為Ⅰ—Ⅴ級[23]，對于一些定量指標，參考湖南省農業發展情況，結合農業生態國家標準對部分評價標準進行調整，得到懷化市農業生態安全的等級劃分對應級別(詳見表2)。農業生態安全等級及表征狀態詳見表3。

表2 懷化市農業生態安全評價標準

表3 農業生態安全等級劃分

2.3 確定標準云

將農業生態安全評價的指標等級分類取值區間根據公式(1)—(3)進行轉換，咨詢相關專家意見，將s取值為0.02，區間值轉換后得到以期望值Ex、熵En、超熵He表示的云物元，兼顧農業生態安全評價等級界限值的模糊性和隨機性，實現分級區間軟化，轉換之后農業生態安全評價指標的等級界限云模型詳見表4。

表4 懷化市農業生態安全評價指標的安全等級界限云模型

2.4 確定評價指標組合權重

利用G1法、CRITIC法和熵權法得到懷化市農業生態安全評價指標分權重，然后利用合作博弈法將各分權重進行組合，得到評價指標的組合權重。具體內容詳見表5。

表5 懷化市農業生態安全評價指標權重

2.5 懷化市農業生態安全評價結果

依據可拓云理論，將其中每一個評價指標視為一個云滴，根據公式(11)計算云物元與各個等級的關聯度，在Matlab 2017 a平臺編程對關聯度進行多次計算，為排除偶然性的影響，對每年的數據均進行1 000次計算，然后進行平均，得到懷化市2010—2019年農業生態安全等級的綜合云關聯度、生態安全級別和可信因子(表6)。由表6可知，2010—2019年，懷化市農業生態安全狀況處于比較安全(Ⅲ)、安全(Ⅳ)兩種狀態，整體安全狀況有待提升。在2010—2014年，懷化市農業生態系統處于比較安全級別，但是在2010—2012年期間，整個農業生態系統有向不安全變化的趨勢，而2013年和2014年則是處于向安全級別轉變的態勢；在2015—2019年，懷化市農業生態安全級別為安全(Ⅳ)，同樣安全態勢變化各異，其中，2015—2016年，農業生態系統有向比較安全轉化的趨勢，而2018年和2019年農業生態系統有向非常安全轉化的趨勢，由此可見，懷化市農業生態安全得到了一定程度的提升，但是還不十分穩定，如果不采取措施進行科學管理與監控，整個農業生態系統有逆向轉化的可能，從而影響農業生態系統的平衡。

表6 懷化市2010-2019年農業生態安全綜合評價結果

2.6 懷化市農業生態安全準則層評價結果

依據評價指標各等級隸屬度矩陣，結合準則層權重，得到懷化市農業生態安全壓力系統、狀態系統和響應系統安全隸屬度矩陣，采用最大隸屬度原則確定準則層生態安全評價等級(表7)。

表7 懷化市農業生態安全準則層評價結果

2.6.1 農業生態系統—壓力系統 研究區壓力系統只有2015年與2019年處于安全狀態，其余各年均處于比較安全狀態，變化趨勢處于Ⅱ—Ⅳ之間波動。從各指標的原始數據可以發現，懷化市人口增長率除2019年為3.72‰，處于基本安全級別，其余各年均處于不安全區間。研究區單位GDP能耗處于0.7～0.9區間范圍，其中2010—2012年，單位GDP能耗均高于0.8，達到了危險級別，在2013年后，均處于不安全等級狀態；由于農業種植帶來的經濟收益不及二三產業收益，使得農業難以吸引社會投資，懷化市農業生態系統多采用傳統的耕種方式，同時，農民進行農業耕種的興趣日益下降，大部分青壯農民選擇外出就業或者到城市兼業，投入到農業耕種的時間進一步縮短，有機肥料進入農業生態系統的數量日益減少，化肥使用強度與農藥使用強度處于不安全級別，且逐年加大。

2019年研究區化肥使用強度達到歷年最高值，土壤中有機質含量下降，農產品的品質下降速度較為明顯，造成整個農業生態系統壓力逐年增大。

2.6.2 農業生態系統—狀態系統 狀態系統經歷了比較安全到安全的變化過程，其變化趨勢在2010—2012年、2014年呈逆向變化，其余各年均呈正向變化。從各評價指標原始數據可知，在2010年，懷化市農林牧漁業總產值為163.06億元，處于不安全等級，在2011—2012年，農林牧漁業總產值處于比較安全級別，2013—2014年期間，農林牧漁業總產值處于安全級別，而2015—2019年，農林牧漁業總產值得到了較快的增長，處于非常安全級別；懷化市農業科技投入缺乏，土地產出水平低，在2010年和2011年，土地產出水平分別為2.45萬元/hm2，3.04萬元/hm2，處于不安全級別，在2012—2015年，土地產出水平從3.63萬元/hm2增長到4.62萬元/hm2，處于比較安全級別，而在2016—2019年，土地產出水平從5.03萬元/hm2增長到5.93萬元/hm2，處于安全級別；由于懷化市工業較少，森林覆蓋率高，空氣質量好，全年空氣優良率達到了安全級別，狀態系統評價結果顯示，相對于壓力系統，狀態系統安全等級穩定性更高，具有更大的正向發展潛力。

2.6.3 農業生態系統—響應系統 響應系統安全等級相對高于壓力系統，但不及狀態系統。由于懷化市經濟發展較慢，人民生活水平較低，農村污水集中處理率和農村生活垃圾無害化處理率均處于較低水平，導致懷化市整體污水集中處理率和生活垃圾無害化處理率較低，在2010—2012年，均處于不安全等級，2013—2019年，由于精準扶貧的開展，對農村生態環境進行了針對性的整治，農村污水集中處理率和農村生活垃圾無害化處理率有所上升，但是整體還只是處于比較安全等級，安全等級有待上升；2010年和2011年懷化市人均GDP分別為1.44萬元和1.76萬元，分別處于比較安全和安全等級，在2013—2019年，人均GDP均高于2萬元，處于非常安全等級；農村常住居民人均可支配收入在2019年為1.09萬元，為不安全等級，其余各年均處于危險等級；在2010—2012年，懷化市農村居民恩格爾系數均大于50%，處于危險等級，自2013年國家進行精準扶貧以來，農村居民恩格爾系數有了較快的下降，下降到30%～40%區間范圍內，處于比較安全等級；懷化市人均耕地面積與人均糧食產量分別處于危險等級與不安全等級。由響應系統可以發現，除了2013年、2014年和2019年響應系統安全等級具有正向變化的趨勢，其余各年均呈逆向的變化趨勢。

3 結 論

(1) 本文通過建立基于PSR-可拓云模型的農業生態安全評價模型，對懷化市2010—2019年農業生態安全進行了評價，發現該地區農業生態系統從比較安全狀態到安全狀態轉化，農業生態安全等級有所上升，但農業生態系統極易受到外界的干擾，整體安全水平仍不穩定，安全水平有待于進一步提升。評價過程與評價結果表明，PSR-可拓云模型能夠在考慮環境因素與指標間的模糊性與隨機性的同時，可以對農業生態安全做出科學合理的評價。

(2) 懷化市農業生態系統承受著較大的壓力，從評價結果發現壓力系統安全級別從比較安全狀態到安全狀態轉化，但只有2015年與2019年處于安全狀態，其余各年均處于比較安全狀態。除了2014年、2017年和2018年呈正向的轉變趨勢，其余各年均呈逆向變化，可見壓力系統很不穩定，安全等級有較大的下降可能，主要原因在于人口的增加、單位GDP能耗過高以及農藥、化肥的過量使用，使得整個農業生態系統承受了較大的壓力。為了減少壓力系統的壓力狀況，需要減少單位GDP能耗和農藥、化肥的使用量，同時，增加農業高科技投入，大力發展綠色生態農業，有效減小農業生態系統環境壓力。

(3) 狀態系統在2010—2012年、2014年呈逆向變化態勢，其余各年均是呈正向的變化態勢，從評價結果來看，相比較于壓力系統，狀態系統安全等級更高，但是整個農業生態系統要進一步提升安全等級，需要加大農業科技投入，增加土地產出水平，同時，興修足夠的農田水利設施，提升耕地有效灌溉率。

(4) 響應系統安全等級相對高于壓力系統，但不及狀態系統。響應系統除了2013，2014和2019年呈正向變化的趨勢，其余各年均呈逆向變化，究其主要原因在于懷化市的農村污水集中處理率和農村生活垃圾無害化處理率較低，同時，由于懷化市山地多，平地少，耕地數量十分有限，農民可支配收入少，農村恩格爾系數較大，但隨著國家精準扶貧戰略和鄉村振興戰略的實施，相信這種狀態會有一定程度的好轉。