甘肅省涇河流域2010-2019年農村生態環境質量分析及預測

岳思妤, 談存峰, 楊林娟, 龔大鑫

(甘肅農業大學 財經學院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著區域開發戰略的深入推進，中國加大了對西部地區農村經濟的投入，甘肅涇河流域農村地區社會經濟發展取得巨大成就。農民收入穩步提高，農產品供給能力持續增強，傳統的經濟發展模式給該區域農村生態環境面臨巨大壓力，農藥、化肥過量低效使用，廢舊薄膜隨意丟棄，秸稈焚燒、回收率低，生活垃圾和污水亂丟亂倒，養殖業污染等，致使農村生態環境問題日趨嚴重[1]。生態結構紊亂，自我調節功能不健全，農村環境質量水平較低等問題，不僅威脅著農民群眾的身體健康，而且也成為涇河流域農村地區生態可持續發展的制約因素。根據《甘肅省水資源公報》和《甘肅省水土保持公報》，2019年甘肅省涇河流域總用水量為4.70×108m3,其中農田灌溉用水量為2.17×108m3，占46.15%，林牧漁畜用水量為4.70×107m3，總耗水量共計2.88×108t,其中農業耗水率占比高達64.84%，農業用水率較高，且高耗水量擠占了生態用水量，因而限制了生態發展；廢污水年排放總量為5.61×107t，生態水資源開發利用量僅為1.98×107m3，水土流失面積達15 114.93 km2，水土流失治理面積僅為64.266 3 km2，農村環境污染現象和生態破壞問題日益突出。涇河是黃河第一大支流渭河的第一大支流，開展涇河流域生態環境質量評價分析研究對農村生態環境發展，推進美麗鄉村建設有重要研究意義，促進了鄉村振興和黃河流域生態保護和高質量發展等重大戰略的實施，有利于農村自然生態與經濟社會效益的有機統一，保障農民有健康舒適的生活環境。

20世紀70年代，國外學者已對生態環境的評價開展研究，進入21世紀已發展成熟[2]。國內有關農村生態環境的研究，主要集中于現狀及問題、指標體系構建、評價、環境治理等方面，如卞素萍[3]、高子舒[4]均對農村生態環境現狀、特征和問題進行了分析；雷波等[5]從經濟發展、污染控制、資源利用、人居環境、生態保護、社會環境6大方面構建新農村環境質量綜合評價模型；郜彗等[6]運用全排列多邊形綜合指數方法，計算中國省域各目標層評價指數和農村人居環境綜合指數；王曉君等[7]通過構建PSR模型綜合評價了2000—2015年中國的農村生態環境質量，并基于GM(1,1)模型進行動態預測；鄭滿生等[8]、芮菡藝等[9]采用綜合指數法對農村地區環境質量狀況進行綜合評估；孟旭彤等[10]運用灰色關聯法分析各指標間關聯度，得出生態保護、生態環境的關聯度最大，還需加大對河北省北部山區農村生態環境的治理；何壽奎[11]分析了農村生態環境面臨的困境與問題，并提出對策建議。綜上所述，眾多學者已從多個角度對農村生態環境進行了詳細研究，但是關于流域農村生態環境的評價研究仍不多見。本文在前人研究的基礎上，通過熵值法和綜合指數法測算生態環境質量等級，研究甘肅省涇河流域農村生態環境質量評價的相關問題，以期對農村生態環境保護和高質量發展研究提供參考。

1 研究區概況

涇河流域(東經106°14′—108°42′，北緯34°46′—37°19′)作為黃河第一大支流渭河的第一大支流，主要流經甘肅省境內平涼和慶陽兩市，由涇河干流與馬蓮河水系構成，位于六盤山以東。流域內人口較密，2019年甘肅涇河流域農村地區人口達1.95×106人。流域總面積為31 210 km2，年降水量1.88×1010m3。同比前一年下降了4.1%，總用水量為4.70×108m3，其中農村居民生活用水量占6.145%，農村生態環境用水量占0.415%，土地礦產資源豐富，歷來是甘肅省重要的農業區和能源工業基地。

本文主要研究區域范圍為平涼市的崆峒區、涇川縣、靈臺縣、崇信縣、華亭市和慶陽市的西峰區、慶城縣、環縣、華池縣、合水縣、正寧縣、寧縣、鎮原縣。該地區干旱少雨、植被稀疏且水土流失嚴重。隨著區域經濟社會的迅猛發展與崛起，農村生活生產污染源持續增加，污染程度日益嚴重，引起了近年來各地對農村生態環境的重視度大幅提高，生態環境治理力度不斷提升[12]。

2 指標體系構建、數據來源及研究方法

2.1 指標體系構建

PSR框架即“壓力—狀態—響應”模型最早是由聯合國經濟合作開發署提出。該模型分析有較強的科學性和可操作性，其指標考慮確定結合當地具體情況，有極強的針對性和合理性，因而被廣泛應用于流域生態系統健康評價、城市生態評價等熱門研究領域[13](圖1)。

本研究根據甘肅省涇河流域農村各地區生態環境的實際發展現狀，綜合社會、經濟、資源與環境3要素，結合現在世界上較為權威和全面的指標體系來構建該區域的生態環境質量評價指標體系。指標體系包括指標層、準則層和目標層。指標層為實際可度量指標，準則層由壓力、狀態、響應3個系統構成，目標層最終反映區域生態環境質量評價[14]。本研究篩選出18個指標構建農村生態環境質量評價指標體系(表1)。

(1) 壓力指標P。反映生態環境受到社會、經濟、自然方面的壓力程度。考慮到該區域農村生態實際情況，人口密度較大，會帶來一定的人口資源壓力影響，其次水資源開發利用率低，成為最大制約因素，且農業生產中農藥、化肥、塑料薄膜是主要面源污染物，給土壤、地表水等帶來危害，對農村生態環境施加了極大壓力，因而選擇人口密度(人/km2)、水資源開發利用率(%)、單位面積化肥施用量(kg)、單位面積農藥施用量(kg)、塑料薄膜使用量(t)作為壓力指標。

圖1 PSR研究過程示意圖

表1 PSR框架下甘肅省涇河流域農村生態環境質量評價指標體系

(2) 狀態指標S。主要體現在人類對環境的污染破壞改變了生態環境原有的現狀，考慮自然狀態、人類活動狀態因素，因而選擇人均耕地面積(hm2)、農林牧漁業總產值占GDP比重(%)、森林覆蓋率(%)、水土流失程度(%)、有效灌溉面積(1 000 hm2)5個指標構建狀態指標層。

(3) 響應指標R。指個人組織或政府部門為了改善農村生態環境，實現可持續發展，制定出的治理污染、環境保護等相關決策建議。選擇農村居民人均可支配收入(元/人)、秸稈綜合利用率(%)、農村生活污水處理率(%)、畜禽糞便處理率(%)、環境保護投資占GDP比例(%)、村鎮飲用水衛生合格率(%)、農村衛生廁所普及率(%)、水土流失治理面積(km2) 8個指標構建響應指標層，反映人類從自然、經濟方面對生態環境變化做出的反饋活動。

2.2 數據來源

本文2010—2019年各指標原始數據主要來源于2011—2020年的《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《甘肅省統計年鑒》《甘肅農村年鑒》《甘肅水資源公報》《甘肅水土保持公報》《甘肅發展年鑒》《慶陽市年鑒》《平涼市年鑒》，經過計算整理，所得指標值詳見表2。

2.3 研究方法

2.3.1 指標權重確定 本文采用熵值法確定評價指標權重，是多指標綜合評價的重要關鍵方法，與層次分析法和主觀賦權法相比，熵值法包含的主觀因素較少，計算權重具有較強的說服力[15]。主要根據指標值的大小確定權重，熵值越大，冗余度越小，表明指標的不確定性越大，精確度越小，所占比重越小，在綜合評價中所能起到的作用也越小，權重也就越小。

先對原始數據進行標準化處理，得到以下標準化公式，主要采用極值法：(x′ij是標準化后的指標值，xij為指標的原始數據)

(1)

(2)

設有a個評價對象，每個評價對象有b個評價指標，樣本值為xij，其中i=(1,2,…,a),j=(1,2,…,b)，第j個指標的熵ej值計算公式為：

(3)

當pij=0時,pijlnpij=0。

表2 PSR框架下農村生態環境質量評價指標值

在指標的信息熵確定之后，根據公式計算第j個指標的權重wi。

(4)

2.3.2 綜合指數法 甘肅省涇河流域農村生態環境質量評價綜合指數E計算模型為：

(5)

式中：x′ij是標準化值;wj是第j個指標的權重。綜合指數E越大,生態環境質量越好,反之則較差。本文根據研究區域近年的農村生態環境具體情況,在參考潘紫媗等[16]、馬年圣等[17]、張燕等[18]研究成果的基礎上,將其綜合指數等級具體劃分為5部分,評價標準見表3。

表3 生態環境綜合指數(E)分級評價標準

2.3.3 灰色預測GM(1,1)模型 本文采用灰色預測GM(1,1)模型對2020—2029年甘肅省涇河流域農村生態環境質量綜合指數進行預測，可直觀表示序列的主要趨勢變化。該模型對結構關系和運行尚不確定的對象進行預測分析具有獨特優勢，適用于數據指標內容多，且相互制約和影響的復雜關系，計算量小，最后一定要檢驗分析模擬結果，保證預測結果的有效性，GM(1,1)模型精度評價等級見表4。一般用作模型預測，精度等級要求達到二級以上。

構建預測公式：

(6)

表4 GM(1,1)模型精度檢驗標準

3 結果與分析

3.1 評價結果及分析

根據上述研究方法，首先計算2010—2019年甘肅省涇河流域農村生態環境質量各指標權重(表5)。

表5 甘肅省涇河流域農村生態環境質量指標權重

從權重計算結果可知，響應指標對涇河流域農村生態環境質量的影響程度最大，超過0.5，說明環境保護政策的實施對生態環境作用發揮較大；二級指標中農村衛生廁所普及率權重最大，為0.201 7，說明隨著農村衛生廁所的不斷擴建，生態環境質量水平有所改善；其次水土流失治理面積的權重為0.109 3，一定程度上改善了涇河流域水土流失情況；其中環境保護投資占GDP比例的權重為0.057 5，環保資金的投入使農村生態環境質量得到了提升；其次是狀態指標，有效灌溉面積指標對該地區農村生態環境質量的影響程度較大，為0.100 6，人均耕地面積和水土流失程度均對生態環境質量有一定的影響；一級指標權重占比最小的是是壓力指標，但其中二級指標單位面積化肥施用量和農藥施用量的影響程度較大，分別為0.05，0.039，說明化肥和農藥的使用對土地生態造成一定的污染破壞，對生態環境造成較壞影響。由此可得，人為保護對提高該地區農村生態環境質量水平的作用巨大，環境質量、自然資源與生態系統的狀況對農村生態環境質量發展具有一定的影響，而當前受自然、社會、經濟等方面的壓力影響較小。

3.1.1 分類評價結果 根據以上權重結果，利用公式計算得到綜合指數，通過圖2可明顯看出，壓力指數走勢呈 “Ⅴ”型，先下降再上升，2016年壓力指數達到最低點，僅為0.035 2，受環境破壞壓力強度較大。狀態指數呈緩慢上升趨勢，響應指數的增長幅度較快，最高值達到0.371 7，說明近幾年來，在生態環境政策的大力宣傳下，人們的環保意識加強，農村關于生態保護和污染防治的投入力度增強，一定程度上也減緩了該地區農村生態環境質量總體下滑的趨勢。

圖2 甘肅省涇河流域農村生態環境分類評價結果趨勢

(1) 從研究區壓力指數的發展趨勢來看，主要分為3個階段：①從2010—2014年，壓力指數整體呈現下降趨勢，從2010年的0.147 1下降到2014年的0.057 3，年均下降率達21.01%，主要影響因素為單位面積農藥和化肥施用量、塑料薄膜使用量的逐年增加，且均為負向指標；②2014—2016年，呈現波動趨勢，暫不穩定，2015年壓力指數為0.069 4，有小幅上升，到2016年又下降了49.28%，主要原因表現為2015年水資源開發利用率下降，而塑料薄膜使用量大幅增加，比2014年增加了37.89%；③2016—2019年壓力指數快速上漲，年均增長率為52.65%。值得注意的是，單位面積化肥施用量和單位面積農藥施用量的權重數值在壓力指標層中較高，分別為0.05，0.033 9，說明土壤受影響破壞力強，土地所承受壓力較大，因而在之后的生態環境保護中仍需密切關注，減少化肥農藥使用，積極推廣有機肥料，加強對農業土地的利用與保護。

(2) 狀態指數呈現緩慢上升趨勢，年增長率為21.88%，其中有效灌溉面積的權重最高為0.100 6，人均耕地面積次之為0.078 1，森林覆蓋率的影響程度也較高，均為正向指標，且指標值逐年增加，水土流失程度隨著水土治理的進一步改善逐年遞減，在一定程度上影響著生態環境質量水平狀態。

(3) 響應指數總體呈快速上升趨勢，主要受農村衛生廁所普及率、水土流失治理面積、環境保護投資占GDP比例、農村居民人均可支配收入、秸稈綜合利用率、畜禽糞便處理率、農村生活污水處理率、村鎮飲用水衛生合格率的影響，其中前三者影響所占比重較大。從具體評價指標來看，農村衛生廁所普及率在環境質量評價結果中所占比重較大，主要得益于農村“廁所革命”的實施推進，并預計到2025年省級衛生鄉鎮的農村戶用衛生廁所普及率將達到70%。到2019年涇河流域農村衛生廁所普及率平均值為25.86%，主要農村廁所改造啟動時間較晚，因而還需加大政策資金投入力度。環境保護投資占GDP的比例在2019年達到2.57%，比2010年增長1.62倍，對整體環境質量評價結果影響較大。近年來農藥、化肥和廢舊薄膜的有效綠色處理，使生態環境狀態漸趨完善。

3.1.2 綜合評價結果 從2010—2019年甘肅省涇河流域農村生態環境綜合指數結果趨勢中(圖3)可以看出，農村生態環境質量總體分值都不高，但呈現不斷上升趨勢，綜合指數從0.182 7上升至0.675 0，質量等級從2010年的“劣”經過一系列響應措施的實施變為2019年的“中”，表明甘肅省涇河流域地區農村生態環境質量狀況還較為嚴重，但前景樂觀，必須不斷采取積極有效的治理措施來改善當地的農村生態環境狀況。根據農村生態環境質量綜合指數分級評價標準，甘肅省涇河流域農村生態環境質量狀態變化主要分為3個階段：①2010—2016年，區間在0.182 7～0.338 8之間，等級為“劣”，在此期間環境污染嚴重，經濟發展落后，生態系統結構混亂，服務功能喪失，總體波動趨勢較大；②2016—2017年，綜合指數上升到0.446 5，等級為“差”；③2018—2019年，綜合指數大幅增長，上升至0.675 0，年均遞增率為27.05%，在此期間，農村生態環境受到破壞，發展一般，系統結構有變化，服務功能退化但可基本操作，表明甘肅省涇河流域農村生態環境質量狀況向良好趨勢發展。

圖3 2010-2019年甘肅省涇河流域農村生態環境綜合指數變化趨勢

甘肅省逐年加大對農村生態環境保護的重視度，通過緊盯重點區域，各級黨委制定全域無垃圾工作實施方案，清潔村莊建設，實現全民參與、整體聯動。工廠等都采取了對污水、固體廢棄物的有效無害處理、畜禽糞便薄膜都進行了統一回收加工處理、綠色有機化肥的推廣使用、農藥的有效控制使用均降低了對土壤水質的污染破壞，環保基礎設施的建成投入使用和不斷完善，以及生產方式的不斷轉變，使甘肅省涇河流域地區農村生態環境質量不斷好轉。各縣域組辦聯合督察組，定期檢查通報工作落實情況，并通過“工程隊+保潔員”的方式逐項整改發現問題，采取“以獎代補”的辦法有效開展治理措施[19]。但是，在全省的環境質量綜合指數測算分析中，涇河流域地區仍處于較低水平，農村生態環境發展壓力較大，治理成效還需進一步增強，隨著經濟社會發展，人民群眾對生態環境的保護意識逐漸增強并得到實踐改善。

3.2 甘肅省涇河流域農村生態環境質量預測

根據GM(1,1)模型的原理，本文以甘肅省涇河流域農村生態環境質量綜合指數為原始數據，對2020—2029年的農村生態環境質量健康狀況進行預測。運用Matlab軟件實現灰色預測GM(1,1)模型，結果顯示a=-0.141 4，u=0.256 8，預測模型為：

預測檢驗結果顯示(表6)相對誤差均小于5%，全部在可接受的誤差范圍內，相對殘差Q檢驗為0.086 9，c和p的精度都在一級以上，說明模型預測效果較好。由此可得2020—2029年甘肅省涇河流域農村生態環境綜合指數及變化趨勢(圖4)。根據預測結果可知，按照當前發展態勢，2020—2029年涇河流域農村生態環境質量狀況將向等級“良好”不斷上升，說明在接下來的幾年間，農村生態環境質量發展水平呈現良好狀況，農村環境治理措施有效，環境污染程度變小，生態系統不斷完善。全省主要結合清潔村莊創建和美麗鄉村建設，以“全民參與，整體聯動”為宗旨，形成了“戶分類，村收集，鎮管理，縣拉運”的全域無垃圾專項治理工作長效機制，成效顯著。從壓力方面，對農藥和塑料薄膜的減少施用，綠色有機化肥的推廣使用等，從根本上降低了自然環境的壓力；狀態方面森林覆蓋率的提高，有效灌溉面積的增加，水土流失防治責任范圍擴大等均改善了生態環境；在響應方面，秸稈利用率、生活污水和畜禽糞便處理率的提高，該地區對環境保護方面的資金投入力度，治理水土流失面積的逐漸增加，以及近幾年對農村衛生廁所的普及和改造等均體現了政策的有效實施。2020—2029年也將呈現穩步提升的態勢，實現生態保護和高質量有效發展，全面建設生態宜居的美麗鄉村建設。

表6 2010-2019年甘肅省涇河流域農村生態環境綜合指數GM(1,1)模型預測值及相對誤差

4 結論及建議

4.1 結 論

(1) 2010—2019年甘肅涇河流域農村生態環境綜合指數等級變化趨勢為“劣—差—中”，生態環境質量水平目前居于中等，但總體水平仍呈現上升趨勢，主要表現為單位面積化肥和農藥減少施用、有效灌溉面積的增加、秸稈綜合利用率、畜禽糞便處理率、環境保護投資占GDP比例、農村衛生廁所普及率和水土流失治理面積的響應程度有顯著正向影響。一定程度上改善了生態環境質量，保障了農民生活水平。

圖4 2010-2029年甘肅省涇河流域農村生態環境綜合指數預測趨勢

(2) 農村生態環境質量壓力指數呈波動“Ⅴ”字型，狀態指數和響應指數總體呈現上升趨勢，反映出農村生態環境承受的生態破壞和污染壓力較大，但環保治理措施成效顯著，前景較為樂觀。

(3) 通過預測模型分析顯示2020—2029年涇河流域農村生態環境質量狀況不斷改善，2029年農村生態環境綜合指數預計達到0.842 3，2021—2029年達到等級良好，環境污染程度較小，生態系統結構較完善，環境整體狀況較好。

4.2 建 議

“十四五”期間，中國正處于深入打好升級版農業農村污染治理的攻堅階段，農村經濟的快速發展為農村生態環境帶來了巨大壓力，但在甘肅省涇河流域農村農業經濟發展的同時，生態問題也不可忽略[20]。在今后的環境發展中，具體到農村生活環境建設方面，還應重點加強水土流失治理程度、自來水普及、廁所全覆蓋改造，清潔能源有效利用等；在農村環境治理方面：①要加強道路硬化建設，注重基礎設施的建設和完善；②多關注村級污水處理等問題，從人民群眾思想意識方面提高對生態環境的保護，政府層面對流域農村生態環境的重視和人民群眾的有效配合，積極加強生態文明建設，能夠使生態環境質量得到不斷提高。推進村莊清潔行動，實施農村廁所改造，資源節約化回收利用，有效促進涇河流域農村生態環境高質量發展和鄉村振興建設。