基于物元可拓模型的湖北省耕地生態(tài)安全評價

譚術(shù)魁　崔迪　李雅楠

摘要：2013年10月湖北省首次入選全國生態(tài)文明建設(shè)試點名單，為改善湖北省生態(tài)環(huán)境帶來了新希望。耕地生態(tài)安全是生態(tài)文明領(lǐng)域的重要分支，對湖北省自2000年以來的耕地生態(tài)安全進(jìn)行測度，以期為湖北省建設(shè)全國生態(tài)文明試點省提供有益參考。借鑒區(qū)域生態(tài)安全領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究方法并進(jìn)行改進(jìn)，基于DPSIR理論建立評價指標(biāo)體系，運用物元可拓模型，對湖北省耕地生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行評價研究。結(jié)果顯示：（1）湖北省耕地生態(tài)安全水平從2000年接近不安全的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?006年較不安全狀態(tài)，又于2012年提高到具備轉(zhuǎn)化為臨界安全等級的水平；（2）農(nóng)民人均純收入、單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、工業(yè)固體廢物綜合利用率、污水處理率等因素的改善有利于湖北省耕地生態(tài)安全水平的提升，單位耕地面積農(nóng)藥施用量、單位耕地面積化肥施用量、單位土地面積廢水負(fù)荷、環(huán)保投資占GDP的比重等因素嚴(yán)重制約了湖北省耕地生態(tài)安全水平的改善。物元可拓模型可以靈活有效地衡量湖北省耕地生態(tài)安全所處的狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)其中有待改進(jìn)的關(guān)鍵因素。為了提升湖北省耕地生態(tài)安全水平，需要減少農(nóng)藥化肥的使用量、減少廢水的直接排放量、保護(hù)耕地資源和水資源的數(shù)量和質(zhì)量、加大環(huán)保投資。

關(guān)鍵詞：耕地生態(tài)安全，評價，物元可拓模型，組合權(quán)重，湖北省

中圖分類號：F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9138-（2015）08-0043-52 收稿日期：2015-03-01

1 引言

耕地資源是最寶貴的自然資源之一，具備農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)、景觀、社會文化、空間承載儲備等多重功能。耕地資源生態(tài)安全是生態(tài)文明的一個重要分支。2013年湖北省首次入選全國生態(tài)文明建設(shè)試點名單，開展對耕地生態(tài)安全的研究，尤其是針對耕地生態(tài)安全評價方面的研究有利于認(rèn)清當(dāng)前耕地生態(tài)安全的現(xiàn)狀，找出影響耕地生態(tài)安全的因素，幫助防范耕地生態(tài)安全問題尋找合適的路徑，為湖北省建設(shè)生態(tài)文明省提供一定參考。

國內(nèi)外學(xué)者在耕地生態(tài)安全相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)開展了豐富的研究。國外學(xué)者以土地資源的可持續(xù)利用為背景，研究農(nóng)業(yè)、土地或土壤的生態(tài)安全問題：例如Rasul G和Thapa G B從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會三個角度評價了孟加拉的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性；Di Pietro F從景觀水平的視角評價了庇里牛斯山中部的農(nóng)業(yè)土地利用的生態(tài)可持續(xù)性。國內(nèi)學(xué)者對于耕地生態(tài)安全的相關(guān)研究還處于起步階段。近年來，該領(lǐng)域內(nèi)的研究逐漸地定量化，研究內(nèi)容集中在耕地生態(tài)安全的評價、空間格局、影響因素、障礙因子分析、調(diào)控對策等。已有的生態(tài)安全評價文獻(xiàn)運用的方法有模糊綜合評價、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬和系統(tǒng)動力學(xué)等。模糊綜合評價法描述了評價對象界限的模糊性，反映了實際情況，但該方法對權(quán)重的確定不夠科學(xué)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法會出現(xiàn)訓(xùn)練不足或訓(xùn)練過度的情況。運用系統(tǒng)動力學(xué)方法對同一問題開展多次研究可能會出現(xiàn)不同的結(jié)果，可靠性不夠高。

因此，現(xiàn)有的評價方法在反映安全系統(tǒng)的層次性和安全系統(tǒng)的動態(tài)變化性方面還存在一定的局限性。

物元分析模型是通過構(gòu)建經(jīng)典域和值域，計算單個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，然后再依據(jù)權(quán)重計算綜合關(guān)聯(lián)度，最終根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度的正負(fù)數(shù)值水平判定評價對象所處的等級狀態(tài)的一種評價方法。物元分析模型不僅能給出總體的安全水平，還能夠反映單個指標(biāo)的評價信息，呈現(xiàn)出等級的中間轉(zhuǎn)化狀態(tài)，一定程度上可以減弱人為直接確定生態(tài)安全等級的主觀性。因此，本文選擇物元可拓模型作為評價工具，借鑒區(qū)域生態(tài)安全領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究方法并進(jìn)行改進(jìn)，基于DPSIR理論建立相應(yīng)的評價指標(biāo)體系，綜合運用熵權(quán)法和層次分析法計算組合權(quán)重，建立物元可拓模型，對湖北省耕地生態(tài)安全的現(xiàn)狀進(jìn)行物元分析，以期為湖北省耕地生態(tài)安全的建設(shè)提供一定的參考。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

湖北省位于我國長江中游，洞庭湖以北，是我國十三大糧食主產(chǎn)區(qū)之一，也是我國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)之一。湖北省生態(tài)資源豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域化特點突出，水資源充裕，山地資源富足。然而近些年，湖北省的生態(tài)環(huán)境也面臨水土流失嚴(yán)重、環(huán)境污染嚴(yán)重、水資源利用過度等問題。耕地資源的生態(tài)安全狀況也令人堪憂。2013年，國家環(huán)保部批復(fù)了《關(guān)于同意將湖北省列為全國生態(tài)省建設(shè)試點的復(fù)函》，將湖北納入生態(tài)省建設(shè)試點，湖北省的耕地資源生態(tài)安全有望得到改善。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

從已有文獻(xiàn)來看，學(xué)者們并沒有就耕地生態(tài)安全的內(nèi)涵形成統(tǒng)一的觀點，但大都認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從耕地生態(tài)系統(tǒng)自身和人類與耕地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系兩個角度來理解。即一方面，耕地生態(tài)系統(tǒng)本身處于健康的狀態(tài)，具備完善的功能；另一方面，耕地作為一種資源，能夠為人類的社會、經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展提供可持續(xù)的支持。

很多學(xué)者基于PSR建立耕地生態(tài)安全的評價體系，但是PSR理論只是呈現(xiàn)了耕地生態(tài)系統(tǒng)面臨的壓力、所處的狀態(tài)和人類的反應(yīng)三個方面的內(nèi)容，不能完整地反映人類與耕地生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系。1993年，歐洲環(huán)境署對PSR模型修正后提出了驅(qū)動力（Driving Force）-壓力（Pressure）-狀態(tài)（State）-影響（Impact）-響應(yīng)（Response）（DPSIR）模型。本文參考徐美（2012）、張銳（2013）等學(xué)者的研究成果，結(jié)合DPSIR模型對指標(biāo)體系做出了改進(jìn)，綜合考慮數(shù)據(jù)的可得性構(gòu)建了指標(biāo)體系如表1所示。DPSIR模型從系統(tǒng)分析的角度，將湖北省耕地生態(tài)安全評價劃分為五個相互作用的指標(biāo)系統(tǒng)：驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)。其中，驅(qū)動力是影響耕地生態(tài)安全的潛在因素，包含自然因素和人類因素，以人類因素為主，城鎮(zhèn)化帶來的空間擴(kuò)張需求就是耕地生態(tài)安全面臨的重要驅(qū)動力之一；壓力是人類活動給生態(tài)環(huán)境帶來的直接影響，人類對于耕地的利用方式會給耕地生態(tài)系統(tǒng)造成一定的壓力；狀態(tài)是在驅(qū)動力和壓力的共同作用下，耕地生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，即耕地的數(shù)量及質(zhì)量情況，耕地的各項功能是否正常；影響是指耕地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀對人類的生活、經(jīng)濟(jì)、社會帶來的影響；響應(yīng)是指人類基于耕地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其影響，制定有利于提高耕地生態(tài)安全水平的政策。

2.3 研究方法

論文主要選用物元可拓模型對湖北省耕地生態(tài)安全進(jìn)行測度，同時綜合運用層次分析法與熵權(quán)法給各個指標(biāo)賦予權(quán)重，具體的研究步驟如下：

第一步，確定湖北省耕地生態(tài)安全物元、經(jīng)典域、節(jié)域。

湖北省耕地生態(tài)安全物元由耕地生態(tài)安全等級、耕地生態(tài)安全特征、特征量值共同組成。

指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域主要參照已有的國際或者國家標(biāo)準(zhǔn)、該指標(biāo)在全國的平均數(shù)值，借鑒張銳（2013）和趙宏波（2014）當(dāng)中的相關(guān)研究，同時結(jié)合湖北省的實際情況和全國的平均水平做出調(diào)整之后得到。其中，經(jīng)典域劃分為五個等級，依次是1極不安全、2不安全、3較不安全、4臨界安全、5安全。具體范圍如表2所示。

第二步，確定評價指標(biāo)權(quán)重。

為了綜合主觀確權(quán)方法和客觀確權(quán)方法的優(yōu)點，本文選擇AHP和熵值法相結(jié)合的方式對19個指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。在使用熵權(quán)法時，考慮到功效系數(shù)法更適合小樣本數(shù)據(jù)的無量綱化處理，于是使用線性功效系數(shù)法對熵權(quán)法進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 數(shù)據(jù)來源

本文利用的數(shù)據(jù)來自《湖北省統(tǒng)計年鑒（2001-2013）》《中國城市統(tǒng)計年鑒（2001-2013）》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒（2001-2013）》《中國統(tǒng)計年鑒（2001-2013）》《中國環(huán)境年鑒（2001-2012）》《湖北省環(huán)境狀況公報》《湖北省水土保持公報》等公開可查的統(tǒng)計資料。

3 結(jié)果與分析

搜集評價耕地生態(tài)安全相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，借助物元可拓模型，得到了系統(tǒng)總體的狀況，同時也得出了每個因素對系統(tǒng)總體的作用效果。以下將從子系統(tǒng)和總體兩個層面闡述物元分析的結(jié)果。

3.1 各子系統(tǒng)的現(xiàn)狀

5個系統(tǒng)共19個指標(biāo)的變動趨勢，如表4所示。

3.1.1 驅(qū)動力系統(tǒng)

城鎮(zhèn)化水平、工業(yè)化水平、GDP增長率、人口自然增長率都呈現(xiàn)出不同等級的下降趨勢，對湖北省耕地生態(tài)安全水平的提升起到了抑制作用；經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長，給耕地生態(tài)系統(tǒng)造成了潛在壓力，給耕地生態(tài)安全水平提升工作帶來了很大考驗。

3.1.2 壓力系統(tǒng)

人口密度所處等級平穩(wěn)但屬于較不安全級別，對耕地生態(tài)安全影響不大；而單位耕地面積農(nóng)藥施用量、單位耕地面積化肥施用量、單位土地面積廢水負(fù)荷等因素對湖北省耕地生態(tài)安全水平影響較大，其中，單位耕地面積農(nóng)藥施用量和單位耕地面積化肥施用量從不安全狀態(tài)發(fā)展為極不安全狀態(tài)，單位土地面積廢水負(fù)荷基本一直處于極不安全狀態(tài)；壓力系統(tǒng)中的單位耕地面積農(nóng)藥施用量、單位耕地面積化肥施用量、單位土地面積廢水負(fù)荷非常值得關(guān)注，不科學(xué)的農(nóng)藥化肥使用以及大量廢水的排放給耕地生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大威脅。

3.1.3 狀態(tài)系統(tǒng)

人均耕地面積一直處于較不安全狀態(tài)，湖北省耕地資源短缺，人均耕地面積低于全國平均水平，人均保有的耕地數(shù)量偏少更容易引發(fā)透支耕地地力的行為；耕地墾殖率從較不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)化到了臨界安全狀態(tài)，湖北省近幾年的耕地數(shù)量得到了基本保障并有所改善；農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件提升，灌溉保證率也有所改善，逐漸轉(zhuǎn)為了臨界安全狀態(tài)；水土協(xié)調(diào)度指標(biāo)存在波動且有變差的趨勢，湖北省水資源豐富，但由于環(huán)境破壞、水資源保護(hù)措施不到位等原因，導(dǎo)致水資源情況有惡化的危險，這也必然影響到了耕地生態(tài)安全水平。

3.1.4 影響系統(tǒng)

單位耕地糧食產(chǎn)量較為穩(wěn)定并且在近兩年改善到臨界安全狀態(tài)；災(zāi)害指數(shù)處于不斷波動狀態(tài)，2010年到2012年逐步穩(wěn)定到臨界安全狀態(tài)，對湖北省耕地生態(tài)安全水平的提升起到了促進(jìn)作用，不過災(zāi)害的發(fā)生更多地取決于非人為因素，人為控制的可能性較小；農(nóng)民人均純收入水平不斷提高，生活條件改善，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識增強(qiáng)，有利于湖北省耕地生態(tài)安全水平的提高；單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平持續(xù)提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及可以提升耕地的生產(chǎn)效率，促進(jìn)耕地資源的有效利用，對耕地生態(tài)安全水平的提高有積極貢獻(xiàn)。

3.1.5 響應(yīng)系統(tǒng)

工業(yè)固體廢物綜合利用率、污水處理率等指標(biāo)有上升趨勢，可以幫助改進(jìn)湖北省耕地生態(tài)安全水平；而環(huán)境污染治理投資與GDP之比處于下降狀態(tài)，說明隨著經(jīng)濟(jì)總量的擴(kuò)增，環(huán)保投資并沒有相應(yīng)的提升，環(huán)保投資比例變低不利于湖北省耕地生態(tài)安全水平的上升。

3.2 整體現(xiàn)狀

從湖北省耕地生態(tài)安全評估結(jié)果看，2000年到2012年期間，湖北省耕地生態(tài)安全水平從最初的不安全狀態(tài)經(jīng)由較不安全狀態(tài)逐漸向臨界安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變。湖北省耕地生態(tài)安全狀況有所提升，但是總體依舊處于不安全的范圍，并且安全狀況不夠穩(wěn)定，具備在相鄰等級之間轉(zhuǎn)換的可能。其中，2000年湖北省耕地生態(tài)安全具備轉(zhuǎn)化為不安全的條件；2001年湖北省耕地生態(tài)系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)；隨后的2002年至2004年，湖北省耕地生態(tài)系統(tǒng)又具備轉(zhuǎn)化為不安全狀態(tài)的條件；且在2005年表現(xiàn)出改善的局面，具備了轉(zhuǎn)化為較不安全狀態(tài)的條件，并于2006年達(dá)到了較不安全的水平；2007年至2010年，湖北省耕地生態(tài)系統(tǒng)處于可轉(zhuǎn)化為較不安全等級的狀態(tài)；2011年到2012年，湖北省耕地生態(tài)系統(tǒng)又進(jìn)入到了具備轉(zhuǎn)化為臨界安全等級的狀態(tài)。如表5所示。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

從整體上來看，2000年到2012年，湖北省耕地生態(tài)安全水平有所改善，從2000年具有轉(zhuǎn)化為不安全等級條件的狀態(tài)逐步演變到2006年的較不安全的狀態(tài)，再逐漸提升到2012年的具備轉(zhuǎn)化為臨界安全等級條件的水平。

從子系統(tǒng)的各個指標(biāo)來看，耕地墾殖率、灌溉保證率、單位耕地糧食產(chǎn)量、農(nóng)民人均純收入、單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、工業(yè)固體廢物綜合利用率、污水處理率等指標(biāo)逐漸上升有利于湖北省耕地生態(tài)安全水平的提高；而城鎮(zhèn)化水平、工業(yè)化水平、GDP增長率、人口自然增長率等指標(biāo)的變動對耕地生態(tài)安全提出了挑戰(zhàn)，同時單位耕地面積農(nóng)藥施用量、單位耕地面積化肥施用量、單位土地面積廢水負(fù)荷等指標(biāo)本身處于很危險的水平并且還有繼續(xù)惡化的趨勢，需要引起足夠的重視，環(huán)境污染治理投資與GDP之比也偏低，存在改進(jìn)的可能。

4.2 建議

為了提高湖北省耕地生態(tài)安全水平，可以從耕地利用、處理經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)關(guān)系、協(xié)調(diào)城市化與耕地生態(tài)安全等方面做出改進(jìn)。

第一，在耕地利用方面，湖北省的農(nóng)藥、化肥使用量超出全國平均水平，應(yīng)當(dāng)限制農(nóng)藥、化肥的施用量，避免出現(xiàn)對耕地資源的掠奪性開發(fā)。

第二，在處理經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)關(guān)系方面，政府在兼顧經(jīng)濟(jì)增長的同時，應(yīng)當(dāng)加大對環(huán)境污染治理的投資，采用先進(jìn)的技術(shù)提高對廢棄物的利用率，減少廢水的直接排放，減輕環(huán)境污染。

第三，在協(xié)調(diào)城市化與耕地生態(tài)安全方面，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程加深，要由粗放的發(fā)展方式漸變到集約式的發(fā)展路線，走新型城市化和工業(yè)化發(fā)展之路，保證城市化與耕地生態(tài)安全的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.3 研究展望

物元分析在評價耕地生態(tài)安全時具有兩個明顯的優(yōu)勢：一是它可以反映出不同指標(biāo)對于待評價對象的影響程度，方便找出其中的關(guān)鍵影響因素；二是它可以反映出待評價對象所處的中間狀態(tài)，避免了人為根據(jù)結(jié)果劃分等級的主觀性。不過物元分析對于指標(biāo)選取的合理性、經(jīng)典域確定的科學(xué)性要求比較高，限于數(shù)據(jù)的可得性，本文在指標(biāo)選取方面還有所不足，同時，在經(jīng)典域、節(jié)域的確定上也還需要繼續(xù)深入探討。本文主要基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對湖北省耕地生態(tài)安全進(jìn)行了評價。今后，一方面，可以嘗試研究湖北省內(nèi)部不同地區(qū)的耕地生態(tài)安全分異情況；另一方面，可以將物元分析與其他預(yù)測類方法相結(jié)合，對湖北省未來10年的耕地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測。

參考文獻(xiàn)：

1.宋小青 歐陽竹.中國耕地多功能管理的實踐路徑探討.自然資源學(xué)報.2012.4

2.Rasul G，Thapa G B.Sustainability of Ecological and Conventional Agricultural Systems in Bangladesh：An Assessment Based on Environmental，Economic and Social Perspectives.Agricultural Systems.2004.79

3.Di Pietro F.Assessing Ecologically Sustainable Agricultural Land-use in the Central Pyrenees at the Field and Landscape Level.Agriculture，Ecosystems & Environment.2001.86

4.王千 金曉斌 周寅康.河北省耕地生態(tài)安全及空間聚集格局.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2011.8

5.任平 洪步庭 周介銘.長江上游農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)耕地生態(tài)安全評價與空間特征研究.中國人口·資源與環(huán)境.2013.12

6.張銳 鄭華偉 劉友兆.基于PSR模型的耕地生態(tài)安全物元分析評價.生態(tài)學(xué)報.2013.16

7.朱紅波.我國耕地資源生態(tài)安全的特征與影響因素分析.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2008.2

8.張銳 劉友兆.我國耕地生態(tài)安全評價及障礙因子診斷.長江流域資源與環(huán)境.2013.7

9.王軍 何玲 董謙 甄明濤 魏紅杰 張越.河北省農(nóng)業(yè)生態(tài)安全障礙度評價與對策研究.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究.2010.1

10.張強(qiáng) 薛惠鋒 張明軍 劉雪艷.基于可拓分析的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警模型及應(yīng)用——以陜西省為例.生態(tài)學(xué)報.2010.16

11.趙宏波 馬延吉.基于變權(quán)-物元分析模型的老工業(yè)基地區(qū)域生態(tài)安全動態(tài)預(yù)警研究——以吉林省為例.生態(tài)學(xué)報.2014.16

12.周文華 王如松.城市生態(tài)安全評價方法研究——以北京市為例.生態(tài)學(xué)雜志.2005.7

13.宋磊.湖北省城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系研究.華中農(nóng)業(yè)大學(xué).2007

14.徐美 朱翔 李靜芝.基于DPSIR-TOPSIS模型的湖南省土地生態(tài)安全評價.冰川凍土.2012.5

作者簡介：

譚術(shù)魁，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為土地管理。

崔迪，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院研究生，主要研究方向為土地管理。

李雅楠，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院研究生，主要研究方向為土地管理。

Abstract：Hubei was elected into the national pilot list of ecological civilization constructionin October 2013，which gives us more hope to improve the situation of ecological security in Hubei. Ecological security of cultivated land is an important branch of ecology，and in order to provide some advices this paper studied the ecological security of cultivated land in Hubei since 2000.Based on the methods used in regional ecological security study，this paper built an evaluation system according to the DPSIR theory，and then finished the early-warning study by using matter-element model.Findings are：firstly，the ecological security changed from nearly unsafe level in 2000 to less safe level in 2006 and finally tocritically safe level in 2012；Secondly，improvement in net income of farmers，agricultural mechanization，comprehensive utilization rate of industrial solid wasteand sewage treatment ratecontributed to the ecological security，while the use of pesticides and fertilizers，waste water discharge and investment in environmental protectionlimited the progress of ecological security.Paper also found that matter-element model can do early-warning in ecological security of cultivated land in Hubei and can help get the key factors useful to promote it.To improve security level we need to reduce the use of pesticides and fertilizers，reduce the direct emission of waste water，protect the quantity and quality of cultivated land as well as water resources，increase investment in environmental protection.

Keywords：Ecological security of cultivated land，Early-warning，Matter-element model，Combination weight，Hubei

李求軍/責(zé)任編輯