基于物元可拓模型的湖北省耕地生态安全评价

谭术魁　崔迪　李雅楠

摘要：2013年10月湖北省首次入选全国生态文明建设试点名单，为改善湖北省生态环境带来了新希望。耕地生态安全是生态文明领域的重要分支，对湖北省自2000年以来的耕地生态安全进行测度，以期为湖北省建设全国生态文明试点省提供有益参考。借鉴区域生态安全领域内相关学者的研究方法并进行改进，基于DPSIR理论建立评价指标体系，运用物元可拓模型，对湖北省耕地生态安全现状进行评价研究。结果显示：（1）湖北省耕地生态安全水平从2000年接近不安全的状态逐渐转变为2006年较不安全状态，又于2012年提高到具备转化为临界安全等级的水平；（2）农民人均纯收入、单位耕地面积农业机械化水平、工业固体废物综合利用率、污水处理率等因素的改善有利于湖北省耕地生态安全水平的提升，单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、单位土地面积废水负荷、环保投资占GDP的比重等因素严重制约了湖北省耕地生态安全水平的改善。物元可拓模型可以灵活有效地衡量湖北省耕地生态安全所处的状态，并发现其中有待改进的关键因素。为了提升湖北省耕地生态安全水平，需要减少农药化肥的使用量、减少废水的直接排放量、保护耕地资源和水资源的数量和质量、加大环保投资。

关键词：耕地生态安全，评价，物元可拓模型，组合权重，湖北省

中图分类号：F301.24 文献标识码：A

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

1 引言

耕地资源是最宝贵的自然资源之一，具备农业生产、生态、景观、社会文化、空间承载储备等多重功能。耕地资源生态安全是生态文明的一个重要分支。2013年湖北省首次入选全国生态文明建设试点名单，开展对耕地生态安全的研究，尤其是针对耕地生态安全评价方面的研究有利于认清当前耕地生态安全的现状，找出影响耕地生态安全的因素，帮助防范耕地生态安全问题寻找合适的路径，为湖北省建设生态文明省提供一定参考。

国内外学者在耕地生态安全相关领域内开展了丰富的研究。国外学者以土地资源的可持续利用为背景，研究农业、土地或土壤的生态安全问题：例如Rasul G和Thapa G B从环境、经济、社会三个角度评价了孟加拉的农业系统的生态稳定性；Di Pietro F从景观水平的视角评价了庇里牛斯山中部的农业土地利用的生态可持续性。国内学者对于耕地生态安全的相关研究还处于起步阶段。近年来，该领域内的研究逐渐地定量化，研究内容集中在耕地生态安全的评价、空间格局、影响因素、障碍因子分析、调控对策等。已有的生态安全评价文献运用的方法有模糊综合评价、神经网络模拟和系统动力学等。模糊综合评价法描述了评价对象界限的模糊性，反映了实际情况，但该方法对权重的确定不够科学。神经网络法会出现训练不足或训练过度的情况。运用系统动力学方法对同一问题开展多次研究可能会出现不同的结果，可靠性不够高。

因此，现有的评价方法在反映安全系统的层次性和安全系统的动态变化性方面还存在一定的局限性。

物元分析模型是通过构建经典域和值域，计算单个指标的关联度，然后再依据权重计算综合关联度，最终根据综合关联度的正负数值水平判定评价对象所处的等级状态的一种评价方法。物元分析模型不仅能给出总体的安全水平，还能够反映单个指标的评价信息，呈现出等级的中间转化状态，一定程度上可以减弱人为直接确定生态安全等级的主观性。因此，本文选择物元可拓模型作为评价工具，借鉴区域生态安全领域内相关学者的研究方法并进行改进，基于DPSIR理论建立相应的评价指标体系，综合运用熵权法和层次分析法计算组合权重，建立物元可拓模型，对湖北省耕地生态安全的现状进行物元分析，以期为湖北省耕地生态安全的建设提供一定的参考。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域

湖北省位于我国长江中游，洞庭湖以北，是我国十三大粮食主产区之一，也是我国重要的水稻主产区之一。湖北省生态资源丰富，农业生产区域化特点突出，水资源充裕，山地资源富足。然而近些年，湖北省的生态环境也面临水土流失严重、环境污染严重、水资源利用过度等问题。耕地资源的生态安全状况也令人堪忧。2013年，国家环保部批复了《关于同意将湖北省列为全国生态省建设试点的复函》，将湖北纳入生态省建设试点，湖北省的耕地资源生态安全有望得到改善。

2.2 指标体系构建

从已有文献来看，学者们并没有就耕地生态安全的内涵形成统一的观点，但大都认为应当从耕地生态系统自身和人类与耕地生态系统的关系两个角度来理解。即一方面，耕地生态系统本身处于健康的状态，具备完善的功能；另一方面，耕地作为一种资源，能够为人类的社会、经济、文化发展提供可持续的支持。

很多学者基于PSR建立耕地生态安全的评价体系，但是PSR理论只是呈现了耕地生态系统面临的压力、所处的状态和人类的反应三个方面的内容，不能完整地反映人类与耕地生态系统之间的相互作用关系。1993年，欧洲环境署对PSR模型修正后提出了驱动力（Driving Force）-压力（Pressure）-状态（State）-影响（Impact）-响应（Response）（DPSIR）模型。本文参考徐美（2012）、张锐（2013）等学者的研究成果，结合DPSIR模型对指标体系做出了改进，综合考虑数据的可得性构建了指标体系如表1所示。DPSIR模型从系统分析的角度，将湖北省耕地生态安全评价划分为五个相互作用的指标系统：驱动力、压力、状态、影响、响应。其中，驱动力是影响耕地生态安全的潜在因素，包含自然因素和人类因素，以人类因素为主，城镇化带来的空间扩张需求就是耕地生态安全面临的重要驱动力之一；压力是人类活动给生态环境带来的直接影响，人类对于耕地的利用方式会给耕地生态系统造成一定的压力；状态是在驱动力和压力的共同作用下，耕地生态系统所处的状态，即耕地的数量及质量情况，耕地的各项功能是否正常；影响是指耕地生态系统的现状对人类的生活、经济、社会带来的影响；响应是指人类基于耕地生态安全现状及其影响，制定有利于提高耕地生态安全水平的政策。

2.3 研究方法

论文主要选用物元可拓模型对湖北省耕地生态安全进行测度，同时综合运用层次分析法与熵权法给各个指标赋予权重，具体的研究步骤如下：

第一步，确定湖北省耕地生态安全物元、经典域、节域。

湖北省耕地生态安全物元由耕地生态安全等级、耕地生态安全特征、特征量值共同组成。

指标的经典域和节域主要参照已有的国际或者国家标准、该指标在全国的平均数值，借鉴张锐（2013）和赵宏波（2014）当中的相关研究，同时结合湖北省的实际情况和全国的平均水平做出调整之后得到。其中，经典域划分为五个等级，依次是1极不安全、2不安全、3较不安全、4临界安全、5安全。具体范围如表2所示。

第二步，确定评价指标权重。

为了综合主观确权方法和客观确权方法的优点，本文选择AHP和熵值法相结合的方式对19个指标进行赋权。在使用熵权法时，考虑到功效系数法更适合小样本数据的无量纲化处理，于是使用线性功效系数法对熵权法进行改进。

2.4 数据来源

本文利用的数据来自《湖北省统计年鉴（2001-2013）》《中国城市统计年鉴（2001-2013）》《中国农村统计年鉴（2001-2013）》《中国统计年鉴（2001-2013）》《中国环境年鉴（2001-2012）》《湖北省环境状况公报》《湖北省水土保持公报》等公开可查的统计资料。

3 结果与分析

搜集评价耕地生态安全相关的指标数据，借助物元可拓模型，得到了系统总体的状况，同时也得出了每个因素对系统总体的作用效果。以下将从子系统和总体两个层面阐述物元分析的结果。

3.1 各子系统的现状

5个系统共19个指标的变动趋势，如表4所示。

3.1.1 驱动力系统

城镇化水平、工业化水平、GDP增长率、人口自然增长率都呈现出不同等级的下降趋势，对湖北省耕地生态安全水平的提升起到了抑制作用；经济发展、人口增长，给耕地生态系统造成了潜在压力，给耕地生态安全水平提升工作带来了很大考验。

3.1.2 压力系统

人口密度所处等级平稳但属于较不安全级别，对耕地生态安全影响不大；而单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、单位土地面积废水负荷等因素对湖北省耕地生态安全水平影响较大，其中，单位耕地面积农药施用量和单位耕地面积化肥施用量从不安全状态发展为极不安全状态，单位土地面积废水负荷基本一直处于极不安全状态；压力系统中的单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、单位土地面积废水负荷非常值得关注，不科学的农药化肥使用以及大量废水的排放给耕地生态系统造成了巨大威胁。

3.1.3 状态系统

人均耕地面积一直处于较不安全状态，湖北省耕地资源短缺，人均耕地面积低于全国平均水平，人均保有的耕地数量偏少更容易引发透支耕地地力的行为；耕地垦殖率从较不安全状态转化到了临界安全状态，湖北省近几年的耕地数量得到了基本保障并有所改善；农业基础设施条件提升，灌溉保证率也有所改善，逐渐转为了临界安全状态；水土协调度指标存在波动且有变差的趋势，湖北省水资源丰富，但由于环境破坏、水资源保护措施不到位等原因，导致水资源情况有恶化的危险，这也必然影响到了耕地生态安全水平。

3.1.4 影响系统

单位耕地粮食产量较为稳定并且在近两年改善到临界安全状态；灾害指数处于不断波动状态，2010年到2012年逐步稳定到临界安全状态，对湖北省耕地生态安全水平的提升起到了促进作用，不过灾害的发生更多地取决于非人为因素，人为控制的可能性较小；农民人均纯收入水平不断提高，生活条件改善，保护生态环境的意识增强，有利于湖北省耕地生态安全水平的提高；单位耕地面积农业机械化水平持续提升，农业机械化的普及可以提升耕地的生产效率，促进耕地资源的有效利用，对耕地生态安全水平的提高有积极贡献。

3.1.5 响应系统

工业固体废物综合利用率、污水处理率等指标有上升趋势，可以帮助改进湖北省耕地生态安全水平；而环境污染治理投资与GDP之比处于下降状态，说明随着经济总量的扩增，环保投资并没有相应的提升，环保投资比例变低不利于湖北省耕地生态安全水平的上升。

3.2 整体现状

从湖北省耕地生态安全评估结果看，2000年到2012年期间，湖北省耕地生态安全水平从最初的不安全状态经由较不安全状态逐渐向临界安全状态转变。湖北省耕地生态安全状况有所提升，但是总体依旧处于不安全的范围，并且安全状况不够稳定，具备在相邻等级之间转换的可能。其中，2000年湖北省耕地生态安全具备转化为不安全的条件；2001年湖北省耕地生态系统处于不安全状态；随后的2002年至2004年，湖北省耕地生态系统又具备转化为不安全状态的条件；且在2005年表现出改善的局面，具备了转化为较不安全状态的条件，并于2006年达到了较不安全的水平；2007年至2010年，湖北省耕地生态系统处于可转化为较不安全等级的状态；2011年到2012年，湖北省耕地生态系统又进入到了具备转化为临界安全等级的状态。如表5所示。

4 结论与展望

4.1 结论

从整体上来看，2000年到2012年，湖北省耕地生态安全水平有所改善，从2000年具有转化为不安全等级条件的状态逐步演变到2006年的较不安全的状态，再逐渐提升到2012年的具备转化为临界安全等级条件的水平。

从子系统的各个指标来看，耕地垦殖率、灌溉保证率、单位耕地粮食产量、农民人均纯收入、单位耕地面积农业机械化水平、工业固体废物综合利用率、污水处理率等指标逐渐上升有利于湖北省耕地生态安全水平的提高；而城镇化水平、工业化水平、GDP增长率、人口自然增长率等指标的变动对耕地生态安全提出了挑战，同时单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、单位土地面积废水负荷等指标本身处于很危险的水平并且还有继续恶化的趋势，需要引起足够的重视，环境污染治理投资与GDP之比也偏低，存在改进的可能。

4.2 建议

为了提高湖北省耕地生态安全水平，可以从耕地利用、处理经济增长与环境保护关系、协调城市化与耕地生态安全等方面做出改进。

第一，在耕地利用方面，湖北省的农药、化肥使用量超出全国平均水平，应当限制农药、化肥的施用量，避免出现对耕地资源的掠夺性开发。

第二，在处理经济增长与环境保护关系方面，政府在兼顾经济增长的同时，应当加大对环境污染治理的投资，采用先进的技术提高对废弃物的利用率，减少废水的直接排放，减轻环境污染。

第三，在协调城市化与耕地生态安全方面，随着城市化和工业化进程加深，要由粗放的发展方式渐变到集约式的发展路线，走新型城市化和工业化发展之路，保证城市化与耕地生态安全的协调发展。

4.3 研究展望

物元分析在评价耕地生态安全时具有两个明显的优势：一是它可以反映出不同指标对于待评价对象的影响程度，方便找出其中的关键影响因素；二是它可以反映出待评价对象所处的中间状态，避免了人为根据结果划分等级的主观性。不过物元分析对于指标选取的合理性、经典域确定的科学性要求比较高，限于数据的可得性，本文在指标选取方面还有所不足，同时，在经典域、节域的确定上也还需要继续深入探讨。本文主要基于现有的基础数据，对湖北省耕地生态安全进行了评价。今后，一方面，可以尝试研究湖北省内部不同地区的耕地生态安全分异情况；另一方面，可以将物元分析与其他预测类方法相结合，对湖北省未来10年的耕地生态安全进行预测。

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作者简介：

谭术魁，华中科技大学公共管理学院教授，博士生导师，主要研究方向为土地管理。

崔迪，华中科技大学公共管理学院研究生，主要研究方向为土地管理。

李雅楠，华中科技大学公共管理学院研究生，主要研究方向为土地管理。

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

李求军/责任编辑