基于熵权集对分析的西北地区耕地生态安全水平差异比较

刘 锐,李 涛

(1.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2.巢湖学院旅游管理学院，安徽 合肥 238000；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

耕地是人类赖以生存和发展的重要物质基础，对地球环境有非常重要的生态服务功能，经过人类长期干预，耕地生态系统逐渐演变为高度耦合的自然-社会-经济-生态复合系统[1-2]。随着耕地开发进程的深入，出现了耕地资源的数量降低、耕地的投入产出效率偏低和耕地周围的生态环境恶化等一系列影响耕地生态安全的问题[3]。因此，科学准确地开展区域耕地生态安全评价，优化区域耕地生态安全的改善路径，对于提高耕地利用效率、支撑经济社会稳定发展、保护生态环境及实现区域可持续发展具有较高的理论意义和现实意义[4]。通过梳理已有相关文献，耕地生态安全研究主要涉及如下方面：(1)从不同角度和不同尺度对耕地生态安全进行评价。张详义[5]、吴大放[6]、聂艳[7]、郭荣中[8]等分别对河北省肥乡县、广州市、湖北省、长株潭地区等进行了研究。(2)依据可持续发展理论，注重从多维度视角构建耕地生态安全评价指标体系。张详义[5]、聂艳[7]等以自然、经济、社会等要素分别对河北省肥乡县、湖北省耕地生态安全进行评价；贾书楠[9]、张锐[10]、李政[11]等分别基于能值理论、PSR模型、DPSIR模型构建耕地生态安全指标评价体系。(3)运用计量经济方法定量化反映耕地生态安全状态，形成较为系统的耕地生态安全评价研究方法。主要包括量子遗传投影寻踪模型[7]、熵权物元模型[5]、改进生态足迹模型[12]、熵权TOPSIS法[11]、耗散结构理论[13]、集对分析法[14]等方法。(4)耕地生态安全影响因素与调控策略。国内学者对耕地生态安全影响因素的研究大多从单一视角出发，缺乏全面性和系统性，且注重理论分析，缺乏实证分析[15-16]。因此，以耕地生态安全作为耕地资源可持续利用研究的切入视角，对评价不同时空尺度和研究对象均具代表性。耕地生态安全研究是复杂、系统的科学问题，然而，耕地生态安全研究存在指标权重确定的主观性和框架模型设置包容性不足等问题，需要进一步改进与完善。一方面，运用熵权法可以根据指标间的离散程度来确定权重，避免了权重确定的主观性，在一定程度上改善和提高了评价的质量；另一方面，PSR概念模型从压力、状态、响应3个角度综合测度不同系统对耕地生态系统的反应与响应结果并整合为耕地生态安全评价模型，可更加客观、准确地反映西北地区耕地生态安全特征及形成过程。鉴于此，基于压力—状态—响应(PSR)模型，在构建耕地生态安全评价指标体系基础上，运用熵权法和集对分析理论，建立耕地生态安全评价模型，对西北地区耕地生态安全水平和障碍因子进行差异比较分析，旨在为耕地生态安全评估提供一种新思路，也为西北地区合理利用耕地资源及保护生态安全提供理论和技术支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

中国西北地区属温带大陆性气候，为资源型缺水区，光热资源丰富，干燥少雨，蒸发强烈，昼夜温差大，植被覆盖稀疏，主要以草原、荒漠为主。该区域位于大兴安岭以西，长城和昆仑山—阿尔金山—六盘水以北，介于31°32′～49°10′N，73°15′～111°15′E之间，包括青海省、甘肃省、陕西省、宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区，总面积达310万km2，约占全国总面积的32.3%。西北地区由于所处地理位置特殊，不仅是全球气候变化响应最敏感的地带、生态环境变化最脆弱的地区[17]，也是我国耕地资源富集的地区。当前耕地已成为我国经济社会发展的重要约束性稀缺资源，因此研究西北地区耕地生态安全对实现我国经济社会的稳定发展具有重要实践意义[3]。

1.2 数据来源

文中采用的数据主要来源于2003、2009和2017年的《中国农业统计年鉴》、《新疆统计年鉴》、《甘肃统计年鉴》、《宁夏统计年鉴》、《青海统计年鉴》和《陕西统计年鉴》等并整理计算得到。

2 研究方法

2.1 集对分析法

集对分析法是通过结合确定性和非确定性问题以进行同异反定量分析的方法[18]。本研究运用集对分析方法计算耕地生态安全指数，将具有紧密联系的2个集合看成一个集对，通过引入同异反联系度来分析集合之间的联系程度，以便统一处理随机、模糊、中介和信息不完全所致的不确定性[19]。具体公式表示如下：

μ=a+bi+cj

(1)

式中，μ表示2个集合之间的同异反联系度，a、b、c分别表示同一度、差异度和对立度，且满足归一化条件a+b+c=1；i、j分别为差异度系数和对立度系数，i∈[-1,1]，j一般情况下取-1[20]。同一度和差异度主要用来描述集合之间的确定性关系，差异度主要用来描述其不确定性关系。

根据集对分析基本原理，设西北地区耕地生态安全评价指标体系为集合A，耕地生态安全评价等级为集合B。设Im代表要素层评价指标，Imq代表指标层评价指标，Imq的观测值为tmq。评价等级为五级，有4个临界值分别表示为amq1、amq2、amq3、amq4，从而可以建立指标层、要素层和目标层的耕地生态安全复杂系统评价的五元联系数，并通过均分原则确定耕地生态安全等级[21-22]。具体步骤如下：

(1)指标层评价指标五元联系数计算公式

耕地生态安全指标层评价指标Imq的五元联系数为：

μmq=rmq1+rmq2i1+rmq3i2+rmq4i3+rmq5j

(2)

式中，rmql∈[0,1]是指标层指标Imq相对于评价等级Bl的联系度分量；μmq为指标层指标Imq的五元联系数，其计算公式如表1。

(2)要素层和目标层的五元联系数计算公式

要素层综合评价五元联系数为：

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5j

(3)

(4)

式中，μm为要素层评价指标Im的五元联系数；ωmq为要素层评价指标Im的权重；km为素层评价指标Im包含的指标层评价指标Imq的个数。

表1 指标层指标Imq的综合评价五元联系数计算公式

目标层综合评价五元联系数为：

μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(5)

(6)

式中，μ为目标层的五元联系数；ωm为指标Im的权重；i1，i2，i3表示安全等级的不确定性差异度系数，j=-1，为对立度系数。总体评价联系数随着耕地生态安全状况不断好转而不断发展变化。

(3)耕地生态安全评价各级指标的五元联系数主值

根据公式(6)，由于μ∈[-1,1]，按照“均分原则”，将[-1,1]区间4等分得4个子区间，当i1，i2，i3从左至右依次取i1=0.5，i2=0，i3=-0.5及j=-1时，可得五元联系数主值的主值μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j。

(4)耕地生态安全的评价等级确定

根据“均分原则”，将[-1,1]区间分为5等分，分别为(0.6～1.0)、(0.2～0.6)、(-0.2～0.2)、(-0.6～-0.2)、(-1.0～-0.6)，该5个区间对应评价等级依次为“安全”、“较安全”、“临界安全”、“较不安全”、“不安全”。将得出的μ值与各个等级对应的区间范围进行对比，得到耕地生态安全评价等级，μ值越大，说明评价等级越高，耕地生态安全状况越好[14，23-24]。

2.2 熵权法

2.3 障碍因素诊断

通过因子贡献度、指标偏离度和障碍度三个指标诊断阻碍耕地生态安全的障碍因子及其影响程度大小。因子贡献度(Yn)表示因子对总目标的贡献度；指标偏离度(Pn)表示单项指标与最大目标之间的差距设为指标标准化值与1之间的差距；障碍度(an)表示指标n对耕地生态安全的影响[26]。其计算公式为：

(7)

(8)

3 结果与分析

3.1 评价模型构建

耕地生态安全是指一定时空尺度背景下，耕地生态系统为实现维持其正常功能结构和社会经济可持续发展而应达到的一种状态[27]。耕地生态安全评价的目标是全面掌握耕地生态安全状况，揭示影响耕地生态安全的限制性因素，评估耕地生态安全水平，为耕地可持续利用提供科学依据。压力(Pressure)—状态(State)—响应(Response)模型是由联合国OECD和UNEP共同提出，目前该模型被广泛应用于人地关系、资源利用与可持续发展等研究领域[28]。本研究借鉴PSR概念模型作为耕地生态安全评价指标体系的基本框架，耕地生态安全评价指标体系框架由3个层次构成，即目标层、要素层和指标层。目标层反映耕地生态安全的总体态势和总体效果，要素层是诊断生态系统的持续性、剖析人类活动与生态环境之间内在的因果关系，指标层是评价耕地生态安全水平的具体量度。依据耕地生态安全评价指标体系的基本框架，遵循科学性、主导性、区域性、可测度性和动态性等原则，在借鉴国内外现有研究成果的基础上[5-10]，遴选基于PSR模型的耕地生态安全评价指标体系(表2)。各项评价指标及其涵义为：x1～x6为压力指标，表征人口增长、经济社会发展给耕地生态系统带来一定的压力。其中：x1人均耕地面积=耕地面积/总人口;x2单位耕地化肥负荷=化肥施用量/耕地面积；x3单位耕地农药负荷=农药施用量/耕地面积；x4土地垦殖率=耕地面积/土地面积；x5人口密度=总人口/土地面积；x6城市化水平=城镇人口/总人口；x7～x11为状态指标，表征人类不断开发利用土地资源，通过人类活动向耕地生态系统排放污染，改变了耕地生态系统结构与功能。其中，x7森林覆盖率=森林面积/土地面积；x8单位耕地农业机械化水平=农业机械总动力/耕地面积;x9灾害指数=成灾面积/农作物播种面积;x10单位耕地粮食产量粮食总产量/耕地面积;x11人均水资源量=水资源总量/总人口；x12～x16为响应指标，表征耕地生态系统在压力条件下对原有状态的反应并反馈人类社会的过程，在此基础上，人类通过政策、环保投入等措施进行响应，从而改善耕地生态系统状态，实现可持续发展。其中，x12灌溉保证率=耕地有效灌溉面积/耕地面积；x13第一产业产值占GDP比重=第一产业产值/GDP；x14农民人均纯收入=农民纯收入/农村人口；x15农业从业人员投入=农业从业人员数量/耕地面积；x16环保污染治理投资占GDP比重=环保污染治理投资额/GDP。

耕地生态安全评价的关键环节是评价标准的制定，为科学合理地反映西北地区耕地生态系统的安全状况，通过参考国家、行业及国际相关标准并借鉴前人的研究成果[14,29-31]将耕地生态安全评级指标划分为5级，即安全、较安全、临界安全、较不安全、不安全。具体标准见表3。

3.2 西北地区耕地生态安全状况分析

在分析西北地区耕地生态安全评价指标数据基础上，运用熵权法计算各评价指标的权重值(表2)，依据集对分析原理，计算耕地生态安全评价指标联系数主值，并确定安全等级(表4)。由表4可知，2002年西北地区耕地生态安全联系数主值均小于0.2，安全等级均为“临界安全”，2008年新疆、甘肃、宁夏安全等级较2002年没有发生变化，青海、陕西联系数主值分别为0.2334、0.2019，接近“较安全”等级下限，2016年新疆安全等级较2008年出现较大幅度提升，联系数主值由0.0499提升为0.2692，安全等级提升为“较安全”，甘肃、宁夏联系数主值较2008年略微增加，但安全等级未发生改变，仍然处于“临界安全”等级，而青海、陕西联系数主值出现微降微升的状态，安全等级仍然为“较安全”。从各省耕地生态安全的时序变化来看，2002—2016年期间，甘肃、宁夏安全等级一直处于“临界安全”，青海、陕西安全等级处于稳步提升状态，由2002年的“临界安全”提升为2008年和2016年的“较安全”等级，新疆则在2008年后安全状况有所提升，由之前的“临界安全”提升为“较安全”等级。

表2 西北地区耕地生态安全评价指标体系

表3 耕地生态安全评价等级标准

表4 西北地区2002—2016年目标层的五元联系数、主值及安全等级

3.3 障碍因子诊断

运用障碍度模型，从要素层诊断西北地区耕地生态安全障碍因子(图1)。西北地区耕地生态安全系统中要素层3个指标的安全障碍度程度与变化情况分别不同。从不同年份要素层障碍度变化情况来看，西北地区压力、状态和响应障碍度均值由2002年的52.434、21.296、26.270变化为2016年的38.479、44.168、17.353，压力和响应呈下降趋势，而状态呈上升趋势。从要素层障碍度多年均值来看，2002年和2016年两个年份西北地区压力、状态和响应障碍度均值分别为45.457、32.732、21.811，压力一直是西北耕地生态安全系统最大的障碍因子，其次是状态，最后是响应。西北地区自然环境条件恶劣，要提高耕地生态安全水平，就要制定支农政策，强化耕地占补平衡，改善农业生产条件，改进耕作技术，积极推进土地整理、复垦，动态监测耕地质量，协调好耕地利用与经济社会发展和环境保护的关系。计算西北地区耕地生态安全联系数主值与压力、状态、响应障碍度的相关系数，得出2002年相关系数分别为-0.226、0.120、0.055,2016年分别为-0.830、0.851、-0.661，可见西北地区耕地生态安全水平与要素层障碍度密切相关。新疆、青海和陕西耕地生态安全等级提升一方面与压力障碍度降低有关，另一方面与状态障碍度大幅度增加有关，表明依赖农业科学技术以提高土地集约化利用程度及加大土地投入以提高单位面积粮食产量可以显著提高耕地生态安全水平。

根据各评价指标障碍度大小，列出2002年和2016年西北地区耕地生态安全主要障碍因子(表5)。2002年阻碍西北地区耕地生态安全水平的障碍要素主要集中在压力、响应方面，主要包括人均耕地面积(x1)、单位耕地化肥负荷(x2)、人口密度(x5)、城市化水平(x6)、第一产业产值占GDP比重(x13)、农民人均纯收入(x14)、农业从业人员投入(x15)等；而2016年阻碍西北地区耕地生态安全水平的障碍要素主要集中在压力、状态方面，主要包括人均耕地面积(x1)、单位耕地化肥负荷(x2)、单位耕地农药负荷(x3)、土地垦殖率(x4)、人口密度(x5)、灾害指数(x9)、单位耕地粮食产量(x10)、人均水资源量(x11)等。从单向指标变化趋势分析可知，新疆和青海耕地生态安全值上升的主要原因是人均水资源量的大幅度增加。陕西耕地生态安全值上升得益于农业科研投入和环境治理投资的增加，提高了耕地生产率和耕地环境，但城市建成区的扩张、固定资产投资的增加和水资源的短缺制约了生态安全等级提升。甘肃、宁夏耕地生态安全维持等级不变，是由于耕地数量的减少和耕地质量的下降没有明显改善，农业生产技术条件的落后、农田施肥等原因致使耕地负荷严重，威胁生态安全。

4 结论与建议

4.1 结 论

(1)2002—2016年西北地区耕地生态安全总体水平不断提高，但安全等级在地区内部存在差异，表现为甘肃、宁夏维持“临界安全”等级不变，新疆、青海、陕西则由2002年的“临界安全”升级为2016年的“较安全”等级。

图1 2002年和2016年西北地区耕地生态安全要素层障碍度Fig.1. Obstacle values of cultivated land ecologicalelements layer security in the northwest region in 2002 and 2016

表5 2002和2016年西北地区耕地生态安全障碍因子及障碍度

(2)2002—2016年西北地区要素层障碍度变化表现为压力和响应呈下降趋势，状态呈上升趋势。从2002年和2016年障碍度均值来看，影响西北地区耕地生态安全水平障碍因子排序依次为压力、状态、响应。新疆、青海和陕西耕地生态安全等级提升与状态障碍度大幅度增加有关。

(3)新疆和青海耕地生态安全值上升的主要原因是人均水资源量的大幅度增加。陕西耕地生态安全值上升得益于农业科研投入和环境治理投资的增加，提高了耕地生产率和耕地环境，但城市建成区的扩张、固定资产投资的增加和水资源的短缺制约了生态安全等级提升。甘肃、宁夏耕地生态安全维持等级不变，是由于耕地数量的减少和耕地质量的下降没有明显改善，农业生产技术条件的落后、农田施肥等原因致使耕地负荷严重，威胁生态安全。

4.2 建 议

耕地是粮食生产的物质基础，维持耕地生态安全关系到粮食安全和农业的可持续发展。西北地区总体耕地生态安全水平不高，结合耕地生态安全评价等级标准(表3)分析，从主要障碍因子出发提出现阶段各地区耕地生态安全水平的提升对策。

(1)新疆要持续完善耕地可持续利用的激励机制，积极做好防灾减灾工作。长期以来新疆积极的支农激励政策导致耕地开垦严重，今后应注重在耕地资源开发利用中兼顾保护和开发。2016年新疆排名前五的耕地生态安全障碍因子中灾害指数(x9)为8.14%，位于第4安全等级，今后需要积极做好灾害预警与应对工作，建立政府农业保险政策，实现耕地的可持续利用。

(2)甘肃和宁夏应着力加大农田水利建设，积极推进土地整理和复垦政策，加强耕地质量监控。2016年排名前五位的耕地生态安全障碍因子中土地垦殖率(x4)分别为12.62%和19.41%，位于第4和第3安全等级，人均水资源量(x11)分别为和646.40 m3·P-1和143.00 m3·P-1，均属于第5安全等级，且宁夏单位耕地粮食产量(x10)生态安全为第4等级，仅为2 875.62 kg·hm-2，因此两地区目前面临的共性问题是耕地数量的减少和人均水资源量的短缺，今后应采取措施严格控制非农占地，注重土地深度开发与集约利用，加大农业投入力度，完善农田水利基础设施建设；针对宁夏单位耕地粮食产量较不安全的情况，还应积极改善农业生产条件，提升耕地质量。

(3)青海应持续加大水土保持生态建设项目力度，改善农业生产条件，实现耕地占补平衡。2008年以来，青海耕地生态安全属于“较安全”等级，排名前五的障碍因子安全等级较高，均为第2等级以上，其中人均水资源量的大幅度上升是生态安全状态转变的主要影响因素，但青海土地垦殖率(x4)为0.85%，单位耕地粮食产量(x10)仅为1 755.17 kg·hm-2，究其原因，青海耕地大多分布于社会经济较发达的黄河流域和湟水河两岸，耕地占补平衡矛盾大，水土流失面积占比位居全国第四位，近年来通过落实最严格的耕地保护政策，持续推进坡耕地水土流失综合治理工程建设，实现了耕地占补平衡，改善了农业生产条件，提高了粮食产量，增加了农民收入。

(4)陕西应加大农业投入力度和农田水利建设，改善耕地环境，提升耕地质量。陕西排名第4的障碍因子单位耕地粮食产量(x10)为3 078.83 kg·hm-2，虽然高于西北其他地区，但仍然位于第4安全等级，人均水资源量(x11)位于第5安全等级，仅为713.90 m3·P-1。此外，随着退耕还林政策的推进、人口的增加和城市化的快速发展在一定程度上也导致了耕地的减少，可见退耕还林政策推进、固定资产投资增加和水资源短缺制约了陕西生态安全等级提升，现阶段应加快土地开发与整理复垦，改善农业生产条件，加大农田水利建设的投入，合理开发和有效利用水资源。