基于PSR模型的耕地生态安全评价及时空格局演变

赵柯, 李伟芳, 毛菁旭, 寇相玮, 尹昌霞



基于PSR模型的耕地生态安全评价及时空格局演变

赵柯, 李伟芳*, 毛菁旭, 寇相玮, 尹昌霞

宁波大学地理与空间信息技术系, 宁波 315211

耕地的生态安全关系到区域的可持续发展, 针对耕地生态安全现状, 以宁波市南郊小尺度区域为研究对象, 基于人与耕地的相互作用机理, 通过改进的PSR模型从而构建出适用于研究区域的评价体系, 采用熵权法和综合评价法, 对2005—2014年间宁波市南郊的耕地生态安全状况进行评价分析, 结果表明: (1)从时间尺度上看, 2005—2014年宁波市南郊耕地生态安全经历了“较安全—临界安全—较不安全—安全”的变化阶段。(2)从空间尺度上看, 各乡镇街道耕地生态安全状况存在着明显的区域性差异。西部地区整体水平较高, 东部地区次之, 其中东部以北最低; 2005—2014年宁波市南郊生态安全指数变化较小; 宁波市南郊生态安全指数呈现显著的空间集聚性, 高—高聚类显著性较弱, 低—低聚类显著性较强。

耕地生态安全; PSR模型; 时空演变; 宁波市南郊

0 前言

人类赖以生存的物质基础是建立在耕地资源基础上的, 耕地资源具有多种功能, 是土地资源中最重要的组成部分。耕地生态安全则是区域可持续发展的保障, 与社会发展息息相关。经过人类长期干预, 耕地生态系统已演变成高度耦合的社会—经济—生态复合系统[1–2]。近年来, 随着城镇化的快速发展, 对土地资源的需求量日益增加, 尤其是对耕地资源影响的程度愈发强烈, 耕地利用的生态安全问题逐渐凸显。

耕地生态安全是指在一定的时间和空间尺度内, 维持自身正常功能结构, 并且能够满足社会和经济可持续发展状态的需要; 此外, 在这种模式下, 充足、平衡的自然资源能够让生态系统得以利用, 这使得生态环境处于健康状态[3]。当前, 在耕地生态安全方面的研究内容比较宽泛, 主要包括了耕地生态安全内涵、评价、影响因素以及调控等。对耕地生态安全问题的探索更倾向于食品安全问题、耕地资源利用和承载力的思考, 研究重点主要集中于化肥农药对土壤的作用[4]、地力与复种指数[5]、农业动力对耕地安全的影响[6]等问题。其中基于调查数据、面板数据与构建模型(PSR模型等)结合的方法运用较多。国外关于耕地生态安全的相关研究大多是以预测土地利用变化和耕地质量变化为研究目的, 通过建立构建模型来评定耕地生态安全[7–8]。王燕辉[9]等运用PSR模型, 选取耕地生态系统压力、状态和响应3个准则层, 人口自然增长率、土地垦殖率和农业机械化水平等17个指标层, 并采用熵值法和阻力诊断模型, 对河北省生态安全状况进行了评价分析。苏刚等[10]通过PSR模型建立耕地生态安全评价指标体系, 对河北省黄骅市耕地生态安全阻力因素进行分析, 由于指标阻力度有较大的上升趋势, 人均耕地面积、单位耕地化肥负荷、和人口密度等, 成为制约黄骅市耕地生态系统安全状况改善的主要因素。王耕等[11]通过对区域生态安全演变过程问题的分析, 提出了一种生态安全机理框架, 即状态—隐患—响应(S—D—R)模式, 并且与“三生”角度下的多维空间相结合, 构建了多层次评价指标体系, 为生态安全动态变化及演变趋势评价提供了思路。我国关于耕地生态安全评价研究仍处于发展阶段, 指标选取与评价方法不成熟, 并且对大尺度区域研究较多, 对小尺度区域研究较少。

本研究在PSR模型的基础上, 从“压力—状态—响应”三个方面对宁波市南郊具有耕地的乡、镇、街道的耕地生态安全进行评价, 采用熵权法[12]计算各个指标的权重, 结合ArcGIS进行时空格局分析。

1 研究区概况

宁波市南郊是传统商品粮基地, 耕地质量较高。地理位置特殊, 属于城乡接合部, 由于受到城乡之间特定的因素所影响, 即空间过程和空间扩展因素, 建设用地与农用地矛盾突出, 农产品的商品化程度比较高。为探索其耕地生态安全状况, 以宁波市南郊为研究区域。

2016年9月宁波市对鄞州区行政区划进行了调整, 而本文研究区为老鄞州区范围, 为了避免混淆, 将研究区统称为宁波市南郊。宁波市南郊位于浙江省东部沿海, 东经121°08'—121°54', 北纬29°37'—29°57'之间。地处长江三角洲南部, 东临北仑港, 南至奉化, 北隔上海, 西靠杭州和绍兴。宁波市南郊属于亚热带温润季风气候, 濒临东海, 四季特征较为明显。中部是广阔的平原, 东南部和西部地貌为山地丘陵总形势呈马鞍状。宁波市南郊因新型城镇化建设与工业化发展, 人口的增多, 人地矛盾日益尖锐, 2005年耕地面积32062.313 hm2, 2014年耕地面积30090.62 hm2。在本区域内, 耕地的生态问题逐渐凸显。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文数据主要来源于2005—2014年《宁波市统计年鉴》、2005—2014年《鄞州区统计年鉴》、宁波市土地利用总体规划(2006—2020); 宁波市政府网站公布的土地利用相关数据和相关研究报告及宁波市国土部门、农业部门相关资料。

2.2 研究方法

基于宁波市南郊小尺度区域及农产品商品程度化高和食品安全角度下, 选取代表性指标, 通过层次分析法及PSR模型的结合, 运用相关指标, 建立总与决策有关的元素层次。

2.2.1 指标体系构建 耕地生态系统既要满足社会经济可持续发展, 又要能够维持自身的正常结构功能。所以, 耕地资源的生态安全需要满足两个条件: 一是人类能够获得持续稳定的耕地资源来满足其生存和发展; 二是在利用耕地资源过程中, 耕地生态系统始终保持结构合理和功能完善[13–14]。在此基础上构建指标体系, 参考相关研究[15–17], 结合宁波市南郊区域实际, 考虑小尺度区域数据的可获得性, 从耕地生态系统压力、状态和响应三个方面, 筛选出了12个对耕地生态安全有显著影响的指标, 构建指标体系(表1)。

2.2.2 指标标准化处理 对于量纲不同即度量单位不同的评价指标, 为了使数据的指标具有可分析性、对比性, 需要对各项指标进行标准化处理, 采用的方法为极差标准化。

正向指标安全值, 数值越大表明该地区耕地生态越安全:

负向指标安全值, 数值越大表明该地区耕地生态越不安全:

2.2.3 指标权重的确定 根据不同评价指标的选取, 对耕地生态安全影响程度也会不同, 需要对各个指标权重进行赋值。为了能够减少非相关因素的干扰, 让评价指标权重更具有科学性和严谨性, 对各项指标权重的确定将采用客观赋权法中的熵值法。

计算各指标的信息熵, 计算公式:

计算评价指标的权重值, 计算公式:

2.2.4 耕地生态安全指数计算 采用综合指数法对区域内的耕地生态安全进行评价, 综合指数法依据各项指标、权重、标准值来评价耕地的生态安全程度。

各子系统生态安全指数计算公式:

综合生态安全指数计算公式:

表1 耕地生态安全评价指标体系

2.2.5 耕地生态安全分级评价标准 在前人研究的基础上, 参考相关文献[18–19], 结合宁波市南郊的实际情况, 耕地生态系统的完整性、受干扰程度、生态问题状况等综合特征, 根据计算所得到的宁波市南郊耕地的综合安全指数, 基于模糊隶属度将耕地生态安全指数分为5个等级, 分级标准见表2。由于研究区域较小, 区域差异不明显, 生态安全综合值跨度较小, 其分级标准不同于大尺度研究。

2.2.6 探索性空间数据分析—局部自相关 局部自相关用来研究空间地域单元局部的相关性质, 对局部地区是否存在变量集聚现象的检验采用局域莫兰指数(LISA)。局部莫兰指数高值则表明在空间集聚中出现了相似变量的面积单元(高值或低值), 低值则表明在空间集聚中出现了不相似变量的面积单元。为了度量地域单元与周围地域单元之间的相关性, 通常用地域单元的局部莫兰指数来表示。公式为:

3 结果与分析

3.1 时间序列分析

宁波市南郊2005—2014年耕地生态安全指数为0.3348—0.5587, 生态安全经历了“较安全—临界安全—较不安全—安全”的过程, 整体呈现生态安全逐渐好转的趋势。2005年到2008年, 生态安全指数普遍较高, 在0.4539—0.5299。2009年到2012年, 生态安全指数普遍偏低, 在0.3348—0.4035。从数据统计来看, 本阶段单位耕地化肥、农药、农膜等物资大量增加, 化肥施用量从2009年646.18 kg·hm-2增加到2012年648.88 kg·hm-2, 农药使用量从2009年32.34 kg·hm-2增加到2012年33.87 kg·hm-2, 农膜使用量从2009年49.33 kg·hm-2增加到2012年49.53 kg·hm-2。这段期间随着使用量增大导致耕地生态环境受到影响, 持续恶化。2009年到2011年耕地生态安全状态均处于临界安全, 2012年生态安全处于较不安全。其中, 2012年耕地生态安全指数最低为0.3348。2012年以后, 耕地生态安全指数逐渐上升, 2014年生态安全指数达到最高值0.5587, 处于安全状态。为统筹耕地建设和保护工作, 在经济社会可持续发展过程中, 需要国土资源提供后续保障, 浙江省政府针对此问题, 决定对相关的土地进行整治, 提高土地利用效率, 组织实施土地整治工程, 即“812”土地整治工程。在2013年到2017年这五年时间, 在浙江省内计划实施垦造耕地53333.33 hm2、建成高标准基本农田695333.33 hm2、综合整治农村建设用地13333.33 hm2, 2014年宁波市鄞州区“812”高标准基本农田建设实施实际完成3401 hm2。除政策支撑外, 2012年到2014年期间, 本阶段单位耕地化肥、农药等物资有所减少, 化肥施用量从2012年655.27kg·hm-2降低到2014年647.38 kg·hm-2, 农药使用量从2012年34.20 kg·hm-2降低到2014年30.01 kg·hm-2, 土地垦殖率从2012年22.9%上升到23.0%, 耕地粮食单产从2012年6265.94 kg·hm-2增加到2014年6313.30 kg·hm-2, 城市人口比例从2012年34%上升到2014年37%。期间使用量下降使得耕地生态环境得到改善, 单位耕地面积的利用率和产出率上升, 生态安全呈现好转的趋势。这是由各级政府采取的一系列积极措施, 注重耕地的保护制度和质量建设, 稳步提高农业综合生产能力, 在一定程度上促进耕地生态质量的改善。

表2 耕地生态安全分级与特征

图1 2005—2014年宁波市南郊耕地生态安全指数变化

Figure 1 Comprehensive security value of ecological security of cultivated land in the southern suburbs of Ningbo in 2005-2014.

3.2 空间序列分析

2005年—2014年近十年期间, 研究区域内耕地生态安全指数有明显上升的变化, 东部地区和西部地区耕地生态安全皆有好转。其中, 西部地区的横街、鄞江和古林由较安全区上升为安全区, 章水和龙观由临界安全区上升为较安全区; 东部地区的咸祥由较安全区上升为安全区, 钟公庙由不安全区上升为较不安全区, 下应由较不安全区上升为较安全区, 东钱湖由较安全区下降为临界安全区。

2005年(见图2)安全区和较安全区的分布占主要部分, 包括了姜山、云龙、横街、古林、鄞江、洞桥、东钱湖、东吴、塘溪和咸祥, 占到区域面积的52.92%。区域内单位耕地面积化肥、农药等负荷量较低, 自然条件相对较好, 土壤肥沃, 环境压力小, 生态问题不显著。临界安全区分布在地区东西两侧较分散, 包括了章水、龙观、高桥、集士港、石碶、邱隘、五乡、横溪和瞻岐, 占到区域面积的44.23%。人口多, 耕地面积少, 耕地面临的人口压力大, 土壤肥力下降, 受到干扰后环境容易遭到破坏, 生态问题开始显现。较不安全和不安全区主要分布在东部以北, 包括了下应和钟公庙, 占到区域面积的2.85%。区域内工业企业较多, 导致区域内生态环境恶化, 耕地生态环境功能退化。2005年宁波市南郊的耕地生态安全指数等级处在0.45以上, 表明这些街道的耕地生态系统尚稳定, 可以发挥基本的耕地生态功能, 其中临界安全以上街道占到97.15%, 钟公庙状况不乐观, 总体而言, 宁波市南郊的耕地生态安全良好。

2008年(见图2)安全区和较安全区分布在东部居多, 包括了姜山、云龙、咸祥、东钱湖、五乡、东吴、瞻岐、塘溪、横街、鄞江、高桥、古林、石碶, 占到区域面积的66.97%, 咸祥由较安全区上升到安全区。临界安全区在东部和西部皆有分布且较分散, 包括了龙观、洞桥、集士港、下应、邱隘和横溪, 占区域面积的21.96%, 下应由不安全区上升到临界安全区。较不安全区分布在地区西部, 只有章水, 占到区域面积10.12%, 章水由临界安全区下降到较不安全区。不安全区分布在东部, 为钟公庙, 占到区域面积的0.95%, 较上时期没有发生生态安全变化。本时期生态安全指数偏高, 耕地质量得到了改善, 生态坏境基本稳定。2008年宁波市南郊的耕地生态安全指数等级处在0.50以上, 表明这些街道的生态安全状况较好, 其中较安全以上街道占66.97%, 章水和钟公庙耕地生态安全呈下降趋势, 状态不容乐观, 宁波市南郊的耕地生态安全状况有所上升。

2011年(如图2)较安全区占大部分区域, 包括了横街、鄞江、洞桥、石碶、姜山、云龙、横溪、塘溪、咸祥、瞻岐、东吴和五乡, 占到区域面积的58.55%, 姜山、云龙和咸祥由安全区下降为较安全区。临界安全区向东部和西部扩展, 包括了章水、龙观、高桥、古林、钟公庙和东钱湖, 占到区域面积的34.06%, 临界安全区的分布出现了较大的调整。较不安全区和不安全区分布在东部以北和西部以北, 包括了集士港、邱隘和下应, 占到区域面积的7.39%, 下应由临界安全区下降到不安全区。本时期的生态环境质量良好, 农业废弃物循环利用方式得到了改善, 减少了秸秆的焚烧数量, 增加了土壤肥力, 并实行了生态农业工程, 减少了农药使用量, 降低了农药残留, 使得安全区和较安全区占到了区域面积的一半以上。2011年宁波市南郊的耕地生态安全指数等级处在0.38以上, 表明这些街道的耕地生态安全系统尚稳定, 可以发挥其基本的耕地生态功能, 其中临界安全以上的街道占到92.61%, 集士港、邱隘和下应耕地生态安全下降较为明显, 状态较严重, 总体而言, 宁波市南郊的耕地生态安全有所下降。

2014年(如图2)安全区分布在东部的有姜山、云龙和咸祥, 分布在西部的有横街、鄞江和洞桥, 占到区域面积的27.69%, 云龙、咸祥、横街、鄞江和洞桥由较安全区上升为安全区。较安全区占主要成分, 包括了龙观、章水、高桥、石碶、下应、五乡、东吴、瞻岐、塘溪和横溪, 占到区域面积的52.31%, 安全区和较安全区占到区域面积的一半以上。临界安全区分布在西部以北和东部以北的区域, 包括了集士港、古林、邱隘和东钱湖, 占到区域面积的19.05%。较不安全区分布在东部, 只有钟公庙, 占到区域面积的0.95%。本时期不存在不安全区域, 生态安全指数为最高, 生态环境保持在较好的水平, 耕地生态系统结构完善, 功能较强, 生态问题不显著。2014年宁波市南郊的耕地生态安全指数等级处在0.56以上, 表明这些街道的耕地生态安全状况较好, 其中安全街道占27.69%, 宁波市南郊的耕地生态安全状况趋向好转。

3.3 局部自相关

利用GeoDA软件绘制出2005、2008、2011和2014年宁波市南郊耕地生态安全指数LISA聚类图, 并且通过P≤0.05的显著性检验。分析LISA聚类图可以发现: ①从数量上看, 在99.5%置信度水平下存在空间显著聚类的乡镇街道, 2005年有4个, 其中H—H显著聚类区域有1个, L—L显著聚类区域有1个。2008年有2个, 且都是L—H显著聚类区域。2011年有5个, 其中H—H显著聚类区域有1个, L—L显著聚类区域有1个。2014年显著聚类区域有2个, 其中L—L显著聚类区域有1个, 没有H—H显著聚类区域。②从空间分布上看, 2005、2008、2011和2014年的高—高显著聚类较少且分散, 不同年份显著集聚区略有不同, 主要集中分散在云龙和洞桥, 该类区域的特点是耕地生态系统结构完善, 功能强, 植被覆盖率高, 生态问题不显著; 低—低显著聚类主要分布在东部地区的邱隘。该类区域的特点是耕地系统生态结构相对不够完善, 生态问题较多。

图2 宁波市南郊耕地生态安全空间格局变化

Figure 2 Spatial pattern of cultivated land ecological security in the southern suburbs of Ningbo

图3 2005、2008、2011、2014 LISA聚集

Figure 3 LISA cluster map

4 结论与讨论

基于压力—状态—响应(PSR)模型构建指标体系, 选取熵值法对各指标赋予权重, 尝试着对小尺度区域内的耕地资源进行生态安全评价, 运用综合指数法计算耕地生态安全指数。得出的结论如下:

(1)人均耕地面积、人均粮食占有量、土地垦殖率比重等指标权重最大, 要提高宁波市南郊耕地生态安全状况的重要方式是减少人类活动对生态环境的干扰, 减少耕地沙化、碱化的现象, 降低农业污染, 以利于耕地资源数量和质量的提高。

(2)2005—2014年宁波市南郊耕地生态安全状况经历了“较安全—临界安全—较不安全—安全”的过程, 水平总体上呈良好的状况, 变化幅度较小, 整体处于平稳的趋势。大部分(47.62%)的乡镇街道增幅均保持在10%以内, 38.10%的乡镇街道耕地生态安全指数呈现下降趋势。

(3)宁波市南郊耕地生态安全状况在空间分布上存在明显的区域性差异。东部耕地资源生态安全状况差异最为明显, 姜山、云龙和咸祥的耕地生态安全状态较好, 钟公庙、邱隘和东钱湖的耕地生态安全状态较低。西部横街、鄞江和洞桥耕地生态安全状态较好, 其次是章水、龙观、高桥和石碶地区, 集士港和古林较低

(4)宁波市南郊生态安全指数具有较大的空间集聚性。高—高聚类较低—低聚类有些分散, 不同年份显著聚集区有所不同, 主要分布在云龙和洞桥; 低—低聚类主要分布在邱隘。

通过研究发现, 宁波市南郊耕地生态安全状态逐渐好转, 其中东钱湖生态安全状态有所下降, 由于受到人类活动压力威胁较大, 尤其以邱隘为中心的地区, 生态安全指数呈现低—低集聚, 耕地生态安全状况差的地区相互影响, 因此该类地区应促进经济和生态的协调发展, 大力倡导严格保护耕地、节约集约用地、统筹协调利用和可持续利用等原则, 增强该地区整体的耕地生态安全。姜山、云龙耕地生态状况较好, 应继续保持生态系统稳定, 结构完善, 维持耕地生态安全较好的状态。

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Evaluation of cultivated land ecological security and spatial-temporal pattern evolution based on PSR model

ZHAO Ke, LI Wei fang*, MAO Jingxu, KOU Xiangwei, YIN Changxia

Department of Geography and Spatial Information Technology, Ningbo University, Ningbo 315211, China

The ecological security of cultivated land is related to the sustainable development of the region. According to the present situation of cultivated land ecological security, the small scale area in the southern suburb of Ningbo is taken as the research object. Based on the interaction mechanism between human and cultivated land, the evaluation system suitable for the study area was constructed by PSR model. The entropy weight method and comprehensive evaluation method were used to evaluate the cultivated land ecological security status in the southern suburbs of Ningbo City during 2005-2014. The results are as follows. (1) From the time scale point of view, the cultivated land ecology of the southern suburbs of Ningbo City in 2005 and 2014 was analyzed by the entropy weight method and the comprehensive evaluation method. The ecological security status of cultivated land in the southern suburbs of Ningbo City was analyzed from 2005 to 2014. Safety has undergone a "safer-critical safety-less insecure-safe" phase of change. (2) From the perspective of space, there were obvious regional differences in ecological security of cultivated land in towns and villages. The overall level of the western region was higher than that of the eastern region, with the lowest in the north of the eastern part. The ecological security index of the southern suburbs of Ningbo City changed little in 2005-2014. The ecological security index of the southern suburbs of Ningbo showed significant spatial concentration and high-high clustering less significant, low-low clustering significantly stronger.

cultivated land ecological security; PSR model; temporal and spatial evolution; the southern suburb of Ningbo City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.024

F323.21

A

1008-8873(2019)01-186-08

2017-09-28;

2017-12-05

浙江省社会科学重点研究基地2015年度省社科规划项目(15JDHY01YB)资助; 宁波大学大学生科技创新项目(2017200000003)

赵柯(1993—), 男, 浙江宁波人, 硕士研究生, 研究方向: 土地资源管理与规划研究。E-mail：zhaoke10271210@163.com

李伟芳(1964—), 男, 浙江宁波人, 教授, 主要研究方向: 土地资源管理与规划研究。E-mail: liweifang@nbu.edu.cn

赵柯, 李伟芳, 毛菁旭,等. 基于PSR模型的耕地生态安全评价及时空格局演变[J]. 生态科学, 2019, 38(1): 186-193.

ZHAO Ke, LI Wei fang, MAO Jingxu, et al. Evaluation of cultivated land ecological security and spatial-temporal pattern evolution based on PSR model[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 186-193.