基于PSR 模型的耕地可持续集约利用评价研究——以京津冀地区为例

刘允瑄 ，赵华甫 ，2，王璟珩 ，张守国 ，李 杰 ，钟 荣

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100083）

耕地是重要的农业生产基地，与国家粮食安全息息相关［1］。为追求高的农产品产出，获得高额的回报，越来越多的资本、劳动、技术和服务投入到耕地上，从而不断提升耕地的集约利用程度，但同时也产生了大面积地下水漏斗区、土壤环境恶化等问题［2］。随着中国社会经济不断发展，中国耕地面积急剧减少与粮食需求量高速增长的矛盾日益突出，彰显其稀缺性［3，4］，所以京津冀地区只能走可持续集约化经营之路［5］。

国外学者将农业与可持续集约利用相结合，开展可持续集约利用研究。关于可持续集约利用的概念，Pretty［6］提供了较为通用的定义，即增加现有农田的粮食产量，同时最大限度地减少对环境的压力。Barnes 等［7］提出可持续集约利用成为一个管理选项，能够提高生产率，更有效地利用自然资源，同时减少负面环境影响。Gliessman［8］将农业和生态可持续性与社会、经济和文化可持续性相结合，对可持续集约利用进行整合研究。有关食品和农业的远见报告，Senker［9］将可持续集约利用定义为从同一地区生产更多，同时减少对环境的影响。国内学者马贤磊等［10］提出了土地可持续集约利用即通过产业结构升级、增加环境保护性投入和提高企业的环境准入门槛等措施，实现包括社会、经济和生态环境在内的综合效益最大化的过程。牛善栋［11］认为可持续集约利用通过提升农业生产率或集约化水平，推动耕地生产力的高效利用和可持续利用的协同耦合，实现1+1>2。总体来说，耕地可持续集约利用评价的研究还处于界定内涵、开展探索性例证研究的萌芽阶段。

传统的耕地评价指标体系构建方法有很多，王红英等［12］解析了“压力-状态-响应”（PSR）模型的结构和运行原理，结合影响耕地资源可持续利用的自然、社会、经济因素以及各因素间相互影响、相互制约的内部系统规律，构建了耕地资源可持续利用评价的指标体系，该研究结果可为城市化和工业化进程中耕地资源保护和可持续利用提供参考，为下一步开展耕地资源生态质量综合评价奠定基础。曾荣艳等［13］根据阿勒泰市的具体情况，从压力、状态、响应3 方面选取了24 个指标，建立了阿勒泰市耕地可持续利用评价指标体系，采用熵值法、多因素综合评价法评价2005—2011 年阿勒泰市耕地可持续利用状况，并对限制耕地可持续利用障碍因素进行了分析。王建庆等［14］以浙江省为例，运用功效系数法对浙江省耕地利用集约状况从横向和纵向2 个方面进行了综合评价，并对浙江省耕地集约利用影响因素进行了研究。邓际洪［15］以四川省为研究对象，采用PSR 模型（压力-状态-响应）构建耕地可持续利用指标体系，对四川省耕地资源可持续利用进行评价研究，进而找出问题所在，为采取切实有效的措施提供科学依据。牛善栋［11］以山东省典型地区为例，构建Tobit 模型分析农户层面耕地可持续集约利用的影响因素及作用机理，并结合研究结果为促进耕地可持续集约利用提出相应的优化对策。鉴于耕地可持续集约利用集成了可持续利用和集约利用2 个维度的内容，且二者相互制约、互为因果，需要建立一套能够识别过程机制的指标体系才能较好地刻画可持续利用的特征。因此，本研究采用PSR 模型构建耕地可持续集约利用评价指标体系，以京津冀地区为例进行实证分析，对研究区耕地的可持续集约利用进行评价，为促进耕地可持续集约利用提供参考。

1 耕地可持续集约利用评价指标体系构建与评价方法

1.1 耕地可持续集约利用评价指标体系构建

耕地可持续集约利用评价是指在特定时空对耕地进行自然、经济和社会要素的综合评价。王红英等［12］基于PSR 模型，以耕地资源可持续利用为目标层，以耕地资源可持续利用压力、耕地资源可持续利用状态、耕地资源可持续利用响应为准则层，以人均耕地面积、单位耕地面积化肥负荷、GDP 年增长率、年平均降水量、田面坡度、土壤有机质、土地整理力度、农田机械化水平等44 个指标构建耕地资源可持续利用评价指标体系。邓际洪［15］以四川省为例，基于PSR 模型，以耕地可持续利用为目标层，以压力、状态、响应为准则层，以人均耕地面积、人口净增长率、粮食单产、有效灌溉面积率、复种指数、农机化水平、农业产值占GDP 比重等23 个指标构建耕地可持续利用评价指标体系。

本研究评价指标体系的建立基于PSR 概念模型［16-18］，从自然禀赋与社会经济相协调的角度出发，遵循科学性和全面性原则、层次性和动态性原则、独立性和针对性原则、定性与定量分析相结合的原则［19］，构建了以耕地可持续集约利用水平为目标层，以压力、状态、响应为准则层，以19 个具体评价指标为指标层的耕地可持续集约利用评价指标体系（表1）。

1.2 评价方法

1.2.1 PSR 系统协调度计算 由于耕地利用是一个持续变化的过程，故要在PSR 模型中通过人为的调控保证压力、状态和响应各系统的变化保持协调，进而对耕地综合利用产生影响［20］。选用协调度计算压力、状态、响应的协调水平。协调度计算公式为：

式中，Y为农用地集约利用协调度指数，B1、B2、B3分别为压力、状态、响应子系统的指数。

1.2.2 指标权重确定 采用熵权法确定指标的权重，熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。一般来说，若某个指标的信息熵越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。

表1 PSR 框架下耕地可持续集约利用评价指标体系

1）原始数据标准化。由于各项原始数据存在不同量纲，无法直接进行各项指标权重的计算，故采用极值法进行数据的标准化处理。公式如下。

正指标：

式中，Yij为标准化数值，Xij为第i县的第j个指标，max（Xj）为第j个指标的最大值，min（Xj）为第j个指标的最小值。

2）信息熵计算。根据标准化数值，第j个指标的信息熵可以定义为Hj，综合标准化数值可定义为fij。值得一提的是，由于Yij可能为0，导致lnfij没有意义，故近似为0 的fij为无穷小，即规定fij= 0，令fij=0.000 000 01，此时fij× lnfij有意义。

3）求取各指标熵权。根据第j项指标的信息熵，求出第j项指标的熵权Wj。

2 研究思路与实证研究——以京津冀地区为例

2.1 研究思路

遵循“辨识科学问题-构建评价指标体系-实证分析-结果分析”的研究思路，以京津冀地区为例，分析耕地可持续集约利用的水平，并得出结论。具体研究技术路线见图1。

2.2 区域概况

京津冀是中国的“首都经济圈”，包括北京市、天津市以及河北省的保定、唐山、廊坊、石家庄、秦皇岛、张家口、承德、沧州、邯郸、邢台、衡水11 个地级市以及定州和辛集2 个省直管市。位于黄淮海平原，处于温带季风气候区，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥。由于大量的地下水被开采和截蓄地表水，致使该地区地下水位持续下降，漏斗面积不断增加，农业可利用水资源总量持续萎缩，农村建设用地扩张无序，土地不合理利用情况突出，占用了大量优质的耕地资源。

图1 研究技术路线

2.3 数据处理

2.3.1 数据来源 土地利用数据及社会经济数据主要来源于2005—2015 年《北京市统计年鉴》《天津市统计年鉴》和《河北省统计年鉴》等。

2.3.2 评价指标遴选 遵循系统性、科学性、独立性、动态性和可操作性等原则选取评价指标［21-23］，确保评价结果的准确性和可靠性。确定京津冀地区耕地可持续集约利用评价体系所包含的指标主要经过以下3 个步骤。

1）基于耕地可持续集约利用评价的研究成果，通过梳理相关文献所涉及的指标并统计各指标的使用频率进行指标筛选。在指标筛选初期共有19 个相关指标入选，包含人均耕地面积、≥15°人均坡耕地面积、人口密度、农业人均GDP、耕地安全系数、复种指数、有灌溉的耕地比例、地均产值、劳均产值、粮食单产、垦殖率、土壤有机质含量、农产品产值、地均水资源占有量、人力投入、地均化肥施用量、机械力投入比例、土地整理力度、生态休耕比例。

2）评价指标相关性检验。查阅《北京市统计年鉴》《天津市统计年鉴》《河北省经济年鉴》《河北省统计年鉴》并整理计算出京津冀地区2015 年19 个预设指标统计数据，并运用Excel软件对这些指标数据进行相关性检验，通过比较剔除相关度较大的原始指标，删除的指标有≥15°人均坡耕地面积、人口密度、地均产值、劳均产值、垦殖率、有灌溉的耕地比例。

3）基于当前实际情况认识的调整。根据京津冀地区耕地现实利用情况，剔除耕地安全系数、复种指数、土壤有机质含量、机械力投入比例、土地整理力度、生态休耕比例等指标，确定了本研究所涉及的农产品产值、人力投入、粮食单产、地均化肥施用量、人均耕地面积、农业人均GDP、地均水资源占有量7 个评价指标。

人类活动对环境施以压力，选取的评价指标因子为人均耕地面积和农业人均GDP。人均耕地面积是指耕地面积与总人口数的比值，反映了一定区域个人占有的耕地数量。人均耕地面积越大，对耕地可持续集约利用的压力越小。农业人均GDP 是指农业生产总值与总农业人口数的比值，反映了一定区域每个农业人口的生产总值，农业人均GDP 越高，对耕地可持续集约利用的压力越小。

压力结果影响到耕地数量和质量的状态。选取的评价指标因子为粮食单产、农产品产值和地均水资源占有量。粮食单产是指粮食总产量与粮食播种面积的比值，反映了一定区域单位耕地的粮食产量。粮食单产越高，说明单位耕地的粮食产出能力越强，产出状态越高，耕地可持续集约利用的状态越好。农产品的总产值越高，说明耕地可持续集约利用所带来的效益越好。地均水资源占有量能在一定程度反映农业技术水平，其值越小表明农业技术水平越好。

为缓解压力、改变现有状态作出响应。选取的评价指标因子为人力投入和地均化肥施用量。人力投入是指农业人口与耕地面积的比值，反映了人力在农业生产中的作用大小，是农业现代化水平的度量。地均化肥施用量是指化肥总施用量与耕地面积的比值，反映了农民在从事农业生产过程中生产资料的投入程度。

3 结果与分析

3.1 PSR 模型评价指标权重

收集整理 2005 年、2010 年、2015 年京津冀各城市有关耕地可持续集约利用的评价指标数据，依照熵权法计算各评价指标的权重。熵权法的主要步骤是原始数据的标准化处理、信息熵的计算、各指标熵权的求取，是一种剔除主观信息的客观赋权法。求得农产品产值、人力投入、粮食单产、地均化肥施用量、人均耕地面积、农业人均GDP、地均水资源占有量的权重分别为27%、2%、13%、10%、6%、35%、7%。

由指标权重结果可知，压力指标层所包含的指标人均耕地面积和农业人均GDP 占41%；状态指标层所包含的指标粮食单产、农产品产值和地均水资源占有量占47%；响应指标层所包含的指标人力投入和地均化肥施用量占12%。表明在PSR 模型中，状态系统的因子是影响耕地可持续集约利用水平最主要的因子，压力系统的因子影响程度次之，响应系统的因子影响程度最小。其中，农业人均GDP 和农产品产值更能体现京津冀地区耕地可持续集约利用水平，人力投入和人均耕地面积评价指标对耕地可持续集约利用水平贡献率较低。

3.2 京津冀地区时间序列PSR 模型评价

京津冀地区 2005 年、2010 年、2015 年时间序列耕地可持续集约指数及压力-状态-响应子系统指数计算结果见图2 和图3。

河北省各地区2005—2015 年总体可持续集约指数呈现不规律波动的形式，但总体呈增加的趋势，如石家庄市、承德市、张家口市、唐山市、廊坊市、保定市、衡水市、邢台市和邯郸市。其中，保定市可持续集约指数增加态势明显，主要原因是保定市依托京津发展县城特色经济，采用“一节、二保、三调”的节水措施。不同地区可持续集约指数的增长与人们关注到耕地可持续集约发展的重要性和国家出台的举措有关。保定市压力子系统指数在2005—2010年上升缓慢，在2010—2015年增长显著，增长898.66%；保定市状态子系统2005—2010 年下降16.2%，2010—2015 年增加23.88%；保定市响应子系统变化不显著，2005—2015 年呈先减后增的变化趋势，总体增加1.26%。

图2 耕地可持续集约指数

北京市2005—2015 年耕地可持续集约指数呈下降的趋势。主要原因为城市扩张导致城市周围耕地面积不断减少，可开发利用的土地资源不足，土壤环境污染严重。北京市压力子系统在2010—2015年变化最为明显，下降64.92%。

天津市2010 年耕地可持续集约指数迅猛增加，2015 年又迅速回落，这种变化趋势与2007 年天津市出台的《天津市耕地质量管理办法》密切相关，但由于天津市耕地面积减少、水资源不足、农产品生产成本高以及农业环境污染，导致2015 年其可持续集约指数又迅速回落。天津市压力子系统2005—2010年增长26.62%，2010—2015 年下降62.87%；天津市状态子系统 2005—2010 年增长 552.21%；2010—2015 年下降40.81%；天津市响应子系统呈先减后增的趋势，但总体变化趋势不大，2005—2010 年下降8.63%。

3.3 京津冀地区时空差异分析

为了进一步分析13 个城市耕地可持续集约利用的时空变化，选取基年2005 年、终年2015 年及中间年2010 年3 个时间点，绘制京津冀地区耕地可持续集约利用空间分布（图4）。根据均分原则将耕地可持续集约指数分为五等，指数从0～100 分别为弱、较弱、中、较强和强，对其变化进行分析。

由图4 可见，2005—2015 年，研究区弱耕地可持续集约利用水平的城市明显减少，中等耕地可持续集约利用水平地区增加，整体从2005 年可持续集约利用水平弱提升到2015 年可持续集约利用发展水平较弱。这一结果与研究区各城市耕地自然条件及社会经济发展水平相符，也显示出研究区耕地可持续集约利用空间分布特征及变化特点。

图3 压力-状态-响应子系统指数变化

3.4 京津冀地区耕地可持续集约利用冷热点分析

由可持续集约指数分析可知，京津冀地区空间冷热点分布呈现出“中部热、南北部冷”的格局。热点区域主要位于中部，包括北京市、天津市和保定市，这些区域经济发展较快，由于城市的不断扩张导致耕地迅速减少，所以政府出台了一系列加强耕地可持续集约利用的政策与途经，以提高耕地质量。冷点主要分布于河北东部与南部，以衡水市、秦皇岛市、邢台市和邯郸市为主，这些区域大多位于山区，由于坝上高原区的耕地土壤质地、气候条件、自然灾害、经济发展水平等的影响，使得耕地可持续集约利用发展受到制约。

图4 2005 年、2010 年、2015 年可持续集约利用空间分布

北京市、天津市周边有次冷点分布，以唐山市为例，由于唐山市距离海岸线较近，耕地盐碱化明显，导致土壤质地对耕地可持续集约利用有一定程度的影响。2005—2010 年中西部热点范围有所下降，而中东部有热点出现，冷点区域变化不大。2010—2015 年中西部热点局部有所上升，有热点出现，中东部热点局部下降，南北部冷点上升明显。

3.5 基于PSR 模型的耕地可持续集约利用系统协调度

PSR 模型的系统协调度能反映子系统之间的关系，较小压力会产生较低的耕地利用状态，作出较低的响应即可，较大压力反之［24］。子系统指数越相近，说明系统协调度越好。选取2005 年、2010 年、2015 年3 个时间点，根据公式（1）计算京津冀地区各地级市PSR 模型系统协调度，结果如图5 所示。由图5 可知，京津冀地区13 个城市耕地可持续集约利用PSR 模型系统协调度整体呈现稳定趋势。2005—2015 年呈下降-下降趋势的市有4 个，呈上升-上升趋势的市有6 个，呈上升-下降趋势的市有2 个，呈下降-上升趋势的市有1 个。

2005—2015 年，北京市与天津市系统协调度有明显的提升，表明各子系统相互协调促进了耕地可持续集约利用水平的增加，PSR 模型的3 个子系统处于较为高效、平衡的状态。由图6 可知，2005—2015 年，在PSR 模型子系统中，压力子系统和状态子系统增长或下降幅度明显，对可持续集约利用水平变动的贡献度高，而响应子系统增长或下降幅度较小，对可持续集约利用水平的贡献度较低。因此，在进一步改善京津冀地区耕地可持续集约利用的PSR 模型系统协调度时，对各子系统依据其特点采取不同的措施进行调整。为了实现区域耕地的可持续集约利用，应逐渐增加压力系统指数、适当增加状态系统指数和持续增加响应系统指数。

图5 13 个城市耕地可持续集约利用PSR 模型系统协调度变化

4 结论与建议

4.1 结论

采用PSR 模型和熵权法，结合GIS 技术，深入研究京津冀地区耕地可持续集约利用现状，并剖析影响其空间差异的原因。基于京津冀地区的实证评价表明，依据PSR 模型构建评价指标体系，利用熵权法确定权重，并采用综合评价方法评价耕地可持续集约利用水平具有可行性，主要结论如下。

图6 2005—2015 年各城市耕地可持续集约压力、状态、响应指数

1）耕地可持续集约利用是一个动态变化的过程，PSR 模型构建出的压力、状态、响应3 个子系统将影响耕地可持续集约利用的社会、经济和环境因素联系起来。基于PSR 模型对京津冀各地区进行耕地可持续集约利用评价，依据各地区的特点采取不同的措施，对PSR 模型各子系统不断地调控能实时达到对耕地资源较为合理的利用，为促进京津冀各地区耕地可持续集约利用提供科学指导。

2）京津冀地区耕地可持续集约利用水平在空间和时间上都有差异。在空间上，包括北京市、天津市和保定市在内的经济较为发达的中部地区耕地可持续集约利用水平高，以秦皇岛市和邢台市为主的南北部地区由于受到自然条件的影响，耕地可持续集约利用发展受到制约。在时间上，2005—2015 年，京津冀地区各城市耕地可持续集约利用水平呈不规律波动的态势，总体呈增高趋势。这一空间分区结果和时间变化与实际情况基本相符。

3）京津冀地区耕地可持续集约利用水平2005—2015 年总体呈增加的趋势，但耕地集约程度不理想且空间离散程度明显，耕地的数量已经成为制约耕地可持续发展的主要因素。

4）京津冀地区空间冷热点分布呈现出“中部热、南北部冷”的格局，这与区域经济发展水平、耕地土壤质地、气候条件和自然灾害等息息相关。

4.2 建议

1）优化耕地空间利用。京津冀地区地形条件复杂，总体地势为西北高、东南低，自西北向东南依次分布坝上高原、燕山-太行山山地和东南部平原。在耕地条件好的平原地区，严格保护基本农田，保证粮食安全；在农业生产效率较低的丘陵地区，以基本农田整治为主，提高农业生产效率；在滨海盐碱地区，以改善农田生态环境、进行生态建设为主。

2）加大农业基础设施建设。增加资金投入，提高农业设施利用水平，提高灌溉设施利用率，有效用水节水。注重丘陵地区路网建设，加强田间机耕道路的修建，保证农用机械的正常工作，提高耕地投入水平与耕作效率。