2009-2019年山东省耕地生态安全评价及障碍因子诊断

王立业, 师春春, 张文信, 刘艳芳, 刘耀林,3, 关 梅

(1.武汉大学 资源与环境科学学院, 武汉 430079; 2.山东省国土空间规划院, 济南 250014; 3.武汉大学 地理信息系统教育部重点实验室, 武汉 430079)

耕地一直是维持人类社会生存和发展的重要生产资料，是保证粮食安全的基础，耕地数量的多少、质量的高低关系着我国的国家安全与社会的和谐稳定，是社会主义和谐社会建设不可或缺的一环，也是实现共同富裕的重要组成部分。耕地资源具有稀缺性，随着城市化的加快以及人口增长，耕地面临着来自多方面的压力，人地矛盾更加凸显[1]。一方面建设用地的不断扩张占用了大量的耕地，造成了耕地数量的下降[2]，同时建设用地周边的耕地，具有较高的生产力，一般来讲，建设用地扩张模式较多的是蔓延式(摊大饼式)扩张[2]，通过转变其周边的高生产力的耕地来达到面积增加的目的，因此建设用地扩张导致耕地总体质量的降低[3]；另一方面，城市化带来了社会经济的发展、人口的增长、饮食结构提升，进一步扩大了人们对粮食的需求[4]。同时，根据已发表的相关数据得知，2017年我国约有2.6×105km2的耕地已经受到农药或重金属污染，因此，耕地生态安全问题受到国家和社会的广泛关注。

作为分布最多、最广的人造地类，耕地生态安全成为学术界十分重要的议题。国外学者有关于耕地生态安全的研究，一般主要是从土地利用变化的角度，对耕地的生态安全的威胁[5]，耕地扩张或耕地集约化利用对气候[6]、土壤[7]、生物多样性[8]、生态系统服务[9]、自然栖息地流失等[10]。如Zabel等[8]对全球2030年的耕地扩张和集约利用进行了预测，并分析了耕地的未来利用对生物多样性的影响；Nzabarinda等[11]评估了非洲各国耕地集约利用对自然植被的影响程度；Ngoma等[12]对赞比亚的耕地利用所导致的森林退化问题进行了讨论。国内学者主要从关注单一方面的因素对耕地生态安全产生影响发展到关注综合因素对耕地生态安全的影响。单一方面的因素包括耕地数量[13]、质量[14]、生态等[15]因素的改变分析耕地安全状况，耕地综合安全的关注点在于耕地资源的综合评价[16]、耕地系统的整体安全评估[17]以及有关驱动机制等[18]方面，如匡丽花等[17]从资源禀赋、经济发展、社会因素、本底质量、耕作条件、自然因素、环境因素、其他8个方面对整个耕地系统的安全状况做出了评估；李楠等[16]基于突变计数法评价了辽宁省的耕地资源安全状况。又如文高辉等[19]基于DPSIR与TOPSIS模型讨论了洞庭湖地区的耕地生态安全；袁零等[20]以甘肃省环县为例分析了生态退化区的耕地生态安全状况。学者们也采用了不同的方法和指标体系来评价耕地生态安全，主要包括加权分析法[21]、熵值法[22]、生态足迹模型[23]、随机森林模型[24]、TOPSIS模型[17]、物元分析法等[25]。

2021年8月25日，第三次全国国土调查(简称“三调”)数据公布，全国耕地数量达1.278 6×106km2，比第二次全国土地调查(简称“二调”)时1.353 8×106km2略有降低。“三调”数据公布后，除耕地数量变化外，2019年耕地生态安全的情况如何？相比较2009年有哪些变化？影响耕地生态安全的障碍因子是否出现变化？这些关键问题有待解决。因此，借鉴前人研究，以农业大省——山东省为例，基于“三调”和“二调”数据，结合PSR模型，构建指标体系，系统地评估山东省2009—2019年的耕地生态安全变化情况，同时利用障碍度模型，对影响山东省耕地生态安全的障碍因子进行识别，以期为山东省耕地的合理利用、耕地生态安全的保障和农业的可持续发展做出指导。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

山东省位于北纬34°22.9′—38°24.01′，东经114°47.5′—122°42.3′，华北平原东部、黄河下游，半岛地区北靠渤海、东临黄海，内陆地区自南而北分别与江苏省、安徽省、河南省和河北省接壤。山东省地势呈现出“一中多极”的分布格局：“一中”是指山东省中部丘陵地区，“多极”是指东北部、东南部、东部分布的部分山地与丘陵，山地、丘陵和平原在省内占比分别达到15.5%，13.2%，55%。山东省是我国著名的农业大省，根据第三次国土调查数据，山东省耕地面积为6.462×106hm2，占土地总面积的40.87%，2020年农林牧渔业产值达10 190.6亿元，成为全国第一个农业总产值突破万亿的省级行政区，连读多年农业总产值位于全国第一，耕地的作用在山东省显得尤为重要。生态安全是国家或区域安全的重要组成部分，是一个区域生态水平的重要表征，是人类能够生存、发展的必要条件，在耕地分布如此广泛的山东省，耕地生态安全是山东省生态安全的重要组成部分。

1.2 数据来源

本文所需数据主要包括两类：山东省土地利用数据与社会经济统计数据。土地利用数据为山东省第三次国土调查和第二次土地调查数据，为矢量数据。统计数据来自《2020年山东省统计年鉴》以及各市、县2020年统计年鉴。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

科学的评价指标体系是耕地生态安全评价的基础，是评价结果是否准确、可靠、科学的先决条件[17]。不同区域具有不同的自然资源，其对于土地的利用水平和方式与其自然环境和社会经济的发展态势具有较强的相关性，因此，耕地生态安全是一个相对的概念，反映区域内耕地生态相对安全的程度。指标的选取要具有针对性，要结合研究区的特点，既要体现区域内耕地生态的现状，又要具有前瞻性，体现未来耕地生态的发展，同时要表征社会经济发展对其的影响过程[20]。当前，对于土地生态安全的评价模型层出不穷，自联合国环境规划署(United Nations Environment Programme，UNEP)和经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development，OECD)提出“压力-状态-响应”(Pressure-State-Response，PSR)模型以来，因其逻辑清晰、综合性强、操作简单等特性，同时能够融入人与环境之间的交互，被广泛的作为指标选取的框架[19-21]。

运用PSR模型构建耕地生态安全评价的基本框架是：耕地生态环境由于人类活动对其施加的影响而发生了一定变化，表征为压力(P)，压力的来源有人口增长、耕地数量减少、社会发展等；耕地作为一种自然资源，其本身具有一定的状态(S)，其状态可以从产出、面积、质量等方面来进行识别；对耕地施加影响后，耕地为减轻其受到的压力和影响会做出一定的变化，人类社会会识别或感受到这种变化，同时会针对这种变化做出一定的改变，成为响应(R)，响应主要来源于人类的政策，例如加大农用投资、耕地投入、改善耕地环境等[19,21,25]。压力、状态、响应三者相互促进、相辅相成，如当耕地生态压力增加时，会影响改变耕地生态状态，而耕地生态状态的改变会促进人们对于耕地生态的响应，即采取措施、行动来缓解耕地生态压力、改善耕地状态；耕地生态状态的改善和响应政策的提出使得耕地又能够承担更大的生态压力，促进人口增长和社会发展。

以前人的研究成果为基础，基于PSR模型，遵循评价指标选取的全面性、科学性和可操作性的基础上，把生态安全的主要的构成要素作为出发点，构建耕地生态安全评价的指标体系(表1)。

表1 山东省耕地生态安全评价指标体系

压力(P)表征的是人类活动或社会经济发展对耕地生态安全产生的直接影响。选择城市化水平来反映城镇人口和经济活动对耕地减少的压力，选择二三产业产值比重、二三产业从业人员比重表征区域内产业结构和劳动人口比重对于耕地过度开垦或者劳动力减少的压力，选择废水排放量、单位耕地化肥超出阈值量以及25°以上耕地面积比例作为外界环境对于耕地生态环境压力[17]。

状态(S)是指在目前耕地生态安全的现状。从粮食作物单位面积产量、农村居民人均可支配收入、单位耕地农业用水总量、耕地连片度、耕地平均海拔、复种指数以及全年日照时数7个指标来衡量耕地资源的利用现状，即耕地生态状态[1,16]。

响应(R)是指人类为了耕地生态安全的实现，所采取的措施与政策。从人类对于耕地灌溉、农业机械投入、固体废弃物、生活垃圾4个方面选取与之相对应的4个指标表示人类对维持耕地生态安全所进行的调整，指标分别为：有效灌溉面积比重增幅、单位耕地农业机械动力增幅、工业固体废物综合利用率增幅、生活垃圾无害化处理率增幅[18-20]。

2.2 指标标准化处理

由于各指标所衡量的方面和角度存在差异，需要消除各个指标之间的量纲、数量级的影响，同时指标之间正向指标和负向指标对于研究问题的影响也存在差异，因此，采用标准差法对指标值做标准化，见公式(1)：

(1)

2.3 指标权重确定

由于指标体系中各指标所涉及的方面较广，不同指标对生态安全水平变化的敏感度不同，因此为了能够准确评估山东省耕地生态安全水平，需要科学地确定各指标相应的权重[16,19]。变异系数法(Coefficient of variation method，CVM)具有可观性强、操作简单等优点，不受决策者主观意识的影响[26]。CVM是根据各个指标在所有被评价对象上数值的变异程度大小来对其赋权。变异包括横向和纵向两方面内容，即时间序列数据和截面数据均可作为确定权重依据。CVM对指标权重赋值原理主要是：对于数值变异程度大的指标，说明其不稳定性较大，给予较大的权重，反之则赋予较小的权重。CVM的计算公式如下：

(2)

(3)

式中:Wj为指标j的权重;Vj为指标j的变异系数。

2.4 耕地生态安全评价计算

本文中，耕地生态安全评价涉及到两个方面的评价，一是压力、状态、响应3个子系统的综合评价，二是耕地生态安全的综合评价。因此两者计算方式略有不同。

3个子系统的综合评价方式如下：

(4)

式中:Fn为子系统的综合得分分值(压力、状态、响应);m为该子系统所具有的指标个数;Wj，Mij的含义如上文所示。

耕地生态安全的综合评价得分的计算方式如公式(5)所示。

(5)

2.5 耕地生态安全障碍因子分析

障碍度模型是基于综合评价模型的基础上，是对事物或目标造成影响的障碍因子进行诊断的数学模型[17,19]。基于综合评价模型的结果利用障碍度模型诊断并发现对耕地生态安全影响的主要障碍因子，从而可以科学地、有针对性地提出改进策略，进而达到提高耕地生态安全的作用。障碍度的分析主要根据因子贡献度、指标和子系统3个方面进行判断，其计算公式如下：

Fij=∑Pij

(6)

(7)

式中:Fij为压力、状态、响应3个子系统对耕地生态安全的障碍度;Pij为单项指标对该年份耕地生态安全的障碍度;Jij=1-Mij为指标偏离度;Ij为因子贡献度,即其权重。

3 研究结果

3.1 山东省耕地生态安全指数演变

从图1可以看出，2009—2019年山东省耕地生态安全指数略有下降，由0.27降至0.14，下降幅度为48%，说明山东省整体耕地生态安全水平状况一定程度上有所恶化。从各子系统指数变化来看，山东省压力等级指数上升，说明耕地生态系统面临的压力有所减弱。状态等级指数在2009—2019年下降，说明在此期间耕地的生态状态恶化。响应等级指数在2009—2019年由0.10降至0.02，说明该段时期山东省在耕地保护方面有所松懈，没有发挥响应政策应有的作用，进而影响了山东省耕地生态状态。

图1 耕地生态安全压力指数、状态指数、响应指数和综合指数的变化

3.2 山东省耕地生态安全指数时空演变格局

3.2.1 耕地生态安全压力指数时空演变格局 由表2可知，2009—2019年山东省多数城市的耕地生态系统压力指数提高，其中威海市、枣庄市、淄博市和青岛市的压力指数增幅较大，通过观察压力指标变化值，发现上述4个城市在2009—2019年耕地化肥施用量均大幅减少，因此耕地生态系统面临的压力有明显的降低。此外，有8个地级市的压力指数降低，说明在2009—2019年这8个城市的耕地生态系统面临的压力提升，耕地生态安全保护难度加大，压力指数降幅较大的地区有菏泽市和东营市。从地区差异角度来看，2019年各市压力等级指数方差和极差比起2009年均增加，反映出全省各地区之间面临的耕地保护压力差异性有所扩大。

表2 2009-2019年山东省各市耕地压力子系统指数结果

3.2.2 耕地生态安全状态指数时空演变格局 由表3可知，2009—2019年山东省各市状态等级指数极差和方差基本保持稳定，说明全省各地区之间耕地生态系统安全状况差异基本保持原状。具体城市来看，日照、临沂、聊城、滨州和菏泽市状态等级指数不断增加，说明其耕地生态安全状况越来越好；而济南、烟台、潍坊的状态等级指数不断降低，其耕地生态安全状况堪忧，需要进一步改善。

由表3可知，2009—2019年山东省多数城市的耕地生态系统状态指数提高，其中日照市、烟台市的状态指数增幅较大，通过观察状态指标变化值，发现这两个地区在2009—2019年耕地复种指数、农民人均可支配收入均有大幅提高，因此耕地生态系统的状态明显得到改善。此外，有8个地级市的状态指数降低，说明在2009—2019年这8个城市的耕地生态系统的状态有所恶化，需要采取措施进一步改善。其中，状态指数降幅较大的地区有济南市、泰安市、青岛市和淄博市。从地区差异角度来看，2019年各市状态等级指数方差和极差比起2009年均减小，反映出全省各地区的耕地生态系统状态的差异呈缩小趋势。

表3 2009-2019年山东省各市耕地状态子系统指数结果

3.2.3 耕地生态安全响应指数时空演变格局 由表4可知，2009—2019年山东省多数城市的耕地生态系统响应指数有所提高，其中德州市、济宁市和菏泽市的响应指数增幅较大，通过观察响应指标变化值，发现上述地区在2009—2019年单位耕地农业机械动力均大幅提高，因此耕地生态系统的响应程度提高。此外，有8个地级市的响应指数降低，说明在2009—2019年这些地区对保护耕地生态系统的响应措施没有发挥相应的作用，还有较大提升空间。其中，响应指数降幅较大的地区有枣庄市、潍坊市和烟台市。从地区差异角度来看，2019年各市响应等级指数方差和极差比起2009年均减小，反映出全省各地区的对保护耕地生态系统的响应的差异呈缩小趋势。

表4 2009-2019年山东省各市耕地响应子系统指数结果

3.2.4 耕地生态安全综合指数时空演变格局 从表5可以看出，2009—2019年山东省地市间耕地生态安全水平指数极差由0.545 0增至0.933 4，方差由0.027 8增至0.045 0，表明该段时期各地市间耕地生态系统安全状况内部差异逐渐扩大，存在两极分化趋势。根据研究区域的地域特点，按照耕地生态安全在2009—2019年的变化率(Q)进行分类，将山东省各市分为5大类，即快速下降区(Q<-20%)、慢速下降区(-20%≤Q<-5%)、基本稳定区(-5%≤Q≤5%)、慢速上升区(5%20%)。从图2可以看出，2009—2019年山东省耕地生态安全空间格局变化较大，全省16个地级市有2个为耕地生态安全指数快速下降区，即东营市和菏泽市，此外还有2个快速上升区即威海市和日照市。从所选指标探究耕地生态安全指数下降的原因，发现东营和菏泽在2009—2019年，废水排放量增加以及工业固体废物综合利用率增幅、生活垃圾无害化处理率增幅降低。由此推测，随着全省的工业和经济发展，产生的废水、固体废物和生活垃圾均大幅增加，其利用率和处理率不高，导致自然资源被污染、浪费，耕地生态平衡状态遭破坏。观察威海市和日照市的各项指标，发现单位耕地农业机械动力增幅有所增加，说明两市对于农业的扶持政策发挥了作用，其耕地空间结构进一步优化，农民的耕作条件也更好，均有利于耕地生态安全的加强。

表5 2009-2019年山东省各市耕地生态安全水平指数结果

图2 2009-2019年山东省各市耕地生态安全时空变化格局

3.3 山东省耕地生态安全障碍因子分析

3.3.1 准则层障碍因子分析 由图3可知，2009年山东省首位障碍度为状态障碍度，2019年转为压力障碍度，2009—2019年，压力障碍度和响应障碍度均有所增加，状态障碍度下降，山东省耕地资源面临的生态压力增强成为制约全省耕地生态安全水平提升的关键因素，耕地生态系统的状态对生态安全水平的障碍逐渐较少，响应障碍度略有增加，反映出10 a来山东省耕地生态安全状态有所改善，但仍需要采取有效的耕地生态保护措施和增加耕地生态保护投入，全省耕地生态安全水平仍有较高提升空间。

图3 2009-2019年山东省耕地生态安全水平障碍因子均值变化

由表6可知，2009—2019年以压力为首位障碍度的城市由8座增加至12座，以状态为首位障碍度的城市由8座减少至4座，没有以响应为首位障碍度的城市。济南、青岛、淄博、烟台、潍坊、济宁、德州在2009—2019年压力障碍度一直都是首位障碍度，说明上述地区应更加重视减轻耕地生态系统面临的社会经济压力和自然条件压力。威海、日照、临沂在2009—2019年状态障碍度一直都是制约本地耕地生态安全水平的首位障碍度，反映了其耕地安全状态有一定提升空间。

表6 2009-2019年山东省各市首位障碍因子分布情况

3.3.2 指标层障碍因子分析 运用公式(7)计算2009—2019年指标层障碍度，由于指标较多，在此选取前7个障碍度较大的指标为主要障碍因子(累计障碍度超过69%)，结果见表7。可以发现，二三产业从业人员比重(C3)、二三产业产值比重(C2)、农村居民人均可支配收入(C8)、耕地平均海拔(C11)和复种指数(C12)均为不止一个年份的主要障碍因子。其中，2009年、2019年的首要障碍因子都是二三产业从业人员比重。

表7 2009-2019年山东省主要障碍因子障碍度

(1) 2009—2019年，二三产业从业人员比重的障碍度从13.90%增至25.09%，说明该因子对山东省耕地生态安全的制约程度有所增加。据此推测，随着全省经济发展，由于二三产业的收入更高，人们在选择就业方向时更偏向于二三产业的工作，导致务农人数减少，耕地缺乏劳动力耕作和打理，因此二三产业从业人员比重逐渐成为制约山东省耕地生态安全水平的首要原因。

(2) 2009—2019年，二三产业产值比重的障碍度从12.35%降至9.68%，说明该因子对山东省耕地生态系统安全的制约程度有所减弱。随着农村工业化和乡村城镇化的快速发展，工业用地和建设用地大量增加，耕地的供给和需求矛盾尖锐，严重影响了耕地资源可持续发展，制约了耕地生态安全的改善。虽然10 a间其制约程度逐渐减弱，但仍有较高提升空间，需要对二三产业侵占耕地现象进行进一步整治。

(3) 2009—2019年，农村居民人均可支配收入的障碍度从12.56%降至6.79%。10 a间，随着山东省经济发展，农村居民人均可支配收入大幅提高，从2009年的6 119元增至2019年的18 753元，农民生活水平有了明显提高。同时，由于山东省政府一系列农业补贴政策的实施，鼓励享受补贴的农民做到不撂荒、地力不下降、不露天焚烧等，推进农业供给侧结构性改革，促进绿色发展，增加农民收入，因此收入对耕地生态安全的制约逐渐减弱。

(4) 2009—2019年，耕地平均海拔的障碍度从8.21%降至6.81%。10 a间，山东省耕地平均海拔由74.02 m降至66.76 m，一部分耕地转移至海拔较低的地方，地势变得平坦开阔，更有利于耕种，因此海拔对耕地生态安全的制约逐渐减弱。

(5) 2009—2019年，复种指数的障碍度从6.69%降至6.33%。10 a间，山东省大力推进高标准农田建设，节约集约利用耕地，耕地复种指数由0.94增至1.46，土地利用结构得到有效改善。因此复种指数对耕地生态安全的制约有所减弱。

4 结论与建议

4.1 结 论

(1) 2009—2019年，山东省耕地生态安全总体上呈现出下降的态势。压力、状态、响应子系统的具体表现为耕地生态压力增加，生态状态下降，响应水平降低。城市化水平、二三产业从业人员比重、二三产业产值比重是制约山东省耕地生态安全的重要原因。

(2) 山东省不同地级市耕地生态安全状态变化特征存在差异。16个地级市中有12个地级市位于基本稳定区、慢速上升区与慢速下降区，仅有2个地级市位于快速上升区，分别为威海和日照，说明农业扶持政策有较大成效，单位耕地农业机械动力增幅两市均有所增加，同时有2个地级市位于快速下降区，分别东营和菏泽，这两市主要是由于废水排放量增加以及工业固体废物综合利用率增幅、生活垃圾无害化处理率增幅降低等问题所导致耕地生态安全出现较大幅度下降。

(3) 不同年份影响山东省耕地生态安全的准则层和指标层的障碍因子存在差异。从准则层来看，2009山东省的首位障碍度为状态，2019年转为压力，各地级市的首位障碍度主要为压力，在2009—2019年，压力为首位障碍度的城市由8座增加至12座；从指标层来看，二三产业从业人员比重、二三产业产值比重、农村居民人均可支配收入、耕地平均海拔和复种指数在2009—2019年是影响耕地生态安全的主要障碍因子，其中二三产业从业人员比重在两个时期内均为制约耕地生态安全的最主要障碍因子。

4.2 建 议

(1) 调整二三产业从业人员和二三产业产值比重，缓解城乡二元差距。不断扩大的城乡二元收入差距是造成二三产业从业人员、二三产业产值比重失调和影响耕地生态安全的深层次原因，协调推进新型城镇化和新农村建设，发展生态农业、优质农业，缩小城乡差距，增加农业创收。

(2) 加强耕地污染治理是耕地生态安全保证的必要环节。工业“三废”、生活垃圾、农业污染是影响耕地生态安全的重要祸端，必须加强污染治理。加强生态农业建设，减少化肥、农药的施用量，加强秸秆还田力度，增加生物有机肥料施用量，农用薄膜回收制度，降低农膜残留，从而提高耕地生态状态。