四川东部盆地区农业生态环境脆弱性评价

银 盈，罗怀良,2，向珈瑶

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都 610101;2.四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川 成都 610068)

1 引言

农业生态系统是一个受自然因素和人为因素共同影响的复杂动态系统，其关系着农业可持续发展。20世纪40年代以来，随着我国社会经济和工业技术的快速发展，资金、农药、化肥和农业机械等农业投入快速增长，农业产量得到空前提高，与此同时农业生态系统也在不断退化、脆弱性显著增强；资源过度消耗，人地矛盾日益突出，耕地退化、水土流失、土地沙化等农业环境问题频发。因此，研究农业生态脆弱性成为当前农业和农村发展势态的迫切需求。

20世纪初，生态脆弱性的内涵便开始不断发展和完善。一般认为生态脆弱性是生态系统本身固有的隐藏属性，这种隐藏属性是只有当生态系统受到外界干扰后才展现出来的一种敏感性和恢复到原状态的能力[1，2]。生态脆弱性研究是针对生态系统偏离其原始状态，并受到外界因素影响后难以恢复其原始状态的研究[3]。2010年，IPCC在报告中指出生态脆弱性研究的基本内容包括系统对外界扰动的敏感性、系统变化的评估、变化对系统造成潜在影响的估测，以及系统对影响和变化的适应性评价等[4]。

目前，国内有关农业生态系统脆弱性的研究主要集中在农业干旱脆弱性[5，6，16，18]、农业洪涝灾害脆弱性[9，10]、农业水资源脆弱性[12～14]及农业气候脆弱性[15～17]。国内学者在指标体系的选择和研究方法上也逐渐丰富。杨奇勇[5]在灰色关联法和层次分析法等方法叠加分析的基础上，评价了湖南农业水资源的脆弱性，为湖南省农业经济中水资源的合理配置和可持续发展战略的实施提供了针对性的建议。周松秀[18]从自然、社会、经济三方面选取13个指标，利用层次分析法确定各指标权重，计算出以县域为单位的农业生态脆弱性指数，并对湘中丘陵盆地区农业生态环境脆弱性强度和空间分布规律进行分析。夏兴生等[19]从气候条件、承载体、农业生产条件和社会经济4个方面建立农业生态环境评价指标体系，综合层次分析法和主成分分析法的各指标权重，最后利用综合权重计算生态脆弱性指数。舒英格[20]基于灰色三角白化权集对分析(SPA)模型，从生态环境外在脆弱性方面选择人口密度、人均耕地面积、人均造林面积等11个评价指标，利用熵权法计算指标权重，对喀斯特山区农业生态环境脆弱性进行评价。

2 研究区概况

四川东部盆地区，地跨东经102°07′～108°23′，北纬27°39′～33°03′。该区地貌以丘陵和盆地为主，兼有山地。涉及四川省17个市(成都市、自贡市、泸州市、德阳市等)，其国土总面积达185740.9 km2，约占四川省总面积的1/3。该区现有总人口8368.9万人，人口密度为451人/km2。现有耕地5957620 hm2，人均耕地0.0712 hm2。该区气候为亚热带季风性湿润气候，热量丰富，雨量充沛，气温日较差小，年较差大，年平均气温为17.6 ℃，年平均降水量为1243.7 mm。该区土壤主要有红壤、黄壤、黄棕壤、石灰岩和紫色土。地带性植被为亚热带常绿阔叶林。四川省东部盆地区农业自然条件优越，宜于农、林、牧、渔各业生产，是主要的水稻、油菜籽产区。2019年，四川省人均GDP达55774元，3次产业结构为1∶3.6∶5，其中第一产业占地区生产总值的10.3%，粮食总产量达3498.5万t，农作物总播种面积达9692990 hm2。农村居民恩格尔系数为34.71%，农民生活水平处于相对富裕状态。

3 研究方法和数据来源

3.1 研究方法

3.1.1 农业生态脆弱性多指标综合评价法

本文通过多指标综合评价法研究农业生态脆弱性，农业生态脆弱性指数(EVI)的计算公式如下：

(1)

式(1)中：EVI为农业生态脆弱性指数；n为指标数量；Xij为标准化后各指标值；Si为指标的综合权重。

其中，综合权重通过层次分析法的主观权重和熵权法的客观权重综合计算。

3.1.1.1 农业生态脆弱性评价指标体系的构建

农业生态脆弱性是由多种因素共同决定的，本文在参考相关论文[18,19,21,28～30]的基础上，结合四川省东部盆地区农业生产实际情况，分析影响四川省东部盆地区农业生态脆弱性的各项因素，遵循综合性、可比性和可获取性的原则，从自然环境、社会经济、农业生产三方面选取15项指标构建四川省东部盆地区农业生态脆弱性评价指标体系(表1)。

表1 四川东部盆地区农业生态脆弱性评价指标体系

(1)自然环境因子。农业生态系统受到气候、地形、土壤等诸多自然因子的影响，而四川省东部盆地的地形差异相对较小，因此本文在自然因子中主要选取气候指标。良好的水热条件有利于农作物生长，年降水量和年平均气温可反映区域的水热组合状况，但年降水量过多或过少会带来洪涝和干旱，制约农业的发展，另外，四川省存在低温危害，即温度过低时制约农业的发展。年平均相对湿度可反映区域的干旱程度；年日照时数表征太阳全年辐射的小时数，用来反映农作物光合作用的强度。

(2)社会经济因子。当人口压力超过土地所能承受的有限值时，人地矛盾日益突出，耕地质量下降，农业生态脆弱性加强，但人口自然增长率过大或过小，都会影响农业的发展。人均GDP和农业占地区生产总值的比例与农民的生活质量水平成正比，恩格尔系数与其成反比，当农民的生活质量越高时，其对农业的投入越大，农业生态脆弱性也就越小。农民作为农业生态系统中的主导因子，城镇化率越大，农业人口比例越小，农业生态系统受到的外界干扰越小，农业生态脆弱性就越小。

(3)农业生产因子。农业现代化水平的高低将直接影响农业发展过程的快慢，每公顷农业机械动力越大，越有利于农业的发展。当每公顷耕地投入的化肥过量时，会带来土壤肥力退化、环境污染等问题，尽管短期内具有一定的经济效益但最终会加剧农业生态系统的脆弱性。当人均粮食产量、人均耕地面积和灌溉面积占耕地面积的比重越大的时候，区域农业生态系统越能抵抗外界的负面影响，其农业生态脆弱性越小。

3.1.1.2 农业生态脆弱性的分区

根据四川东部盆地区农业生态脆弱性指标的综合权重和各指标的标准值，通过式(1)计算得到四川省东部盆地区各市的农业生态脆弱性指数EVI，参考相关论文生态脆弱性的划分标准[18,19,29～31]，将四川省东部盆地区农业生态脆弱性划分为4个等级(表2)。

表2 四川东部盆地区农业生态脆弱性划分等级标准

3.1.2 层次分析法

表3 层次分析法判断标度

3.1.3 熵权法

熵值可用于评估指标的分散性，信息熵值越小，指标的分散程度越大，该指标对综合评价的影响(即权重)就越大，如果某项指标的值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用。因此，可利用信息熵计算各个指标的权重，从而为多指标综合评价奠定基础。按照正向、负向及适度指标标准化处理公式(2)～(4)对原始数据进行标准化处理，得到标准化的矩阵。

正向评价指标，值越大，脆弱性越大：

(2)

负向评价指标，值越大，脆弱性越小:

(3)

适度指标，值过大、过小都不好:

(4)

通过式(5)分别计算2010～2019年第i项指标下j市指标值的比重Pij，利用式(6)得到10 a各项指标的熵值Hi，然后通过式(7)求得10 a各指标权重值wi，最后将这10a各指标的权重值求平均，得到最终权重值Wi。参考杨美玲等[25]研究结果，通过式(8)计算得到综合权重值。

(5)

(6)

(7)

Si=0.7qi+0.3Wi

(8)

式(5)～式(8)中：xij含义同上;Pij为第i项指标下j市指标值的比重；Hi为第i项指标的熵值；wi为第i项指标的权重值；m为研究市区的数量；qi为层次分析法的指标权重；Wi代表熵权法的指标权重；Si代表综合权重。

3.2 数据来源及处理

本文所采用的自然环境、社会经济和农业生产三大方面数据来源于2011～2020年的《四川省统计年鉴》，其中恩格尔系数、农业占地区生产总值的比例、人均粮食产量、人均耕地面积、每公顷化肥施用量、每公顷农业机械动力、灌溉面积占耕地面积的比重均经过计算求得。

由于行政区划和地貌单元并不完全吻合，本文将四川东部盆地区分为了成都平原区(德阳、成都、眉山、雅安和乐山)、川中丘陵区(绵阳、南充、遂宁、广安、资阳、内江和自贡)、川东平行岭谷区(达州)、北部山地区(广元和巴中)和南部山地区(宜宾和泸州)五大区域单元。

4 结果与分析

4.1 农业脆弱性各指标综合评价的指标权重确定

首先依据专家打分结果计算出研究区域农业脆弱性层次分析法的指标权重qi，然后将四川省东部盆地区近10 a的15个指标数据对应指标性质经过公式(2)～式(7)的处理，得到指标权重Wi，最后通过式(8)得到综合权重值Si(表4)。

表4 四川东部盆地区农业生态脆弱性评价指标综合权重

由表4可知，一级指标的综合权重值大小为：自然环境(0.48)>社会经济(0.305)>农业生产(0.207)。在这15个指标中，年降水量、年平均气温和恩格尔系数在四川省东部盆地区农业生态环境脆弱性评价中最为重要，而每公顷农业机械动力和城镇化率的影响则较小。

4.2 近10年四川东部盆地区农业生态平均脆弱性分级结果及区域差异

将表4中15个指标的综合权重和标准化后的各指标值经过公式(1)的处理，得到17个市近10a的农业生态脆弱性指数值，再按照表3的划分等级标准，得到近10a四川省东部盆地区五大区域单元、17个市的农业生态平均脆弱性等级(表5)。

由表5可知，17个市中仅有雅安市属于极度脆弱区，其近10a平均EVI值高达0.586，主要由于雅安市的降水量较大、气温较低，农作物受到的太阳光照射时长较短，在农业上易造成洪涝灾害。另外，其城镇化率较低、人均耕地面积也较少。因此，雅安市应加速提高农业技术水平，弥补自然环境方面的不足，以降低其农业脆弱性。

4.2.1 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性整体分级情况

从17个市的脆弱等级(表5)可知，整体上，四川省东部盆地区农业生态脆弱性等级以中度脆弱和重度脆弱为主。其中，中度脆弱等级有9个市，面积为85291.4 km2，占研究区域总面积的45.92%；重度脆弱等级有7个市，面积为85403.3 km2，占研究区域面积的45.98%；极度脆弱等级有1个市(雅安市)，面积为15046.2 km2，占研究区域面积的8.10%。且四川东部盆地区的农业脆弱性在空间上是由中心(资阳市)向四周逐渐增强的。

表5 近10年四川东部盆地区五大区域单元、17个市的农业生态平均脆弱性等级

4.2.2 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性区域差异

由表5可知，5大区域单元近10a的平均EVI值由小到大依次为：川中丘陵区(0.387)，南部山地区(0.391)，北部山地区(0.419)，成都平原区(0.423)与川东平行岭谷区(0.465)，前2个属于中度脆弱等级，后3个属于重度脆弱等级。除川东平行岭谷区外，其他四大区域单元按照次序的脆弱性差值均保持在0.01左右。对五大区域单元内部包含的市所属的脆弱性等级进行面积比例计算，得到表6，从中可知成都平原区内部的脆弱性差异是最大的。

表6 四川东部盆地区五大区域脆弱等级所占比例

4.3 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性动态特征

根据四川东部盆地区近10 a17市的农业生态脆弱性指数结果，计算整个研究区域和五大区域单元逐年的平均脆弱性指数，得到图1和图2，以此对近10 a农业生态脆弱性演变特征进行讨论，再通过对5大区域单元的极差分析(图3)探讨区域差异。

4.3.1 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性动态特征

据图1可知，近10年的农业生态脆弱性，成都平原区和川东平行岭谷区呈现小波波动，川中丘陵区的变化趋势十分稳定，北部山地区呈现波动式上升，南部山地区则呈现波动式下降。据图2可知，四川东部盆地区近10年的脆弱性变化经历了3个阶段：下降阶段(2010～2013年)、上升阶段(2013～2016年)和稳定阶段(2016～2019年)。在下降阶段，其脆弱性年均降低值为0.021，从重度脆弱变为中度脆弱等级；在上升阶段，其脆弱性年均增加值为0.022，从中度脆弱又变为重度脆弱等级；在稳定阶段，其脆弱性变化幅度逐年减少，并稳定于中度脆弱等级。

图1 近10年五大区域单元农业生态脆弱性动态变化

图2 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性动态变化

4.3.2 近10年四川东部盆地区农业生态脆弱性内部差异动态变化

由于本文所划分的川东平行岭谷区只包括达州市，故此处不对其极差进行动态分析。据图3可知，近10a成都平原区的极差波动较大，其他3个地貌单元则是小幅度波动，且成都平原区和南部山地区整体上呈现下降趋势，区内差异减少。对于近10a的极差最大值，成都平原区出现在2010年，川中丘陵区和南部山地区出现在2011年，而北部山地区则出现在2019年，主要是因为2019年巴中市年降水量大幅增加，使其农业生态脆弱性指数骤增。

图3 近10年五大区域单元脆弱性指数极差的动态变化

5 结论与讨论

本文以四川东部盆地区17地级市为研究单元，对其近10年(2010～2019年)的农业脆弱性进行评价分级和动态分析，得到以下结论：①17市中仅有雅安市属于极度脆弱区;②该区脆弱性等级整体上以中度脆弱(45.92%)和重度脆弱(45.98%)为主，且脆弱性在空间上是由中心(资阳市)向外逐渐增强的;③五大区域单元近10年的平均EVI值排序为：川中丘陵区(0.387)<南部山地区(0.391)<北部山地区(0.419)<成都平原区(0.423)<川东平行岭谷区(0.465);④近10年该区农业生态脆弱性经历下降(2010～2013年)、上升(2013～2016年)和稳定(2016～2019年)三阶段;⑤近10年成都平原区、川东平行岭谷区和南部山地区农业生态脆弱性呈波动下降，川中丘陵区较稳定，北部山地区则呈波动上升，且成都平原区和南部山地区区内差异逐年减少。

因此，四川东部盆地区可通过把控人口质量、恢复和重建农业生态环境、提高农业技术水平等措施不断降低农业生态脆弱性。当然，由于受数据可获得性的限制，某些重要指标(如森林覆盖率、每公顷农药施用量、粮食单产等)尚未纳入到农业生态脆弱性评价指标体系中，在今后的研究中可加以改进。