基于改進SPA法的耕地占補平衡生態安全評價

施開放，刁承泰，* ，孫秀鋒，2，左太安，3，蔡 朕，禹陽春

(1.西南大學地理科學學院，重慶 400715;2.西南大學園藝園林學院，重慶 400715;3.畢節學院環境與生命科學系，畢節 551700)

耕地作為土地的精華對我國農業和國民經濟發展起著不可替代的基礎性作用［1-2］。隨著我國城市化和工業化的快速提升，耕地數量減少趨勢不可避免，耕地保護問題越發嚴峻。為解決我國的糧食安全和日益短缺的耕地資源問題，國家實行了嚴厲的耕地保護制度，其中耕地占補平衡就是其中之一［3］。所謂耕地占補平衡是指一定時間、區域范圍內，耕地在局部、微觀不斷被占用、補充及其變化的情況下，在對其數量、質量和開發利用的可持續調控基礎上，為滿足區域對糧食等基本農產品的需求，而做到的耕地生產力供求平衡［1］。當然，耕地占補平衡不僅僅強調耕地數量和質量的平衡，耕地占補平衡的生態安全維持也屬其中的重要內容［4］。所謂耕地占補平衡生態安全是指在一定時間、區域范圍內，耕地在微觀、局部不斷被占用、補充及其變化情況下，土地生態系統能夠保持其功能與結構不受或少受威脅的狀態，同時，土地生態系統為人類提供服務的質量和數量能夠持續滿足人類生存和發展的需求［5］，從而達到土地環境、社會和經濟復合體的長期協調發展。就目前的文獻來看，我國對生態安全的研究主要包括區域生態安全評價［6］，生態風險性評價［7］，土地生態安全評價［8］，但是對耕地占補平衡生態安全評價研究較少。因此，對耕地占補平衡進行生態安全評價，準確掌握耕地占補平衡生態安全狀態成為區域可持續發展測度的一個重要內容，也是進行土地利用規劃與建設和土地生態安全預測和預警的重要依據［9］。

耕地占補平衡的生態安全評價實際上是對其占補平衡生態安全復合系統的全面診斷，包括耕地資源的占補、社會經濟的支持以及生態環境的維持等多方面的內容。目前，綜合評價的方法很多，如模糊數學法、層次分析法、投影尋蹤法、神經網絡法［10-11］等，每種方法都有自身的優點和不足，眾多學者針對各種方法的不足作了相應的改進，取得了一定成果。但是由于耕地占補平衡的生態安全評價影響因素的不確定性，評價指標與生態安全等級之間存在復雜的非線性關系，所以至今沒有一個統一的評價模型來進行耕地占補平衡的生態安全評價。因此，為了克服現有評價方法的不足，本文以永川區為例，運用改進SPA法對其進行耕地占補平衡生態安全評價。

1 改進集對分析

1.1 改進SPA法評價原理及模型

集對分析是趙克勤在1989年提出的一種新的系統分析理論方法［12-13］，但該評價方法存在一點不足，是b、c的細化問題，即同異反評語細化問題［14］。原創聯系度(u(A-B)=a+bi+cj)雖然可以對研究對象所處狀態空間進行“一分為三”的刻畫，但是將研究對象所處的空間狀態簡單的“一分為三”略顯粗糙［15］，因此，必須根據原創聯系度的可展性原理進行深層次的細化，將原來的表達式改寫成式(1):

(1)細化后的b、c的意義

假設有n個評價對象，用m個指標描述評價對象屬性，xij為對象i的第j項指標(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)，將耕地占補平衡的生態安全等級劃分為K級(K=1，2，…，s)，文本中令s=4。每個年份的耕地占補平衡的生態安全評價指標值系列組成一個集合，將耕地占補平衡的生態安全評價指標的各個等級標準值組成另一個集合，這兩個集合于是構成一個集對(Ai，Bk)［16］。若指標xij處于某一等級k的范圍內時，則認為是同一，其值為a;若指標xij處于k級別相鄰級別優越一邊，則認為是優異，記為b1;若指標xij處于k級別相鄰級別劣差一邊，則認為是劣異，記為b2;若處于k級別相隔級別優越一邊，則認為是優反，記為c1;若處于k級別相隔級別劣差一邊，則認為是劣反，記為c2［17］。

(2)考慮優劣識別

在耕地占補平衡的生態安全評價中，為了方便生態安全等級的優劣識別，可以將式(1)簡記為:

進一步分析耕地占補平衡的生態安全評價指標分級標準和評價指標值之間的數量關系，可以看出，即使不同年份的生態安全評價指標值處于同一級別中，也會因為指標數值的差異而有所不同，所以，需要構造聯系度表達式更細致的描述同一、差異和對立的定量關系。若指標值處于評價級別中，則a=1，其他系數為0;若指標值處于相鄰級別優越的一邊，越靠近相鄰的評價標準a越大b越小，反之a越小b越大;若在評價等級劣差的一邊，越靠近評價標準a越大c越小，反之a越小c越大;若指標值處于相隔級別優越的一邊，越靠近評價標準則a、b越大，d越小;若在評價等級劣差的一邊，越靠近評價標準則a、c越大，e越小［17］。依據以上原理建立指標評價模型。對于正向性指標，相對于一級的聯系度:

二級聯系度:

三級聯系度:

四級聯系度:

1.2 基于改進SPA法的評價結果判定

根據式(3)得出各個年份對于不同等級的聯系度表達式后，本文擬用集對勢進行評價結果判定。

1.2.1 集對勢計算

集對勢的定義為同一度和對立度的比值，集對勢所反映兩個集合具有的某種趨同程度或聯系趨勢。在耕地占補平衡生態安全評價中計算年份i對于不同等級的集對勢，可得到年份i對于不同等級的趨同程度。當集對勢越大時，表示其同一度越強，所以取集對勢中的最大值所對應的等級為研究對象的判定結果。改進的SPA法集對勢計算公式如下:

1.2.2 樂觀勢與悲觀勢計算

樂觀勢就是從樂觀的角度出發［18］，將所有的差異度全部轉化成同一度，在系統中，用同一度和對立度的比值來量化系統的態勢，樂觀勢的表達式為:

悲觀勢就是從悲觀的角度出發，將所有的差異度均轉化成對立度，在系統中，用同一度和對立度的比值來量化系統的態勢，悲觀勢的表達式為:

1.2.3 集對勢定位

由樂觀勢和悲觀勢所確定的區間范圍就是集對勢的取值范圍，依據式(7)作集對勢定位計算，計算集對勢在集對勢的取值范圍相對于樂觀勢的貼近度。

模型中skj為第j項指標評價標準的k級和k+1級的界限值，根據上述模型對每個年份的各個指標計算聯系度系數 a、b、c、d、e的值，同理，可擬構建負向型指標相對于不同等級的聯系度公式［17］。

設權重向量為W=(wij)n×m，聯系度矩陣運用模糊算子對W和R進行合成運算，得到評價年份i相對于K級的綜合關聯度Cik:

2 實例研究

2.1 研究區概況

永川區位于重慶市西南部，東與璧山縣、江津區為鄰，西以榮昌縣、大足縣為界，南與四川省合江縣、瀘縣相連，北與銅梁縣接壤。地跨28°56'― 29°34'N，105°38'―106°05'E。2009 年全區總人口1103438 人，其中農業人口799507人，非農業人口303931人，城鎮化率為27.54%，實現社會生產總值300.04億元，完成社會固定資產投資300.7億元。2009年，農用地面積為130425hm2，占土地總面積的82.62%，其中，耕地67459hm2，占農用地面積的51.72%;園地17954hm2，占農用地面積的13.77%;林地28397hm2，占農用地面積的2.77%。永川區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，平均氣溫18.20℃，，年平均降雨量1042.20mm，平均日照1298.50h，年平均無霜期317d。境內地形復雜，丘陵起伏，其中相對高差小于50m的緩丘平壩面積為714.04hm2，占土地總面積的45.23%;丘陵面積577.33hm2，占其土地總面積的36.57%;相對高差大于200m的低山面積為287.24hm2，占其土地總面積18.20%。

2.2 數據來源

人口、DGP、化肥施用量、農藥使用量、糧食生產總量以及其他的自然地理狀況數據等來源于歷年《永川統計年鑒》;2005、2009年耕地資源相關數據均來源于永川區國土資源與房屋管理局;2015年和2020年永川區相關耕地資源數據則參考《2006-2020年重慶市永川區土地利用總體規劃》相關成果。

2.3 耕地占補平衡的生態安全評價指標體系及分級標準

在本研究界定的耕地占補平衡生態安全概念的基礎上，基于永川區自身的自然條件、社會經濟發展特點，依據指標數據的可得性和方法的可操作性［19］，充分考慮耕地占補平衡生態安全各評價因子的復雜關系，借鑒國內最新的相關研究成果［1，5，8］，結合國家環保總局制定的《生態縣、生態市、生態省建設指標(試行)》關于生態安全的目標，重點選取與耕地占補平衡生態安全密切相關的人均耕地面積、耕地減少面積與耕地面積比例、耕地增加面積與耕地面積比例、單位面積耕地化肥負荷以及單位面積耕地農藥負荷等18個屬性特征構建評價指標體系，并結合永川區歷年各指標量值，利用信息熵法計算出各指標權重，結果見表1。

表1 耕地占補平衡生態安全指標體系及安全等級劃分標準Table 1 Evaluation index system and different safe degrees of eco-security of cultivated land requisition－compensation balance

2.4 永川區耕地占補平衡的生態安全評價指標數據

永川區2015、2020年的自然、社會經濟數據依據現有的數據利用線性回歸模型進行預測;2015年和2020年耕地相關數據則主要參考《2006—2020年重慶市永川區土地利用總體規劃》相關成果。2005、2009、2015和2020年耕地占補平衡生態安全評價指標值見表2。

2.5 權重確定

耕地占補平衡生態安全評價離不開指標權重的確定，權重確定方法的客觀與否直接關系到評價結果的好壞。目前確定指標權重的方法主要有層次分析法、特爾菲法、信息熵法。因此，為了提高指標權重確定的客觀性，本文采用信息熵法確定各項指標權重。按照熵的思想，人們能夠根據決策中獲取信息的數量和質量，提高決策的精度和可靠性，熵在應用于不同決策過程中的評價或案例的效果評價時是一個很理想的尺度［8］。其基本原理就是某項指標的值變異程度越大，信息熵越小，該指標提供的信息量就越大［20］，相應指標權重就越大，反之則越小。具體計算過程如下:

表2 永川區2005、2009、2015和2020年耕地占補平衡生態安全評價指標值Table 2 Evaluation index value of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan District from 2005，2009，2015 and 2020

(1)評價指標值矩陣標準化［21］

根據表1實測值得到原始指標值矩陣X=(xij)8×7，通過對xij標準化處理可得R=(pij)mn，其中，pij為第i個評價單元第j評價指標值標準化后所得值，pij∈［0，1］。

(2)計算參評指標熵值

式中，H(xj)為第j項參評指標的熵值，為計算方便，通常令調劑系數k=1/ln＞0。(3)計算指標差異系數(hj)

第j項參評指標差異系數定義為:

(4)確定參評指標權重系數(Wj)

根據以上信息熵法的計算，得出永川區耕地占補平衡生態安全評價各指標權重分別為:W1=0.0038、W2=0.1500、W3=0.1980、W4=0.0061、W5=0.0093、W6=0.0798、W7=0.0052、W8=0.0023、W9=0.0429、W10=0.0022、W11=0.0305、W12=0.0021、W13=0.0726、W14=0.0371、W15=0.0618、W16=0.0574、W17=0.0429、W18=0.1960。

2.6 改進SPA法綜合評價計算

(1)SPA法聯系度矩陣R計算

這里以永川區2005年為例，計算其SPA法聯系度矩陣，結果如下:

同理可以計算出永川區2009、2015以及2020年的SPA法聯系度。

(2)進行合成運算

運用Excel中的sumproduct函數對權重向量W和永川區2005年聯系度矩陣R2005進行合成運算，得出永川區2005年對于不同等級的綜合聯系度。

根據式(4)—(7)計算2005年永川區相對于不同等級的集對勢、樂觀勢和悲觀勢等，利用集對勢進行耕地占補平衡生態安全等級判定，取集對勢三參數間特元［17］最大值者對應的等級為最終評價結果，如下表3所示。

表3 永川區耕地占補平衡生態安全改進SPA法綜合評價結果(2005年)Table 3 Improved SPA comprehensive evaluation results of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan district(2005)

同理可以計算出永川區2009、2015和2020年耕地占補平衡生態安全改進SPA法綜合評價結果。為了驗證改進SPA法評價結果的合理性，本文與改進模糊綜合評價、多指標綜合評價結果進行比較(表4)。

從表4可以看出，利用改進SPA法得到永川區耕地占補平衡生態安全評價結果為:2005年耕地占補平衡生態安全級別為Ⅱ級，即“臨界安全”;2009年生態安全級別為Ⅲ級，即“較安全”;2015年生態安全級別為，即

“安全”;2020年生態安全級別同樣為Ⅳ級，即“安全”，整體上呈現出由Ⅱ級向Ⅳ級上升的趨勢。

表4 永川區耕地占補平衡生態安全綜合評價結果Table 4 Comprehensive evaluation results of eco-security of cultivated land requisition-compensation balance in Yongchuan district

將改進SPA法綜合評價結果與改進模糊綜合評價結果進行比較可知:2005年、2009年、2020年兩種方法評價結果完全一致;只有2015年改進SPA法綜合評價結果為Ⅳ級，即“安全”，而改進模糊綜合評價結果為Ⅲ級，即“較安全”，但是它們判定的耕地占補平衡生態安全等級相差不過一個等級，未出現越級現象。改進SPA法綜合評價結果與多指標綜合評價結果比較得知，雖然多指標綜合評價沒有進行評價分級，但是其計算的多指標綜合評價總分值從2005年至2020年是不斷增長的，這與改進SPA法綜合評價得到的耕地占補平衡生態安全等級在一定程度上正好呈對正應關系。通過綜合分析可知:改進SPA法綜合評價結果與改進模糊綜合評價結果以及多指標綜合評價結果基本一致，因為改進模糊綜合評價法和多指標綜合評價法的實用性和可行性已得到普遍認可［17］，所以利用集對勢進行耕地占補平衡生態安全評價具有一定的可行性和可行性，評價結果比較貼近實際情況。

3 結論與討論

集對分析法通過注重信息處理過程中的模糊性和相對性比較好的解決了問題的不確定性，它是一種辯證思維的綜合評價模型。本文利用原創聯想度的可展性原理建立了耕地占補平衡生態安全改進SPA法評價模型，更為細致的描述了評價對象的同一性、差異性、對立性特性。此外，利用信息熵法表征各指標在耕地占補平衡生態安全評價中的重要程度，避免了評價指標權重確定略顯主觀性和隨意性，較為準確反應耕地占補平衡生態安全等級狀態。研究結果表明:利用改進SPA法可以判定出，永川區2005年耕地占補平衡生態安全級別為Ⅱ級，2009年為Ⅲ級，2015年生態安全級別為Ⅳ級，2020年生態安全級別同樣為Ⅳ級，整體上呈現出由Ⅱ級向Ⅳ級上升的趨勢;改進SPA法綜合評價結果與改進模糊綜合評價結果以及多指標綜合評價評價結果基本一致，充分說明其在生態安全等級界定上具有一定的可行性和合理性。

在耕地占補平衡生態安全評價過程中，由于必須設定評價指標的等級狀況，而目前很多相關準則和標準中只有標準等級值，而不是一個域，有的甚至還沒有等級標準。此外，由于當前耕地占補平衡生態安全評價沒有公認的評價指標，而且還受到豐富多樣的物質環境、文化環境以及自然生態環境的影響，文章尚無法對這些相關因素進行定量分析。因此，如何合理的界定評價指標的等級狀況以及建立一套更加全面的耕地占補平衡生態安全評價指標體系以及如何量化各指標的影響度等問題，仍需深入研究。

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