亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性時間演變研究
——以衡陽盆地為例

周松秀，蔣　晴，劉蘭芳，王　鵬

（1.衡陽師范學院城市與旅游學院，湖南衡陽 421002；2.新晃縣一中，湖南懷化 419200）

亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性時間演變研究
——以衡陽盆地為例

周松秀1，蔣晴2，劉蘭芳1，王鵬1

（1.衡陽師范學院城市與旅游學院，湖南衡陽 421002；2.新晃縣一中，湖南懷化 419200）

農業生態環境脆弱性與區域自然、社會、經濟條件密切相關。文章根據亞熱帶稻作區農業生態環境時間變化特點，從區域的資源條件、設施現狀、區域環境響應、經濟能力四方面構建脆弱性時間演變評價指標體系。實證研究以衡陽盆地為例，運用主成分分析法，分析農業生態環境脆弱性的時間演變規律。結果表明，衡陽盆地21世紀以來，農業生態環境脆弱度指數以輕度脆弱為主，呈明顯下降趨勢。脆弱性演變大約分為三個階段，即2000-2001年為脆弱性快速下降階段，2002-2010為脆弱性波動下降階段，2011-2012年為脆弱性穩定下降階段。區域的經濟能力是影響農業生態環境脆弱性的主要驅動因子。研究結果與實際情況基本相符。此研究能為研究區農業適應性調控策略的制定提供依據。

農業生態環境；時間演變；脆弱性；衡陽盆地

0　引言

生態脆弱性已成為當前全球變化與可持續發展研究的熱點問題。國外對生態脆弱性的研究較早，20世紀60年代法國學者Albinet和Margat提出后經Verhuff等得到發展［1］。早期的脆弱性研究多針對自然生態系統。21世紀以來，脆弱性更重視自然-社會耦合系統研究。國內生態脆弱性研究始于20世紀80年代，之后的研究朝著多元化方向發展［2］。由于研究背景的差異，學者對脆弱性的理解不盡相同，因此脆弱性的概念不十分明確［3］。大多數研究仍以政府間氣候變化專業委員會（IPPC，Intergovernmental Panel on Climate Change）的定義為準。IPCC認為脆弱生態環境是一種對環境因素改變反應比較敏感、維持自身穩定的可塑性較小的生態環境系統［4］。學者普遍認為是生態環境脆弱性是生態環境固有的特性，其存在并不完全取決于生態環境是否暴露于自然和人為干擾之下［5］。當人類活動和自然災害的逐步積累達到一定強度生態環境轉化為脆弱狀態，并朝著生態環境惡化的方向發展，這種生態環境被認為是脆弱性生態環境［6］。

近年來，學者圍繞典型生態環境脆弱區展開了脆弱性理論與實證研究，如對綠洲、農牧交錯帶、喀斯特地區、青藏地區等敏感區的生態脆弱性研究較多，并取得了豐富的成果。作者及其研究團隊長期從事南方丘陵區的生態脆弱性研究，對衡陽盆地的農業生態環境脆弱性的空間演變規律及其驅動力進行了大量的研究，并取得了一些研究成果［7-8］。時間演變能反映脆弱性演變過程及今后的演變趨勢，對農業決策部門和農業經濟行為具有較大的指導作用。本文擬對亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性時間演變進行探索。作者在研究中發現農業生態環境脆弱性的空間分異和時間演變的影響因素有所不同，即需要構建不同的評價指標體系。脆弱性定量研究主要趨勢表現在區域生態風險評價的指標體系，建立評價標準［9］。如何確定評價標準、定量表征和不確定性處理等是定量研究中亟待解決的問題。隨著時間的演變農業政策和經濟條件變化顯著，脆弱性時間演變所需構建指標體系的側重點和視角也應該隨之變化。本文著眼于脆弱性時間演變的研究，評價指標的選擇是較重要的研究內容。文章從區域的資源條件、環境承載狀況、設施現狀、經濟能力4方面構建農業生態環境脆弱性評價指標體系；以衡陽盆地為例，對亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性時間演化進行研究。通過對研究時域內的脆弱性的演化特征與演變規律的分析，揭示演變趨勢及其動因，以期為研究區農業適應性調控策略的制定提供科學依據。

1　基于時間演變的農業生態環境脆弱性評價指標體系的構建

1.1評價指標體系的構建原則

農業生態環境脆弱性定量評價可分為時空兩個維度。脆弱性成因和表現特征十分復雜，若把所有影響因素均列入農業生態環境評價指標，則指標體系龐大，進而使評價結果具有不確定性。農業生態環境脆弱度指標體系構建應遵循科學性、代表性、綜合性、系統性和可操作性等原則。

1.1.1科學性原則

指標體系構建要能客觀反映農業生態環境脆弱性本質及其復雜性，需遵循科學性原則，真實反映生態環境質量及其演變。農業生態環境的脆弱程度一方面與環境的承載力有直接關聯，承載力強表明容納和吸收能力大，脆弱性則小。農業生態環境脆弱性與資源條件密切相關，資源條件的豐度和使用方式是環境脆弱性的表達方式。農業生態系統屬于自然-社會復合系統，生態環境脆弱性時間演變與設施條件和經濟發展密切相關。因此本文指標體系構建從資源條件、區域環境響應、設施現狀、經濟能力4方面考慮，涵蓋影響農業生態環境脆弱性的自然、社會、經濟等方面的因素。

1.1.2代表性原則

評價指標的確定需具有代表性，能客觀反映農業生態環境的現狀及變化特征。指標太多，難免會出現兩個或兩個以上指標表達的內容重貼和相關性太強，指標太少則可能出現重要指標疏漏而不能全面表達。本文從資源條件、區域環境響應、設施現狀和經濟能力4方面選取12個具體指標，如年均溫、年降水量、森林覆蓋率、農業人口等代表性的指標。

1.1.3綜合性原則

區域農業生態環境是復合生態系統，指標體系的驅動或指示作用應具有綜合性，反映區域資源與環境的主要屬性，既能突出局部特征又要充分反映整體特征，既能反映生態環境本底條件，又能表達時間演變特征。文章選擇人均GDP、農民純收入、恩格爾系數等作為經濟環境指標。人均GDP可反映研究區域的總體經濟狀況、農民純收入則反映農民的經濟水平，恩格爾系數的變化可表明農村居民生活水平及貧困程度的變化。

1.1.4系統性原則

指標體系構建遵循系統性原則。文章按照系統論的觀點，構建一個基于4個層面12個具體指標的評價指標體系。

1.1.5可操作性原則

具體指標選擇應考慮其可操作性。有些指標對農業生態環境脆弱性時間演變有一定的表征作用，但其難以量化或者數據難以取得，不宜列入評價指標體系。如研究區域居民環保意識的變化，對區域農業生態環境脆弱性時間演變具有較大影響，但相關數據不易量化表達，未列入指標體系。

1.2指標體系的層次和具體指標

文章從區域資源條件、區域設施狀況、經濟能力、區域環境響應4層面選取12個具體指標，構建亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性時間演變的指標體系（表1），分別是：年平均氣溫X1（℃）、年平均降水量X2（mm）、森林覆蓋率X3（%）、農業人口X4（萬人）、水庫水塘密度X5（萬m3/hm2）、動力灌溉面積X6（hm2）、人均GDP X7（元）、農民人均純收入X8（元）、恩格爾系數X9（%）、自然成災率X10（%）、地均農藥使用量X11（t/hm2）、地均化肥使用量X12（t/hm2）。

1.2.1區域資源條件指標

在12項具體指標中，氣溫X1（℃）、X2年平均降水量（mm）、森林覆蓋率X3（%）和農業人口X4（萬人）等4個指標屬于區域資源條件的宏觀指標。全球變化背景下，年平均氣溫和年降水量等宏觀指標反映研究區的自然本底條件，影響農作物的生長和農業生產的發展。如當氣溫低于0℃時，亞熱帶稻作區大部分作物停止生長甚至死亡。南方主要糧食作物水稻屬喜溫喜濕植物，適宜溫度為20-32℃，每公頃需水量為350-600 m3，暴雨和長期干旱等極端氣象事件會給農業造成極大損害。20世紀氣候變化引起了有害生物泛濫，干旱脅迫增加使害蟲和疾病爆發強度和頻率增加［10］，農業生態環境脆弱性增加。森林覆蓋率是區域農業發展的背景條件指標。若森林覆蓋率提高，水土保持狀況會得到改善，農業生產能力和農業發展潛力便隨之提高。農業人口既是區域勞動力資源指標，也是區域人口壓力指標。當區域農業人口過少時會導致區域勞動力不足，制約農業產業發展；若區域農業人口過度膨脹，達到或超過區域承載量時，會導致區域環境壓力增大，耕地退化，農業產業衰退［8］。

1.2.2區域設施指標

水庫水塘密度X5（萬m3/hm2）、動力灌溉面積X6（hm2）等2項指標，從區域農業設施角度反映區域農業生態環境。水庫水塘具有調洪濟旱能力，是農業生產穩定性重要影響因素。動力灌溉能提高水庫水塘蓄水的利用率，有效緩解旱情。這2項指標能反映水稻生長期水分的供給程度。亞熱帶稻作區7-8月正值伏旱期，水庫水塘和動力灌溉是彌補降水不足、滿足水稻需水量的必要途徑，是保證農業穩定性、緩解旱情的關鍵因素。隨著惠農政策的逐步落實和深化，農業區域設施正在逐步改善，對脆弱性時間演變產生較大影響。

1.2.3區域經濟能力指標

人均GDP X7（元）、農民人均純收入X8（元）、恩格爾系數X9（%），這3項指標屬于區域經濟能力的指標，一方面可反映區域經濟狀況和農業環境的供給能力，另一方面農業脆弱性直接受區域經濟能力的影響［11］。如農業的抗災能力直接受區域經濟發展水平制約。隨著農村土地流轉的深化和完善，農民人均GDP和農民純收入提高顯著，恩格爾系數降低。農村土地流轉改變了農業經營模式，促進農業由粗放模式向集約化模式轉化，對農業基礎設施建設和農業科技應用具有較大的推動作用，有利于農業生態環境質量的提高，降低農業生態環境脆弱性。

1.2.4區域環境響應指標

自然成災率X10（%）、地均農藥使用量X11（t/hm2）、地均化肥使用量X12（t/hm2）。這3個指標表達區域環境響應，能反映農業生態環境脆弱性。全球變化背景下，自然成災率年際波動較大，農業災害突發性和頻發性特征顯著，增加農業生態環境脆弱性。適量的農藥化肥使用能使農業增產，保證產量，增加農業收入，提高農民生活水平。大量使用農藥、化肥會導致土地板結，水土污染，導致土壤生產力降低。按照土地生產力下降25%即為荒漠化的臨界值的標準，中國非灌溉耕地中有69%屬于荒漠化土地［12］，土地生產力下降是農業生態環境脆弱性的重要體現形式。隨著農村土地流轉的推廣，農藥化肥的使用模式、種類和使用量變化明顯，對脆弱性產生影響。

1.2.5數據來源

文章以2000-2012年為研究時間，對研究區域156個基礎信息數據進行分析，評價研究區域13年農業生態環境脆弱性的時間演變規律。其中平均氣溫、年降水量、森林覆蓋率、人均GDP、恩格爾系數等數據來源于研究時段的《衡陽統計年鑒》；農業人口、水庫水塘密度、動力灌溉面積、農民純收入、自然成災率、地均農藥使用量和地均化肥使用量等數據資料來源于研究時段的《湖南農村統計年鑒》。此外，作者實地調查走訪衡陽盆地常寧市的星子坪村、聯平村、長塘村和石橋村得到部分第一手資料和數據。

表1　農業生態環境脆弱性評價指標及權重Tab.1 Agricultural ecological environment Vulnerability assessment index and weight

2　農業生態環境脆弱性定量評價

2.1研究區域

亞熱帶稻作區是我國主要的稻谷產區和重要的商品糧產區，對我國的糧食安全和農業經濟發展具有重要意義。衡陽盆地位于長江中游湖南省南部的湘江中下游地區，具有典型性和代表性。衡陽盆地總面積為15310 km2，其范圍與衡陽市轄區行政區域大體一致。其經緯度約為北緯26°20′～27°15′，東經112°05′～112°58′，四周中低山包圍，海拔約為800～1300 m。向內逐漸過渡為500 m以下的丘陵盆地。湘江自西入境，將盆地分為東南和西北兩部分，河網密度為每平方公里0.55 km。衡陽盆地土壤以地帶性紅壤和非地帶性水稻土、紫色土為主。紫色土約12×104hm2，其中石灰性紫色土占72%；沿河洲灘及沖谷地帶多分布沖積土和水稻土。由于紅層巖性軟弱，加之植被破壞，水土流失嚴重。區域內森林覆蓋率在44%左右波動，紫色土地區森林覆蓋率僅10%左右，土壤紅漠化現象嚴重。研究區域的氣候屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫17.5～18.1℃，一月均溫5.2 ～6.1℃，7月29.4～30℃。極端最低溫-10.3℃，極端最高溫40.8℃，3末4月初的極端低溫天氣，易造成水稻爛種。研究區多年平均降水量約1340 mm，四周山區年降水量較豐富，盆地內部年降水量偏少。且降水集中于春末夏初，春夏兩季降水量占全年的70%左右。而盛夏初秋降水量偏少，季節性干旱頻發。研究區農業以水稻種植為主，兼有豆類、麥類和油菜等作物。園藝業較發達，油茶面積廣布。衡陽盆地人口密度較大，農耕歷史悠久，是我國南方稻作農業文化中心區域。水土流失嚴重，抵御災害能力較差。

2.2評價方法

生態環境脆弱性的定量評價分析方法有模糊逆方程法、統計平均值法、模糊綜合評判法、綜合指數法、主成分分析法、層次分析（AHP）法、灰色關聯法等諸多方法。由于農業生態環境脆弱性評價指標涉及脆弱生態環境的成因和表現特征等方面［13］，評價指標較多，存在一些關聯性。主成分分析法能夠將原來的指標重新組合成少數幾組新的彼此關聯性較弱的綜合指數，且能反應初始指標信息，此方法計算的權重客觀，避免了主觀隨意性［14］。因此，本文選擇主成分分析法對研究區域農業生態環境脆弱性進行定量評價。文章首先通過主成分貢獻率的計算，得出主成分個數，然后計算主成分載荷值，求出各評價指標的權重值，進而計算研究區域各年份的脆弱度。

2.2.1數據標準化處理

在這12項指標中，X4、X9、X10、X11和X12為正向指標，其值越大，脆弱性越大；而X1、X2、X3、X5、X6、X7和X8為負向指標，其值越大，脆弱性越小。由于各指標的綱量不一樣，需要對原始數據進行標準化處理，從而使其具有良好的可比性。本文采用的標準化公式為：

式中，Xij為項指標第j年的標準化值，xij為i項指標第j年的指標值，maxj｛xij｝為該指標的最大值，minj｛xij｝為該指標的最小值。

2.2.2主成分分析

應用SPSS19.0統計分析軟件對評價指標進行主成分分析，計算其相關矩陣、特征根、主成分貢獻率、累積貢獻率以及主成分載荷，見表2和表3。

表2　特征值及主成分貢獻率Tab.2 Characteristic value and the principal component contribution rate

由表2可知，前4個主成分的累計貢獻率之和達到86.590%，根據累積方差貢獻率在85%以上的原則［15］，選擇前4個主成分進行分析，分別記作Z1、Z2、Z3、Z4。

主成分載荷是指不同主成分中各指標的權重，反映了主成分與原指標間的相關性關系。根據主成分中各指標的權重，列出主成分Z1的表達式：

同理可求得Z2、Z3、Z4的表達式。

由于4個主成分在累計貢獻率中所占比例不一樣，根據表1可計算出4個主成分各自在累計貢獻率中所占的權重值，從而得出

將Z1、Z2、Z3、Z4表達式帶入（4）式得：

表3　主成分載荷Tab.3 Principal component loadings

2.3脆弱度計算

農業生態環境脆弱度的計算公式：

式中Vi為第i年的農業生態環境脆弱度，Wi為第i個評價指標的權重。

農業生態環境脆弱度的等級劃分到目前為止尚未有統一的標準，本文借鑒前人的研究成果并結合衡陽盆地的具體情況，將衡陽盆地農業生態環境脆弱度（表4）劃分為五個等級，即0.9695＜Vi＜1.1395為高強度脆弱性。0.7995＜Vi＜0.9695為強度脆弱性，0.6295＜Vi＜0.7995為中度脆弱性，0.4595＜Vi＜0.6295為輕度脆弱性，0.2895＜Vi＜0.4595為輕微度脆弱性。

表4　各年份脆弱度及級別Tab.4 The vulnerability and level from2000 to 2012

3　農業生態環境脆弱性時間演變規律分析

由表4和圖1可知衡陽盆地農業生態環境脆弱度隨時間演化較復雜，脆弱性大體呈波動下降趨勢。2000年為高強度脆弱，2001-2003年為中度脆弱，2004—2010年7年脆弱度為輕度，2011—2012年為微輕度脆弱。這與衡陽盆地資源環境條件、農業設施建設、區域響應程度與經濟狀況等密切關系。衡陽盆地水稻土熟化程度較高，年降水量豐富，河網密度大，灌溉設施逐漸完善，農業勞動力豐富，農民純收入逐年增加，這些因素促進了衡陽盆地農業的健康發展，減緩或降低衡陽盆地農業生態環境脆弱性。從演變特征和趨勢來看，衡陽盆地農業生態環境脆弱性在研究時域13年期間可分為三個階段。

3.1脆弱性快速下降階段

由圖1可知2000—2001年呈直線下降，脆弱度由2000年的高強度脆弱跳躍下降為2001年的中度脆弱。下降幅度達38.6%。2001年是國家十五規劃的起始年，國家和湖南省一系列的惠農和保護農業生態環境的政策措施得到落實，衡陽市農業以“衡陽市農業和農村經濟發展十五規劃”為指南，圍繞農業增效、農民增收、農村穩定、農業生態環境改善的奮斗目標，以市場為導向，以結構調整為突破口，以推進產業化為手段，立足本地資源優勢，全面推進農業現代化建設，農業的綜合生產能力明顯提高，農業生產和農業經濟得到了較大的發展，2000-2001年經濟增幅較大，農民純收入、人均GDP、恩格系數都有較大的變化，其中變幅最大的為區域人均GDP由2000年的4934上漲到5535元，同比增長了12.2%，農民人均純收入由2617元增加到2743元。快速改善的經濟條件有利于增加農業固定資產投入，減少對農業生態環境的掠奪式獲取，農業生態環境得到改善，脆弱性明顯降低。

圖1　衡陽盆地2000-2012年農業生態環境脆弱度演變Fig1.Agricultural ecological environment vulnerability evolution diagram of Hengyang basin

3.2脆弱性波動降低階段

由圖表和數據可得知，2002—2010年脆弱度以中輕度為主，脆弱度在0.460 0—0.676 2間波動下降。此階段前3年為中度脆弱，后7年為下降為輕度脆弱。2001年-2005年，農業增加值由109億元提高到141億元，比2000年增長29.3%，農民人均純收入達3800元，年均增加230元。此期間水利建設投資近10億元，堤防加固77 km，加固險水庫20座，新增供水能力約220×104m3。農業經濟的發展和水利設施的改善為農業生態環境的健康發展提供了保證，因而此階段脆弱性平緩下降。2005年-2010年，農業稅全面取消，農村“村村通”公路工程實施，農業發展環境進一步優化。此期間農業增加值年均增長4.5%，農村人均純收入年遞增6%。衡陽市“十一五”農業發展規劃中單列了農業生態環境保護目標，期間新增水土流失治理面積2.5×104hm3，新增蓄水8400×104m3，改善灌溉面積12×104hm3。農業生態環境穩定并有改善，生態環境脆弱性降低。

3.3脆弱性穩定下降階段

研究時段的后期2011—2012年，為微輕脆弱度，并呈穩定下降趨勢。其中2011年脆弱度為0.408 5，2012年僅為0.289 6。下降幅度較大，下降趨勢穩定。此期間“誰種糧誰受益，種多少補多少”的據實種糧直補政策得到落實，種田的積極性明顯提高。隨著衡陽市“一流轉五服務”工作的推進，種糧專業大戶、家庭農場、農民合作社和農業龍頭企業涌現，許多耕地的經營方式由農業集約化取代了農戶單干的小規模零散的粗放經營。生產規模的擴大可提高農民無公害農業生產的認知水平和生產意愿［17］，這是改善農業生態環境的潛在動力和關鍵因素。規模農業生產過程中，農業科技人員成為農業生產者，農業科技得到大力推廣，農藥化肥的使用量大幅度降低，使用效率迅速提高。從走訪衡陽盆地常寧市的星子坪村、聯平村、長塘村和石橋村的情況看，農藥化肥的使用量減少了50%，水田為零撂荒，雙季稻的種植面積提高40%，農業生態環境明顯改善，脆弱性下降將呈持續趨勢。

3.4脆弱性驅動因子分析

由圖1可以看出，衡陽盆地農業生態環境脆弱性呈明顯下降趨勢。由表3可知地均化肥使用指標的權重最大，說明區域環境響應因素對衡陽盆地農業生態環境脆弱度的影響最大。此外農民純收入、恩格爾系數、人均GDP等指標的權重較大，說明區域的經濟能力是影響農業生態環境脆弱性的主要驅動因子。研究區域的農業生態脆弱性主要屬于脅迫型脆弱性，區域環境響應因子與農業經濟活動的脅迫性因子是脆弱性的主要驅動力。總的來說研究區域的農業生態環境脆弱性隨時間的推移呈小波動下降趨勢，衡陽盆地的農業生態環境正在恢復中。在今后制定農業適應性調控策略和調控方案時，應充分考慮區域環境響應因素與農業經濟行為。農業生態系統適應性調控以降低農業生態環境脆弱性和發展農業社會經濟為目標，如何處理二者的關系是區域環境響應研究的重點問題。

4　結論

（1）文章針對亞熱帶稻作區農業生態環境的特點，遵循科學性、代表性、綜合性等原則，從區域的資源條件、設施狀況、經濟能力和區域環境響應4方面選取12個具體評價指標，構建評價指標體系。

（2）運用主成分分析法，以衡陽盆地為例對亞熱帶稻作區農業生態環境脆弱性進行分析。研究表明，衡陽盆地21世紀以來，農業生態環境脆弱度指數以輕度脆弱為主，其時間演變呈現明顯的下降趨勢。2000-2012年間衡陽盆地農業生態環境脆弱演變可分為三個階段：2000-2001年為脆弱性快速下降階段，2002-2010年為脆弱性波動下降階段，2011-2012年為脆弱性穩定下降階段。

（3）研究區域的農業生態脆弱性以脅迫型脆弱性為主，區域環境響應因素和經濟能力是影響農業生態環境脆弱性的主要驅動因子。

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Research on the Temporal Evolution of Agricultural Eco-environmental Vulnerability in Subtropical Rice Areas——Take Hengyang Basin as an Example

ZHOU Song-xiu1，JIANG Qing2，LIU Lan-fang1，WANG Peng1
（1.College of City and Tourism，Hengyang Normal University，Hengyang Hunan 421002，China；2.Xin Huang No 1 Middle School，Huaihua Hunan 419200，China）

The vulnerability of agricultural eco-environmental is closely related to the natural，social and economic conditions. Based on the characteristics of temporal evolution of agricultural eco-environmental in subtropical rice areas，we structure the index system of agricultural eco-environmental vulnerability（AEV）which includes regional resource condition，Regional environmental response，facility status and economic ability.The empirical is Hengyang basin.Principal component analysis （PCA）is adopted in this paper，and AEV is calculated from 2000 to 2012.The results show that AEV is mild fragile in Hengyang basin in most years，and AEV decreased significantly as the year goes on.The Evolution of vulnerability is divided roughly into three stages from 2000 to 2012 in Hengyang basin.The vulnerability fell quickly from 2000 to 2001，it declined in volatility from 2002 to 2010，and it fell from 2011 to 2012.Economic capacity are the main driving factors of the vulnerability of agricultural eco-environmental.The result tallies with the actual situation on the whole.The research can provide the basis for the regulation strategies of agricultural adaptation in Hengyang basin.

agricultural eco-environment；temporal evolution；vulnerability；Hengyang basin

X171；S181

A

1673-0313（2015）06-0057-06

2015-10-08

國家自然科學基金項目（41171075，41171076）；湖南省“十二五”重點建設學科人文地理資助項目

周松秀（1968-），女，湖南常寧人，副教授。主要研究方向為區域環境質量綜合評價。