基于PSR和無偏GM（1，1）模型的福建省耕地生態安全評價與預測

范勝龍，楊玉珍，陳訓爭，張 莉，黃炎和

（福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002）

基于PSR和無偏GM（1，1）模型的福建省耕地生態安全評價與預測

范勝龍，楊玉珍，陳訓爭，張 莉，黃炎和

（福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002）

研究目的：對福建省2004—2015年的耕地生態安全狀況進行評價，并對2016—2025年的安全狀況進行預測，以指導區域耕地合理、可持續利用。研究方法：運用PSR評價模型建立評價指標體系、熵權法確定權重，采用無偏GM（1，1）模型進行預測，通過障礙度模型確定障礙因子。研究結果：（1）2004—2015年福建省耕地生態安全值呈曲折上升趨勢，安全級別從較安全級上升為安全級；（2）預測結果顯示，2016—2025年福建省耕地生態安全狀況維持在安全狀態，但安全值呈直線下降趨勢；（3）通過障礙度模型得出未來10年福建省耕地生態安全的障礙因素主要集中在經濟發展狀況及農業生產活動方面。研究結論：2004—2015年，福建省的耕地生態安全狀況總體較好，未來10年的耕地安全狀況還需通過出臺惠農政策、大力開展土地整治及宣傳耕地生態安全知識等措施加強。

土地生態；耕地生態安全；PSR模型；無偏GM（1，1）模型；障礙度模型；福建省

耕地是土地資源的精華，隨著中國城鎮化、工業化進程的不斷加快及人口持續增長，人與耕地的矛盾日益尖銳，環境污染及人類活動的干擾嚴重影響著耕地的生態安全。黨的十八大將生態文明建設提升到“五位一體”的發展高度，生態安全問題隨之越來越受到重視，耕地的生態安全研究也成為近年來研究的熱點。

福建省被確立為全國第一個生態文明先行示范區，標志著福建生態省的建設由地方決策上升為國家戰略，步入全國生態文明建設的先行階段。耕地的生態安全是生態建設的重要內容，采用科學的方法對福建省的耕地生態安全進行評價，明確當前區域的耕地生態安全狀況，有利于指導區域耕地合理、可持續利用及生態建設。近年來，國外學者集中對耕地生態安全的研究文獻還不多見[1]，主要從宏觀層面對區域生態安全和可持續利用進行研究。國內關于耕地生態安全評價的研究還處于起步階段，目前相關研究主要集中在耕地生態安全影響因素分析[2-3]、典型區域耕地生態安全狀況分析[4-5]、區域耕地生態安全分布格局研究[6-7]、新方法在耕地生態安全評價中的應用[8-10]、耕地生態安全障礙因子分析[11-12]等方面。目前研究的重點主要是對區域耕地生態安全現狀的分析，而關于耕地生態安全預測的研究并不多見。然而，耕地的生態安全是一個動態的變化過程，特別是隨著經濟的快速發展，人類活動對耕地生態環境的干擾加強，更導致耕地的生態安全狀況趨于不穩定，因此，基于當前的研究，運用合理的方法預測未來耕地生態安全的變化情況十分必要。本文通過建立基于PSR模型的指標體系，對福建省2004—2015年的耕地生態安全狀況進行評價，同時運用無偏GM（1，1）模型對福建省2016—2025年的耕地生態安全值進行預測，并采用障礙度模型確定影響耕地生態安全的障礙因子，以期為耕地生態安全評估及預測提供方法借鑒，同時為福建省的生態建設以及耕地生態安全保護決策提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

福建省土地面積較小，總面積為12.14萬km2，占全國土地面積的1.3%，居全國第23位。福建省是一個多山的省份，素有“八山一水一分田”之稱，全省海拔80 m以上的丘陵和山地占全省土地面積的89.3%，海拔80 m以下的平原臺地占總面積的10%。2015年福建省人均耕地0.52畝，不及全國平均水平的一半。福建省耕地類型比較復雜，耕地大部分以水田為主，占80.8%，旱地僅占19.2%，且主要是種植糧食作物和大田經濟作物。

1.2 數據來源

本文經濟和社會生活數據主要來源于《福建省統計年鑒》（2005—2016年）、《中國統計年鑒》（2005—2016年）和福建省國民經濟和社會發展統計公報；環境數據來源于《中國環境統計年鑒》（2005—2016年）；土地利用數據來源于福建省國土廳和《中國農村統計年鑒》（2005—2016年）。

2 研究方法

本文主要采用多因素綜合加權法、無偏GM（1，1）模型以及障礙度模型。多因素綜合加權法用來計算耕地生態安全值；無偏GM（1，1）模型用于預測各指標的數據；障礙度模型主要是對各指標的障礙度進行計算。

2.1 多因素綜合加權法

多因素綜合加權法主要是通過對各評價指標值進行加權求和獲得評價目標值，具體包括數據預處理及權重的確定。首先，對原始數據進行預處理，確定指標的安全指數。評價指標閾值是耕地生態安全的臨界值，對于正項指標，當指標值低于閾值為不安全，對于負向指標，當指標值高于閾值為不安全，參考相關文獻[15]，本文選取各指標的平均值作為閾值，再根據閾值計算各指標的安全指數；其次，計算指標權重。耕地生態安全評價是一個多指標的綜合評價，確定指標權重在評價中具有舉足輕重的地位，直接關系到耕地生態安全評價結果的準確性[13]。為了避免人為因素的影響，確保指標權重的客觀性與科學性[14]，本文采用熵值法確定各指標權重；最后，根據各指標的安全指數及權重值，通過綜合加權得出耕地生態安全值，具體計算公式為：

式（1）中，E為安全值，Wj為指標的權重，Pij為各指標的安全指數。

2.2 無偏 GM（1，1）模型

為了預測耕地生態安全值，本文引入灰色預測模型?；疑A測模型以 GM（1,1）模型為核心[16]，可以根據已知的少量信息進行建模并預測。運用GM（1，1）模型對樣本數據的多少和樣本有無規律都適合，而且計算量小，不會出現量化結果與定性分析結果不符的情況。但傳統GM（1，1）模型僅適用于原始數據序列按指數規律變化的情況，而無偏GM（1，1）模型能消除GM（1，1）模型本身所固有的偏差，適用范圍較GM（1，1）模型有很大擴展[17-18]，因此，本文選用無偏GM（1，1）模型預測各指標數據，通過后驗差檢驗對無偏GM（1,1）模型進行精度檢驗，根據后驗差、小誤差概率及平均相對誤差來判定模型的預測精度，具體評價判別標準如表1。

表1 GM（1，1）模型精度檢驗標準Tab.1 Accuracy testing standard of GM（1，1）model

2.3 障礙度模型

對耕地生態安全值進行分析，可以了解當前耕地的生態安全狀況，但不能直觀地看出耕地生態安全的影響因素，因此無法對癥下藥。障礙度模型通過引入因子貢獻度、指標偏離度和障礙度進行障礙因子診斷，能夠對影響耕地生態安全的因子進行判別[5]，具體計算如下：

式（2）中，Aj為指標障礙度；rij為指標偏離度，rij= 1 - X'ij，X'ij為單項指標的標準化值，本文運用極差法進行指標標準化處理；Wj為因子貢獻度，即單項指標的權重。

3 結果與分析

3.1 耕地生態安全評價

3.1.1 評價指標體系的建立 PSR概念模型是由聯合國OECD和UNEP提出的環境與生態評價指標體系確定方法，主要目的是診斷生態系統的持續性，剖析生態系統內在的因果關系，構建人類活動與生態環境影響之間的因果鏈，得到較為普遍的認可與應用[19-20]。基于PSR模型的評價指標體系可以從總體上反映耕地生態系統與經濟發展和人類活動間的相互關系[12]，遵循科學性、可比性、數據可獲取性以及系統性等原則，結合區域特征，參考相關文獻[21-23]，本文選用PSR模型建立耕地生態安全評價指標體系，評價指標及權重如表2所示。

表2 福建省耕地生態安全評價指標體系及權重Tab.2 Evaluation index system and weight of cultivated land ecological security in Fujian

3.1.2 福建省耕地生態安全評價 目前關于生態安全狀況的界定并沒有統一的評價標準，參考相關研究[5，24-25]，結合區域實際，本文將耕地生態安全分為5個等級，具體級別劃分如表3所示。收集福建省耕地生態安全的評價指標數據，運用上述方法，得出福建省2004—2015年的耕地生態安全值及總體發展趨勢圖（圖1）。

表3 耕地生態安全評價等級Tab.3 Evaluation rank of cultivated land ecological security

從福建省耕地生態安全值變化趨勢圖（圖1）可以看出，2004—2015年福建省耕地生態安全值總體呈現曲折上升的趨勢，2004—2015年，安全值的范圍在0.8414—0.9695間，耕地生態安全等級從較安全級提升到安全級。根據安全級別，福建省2004—2015年耕地生態安全狀況的變化可分為兩個階段，第一階段為2004—2010年，耕地生態安值緩慢增長，處于0.8—0.9之間，屬較安全等級；第二階段為2011—2015年，此階段安全值均較高，較前一階段有較大增長，達到安全級，并在2013年達到峰值0.9695，此階段安全值處于0.9—1.0間，但2015年相對2014年安全值有所下降?？傮w看來，2004—2015年福建省的耕地生態安全狀況良好且在逐步改善。良好的耕地生態安全狀況說明福建省嚴格保護耕地制度的實行以及政府加大環保建設與投資力度等措施取得了較好效果。

圖1 福建省2004—2015年耕地生態安全值Fig.1 Cultivated land ecological security values of Fujian during 2004-2015

但值得注意的是，2006年、2014年及2015年耕地生態安全值并不服從總體一直上升的趨勢，而是出現了相對下降，為找出主要的影響因素，本文運用障礙度模型計算各指標的障礙度，列出排序前5位的障礙因子如表4。2006年耕地生態系統中響應層的障礙度最大，其次為狀態層和壓力層，主要的障礙因素集中在狀態層和響應層，具體為森林覆蓋率（S1）、水土流失治理面積（R3）、農村人均可支配收入（R4）、環境污染治理投資占GDP比重（R6）和復種指數（S3）；2014年耕地生態安全系統中壓力層的障礙度最大，響應層次之，具體的障礙因素主要有單位耕地面積農膜負荷（P7）、第一產業占GDP比重（S5）、人均糧食占有量（R5）、環境污染治理投資占GDP比重（R6）和城鎮化水平（P4）；2015年障礙度最大的是狀態層，其次是響應層，主要障礙因子與2014年的大體相同，只是在障礙度排序上稍有差別，首要的障礙因子是水土流失治理面積（R3），其次是單位耕地面積農膜負荷（P7）、第一產業占GDP比重（S5）、人均糧食占有量（R5）和城鎮化水平（P4），可見，2006年、2014年和2015年耕地生態安全的主要障礙因素存在差異，且隨著經濟的發展，對福建省耕地生態安全產生影響的主要方面開始從外在生態環境條件向人類的農業生產以及經濟活動轉變。經濟發展和人類生產活動的干擾使耕地生態系統的壓力變大，耕地保護及生態建設等一系列措施致使影響耕地生態安全的障礙因素也不斷發生改變。

表4 2006、2014、2015年耕地生態安全的障礙因子及障礙度Tab.4 Obstacle factors and their degree of cultivated land ecological security in 2006，2014 and 2015

3.2 福建省耕地生態安全預測

從上文結果可以看出，當前福建省的耕地生態安全狀況總體較好，但耕地生態安全值波動較明顯且在2014年開始出現下降，為了確保福建省耕地生態安全保持良好狀態，也為了有效落實耕地保護的政策措施以及推進福建生態省的建設，有必要對福建省未來耕地生態安全狀況進行科學地預測，從而做出合理的規劃。

根據無偏GM（1，1）模型的建模原理及樣本數據越新模擬誤差越小的規律，本文剔除時效性相對差的2004、2005年的數據，以福建省2006—2015年各指標數據為初始值對2016—2025年的指標數據進行預測，為了進一步提高預測精度，依據GM（1，1）模型的精度判別標準對模擬精度較差的數據進行一定的殘差修正[16]。在Matlab軟件中運行無偏GM（1，1）建模程序，得出福建省2006—2015年各指標的模擬值，同時計算模擬值的后驗差C、小誤差概率P及平均相對誤差。列舉各指標的模擬精度評判值及精度等級見表5。

表5 耕地生態安全各指標的模擬精度值Tab.5 Simulation accuracy values of cultivated land ecological security index

從模擬結果可以看出，運用無偏GM（1，1）模型進行預測，模擬精度等級均在合格級以上，說明運用無偏GM（1，1）模型進行模擬的精度較高，且各指標的平均相對誤差值全部小于20%，均在可接受的誤差范圍內[26]，因此，該模型可用于進行預測。經計算得到福建省2016—2025年各指標的預測值，進而得出福建省2016—2025年的耕地生態安全值及變化趨勢如圖2所示。從圖2可以看出，福建省2016—2025年安全值均介于0.9—1.0間，安全等級處在安全級，可見此階段耕地生態安全狀況總體較好，但安全值呈下降趨勢，從2016年的0.9806下降到2025年的0.9414。根據安全值的增減趨勢，福建省2016—2025年的耕地生態安全狀況可分為兩個階段，第一階段為2015—2017年，福建省的耕地生態安全值在上一年的基礎上經歷較大回升后又出現小幅增長，在2017將年達到預測期的峰值0.9814，接近上限值1.0；第二階段為2017—2025年，安全值開始直線下降至預測期的最低值0.9414，且有持續下降的趨勢。由此說明，如果按照當前的發展形勢，福建省未來10年的耕地生態安全狀況將會在保持安全狀態下，略微好轉后出現持續弱化的情況，因此有必要對耕地生態安全可能的阻礙因素進行分析，以便針對性地提出解決措施。

運用障礙度模型對影響福建省耕地生態安全的障礙因子進行診斷，分別按照準則層和指標層確定主要障礙因子。通過對準則層的障礙度進行統計（圖3），可以看出，2016—2025年各準則層對耕地生態安全的影響程度出現一定變化，整體上，狀態層和響應層的障礙度在下降，壓力層的障礙度呈增長趨勢，且一直保持較高值，對福建省耕地生態安全的影響上將起主導作用；同時還可以看出，2016—2022年，壓力層的障礙度基本保持平穩，狀態層的障礙度略微上升，而響應層的障礙度稍有下降；2022—2025年，壓力層的障礙度開始呈現較快增長趨勢，而狀態層和響應層的障礙度下降幅度隨之增大，總之，未來10年，壓力層是影響福建省耕地生態安全的主要方面。為了進一步剖析影響耕地生態安全的障礙因素，需要針對各指標的障礙度進行分析，由障礙度模型得出福建省2016—2025年主要的障礙因子及障礙度見表6。

圖2 2004—2025年福建省耕地生態安全值Fig.2 Cultivated land ecological security values of Fujian during 2004-2025

圖3 2016—2025年福建省耕地生態安全準則層障礙度Fig.3 Obstacle degree of cultivated land ecological security criteria level in Fujian in 2016-2025

對單項指標的障礙度進行分析可以看出，福建省2016年耕地生態安全的主要障礙因子有森林覆蓋率（S1）、單位耕地面積農膜負荷（P7）、水土流失治理面積（R3）、人均糧食占有量（R5）以及第一產業占GDP比重（S5）等因素；2017—2025年耕地生態安全的障礙因素主要集中在壓力層，雖然主要的障礙因子對福建省耕地生態安全影響的障礙度在各個年份的排序上略有差別，但主要集中在單位耕地面積農膜負荷（P7）、森林覆蓋率（S1）、第一產業占GDP比重（S5）、人均糧食占有量（R5）、城鎮化水平（P4）和人口密度（P1）這幾個因素上。綜合看來，農業生產活動和經濟發展方面的因素對福建省2016—2025年的耕地生態安全將會產生較大影響，因此，要繼續改善耕地生態安全狀況，最主要的是在保持經濟快速發展的同時，應注重生態及環保建設，要緊跟國家政策的引導，減少破壞耕地生態環境的行為以及確保環保治理政策措施落到實處。

表6 2016—2025年耕地生態安全的障礙因子及障礙度Tab.6 Obstacle factors and degree of cultivated land ecological security in 2016-2025

通過對各指標值變化情況的進一步分析，發現導致福建省2016—2025年耕地生態安全值下降最根本的原因是耕地數量的減少及耕地質量的下降，加之人類生產活動對耕地生態環境的破壞。隨著城鎮化的快速發展，越來越多的農村人口向城鎮轉移，從事農業生產活動的人數變少且農民耕種的積極性降低，耕地的復種指數也不斷下降；經濟快速發展過程中，農業在社會生產中的比重逐漸降低，政府對農業的重視程度隨之下降，農業基礎設施薄弱，更加導致從事農業生產的人數銳減；城市人口數量的增多及人們居住需求與要求的提升，導致建設占用耕地的現象普遍發生，而增減掛鉤政策的實施雖然有效遏制了耕地數量銳減的趨勢，但無法填補耕地質量下降的短板，土地整治等措施改善了農業生產條件，同時也破壞了原有的耕地生態環境，而農民增產增收的需求也導致了大量農藥化肥及農膜的投入使用，進一步加劇了環境污染。

4 結論

（1）本文基于PSR模型建立耕地生態安全指標體系，運用熵權法確定指標權重，通過多因素綜合加權法得到耕地生態安全值，從結果中可以看出福建省2004—2015年的耕地生態安全值總體呈上升趨勢，但波動較大，安全等級從較安全級上升為安全級，說明福建省2004—2015年的耕地生態安全狀況總體較好，特別是黨的十八大提出大力推進生態文明建設后，福建省的耕地生態狀況也有了較大的改善。

（2）運用無偏GM（1，1）模型，本文得出了福建省2016—2025年各評價指標的預測值，進而算出福建省2016—2025年的耕地生態安全值，從結果可以看出，未來10年，福建省耕地生態安全一直處在安全級別，但如果不采取積極有效的應對措施，安全值會在2016年出現小幅上升后開始直線下降。通過障礙度模型得出，未來10年影響福建省耕地生態安全的主要方面是壓力層，最主要的障礙因素是單位耕地面積農膜負荷，其次是森林覆蓋率、第一產業占GDP比重、人均糧食占有量、城鎮化水平和人口密度等，可見影響較大的因素主要集中于生產活動和經濟發展方面。因此，為了防止耕地生態安全狀況持續弱化，有必要出臺惠農政策，加強農業基礎設施建設，嚴格控制耕地占用現象，大力開展土地整治，加大生態知識宣傳及持續推進生態建設等。

（3）為了防止耕地生態安全狀況日益弱化，應該通過增加農業補貼及其他惠農政策來提高農民的耕種積極性；加快推進農業現代化發展，引進先進農業機械代替人力的手工勞動，吸引轉移勞動力返鄉從事農業生產；強化農業基礎設施建設來改善農業生產條件；繼續嚴格控制非農建設占用耕地，確保耕地數量安全；加大土地整治力度的同時應注重耕地質量的維持；同時應鼓勵農民使用有機肥替代化肥來提升耕地質量；政府還應加大環境治理方面的投資以及通過園林綠化和污染治理等措施提高生態質量；加大生態安全知識的宣傳，提高農民的生態環保意識等，通過這一系列措施確保耕地的生態安全狀況得以持續改善。

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（本文責編：戴晴）

Evaluation and Prediction of the Cultivated Land Ecological Security in Fujian Province based on PSR and Unbiased GM（1, 1）Model

FAN Sheng-long, YANG Yu-zhen, CHEN Xun-zheng, ZHANG Li, HUANG Yan-he
（College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China）

This paper evaluates the cultivated land ecological security of Fujian Province from 2004 to 2015 and predicts its security status from 2016 to 2025. It can guide the rational and sustainable utilization of cultivated land. In this paper, the PSR model was used to establish index system, the entropy weight method was used to determine the index weights, unbiased GM(1, 1)model was used to predict the result and the obstacle degree model was used to identify the obstacle factors. Results show that：1)the cultivated land ecological security values of Fujian Province from 2004 to 2015 presented an increase curved trend, the security level raises from relatively safe level to safe level; 2)the predicted result shows that the cultivated land ecological security of Fujian Province maintains in a safe state from 2016 to 2025, but the cultivated land ecological security values show a linear decrease trend; 3)Based on the obstacle degree model, the main obstacle factors that affect the cultivated land ecological security of Fujian Province in the next ten years are mainly concentrate on economic development and agricultural production activities. Conclusions are that the cultivatedland ecological security of Fujian Province was generally good from 2004 to 2015 ,and countermeasures like enacting agriculture favorable policy, implementing land consolidation and propagandizing the cultivated land ecological security knowledge should be applied to strengthen the cultivated land ecological security in the next ten years.

land ecology; cultivated land ecological security; PSR model; unbiased GM（1, 1）model; obstacle degree model; Fujian Province

F301.2

A

1001-8158（2016）09-0019-09

10.11994/zgtdkx.20161027.110139

2016-07-21；

2016-08-19

福建省自然科學基金資助項目（2015J01624）。

范勝龍（1976-），男，福建永定人，博士，副教授。主要研究方向為土地質量評價、土地資源可持續利用。E-mail: fsl@fafu.edu.cn

黃炎和（1962-），男，廣東饒平人，博士，教授。主要研究方向為土壤侵蝕與治理、土地資源可持續利用。E-mail: yanhehuang@163.com