基于PSR和改進熵值法的縣域耕地生態安全評價研究

劉亞男，李淑杰，黃爍秋

(吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061)

基于PSR和改進熵值法的縣域耕地生態安全評價研究

劉亞男，李淑杰*，黃爍秋

(吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061)

以汪清縣為例，基于PSR模型建立耕地生態安全的評價指標體系，指標標準化后基于改進的熵值法測算指標因子權重，綜合定量評價了汪清縣2005～2015年耕地生態安全。結果表明：2005～2015年間汪清縣耕地生態安全總指數由0.2045增加到0.7072，評價等級由危險級過渡到敏感級，耕地生態安全狀況已得到改善，可維持基本生態功能。但目前耕地生態安全面臨的問題還很嚴峻。改進的熵值法測算權重解決了熵值法確權時偏離標準值太大的指標權重值太大的問題；提出了耕地生態保護的措施，為耕地保護提供科學參考。

耕地；生態安全；PSR；改進的熵值法；汪清縣

0 引言

耕地作為土地資源的一部分，是人類最珍貴的財富，是人類生存發展的根本，耕地的安全關系到人類生存及可持續發展[1]。隨著時間進程及社會發展，人類對土地的需求與日俱增，城鎮化、工業化進程的加快，導致耕地資源不斷減少；耕作中化肥、農藥等的使用以及生活生產中產生的垃圾都使得耕地質量逐漸下降，同時人類活動也會影響耕地生態環境的變化。

黨在十八大將生態文明建設提升到國家“五位一體”建設的地位后，國務院推出關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見。2017年中國兩會熱議耕地“三位一體”保護，耕地數量、質量、生態一樣都不能少，耕地的生態安全問題已然是當今關注的熱點問題之一[2]。

迄今為止，國內外都逐步開始對耕地生態安全進行研究。Di Pietro從景觀生態學的角度對庇里牛斯山中部的農業土地生態安全進行評價，并分析了其發展的可持續性[3]。Rasu結合農業生態環境與社會經濟，選取相應指標評價了孟加拉國的耕地生態安全及可持續發展[4]。國內學者也開始關注耕地生態安全，王萬茂等系統闡述了耕地生態保護規劃的原則、內容、程序和方法[5]；朱紅波分析了中國耕地資源生態安全的特征及影響因素[6]；王千等基于空間格局分析技術，在壓力-狀態-響應框架下，結合能值理論，分析了河北省耕地生態安全及空間聚集格局[7]。耕地的生態安全關乎著人類當前及將來的生產生活，只有人類、社會、生態之間互相協調，整個系統才能有序可持續的發展。

汪清縣作為吉林省縣級區域面積第二大縣，由于林地面積占比較大，被命名為“中國木業之都”。本文以汪清縣為例，運用PSR模型，參考我國環境保護部對生態縣、生態市、生態省建設的指標[8]，選取了15個指標因子，指標標準化后基于改進的熵值法確定了指標權重，綜合評價了汪清縣耕地生態安全情況，為縣域耕地生態安全評價提供科學參考。

1 研究區概況

汪清縣位于吉林省延邊朝鮮族自治州東北部，東經129°51′～130°56′、北緯43°06′～44°03′。南北縱長108 km，東西橫距152 km，地處長白山東麓，緊靠東北亞經濟貿易區。相鄰我國開放城市綏芬河、琿春、圖們，面向綏芬河、長嶺子、沙坨子、圖們、三合、南坪、雙目峰等8個口岸，距俄羅斯40 km，距朝鮮18 km。汪清縣屬長白山區境，內有老爺嶺山脈，從東南走向北，其支脈幾乎橫貫全縣，海拔1447 m。汪清縣屬于北半球西風帶中溫帶季風氣候區，具有春季和暖風大、夏季短促多余、秋季涼爽晴朗、冬季漫長寒冷的特點。區域面積9016 km2，是吉林省縣級區域面積第二大縣(圖1)。

圖1 汪清縣在吉林省位置示意圖

2 數據來源

數據來源于《汪清縣年鑒》(2005～2015年)，《延邊州年鑒》(2005～2015年)，《吉林省年鑒》(2005～2015年)，汪清縣土地利用調查數據庫，汪清縣國民經濟和社會發展統計公報，汪清縣土地利用總體規劃，《中國農村統計年鑒》，《中國城市統計年鑒》以及其他統計資料。

3 研究方法及過程

3.1 PSR模型及評價指標體系

PSR(Pressure-State-Response)模型，即壓力、狀態、響應模型。最初由加拿大統計學家David J.Rapport和Tony Friend提出，后于20世紀80～90年代由經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)共同發展起來的用于研究環境問題的模型。該模型同樣適用于耕地生態環境評價。全球生態系統是一個統一的系統，包括耕地生態系統，統稱為資源生態系統，人類在生產生活中從資源生態系統中獲取所需糧食及其他資源，同時又向生態系統排放垃圾廢物，改變了生態系統的自然環境及物質儲量，而生態系統的變化也會影響人類的生存與發展，因而人類社會又通過采取各種措施來應對這種變化。該模型即是將人類與生態系統相互聯系，構成人類與自然界之間的壓力-狀態-響應關系模型。

根據PSR模型，選取的指標分為3類，即壓力指標、狀態指標和響應指標。評價指標因子體系見表1。

3.2 指標標準化

對耕地生態安全影響的指標分為正向指標和負向指標，正向指標對耕地生態安全起正向作用，負向指標對耕地生態安全起負向作用，對正負向指標的無量綱標準化處理方式如下：

正向指標：Zij=(Aij-minAij)/(maxAij-minAij)

負向指標：Zij=(maxAij-Aij)/ (maxAij-minAij)

其中：Zij代表指標因子標準化值；Aij代表第i年第j個指標因子原始值；maxAij、minAij分別為研究區間內第j個指標因子原始值的最大值、最小值；Zij處于[0,1]之間，指標標準化數值見表2。

3.3 指標權重值

耕地生態安全評價過程中涉及到的因子較多，指標權重的確定關系到評價結果的客觀準確性[9]，因此在研究中為了體現客觀性，選用了指標賦權法中的客觀賦權法。客觀賦權法是根據指標的數據間的關系通過一定的方法來確定指標權重，反映指標的相對重要程度，包括主成分分析法、因素分析法、聚類分析法和熵值法等。本文評價指標權重確定基于熵值法，對于熵值法確權時偏離標準值太大的指標權重值太大的問題，借鑒層次分析法，對熵值法進行改進[10]，過程如下：

(1)基于熵值法計算指標的差異性系數：

差異性系數：αj=1-Hj

(2)差異性系數比的最大值：β=maxαj/minαj

其中：γ為映射比；δ為調整系數，若β≤9，則δ取最接近β的整數值，反之δ取9。標度值與映射值間的對應關系見表3。

表1 評價指標因子體系

表2 指標因子標準化值

表3 1～9標度映射值表

(4)基于改進熵值法的判斷矩陣：先計算指標間的差異性系數比，若比值小于1，則取其倒數；再計算差異性系數比與1～9標度映射值的差值，差值絕對值最小的那個標度作為指標間的相對重要性比較結果，從而建立基于改進熵值法的判斷矩陣，結果如下：

(5)計算評價指標因子權重值：基于上式的判斷矩陣，求取指標因子的權重值，結果見表1。由于計算過程中是基于指標間的差異性系數比，不會出現指標間重要性不一致性的問題，因此本次判斷矩陣不用進行一致性檢查。

3.4 耕地生態安全評價

耕地生態安全綜合指數反映耕地生態安全狀況的變化，本文采用多因素綜合評價方法計算汪清縣耕地安全綜合指數，公式如下：

其中：C代表耕地生態安全綜合指數；Zij代表指標因子標準化值；Qij代表指標因子權重值；m為指標因子個數。

為了客觀科學地評定耕地生態安全狀況，通過參考眾多相關文獻[1,11-20]，并根據汪清縣實際情況，將汪清縣耕地生態安全指數劃分為5個區間等級，級別標準見表4。

表4 耕地生態安全評價標準

綜合指數區間級別狀況(0，0．25)危險耕地生態系統遭到破壞，生態系統功能運轉不正常，生態災害嚴重，缺乏生態保護(0．25，0．5)風險耕地生態安全指數較低，生態安全存在風險，生態系統脆弱，生態問題顯著(0．5，0．75)敏感耕地生態安全指數中等，生態系統受到一定的污染與侵襲，生態安全敏感，但可維持基本生態功能(0．75，0．9)良好耕地生態安全指數較高，生態系統功能運轉較正常，系統受到的污染與侵襲較少，生態安全問題小(0．9，1．0)安全耕地生態安全指數高，生態系統功能運轉正常，系統基本未受到污染與侵襲，幾乎沒有生態安全問題

4 結果與分析

綜合以上研究方法及過程，得到汪清縣2005～2015年間耕地在壓力、狀態、響應指標下的生態安全指數，如表5所示，生態安全指數高，則耕地生態安全度越高。

表5 汪清縣2005～2015年間耕地生態安全指數

從表4可以看出，2005年汪清縣耕地生態安全為0.2045，處于評價等級標準的危險級，此時耕地生態系統遭到破壞，生態系統功能運轉不正常，生態災害嚴重，缺乏生態保護；2006～2008年，耕地生態安全指數由0.3107增加到0.4800，處于評價等級標準的風險級，政府開始意識到生態安全的重要性，對環境保護投資及治理力度加大；2009～2015年，耕地生態安全指數繼續增加，到2015年增加到0.7072，此時處于評價等級標準的敏感級，生態系統受到一定的污染與侵襲，生態安全敏感，但可維持基本生態功能。

5 結論與討論

以汪清縣為例，基于PSR模型，選取了15個反映生態安全壓力、狀態、響應的評價指標因子，建立該評價研究的評價指標體系，指標標準化后基于改進的熵值法測算指標因子權重，綜合定量評價了汪清縣耕地生態安全。2005～2015年汪清縣耕地生態安全評價總指數由0.2045增加到0.7072，評價安全等級由危險級到風險級再到敏感級，耕地生態安全狀況已得到改善，但生態系統仍受到一定的污染與侵襲，生態安全較敏感，可維持基本生態功能，但目前耕地生態安全面臨的問題還很嚴峻。

熵值法在確權的過程中，若指標的差異性系數值大，則該指標的權重值就大。評價體系中選取的指標在一定程度上并未完全反映出影響耕地生態系統的全部因素，因而單一指標權重太大會影響評價結果的可靠性。文中對熵值法進行改進，解決了熵值法確權時偏離標準值太大的指標權重值太大的問題，確保了評價結果的真實可靠性。

為了保護耕地生態安全，應采取相應的保護措施。在農田方面，要注重保持合理的投入產出，不能片面地追求高產量而忽略了對農田的投入，施用肥料的時候要少用無機化肥，多施有機肥料，保持耕地自我的生態調節能力；在自然災害方面，政府要加大保障措施及資金投入，保護森林等用地，減少水土流失、泥石流等自然災害，保障耕地生態安全；在人類社會經濟方面，加大宣傳耕地生態健康安全意識，提高人民素質等措施進一步改善耕地生態安全。

本文研究過程中基于PSR模型，選取的15個評價指標因子可能并未完整地反映影響耕地生態安全的全部因素，但研究結果仍能體現出目前汪清縣耕地生態安全問題，可為汪清縣區域發展及后續土地利用規劃、城市規劃及整治規劃提供科學參考。

[1] 徐輝,雷國平,崔登攀,等.耕地生態安全評價研究:以黑龍江省寧安市為例[J].水土保持研究,2011,18(6):180-189.

[2] 張祥義,許皞,劉名沖.基于熵權物元模型的耕地生態安全評價研究:以河北省肥鄉縣為例[J].土壤通報,2014,45(1):18-23.

[3] Dipietro F. Assessing ecologically sustainable agricultural land-use in the central pyrenees at the field and landscape level[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2001, 86: 93-103.

[4] Rasulr T G. Sustainability analysis of ecological and conventional agricultural systems in Bangladesh[J]. World Development, 2003, 31(6): 1721-1741.

[5] 王萬茂,李志國.關于耕地生態保護規劃基本問題的探討[J].中國生態農業學報,2001,9(4):54-55.

[6] 朱紅波.我國耕地資源生態安全的特征與影響因素分析[J].農業現代化研究,2008,29(2):194-197.

[7] 王千,金曉斌,周寅康.河北省耕地生態安全及空間聚集格局[J].農業工程學報,2011,27(8):338-344.

[8] 中華人民共和國環境保護部.生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)[S].北京,2008.

[9] 陶曉燕,章仁俊,徐輝,等.基于改進熵值法的城市可持續發展能力的評價[J].干旱區資源與環境,2006,20(5):38-41.

[10] 黃國慶,王明緒,王國良.效能評估中的改進熵值法賦權研究[J].計算機工程與應用,2012,48(28):245-248.

[11] 李睿康,張紅俠,劉燕,等.基于PSR 模型的商洛市土地生態安全評價[J].江西農業學報，2015,27(7):189-195.

[12] 熊建華,韓書成.基于熵權法和PSR模型的佛山市土地生態安全評價研究[J].環境科學與管理,2015,40(6):160-164.

[13] 張安,孫福軍,賈樹海,等.GIS在縣域耕地生態環境安全評價中的應用研究:以凌源市為例[J].土壤通報,2013,44(4):292-295.

[14] 趙漫,余景,陳丕茂,等.深圳鵝公灣漁業水域生態系統健康狀況評價[J].南方農業學報,2016,46(6):1025-1031.

[15] 郭榮中,楊敏華,申海建.長株潭地區耕地生態安全評價研究[J].農業機械學報,2016,47(10):193-201.

[16] 任平,洪步庭,周介銘.長江上游農業主產區耕地生態安全評價與空間特征研究[J].中國人口資源與環境,2013,23(12):65-69.

[17] 張紅俠,成忠旭,張孝存.基于投影尋蹤模型的安康市土地生態安全評價[J].江西農業學報,2016,28(11): 94-98.

[18] 宋永永,米文寶,楊麗娜,等.寧夏農業生態環境與經濟耦合協調演化研究[J].南方農業學報,2015,46(5):922-928.

[19] 張冰潔,宋戈.松嫩高平原黑土區典型地域耕地生態安全評價及驅動力分析:以黑龍江省綏化市為例[J].水土保持研究,2012,19(3):215-220.

[20] 楊康,李睿康,張紅俠.關天經濟區經濟增長與城市土地生態安全評價研究[J].江西農業學報,2016,28(1):109-113.

(責任編輯：許晶晶)

Ecological Security Assessment of County-scale Cultivated Land Based on PSR and Improved Entropy Method

LIU Ya-nan, LI Shu-jie*, HUANG Shuo-qiu

(College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China)

Taking Wangqing county as an example, the author established an index system for the evaluation of cultivated land ecological security based on PSR model, measured the weight of every standardized index factor in the system by using the improved entropy method, and comprehensively and quantitatively evaluated the ecological security of cultivated land in Wangqing county from 2005 to 2015. The ecological security total index of cultivated land in Wangqing county increased from 0.2045 in 2005 to 0.7072 in 2015, and the evaluated grade transited from dangerous level to sensitive level, indicating that the ecological security status of cultivated land in this county has been improved and the basic ecological function of cultivated land was maintained. But the problems in the ecological security of cultivated land at present were still very serious. The improved entropy method was used to calculate the weight of index factors, and it solved the problem that the index whose value deviated from the standard value too much was given too big weight value by the entropy method. The measures for the ecological protection of cultivated land were put forward to provide a scientific reference.

Cultivated land; Ecological security; PSR; Improved entropy method; Wangqing county

2017-04-14

國家自然科學基金項目(71303006)；中國科學院知識創新項目(KZCX2-YW-Q1-07)。

劉亞男，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向為土地經濟管理與利用規劃。*通訊作者：李淑杰。

S154.1

A

1001-8581(2017)08-0114-05