基于PSR—GM（1，1）模型的華池縣耕地生態安全評價與預測

高莉萍 程文仕 周曉麗 劉學錄

摘要 運用PSR模型建立評價指標體系，用綜合評價法計算生態安全值，對華池縣2009—2014年的耕地生態安全狀況進行評價，在此基礎上，通過GM（1，1）模型對2015—2020年的耕地生態安全狀況進行預測并建立障礙度模型確定障礙因子。結果表明：2009—2014年，華池縣的耕地生態安全狀況良好且逐漸改善，2015—2020年耕地生態環境將繼續改善，生態安全狀況的主要障礙因子包括城鎮化水平、農村人均純收入、有效灌溉面積、機械總動力、單位耕地農膜壓力5個方面，為耕地保護指明了方向。

關鍵詞 耕地生態安全；PSR模型；GM（1，1）模型；華池縣

中圖分類號 F301.24文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）01-0215-03

Abstract Using the PSR model to establish evaluation indicators， through the GM （1， 1） grey forecasting model to forecast the future Huachi County cultivated land ecological security index. The results showed that cultivated land ecology safe was the overall upward trend in Huachi County during 2009-2014， the cultivated land ecological security situation continuous improvement during 2015-2020 the main obstacle factors of concentrated in the area of urbanization level， rural per capita net income， effective irrigation area， total power machinery， unit farmland agricultural film pressure.

Key words Farmland ecological safety；PSR model；GM（1，1） mode；Huachi County

耕地是糧食生產的基礎，是最為寶貴的資源[1]。隨著城鎮化、工業化的快速發展及人口持續增長，人地矛盾日益凸顯，人類活動對耕地生態環境的干擾日益嚴重，導致耕地的生態安全狀況不穩定，耕地生態安全問題成為人們普遍關注的焦點[2]，開展耕地生態安全評價與預測研究，準確掌握耕地生態安全動態，對合理規劃、高效利用和整治耕地資源具有重要的理論和實踐指導意義。

目前我國學者對耕地生態安全的研究主要偏重于生態安全現狀的定性分析，針對耕地生態安全評價的研究還不多見，方法上主要有熵權物元模型[3]、組合賦權[4]、可拓優度評價模型[5]。針對耕地生態安全預測的研究更少，僅有徐美等[6]基于RBF模型以湖南省土地生態發展趨勢預測，以及郜紅娟等[7]基于能值分析對貴州省耕地生態預警研究。總體而言，耕地生態安全評價與預測的研究還處于初級階段，評價和預測方法體系有待進一步完善。筆者以華池縣為例，應用PSR模型和GM（1，1）模型對耕地生態安全進行評價與預測，并借助障礙度模型對障礙因子進行診斷，以期為耕地生態安全評價和預測提供可資借鑒的方法，并診斷現階段和未來耕地生態安全存在的問題，為實施生態恢復與重建提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

華池縣（107°29′～108°33′E、36°07′～36°51′N）位于甘肅省東部，慶陽市東北部。東北與陜西省志丹縣、吳旗縣、定邊縣相接，西南與省內慶城、合水、環縣相鄰，現轄6鎮9鄉111個行政村。屬黃土高原殘垣溝壑區，地勢北高南低，海拔1 110～1 781m，地面起伏較大。氣候為大陸性氣候，四季分明，年降水量450～600 mm，平均氣溫7.8 ℃。煤炭、石油、天然氣、風能等資源豐富。北部半農半牧，中南多以種植業為主，地形多樣，土層深厚，農作物種類多，發展農、林、牧、漁業具有得天獨厚的優越條件。2014年華池縣總人口13.55萬，土地面積3 791 km2，其中耕地面積694.36 km2。

1.2 數據來源

土地利用面積數據來源于華池縣2009—2014年土地利用更新調查數據庫。人口、農業現代化水平、播種面積及產出水平、社會經濟發展水平等數據來源于2009—2012年《華池縣統計年鑒》和2013—2015年《華池發展年鑒》。其他氣候、水文和地貌等自然地理資料來源于2014年《華池縣國民經濟和社會發展公報》。

1.3 研究方法

1.3.1 PSR模型。基于PSR（壓力-狀態-響應）模型建立指標體系[8]。遵循科學性、可比性、系統性原則，在廣泛搜集分析已有研究成果[9]并進行專家咨詢的基礎上，結合華池縣實際情況，選取人口密度等16個指標構建了華池縣耕地生態安全評價指標體系及權重（表1）。

1.3.2 多因素綜合評價法。運用多因素綜合評價法確定耕地生態安全值[10]：

E=nj=1Wj×Xij（1）

式中，E為生態安全值，Wj為指標j的權重，Xij為指標標準化值。

目前關于生態安全等級的劃分沒有統一的標準，參考相關研究[11]，結合區域實際，該研究將耕地生態安全分為5個等級（表2）。

1.3.3 GM（1，1）模型。采用GM（1，1）模型對華池縣2015—2020年耕地生態安全進行預測。鄧聚龍提出GM（1，1）模型應用范圍較廣并被稱為傳統的灰色預測模型，灰色預測是灰色系統理論中的組成部分[12]。模型精度檢驗標準（表3）。

1.3.4 障礙度模型。借助障礙度模型（式2）來診斷影響耕地生態安全的主要障礙因子[13-14]。

式中，Aj為指標障礙度；rij=1-Xij；rij為指標偏離度；Xij為指標標準化值；wj為權重。

2 結果與分析

2.1 耕地生態安全評價結果分析

運用多因素綜合評價法（式2），計算得到華池縣2009—2014年耕地生態安全值，并按照表2劃分生態安全等級（表4）。

從表4可以看出，2009—2014年華池縣耕地生態安全狀況呈良性發展的態勢，耕地生態安全值從0.285 71上升到0.803 50，耕地生態安全等級不斷提高，生態環境不斷改善。

2009—2014年華池縣耕地生態安全變化可分為2個階段：2009—2012年耕地生態安全等級呈平緩上升趨勢，2012年略有下降，安全級別由較不安全級提升到臨界安全級；2012—2014年耕地生態安全值快速提升，由2012年的0.421 47上升到2014年的0.803 50，生態安全等級從臨界安全級快速提升到安全級。這與2012年以前生態環境保護未引起足夠的重視，從2013年開始加大生態環境整治、全面推進和落實“南梁”紅色旅游等建設，以及經濟社會的快速發展完全吻合。

華池縣耕地生態安全值在2012年略有下降，采用障礙度模型（式2）對2012年耕地生態安全的主要障礙因子進行診斷，結果見表5。

從表5可以看出，2012年影響耕地生態安全的前7位障礙因素包括森林覆蓋率（ S1）、人口密度（P1）、人均耕地面積（P3）、人均糧食占有量（R3）、耕地墾殖率（S4）、農村人均純收入（R2）、有效灌溉面積（R1） 。可見由于人口不斷增加，城鎮化進程的加快、各項道路等基礎設施配套建設實施，森林和耕地面積有所減少，森林覆蓋率、人口密度、人均耕地面積等增長幅度較大，人均耕地面積、人均糧食占有量、耕地墾殖率等有所減少。

2.2 耕地生態安全預測

在Matlab軟件中運行GM（1，1）模型。借助2009—2014年指標原值對2015—2020年華池縣耕地生態安全指標進行預測，結果見圖1。根據模型的精度驗證標準和計算結果可知該預測模型可行[15]。從圖1可以看出，2015—2020年華池縣生態安全值不斷提高，從0.831 17提高到0.949 52，說明“十三五”期間華池縣生態環境安全，生態環境不斷改善。

利用障礙度模型對2015—2020年耕地生態安全進行障礙因子診斷，結果見表6。

從表6可以看出，按照各障礙因素出現的頻次，2015—2017年，華池縣耕地生態安全的最主要障礙因素有：城鎮化水平（P4）、農村人均純收入（R2 ）、有效灌溉面積（ R1）、機械總動力（R4）、單位耕地農膜壓力（P6）；除此之外，森林覆蓋率（S1）、復種指數（S3）、災害指數（S6） 、第一產業占GDP比

重（S5）、耕地墾殖率（S4） 對耕地生態安全也有一定的影響；按照障礙度變化情況，2015—2020年，城鎮化水平（P4）、農村人均純收入（R2）、有效灌溉面積（R1）、機械總動力（R4）、單位耕地農膜壓力（P6） 等5項主要障礙因素的障礙度不斷降低，對耕地生態環境的影響不斷減弱，耕地生態安全呈良性發展態勢。

3 結論與討論

（1）2009—2014年，華池縣的耕地生態安全狀況可以分2個階段。2009—2012年耕地生態安全等級呈平緩上升趨勢，2012年略有下降，安全級別由較不安全級提升到臨界安全級；2012—2014年耕地生態安全值快速提升，耕地生態安全狀況良好且逐漸改善。

（2）2015—2020年華池縣生態安全值不斷提高，從0.831 17提高到0.949 52，說明“十三五”期間華池縣生態環境安全，生態環境不斷改善。

（3）2015—2017年，華池縣耕地生態安全的最主要障礙因素有：城鎮化水平、農村人均純收入、有效灌溉面積、機械總動力、單位耕地農膜壓力。在未來經濟社會發展中，要強化耕地保護意識，從這5個方面注重耕地生態安全的恢復與重建。

（4）近年來，隨著經濟社會的快速發展，華池縣城鎮化水平不斷提高，農村人均純收入不斷增加，有效灌溉面積和機械總動力持續增加，單位耕地農膜壓力不斷降低，可以看出，預測2015—2020年耕地生態安全的障礙因子及其變化態勢結果符合華池縣實際情況。

（5）該研究運用PSR模型建立耕地生態安全評價指標體系，該方法充分考慮到了在耕地生態安全評價的過程中多因素的影響，并盡可能包括更多的信息，在此基礎上利用GM（1，1）模型進行指標預測，測算得到的安全等級和障礙因子符合華池縣實際情況，說明PSR- GM（1，1）模型在耕地生態安全評價與預測中具有較高的可信度，方法切實可行。

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