云南省耕地生態安全時空格局及障礙因子分析*

趙曉園,李學坤

(云南農業大學，昆明 650201)

0 引言

耕地資源是最寶貴的自然資源，具有生產、生活、空間承載及環境保護等多種功能，是人類生存和發展以及保障糧食安全的物質基礎[1-2]。近年來，隨著工業化及城鎮化的不斷推進，人口迅速增長，其帶來的環境污染嚴重影響耕地質量及耕地生態安全[3]。在十九大會議中，習近平總書記提出建設生態文明，提高生態安全度，而耕地生態安全作為生態文明系統的重要組成部分，其研究備受關注。

耕地生態安全是指耕地資源環境、生態及社會經濟不受危險，且處于安全位置，是功能狀態形式[4]。近年來，國外學者主要集中于耕地生態安全與不同區域土地可持續利用及土地生態安全的關系，如Rasul[5]從農業生態環境、社會經濟需求方面構建評價指標體系，分析孟加拉的耕地可持續利用與農業生態狀況。國內學者主要集中在耕地生態安全評價、空間格局分布、影響因素、與經濟協調關系4方面，如張祥義[6]基于熵權物元模型評價肥鄉縣耕地生態安全度，認為其可分為3個階段； 王千[7]認為河北省138個縣耕地生態安全空間格局顯著，空間聚集度Moran′s I值為0.630； 賈書楠[8]認為影響西安市的因素主要是人均能值產出及農業財政支出比例； 楊玉珍[9]認為福建省耕地生態安全與經濟的協調度和協調發展度在2004—2015年都呈增長趨勢，且協調性不斷增強。綜合來看，國內外學者從多方面多尺度分析研究區耕地生態安全，但少有學者選取生態文明建設區為研究區分析其耕地生態安全概況，近年來，云南省堅持把生態文明建設示范區創建工作作為首要工作，立足將云南省打造成生態文明建設區。基于此，文章選取云南省為研究區，基于多因素綜合加權法評價2000—2016年云南省耕地生態安全度，并分析云南省2000年、2005年、2010年、2016年耕地生態安全空間分布格局，在此基礎上，基于障礙度模型分析其障礙因子，以期為提高云南省生態安全度提供依據。

1 研究方法及指標體系

1.1 研究區概況

云南省地處西南邊陲，屬低緯度內陸地區，地理位置優越，東接貴州省、廣西壯族自治區，北靠四川省，南部與老撾、越南毗鄰，是中國通往東南亞、南亞的窗口和門戶。全省總面積39.41萬km2，居全國第八位[10]。轄8市8州，包括昆明市、曲靖市、玉溪市、昭通市、保山市、麗江市、普洱市、臨滄市、德宏州、怒江州、迪慶州、大理州、楚雄州、紅河州、文山州、西雙版納州，總人口4770.5萬人。21世紀以來，云南省經濟迅速發展，人口極速增加，耕地承載力壓力不斷加大。以云南省耕地資源作為研究對象，對其耕地生態安全度及時空格局布局進行分析，對云南省耕地生態安全有重要意義，以期為云南省耕地生態安全額綜合評定和政策措施制定提供理論支持。

1.2 研究方法

1.2.1 多因素綜合加權法

多因素綜合加權法主要是通過對數據進行預處理，并運用一定方法確定權重，最后對各指標值進行加權求和所得[11]，該文選用極差法對數據進行預處理，運用熵值法確定指標權重，具體步驟如下：

(1)

(2)

式(1)中，Xij為標準化后的數值，xij為標準化前的原始數值，xmin為標準化前最小的數值，xmax為標準化后最大的數值，若指標為正，則采用式(1)若指標為負，則采用式(2)。

(3)

式(3)中，Yij為標準化的矩陣，Wi代表的是熵權的值，k=1/lnm；Hi代表的是通過計算得到的信息熵。

(4)

式(4)中，m為指標個數，Hi代表的是通過計算得到的信息熵，Wi為各指標權重。

(5)

式(5)中，Wi為各指標權重，Xij為標準化后數值，F為綜合得分。

1.2.2 障礙度模型

對耕地生態安全值進行分析，能夠看出其耕地總體變化，但不能表征耕地生態安全的影響因素，為了更好地提出提高耕地生態安全度的建議，該文引入障礙度模型通過因子貢獻度、指標偏離度及障礙度進行障礙因子診斷[12-13]，計算公式如下：

(6)

1.3 指標體系

表1 基于P-S-R框架的云南省耕地生態安全評價指標體系

目標層準則層指標層權重耕地生態安全評價壓力(0.338)人口自然增長率C1(%)0.052人均耕地面積C2(hm2/人)0.080城鎮化水平C3(%)0.073單位耕地面積化肥施用量C4(kg/hm2)0.069第一產業占GDP的比重C5(%)0.064狀態(0.329)森林覆蓋率C6(%)0.071人均糧食產量C7(kg2/人)0.088單位耕地農業機械化水平C8(kW/hm2)0.072復種指數C9(%)0.064水土流失率C10(%)0.034響應(0.333)污水處理率C11(%)0.045人均糧食占有量C12(kg/人)0.080農民人均純收入C13(元)0.081環保投資額占GDP比重C14(%)0.075專業技術人員C15(人)0.052

PSR模型是為了診斷生態系統的持續性，剖析生態系統內在的因果關系，從整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[14]，而以科學合理的方法構建評價指標是正確評價耕地生態安全的關鍵，因此，該文基于科學性、可獲取性、實用性等原則以及研究區實際情況，綜合“壓力—狀態—響應”模型建立指標體系，具體如表1所示。其中，壓力指標主要是根據人類活動對耕地生態環境造成的壓力所選取的，主要包括人口自然增長率、人均耕地面積、城鎮化水平、單位耕地面積化肥施用量、第一產業占GDP的比重5個指標； 狀態指標是指由于壓力改變了耕地原有狀態，主要包括森林覆蓋率、人均糧食產量、單位耕地農業機械化水平、復種指數、水土流失率； 響應指標指的是對于改變的狀態人類社會會采取一定措施作為響應，用以恢復耕地生態質量，主要包括污水處理率、人均糧食占有量、農民人均純收入、環保投資額占GDP比重、專業技術人員5個指標。該研究的數據均來源于《云南省統計年鑒(2000-2017)》及相關的云南省社會經濟發展統計公報及云南省社會統計局、社會統計局等網站。

1.4 評價標準確定

鑒于對于耕地生態安全還沒有一個統一的評價標準，該文根據研究區耕地生態安全實際情況，并結合現有研究對于耕地生態安全評價值得劃分，該文將云南省生態安全評價值劃分為5個等級[15]，如表2所示。

表2 耕地生態安全等級劃分

F生態安全等級特 征≥80Ⅴ級安全耕地生態環境好、結構完整、土壤肥力高、適宜農業開發60≤F<80Ⅳ級次安全耕地生態環境相對較好、農業污染程度低、適宜農業開發,生態問題不顯著40≤F<60Ⅲ級臨界安全耕地生態環境保護程度弱化,生態環境破壞較少,生態結構趨向惡化,生態系統受到干擾,生態問題有待解決20≤F<40Ⅱ級敏感耕地生態環境受到較大破壞,耕地生態問題突出,耕地產量低、生態災害頻繁、治理難度大,生態問題嚴重<20Ⅰ級風險耕地生態環境受到嚴重干擾和破壞,耕地生態結構和功能不完整,耕地的功能退化,生態問題突出,生態災害嚴重,難以恢復

2 數據分析

2.1 云南省耕地生態安全時空格局變化

2.1.1 云南省耕地生態安全時間變化特征

通過基于P-S-R模型從耕地壓力—狀態—響應3方面對云南省耕地生態安全進行綜合分析和研究，結果如圖1所示，由圖1可知，其耕地生態安全總值總體呈波動上升趨勢，由2000年的45.68上升到2016年的85.62，可分為3個階段，第一階段為2000—2007年，為緩慢上升階段，第二階段為2008—2010年，緩慢下降階段，第三階段為2011—2016年為高速發展階段。

圖1 云南省耕地生態安全評價結果

在第一階段中，云南省生態安全值逐漸上漲，尤其是2003年之后，這主要是由于2003年開始全國取消農村農業稅，實行家庭承包經營為基礎、統分結合的經營體制，大大提高了農戶農業種植的積極性，人均糧食擁有量得到較大提高，而且，農民人均純收入從2003年的1 758元上漲至2007年2 634元，森林覆蓋率由2003年的45%上漲至2007年49.9%，這些因素使云南省耕地生態安全狀況得到明顯提升。

在第二階段中，云南省耕地生態安全呈下降態勢，隨著工業化和城鎮化快速發展，農地非農化現象日趨明顯，人地矛盾越發突出，另一方面，越來越多農藥化肥投入到耕地開發及農業生產之中，使得土壤肥力下降，耕地資源遭受破壞，據相關數據顯示， 2009年云南省化肥使用量相較2008年上漲5%，在這些因素的共同作用下，云南省耕地生態安全呈下降態勢。

在第三階段中，云南省耕地生態安全呈上漲態勢發展，這與2011年云南政府提出“城鎮上山”有著直接關系，試圖全面啟動低丘緩坡綜合開發利用，耕地占用得到一定緩解，尤其是占用優質耕地現象減少，優質耕地用于農業生產，提高了農業生產力，另一方面，由于在上一階段中，耕地遭受嚴重破壞促使人們開始思考保護耕地資源，提高耕地生態安全，因此，政府也頒發了一系列政策以保護耕地資源，提高了云南省耕地生態安全。

2.1.2 云南省耕地生態安全空間格局演變

應用ARCGIS軟件，通過其空間分析板塊，運用自然斷裂法(Jenks)將云南省2000年、2005年、2010年、2016年的耕地生態安全等級繪制成空間分布圖，如圖2所示。

圖2 云南省耕地生態安全空間格局變化

2000—2016年，云南省耕地生態安全水平空間差異格局顯著。2000年云南省Ⅰ級風險區主要集中在怒江州、文山州及玉溪市中，主要是由于怒江州及文山州地勢險峻，且坡耕地比重較大，因此，易發生水土流失等自然災害，耕地壓力大； Ⅱ級風險區成團狀分布，主要集中在中部和北部地區，雖然該地耕地自然條件較好，但人口密度相對較大、工業發展相對較好，使得其耕地承載力較大，耕地生態安全較低； Ⅲ級臨界安全區主要位于西南和東北部地區，主要位于曲靖市、普洱市等地，該地森林覆蓋率相對較高，且糧食產量相對較高； Ⅳ級安全區為德宏州，其森林覆蓋率占云南省5.4%，且地表水未被污染，水資源豐富，自然條件優越，為糧食生產提供良好環境，耕地生態安全度高。

2005年Ⅲ級臨界安全區和Ⅳ級次安全區數量明顯增加，主要集中在云南省西部、中部地區，包括麗江、寶山、昆明、大理、普洱等地，這些地區自然條件相對優越，農業發展較好，農業發展促進其自身經濟發展，提高了生活質量，維護了耕地安全，提高了耕地生態安全度。

2010年，云南省中部地區為Ⅳ級次安全區階段，部分地區出現Ⅴ級安全區，如德州及西雙版納地區兩地，主要是受當地政策影響，如德州市政府出臺相關關于耕地生態安全的政策，試圖提高其耕地生態安全

2016年云南省絕大多數地區已經實現了Ⅳ級次安全區與Ⅴ級安全區目標，這與這些地區開發優越的旅游資源有著直接聯系，發展旅游資源需要良好環境，因此，某些地區工業發展停產，農業生產中，農藥化肥使用量相對較少，在政府提出化肥零增長的建議下，農業生產依據科學技術來提高農業產量，另一方面，政府加大環保資金投入，昆明、大理、普洱等旅游區現象更加明顯，直接提高耕地生態安全度，因此，大部分地區耕地生態安全朝良好方向發展。

2.2 障礙因子診斷

表3 2000—2016年云南省耕地生態安全指標層主要障礙因子障礙度

年份項目指標排序123452000障礙因素122518障礙度(%)25.6120.1513.2710.068.442005障礙因素12134815障礙度(%)22.3620.2814.299.478.132010障礙因素137984障礙度(%)40.8924.4415.288.577.052016障礙因素13141584障礙度(%)32.2124.4315.709.957.01

運用障礙度模型，對影響云南省耕地生態安全的障礙因子進行診斷，以確定障礙因子，計算結果如表3所示。

2000年影響耕地生態安全障礙因子主要集中在壓力狀態下，前5位的障礙因子是人均糧食占有量(C12)、人均耕地面積(C2)、第一產業占GDP的比重(C5)、人口自然增長率(C1)及單位耕地農業機械化水平(C8)，由此可以看出，影響2005年耕地生態安全的主要因素是與農戶有直接關系的經濟因素，表明當時的耕地生態安全直接由農戶的經濟收入所決定。

2005年影響耕地生態安全障礙因子分別為人均糧食占有量(C12)、農民人均純收入(C13)、單位耕地面積化肥使用量(C4)、單位耕地農業機械化水平(C8)及專業技術人員(C15)，決定耕地生態安全的依舊是農戶直接經濟收入，但農戶開始注重科學技術使用及農業生產環境對耕地生態安全的意義。

2010年影響耕地生態安全障礙因子分別為農民人均純收入(C13)、人均糧食產量(C7)、復種指數(C9)、單位耕地農業機械化水平(C8)及單位耕地面積化肥使用量(C4)，主要是受其指標狀態影響。

2016年影響耕地生態安全障礙因子為農民人均純收入(C13)、環保投資額占GDP比重(C14)、專業技術人員(C15)、單位耕地農業機械化水平(C8)及單位耕地面積化肥使用量(C4)，充分表明農戶已經意識到科學技術及環境保護的重要性，專業技術的使用及環境保護的經濟投入已然成為影響耕地生態安全的重要因素。

3 結論與討論

該文基于微觀視角對云南省耕地生態安全進行定量分析，采用多因素綜合加權法測算其生態安全度，并利用ARCGIS分析功能分析其空間分布概況，并基于障礙度模型分析其耕地生態安全度的主要障礙度，主要得出以下結論：

(1)云南省耕地生態安全總值總體呈波動上升趨勢，可分為3個階段。第一階段受國家政策影響其耕地生態安全值呈上升態勢發展； 第二階段受城鎮化及工業化快速推進呈下降態勢； 第三階段其耕地生態安全值呈快速發展趨勢，與農戶意識的提高及云南省政府“城鎮上山”政策有直接關系。

(2)2000—2016年，云南省耕地生態安全水平空間差異格局顯著。Ⅰ級風險區及Ⅱ級風險區數量逐漸減少， Ⅲ級臨界安全區、Ⅳ級次安全區及Ⅴ級安全區數量明顯增加； 西南部耕地生態安全度整體高于其他地區， Ⅰ級風險區主要集中于西北部地區， Ⅱ級風險區分布相對較散， Ⅲ級臨界安全區集中于東部地區， Ⅳ級次安全區主要集中于中部地區， Ⅴ級安全區主要分布在西南地區。

(3)2000年的障礙因子是人均糧食占有量(C12)、人均耕地面積(C2)、第一產業占GDP的比重(C5)、人口自然增長率(C1)及單位耕地農業機械化水平(C8)； 2005年影響耕地生態安全障礙因子分別為人均糧食占有量(C12)、農民人均純收入(C13)、單位耕地面積化肥使用量(C4)、單位耕地農業機械化水平(C8)及專業技術人員(C15)； 2010年影響耕地生態安全障礙因子分別為農民人均純收入(C13)、人均糧食產量(C7)、復種指數(C9)、單位耕地農業機械化水平(C8)及單位耕地面積化肥使用量(C4)； 2016年響耕地生態安全障礙因子為農民人均純收入(C13)、環保投資額占GDP比重(C14)、專業技術人員(C15)、單位耕地農業機械化水平(C8)及單位耕地面積化肥使用量(C4)。

耕地生態安全評價是一個動態變化過程，該文通過PSR模型選取指標并測算2000—2016年云南省耕地生態安全度，但現有研究中以生態文明建設示范區為研究區而進行耕地生態安全評價的研究相對較少，因此，該文的研究具有典型性。但該文在選取指標的過程中雖在某方面考慮了生態文明建設示范區指標的特殊性，由于數據的限制選取的指標并未全面覆蓋生態文明建設示范區的特殊性，因此，在未來的研究中，如何針對生態文明建設示范區自身特殊性更加全面地選取指標是研究的重中之重。