沁河流域（沁源段）農業生態系統健康評價

倪晶晶，郭東罡，張 婕，李星梅

（山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

農業是我國國民經濟的基礎[1]，農業發展更能體現低碳化、生態化的特征[2]。農業生態的可持續發展可推進人類社會的可持續發展進程。農業生態系統占地球上陸地面積的比例約為30%[3]，且為人類生存活動提供生物能量。因此，對農業生態系統的研究一直是學術界關注的焦點問題，從生態健康角度對農業生態系統進行綜合評價，已經成為農田環境保護、生態修復和科學決策的理論基礎。國外，加拿大圭爾夫大學在1993—1996 年發起了農業生態系統健康（AESH）研究項目[4]，并于1998 年出版了研究報告《Agroecosystem Health：Analysis and Assessment》。隨后加拿大建立了“農業生態系統健康全球網絡”，為全球農業生態系統健康的研究提供了學術交流平臺[5]。YIRIDOE 等[6]從生態學理論和經濟學理論出發，構建了農業生態系統健康評價框架。SOULE 等[7]從功能特征和系統結構2 個方面描述了農業生態系統的健康狀態。OKEY[8]研究認為，農業生態系統的健康狀態是由系統的穩定性和彈性之間的平衡組成的。在國內，因農業生態系統自身的復雜性和特殊性，對其概念尚未形成統一的認識。章家恩等[9]總結了不同學者的見解，將農業生態系統定義為具有良好的生態環境、健康的農業生物、合理的時空結構、清潔的生產方式，以及具有適度的生物多樣性和持續農業生產力的一種系統狀態或動態過程。目前對農業生態系統健康的研究尺度主要集中在農業經濟發展較低的西北地區[10]（廣西盆地、四川盆地、云貴高原、青藏高原、黃土高原、蒙新區）、西南地區[11]（四川、云南、貴州、西藏、重慶）和以農業為支柱產業的地區（甘肅[12]、吉林[13]、河南[14]、山東[15]），而流域尺度上的定量評價比較少見。對農業生態系統評價指標的選取可分為2 類：一是綜合性指標評價，如劉排九等[16]、謝花林等[17]、張良等[18]、趙宏波等[13]構建了活力- 結構組織- 恢復力（V-O-R）的農業生態系統健康評價指標體系。二是多要素、多層次指標評價，如吳國慶[19]從資源生態環境壓力、質量和保護整治能力3 個方面構建了指標體系。王靜等[12]從農業生態系統結構組成及功能角度構建指標體系，分析甘肅省農業生態系統健康狀況。

前人研究多是從農業生態系統資源環境方面出發的，從流域尺度上考慮農業生態系統健康狀況尚缺乏進一步的研究。基于此，本研究針對沁河流域（沁源段）的相關數據，建立了系統資源稟賦、系統投入水平、系統產出能力3 個準則層共計13 項評價指標的健康評價體系，采用熵權法確定權重，計算健康綜合指數；以2011 年為基準年，探討研究區域2011—2017 年的農業生態系統動態變化，為地方政府政策措施制定提供參考，以期為流域尺度的農業生態修復以及保護管控提供重要的科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

沁河屬黃河的一級支流[20]，相當于黃河流域面積的1.9%[11]，是黃河中游多水少沙的支流之一。其發源于沁源縣太岳山東麓，流經晉、豫2 個省16 個縣區，最后在河南武林縣匯入黃河。沁河是沁源縣內最大的河流，沁河沁源段干流全長98 km，占沁河干流總長（485 km）的20.2%。研究區內流域面積為2 187 km2，占流域總面積（13 532 km2）的16.2%，占沁源縣境內面積的84.3%。地形整體趨勢是西北高、東南低，呈西北向東南傾斜之勢，中部和南部地區起伏比較緩和。海拔939～2523 m，源頭分水嶺高程為2 300 m。研究區屬土石山區，是典型的黃土高原丘陵地貌，其中，山地丘陵占縣域總面積的95.7%，河谷階地僅為4.3%。地處暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫5～11 ℃。流域內降雨時空分布明顯，豐水年降雨量為869 mm，枯水年降雨量為388 mm，多年平均降水量為656.7 mm。年最大蒸發量為1732mm，年最小蒸發量1 194 mm，多年平均蒸發量約1 501.2 mm。土壤類型主要為山地草甸土、棕壤、褐土、草甸土[21]。自然植被較好，有森林、灌叢和草地。2017 年森林面積為1 444 km2，森林覆蓋率達56.7%，為針闊、混交、喬灌相生、苗木相呈，是山西省重要的用材林基地之一。

1.2 區域農業生態系統特征

研究區境內共轄4 鎮9 鄉，共226 個行政村。在2011—2017 年間，總人口持續增長，至2017 年，總人口數達到16.38 萬人。2011 年地區生產總值達93.5 億元。其中，第一產業為2.13 億元，第二產業為71.29 億元，第三產業為20.09 億元。到2017 年，地區生產總值達到136.3 億元。其中，第一產業為2.6 億元，第二產業為102.2 億元，第三產業為31.5 億元。第一、二、三產業占GDP 的比例由2011 年的2.3%，76.2%，21.5%調整為2017 年的2.5%，71.1%，26.4%。第一、三產業比例上升，第二產業比例略有下降，有農業化發展趨勢。人均GDP 由2011 年的58 851 元增長到2017 年的83 472 元。

2017 年農作物種植面積162.822 km2，全年糧食總產量75 219.6 t。規模以上工業企業26 個，完成工業總產值186.12 億元。區域內煤炭資源極為豐富，可采儲量達90 億t，含煤面積占總面積的80%，全年原煤產量1 177.28 萬t，向省外運輸煤炭60 萬t。此外，其他礦產資源也十分豐富，目前已探明的有鐵、錳鐵、稀有元素釩、鋁礬土、鍺、鎵、石灰巖、耐火黏土、鐵礬土、石膏、水泥黏土、陶瓷黏土等。

2 評價指標體系構建與評價方法

2.1 評價指標體系

農業生態系統是人類利用生物和非生物環境相互作用的關系，從事農業活動，生產農產品并獲得生物能量而建立起來的有機整體，受自然規律及經濟規律多方面的控制。評價農業生態系統健康狀況是描述、探究區域農業經濟可持續發展的重要依據，是綜合評價區域農業經濟發展階段、發展程度和發展質量的關鍵。因此，應以系統論的方法與理論為指導，依據農業生態系統的內涵，建立切實可行的指標體系。

本研究構建了包括系統資源稟賦[22]、系統投入水平、系統產出能力3 個準則層共計13 個指標的評價體系（表1）。系統資源稟賦主要體現系統的合理結構和資源狀況，具有穩定的結構，可以維持自身良好的功能，是人類生存和發展的基礎。系統資源稟賦包括土地資源、水資源和氣候資源[23]3 個方面。土地是人類從事農業生產的物質基礎和先決條件，水域是植物生產不可或缺的重要資源，氣候是農業生產物質和能量的重要來源。選用糧食種植面積、完成有效灌溉面積、完成水土流失綜合治理面積、水資源承載力、農業用水量、年降水量6 個指標來度量。系統投入水平是在人類的干擾下，通過引入輔助物質與能量，生產出符合的產品，是系統產出增加的基本動力，包括物能投入和勞動力投入2 個方面。系統投入水平會影響農業產出水平、資源效率及農業生產水平。選用農機總動力、化肥施用量[24]、勞動力投入3 個指標來度量。農機總動力是衡量農業機械裝備水平高低的指標，體現了農業的現代化水平。化肥是重要的農業生產資料，可提高農業生產水平。系統產出能力體現在向農業系統投入能量和資源后，系統提供價值與服務的能力，反映系統生產力水平，包括生物資源和經濟資源2 個方面。生物資源的糧食總產量是反映系統提供糧食保障的指標，肉類總產量是反映畜牧業對植物性資源次級利用效率。農業總產值、農村人均純收入是度量經濟資源的指標。

表1 沁河流域（沁源段）農業生態系統功能評價指標體系

2.2 評價方法

在構建了基于縣域系統資源稟賦、系統投入水平、系統產出能力的評價體系后，采用熵權法[25]確定各項指標權重，通過多因子綜合評價指標法計算河流生態系統健康綜合指數，具體步驟如下。

（1）構建判斷矩陣。對n 個樣本，m 個評價指標構建判斷矩陣。其中，aij為第j 個評價對象在第i 個評價指標上的實際值。

（2）構建評價矩陣。對各指標進行標準化，成為具有可度量、可比較的標準數值。由標準化處理后得到評價矩陣R＝（rij），其中，rij為判斷矩陣中各指標的標準化值。

（3）計算評價指標的熵權。為有效避免人為主觀判斷造成的誤差[26]，本研究根據指標變異性的大小來確定客觀權重。采用熵值法計算評價指標的權重。

式中，Hi為指標i 的信息熵；為使ln fij有意義，假定當fij＝0 時，fijln fij＝0；i＝1，2，……，m；j＝1，2，……，n。

式中，Wi為指標i 的熵權，即權重。

（4）計算河流生態系統健康綜合指數（I）。

式中，I 為農業生態系統健康綜合指數；ri為評估指標i 的標準化值。

（5）農業生態系統健康綜合指數分級。目前國內外已經展開了許多關于生態健康評價方面的研究，但是由于研究區域不同、評價方法不同、所選指標不同，所以，在農業生態健康評價的研究中沒有形成完全統一的評價標準分級方法。為此，本研究結合國內外相關研究成果，根據已有文獻的研究[8]，建立沁源段農業生態健康評價標準。將農業生態系統健康程度劃分為：健康（Ⅰ級）、亞健康（Ⅱ級）、一般（Ⅲ級）、較差（Ⅳ級）、極差（Ⅴ級）5 個等級（表2）。

表2 河流生態健康狀況分級

3 結果與分析

3.1 沁源段農業生態系統健康綜合評價

根據健康評價體系中指標的權重計算出沁源段系統資源稟賦、系統投入水平、系統產出能力和農業生態系統健康綜合指數，依據農業的健康分級標準，確定各評價年限的健康等級。

從表3 可以看出，沁源段農業生態系統健康評價結果為：2011 年生態系統健康為Ⅱ級，處于亞健康狀態，2012—2015 年生態系統健康為Ⅰ級，處于健康狀態，2016—2017 年生態系統健康為Ⅲ級，處于一般狀態，沒有出現較差和極差的年份。可見，沁河流域（沁源段）農業生態系統未遭到較大程度的破壞，健康狀況總體很好。2011—2017 年沁河流域（沁源段）農業生態系統總體先穩定上升，隨后又有所下降。健康排名次序為：2015 年＞2013 年＞2012 年＞2014 年＞2011 年＞2016 年＞2017 年。2015 年綜合指數最高，為0.883，2017 年最低，為0.585。2016，2017 年與亞健康狀態較接近。

表3 沁源段2010—2017 年農業生態系統健康等級

3.2 系統資源稟賦分析

由表3 可知，與系統投入水平、系統產出能力相比，系統資源稟賦得分普遍都低，但總體呈現逐漸上升趨勢，說明系統自身的資源與結構穩定。通過對比系統資源稟賦各評價指標綜合指數可知，完成水土流失綜合治理面積和完成有效灌溉面積得分相對較高（表4）。有效灌溉面積是衡量農業穩定生產的指標，也是糧食總產量增加的一個因素，2011—2017 年完成有效灌溉面積呈上升趨勢。水土流失綜合治理面積2013—2017 年基本屬于逐年增加的趨勢。糧食作物種植面積和水資源承載力得分相對較低。糧食作物種植面積2011—2015 年比較穩定，從2016 年開始下降，2011 年糧食作物種植面積最高，為148.228 km2，占全縣總面積的5.82%。2017 年全縣農作物種植面積135.214 km2，占全縣總面積的比例下降到5.31%。糧食作物種植面積較少的原因可能是：農業生產結構和區域的調整，農村勞動力減少。水資源承載力得分低說明沁源段處于水資源生態赤字狀態，其自然生態所提供的水生態容量不能滿足沁源人口工業、農業及生活等方面的消費，即不能完全滿足區域內經濟社會發展的基本需求。降水量是系統資源稟賦中得分最低的指標，受地形影響，沁源段境內各分區存在空間差異，年平均降水量在490～630 mm。

系統資源稟賦綜合指數2017 年最高，2011 年最低的原因是完成有效灌溉面積和完成水土流失綜合治理面積得分低。由于水資源不足，只能通過節水灌溉，可以有效緩解當地農業水資源緊缺的矛盾。

表4 沁源段2011—2017 年系統資源稟賦評價結果

3.3 系統投入水平分析

表5 沁源段2011—2017 年系統投入水平評價結果

由表3 可知，系統投入水平得分總體都高于系統資源稟賦與系統產出能力，說明不斷向系統內投入各種物質和能量大。2015 年農業生態系統健康綜合指數最高，也因為系統投入水平得分最高，同樣，2017 年系統投入水平得分低導致健康綜合指數最低，即2017 年未給予充足的外部能量。對比系統投入水平各評價指標綜合指數可知，農機總動力得分最高（表5），農機總動力是衡量農業機械裝備水平高低的指標，也是農業現代化水平的重要標志之一，但2011—2017 年呈下降趨勢，說明農機作業效率低下。化肥施用量近7 a 變化不大，主要為氮肥、磷肥、鉀肥以及復合肥，復合肥超過化肥施用量的50%。據統計，化肥在對農作物增產的總份額中約占40%～60%，但要合理利用，防止造成環境污染。勞動力投入2011—2017 年呈現逐漸下降的趨勢，經調查，農村總人口呈逐年下降趨勢，從2011 年的12.94 萬人減少到2017 年的8.84 萬人，原因可能為一方面人口自然增長率降低，另一方面由于城市化進程的加快，農村人口遷出。

3.4 系統產出能力分析

系統的產出能力可以反映系統對資源的利用程度，透視出系統的機能。由表6 可知，糧食總產量是得分最低的指標，說明是制約農業生態系統健康的一個脅迫因素，在農業人口下降的現狀下應采用現代農業技術提高產量。農業總產值2011—2017年呈逐步上升趨勢，農業總產值從3.62 億元增加到4.93 億元，平均年增長率為21.8%。但2017 年全縣地區生產總值136.3 億元，農業總產值僅占生產總值的3.6%，而工業產值占76.5%，可見沁源段以工業產業為支柱。農村人均純收入得分相對較高，2011—2017 年呈逐步上升的趨勢，說明農村居民生活水平改善，生活質量提升。但調查顯示，農村人均純收入遠遠低于城鎮居民人均可支配收入，2011 年城鎮居民人均可支配收入是農村居民的2.64 倍，到2017 年城鎮居民收入是農村居民的2.34 倍。因此，要注重協調工業農業的發展，統籌城鎮與農村的協同發展，提高農民收入。對農業生態系統本身來講，它擔負著為社會提供食物保障和社會經濟建設服務的責任，只有兩者統一協調，才能使整個農業生態系統形成良性循環。

4 結論

本研究基于對流域尺度農業生產生態系統研究，構建了涵蓋系統資源稟賦、系統投入水平、系統產出能力3 個準則層的評價指標體系，確定了表征系統結構、系統脅迫、系統功能共計13 個指標。評價體系的建立可為同類地區在相同尺度下的農業生態系統健康評價提供借鑒。

以2011 年為基準年，研究了近7 a 沁源段農業生態系統健康狀態，通過計算綜合指數得出，2011 年處于亞健康狀態，2012—2015 年處于健康狀態，2016—2017 年處于一般狀態，沒有出現較差和極差的年份，健康狀況總體很好。2015 年的健康綜合指數最高，2017 年的健康指數相對較低。

在構建評價體系的指標中，糧食作物種植面積、水資源承載力、農業用水量、糧食總產量、降水量得分均較低，是影響農業生態系統健康狀況的主要脅迫因素。

建議將農業生態系統健康評價納入縣域管理日常工作中，協調工業農業可持續發展，縮短城鎮居民和農村居民的人均可支配收入，保障農業經濟向更健康的方向發展。