麥麗開·艾麥提，滿蘇爾·沙比提，張雪琪

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054)

0 引言

耕地是最寶貴的土地資源之一，它不僅是人類生存和發展的基礎，而且還密切關系到區域的糧食安全及可持續發展，是非常重要的農業生產資料。經過人類的長期開發與經營，耕地生態系統逐漸演變成為具有高度耦合性的社會—經濟—生態復合系統[1，2]。近年來，隨著社會經濟的快速發展、人們對物質的需求量不斷提高，對耕地資源的利用程度加深以及諸多不合理的利用方式導致耕地生態系統遭到嚴重破壞，并直接或間接地影響著耕地的生態安全，制約著人類社會經濟的可持續發展，同時區域農田生態系統也面臨著嚴重的沖擊與破壞，這些破壞程度已經達到甚至超過了農田自身的生態承受能力。因此，對耕地生態安全進行預警已成為區域可持續發展測度的一個重要內容。耕地生態安全預警是對區域耕地環境質量的狀態與變化的評價、預測和警告，目的是促使耕地生態系統能夠基本保持自身正常功能的運轉以及滿足社會經濟可持續發展的需求[3]。

目前，國內外有關耕地生態安全預警方面的研究參差不齊。國外由于起步早，已具有較為完整的理論體系和系統方法，所以預警研究主要集中在生態環境沖突預警[4]、生態風險預報[5]、自然災害預警[6]等方面。國內相關研究在20世紀90年代后期才起步，導致預警研究仍停留在耕地安全預警的理論、模型、指標與方法等方面上。隨后諸多學者展開了實踐，研究對象主要包括耕地[2]、土地[3]、流域[7]等生態系統，在研究方法和技術上，已逐步由定性為主走向定量探討為主，方法主要包括物元分析法[8]、綜合指數法[9]、生態足跡法[10]、可拓分析法[11]、BP、RBF神經網絡法等[12]，同時，隨著現代信息技術的發展，基于3S技術的生態安全預警方法正逐步發展起來[7]并豐富了我國生態安全預警工作的內涵，但目前預警方法還不夠成熟，指標評價體系不一、有待進一步完善[13]。鑒于此，文章以葉爾羌河平原綠洲為研究對象，通過建立基于DPSIR(驅動力—壓力—狀態—影響—響應)模型的預警指標體系，運用DPSIR概念模型與障礙度模型探討1991—2016年葉爾羌河平原綠洲的耕地生態安全狀況并進行主要障礙因子分析。最后通過運用GM(1，1)預測模型預測2018—2025年8個年份的耕地生態安全狀態，以期為區域耕地生態安全的有效調控提供決策參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

葉爾羌河平原綠洲介于74°28′E～80°54′E，34°50′N～40°31′N之間，地處塔克拉瑪干沙漠西緣，喀喇昆侖山北麓，北抵天山南麓與阿克蘇地區相接。流域地形西南高、東北低，大致分為山區和平原兩大部分。其平原區總面積為3.81萬km2。該文研究區域為葉爾羌河流域中下游的平原綠洲區(以下簡稱“研究區”)，在行政區劃上包括喀什地區的葉城、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚等縣域(圖1)。

至2016年底，土地總面積為496萬hm2，占新疆總面積的2.98%。劇烈的人為活動使區域土地利用/覆被發生了明顯變化，綠洲外圍荒漠區的地下水位不斷下降，未利用土地占總面積的74.74%，成為區域景觀面積最大、連通程度最高的地類(圖2)，耕地生態環境狀況也隨之惡化，耕地生態安全問題日益凸顯。因此，探討耕地生態安全預警研究的問題，不僅有利于協調人地矛盾，保障糧食安全和社會穩定，而且對實現研究區域社會經濟與生態環境保護之間的可持續發展和構建和諧社會具有更重要的理論和現實意義。

圖1 研究區示意圖 圖2 2016年土地利用變化

1.2 數據來源

該文所依據的基礎數據主要來源于《新疆統計年鑒(1992—2017)》《喀什統計年鑒(1992—2017)》、所轄縣地方志以及政府網站公布的經濟、社會發展統計公報提供的數據進行計算，整理獲得；結合相關數據，借助DPS 6.5、Microsoft Excel和ArcGIS 10.2等軟件進行數據處理、統計分析、模型計算、繪圖及完成專題地圖制作。

2 研究方法

2.1 DPSIR概念模型的構建

2.1.1 預警指標體系構建

DPSIR概念模型是在PSR模型的基礎上發展演化而來的。它將表征一個自然系統的評價指標分成驅動力、壓力、狀態、影響及響應5種元素，每種元素涉及多個評價指標[14]，并通過各元素間的相互作用，揭示人類活動與耕地環境的相互關系，有效地判斷出狀態和問題之間的因果關系，把復雜的問題細化，并能夠綜合性、系統性地描述和分析耕地生態安全預警指標之間的連續反饋機制，有效開展生態預警研究[15]。

該文據此借鑒DPSIR預警模型，從研究區的實際情況出發，綜合考慮各種障礙因子，同時在參考相關研究成果的基礎上[1，2，16，17]，結合數據的可得性，遵守指標選取的完整性、動態性、科學性、實用性、針對性等原則，最終篩選出了相應的27個評價指標并構建了葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警指標體系。其中，“驅動力”是使耕地生態安全變化的潛在原因，包括人口增長和社會經濟發展；“壓力”是人類活動對耕地生態安全的影響，包括化肥、農藥和地膜的大量使用；“狀態”即耕地生態安全在上述壓力下所呈現出的狀況，主要體現在人均糧食產量與第一產業占GDP比重等方面；“影響”是狀態的改變對耕地生態安全以及人類社會經濟水平所產生的影響，包括農牧民人均純收入和單位耕地的糧食產量等方面；“響應”即人類在促進耕地生態可持續發展進程中所采取的一系列措施，包括造林面積、第三產業產值和水利、環境和公共設施管理業投資等方面，表1。

表1 葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警指標體系及權重

2.1.2 評價指標標準化處理

由于各指標具有不同的測度量級，無可比性，不便于分析甚至會影響預警結果，因此該文采用極差法進行各指標的標準化處理，具體見參考文獻[18]。

2.1.3 計算指標權重

該文采用客觀性較強的熵值法[3，14]進行計算，其將避免評價結果產生主觀偏差，能夠更客觀地反映各指標對耕地生態安全狀況的影響程度。具體計算公式如下。

①計算指標信息熵Hj

(1)

②計算第j項指標的差異性系數Gj

Gj=1-Hj

(2)

③計算指標權重wj(表1)

(3)

2.1.4 計算預警指數Fi

該文采用多因素綜合指數法[19]計算區域耕地生態安全預警值。其計算公式為：

Fij=wj×yij

(4)

(5)

2.1.5 警情劃分標準

該文參考相關學者有關研究成果[20，9]，同時結合研究區耕地生態環境的實際情況，以等間距的方式將研究區耕地生態安全警情狀況劃分為5個等級(表2)。

表2 葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全警情劃分標準

表3 GM(1，1)模型精度檢驗標準

2.2 障礙因子分析方法

為有效提高研究區耕地生態安全水平，篩選出評價指標體系中對研究區耕地生態安全預警等級起主要影響作用的因子，該文采用障礙度模型[21]對障礙因子進行分析，其計算公式為：

(6)

式(6)中，Qi為第i年各指標對耕地生態安全的影響程度，即障礙度；Lij為第j個指標值與安全值之間的差距，即Lij=1-yij；yij為單項指標的標準化值。

2.3 警情演變趨勢預測方法

灰色GM(1，1)模型具有簡便、精確度高、無需典型概率分布等優點，被廣泛應用于生態學、社會經濟學等領域并取得了較好的效果[22]。該文將運用灰色GM(1，1)模型對2018—2025年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全狀況進行預測預警，其具體建模步驟為[20，23]：

①對數據序列X(0)={x(0)(1)x(0)(2)…，x(0)(N)}做一次累加加成

②將X(1)的變化趨勢近似地用微分方程描述

(7)

式(7)中，a為灰發展系數；u為灰作用量；t為時間。求解式(8)得GM(1，1)模式對應的標準型解為：

(8)

通過式(8)可對指定時間的值進行預測。

③進行精度檢驗

為了模型分析的可靠性，必須對模型精度進行檢驗。目前較通用的檢驗方法是對模型進行后驗差檢驗，后驗差檢驗通過求解后驗差比值(C)和小誤差頻率(P)來檢驗(表3)。若檢驗結果可用，則可利用灰色預測模型GM(1，1)進行預測；否則，建立殘差模型對其進行修正。

3 結果與分析

3.1 耕地生態安全現狀警情

運用前述預警方法計算得出1991—2016年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警值及趨勢見表4和圖3。

圖3 1991—2016年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警趨勢分析

3.1.1 總體警情狀況

1991—2016年，葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警綜合指數整體上呈現出遞增趨勢，耕地生態安全狀況得到進一步改善。耕地生態安全預警值由1991年的0.149 1上升到2016年的0.691 8，耕地生態安全不斷好轉，年均增長率達到6.33%，說明耕地生態安全水平不斷提高。根據耕地生態安全警情劃分標準(表2)，耕地生態安全警情狀況由“巨警”緩解為“輕警”。這表明：1991年以來研究區域的國民經濟持續發展，農牧民人均純收入和人均生產總值都不斷提高，人民生活水平得以改善；尤其是，2000年以來，隨著國家對于西部大開發戰略的重視程度不斷提高，技術型人才不斷引進，對科技、水利、環境和公共設施管理業的投資加大，葉爾羌河平原綠洲的經濟呈現出良好的發展趨勢，這也是葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警綜合指數從2008年以后呈現增長趨勢的原因；另外，2010年召開的中央新疆工作座談會和2015年召開的第五次全國對口援疆工作會議之后，推動了各項事業的快速發展，整個耕地生態系統的警度已由“中警”轉為“輕警”。這一變化表明于政府的政策引導下，研究區耕地生態安全正在逐漸改善，所實施的一系列政策計劃對于研究區耕地生態安全有很大的作用。

表4 1991—2016年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全及其子系統預警指數

3.1.2 各子系統變化狀況

(1)驅動力系統變化:1991—2016年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全驅動力層預警值總體上呈波動式上升趨勢，根據(圖3)曲線的形狀，大體可以分為2個階段：第一階段(1991—2005年)預警值從0.014 7增長為0.024 1，年均增長率為3.59%；第二階段(2006—2016年)預警值上升幅度較大，增長率為6.16%。在全面落實西部大開發戰略、推動全省經濟跨越式發展和全面建成小康社會的背景下，葉爾羌河平原綠洲的經濟保持快速增長，人民生活穩步提高，使人均GDP和GDP增長率都有所提高，從而有助于驅動力系統的提升和生態環境的改善。

(2)壓力系統變化:壓力層預警值呈下降趨勢，由1991年0.082 7減小到2016年0.074 5，說明葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全所承受的壓力逐漸增大(負向指標，壓力指數越小，生態安全壓力就越大，反之就越小)[1]。這主要由化肥使用強度和人口密度所致。近26年來，平原綠洲區化肥使用量由250.2kg/hm2增加到542.8kg/hm2，人口密度由53.68人/km2上升到86.04人/km2，由此可見，隨著人口的增長、社會經濟的快速發展和新型城鎮化的加速推進，對耕地生態造成了一定程度的壓力，尤其是近幾年壓力持續增加。另外，葉爾羌河平原綠洲的生產活動以農業為主，其與化肥的使用強度有密切的關系，這些將導致水土資源污染，土壤鹽堿化程度加劇，最終增加了耕地生態安全壓力。

(3)狀態系統變化:由圖3可以看出，1991—2016年狀態層預警值呈現波動式緩慢遞增趨勢，這表明研究區耕地生態系統正緩慢趨向好轉，這主要是因為在狀態層指標中人均糧食產量處于不斷增長的趨勢，1991—2016年人均糧食產量從482kg增加到774.4kg，農作播種面積從28.32萬hm2增加到45.42萬hm2，同時區域更注重二、三產業發展，第一產業占GDP比重亦由72.89%下降到44.92%，平原綠洲區生態安全狀態得到了較明顯改善。另外，復種指數、水土協調度也不斷提高，保障了農業的生產效率，并反映出平原綠洲在經濟、社會、環境和生態的協調發展，但由于研究區耕地生態環境比較脆弱，自然災害頻繁，各年份災情程度和受災面積差異較大，一旦受損，恢復困難；同時，在壓力系統的影響下，狀態系統預警值大體上呈現出緩慢上升的趨勢，并還需要進一步改善。

(4)影響系統變化:隨著狀態系統安全狀況的逐步好轉，其對社會經濟發展的影響也趨于好轉，這主要是因為在影響層指標中農業機械化水平不斷提高，單位耕地面積農業機械總動力由1 156w/hm2提高至6 882.88w/hm2，產業結構逐步優化，人民生活水平進一步提升。

(5)響應系統變化:由于政府加大了對環境的保護和治理力度，響應系統預警值總體呈增加趨勢，2016年響應預警指數是1991年的105.71倍，尤以2005—2012年表現突出，增長幅度較大，其年均增長率為26.29%，這表明該綠洲的抵御生態風險的能力增強并為減緩區域耕地生態壓力所采取的一系列措施取得了較明顯的成績。在研究時段內平原綠洲區當年造林面積由6 091hm2提高到2.538 5 萬hm2，年均增長率為5.88%；水利、環境和公共設施管理業投資由7 303萬元增加到16.845 1億元；2016年第三產業占GDP比重是1991年的2.2倍，年均增長率達到3.2%；近年來，伴隨著西部大開發的進程不斷深入，政府的財政調控能力不斷增強，因而對環保的投入更加科學合理，對生態環境保護和建設的支持力度增強。由此可知，葉爾羌河平原綠洲解決耕地生態安全系統問題的能力也在不斷地提高與改善。

3.2 障礙因子分析

3.2.1 耕地生態安全主要障礙因子分析

通過障礙因子分析得出1991年、2016年的耕地生態安全障礙度(表5)。1991年阻礙耕地生態安全狀況改善的障礙因素主要集中在系統影響和系統狀態方面，主要包括農作物受災面積、第三產業占GDP比重、單位耕地的糧食產量、第一產業占GDP比重和耕地墾殖指數等；而2016年阻礙耕地生態安全狀況改善的障礙因素主要集中在系統壓力、系統狀態方面，主要包括農作物受災面積、農藥使用強度、災害指數、地膜使用強度、化肥使用強度和人口密度等。從單項指標變化趨勢上看，1991—2016年農作物受災面積、農藥使用強度、災害指數、地膜使用強度、化肥使用強度和人口密度等指標障礙度上升幅度較大。研究發現造成這一現象的主要原因是隨著經濟的快速發展、人們對物質的需求在不斷加強，因此，人們通過大量施用農藥、地膜和化肥等有害物質來促進農作物產生高產，從而導致耕地農藥、地膜和化肥使用強度的障礙度增大并且直接或間接地影響了耕地生態環境。

表5 1991年和2016年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全障礙因素排序

3.2.2 子系統的障礙度分析

在計算單項指標障礙度的基礎上，進一步計算耕地生態安全分類指標的障礙度(圖4)。從整體來看，系統壓力的障礙度呈現遞增態勢，而系統驅動力、系統狀態、系統影響和系統響應的障礙度呈下降趨勢，從5個子系統的障礙度數值來看，2003年之前系統狀態、系統影響和系統響應的障礙度較高，其次是系統壓力、系統驅動力；從2003年開始，系統狀態障礙度最大，其次是系統響應、系統壓力、系統影響和系統驅動力；2008年以后系統壓力障礙度超過系統狀態和系統響應，位居第一位；從2008年開始系統狀態障礙度由23.32%波動上升到2016年的31.94%。可見，提高耕地生態安全水平必須從系統壓力、系統狀態入手，同時注重加強系統驅動力、影響和響應。從各子系統的障礙度年變化率來看，1991—2016年系統壓力的障礙度以年均7.57%的速度增加，而系統驅動力、狀態、影響和響應的障礙度分別以年均0.34%、1.01%、100%和4.65%的速度下降。顯然，從長遠來看，系統壓力逐漸成為影響耕地生態安全的主要因素。

圖4 1991—2016年各子系統障礙度

圖5 2018—2025年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預測趨勢

3.3 耕地生態安全警情演變趨勢

運用GM(1，1)預測模型計算得出2018—2025年葉爾羌河平原綠洲各子系統及總體的耕地生態安全發展趨勢(圖5)。從各子系統看，由于葉爾羌河平原綠洲經濟發展方式正由粗放式向集約式轉變，加之科學技術的不斷進步，驅動力系統預警值逐年增大；未來人口增長和化肥使用量將進一步的顯現，使壓力系統預警值逐年下降并導致狀態預警值的減少，同時，影響研究區的耕地生態安全；隨著生態文明建設的提出，一系列環境保護政策將進一步落實，環境保護和治理力度繼續加強，影響系統預警值將會持續上升；從總體來看，基于驅動力、影響系統力度的加強，葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警值不斷上升，按目前的發展態勢，2018—2025年警度將由“輕警”逐步轉變“無警”，耕地生態環境狀況將有所改善。

4 結論與討論

4.1 結論

該文基于DPSIR概念模型構建了葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警指標體系，運用客觀性較高的熵值法計算得出指標權重，根據各項指標的權重及預警指數對1991—2016年研究區域耕地生態安全警情格局進行評估和主要障礙因子分析，最后通過采用GM(1，1)預測模型對其2018—2025年的警情演變趨勢進行預測。研究結果表明如下。

(1)1991年以來葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全水平總體不斷提高，2016年耕地生態安全預警指數是1991年的4.64倍，且警度由1991年的“巨警”緩解為2016年的“輕警”；從子系統看，驅動力系統、狀態系統、影響系統和響應系統預警值大體呈上升態勢，但壓力系統預警值呈遞減趨勢，從而影響了葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全整體水平的提高。

(3)從子系統障礙度來看，系統壓力和系統狀態對葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全影響較大；從指標層因子的障礙度來看，影響耕地生態安全的主要障礙因子包括農作物受災面積、農藥使用強度、災害指數、地膜使用強度、化肥使用強度和人口密度等。

(3)2018—2025年的耕地生態安全預警值分別為0.697 0，0.730 1，0.765 3，0.802 8，0.842 5，0.884 6，0.929 2,0.976 3，表明未來8年葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全狀況良好，但狀態和響應系統預警值處于下降趨勢，仍將是阻礙耕地生態安全水平提高的關鍵因素。

4.2 討論

(1)該文通過DPSIR模型來架構驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個系統，可以更好地體現和表達葉爾羌河平原綠洲耕地生態環境、社會經濟和人類活動之間相互作用的響應機制，說明基于DPSIR模型構建的耕地生態安全預警指標體系符合葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全實際情況，有利于揭示葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全預警情況。但由于可借鑒資料與指標數據可獲得性的局限，構建耕地生態安全預警指標體系是參考前人研究而來，選取指標有限，研究區域預警研究僅從時間序列做動態分析，故在今后的研究中應注重指標體系的選擇，同時耕地生態安全預警評價應從時間序列走向時空格局演變進行動態綜合分析。在數據采集上，需要進一步改進，可采用GIS、RS技術來實現數據采集，會進一步增強評價結果的可信度，使耕地生態安全預警評價更加客觀性。

(2)該研究基于熵權灰色預測模型對葉爾羌河平原綠洲耕地生態安全進行預警研究，由于熵權法計算權重相對客觀性，同時灰色預測模型在時間序列較短的預測中準確性高、誤差小，將熵權法與GM(1，1)預測模型結合，使耕地生態安全預警評價更加精確，是耕地生態安全預警研究的一次嘗試。但熵權法計算指標權重理論尚未成熟，除了該文采取的熵值法，還有其他方法，如層次分析法[24]和變異系數法[25]等。在以后的研究中，對同一指標體系，可以同時使用不同的方法來計算權重，最終取其平均值確定其指標權重，以期使評價結果更接近于葉爾羌河平原綠洲的耕地生態安全現狀。

(3)根據以上研究結果，為進一步提高葉爾羌河平原綠洲的耕地生態安全水平必須注重系統壓力的調節，需繼續實行有效的人口政策，注重控制人口增長，降低土地承載壓力，提高人口文化素質，鼓勵農牧民發展新型綠色農業，合理施用農藥、地膜和化肥，同時應鼓勵農牧民使用有機化肥替代化肥來提升耕地質量并減輕對土地資源的污染，防止耕地生態環境的惡化，進而持續改善耕地生態安全狀況。