基于歐式距離法的成都農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價*

王惟帥 高 悅 劉宏元 邢 磊 楊世琦，2※

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點開放實驗室，北京 100081)

0 引言

可持續(xù)發(fā)展的理論體系是在特定的社會背景下，隨著時代的變遷和人類意識形態(tài)的提升而逐漸形成和完善的。20世紀(jì)50～60年代，在多重環(huán)境壓力下，人們開始對一味追求發(fā)展的傳統(tǒng)模式產(chǎn)生了質(zhì)疑和反思。1962年，生物學(xué)家Rachel Carson發(fā)表了《寂靜的春天》，進(jìn)而引發(fā)了全球范圍的關(guān)于發(fā)展觀的激烈爭論；10年后，《只有一個地球》的問世讓人們逐漸認(rèn)識到發(fā)展和環(huán)境的不平衡會給正常生活帶來負(fù)面影響；直到1987年，可持續(xù)發(fā)展的概念才被聯(lián)合國世界與環(huán)境發(fā)展委員正式提出，受到世界各國政府和媒體的極大關(guān)注[1]；1992年，聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上，眾多國家和地區(qū)的領(lǐng)導(dǎo)人通過了《世紀(jì)議程》等一系列文件，明確“發(fā)展”和“生態(tài)環(huán)境”的內(nèi)在聯(lián)系，使可持續(xù)發(fā)展理論走向?qū)嵺`，之后不久，經(jīng)國務(wù)院審議通過了《中國21世紀(jì)議程》，確立了可持續(xù)發(fā)展在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位[2]。

可持續(xù)發(fā)展評價的基礎(chǔ)是指標(biāo)體系的建立，科學(xué)的指標(biāo)體系是支撐可持續(xù)發(fā)展實施的基本保障。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會在1995年構(gòu)建了包含有134個指標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展評價體系，隨后，許多國家在全球尺度、區(qū)域尺度和國家尺度上對可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了積極的探索，提出了相應(yīng)的指標(biāo)體系，并進(jìn)行了適用性的檢驗和廣泛的應(yīng)用[3]。我國政府和學(xué)者也積極圍繞當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢，開展了一系列研究，并于1994年就提出了適合我國國情的農(nóng)業(yè)發(fā)展可持續(xù)性綜合評價指標(biāo)體系。兩年后，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部(原農(nóng)業(yè)部)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃管理司綜合考慮我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的諸多影響因子，建立的可持續(xù)發(fā)展試驗區(qū)綜合評價體系[4]。2000年，吳傳鈞等[5]提出一套比較全面農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評判標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有41個細(xì)分指標(biāo)。由此可見，世界各國對可持續(xù)發(fā)展的重視，此外，國內(nèi)外諸多學(xué)者對評價指標(biāo)進(jìn)行探索和分析。Kruseman等[6]依據(jù)資源有效持續(xù)利用原則，建立包括土壤、水、大氣、礦物質(zhì)、植物與動物5個方面共32個指標(biāo)的評價體系。Stockle 等[7]提出了包括9方面屬性的農(nóng)業(yè)可持續(xù)性評價框架體系。王紹輝[8]從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等方面進(jìn)行綜合分析，提出一套較有效的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系。陳瓊等[9]依據(jù)可持續(xù)發(fā)展基本原則，從資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等方面，選取33項主要指標(biāo)，建立了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系。

可持續(xù)發(fā)展評價的方法有很多種，目前應(yīng)用較為廣泛的方法主要有GDP核算法[10]、真實儲蓄率測算法[11]、人類發(fā)展指數(shù)模型法[12]等社會經(jīng)濟(jì)學(xué)方法；能值綜合指數(shù)分析法[13]、物質(zhì)流分析法[14]、生態(tài)足跡法[15]等生態(tài)學(xué)方法；還有如指標(biāo)重要性法[16]、模糊數(shù)學(xué)模型[17]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[18]、系統(tǒng)動力學(xué)[19]等系統(tǒng)學(xué)方法；以及近年來研究和應(yīng)用較多的如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法[20]、集對分析[21]、行星邊界法[22]等相對新興的方法。

由于能夠比較全面地映射和解釋可持續(xù)發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)，指標(biāo)體系法備受國內(nèi)外研究者的青睞，其中主成分分析法的應(yīng)用更為廣泛，但由于受指標(biāo)間相關(guān)程度的影響，其結(jié)果也存在著線性映射等弱點[23]。此外，如果各子系統(tǒng)的樣本群不同，可能造成結(jié)果數(shù)值的多變性，甚至多次評價結(jié)果的不一致[24]。鑒于此，該文引入歐氏距離法來評定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[25]，同時，用該方法對2000—2016年成都地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)驗證分析。

1 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模型構(gòu)建

人們對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)劣的評判，一般都會與既定的目標(biāo)參考值進(jìn)行對比，這些目標(biāo)值是對研究系統(tǒng)中大量的指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)表征得到的，如單位面積化肥、農(nóng)藥施用量；人均糧食；人均住房面積；人均耕地面積等。隨著人類對生態(tài)環(huán)境認(rèn)知水平的提高，基本可以得到這些指標(biāo)的公認(rèn)取值，這些指標(biāo)都可以作為可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)來評判農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是否可持續(xù)發(fā)展[25]。因此，可以把這些公認(rèn)取值構(gòu)成的指標(biāo)系統(tǒng)作為目標(biāo)系統(tǒng)(the goal system)，用函數(shù)表示為：

G=F(X1，X2，…，Xm)

(1)

式(1)中，G指目標(biāo)系統(tǒng)，F(xiàn)指目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)，X1，X2，…，Xm指組成目標(biāo)系統(tǒng)的指標(biāo)狀態(tài)值。一般農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)表示為：

?S=fi(X1，X2，…，Xm)

(2)

用目標(biāo)系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，可以判斷一個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，待測農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的差距為距離，用D表示為：

D=|fi-F|

(3)

式(3)中，D代表待測系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的距離，fi指待測系統(tǒng)狀態(tài)，F(xiàn)代表目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)。為了更好地描述和解釋結(jié)果值與目標(biāo)系統(tǒng)的接近程度，引入零系統(tǒng)(the zero system)，相當(dāng)于標(biāo)尺上的零刻度，所有指標(biāo)值為最差值，用函數(shù)表示為：

Z=f0(X1，X2，…，Xm)

(4)

式(4)中，Z代表系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的距離，f0代表零系統(tǒng)狀態(tài)。通常的指標(biāo)取值為0。

由此，零系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)的距離差就構(gòu)成了評價可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)尺，待測農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)值就可以用這把標(biāo)尺進(jìn)行度量，其具體位置可以通過歐氏距離數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化賦予結(jié)果值量綱。其函數(shù)公式為：

(5)

式(5)中，dIG表示待測系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的加權(quán)歐氏距離，xik指待測系統(tǒng)的第k個評價指標(biāo)值，xGk指目標(biāo)系統(tǒng)的第k個評價指標(biāo)值。Sk代表第k個指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

各維數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化依照公式為：

(6)

式(6)中，x代表原始值，m代表均值，s代表標(biāo)準(zhǔn)差。

依據(jù)歐氏距離可持續(xù)發(fā)展模型，待測系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的距離為分子，目標(biāo)系統(tǒng)與零系統(tǒng)距離為分母，其比值作為可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。公式為：

(7)

式(7)中，ASDE表示農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(Agricultural Sustainable Development Exponent)，dIG代表待測系統(tǒng)I與目標(biāo)系統(tǒng)G的距離，dZG代表零系統(tǒng)Z與目標(biāo)系統(tǒng)G的距離?？沙掷m(xù)發(fā)展評價值分為3個區(qū)間，0

表1 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)框架及目標(biāo)系統(tǒng)指標(biāo)參考值

2 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建

基于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要義，遵循農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系建立的原則和方法，參照《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃2015—2030年》[26]，從我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的實際出發(fā)，綜合考慮成都農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，從農(nóng)業(yè)社會、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等主要方面選取主要指標(biāo)，根據(jù)實地調(diào)研和科學(xué)分析，評價指標(biāo)由初選的79個，最終確定為16個，并對其進(jìn)行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行評價(表1)。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分析

圖1 四川成都可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

根據(jù)歐式距離法，對指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和分析，得到成都2000—2016年的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展結(jié)果，總體呈現(xiàn)上升趨勢，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)介于0.53～0.72之間，2000—2009年，成都的農(nóng)業(yè)處于低持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；2010—2016年上升為中持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。結(jié)合實地調(diào)研分析，中持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的主要原因有：肥料施用量高，如氮肥的施用量在2011年前基本維持在230kg/hm2左右；磷肥的施用量比目標(biāo)系統(tǒng)的參考值也要高25%左右；但是，復(fù)合肥的施用量卻偏低，2000—2012年都表現(xiàn)為不足全年施肥量的30%；秸稈還田率整體表現(xiàn)良好，平均還田率達(dá)到80%，這是由于該地區(qū)圍繞秸稈肥料化、飼料化、基料化、原料化、燃料化等利用，積極推廣機械化粉碎還田、免耕沃土還田、作食用菌基料、生物質(zhì)燃料等成熟技術(shù)[32]。成都地區(qū)氣候溫和，降雨充沛，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，因此在病蟲害防護(hù)上也有較高的投入，2014年以前，平均農(nóng)藥施用量達(dá)到目標(biāo)參考值的兩倍以上，2007年，農(nóng)藥的施用量為歷年最高用量，直到2015年，其施用量才有較為明顯的下降，但與發(fā)達(dá)國家農(nóng)藥施用量限值相比，仍存在一定差距。畜禽糞便還田率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，主要是由于規(guī)模養(yǎng)殖的興起，還田成本的增加，導(dǎo)致還田利用率降低。成都地區(qū)土壤類型主要為酸性紫色土，土壤肥力較高，有機質(zhì)含量平均達(dá)到17.8g/kg，2000—2016年有機質(zhì)含量基本平穩(wěn)，2016年為歷年最高值，為20.1g/kg。該地區(qū)人均耕地面積平均為0.07hm2，低于目標(biāo)參考值0.15hm2，人均耕地資源不夠充足；保護(hù)性農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣和普及呈現(xiàn)逐年上升趨勢，到2016年，推廣面積到達(dá)70%。成都農(nóng)村居民人均住房面積穩(wěn)健增加，到2006年已經(jīng)達(dá)到小康社會住房面積標(biāo)準(zhǔn)；另外，農(nóng)村飲用水合格率有了明顯的改善，到2016年，合格率已經(jīng)達(dá)到92%，主要因為農(nóng)村用水設(shè)施的大力投入；農(nóng)村勞動力整體素質(zhì)有很大提高，大專以上的農(nóng)業(yè)勞動力平均占比達(dá)到2.9%；人均糧食占有量平均為378kg，趨近目標(biāo)參考值；農(nóng)村人口人均可支配收入水平逐年升高，到2016年，人均可支配收入水平已經(jīng)達(dá)到1.860 5萬元，逼近發(fā)達(dá)國家水平。恩格爾系數(shù)在59%以上為貧窮，50%～59%為溫飽，40%～50%為小康，30%～40%之間為富裕，低于30%為最富足[33]，一定程度上反映人民生活水平，成都地區(qū)恩格爾系數(shù)平均為36.8%，由此可見，從2005年，成都地區(qū)農(nóng)民生活水平已經(jīng)達(dá)到富裕水平，且恩格爾系數(shù)呈逐年下降趨勢。

3.2 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)診斷

采用指標(biāo)診斷方法，對成都市2016年農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)進(jìn)行分析，判斷其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

表2 2016年四川成都農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)診斷

表2是2016年的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展診斷指標(biāo)。其中系統(tǒng)目標(biāo)與2016指標(biāo)差值和2016與零系統(tǒng)差值的比值反映了2016年成都農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相應(yīng)指標(biāo)在零系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)之間的相對位置，值越大，表明偏離目標(biāo)系統(tǒng)越遠(yuǎn)，如復(fù)合肥施用量指標(biāo)表明，2016年復(fù)合肥的用量遠(yuǎn)離目標(biāo)系統(tǒng)，距離目標(biāo)系統(tǒng)的距離是距離零系統(tǒng)的1.06倍；目標(biāo)系統(tǒng)與2016指標(biāo)差值和目標(biāo)系統(tǒng)與零系統(tǒng)差值的比值反映了2016年該系統(tǒng)的相應(yīng)指標(biāo)與目標(biāo)系統(tǒng)的距離占整個距離的比例，值越小，則離目標(biāo)系統(tǒng)越近，如復(fù)合肥施用量指標(biāo)值0.51，表明2016年復(fù)合肥施用量遠(yuǎn)離目標(biāo)系統(tǒng)，是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)低的原因之一；采用雷達(dá)圖能夠直觀地反映了待評價系統(tǒng)、目標(biāo)系統(tǒng)與零系統(tǒng)之間的距離關(guān)系(圖2)，以2016年可持續(xù)發(fā)展指數(shù)0.72為標(biāo)準(zhǔn)，大于0.28(1-0.72)的指標(biāo)有復(fù)合肥施用量、農(nóng)藥施用量、畜禽糞便還田率、人均耕地面積、保護(hù)性農(nóng)作技術(shù)推廣面積這5個指標(biāo)，這些指標(biāo)對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的貢獻(xiàn)為負(fù)；氮肥施用量、磷肥施用量、復(fù)合肥比例、秸稈還田率、人均住房面積、人均可支配收入、飲用水合格率、土壤有機質(zhì)含量、農(nóng)村大專以上勞動力、人均糧食、恩格爾系數(shù)這11個指標(biāo)對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的貢獻(xiàn)為正。

圖2 四川成都三年可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)診斷

4 結(jié)論與討論

由于歐氏距離法以較為成熟的方法論為依據(jù)和評價基礎(chǔ)，其評價模型的解釋性和直觀性好，評價得到的結(jié)果相對更加可信；以零系統(tǒng)到目標(biāo)系統(tǒng)的距離為標(biāo)尺，將評價系統(tǒng)通過指標(biāo)分析，確定其具體位置，使評價更為直觀，結(jié)果易于理解，可控性得到很大的提高；該方法還避免了因評價尺度改變引起指標(biāo)權(quán)重不穩(wěn)定等問題，系統(tǒng)距離可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和縮放，提升了評價指標(biāo)框架的針對性與靈活性。

根據(jù)歐式距離法得到的成都可持續(xù)發(fā)展指數(shù)表明，該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展趨勢良好，處于持續(xù)穩(wěn)健增長的態(tài)勢，當(dāng)然也表現(xiàn)出一些不足，如化肥施用量還偏高，復(fù)合肥的施用需進(jìn)一步推廣；農(nóng)藥施用量、畜禽糞便還田率、保護(hù)性農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣面積等方面還需進(jìn)一步加強；當(dāng)然從指標(biāo)數(shù)據(jù)分析可以看出，如人均可支配收入、人均糧食、人均住房面積等方面已基本達(dá)到目標(biāo)參考值；成都地區(qū)農(nóng)民整體生活水平較高，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈上升趨勢，達(dá)到中持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。