西藏“一江兩河”耕地生態安全時空格局與障礙診斷

李 丹 田沛佩 羅紅英 羅玉峰 崔遠來

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 武漢 430072；2.華北電力大學可再生能源學院， 北京 102206； 3.西藏農牧學院水利與土木工程學院， 林芝 860000)

0 引言

受高寒自然地理環境、惡劣的農業資源開發利用條件的影響，西藏耕地資源相對稀少，主要分布在海拔低、水熱條件優越以及土壤較為肥沃的河谷地區[1-2]。“一江兩河”地區是西藏重要的糧食生產基地和生態屏障保護區。國家“八五”計劃將“一江兩河”中部流域的綜合開發規劃為重點建設項目，要求以農業開發為主體，從1991年起用10年左右時間，通過興修水利、改造中低產田等為農業生產提供穩固、堅實的基礎和良好的生態屏障。高原地區的現代農業發展水平較低，具有典型的傳統農業演變特征[3]。傳統農業的粗放經營致使耕地土壤沙化、肥力下降，水土流失加劇[4-5]，自然界的環境壓力使生態環境極為脆弱，高原地區耕地生態安全面臨人類與自然的雙重壓力[6-7]。高原獨特的自然條件及生態環境的脆弱特征在客觀上決定了生態安全深受農業資源開發利用的影響，未來農業發展將面臨諸多生態安全問題。

耕地生態安全是指一定時間和范圍內耕地生態系統能夠保持自身結構和功能穩定、不受干擾的狀態，其概念來自國內外對“生態安全”的研究，即生態環境資源狀況不受或少受來自資源和生態環境的制約與威脅的狀態[8-9]。生態安全已成為國內外學者廣泛關注的領域，包括土地生態安全評價[10-12]、生態風險評價[13-15]以及評價模型[16-18]等。其評價對象多集中在省域、市域尺度范圍內或典型的生態保護區。指標體系構建多來源于社會、經濟以及環境3方面，并基于壓力-狀態-響應(PSR)模型、生態足跡模型等對指標體系進行劃分，進而對生態安全進行評價。盡管大量研究已開展定量分析，但評價年限較短，評價結果往往是靜態的，難以揭示生態安全的動態演化規律。且鮮見開展生態安全的時空特征分析，從時間和空間角度分別討論生態安全的相似性與異質性，并分析影響區域生態安全障礙因素的相關研究。鑒于此，本文構建耕地生態安全評價模型，從時空角度探究西藏“一江兩河”地區1985—2013年期間農業開發對耕地生態安全的影響，并利用障礙因子診斷模型尋找影響耕地生態安全的指標，以期為制定差別化的生態安全調控策略提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

西藏“一江兩河”地區位于青藏高原西南部 (89°00′～92°35′E，28°20′～31°20′N)，尤指雅魯藏布江中游及其支流年楚河和拉薩河的河谷地區。該地區東起山南市桑日縣，西達日喀則市拉孜縣，北抵岡底斯山-念青唐古拉山脈，南接藏南河谷區，包括拉薩市、山南地區以及日喀則地區在內的18個縣域及市區(圖1)。“一江兩河”地區是西藏自治區土地利用程度最高的區域，土地面積6.57×104km2，占西藏自治區土地面積的5.52%，其中耕地面積占西藏自治區耕地總面積的60%以上，人口占西藏自治區總人口的36%。該地區海拔位于2 700～4 200 m之間，屬典型高原溫帶季風半干旱氣候，氣候溫和，雨熱同期，年均氣溫4.7～8.3℃，年降水量251.7～580.0 mm，降水主要集中在5—9月，形成極為明顯的干、濕兩季。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源

采用的數據主要源于西藏統計年鑒(1989—2014年)[19]、拉薩市統計年鑒(2006—2014年)[20]、日喀則市統計年鑒(2008、2010年)[21]以及西藏自治區政府部門公開信息及年度報告，還有部分數據根據土地利用數據和統計數據計算合成。

2 研究方法

2.1 耕地生態安全的PSR指標體系構建

PSR模型是聯合國經濟合作和開發組織與聯合國規劃署共同組織發起的一項反映可持續發展機理的理論框架[22-23]。該模型以因果關系為基礎，強調壓力-狀態-響應的邏輯思維過程，人類活動消耗資源，對自然系統造成威脅，形成了“壓力”，在這段時期內自然界所表現出來的生態狀況，稱為“狀態”，“響應”則是社會通過人類意識和活動制定環境、經濟、土地政策或措施進而減緩人類活動對環境的壓力的行為。“壓力”是“狀態”發生的原因，也是“響應”的結果。在對耕地生態安全評價的過程中，該模型同時考慮了一定時期內農業活動對耕地生態安全的破壞程度和保護行為，能夠較科學、全面地評估地區的耕地生態安全狀況。因此，本研究從PSR模型出發，綜合考量“一江兩河”地區生態安全的自然環境特征和潛在的人類干擾因素，按照科學性、核心性、可操作性以及動態性原則，借鑒國內相關研究成果，重點選取13項農業活動相關指標，構建研究區域耕地生態安全評價指標體系(表1)。

表1 耕地生態安全評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of cultivated land ecological security

2.2 耕地生態安全評價方法

2.2.1指標權重確定

為避免人為主觀因素的誤差[24]，采用熵權法確定各指標權重，假設評價對象有n個評價系統，m個評價指標，n代表時間特征中的評價年份或空間特征中的評價對象。事實上,在分析18個縣耕地生態安全演變的時間規律時，各縣之間是獨立的個體，對比標準為每個縣自身的生態安全狀況，權重根據指標的長時間序列確定。而在分析耕地生態安全的空間特征時，比較標準為“一江兩河”地區整體水平，探究是否存在某個縣的耕地生態安全水平落后，此時權重由典型年下18個縣的統計數據確定。評價體系原始數據矩陣可表示為X={xji}n×m(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)，xji表示第j個系統第i個指標值。具體步驟如下：由于熵值法運用了對數和熵的概念，需要對初始數據進行標準化處理，按照評價指標性質，分別采用正向和負向極值法對指標進行標準化處理，構成標準化指標矩陣Y={yji}n×m(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)，yji表示第j個系統第i個標準化指標值，之后計算各指標的信息熵Ei，即

(1)

其中

確定各指標的權重wi為

(2)

2.2.2評價指標關聯度確定

物元可拓法是可拓性的定性分析與關聯函數的定量計算相結合的研究方法，用于解決不相容的復雜問題，適合于多因子的綜合評價[25-26]。耕地生態安全評價具有動態性和模糊性，涉及的指標較多，單項指標評價結果具有不相容性，同時生態安全的優劣沒有明確界限，因此可利用物元分析法構建生態安全評價模型，計算步驟為：

(1)確定耕地生態安全物元

物元分析中所描述的對象N及其特征向量C和特征量值V共同構成耕地生態安全物元R=(N,C,V)。假設“一江兩河”耕地生態安全對象N有多個特征，則它以m個特征c1,c2,…,cm和相應的量值v1,v2,…,vm描述。表示為

(3)

(2)確定經典域和節域

經典域物元矩陣可表示為

Roh=(Noh,C,voh)=

(4)

式中Roh——構建的經典域物元

Noh——耕地生態安全的第h個評價等級(h=1,2,…,k)

〈aohi,bohi〉——經典域物元對應第i個特征向量第h個評價等級的量值區間范圍

耕地生態安全的節域物元矩陣表示為

(5)

式中Rp——節域物元

〈api,bpi〉——節域物元對應特征向量的量值區間范圍，〈api,bpi〉屬于〈aohi,bohi〉

Np——耕地生態安全評價全部的等級

(3)確定關聯函數及關聯度

任意一點yi(特征向量ci的量值)到經典域區間Yohi、節域區間Ypi的距離分別為

(6)

則耕地生態安全評價第i個指標相應于第h個評價等級的關聯函數Kh(yi)定義為

(7)

式中yi——耕地生態安全物元的量值

Yohi——經典域物元的第i個評價指標第h個評價等級所對應的量值范圍

Ypi——節域物元第i個指標的量值范圍

若Khmax(yi)=maxKh(yi)(h=1,2,…,k)，則評價對象N關于指標i的評價等級為h級。

(4)確定耕地生態安全等級的綜合關聯度

生態安全評價對象N關于第h評價等級的綜合關聯度為

(8)

若Khmax=maxKh(h=1,2,…,k),則評價對象N的耕地生態安全評價等級即為h級。

關聯函數表示待評對象隸屬于耕地生態安全水平某一等級的程度，Kh(yi)越大，表示該指標或者評價對象在該等級中穩定性越強。相反若Kh(yi)越小，則說明該指標或者評價對象向其他等級轉化的趨勢越強。

2.3 耕地生態安全障礙因子診斷模型

識別并分析不同區域影響耕地生態安全的障礙因子，是制定針對性生態安全調控策略的重要依據。引入因子貢獻度、指標偏離度以及指標障礙度3個基本變量，對耕地生態安全障礙因子作進一步診斷，計算公式為

(9)

式中Oji——第j個系統第i項指標的障礙度，即單項要素對耕地生態安全的影響值，其數值可以確定影響耕地生態安全的主要因素及影響程度

Fji——第j個系統第i項指標偏離度，指單項指標評估值與最優目標值的差距，可以用1與標準化指標值yji的差表示

Iji——第j個系統第i項指標的貢獻度，可直接用各項指標權重wi表示

3 結果與分析

3.1 農業開發強度動態變化

耕地面積、化肥施用量、農藥施用量以及糧食產量是反映農業開發程度最為直接的指標，為了解“一江兩河”地區農業發展歷程，分析了拉薩市、山南地區以及日喀則地區這4個指標的動態變化(圖2)。拉薩市耕地面積總體呈現階梯式下降但幅度不大, 日喀則地區耕地面積呈現明顯的階梯式上升，山南地區耕地面積基本無變化。拉薩市、山南地區以及日喀則地區的化肥、農藥施用量均明顯增加。拉薩市2009年左右化肥施用量出現增長拐點，僅5年時間化肥施用量增長近一倍。日喀則地區的化肥施用量呈現持續的翻倍增長，在耕地面積只增加15%的情況下，化肥施用量增加了300%。山南地區是“一江兩河”地區化肥施用量增長最緩慢的地區。

圖2 “一江兩河”地區耕地面積、化肥、農藥以及糧食產量動態變化曲線Fig.2 Dynamic changes of cultivated land area, chemical fertilizer, pesticide and grain yield in “one river and two tributaries” area

“一江兩河”地區農藥施用量波動較大。由于個別年份數據缺失，只展示1995年以來農藥施用量的變化情況。日喀則地區的農藥施用量在2006年左右發生突變，農藥用量增長速率約為37.43 t/a。與化肥施用量相比，拉薩市的農藥施用量總體上增長較為緩慢，但波動較大。山南地區農藥施用量呈現明顯的下降趨勢。“一江兩河”地區糧食產量變化趨勢較為一致，總體上分為兩個階段，分別為1988—2000年穩定上升階段以及2000—2014年平穩階段。可見1990—2000年這10年是“一江兩河”地區農業發展的黃金時期，糧食產量翻倍增加，參考化肥、農藥施用量的變化趨勢，可初步認為該時期化肥、農藥的增加主要產生正效應，有助于糧食增產。但在2000年以后，糧食產量趨于平穩，但化肥、農藥施用量反而呈現增加趨勢。在此階段，化肥、農藥的過量施用給生態安全帶來巨大的隱患。盡管青藏高原用于農業生產的土地范圍較小，但由于其生態環境的脆弱性與特殊的生態地位，其對生態安全的危害不容忽視。

3.2 耕地生態安全演化的時空格局

3.2.1耕地生態安全評價指標分級標準

由于耕地生態安全評價具有可拓性，將耕地生態安全的程度描述為5個等級：優秀、良好、中等、較差、差。本研究確定的耕地生態安全評價的經典域完全依據國家各行業規范及標準、地區發展規劃綱要、公報以及國內學者對相關內容的研究成果，確保每個指標經典域的確定有理可依、有據可循，因地制宜、綜合考量各指標的分級標準，保證各經典域的代表性。此外，為保證分級標準的合理性，同時參考了2014、2015年度西藏自治區生態縣名單，以這兩年生態縣的各項指標值衡量分級標準的可靠性，建立的耕地生態安全評價的物元經典域、節域范圍如表2所示。

人均耕地面積(C1)指標的分級標準參考聯合國糧農組織0.053 hm2警戒線的標準，以及全國人均耕地面積平均水平0.091 hm2，并結合擺萬奇等[27]以及王西琴等[28]對人均耕地面積的等級劃分。單位面積農業機械總動力(C2)指標經典域依據蔣和平等[29]劃分的標準值范圍、“國家現代農業示范區建設規劃(2015—2020年)”中農業機械化標準以及國內農機裝備較高水平。單位面積氮肥、磷肥、鉀肥施用量(C3～C5)經典域的確定參考劉欽普[30]及王激清等[31]相關結論。單位面積農藥施用量(C6)指標的分級標準參考《西藏自治區“十三五”時期國民經濟和社會發展規劃綱要》、《生態縣、生態市、生態省建設指標》以及《水生態文明城市建設評價導則》。單位面積塑料薄膜使用量(C7)指標的分級標準主要參考2014年度及2015年度生態縣林芝縣、工布江達縣、米林縣以及朗縣的農用塑料薄膜使用量以及全自治區薄膜使用量情況。農村居民人均純收入(C8)指標經典域的確定參考《生態縣、生態市、生態省建設指標》以及陸華東[32]指出的西藏自治區新世紀扶貧指標標準，為消除通貨膨脹對人均收入的影響，各年份的收入均通過通貨膨脹率換算而得。單位面積糧食產量(C9)指標經典域的確定依據《西藏自治區“十三五”時期國民經濟和社會發展規劃綱要》以及劉景輝等[33]指出的全國縣級農業綜合開發后備土地資源調查中對高、中、低產田的標準。歸一化植被指數(C10)指標的分級標準參考研究中常用的NDVI劃分[34]。水功能區水質達標率(C11)指標根據《生態縣、生態市、生態省建設指標》中相應標準劃分。有效灌溉面積比重(C12)指標根據《西藏自治區“十三五”時期國民經濟和社會發展規劃綱要》以及蔣和平等[29]提出的范圍確定。旱澇保收面積比重(C13)指標根據《西藏自治區“十三五”時期國民經濟和社會發展規劃綱要》以及中國國情領導決策數據分析中心的全國旱澇保收耕地比重僅為34.5%確定。

表2 耕地生態安全評價指標經典域、節域范圍Tab.2 Classical domain scale and section domain scale of cultivated land ecological security evaluation index

3.2.2耕地生態安全時間特征

以“一江兩河”地區各縣為單位，分別探究每個縣從1985—2013年耕地生態安全的變化。由于篇幅有限，不一一列舉18個縣的計算結果，僅以2013年拉薩市墨竹工卡縣為例敘述耕地生態安全評價過程。根據2013年墨竹工卡縣耕地生態安全指標體系的量值，得到每個指標關于每個等級的關聯度(表3)，并根據求得的關聯度判定各年份每個指標所處的評價等級。以墨竹工卡縣人均耕地面積(C1)為例，計算求得C1的K1～K5分別為-0.015、-0.002、0.004、-0.019、-0.028，其中K3取值最大，可判定2013年C1處于Ⅲ等級，即中等水平。同理可以判定出其他指標所處的水平。結合耕地生態安全評價指標權重和相應的耕地生態安全指標關聯度得到耕地生態安全評價指標綜合關聯度，進而可判定耕地生態安全評價指標的壓力關聯度、狀態關聯度、響應關聯度以及綜合關聯度所處的等級(表3)。由表3可以看出，2013年拉薩市墨竹工卡縣壓力水平處于Ⅳ較差等級，狀態水平處于Ⅰ優秀等級，響應水平處于Ⅳ較差等級，最終耕地生態安全評價處于Ⅳ較差等級。結果表明，耕地面積、農業機械、化肥、農藥和塑料薄膜的使用對耕地生態安全帶來了較大的負荷，而同時人類社會對生態環境保護的能力還不夠，但是由于生態環境本身具有一定的承載力，糧食產量、植被以及水質尚處于優秀水平，但從整體來看，綜合3方面的影響，耕地生態安全的水平仍舊處于較差水平，耕地生態環境承載的負荷大，人類的監管力度也應有進一步的提高。

表3 2013年墨竹工卡縣耕地生態安全評價指標關聯度Tab.3 Degree of association for evaluation index of cultivated land ecological security in Maizhokunggar County

圖3為18個縣域耕地生態安全演變的時間特征。城關區耕地生態安全變化波動性較大，2006—2007年生態安全等級為“差”，2008—2013年期間生態安全水平有提高的跡象。林周縣、尼木縣、達孜縣以及墨竹工卡縣1985—2010年生態安全等級基本為“優秀”或“良好”，進入2010年后耕地生態安全出現惡化，尤其墨竹工卡縣耕地生態安全等級為“差”。堆龍德慶縣在20世紀90年代就出現了生態安全“差”的情況，且在2010—2013年表現出生態安全逐漸惡化的趨勢，安全等級由“優秀”向“中等”、“較差”演變。類似地，曲水縣在2010—2013年連續4年生態安全等級為“中等”水平。除日喀則市區以外，日喀則地區耕地生態安全等級基本為“優秀”，盡管有個別年份如南木林縣2009年、白朗縣2003年出現生態安全水平“較差”的情況。日喀則市區生態安全等級的變化大體分為3個階段，20世紀以前生態安全為“優秀”，步入20世紀后，到2008年，生態安全持續“差”，2009年以后生態安全轉為“優秀”。山南地區總體來看生態安全最為優秀，除貢嘎縣在2004—2005年及2008—2009年出現生態安全“差”的情況，其余各縣自20世紀80年代以來，生態安全始終保持優秀，農業開發對耕地生態安全的影響較小。總體來看， 20世紀以前，各縣耕地生態安全基本處于“優秀”水平，而2005年以后，即經歷農業開發時期后，各縣耕地生態安全等級下降，主要呈現“中等”水平。相比較而言，“一江兩河”日喀則地區、山南地區各縣域生態安全基本能保持較好的狀態，農業活動對耕地生態安全的影響較小。但在拉薩市各縣，由于農業活動增強，耕地生態安全水平呈現下降趨勢。

圖3 “一江兩河”地區農業開發對耕地生態安全的影響Fig.3 Impact of agricultural development on ecological security of cultivated land in “one river and two tributaries” area

3.2.3耕地生態安全空間特征

由于“一江兩河”地區2005年后耕地生態安全等級明顯下降，因此選取2004、2010、2013年作為典型年，對比分析不同典型年下，各縣域之間的生態安全水平差異。圖4為各典型年內18個縣耕地生態安全的空間分異性，采用自然間斷點分級法對綜合關聯度進行分類，綜合關聯度指數越小說明該縣生態安全問題更突出，耕地生態安全發展不協調。可以看出，較“一江兩河”地區整體水平來看，2004年貢嘎縣，2010年曲水縣、尼木縣、城關區、達孜縣、林周縣，以及2013年堆龍德慶縣、林周縣和墨竹工卡縣農業開發對耕地生態安全問題的危害更大，農業活動和生態保護的協調一致性有待提高。整體來看，2004年“一江兩河”地區整體的耕地生態安全水平較為一致，未出現明顯的參差不齊情況。2010、2013年拉薩市各縣的耕地生態安全水平較為落后。在不同典型年下，耕地生態安全水平處于落后的縣域不同，說明各個縣的生態安全水平波動較大，政府仍應該加強統一監管力度，保證“一江兩河”農耕區的協調穩定發展。

圖4 “一江兩河”地區各縣生態安全綜合關聯度指數Fig.4 Comprehensive correlation index of ecological security in “one river and two rivers” area

3.3 耕地生態安全障礙度診斷

由表4可知，“一江兩河”地區各縣域的障礙因子具有區域相似性和明顯的空間異質性。在拉薩市，單位面積氮肥施用量C3、單位面積磷肥施用量C4、以及單位面積農業機械總動力C2這3個指標對各縣耕地生態安全影響的障礙度普遍排序靠前，表明拉薩市各縣都承受化肥施用量高的壓力，外加農業機械化水平不高而限制了耕地生態安全。指標如單位面積鉀肥施用量C5、單位面積農藥施用量C6只在拉薩市個別縣存在障礙，說明這2項因子對耕地生態安全的影響微弱，而其他障礙度較小的指標對耕地生態安全的影響基本可以忽略。類似地，日喀則地區各縣的耕地生態安全受單位面積鉀肥施用量C5、人均耕地面積C1以及單位面積磷肥施用量C4的影響較大，個別縣也受到單位面積農藥施用量C6、有效灌溉面積比重C12以及旱澇保收面積比重C13這3個指標的影響。山南地區各縣的耕地生態安全主要受到單位面積農藥施用量C6、單位面積鉀肥施用量C5以及單位面積塑料薄膜使用量C7這3個指標的限制，單位面積氮肥施用量C3以及單位面積磷肥施用量C4僅在個別縣域存在限制性。此外，相似性也表現在“一江兩河”地區的耕地生態安全普遍與各種類化肥施用量相關，不同成分的化肥施用量的障礙度較高。其他指標如水功能區水質達標率C11均未對耕地生態安全產生限制。而異質性一方面表現在剩余指標在各縣(市、區)發生障礙的作用有所差異，即不同的縣域的障礙因子不完全相同，另一方面也表現在拉薩市、日喀則地區以及山南地區3個地區的障礙因子的差異性。如單位面積塑料薄膜使用量C7僅在山南地區對耕地生態安全發生障礙作用，事實上，山南地區設施農業發展較快，塑料薄膜施用量較大，因此對耕地生態安全的影響更為顯著。此外，從PSR模型角度可以看出，障礙度較高的因子基本為壓力指標，個別縣域的障礙因子來源于響應指標，而狀態指標對耕地生態安全的影響較為微弱，說明政府對當地耕地生態安全的保護從源頭采取措施將更為有效。

表4 “一江兩河”地區耕地生態安全障礙診斷結果Tab.4 Diagnosis of ecological security barriers of cultivated land in “one river and two tributaries” area

4 結論

(1)西藏“一江兩河”地區農業活動強度較大，受耕地資源限制，為滿足糧食生產需求，化肥施用量大幅增加，農藥施用量年際波動較大，給生態安全帶來隱患。

(2)20世紀以前，各縣耕地生態安全基本處于“優秀”水平；2000—2010年，各縣耕地生態安全等級下降，逐步向“差”轉化；2010年以后，耕地生態安全有改善趨勢，逐漸恢復為“優秀”或“良好”。

(3)西藏“一江兩河”地區整體的耕地生態安全發展水平較為一致，僅個別縣域生態安全水平較為落后，政府仍需加強統一監管力度，保證“一江兩河”農耕區的協調穩定發展。

(4)區域耕地生態安全障礙因子具有相似性和差異性雙重特征。“一江兩河”地區的耕地生態安全主要與單位面積氮肥、磷肥施用量有關。拉薩市各縣的單位面積農業機械總動力、日喀則地區人均耕地面積以及山南地區單位面積塑料薄膜使用量也是限制耕地生態安全的主要因素。