耕地生態安全動態評價及障礙因子診斷
——以黃河下游沿黃縣區為例

韓 琭, 宋子言

(山東財經大學 公共管理學院, 山東 濟南 250014)

保障耕地數量和質量是國家糧食安全的根本，中國作為人口大國，耕地和種子是推動其糧食安全的關鍵要素，也是2021年確定的兩大重點。近年來，日益頻繁的人類活動，加重了對耕地廣度與深度的不合理利用，出現了耕地數量驟減、投入產出效率不高、生態環境惡化等一系列問題[1]。黃河下游是中國的糧產基地與生態屏障，在社會經濟與生態文明的頂層設計中具有重要地位[2]。但目前，黃河下游存在著資源約束與環境約束的雙重壓迫，在資源約束方面，黃河下游依靠13%的耕地資源和1.2%的水資源支撐著全中國近15%人口的糧食需求；在環境約束方面，大量農藥、化肥、地膜等投入帶來諸多環境污染問題。2020年國務院印發《關于防止耕地“非糧化”穩定糧食生產的意見》，文件提出不能簡單的以經濟效益決定耕地用途，必須科學合理利用耕地資源，防止其無序發展[3]。因此，在“十四五”期間如何有效診斷人為限制因素，提升黃河下游耕地生態安全等級，促進全流域糧食安全、經濟繁榮、人地和諧可持續成為亟待解決的課題。如何評價耕地生態安全是農學、土壤學和地理學關注的熱點，國內外學者對耕地生態安全評價的研究主要集中在以下方面： ①概念內涵。最初學者們[4]認為耕地生態安全是耕地生態系統自身處于健康且不被破壞的狀態，該定義更傾向于耕地生態系統自身的狀態。隨著學科發展，越來越多的學者[5-6]著眼于人地關系，認為耕地生態安全是保證耕地生態系統結構與功能不被損壞前提下，又能為人類可持續發展提供穩定的生態與物質服務。目前，更多文獻[7]基于人地協調視角，提出耕地生態安全是在自然系統、經濟系統、社會系統相互耦合的作用下，耕地生態系統結構與功能不被損壞前提下，并滿足人類可持續發展所需要的狀態。 ②指標體系。學者們嘗試從單一視角[8]向PSR(壓力—狀態—響應)[9-10]、DPSIR(驅動力—壓力—狀態—影響—響應)[11-12]、EES(經濟—環境—社會)等[13-14]綜合視角轉變，從經濟發展條件、人口、社會、資源環境等多維度構建評價指標體系。 ③評價方法。早期文獻[15]多以定性研究為主，為耕地生態安全評價提供理論基礎。當前，耕地生態安全評價多用定性與定量研究相結合的方法，且由靜態評價逐漸過渡到動態評價。常用的評價方法主要包括綜合指數法[16]、生態足跡模型[17]、投影尋蹤模型[18]、景觀生態模型等[19]。總體而言，現有文獻針對流域尺度耕地生態安全的文獻較少，尤其對黃河流域耕地生態安全的研究不多見。同時，黃河下游作為糧食主產區，雖耕地質量較高，但人地關系失調、農田面源污染突出等人為問題已經成為阻礙其社會經濟可持續發展的主要因素。鑒于此，本文以黃河流經下游沿黃49縣區為研究對象，基于PSR(壓力—狀態—響應)模型建立指標體系，根據物元可拓模型、馬爾科夫鏈模型等方法，對黃河流域下游2000—2018年耕地生態安全進行動態評價，并診斷其人為障礙因子，旨在發現人類不合理行為對下游耕地生態安全造成的危害，為黃河下游生態保護和高質量發展提供科學依據。

1 研究區概況

黃河下游從河南鄭州市桃花峪開始劃分到山東墾利區注入渤海，考慮到河南省布局規劃的完整性，故將黃河中游的三門峽市、洛陽市、濟源市三市的沿黃縣區一同列為研究對象。因此，本文選取黃河下游(山東省、河南省)直接流經的49個縣區為研究區域，原因是黃河下游雖作為黃河流域最發達區域，但受制于人口密度較大、長期不合理土地資源開發與利用、水土侵蝕等問題，耕地生態系統受到較大威脅。研究尺度為縣域尺度更符合耕地的特性，將生態宏觀問題寓于微觀角度加以剖析，則更能刻畫黃河流域與流經縣區耕地生態安全的相互影響關系，以探究應對生態問題的提升路徑。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文選取2000，2005，2010，2015和2018年作為研究時間點，與國民經濟五年規劃相結合。本文使用的數據均來自2001，2006，2011，2016和2019年《山東統計年鑒》《河南統計年鑒》《中國縣域統計年鑒》以及各地級市統計局官方網站，部分縣區耕地數據來自縣區《土地利用總體規劃》，土壤數據來自耕地質量等別數據庫，針對個別縣區數據缺失問題，采用相鄰年份數據代替。

2.2 研究方法

2.2.1 數據標準化處理 因文中各指標單位之間存在差異，故須為原始數據做標準化處理，運用極差法能減少各個指標中數量級間差異。指標分為正向、負向指標，其中正向指標表示隨著指標數值升高，耕地生態安全等級也隨之變高；負向指標表示隨著指標數值的降低，耕地生態安全等級同樣變高。

2.2.2 指標權重確定 相較于主觀賦權法，客觀性更強的熵權法是依據各項指標的變異等級確定其指標權數，其中信息熵能準確地反映出指標的信息量，能夠更科學合理地解釋所得到的結果。因此，本文采用該方法[13,16]對耕地生態安全各項指標進行賦權，具體權重結果詳見表1。

2.2.3 模型構建 物元模型將評價對象不相容的矛盾問題轉為相容問題，在對整體對象進行評價的同時又能對各個指標進行分異，對于受自然、經濟、社會等多要素指標影響的耕地生態安全評價具有較強的客觀性與可適性。

(1) 確立耕地生態安全物元。耕地生態安全物元R=(N，c，v)，其中N為描述的對象，即耕地生態安全評價；c為特征向量，即耕地生態安全評價的各個指標 ；v為特征量值，即各個評價指標的實際數值。

(1)

(2) 確立經典域和節域物元。

(2)

(3)

式中：Ror為耕地生態安全的經典域物元；Nor為第r個評價等級；Cn為第n個評價指標； 為關于評價指標Cn對應等級r的取值范圍；Rp為節域物元； 為評價指標Cn的總取值范圍。

(3) 確立關聯函數和關聯度。

(4)

其中：

(5)

式中：ρ(x,X0)為點x與對應的評價指標的有限區間即Xo=[a,b]的距離；ρ(x,X0)為點x與對應的評價指標節域的有限區間即Xp=[a,b]的距離；x為待評價物元的取值；X0為經典物元取值范圍；Xp為節域物元取值范圍。

(4) 確立綜合關聯度和評價等級。

(6)

式中：Kr(Nx)為耕地生態安全關于等級r的綜合關聯度;Wj為耕地生態安全各項指標的權重;Kr(xj)為單項指標關于等級r的關聯度。

0≤K(x)<1，表示評價對象符合評價等級，數值越大則表明對應的評價等級越穩定 ；-1≤K(x)≤0，表示評價對象不完全符合評價等級，但是具備向評價等級轉變的條件，同時，隨著數值的增大，轉化可能性也增大； 若K(x)<-1，表示評價對象不符合標準等級要求。確定評價指標最終屬于哪個等級采取最大值標準，即Krj=max[Kr(xj)]，則表示各評價指標等級為r級；Krx=max[Kr(Nj)]，則表示評價事物Nx等級為r級。

2.2.4 馬爾科夫鏈 耕地生態安全等級之間會相互轉化，耕地生態安全格局的動態變化符合馬爾科夫過程，能夠有效的反映等級的變化過程[20-21]。具體為：

(7)

2.2.5 障礙因子診斷 障礙度模型作為診斷區域生態安全的重要方法，已在諸多領域得到應用[22-24]。障礙度模型包括因子貢獻度(Rj)、指標偏離度(Ptj)、障礙度(Mtj)3個指標。

(8)

式中：Mtj為第j項指標對第i年耕地生態安全的障礙度；Rj為各項指標的權重；Ptj=1-ytj表示指標與發展目標之間的偏差；ytj為各指標的標準化值。

2.2.6 指標體系構建 基于已有研究，本文將耕地生態安全定義為當耕地資源所處的生態環境處于不被損害的健康狀態下，耕地生態系統既可以維持自身功能結構正常運行，又可以滿足人類社會經濟可持續發展的需求。PSR模型以因果關系為基礎，能夠客觀說明經濟社會發展與生態環境之間的協調程度，為耕地生態安全評價提供了理論基礎。文中在參考已有文獻的基礎上[8,10-14,20-21,25-26]，從社會—經濟—自然3方面出發，遵循科學性與代表性原則，根據黃河下游耕地的實際情況，重點選取19個指標建立耕地生態安全指標體系(表1)。 ①壓力層反映了人口增長、社會經濟發展對耕地生態系統造成較好與較壞的影響。人口自然增長率與人口密度表示人口對耕地生態系統施加的負荷，兩者的數值越高，耕地生態安全壓力越大；單位耕地面積地膜、化肥、農藥使用量指在糧食生產過程中耕地生態系統內部遭到的破壞，三者是土壤有機質流失、重金屬增加、酸化的重要原因；人均GDP和城鎮化率表征經濟高速發展對耕地生態系統帶來的影響。 ②狀態層反映了耕地生態系統目前所處的狀態。人均耕地面積與耕地面積比重反映了耕地資源被建設用地占用、撂荒的狀況，突出了其稀缺程度；單位耕地面積糧產量代表了糧食保障供給能力以及糧食數量安全程度；農民人均可支配收入表示了農民的耕地生產收益；土壤容重、pH值、有機質含量反映了耕地質量的自然屬性。 ③響應層反映了人類根據耕地生態系統目前的壓力與狀態所做出的舉措。水土協調度表示水利基礎設施建設對耕地旱情的緩解程度；耕地旱澇保收率突出了政府對耕地旱澇災害的治理力度；單位耕地農業機械化水平表示了農業生產條件和技術水平對耕地生態系統的影響，其農業技術水平越高，對耕地生態系統的損害越小；農業從業人員投入反映了高素質農業技術人員對耕地生態系統的提升作用；第一產業占GDP比重反映了耕地資源受第二、三產業的驅動變化情況。

表1 耕地生態安全評價指標體系

2.2.7 耕地生態安全經典域和節域物元的確定 根據耕地生態安全的可拓性，將其劃分為安全(Ⅰ級)、較安全(Ⅱ級)、臨界安全(Ⅲ級)、較不安全(Ⅳ級)、不安全(Ⅴ級)。

經典域的范圍確定一般要參考相關國際或國家的行業標準，但目前對耕地生態安全評價指標沒有統一的參考標準，因此本文主要依據《河南省省級生態縣建設指標》《山東省省級生態文明建設示范區指標》、現有研究成果[8,12-14,25-28]來確定經典域與節域，具體標準詳見表2。

表2 耕地生態安全評價指標經典域與節域取值范圍

3 結果與分析

3.1 黃河下游耕地生態安全等級時間變化

將指標數據輸入公式(4)，得到各個指標的關聯度，再將各指標關聯度和權重輸入公式(5)，計算出2000—2018年黃河下游沿黃縣區耕地生態安全的評價等級(表3)。整體而言，2000—2018年黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級從Ⅳ級向Ⅰ級轉變，耕地生態安全等級持上升趨勢。其中，2000與2005年黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級為Ⅳ級，2000年綜合關聯度在[-1,0]之間，屬于不穩定的Ⅳ級；2005年的綜合和關聯度在[0,1]之間，屬于穩定的Ⅳ級，耕地生態安全等級有所改善。2010年耕地生態等級躍升到Ⅱ級，這是因為該年是“十一五規劃”的收官之年，各縣區在政策驅動下更好地貫徹了國家提出的耕地紅線、倡導生態文明建設等一系列政策和建議，為其耕地生態安全等級提升起到了積極影響。2015與2018年的安全等級均為Ⅰ級，并且Kj(N2018)>Kj(N2015)，說明與Ⅰ級的綜合關聯不斷提高，這是由于“十三五”規劃明確提出要從根本解決生態環境污染、耕地土壤退化等問題，凸顯了農業綠色發展的重要性，耕地生態安全持續向安全轉化。雖然2000—2018年黃河下游沿黃縣區總體耕地生態安全等級不斷提高，但數值仍在[-1,0]之間，安全等級不夠穩定，有等級下滑的風險。

表3 黃河下游耕地生態安全整體評價結果

以黃河下游沿黃各縣區為單位，將各縣區指標數據帶入上述公式得到黃河下游沿黃各縣區耕地生態安全綜合關聯度，詳見表4。結果表明，2000—2018年處于Ⅴ等級和Ⅳ等級的縣區不斷減少，處于Ⅲ等級和Ⅰ等級的縣區不斷增加，處于Ⅱ等級的縣區先增加后減少，高等級耕地生態安全縣區數量不斷增加，低等級耕地生態安全縣區數量不斷減少，呈不斷改善的趨勢。

表4 各縣區耕地生態安等級分布

3.2 黃河下游耕地生態安全等級空間變化

3.2.1 耕地生態安全空間格局變化 利用GIS可視化分析，得到2000—2018年黃河下游沿黃各縣區耕地生態安全等級分布圖(圖1)。整體看來，2000—2018年黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級在空間上呈現出東北—西南高，中部低的分布格局，安全等級較高縣區集中在濟南、東營、三門峽、開封市的縣區，等級較低縣區集中在菏澤、濱州、濮陽、洛陽等縣區，呈現由發達縣區向較不發達縣區擴展的梯度等級分布特征。其中，2000年耕地生態安全為Ⅳ級的縣區占比較大，且遍布全域；2005年Ⅱ與Ⅲ等級縣區小幅度增加，主要位于黃河下游中部的開封市(開封縣、龍亭區)以及東部的濟南市(槐蔭區、長清區等)、東營市(河口區)，其耕地生態安全等級有所提升；2010年黃河下游沿黃縣區等級較高區域由2005年的東北部向東北—西南部方向發展；2015—2018年，Ⅳ等級縣區不斷減少，等級較高區域穩定在東北—西南部區域，多數縣區從Ⅳ級轉化到Ⅲ級和Ⅰ級。總體而言，黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級呈逐漸改善趨勢，但其等級提升速度不一致，如東營區、天橋區、東阿縣、惠濟區、蘭考縣等提升較快；東平縣、惠民縣、中牟縣、濮陽縣等提升較慢，各縣區耕地生態安全等級仍有較大的提升空間。

圖1 黃河下游沿黃縣區2000-2018年耕地生態安全等級空間格局變化

3.2.2 空間轉移特征 運用傳統Markov鏈模型構建黃河下游沿黃縣區2000—2005年，2005—2010年，2010—2015年，2015—2018年耕地生態安全Markov概率轉移矩陣，將各縣區在5個時間斷點的耕地生態安全等級從不安全到安全，分成5個等級類型(表5)，對角線位置的數據代表各縣區耕地生態安全等級不發生轉移的可能性，非對角線位置上的數據代表各縣區耕地生態安全等級發生轉移的可能性[20]。

表5 黃河下游沿黃縣區2000-2018年耕地生態安全等級轉移概率矩陣

2000—2005年，對角線上的數據并非完全大于非對角線上的數據，這表明各縣區耕地生態安全等級并不穩定；Ⅴ級向Ⅳ級、Ⅱ級轉移的概率分別為0.833和0.166 7，Ⅳ級向Ⅲ級、Ⅱ級轉移概率分別為0.158和0.026，表明黃河下游沿黃各縣區耕地生態安全等級呈跳躍式發展，即有跨等級轉移概率發生。2005—2010年，對角線位置上的數據均大于非對角線位置上的數據，Ⅳ級不發生轉移的概率較之前下降0.21，Ⅲ級不發生轉移的概率增加0.09，Ⅴ級、Ⅱ級、Ⅰ級不發生轉移概率不變，各縣區耕地生態安全等級保持一致概率減少，且Ⅳ級與Ⅲ級跨等級轉移概率增加，表明各縣區耕地生態安全等級流動性加強，持續性減弱，耕地生態安全等級空間差異增大。2010—2015年，對角線位置上的數據未全部大于非對角線位置上的數據，Ⅳ級、Ⅱ級不發生轉移的概率相較于之前分別下降0.165和0.228，Ⅳ級向Ⅲ級、Ⅰ級轉移概率增加，Ⅱ級向下轉移概率同樣增加，表明各縣區之間的等級轉移更加頻繁，耕地生態安全等級趨向不穩定狀態，其空間差異進一步增大。2015—2018年，雖對角線上的數據未全部大于非對角線上的數據，但各個等級同水平轉移概率較之前都有所增加。各縣區耕地生態安全等級保持不變概率增大，Ⅳ級、Ⅲ級向上移動概率減少，Ⅰ級向下移動概率減少，各安全等級在縣區之間轉換減弱，持續性增強，耕地生態安全等級空間差異縮小。

3.3 耕地生態安全障礙因子診斷

黃河下游作為中國重要糧產基地，耕地質量水平較高，但由于人類不恰當的行為導致其生態系統不斷遭到破壞，因此診斷黃河下游耕地生態安全的人為障礙因子是十分必要的。本文篩選出障礙度位于前5的指標作為主要人為障礙因子，選取C1—C11，C15—C19共16個人為因素指標進行障礙度計算(表6)，以期對提高黃河下游耕地生態安全等級提出準確有效的政策建議。由表6可知，阻礙黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級的前3人為障礙因子在20 a內基本一致，從強到弱依次為人均耕地面積(C8)、人口密度(C3)、單位耕地面積化肥使用量(C5)。山東、河南省人口密度在2000—2018年呈不斷上升趨勢，人口密度的增高導致與人類密切相關的用地需求也不斷升高，使得商業區、城鎮住宅區、農村居民點范圍不斷外延，耕地資源面臨較大的占有壓力，人地關系矛盾凸顯，耕地承載力超載。同時，黃河下游沿黃縣區農業發展極度依賴水源，高密度人口使各縣區在耕地灌溉方面加劇了對黃河水的利用強度，造成水資源短缺與污染，破壞了耕地生態系統穩定性。據年鑒數據統計，黃河下游沿黃49縣區單位耕地面積化肥使用量在2000，2010和2018年的均值使用量分別為637，671，684 kg/hm2。化肥使用量的增加雖減少了農作物蟲害出現的概率，但會使土壤金屬成分增加，造成土壤板結化，這加大了耕地生態系統惡化的風險性。其他主要人為障礙因子如單位耕地農藥使用量(C6)、水土協調度(C15)的障礙度近幾年呈下降趨勢；第一產業占GDP比重(C19)、農業從業人員投入(C18)的障礙度近幾年呈上升趨勢，對耕地生態安全等級的提升也會產生不同程度的制約作用。其中，農業從業人員投入(C18)障礙度較高的區域集中在濱州、菏澤、焦作市的縣區，其原因是該3市縣區的就業環境與社會服務環境相較于山東與河南的其他區域稍顯匱乏，人才流失失嚴重。此外，從事農業的人員年齡偏大且專業素質較低，人才數量與質量的不足制約著其農業的可持續發展。第一產業占GDP比重(C19)障礙度較高的區域集中在濟南、鄭州、洛陽和新鄉市的縣區。其中，2000年以來隨著城鎮化的迅速發展，眾多的項目涌入濟南市促使其產業結構轉變與升級，城市空間的快速膨脹，基礎設施不斷完備，第二、三產業值在研究期內分別擴大了8與11倍，導致建設用地規模需求增大，加劇了對耕地的占用；河南段沿黃縣區是能源產業集聚地帶，其二、三產業較多，尤其是鄭州、洛陽、新鄉作為中原重要核心城市，其沿黃縣區建設用地和工業用地需求持續增加，使耕地生態等級變化受二、三產業占比驅動較強。

表6 黃河下游沿黃縣區耕地生態安全障礙因子、障礙度排序

4 結論與政策建議

4.1 結 論

(1) 時間變化上，2000—2018年黃河下游沿黃縣區耕地生態安全等級整體呈上升趨勢，由Ⅳ級提升到Ⅰ級，其中2010年后變化尤為明顯。各縣區耕地生態安全等級逐步提升，處于Ⅴ等級和Ⅳ等級的縣區不斷減少，Ⅲ等級和Ⅰ等級的縣區不斷增加。

(2) 空間變化上，2000—2018年各縣區耕地生態安全等級由不穩定狀態向穩定狀態過渡，在空間上呈現由東北部高，中西部低向東北—西南部高，中部低轉變的特征，且空間差異持續減小。

(3) 通過障礙因子診斷可知，黃河下游沿黃縣區的前3人為障礙因子近20 a基本一致，依次是人均耕地面積、人口密度、單位耕地面積化肥使用量。同時，第一產業占GDP比重、農業從業人員投入的障礙度近幾年呈上升趨勢，對耕地生態安全等級的提升也會產生不同程度的制約作用。

(4) 耕地生態安全評價是一項復雜的系統工程，科學建立經典域與節域是耕地生態安全評價的基礎根基，但目前對于經典域與節域的研究尚不完整，多數情況需要人為確定耕地生態安全閾值，存在一定主觀性。因此如何更準確的選取符合地區典型性的經典域與節域取值范圍，在今后有待進一步的改進與完善。

4.2 政策建議

(1) 壯大新型農業經營主體，推動糧食綠色生產。黃河下游各縣區農業發展仍以“小農經濟”為主，單一的小農戶很難在資源與環境約束雙重壓迫下做出低碳化、規模化、綠色化的糧食生產，導致其經營方式粗放、高碳，抵抗風險能力較差。因此，第一方面要壯大各種新型農業經營主體，新型農業經營主體更加注重糧食產業綠色低碳、生態高值農業等其他模式的發揮，以及發揮模范帶頭作用，引導小農采取節肥、節藥等親環境農業技術以及采用微生物肥料、生物農藥等新型綠色農資，從而改善各縣區的耕地生態安全狀況。第二方面是積極實行農業托管服務，通過農業托管組織規模化、專業化的特點，將低碳新技術、新方法融入到糧食生產過程中，實現“一控兩減三基本”的目標，促進農業生產與資源環境相互協調，提高農業生產綠色效率。

(2) 實施歸雁工程，提升耕地保護積極性。隨著城鄉二元體制的戶籍壁壘被逐漸打破，大量青壯年農民流入城市，農業空心化嚴重，導致農業從業人員投入在數量和活力方面較欠缺，側面限制了耕地生態安全等級的提升。為了有效應對農業從業人員不足問題，一是培育新型職業農民，將少數從城市回流到農村的青少年當作中國未來農業的主力軍。二是實施“歸雁工程”，吸引更多高素質人才回歸家鄉，同時各縣區積極搭建服務平臺為“歸雁工程”提供保障。三是實行多元主體農技推廣，在各縣區成立農技推廣機構等社會服務組織，既守護好“農業科技最后1公里”，又確保糧食安全底線不觸碰，充分調動農業人員的積極性，推動一群在農業、社會服務業領域的技術人員到農村進行創業。

(3) 構建智慧耕地平臺，從會種地到“慧”種地。如果能為糧食生產與耕地保護插上“互聯網”的翅膀，既可以減少勞動力投入，降低無用的成本約束；又提升了水資源、耕地資源等資源的利用效率，在破解當前黃河下游自然資源短缺、勞動力不足等問題時提供了一條全新的解決路徑。一是依托物聯網推動糧食生產與耕地保護的“智慧化”，打造農業無線管理系統、耕地保護監管系統、糧食育種信息系統，構建“天上看、地上巡、網上查”的整體互聯網體系，能夠幫助農民精準灌溉、施肥等精細化操作，從而有效節約水資源以及降低耕地面源污染，緩解黃河下游沿黃縣區的耕地生態安全壓力。二是實現云計算的信息共享，將黃河流域自然資源、市場供給、氣象變化等方面的信息收集起來，建立一個專門的信息共享數據庫平臺，通過網絡途徑傳遞給農戶以及新型農業經營主體，從而提高耕地利用效率以及綠色生產。