四川東部盆地區農業生態環境脆弱性評價

銀 盈，羅懷良,2，向珈瑤

(1.四川師范大學 地理與資源科學學院，四川 成都 610101;2.四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川 成都 610068)

1 引言

農業生態系統是一個受自然因素和人為因素共同影響的復雜動態系統，其關系著農業可持續發展。20世紀40年代以來，隨著我國社會經濟和工業技術的快速發展，資金、農藥、化肥和農業機械等農業投入快速增長，農業產量得到空前提高，與此同時農業生態系統也在不斷退化、脆弱性顯著增強；資源過度消耗，人地矛盾日益突出，耕地退化、水土流失、土地沙化等農業環境問題頻發。因此，研究農業生態脆弱性成為當前農業和農村發展勢態的迫切需求。

20世紀初，生態脆弱性的內涵便開始不斷發展和完善。一般認為生態脆弱性是生態系統本身固有的隱藏屬性，這種隱藏屬性是只有當生態系統受到外界干擾后才展現出來的一種敏感性和恢復到原狀態的能力[1，2]。生態脆弱性研究是針對生態系統偏離其原始狀態，并受到外界因素影響后難以恢復其原始狀態的研究[3]。2010年，IPCC在報告中指出生態脆弱性研究的基本內容包括系統對外界擾動的敏感性、系統變化的評估、變化對系統造成潛在影響的估測，以及系統對影響和變化的適應性評價等[4]。

目前，國內有關農業生態系統脆弱性的研究主要集中在農業干旱脆弱性[5，6，16，18]、農業洪澇災害脆弱性[9，10]、農業水資源脆弱性[12～14]及農業氣候脆弱性[15～17]。國內學者在指標體系的選擇和研究方法上也逐漸豐富。楊奇勇[5]在灰色關聯法和層次分析法等方法疊加分析的基礎上，評價了湖南農業水資源的脆弱性，為湖南省農業經濟中水資源的合理配置和可持續發展戰略的實施提供了針對性的建議。周松秀[18]從自然、社會、經濟三方面選取13個指標，利用層次分析法確定各指標權重，計算出以縣域為單位的農業生態脆弱性指數，并對湘中丘陵盆地區農業生態環境脆弱性強度和空間分布規律進行分析。夏興生等[19]從氣候條件、承載體、農業生產條件和社會經濟4個方面建立農業生態環境評價指標體系，綜合層次分析法和主成分分析法的各指標權重，最后利用綜合權重計算生態脆弱性指數。舒英格[20]基于灰色三角白化權集對分析(SPA)模型，從生態環境外在脆弱性方面選擇人口密度、人均耕地面積、人均造林面積等11個評價指標，利用熵權法計算指標權重，對喀斯特山區農業生態環境脆弱性進行評價。

2 研究區概況

四川東部盆地區，地跨東經102°07′～108°23′，北緯27°39′～33°03′。該區地貌以丘陵和盆地為主，兼有山地。涉及四川省17個市(成都市、自貢市、瀘州市、德陽市等)，其國土總面積達185740.9 km2，約占四川省總面積的1/3。該區現有總人口8368.9萬人，人口密度為451人/km2。現有耕地5957620 hm2，人均耕地0.0712 hm2。該區氣候為亞熱帶季風性濕潤氣候，熱量豐富，雨量充沛，氣溫日較差小，年較差大，年平均氣溫為17.6 ℃，年平均降水量為1243.7 mm。該區土壤主要有紅壤、黃壤、黃棕壤、石灰巖和紫色土。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。四川省東部盆地區農業自然條件優越，宜于農、林、牧、漁各業生產，是主要的水稻、油菜籽產區。2019年，四川省人均GDP達55774元，3次產業結構為1∶3.6∶5，其中第一產業占地區生產總值的10.3%，糧食總產量達3498.5萬t，農作物總播種面積達9692990 hm2。農村居民恩格爾系數為34.71%，農民生活水平處于相對富裕狀態。

3 研究方法和數據來源

3.1 研究方法

3.1.1 農業生態脆弱性多指標綜合評價法

本文通過多指標綜合評價法研究農業生態脆弱性，農業生態脆弱性指數(EVI)的計算公式如下：

(1)

式(1)中：EVI為農業生態脆弱性指數；n為指標數量；Xij為標準化后各指標值；Si為指標的綜合權重。

其中，綜合權重通過層次分析法的主觀權重和熵權法的客觀權重綜合計算。

3.1.1.1 農業生態脆弱性評價指標體系的構建

農業生態脆弱性是由多種因素共同決定的，本文在參考相關論文[18,19,21,28～30]的基礎上，結合四川省東部盆地區農業生產實際情況，分析影響四川省東部盆地區農業生態脆弱性的各項因素，遵循綜合性、可比性和可獲取性的原則，從自然環境、社會經濟、農業生產三方面選取15項指標構建四川省東部盆地區農業生態脆弱性評價指標體系(表1)。

表1 四川東部盆地區農業生態脆弱性評價指標體系

(1)自然環境因子。農業生態系統受到氣候、地形、土壤等諸多自然因子的影響，而四川省東部盆地的地形差異相對較小，因此本文在自然因子中主要選取氣候指標。良好的水熱條件有利于農作物生長，年降水量和年平均氣溫可反映區域的水熱組合狀況，但年降水量過多或過少會帶來洪澇和干旱，制約農業的發展，另外，四川省存在低溫危害，即溫度過低時制約農業的發展。年平均相對濕度可反映區域的干旱程度；年日照時數表征太陽全年輻射的小時數，用來反映農作物光合作用的強度。

(2)社會經濟因子。當人口壓力超過土地所能承受的有限值時，人地矛盾日益突出，耕地質量下降，農業生態脆弱性加強，但人口自然增長率過大或過小，都會影響農業的發展。人均GDP和農業占地區生產總值的比例與農民的生活質量水平成正比，恩格爾系數與其成反比，當農民的生活質量越高時，其對農業的投入越大，農業生態脆弱性也就越小。農民作為農業生態系統中的主導因子，城鎮化率越大，農業人口比例越小，農業生態系統受到的外界干擾越小，農業生態脆弱性就越小。

(3)農業生產因子。農業現代化水平的高低將直接影響農業發展過程的快慢，每公頃農業機械動力越大，越有利于農業的發展。當每公頃耕地投入的化肥過量時，會帶來土壤肥力退化、環境污染等問題，盡管短期內具有一定的經濟效益但最終會加劇農業生態系統的脆弱性。當人均糧食產量、人均耕地面積和灌溉面積占耕地面積的比重越大的時候，區域農業生態系統越能抵抗外界的負面影響，其農業生態脆弱性越小。

3.1.1.2 農業生態脆弱性的分區

根據四川東部盆地區農業生態脆弱性指標的綜合權重和各指標的標準值，通過式(1)計算得到四川省東部盆地區各市的農業生態脆弱性指數EVI，參考相關論文生態脆弱性的劃分標準[18,19,29～31]，將四川省東部盆地區農業生態脆弱性劃分為4個等級(表2)。

表2 四川東部盆地區農業生態脆弱性劃分等級標準

3.1.2 層次分析法

表3 層次分析法判斷標度

3.1.3 熵權法

熵值可用于評估指標的分散性，信息熵值越小，指標的分散程度越大，該指標對綜合評價的影響(即權重)就越大，如果某項指標的值全部相等，則該指標在綜合評價中不起作用。因此，可利用信息熵計算各個指標的權重，從而為多指標綜合評價奠定基礎。按照正向、負向及適度指標標準化處理公式(2)～(4)對原始數據進行標準化處理，得到標準化的矩陣。

正向評價指標，值越大，脆弱性越大：

(2)

負向評價指標，值越大，脆弱性越小:

(3)

適度指標，值過大、過小都不好:

(4)

通過式(5)分別計算2010～2019年第i項指標下j市指標值的比重Pij，利用式(6)得到10 a各項指標的熵值Hi，然后通過式(7)求得10 a各指標權重值wi，最后將這10a各指標的權重值求平均，得到最終權重值Wi。參考楊美玲等[25]研究結果，通過式(8)計算得到綜合權重值。

(5)

(6)

(7)

Si=0.7qi+0.3Wi

(8)

式(5)～式(8)中：xij含義同上;Pij為第i項指標下j市指標值的比重；Hi為第i項指標的熵值；wi為第i項指標的權重值；m為研究市區的數量；qi為層次分析法的指標權重；Wi代表熵權法的指標權重；Si代表綜合權重。

3.2 數據來源及處理

本文所采用的自然環境、社會經濟和農業生產三大方面數據來源于2011～2020年的《四川省統計年鑒》，其中恩格爾系數、農業占地區生產總值的比例、人均糧食產量、人均耕地面積、每公頃化肥施用量、每公頃農業機械動力、灌溉面積占耕地面積的比重均經過計算求得。

由于行政區劃和地貌單元并不完全吻合，本文將四川東部盆地區分為了成都平原區(德陽、成都、眉山、雅安和樂山)、川中丘陵區(綿陽、南充、遂寧、廣安、資陽、內江和自貢)、川東平行嶺谷區(達州)、北部山地區(廣元和巴中)和南部山地區(宜賓和瀘州)五大區域單元。

4 結果與分析

4.1 農業脆弱性各指標綜合評價的指標權重確定

首先依據專家打分結果計算出研究區域農業脆弱性層次分析法的指標權重qi，然后將四川省東部盆地區近10 a的15個指標數據對應指標性質經過公式(2)～式(7)的處理，得到指標權重Wi，最后通過式(8)得到綜合權重值Si(表4)。

表4 四川東部盆地區農業生態脆弱性評價指標綜合權重

由表4可知，一級指標的綜合權重值大小為：自然環境(0.48)>社會經濟(0.305)>農業生產(0.207)。在這15個指標中，年降水量、年平均氣溫和恩格爾系數在四川省東部盆地區農業生態環境脆弱性評價中最為重要，而每公頃農業機械動力和城鎮化率的影響則較小。

4.2 近10年四川東部盆地區農業生態平均脆弱性分級結果及區域差異

將表4中15個指標的綜合權重和標準化后的各指標值經過公式(1)的處理，得到17個市近10a的農業生態脆弱性指數值，再按照表3的劃分等級標準，得到近10a四川省東部盆地區五大區域單元、17個市的農業生態平均脆弱性等級(表5)。

由表5可知，17個市中僅有雅安市屬于極度脆弱區，其近10a平均EVI值高達0.586，主要由于雅安市的降水量較大、氣溫較低，農作物受到的太陽光照射時長較短，在農業上易造成洪澇災害。另外，其城鎮化率較低、人均耕地面積也較少。因此，雅安市應加速提高農業技術水平，彌補自然環境方面的不足，以降低其農業脆弱性。

4.2.1 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性整體分級情況

從17個市的脆弱等級(表5)可知，整體上，四川省東部盆地區農業生態脆弱性等級以中度脆弱和重度脆弱為主。其中，中度脆弱等級有9個市，面積為85291.4 km2，占研究區域總面積的45.92%；重度脆弱等級有7個市，面積為85403.3 km2，占研究區域面積的45.98%；極度脆弱等級有1個市(雅安市)，面積為15046.2 km2，占研究區域面積的8.10%。且四川東部盆地區的農業脆弱性在空間上是由中心(資陽市)向四周逐漸增強的。

表5 近10年四川東部盆地區五大區域單元、17個市的農業生態平均脆弱性等級

4.2.2 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性區域差異

由表5可知，5大區域單元近10a的平均EVI值由小到大依次為：川中丘陵區(0.387)，南部山地區(0.391)，北部山地區(0.419)，成都平原區(0.423)與川東平行嶺谷區(0.465)，前2個屬于中度脆弱等級，后3個屬于重度脆弱等級。除川東平行嶺谷區外，其他四大區域單元按照次序的脆弱性差值均保持在0.01左右。對五大區域單元內部包含的市所屬的脆弱性等級進行面積比例計算，得到表6，從中可知成都平原區內部的脆弱性差異是最大的。

表6 四川東部盆地區五大區域脆弱等級所占比例

4.3 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性動態特征

根據四川東部盆地區近10 a17市的農業生態脆弱性指數結果，計算整個研究區域和五大區域單元逐年的平均脆弱性指數，得到圖1和圖2，以此對近10 a農業生態脆弱性演變特征進行討論，再通過對5大區域單元的極差分析(圖3)探討區域差異。

4.3.1 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性動態特征

據圖1可知，近10年的農業生態脆弱性，成都平原區和川東平行嶺谷區呈現小波波動，川中丘陵區的變化趨勢十分穩定，北部山地區呈現波動式上升，南部山地區則呈現波動式下降。據圖2可知，四川東部盆地區近10年的脆弱性變化經歷了3個階段：下降階段(2010～2013年)、上升階段(2013～2016年)和穩定階段(2016～2019年)。在下降階段，其脆弱性年均降低值為0.021，從重度脆弱變為中度脆弱等級；在上升階段，其脆弱性年均增加值為0.022，從中度脆弱又變為重度脆弱等級；在穩定階段，其脆弱性變化幅度逐年減少，并穩定于中度脆弱等級。

圖1 近10年五大區域單元農業生態脆弱性動態變化

圖2 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性動態變化

4.3.2 近10年四川東部盆地區農業生態脆弱性內部差異動態變化

由于本文所劃分的川東平行嶺谷區只包括達州市，故此處不對其極差進行動態分析。據圖3可知，近10a成都平原區的極差波動較大，其他3個地貌單元則是小幅度波動，且成都平原區和南部山地區整體上呈現下降趨勢，區內差異減少。對于近10a的極差最大值，成都平原區出現在2010年，川中丘陵區和南部山地區出現在2011年，而北部山地區則出現在2019年，主要是因為2019年巴中市年降水量大幅增加，使其農業生態脆弱性指數驟增。

圖3 近10年五大區域單元脆弱性指數極差的動態變化

5 結論與討論

本文以四川東部盆地區17地級市為研究單元，對其近10年(2010～2019年)的農業脆弱性進行評價分級和動態分析，得到以下結論：①17市中僅有雅安市屬于極度脆弱區;②該區脆弱性等級整體上以中度脆弱(45.92%)和重度脆弱(45.98%)為主，且脆弱性在空間上是由中心(資陽市)向外逐漸增強的;③五大區域單元近10年的平均EVI值排序為：川中丘陵區(0.387)<南部山地區(0.391)<北部山地區(0.419)<成都平原區(0.423)<川東平行嶺谷區(0.465);④近10年該區農業生態脆弱性經歷下降(2010～2013年)、上升(2013～2016年)和穩定(2016～2019年)三階段;⑤近10年成都平原區、川東平行嶺谷區和南部山地區農業生態脆弱性呈波動下降，川中丘陵區較穩定，北部山地區則呈波動上升，且成都平原區和南部山地區區內差異逐年減少。

因此，四川東部盆地區可通過把控人口質量、恢復和重建農業生態環境、提高農業技術水平等措施不斷降低農業生態脆弱性。當然，由于受數據可獲得性的限制，某些重要指標(如森林覆蓋率、每公頃農藥施用量、糧食單產等)尚未納入到農業生態脆弱性評價指標體系中，在今后的研究中可加以改進。