基于PSR模型與集對分析的耕地生態安全診斷[1]

張銳 鄭華偉 劉友兆[2]

摘要 耕地生態安全診斷是改善耕地生態系統安全狀況、促進耕地可持續利用的重要基礎。針對耕地生態系統的不確定性，本文構建了基于PSR模型的評價指標體系，在了解集對分析原理的基礎上，利用原創聯系度的可展性對其進行改進，建立基于集對分析法和改進熵值法的耕地生態安全評價模型，并對四川省的耕地生態安全進行診斷。研究結果表明：①1999～2010年四川省耕地生態安全水平不斷提高，耕地生態安全等級經歷了“臨界安全—較安全”的演變歷程，但2010年“較安全”水平不高；②長遠來看，壓力是影響耕地生態安全的首要因素，壓力和狀態的障礙度呈現增加趨勢，響應的障礙度不斷下降；③單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失等是耕地生態安全等級提升的關鍵制約因素。為了促進耕地生態安全等級不斷提升，需要進一步轉變經濟發展方式，加強土地利用監督管理，降低經濟增長對土地資源的過度消耗；大力發展綠色農業，合理施用農藥、化肥；積極開展農村土地整治，加強高標準基本農田建設；加大環境治理力度，有效控制水土流失程度。

關鍵詞 耕地生態安全 集對分析 診斷 障礙因素

耕地資源作為最寶貴的自然資源之一，是非常重要的農業生產資料，具有食物生產、空間承載、生態服務等多種功能，經過人類長期的干預，耕地生態系統逐漸演變成具有高度耦合性的社會-經濟-生態復合系統。[3]伴隨著經濟社會的快速發展以及工業化、城鎮化和現代化建設進程的快速推進，出現了土地生態環境日趨惡化、土地負荷加重、土地質量下降等一系列問題，耕地資源的稀缺性增強，耕地生態安全問題日漸凸顯。[4]因此，開展耕地生態安全診斷研究，優化耕地生態安全的改善路徑，對于加強農村生態文明建設、保障我國糧食安全、維護國家生態安全、促進社會經濟可持續發展具有非常重要的理論意義和現實意義。

國外學者主要將耕地生態安全與可持續利用相結合進行系統研究，Rasul和Thapa[5]從農業生態環境、社會經濟方面構建了評價指標體系，分析了孟加拉國的耕地可持續利用與生態狀況；Beesley和Ramsey[6]指出在農用地保護中，耕地生態價值與安全越來越受到農場主的認可與關注。國內學者關于耕地生態安全的研究主要集中在耕地生態安全內涵、耕地生態安全評價、耕地生態安全影響因素、耕地生態安全調控對策等方面。[7]總體來看，耕地生態安全評價研究尚屬起步階段，定性分析相對較多，定量研究較少。耕地生態安全評價是對耕地生態系統的全面診斷，包括耕地資源負荷、經濟社會發展、耕地產出水平、生態環境質量、政策管理水平等方面的內容，但現有的評價指標多集中于資源與環境狀況，很少綜合考慮人類活動、社會經濟等對耕地生態安全評價的作用。與此同時，耕地生態安全診斷多采用綜合評價法、層次分析法、物元分析法等，針對這些方法的不足之處，專家學者做了改進，取得了一定的研究成果。但由于耕地生態安全評價影響因素具有不確定性，評價指標與安全等級之間存在復雜的非線性關系，所以至今尚沒有一個統一的評價模型來診斷耕地生態安全水平。[8]集對分析法[9]是一種綜合的不確定性分析方法，能從整體和局部剖析研究系統內在的關系，把對不確定性的辯證認識轉換成具體的數學問題，但尚未被應用到耕地生態安全診斷研究中。PSR模型綜合考慮社會、經濟、資源與環境，突出了人地關系。

鑒于此，本文構建了基于PSR模型的耕地生態安全評價指標體系，建立基于集對分析法和改進熵值法的耕地生態安全診斷模型，并以四川省為例進行實證研究，有效診斷耕地生態安全的障礙因子，以期為改善耕地生態系統狀況、協調人地關系、促進耕地資源可持續利用提供一定的參考依據。

一 耕地生態安全評價指標體系構建

耕地生態系統是人類在長期的利用中使耕地在自身組織功能的作用下形成的人工生態系統，它不僅為人類供給穩定的農產品，而且提供了一種新的生物生存環境，有利于生物多樣性的存續與發展，同時還具有生態環境保護等功能。[10]耕地資源生態安全是指在一定的時間和空間尺度內，耕地生態系統處于保持自身正常功能結構和滿足社會經濟可持續發展需要的狀態，在這種狀態下，耕地生態系統有穩定、均衡、充裕的自然資源可供利用，生態環境處于健康狀態。[11]耕地生態安全評價是以耕地生態系統為評價對象，對一定時間、一定區域的自然生態要素、社會經濟要素進行綜合評價，它本質上是一種診斷評價，目的是診斷由人類活動、自然因素引起的耕地生態系統破壞程度，剖析耕地生態安全的制約因素，以便發出預警，為管理者提供決策。[12]

PSR概念模型是由聯合國OECD和UNEP提出的[13]，該模型以因果關系為基礎，主要目的是評價生態系統的持續性，分析生態系統內在的因果關系，尋找人類活動與生態環境影響之間的因果鏈（從生態系統面臨的壓力出發，探討生態系統的結構與功能，制定緩解生態系統壓力的政策措施），得到較為普遍的認可與應用[14]。因此，本文運用PSR概念模型開展耕地生態安全診斷，借鑒PSR概念模型作為耕地生態安全評價指標體系的基本框架。如圖1所示，人口增長、經濟社會發展給耕地生態系統帶來一定的壓力（P）；人類不斷利用土地資源，通過社會經濟活動向耕地生態系統排放污染物，改變了耕地生態系統的結構與功能狀態（S）；在壓力之下，耕地生態系統在原有狀態基礎上做出反應，同時反饋于社會經濟的發展過程；人類對耕地生態系統的反饋進一步做出響應（R），進行政策調整、環境保護等，改善耕地生態系統狀態，使之保持良好的結構與功能，進而實現可持續發展。[15]

圖1 耕地生態安全評價的PSR模型框架

根據耕地生態安全（評價）內涵、PSR概念模型，遵循指標選取的系統性、科學性、可獲取性和可比性等原則，在參考現有研究成果的基礎上，構建了基于PSR模型的評價指標體系（見表1）。基于PSR模型的評價指標體系可以從總體上反映耕地生態系統、社會經濟發展目標與管理決策之間的相互依存、相互制約的關系，改變現有耕地生態安全評價研究中指標體系主要關注資源環境的狀況，能更準確地反映耕地生態系統的各要素之間的關系。

表1 耕地生態安全評價指標體系

二 集對評價模型

（一）集對分析法的原理

集對分析是指對不確定性系統中的兩個有關聯的集合構造集對，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，建立聯系度描述集對的同、異、反關系的分析方法。[16]集對分析的基礎是集對，關鍵是聯系度。[17]對于兩個有關聯的集合A和B組成的集對H（A，B），A、B分別有N項表征特性，在具體問題Z的背景下，分析集對H（A，B）的特性，其中S特性為A和B共同擁有的，P特性為A和B對立的，其余的F特性既不為A和B共同擁有，也不相互對立，則有：

令a=S/N，b=F/N，c=P/N，則式（1）可改寫為：

μ=a+bi+cj　　　　　　（2）

在式（2）中，μ為聯系度，μ∈［-1，1］；a、b、c為聯系度分量，a，b，c∈［0，1］，分別稱為集對H（A，B）的同一度、差異度和對立度，且滿足a+b+c=1；i為差異度系數，i∈［-1，1］；j為對立度系數，其恒取值為-1。

式（1）和式（2）是常用的三元聯系度，將其看成一個數，可以稱為三元聯系數，將式中的bi進一步展開可以得到K元聯系數：

μ=a+b1i1+b2i2+…+bK-2iK-2+cj　　　　　　（3）

（二）指標聯系度的確定

假設評價對象為集合Al（x1，x2，…，xl）（l=1，2，…，L；L為評價指標數），xl為評價指標，評價指標等級標準為sk（k=1，2，…，K；K為等級標準數），H（Al，Bk）為Al、Bk構成的集對。根據集對分析法的原理，確定H（Al，Bk）的聯系度。[18]

對于負向指標，當K＞2時，集對H（Al，Bk）的聯系度為：

對于正向指標，當K＞2時，集對H（Al，Bk）的聯系度為：

（三）評價指標權重確定

對于耕地生態安全，不同評價指標的影響程度存在一定的差異，為了反映這種差異性，需要對評價指標賦以一定的權重，本文采用改進的熵值法來確定評價指標權重，主要步驟如下。[19]

1.評價指標標準化處理。由于不同的指標具有不同的量綱和單位，為了消除量綱和量綱單位的不同所帶來的不可公度性，需要對指標數據用標準化法進行變換。

在式（6）中，X″il為標準化后的指標值，Xl為第l項指標的均值，sl是第l項指標的標準差。

2.為了清除負數，進行坐標平移。

在式（7）中，為平移后的指標值，H為指標平移的幅度。

3.計算第l項指標下的i個樣本值的比重，。

4.計算第l項指標的熵值。，其中k＞0，ln為自然對數，el＞0。如果對于給定的l全部相等，那么，此時el取極大值，即。若設k=1/lnm，el=1，則0≤el≤1。

5.計算第l項指標的差異性系數gl，gl=1-el。

6.定義第j項指標的權重wl，，其中l=1，2，…，L。

（四）樣本聯系度的確定

假設集合A為評價樣本，B為評價指標等級標準的集合，則H（A，B）的聯系度為：

若令，則公式（8）可變為：

μ（A，B）=f1+f2i1+f3i2+…+fK-1iK-2+fKj　　　　　　（9）

在此基礎上，按照直接途徑求取不確定（分量）系數，得到聯系數μ（A，B）的值。根據均勻取值法，i0=1，j=-1，差異不確定（分量）系數i1，i2，…，ik-2將i0和j之間進行（K-1）等分，等分點的值為i1，i2，…，iK-2的值，即

（五）評價等級的確定

根據“均分原則”，將［-1，1］區間K等分，則從右至左每個區間依次分別對應耕地生態安全評價等級B1，B2，…，BK，將μ（A，B）與各個評價等級對應的區間范圍進行比較，得到耕地生態安全評價等級。

（六）障礙因素診斷

為有效提高耕地生態安全水平，有必要對單項指標和分類指標的障礙作用大小進行評估，診斷耕地生態安全水平的主要制約因素。障礙因素診斷采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度3個指標進行分析[20]，因子貢獻度（Vj）表示單項因素對總目標的影響程度，即單因素對總目標的權重（wl），指標偏離度（xij）表示單項指標與耕地生態安全目標之間的差距，設為單項指標標準化值與100%之差；障礙度（Yi，yi）分別表示第i年分類指標和單項指標對耕地生態安全的影響，是耕地生態安全障礙因素診斷的目標和結果：

三 實證研究——以四川省為例

（一）區域概況與數據來源

四川省地處長江上游，東與重慶市接壤，南與云南省、貴州省相連，西鄰西藏自治區，北接青海省、甘肅省、陜西省。轄區東西長約1075公里，南北寬約921公里，面積達48.5萬平方公里，為我國第五大省，現轄18個地級市和3個自治州。四川省自然資源豐富，光熱條件好，是我國重要的農業經濟區和糧食主產區，承擔著國家糧食安全的重任。[21]然而隨著經濟社會的發展，建設用地規模持續擴張，耕地資源數量銳減，耕地生態功能減弱，水土流失較為嚴重，土壤污染加劇，耕地生態系統安全狀況亟待改善。

耕地生態安全評價指標數據主要來源于《四川統計年鑒》《四川農村統計年鑒》《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國農業年鑒》等。

（二）評價標準制定

評價標準的制定是耕地生態安全診斷的關鍵環節，現階段耕地生態安全診斷在我國尚處于探索階段，還沒有統一的評價標準。耕地生態安全的評價標準不僅復雜，而且需要因地制宜。評價標準的確定是集對評價模型的基礎，本文依據耕地生態安全的特征，將其劃分為5個等級：安全、較安全、臨界安全、較不安全和不安全。評價標準的確定主要參考國家、行業及國際相關標準（見表2）。

表2 耕地生態安全評價等級標準

續表

（三）結果分析

收集四川省有關耕地生態安全評價指標數據，經分析整理后，按照改進的熵值法確定各評價指標的權重（見表3）。根據1999年、2005年、2010年各評價指標的具體數值，建立四川省耕地生態安全的集對H1999（A17，B5）、H2005（A17，B5）、H2010（A17，B5），將3個集對的數據分別輸入集對評價模型，得到耕地生態安全評價指標聯系度、樣本聯系度（見表4和表5）。

表3 耕地生態安全評價指標權重

續表

表4 2010年四川省耕地生態安全評價指標聯系度

表5 四川省耕地生態安全評價樣本聯系度

根據均勻取值法，i0=1，j=-1，差異不確定（分量）系數i1、i2、i3將在i0和j之間進行4等分，i1=0.5，i2=0，i3=-0.5，根據式（8）和式（9）計算3個集對的聯系度（樣本聯系度），依次為：μ2010（A，B）=0.2051，μ2005（A，B）=0.1117，μ1999（A，B）=0.0548。從生態學角度來看，樣本聯系度表示樣本的耕地生態安全水平，對應一定的耕地生態安全評價等級（如“較安全”等級）。根據樣本聯系度評價分值，結合耕地生態安全分級標準，可以得到樣本耕地生態安全水平等級。

根據“均分原則”，將［-1，1］區間5等分（0.6～1.0）、（0.2～0.6）、（-0.2～0.2）、（-0.6～-0.2）、（-1.0～-0.6），分別對應耕地生態安全評價等級“安全”、“較安全”、“臨界安全”、“較不安全”和“不安全”。由此可知，2010年四川省耕地生態安全水平等級為“較安全”，2005年和1999年均為“臨界安全”。μ2005（A，B）＞μ1999（A，B），由此可見雖然1999年與2005年耕地生態安全等級均為“臨界安全”，但2005年對應的μ2005（A，B）在［-0.2，0.2］區間內更接近標準上限，即耕地生態安全水平較1999年稍高。從耕地生態安全的變化來看，1999～2010年四川省耕地生態系統的安全狀況有所改善，耕地生態安全等級有所提升，耕地生態安全水平有變好的趨勢。

根據耕地生態安全障礙因素診斷計算方法，對1999年和2010年四川省耕地生態安全障礙度進行計算。1999年阻礙耕地生態系統安全狀況改善的障礙因素主要集中在系統響應和系統狀態方面，主要包括水土流失治理率、農民人均純收入、水土流失程度、單位耕地農業機械動力、有效灌溉面積、土地墾殖率等；而2010年阻礙耕地生態系統安全狀況改善的障礙因素主要集中在系統壓力和系統狀態方面，主要包括水土流失程度、單位耕地化肥負荷、土地墾殖率、人均耕地面積等。在此基礎上，計算分類指標障礙度，結果表明：壓力障礙度不斷提高，狀態障礙度呈現波動上升趨勢，響應障礙度不斷減少。從長遠來看，壓力是影響耕地生態安全的首要因素。

表6 1999年和2010年四川省耕地生態安全障礙因素排序

續表

從單個評價指標來看，四川省耕地生態安全評價指標聯系度計算結果顯示，1999～2010年大部分指標發生等級跳躍；根據單個評價指標提供的分異信息，單位耕地農業機械動力、災害指數、農民人均純收入、有效灌溉面積比、水土流失治理率、耕地糧食單產等指標出現不同等級的上升趨勢，說明以上指標對四川省耕地生態安全水平的提升有重要的貢獻。研究發現：1999年以來四川省經濟社會持續發展，農民收入水平不斷提高，耕地生態保護意識不斷強化；不斷加強農田基礎設施建設，積極開展農村土地整治，加大對中低產田的改造力度，有效改善農業生產條件；持續加大農業科技投入，加強農業技術推廣普及，積極開展農民科技培訓，著力提高耕地糧食單產；加大生態環境保護建設的力度，有效加強水土流失治理，水土流失治理率持續上升，促進了耕地生態系統安全狀況改善。

μ2010（A，B）=0.2051，說明雖然2010年四川省耕地生態安全等級為“較安全”，但水平不高，仍需進一步改善耕地生態系統的安全狀況。障礙因素診斷結果表明，1999～2010年單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等指標的障礙度上升幅度較大，這些指標成為制約四川省耕地生態系統安全狀況改善的主要因素。從單個指標分析結果來看，2010年四川省耕地生態安全有8個指標未達到“較安全”，而單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等指標只達到“較不安全”等級。研究發現，雖然四川省一直致力于水土流失的綜合治理，但由于易水土流失區域較大，且存在反復現象，目前水土流失現象仍較嚴重，還需加大治理力度，有效保護土地資源。隨著經濟社會的發展，四川省國內生產總值持續增長，但這種高速增長是以資源高消耗為代價的，建設用地規模不斷擴大，耕地面積持續減少，土地集約利用水平較低。與此同時，單位面積耕地農藥施用量、單位面積耕地化肥施用量不斷增加。

四 結論與建議

PSR模型以因果關系為基礎，綜合考慮人類活動、社會經濟、資源環境之間的相互關系，改變現有研究主要關注資源環境的狀況，能更準確地反映耕地生態系統、社會經濟發展目標與管理決策之間的相互依存、相互制約的關系；基于PSR模型的評價指標體系能夠實現對耕地生態安全的診斷。

傳統綜合評價法較少考慮耕地生態安全評價影響因素的不確定性以及評價指標與安全等級之間的非線性關系，而集對分析法注重信息處理過程中的相對性和模糊性，能很好地解決不確定性問題[22]，利用原創聯系度的可展性建立耕地生態安全的集對評價模型，能從整體和局部上剖析耕地生態安全內在的關系，把對不確定性的辯證認識轉換成具體的數學問題，有效挖掘耕地生態安全存在的具體問題。改進的熵值法根據耕地生態安全評價指標之間的離散程度，運用信息熵確定評價指標的權重，能夠解決一些主觀賦值法所帶來的結果不穩定的問題，在一定程度上改善和提高了評價的質量。集對分析法和改進的熵值法適用于耕地生態安全診斷，有利于提高耕地生態安全水平。

診斷結果表明，1999～2010年四川省耕地生態安全水平不斷提高，系統安全狀況有所改善，耕地生態安全等級經歷了“臨界安全—較安全”的演變歷程，但2010年“較安全”水平不高。長遠來看，系統壓力和狀態對耕地生態安全的影響較大，響應的障礙度不斷降低。單位耕地化肥負荷、人均耕地面積、單位耕地農藥負荷、土地墾殖率、水土流失程度等是制約耕地生態系統安全狀況改善的關鍵因素。

為了加強耕地生態系統可持續性管理，根據耕地生態安全的診斷結果，進一步轉變經濟發展方式，推動經濟結構戰略性調整，優化產業升級布局，加強土地利用監督管理，提高土地資源市場化配置程度，形成節約集約用地的“倒逼機制”，有效增加土地利用集約度，降低經濟增長對土地資源的過度消耗；大力發展綠色農業，加快推進農業科技創新，合理施用農藥、化肥，減少對耕地資源的污染；積極開展農村土地整治，加強高標準基本農田建設，增加有效耕地數量，提高耕地資源質量；持續增加環境保護投入，加大環境治理力度，有效控制水土流失程度，持續提升耕地生態安全等級。

作為一種研究方法的探討，本文在構建基于PSR模型的耕地生態安全評價指標體系的基礎上，嘗試性地將集對分析法和改進的熵值法運用到耕地生態安全診斷中，基本達到預期研究目的。由于此類研究尚不多，耕地生態安全評價的指標選擇、評價標準的確定、集對分析法中聯系度的普適性等問題有待進一步深入研究。

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[1] 江蘇省國土資源科技項目（編號：201320）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（編號：CXLX13_301）。

[2] 張銳，女，江蘇鹽城人，南京農業大學公共管理學院博士研究生，研究方向為土地利用與政策；鄭華偉，男，江蘇淮安人，博士，南京農業大學農村發展學院講師、碩士生導師，研究方向為資源利用與鄉村發展；劉友兆，男，江蘇漣水人，博士，南京農業大學公共管理學院教授、博士生導師，研究方向為土地利用與評價。

[3] 張銳、劉友兆：《我國耕地生態安全評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2013年第7期。

[4] 王千等：《河北省耕地生態安全及空間聚集格局》，《農業工程學報》2011年第8期。

[5] G.Rasul，G.Thapa，“Sustainability Analysis of Ecological and Conventional Agricultural Systems in Bangladesh，” World Development 31（6），2003，pp.1721-1741.

[6] K.B.Beesley，D.Ramsey，“Agricultural Land Preservation，” International Encyclopedia of Human Geography 25（6），2009，pp.65-69.

[7] 張冰潔、宋戈：《松嫩高平原黑土區典型地域耕地生態安全評價及驅動力分析》，《水土保持研究》2012年第3期；任平等：《長江上游農業主產區耕地生態安全評價與空間特征研究》，《中國人口·資源與環境》2013年第12期。

[8] 施開放等：《基于改進SPA法的耕地占補平衡生態安全評價》，《生態學報》2013年第4期。

[9] 王文圣等：《水資源系統評價新方法——集對評價法》，《中國科學》（E輯：技術科學）2009年第9期。

[10] 唐秀美等：《基于生態適宜性評價的耕地生態系統服務價值變化研究》，《中國農業資源與區劃》2011年第6期。

[11] 任平等：《長江上游農業主產區耕地生態安全評價與空間特征研究》，《中國人口·資源與環境》2013年第12期。

[12] 鄭華偉等：《基于PSR模型的土地利用系統健康評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2012年第9期。

[13] Rainer Walz，“Development of Environmental Indicator Systems：Experiences from Germany，” Environmental Management 25（6），2000，pp.613-623.

[14] 張銳、劉友兆：《我國耕地生態安全評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2013年第7期。

[15] 鄭華偉等：《基于PSR模型的土地利用系統健康評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2012年第9期。

[16] 王文圣等：《水文水資源集對分析》，科學出版社，2010。

[17] 王文圣等：《水資源系統評價新方法——集對評價法》，《中國科學》（E輯：技術科學）2009年第9期。

[18] 王宏偉等：《模糊集對分析法在水資源安全評價中的應用》，《西北農林科技大學學報》（自然科學版）2011年第10期。

[19] 鄭華偉等：《基于PSR模型的土地利用系統健康評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2012年第9期。

[20] 鄭華偉等：《基于PSR模型的土地利用系統健康評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2012年第9期。

[21] 鄭華偉等：《基于PSR模型的土地利用系統健康評價及障礙因子診斷》，《長江流域資源與環境》2012年第9期。

[22] 南彩艷、粟曉玲：《基于改進SPA的關中地區水土資源承載力綜合評價》，《自然資源學報》2012年第1期。