吉林省西部农业生态安全评估及空间格局变化研究

张永贺，陈文惠，罗丽娟

(福建师范大学地理科学学院，福建福州350007)

1 引 言

生态安全的概念自1989 年由国际应用系统分析研究所提出以来，生态安全研究已成为国内外相关学科研究的前沿和热点之一。维持生态安全是实现区域可持续发展的基础，区域生态安全评价可以为区域生态环境管理、决策提供科学的依据［1］。因此，开展区域生态安全评价研究具有十分重要的科学和实践意义。目前，国外对于这一领域的研究主要集中在基因工程生物的生态风险与生态安全、化学物质的施用对农业生态系统健康及生态安全的影响等两个方面的微观研究［2］。国内的研究则主要集中在区域生态安全方面［3－5］。但是，由于人们对生态安全的内涵认识不足以及不同研究区域的复杂性和特殊性，目前在区域生态安全评价指标体系和研究方法上仍未能形成共识。尤其是对区域农业可持续发展有着重要影响的农业生态环境安全方面的研究更为不足［6］。

目前，对农业生态安全研究主要集中于从自然因素、经济因素和社会因素出发在P-S-R 模型框架下，应用景观生态、生态足迹、GIS、和支持向量机等多种方法，构建农业生态安全评价指标体系对研究区域农业生产的生态安全进行评价，研究区域多集中于黄土高原、北方农牧交错带和南方经济欠发达的生态脆弱地带，对吉林省西部地区的研究还很少涉及［7－11］。在研究压力－状态－响应(P-S-R)的模型框架下，构建吉林省农业生态安全评价指标体系，对农业生态安全格局进行评价，为吉林省西部地区农业生产提供参考。

通过对吉林省西部地区农业生态安全的研究，有助于查明吉林省西部农业生态环境退化现状。并且对该区域的未来生态状况和区域的动态变化趋势进行分析，揭示资源开发利用、农业可持续利用之间的相互关系和矛盾，应对由于生态环境的破坏导致可能出现的生态环境灾害和社会事件，建立必要的预警、预防和应急措施，为政府部门相关的宏观管理和决策提供信息支持，具有重要的社会与经济意义。

2 研究概述

2.1 研究区概况

吉林省西部地区处于半干旱、半湿润农牧交错地带，是松辽平原农业区向西部草原牧区过渡地带。吉林省西部位于东北松嫩平原的西南部，地处东经123°09'～124°22'，北纬44°57'～45°46'，行政区划隶属于白城和松原两个地级市，包含10 个县(市、区)。该区属半干旱半湿润的大陆性季风气候区，四季变化明显，该地区土地总面积为498.5 万hm2，其中耕地面积为190 万hm2，占总面积的38%。根据农业气候条件和土地生态条件的差异，形成了典型农业区和农牧交错区两种农业生产形态［12］。该地区多年平均降雨量为300 mm～400 mm，而多年平均蒸发量达1 500 mm～1 900 mm，为降水量的4 倍～7 倍。该区地表由第四纪冲积物构成，土壤以黄土状亚沙土、砂土和粉细砂为主，土壤结构松散，保水保肥的能力低，遇到干旱、内涝等干扰，自然结构明显地遭到破坏，肥力随之下降，再加上人类的干扰，导致土地质量急剧下降。并成为土地沙化的潜在沙源;而平原沉积物质地粘重、渗透性差，水网不发达水分长期停滞不能外流，可溶性盐类难以排泄，同时由于夏季蒸发量大，土地极易盐碱化和沙化。由于人们长时期忽视该区环境的脆弱性，长时期、大规模地进行农业开发，导致吉林西部地区生态环境日益恶化，农业和经济发展缓慢［13－15］。

研究数据主要来源与吉林省统计局，其中主要数据是从1980 年－2007 年的吉林省统计年鉴，1980 年－2007 年吉林省经济与社会统计年鉴，1980 年－2007 年的吉林省土地变更资料，1980 年－2007 年吉林省国土资源综合分析统计报告。

2.2 研究方法与技术路线

2.2.1 研究方法。基于以上的研究目标、完成研究内容，从时间尺度上，选择1980 年－2007 年近30 a的自然、社会、经济等资料，利用“3S”技术、压力－状态－响应模型、层次分析法、时间序列分析、预警分析等技术方法，筛选区域农业生态安全指标，评价农业生态环境安全，并为构建吉林省西部农业生态安全预警信息系统提供理论依据［16－21］。

2.2.2 针对以上的研究目标、研究方法和研究内容，为实现这一研究目的，制定图1 的主要技术路线。

2.2.3 农业生态安全评价指标体系的建立及权重的确定。针对不同的研究区域，农业生态安全评价要涉及很多的因素和不同的影响因子，不仅要遵循传统农业系统的一般规律，还要考虑研究区域的实际农业生产特点，同时又需要了解生态农业安全空间格局。

吉林省西部地区农业生态安全评价指标体系的确定和建立，主要以吉林省西部地区近30 a 的的农业生态安全系统的演化更替为依据。在吉林省西部土地的动态监测数据和不同年份的遥感影像的基础上，根据系统性、独立性、可比性、科学性、实用性以及指标数据的获得的可行性，在广泛研究其他学者对其他区域生态安全评价的指标的确定，以及体系的建立和对不同区域农业生态安全影响因子的确立，并在结合专家咨询的基础上，对吉林省西部地区的从农业生态环境压力、农业生态环境恢复治理能力。以及人文社会响应3 个方面，构建农业生态环境压力指标群和人文社会响应指标群这两个指标群，同时筛选出18 个指标构建吉林省西部地区生态安全的评价体系，见表1。并且采用层次分析法，并结合咨询专家经验来确定各级评价指标的权重系数。在指标体系的各指标数值中，其他部分取自吉林省经济与社会统计年鉴，吉林省国土资源综合分析统计报告。

图1 技术路线图Fig.1 Technical Roadmap

3 基于P-S-R 生态安全评价指标体系的构建

3.1 农业生态安全评价指标体系理论框架

生态安全是一个综合性的概念，无论现有的经济指标、社会指标还是生态环境指标都不可能单独对这一概念加以表征、度量和评价。联合国经济合作开发署(OECD)提出的压力－状态－响应(Pressure-State-Response，PSR)框架模型，见图2［14－16］。

图2 OECD 压力-状态-响应(PSR)框架模型Fig.2 The OECD pressure-state response (PSR)framework model

3.2 农业生态安全评价指标体系的构建

基于联合国经济开发署(OECD)建立的压力－状态－响应(Pressure-State-Response，PSR)框架模型，在分析国内外农业生态安全评价指标体系案例的基础上，结合吉林省西部农业生产的实际情况，从农业生态环境压力、农业生态环境状态、人文社会响应3 个方面选取了18 个评价指标，构建了吉林省西部农业生态安全评价指标体系，见表1。

表1 吉林省西部农业生态安全评价指标体系层次结构Tab.1 Agro-ecological safety evaluation index system hierarchy in western Jilin province

3.3 评价指标及说明

对研究区域的农业生态安全进行评价，所选择的评价指标需反映该区域范围内的农业生态环境的实际情况其中包括:生态环境状态是否良好，生态环境压力是否减少，人文社会响应是否健康发展等。针对不同指标的意义，及用途来加以说明［13］:

A:农业生态环境压力指标群

农业生态环境压力指的是由于人类活动而对生态环境造成的压力，反映的是生态环境与人类活动之间的关系。包括以下:

C1人口密度(人·km－2);C2人均耕地面积(hm2);C3年降水量(mm);C4林草覆盖率(%);C5水田占耕地面积百分比(%);C6水灾成灾率(%);C7旱灾成灾率(%);C8人口自然增长率(‰);C9人均粮食产量(kg);C10农民人均纯收入(元);C11单位耕地面积化肥施用量(kg·hm－2);C12农业人均产值(元);C13人均GDP (元)。

B:人文社会响应指标群

人文社会响应指人类针对区域农业生态环境状态和压力而采取的各种政策措施以来处理各种环境问题的响应，以保证生态环境不断向良性方向发展，说明人类为区域农业生态环境所做出的贡献的大小。C14农业人口比率(%);C15农业机械化程度(kW·hm－2);C16农村人均用电量(kWh);C17有效灌溉率(%);C18机耕面积比(%)。

3.4 评价指标量化处理

表1 中，有定量化的指标，也有定性的指标，由于各指标的含义不同，指标值的计量单位也不同，不具有可比性。为了能使各种指标数据进行综合，必须对指标数据进行标准化处理。通过查阅大量文献资料［30］，参考以下标准:

①国家、行业和地方规定的标准，如人均粮食产量、农民人均纯收入阈值参考吉林省和国家的标准;

②吉林省西部的生态环境背景值，如人口密度最大值参考松原市，最小值参考通榆市，年平均降水量最小值参考白城市，等;

③类比标准;

④专家经验值，即在没有任何标准可供参考的情况下，以专家的研究结果或经验作为标准。

根据以上标准并结合研究区实际情况，综合各专家的意见，确定每个指标的生态安全标度范围，见表2。

表2 各指标的生态安全标度值Tab.2 Scale value of each indicator for ecological security

4 吉林省西部农业生态安全综合评价和预测

4.1 农业生态安全综合评价

4.1.1 生态安全评价模型构建思路。区域农业生态安全评价可以采用多种评价指标和方法。在构建评价指标体系的基础上采用综合评价的方法。评价的总体思路是:

第一，选择农业生态安全评价的区域和对象。

第二，选择区域农业生态安全评价的框架模型。

第三，根据评价指标体系构建的原则、筛选的方法等，建立适合该区域农业生态安全评价的指标体系。

第四，采用专家打分的方法，确定每个指标对于农业生态安全的相对重要性，即赋予每个指标一定的权重。

第五，根据指标的实际值确定评价标准指标阈值。

第六，对指标数据进行整理，根据评价目的，运用适当的方法对数据进行标准化处理。

第七，建立综合评价模型，把评价对象的相关数据代入相应的数学模型，计算出综合评价指数。

第八，进行综合评价与预测。

第九，农业生态安全的空间格局与动态变化分析。

4.1.2 生态安全评价权重方法的确定。指标权重的确定方法有多种，如熵权法、Delphi 法、PCA 法和层次分析法(AHP)等。层次分析法［11］是一种定性与定量相结合的决策分析方法。它是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程。运用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，各个因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同因素的重要性程度，由此得出相应的权重。

4.1.3 生态安全综合值的计算。根据已有的研究成果，结合实际情况选择加权评价法作为综合安全值的评价法。加权评价法认为构成区域农业生态安全的各个因子的变化均会对区域农业生态安全状况产生影响。影响安全状况好坏的因素不是某一个因子，而是所有因子共同作用的结果，各因子之间的差别在于对区域农业生态安全状况整体的影响程度的大小。为了表示这种差别，赋予因子不同的权重，影响程度大的因子赋予较高的权重，影响程度小的因子赋予较小的权重，即权重是因子的重要性程度的反应［22］。用公式［23］表示为:

式中:Pij——各指标归一化值;Wi——各指标权重;Sij——打分值。

4.2 农业生态安全综合预测

根据吉林省西部农业生态安全评价的总体思路，依据指标体系建立的原则建立了吉林省西部农业生态安全评价指标体系，并运用层次分析法求出了各指标的权重值。

首先利用所有指标原始数据进行归一化处理，这里选取四个年份作为代表，结果见表3。

利用综合安全值的计算公式，算出吉林省西部整个区域近30 a 农业生态安全综合值表4。

4.2.1 生态安全阈值的界定。在综合计算结果的基础上，参考国内外相关研究［24－27］采用相对指数法，将安全度范围划分为5 个等级:最佳态(E≥8)、良好态(8 ＞E≥6)、临界态(6 ＞E≥5)、较差状态(5 ＞E≥4)、恶劣状态(E ＜4)。图3 是吉林省西部近30 a 的农业生态安全年际变化图。

4.3 吉林省西部农业生态安全的空间格局动态变化

4.3.1 吉林省西部农业生态安全的空间格局现状。对吉林省西部各县市1980 年、1990 年、2000 年和2010 年4 个年份分别求其生态安全值图4，分析其农业生态安全分布格局的动态变化。图中从1980 年－2010 年间，前郭县和通榆县的整体生态安全都处于良好状态和最佳状态，生态安全的压力不大，近30 a间的生态安全处于相对稳定的状态;从1980 年－2010 年洮南市一直处于良好状态和临界状态之间，洮南市的生态安全值较稳定;扶余县的波动较大由1980 年的良好状态转为1990 年－2000 年间的较差状态之

后，在2010 年又转为良好状态，整体变化体现出生态安全的脆弱，破坏之后恢复较难;从1980 年－2010年，白城市从临界状态转为较差状态之后，一直生态环境处于恶劣状态，直到2010 年白城市的生态安全才转为临界状态，但未来一段时间生态压力一直较大，如不注意生态安全，可能生态环境还会继续恶化;从1980－2010 年，长岭县从1980 年的良好状态转为临界状态之后一直处于临界状态，未来一段时间长岭县的生态压力仍较重;从1980 年－2010 年，松原市从1980 年由临界状态转为较差之后一直处于较差状态，直到2010 年生态环境得到广泛重视后，松原市的生态安全才转为良好状态;从1980 年－2010 年，镇赉县的生态环境波动较大。从1980 年的临界状态到2010 年间一直处于良好状态和较差状态之间，镇赉县的生态安全一旦遭受破坏，恢复的难度很大，造成生态安全压力很大，未来一段时间生态压力仍很大;从1980－2010 年，大安市的生态安全一直处于较差状态，生态环境稳定但是生态安全转好和提高相对困难，大安市的生态安全将在很长一段时间保持较差状态;从1980 年－2010 年，乾安县的生态安全一直处于较差状态和恶劣状态之间浮动，生态环境脆弱是造成生态安全值较低的主要原因，要转变生态安全状态为良好状态需要很长一段时间。

表3 吉林省西部1980 年－2007 年农业生态安全评价指标归一化值Tab.3 Agricultural ecological security assessment index normalized value in west of Jilin province from 1980 to 2007

表4 吉林省西部近30 a 农业生态安全值Tab.4 Agricultural ecological security value in west of Jilin province in the past 30 years

续表4

图3 吉林省西部农业生态安全年际变化图Fig.3 Agro－ecological safety inter－annual changes in west of Jilin province and

图4 近30 年吉林省西部农业生态安全分布格局的动态变化Fig.4 Distribution pattern of dynamic change of ecological security in the western agricultural nearly 30 years of Jilin Province

4.3.2 吉林省西部农业生态安全预测。由图3 可以明显看出，吉林省西部农业生态安全综合值逐渐升高，有向良好状态转化的趋势。据表4 数据，建立二阶自回归预测模型为:

其中:t——年份。

对吉林省西部各县市1980 年、1990 年、2000 年和2010 年4 个年份生态安全值进行分析，从1980－2010 年，吉林西部地区生态安全状态呈波动上升趋势，将吉林西部30 a 的生态安全综合指数进行时间序列(二次指数平滑)趋势预测发现:Alpha= 0.1300，A=0.6204，B=0.0321，方差分析表明，该自回归模型在0.05 水平上显著，可以利用它进行预测。经预测2015 年、2020 年的生态安全综合值分别为5.622 074和5.562 274，为生态安全临界状态，有向恶化方向发展的趋势。由此可见，未来10 a 内吉林省西部生态安全状态有转好的趋势，图5 为对吉林西部地区2015 年和2020 年生态安全预测图。

图5 吉林省西部农业生态安全预测图Fig.5 Jilin Province Western agro-ecological security forecast map

5 结论及讨论

对吉林西部地区的生态安全进行系统的统计核算，采用时间序列(二次指数平滑)预测模型对2015年和2020 年的生态安全状态进行了趋势预测。在对吉林省西部地区近30 a 的农业生态环境演化的分析基础上，从生态环境质量、生态环境压力和生态环境恢复治理能力方面，对该地区农业生态安全进行综合评价。结果与实际考察相符，说明该预测方法具有一定的可行性。

随着农业生态环境质量指数、农业生态环境压力指数和农业生态环境恢复治理指数的变化，农业生态安全度指数在2000 年以前一直处于波动下降趋势，2000 年以后开始缓慢上升。通过生态安全模型的预测，在2015 年生态安全达到最佳状态的是通榆县;生态安全恶劣状态的是镇赉县。预测到2020 年吉林西部地区生态安全到达最佳状态的是通榆县和前郭县;处于较差状态的是松原市、长岭县、镇赉县和大安市。通过重视生态环境和保护环境的力度加大，将不存在恶劣状态的地区。虽然到2020 年预测没有生态安全恶劣状态的地区，但是处于较差状态和临界状态的地区生态安全要高度重视，因为从近30 a 的研究表明，农业生态安全一旦遭到破坏，恢复到良好状态的代价是巨大的。

吉林西部地区的农业生态安全在经历30 a 的演变后表现出相对转好的趋势，但是大多数县市都处于临界状态和较差状态，虽然未来一段时间可能不会出现农业生态安全恶劣的状态，但是重视农业生态安全任重而道远，地方应该建立应对农业生态安全变化的预测机制，对该地区的农业生态安全进行有效的监测，采取合理的耕作措施，对土地利用结构进行优化配置修复农业生态景观，减少农业活动对生态环境的负面影响，指导吉林西部地区的农业生产的顺利进行。

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