基于突变理论的新疆耕地生态安全评价

黄晓东+蒲春玲+宋建华+闫志明+张影+刘超

摘    要：耕地生态安全关系到国家粮食安全。根据新疆耕地利用现状及特点，基于P-S-R模型构建新疆耕地生态安全评价指标体系，运用突变级数法进行评价。结果表明：（1）2004—2013年新疆耕地生态安全水平经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全的发展历程。（2）从各准则层看，压力系统安全水平经历了较不安全→临界安全→较安全的发展历程;状态系统安全水平经历了不安全→较不安全→较安全→安全的发展历程;响应系统安全水平经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全→安全的发展历程。（3）影响新疆耕地生态安全的障碍因素是单位耕地化肥负荷率和人均水资源量。

关键词：耕地;生态安全;P-S-R模型;突变理论;新疆

中图分类号：F127             文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.016

Ecological Security Assessment on Cultivated Land of Xinjiang Based on Catastrophe Theory

HUANG Xiao-dong1，PU Chun-ling1，SONG Jian-hua2，YAN Zhi-ming1，ZHANG Ying1，LIU Chao1

（1.College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052， China;2. Institute of Economics，Xinjiang Academy of Social Science，Urumqi，Xinjiang 830011，China）

Abstract： The cultivated land ecological security is related to national food security. According to the situation of farmland utilization and characteristics in Xinjiang， based on P-S-R model the evaluation index system was constructed and using mutation progression method to evaluate. The results show that（1）Ecological security of cultivated land of Xinjiang during 2009 to 2013 experienced the development process of Unsafe →Less safety →Criticality safety →The safer; （2） From the criterion level， the pressure system experienced the development process of Less safety →Criticality safety →The safer; State system experienced Unsafe →Less safety →The safer →Safe; Response system experienced Unsafe →Less safety →Criticality safety →The safe →safe; （3） The main factors affecting ecological security of cultivated land of Xinjiang are unit farmland fertilizer load rate and average per capita water resources.

Key words： cultivated land; ecological security; P-S-R model; catastrophe theory; Xinjiang

耕地是人类可利用土地中的精华部分，是保障粮食生产的最基本要素。耕地生态安全是指在在一定的时间和空间尺度内，耕地资源生态系统处于保持自身正常功能和满足社会经济可持续发展需要的状态[1]。耕地生态安全是国家生态安全的重要组成部分，关系着国家粮食安全。随着工业化和城镇化进程的不断推进，一方面占用大量耕地资源，导致耕地资源数量减少加速;另一方面耕地利用中化肥、农药和农膜等的不合理使用及过量投入导致农业面源污染严重[2-4]，耕地生态环境恶化趋势明显，耕地的可持续利用和国家粮食安全都面临严重挑战。赵宏波等[5]基于PSR-EES 模型对吉林省48个县耕地生态安全进行时空差异性分析，并诊断出影响吉林省耕地生态安全的障碍因子;徐辉等[6]基于NES框架，运用多因素综合评价法对黑龙江省宁安市10年的耕地生态安全进行了科学评价;崔明哲等[7]运用组合赋权法对哈尔滨市耕地生态安全进行了定量评价;张祥义等[8]以河北省肥乡县为研究对象，基于NES框架，结合熵权物元模型对该区域的耕地生态安全从定性和定量两方面进行了评价;张锐等[9]将PSR模型与熵权物元模型综合运用于耕地生态安全评价研究中，对我国15年耕地生态安全发展变化情况进行了综合评价。耕地生态系统具有突变性、脆弱性、系统性等特点，现有研究缺乏对系统突变特性的考虑。基于此背景，本研究将突变理论与模糊数学结合起来，将突变级数法应用于耕地生态安全评价，并定量评价了2004—2013年新疆的耕地生态安全状况，为耕地的可持续利用提供理论依据和科学指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

新疆位于我国西北边陲，地处亚欧大陆腹地，介于34°25'～48°10'N，73°40'E～96°18'E。在国内新疆与西藏、青海、甘肃三省交界，国际上与塔吉克斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、俄罗斯、阿富汗、蒙古、巴基斯坦、印度等8个国家接壤，陆地边境线长达5 600多km，占全国陆地边境线的四分之一，是中国面积最大、陆地边境线最长、毗邻国家最多的省区。截止2013年末，全疆人口2 264.3万人，土地总面积166.49×104 km2，占全国陆地总面积的六分之一，地区生产总值8 360.24亿元，仅占全国的1.47%。耕地面积506.7×104 hm-2，单位耕地化肥施用量达到401.095 kg·hm-2，单位耕地农业机械总动力达到427.474 kw·hm-2，人均水资源量4 223 m3·人-1。新疆属典型的干旱气候，生态系统脆弱，粮食生产面临问题多，耕地质量及生态安全对保障粮食安全和地区稳定至关重要。因此，对于新疆耕地生态安全的研究势在必行，可为新疆耕地的可持续利用提供理论依据和科学指导。

1.2 数据来源

文中研究数据主要来自于中国统计年鉴（2005—2014年）、中国国土资源统计年鉴（2005—2014年）和新疆统计年鉴（2005—2014年）以及各相关职能部门的统计数据。

1.3 研究方法

突变理论由Rene Thom创立于20世纪70年代，其基本原理是利用拓扑理论构造数学模型来描述、预测自然现象与社会活动中事物连续性中断的质变过程[10]。突变级数法是该理论的重要应用之一，主要特点是首先对系统的总评价目标进行多层次矛盾分解，由指标层逐层向目标层综合，确定各层的突变类型，然后将各层的控制变量带入相应的突变模糊隶属函数，通过归一化公式计算，求出总的隶属度值，得出总的评价结果[11-14]。按照控制变量的维数不同，常用的突变类型有折叠突变、尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变，如表1所示。

1.3.1 评价指标体系构建 耕地生态系统受到自然生态因素、社会经济因素及人类干预因素的影响，针对新疆耕地利用现状，采用“压力-状态-响应”模型，依据科学性、区域性、数据可获得性及可量化等原则，在借鉴相关研究成果的基础上[15-19]，选取包含单位耕地化肥负荷率、人均耕地面积、人均水资源量、单位耕地农业总产值等14项指标构建新疆耕地生态安全评价指标体系（表2）和突变级数模型（图1），并利用主成分分析法对各层次指标的重要性进行排序。

1.3.2 数据标准化 耕地生态安全评价指标中包含定性指标和定量指标，为消除指标间量纲不统一的缺点，要将各个指标进行无量纲化处理，统一化成以百分比为单位的指标值，从整体上反映耕地生态安全评价结果。采用极差法对各个指标进行无量纲化处理，公式如下。

■（1）

式中，Bi为指标标准化后的实际评价数值;Xi、Xmax、Xmin分别为评价指标i的实际值、最小值和最大值。

1.3.3 评价标准的确定 指标体系评价标准的确定直接影响到评价结果的准确性，耕地生态安全常规评价标准为0.2、0.4、0.6、0.8，由低到高分为5个安全等级，分别为Ⅰ（不安全）、Ⅱ（较不安全）、Ⅲ（临界安全）、Ⅳ（较安全）、Ⅴ（安全）。由于突变级数法综合评价值较大，且评价值之间的差距很小，难以用常规的评价标准来得到评价结果，因此需要将常规评价标准转换为突变级数法使用的标准。本文的评价标准转换思路为：在突变指标体系和各层指标重要性确定的前提下，当底层指标对应的隶属度值均取为ym（m=1，2，3，…，m），由突变级数法进行运算，可以得到其综合评价值为rm（m=1，2，3，…，m）。由相应的突变模型及归一化公式计算准则层和目标层的评价标准[20]，如表3所示。

2 结果与分析

运用公式（1）对原始数据进行标准化处理，然后根据各层指标相应的突变级数模型，利用表1中的归一化公式，由低到高计算准则层和目标层的综合评价值，最后根据表3得出2004—2013年新疆耕地生态安全等级，如表4所示。

2.1 综合系统安全状况分析

由表4可知，新疆耕地生态系统安全水平呈直线上升趋势，安全隶属度值由2004年的0.600 7上升至2013年的0.962 3，安全等级经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全的发展历程，综合系统安全水平的稳步提升主要得益于状态系统和响应系统安全水平的明显改善。2005—2008年综合系统安全水平一直处于较不安全状态，且隶属度值有所波动，主要是因为这4年间粮食单产一直处于下降趋势，由2005年的2 536.799 kg·hm-2下降至2008年的2 203.871 kg·hm-2。2009—2013年综合系统安全水平经历了临界安全和较安全的发展历程，且隶属度值一直保持上升的趋势，这主要得益于政府采取了多项措施严格保护耕地，同时加大对土地整治项目的扶持力度，人均耕地面积由2009年的0.182 4 hm2·人-1增加至2013年的0.223 8 hm2·人-1，年均增长率1.59%，说明基本农田保护、土地整治、后备耕地资源开发等一系列耕地保护措施的实施效果明显，为新疆耕地生态安全水平的提高起到了积极的推动作用。

2.2 压力系统安全状况分析

压力系统安全等级经历了较不安全→临界安全→较安全的发展历程，安全隶属度值由2004年的0.798 8上升到2013年的0.950 8，总体来看安全水平得到了一定的提高。但2005—2012年压力系统一直处于临界安全水平，说明压力系统安全问题并没有得到根本缓解。主要原因是耕地生态环境压力加大，单位耕地化肥负荷率由2005年的311.665 kg·hm-2增加到2012年的488.911 kg·hm-2，年均增长率达到6.64%，耕地面源污染不断加重。

2.3 状态系统安全状况分析

状态系统安全水平总体上得到了较大改善，由2004年的不安全状态上升为2013年的安全状态。2004—2008年状态系统一直处于不安全状态，安全隶属度值有所提高，但仍处于不安全标准之下，主要原因是2006年以来新疆遭遇了极端干旱天气，降水量大幅度减少，干旱造成的缺水对耕地生态安全造成了极大危害，人均水资源量由2004年的4 789 m3·人-1下降到2008年的3 798 m3·人-1，耕地有效灌溉率由2004年的68.46%下降到2008年的62.13。2009—2013年状态系统安全水平由较不安全提高到安全水平，主要原因是农业水利灌溉设施建设步伐加快，节水灌溉技术得到全面推广，耕地灌溉有效率和节水灌溉率分别以3.59%和7.39%的年均增长率提高。

2.4 响应系统安全状况分析

响应系统安全水平逐步上升，安全隶属度至由2004年的0.379 6上升至2013年的0.970 1，安全等级经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全→安全的发展历程。这主要得益于社会经济水平的快速发展，2004—2013年农牧民的人均纯收入由2 245元·人-1提高到7 296元·人-1，年均增长率12.51%;单位耕地农业总产值由15 317元·hm-2提高到42 498元·hm-2，年均增长率10.74%。

3 结论与讨论

突变级数法的应用避免了主观确定评价标准引起的不确定性对评价结果准确性的影响，同时该方法不需要对评价指标确定具体的权重，因此更加便捷准确，消除了人为赋权的主观性。结果表明：2004—2013年新疆耕地生态安全水平经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全的发展历程;压力系统安全水平经历了较不安全→临界安全→较安全的发展历程;状态系统安全水平经历了不安全→较不安全→较安全→安全的发展历程;响应系统安全水平经历了不安全→较不安全→临界安全→较安全→安全的发展历程。

（1）研究发现新疆耕地生态系统10年来发展趋势总体上看是好的，主要的障碍因素是单位耕地化肥负荷率和人均水资源量。

（2）新疆作为典型的干旱区省份，水资源短缺是制约农业发展和生态环境改善的关键因素。鉴于此背景，一方面应加大农业基础设施建设投资力度，修建农田水利灌溉设施，保障农业用水;另一方面要提高农业灌溉技术，倡导微灌、滴灌等节水灌溉技术，提高水资源有效利用率。

（3）耕地利用中化肥、地膜的过量使用造成的农业面源污染严重，给耕地生态安全带来了巨大的挑战。鉴于此背景，一方面应大力推广测土配方施肥技术，提高肥料利用率;另一方面要推动农作物病虫害统防统治和绿色防控，优先采用生态控制、物理防治和生物防治措施，减少农药的施用量。

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