基于PSR和改进熵值法的县域耕地生态安全评价研究

刘亚男，李淑杰，黄烁秋

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

基于PSR和改进熵值法的县域耕地生态安全评价研究

刘亚男，李淑杰*，黄烁秋

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

以汪清县为例，基于PSR模型建立耕地生态安全的评价指标体系，指标标准化后基于改进的熵值法测算指标因子权重，综合定量评价了汪清县2005～2015年耕地生态安全。结果表明：2005～2015年间汪清县耕地生态安全总指数由0.2045增加到0.7072，评价等级由危险级过渡到敏感级，耕地生态安全状况已得到改善，可维持基本生态功能。但目前耕地生态安全面临的问题还很严峻。改进的熵值法测算权重解决了熵值法确权时偏离标准值太大的指标权重值太大的问题；提出了耕地生态保护的措施，为耕地保护提供科学参考。

耕地；生态安全；PSR；改进的熵值法；汪清县

0 引言

耕地作为土地资源的一部分，是人类最珍贵的财富，是人类生存发展的根本，耕地的安全关系到人类生存及可持续发展[1]。随着时间进程及社会发展，人类对土地的需求与日俱增，城镇化、工业化进程的加快，导致耕地资源不断减少；耕作中化肥、农药等的使用以及生活生产中产生的垃圾都使得耕地质量逐渐下降，同时人类活动也会影响耕地生态环境的变化。

党在十八大将生态文明建设提升到国家“五位一体”建设的地位后，国务院推出关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见。2017年中国两会热议耕地“三位一体”保护，耕地数量、质量、生态一样都不能少，耕地的生态安全问题已然是当今关注的热点问题之一[2]。

迄今为止，国内外都逐步开始对耕地生态安全进行研究。Di Pietro从景观生态学的角度对庇里牛斯山中部的农业土地生态安全进行评价，并分析了其发展的可持续性[3]。Rasu结合农业生态环境与社会经济，选取相应指标评价了孟加拉国的耕地生态安全及可持续发展[4]。国内学者也开始关注耕地生态安全，王万茂等系统阐述了耕地生态保护规划的原则、内容、程序和方法[5]；朱红波分析了中国耕地资源生态安全的特征及影响因素[6]；王千等基于空间格局分析技术，在压力-状态-响应框架下，结合能值理论，分析了河北省耕地生态安全及空间聚集格局[7]。耕地的生态安全关乎着人类当前及将来的生产生活，只有人类、社会、生态之间互相协调，整个系统才能有序可持续的发展。

汪清县作为吉林省县级区域面积第二大县，由于林地面积占比较大，被命名为“中国木业之都”。本文以汪清县为例，运用PSR模型，参考我国环境保护部对生态县、生态市、生态省建设的指标[8]，选取了15个指标因子，指标标准化后基于改进的熵值法确定了指标权重，综合评价了汪清县耕地生态安全情况，为县域耕地生态安全评价提供科学参考。

1 研究区概况

汪清县位于吉林省延边朝鲜族自治州东北部，东经129°51′～130°56′、北纬43°06′～44°03′。南北纵长108 km，东西横距152 km，地处长白山东麓，紧靠东北亚经济贸易区。相邻我国开放城市绥芬河、珲春、图们，面向绥芬河、长岭子、沙坨子、图们、三合、南坪、双目峰等8个口岸，距俄罗斯40 km，距朝鲜18 km。汪清县属长白山区境，内有老爷岭山脉，从东南走向北，其支脉几乎横贯全县，海拔1447 m。汪清县属于北半球西风带中温带季风气候区，具有春季和暖风大、夏季短促多余、秋季凉爽晴朗、冬季漫长寒冷的特点。区域面积9016 km2，是吉林省县级区域面积第二大县(图1)。

图1 汪清县在吉林省位置示意图

2 数据来源

数据来源于《汪清县年鉴》(2005～2015年)，《延边州年鉴》(2005～2015年)，《吉林省年鉴》(2005～2015年)，汪清县土地利用调查数据库，汪清县国民经济和社会发展统计公报，汪清县土地利用总体规划，《中国农村统计年鉴》，《中国城市统计年鉴》以及其他统计资料。

3 研究方法及过程

3.1 PSR模型及评价指标体系

PSR(Pressure-State-Response)模型，即压力、状态、响应模型。最初由加拿大统计学家David J.Rapport和Tony Friend提出，后于20世纪80～90年代由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)共同发展起来的用于研究环境问题的模型。该模型同样适用于耕地生态环境评价。全球生态系统是一个统一的系统，包括耕地生态系统，统称为资源生态系统，人类在生产生活中从资源生态系统中获取所需粮食及其他资源，同时又向生态系统排放垃圾废物，改变了生态系统的自然环境及物质储量，而生态系统的变化也会影响人类的生存与发展，因而人类社会又通过采取各种措施来应对这种变化。该模型即是将人类与生态系统相互联系，构成人类与自然界之间的压力-状态-响应关系模型。

根据PSR模型，选取的指标分为3类，即压力指标、状态指标和响应指标。评价指标因子体系见表1。

3.2 指标标准化

对耕地生态安全影响的指标分为正向指标和负向指标，正向指标对耕地生态安全起正向作用，负向指标对耕地生态安全起负向作用，对正负向指标的无量纲标准化处理方式如下：

正向指标：Zij=(Aij-minAij)/(maxAij-minAij)

负向指标：Zij=(maxAij-Aij)/ (maxAij-minAij)

其中：Zij代表指标因子标准化值；Aij代表第i年第j个指标因子原始值；maxAij、minAij分别为研究区间内第j个指标因子原始值的最大值、最小值；Zij处于[0,1]之间，指标标准化数值见表2。

3.3 指标权重值

耕地生态安全评价过程中涉及到的因子较多，指标权重的确定关系到评价结果的客观准确性[9]，因此在研究中为了体现客观性，选用了指标赋权法中的客观赋权法。客观赋权法是根据指标的数据间的关系通过一定的方法来确定指标权重，反映指标的相对重要程度，包括主成分分析法、因素分析法、聚类分析法和熵值法等。本文评价指标权重确定基于熵值法，对于熵值法确权时偏离标准值太大的指标权重值太大的问题，借鉴层次分析法，对熵值法进行改进[10]，过程如下：

(1)基于熵值法计算指标的差异性系数：

差异性系数：αj=1-Hj

(2)差异性系数比的最大值：β=maxαj/minαj

其中：γ为映射比；δ为调整系数，若β≤9，则δ取最接近β的整数值，反之δ取9。标度值与映射值间的对应关系见表3。

表1 评价指标因子体系

表2 指标因子标准化值

表3 1～9标度映射值表

(4)基于改进熵值法的判断矩阵：先计算指标间的差异性系数比，若比值小于1，则取其倒数；再计算差异性系数比与1～9标度映射值的差值，差值绝对值最小的那个标度作为指标间的相对重要性比较结果，从而建立基于改进熵值法的判断矩阵，结果如下：

(5)计算评价指标因子权重值：基于上式的判断矩阵，求取指标因子的权重值，结果见表1。由于计算过程中是基于指标间的差异性系数比，不会出现指标间重要性不一致性的问题，因此本次判断矩阵不用进行一致性检查。

3.4 耕地生态安全评价

耕地生态安全综合指数反映耕地生态安全状况的变化，本文采用多因素综合评价方法计算汪清县耕地安全综合指数，公式如下：

其中：C代表耕地生态安全综合指数；Zij代表指标因子标准化值；Qij代表指标因子权重值；m为指标因子个数。

为了客观科学地评定耕地生态安全状况，通过参考众多相关文献[1,11-20]，并根据汪清县实际情况，将汪清县耕地生态安全指数划分为5个区间等级，级别标准见表4。

表4 耕地生态安全评价标准

综合指数区间级别状况(0，0．25)危险耕地生态系统遭到破坏，生态系统功能运转不正常，生态灾害严重，缺乏生态保护(0．25，0．5)风险耕地生态安全指数较低，生态安全存在风险，生态系统脆弱，生态问题显著(0．5，0．75)敏感耕地生态安全指数中等，生态系统受到一定的污染与侵袭，生态安全敏感，但可维持基本生态功能(0．75，0．9)良好耕地生态安全指数较高，生态系统功能运转较正常，系统受到的污染与侵袭较少，生态安全问题小(0．9，1．0)安全耕地生态安全指数高，生态系统功能运转正常，系统基本未受到污染与侵袭，几乎没有生态安全问题

4 结果与分析

综合以上研究方法及过程，得到汪清县2005～2015年间耕地在压力、状态、响应指标下的生态安全指数，如表5所示，生态安全指数高，则耕地生态安全度越高。

表5 汪清县2005～2015年间耕地生态安全指数

从表4可以看出，2005年汪清县耕地生态安全为0.2045，处于评价等级标准的危险级，此时耕地生态系统遭到破坏，生态系统功能运转不正常，生态灾害严重，缺乏生态保护；2006～2008年，耕地生态安全指数由0.3107增加到0.4800，处于评价等级标准的风险级，政府开始意识到生态安全的重要性，对环境保护投资及治理力度加大；2009～2015年，耕地生态安全指数继续增加，到2015年增加到0.7072，此时处于评价等级标准的敏感级，生态系统受到一定的污染与侵袭，生态安全敏感，但可维持基本生态功能。

5 结论与讨论

以汪清县为例，基于PSR模型，选取了15个反映生态安全压力、状态、响应的评价指标因子，建立该评价研究的评价指标体系，指标标准化后基于改进的熵值法测算指标因子权重，综合定量评价了汪清县耕地生态安全。2005～2015年汪清县耕地生态安全评价总指数由0.2045增加到0.7072，评价安全等级由危险级到风险级再到敏感级，耕地生态安全状况已得到改善，但生态系统仍受到一定的污染与侵袭，生态安全较敏感，可维持基本生态功能，但目前耕地生态安全面临的问题还很严峻。

熵值法在确权的过程中，若指标的差异性系数值大，则该指标的权重值就大。评价体系中选取的指标在一定程度上并未完全反映出影响耕地生态系统的全部因素，因而单一指标权重太大会影响评价结果的可靠性。文中对熵值法进行改进，解决了熵值法确权时偏离标准值太大的指标权重值太大的问题，确保了评价结果的真实可靠性。

为了保护耕地生态安全，应采取相应的保护措施。在农田方面，要注重保持合理的投入产出，不能片面地追求高产量而忽略了对农田的投入，施用肥料的时候要少用无机化肥，多施有机肥料，保持耕地自我的生态调节能力；在自然灾害方面，政府要加大保障措施及资金投入，保护森林等用地，减少水土流失、泥石流等自然灾害，保障耕地生态安全；在人类社会经济方面，加大宣传耕地生态健康安全意识，提高人民素质等措施进一步改善耕地生态安全。

本文研究过程中基于PSR模型，选取的15个评价指标因子可能并未完整地反映影响耕地生态安全的全部因素，但研究结果仍能体现出目前汪清县耕地生态安全问题，可为汪清县区域发展及后续土地利用规划、城市规划及整治规划提供科学参考。

[1] 徐辉,雷国平,崔登攀,等.耕地生态安全评价研究:以黑龙江省宁安市为例[J].水土保持研究,2011,18(6):180-189.

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[3] Dipietro F. Assessing ecologically sustainable agricultural land-use in the central pyrenees at the field and landscape level[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2001, 86: 93-103.

[4] Rasulr T G. Sustainability analysis of ecological and conventional agricultural systems in Bangladesh[J]. World Development, 2003, 31(6): 1721-1741.

[5] 王万茂,李志国.关于耕地生态保护规划基本问题的探讨[J].中国生态农业学报,2001,9(4):54-55.

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(责任编辑：许晶晶)

Ecological Security Assessment of County-scale Cultivated Land Based on PSR and Improved Entropy Method

LIU Ya-nan, LI Shu-jie*, HUANG Shuo-qiu

(College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China)

Taking Wangqing county as an example, the author established an index system for the evaluation of cultivated land ecological security based on PSR model, measured the weight of every standardized index factor in the system by using the improved entropy method, and comprehensively and quantitatively evaluated the ecological security of cultivated land in Wangqing county from 2005 to 2015. The ecological security total index of cultivated land in Wangqing county increased from 0.2045 in 2005 to 0.7072 in 2015, and the evaluated grade transited from dangerous level to sensitive level, indicating that the ecological security status of cultivated land in this county has been improved and the basic ecological function of cultivated land was maintained. But the problems in the ecological security of cultivated land at present were still very serious. The improved entropy method was used to calculate the weight of index factors, and it solved the problem that the index whose value deviated from the standard value too much was given too big weight value by the entropy method. The measures for the ecological protection of cultivated land were put forward to provide a scientific reference.

Cultivated land; Ecological security; PSR; Improved entropy method; Wangqing county

2017-04-14

国家自然科学基金项目(71303006)；中国科学院知识创新项目(KZCX2-YW-Q1-07)。

刘亚男，女，山西大同人，硕士研究生，研究方向为土地经济管理与利用规划。*通讯作者：李淑杰。

S154.1

A

1001-8581(2017)08-0114-05