新郑市耕地生态安全动态预警研究

张秋霞，张合兵，刘文锴，刘怡真

（1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000；2.华北水利水电大学，郑州450046；3.河南省地图院，郑州450008）

新郑市耕地生态安全动态预警研究

张秋霞1，张合兵1，刘文锴2，刘怡真3

（1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000；2.华北水利水电大学，郑州450046；3.河南省地图院，郑州450008）

耕地生态安全预警对改善耕地生态安全水平，保障粮食安全具有重要的意义。以河南省粮食主产区新郑市为研究对象，基于压力、状态、响应（P-S-R）和生态、环境、经济、社会（E-E-E-S）框架模型，构建了耕地生态安全预警指标体系。引入变权理论确定指标权重，运用改进物元可拓模型确定新郑市2001—2010年耕地生态安全预警等级，并采用障碍度模型分析耕地生态安全障碍因子。结果表明：2001—2010年新郑市耕地生态安全水平总体呈现上升趋势，预警等级由Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全）；2009—2010年预警等级虽处于较安全（Ⅳ级），但有下降趋势。制约新郑市耕地生态安全水平的主要障碍因子是地均化肥使用强度、耕地复种指数、人均粮食产量、城市化水平、耕地垦殖率、人口自然增长率、人均水资源量、地均地膜使用强度、第三产业占GDP比重、农业经济比重、未利用土地比重等，这些因子应是今后改善新郑市耕地生态安全的重点。

耕地生态安全；障碍度；变权物元可拓模型；新郑市

耕地资源作为最宝贵的土地资源，是粮食生产中最重要的生产要素，是国家生存安全的重要保障，是构建生态良好的土地利用格局的重要组成[1]。近年来，随着社会经济的不断发展和城镇化水平的不断提高，农田环境污染不断加剧，耕地生态环境状况急剧恶化，耕地生态安全问题日益凸显。因此，研究耕地生态安全，保护现有耕地资源免受重复污染与破坏，成为目前需要关注和解决的科学问题，尤其是粮食主产区的耕地生态安全对国家粮食安全的战略意义更为重要。

目前对耕地生态安全预警研究方法主要使用较为成熟的层次分析法[2]、熵值法[3]、PSR模型[4-5]、可拓模型[6]、生态足迹模型[7]、TOPSIS模型与马尔可夫链模型[8]等。PSR模型与EEES框架模型相结合，更能体现生态、环境、经济、社会之间的相互作用关系；物元可拓模型是一种解决评价对象模糊性、多样性、不相容性的评价方法[9]，能够综合各种指标的全部信息，并揭示更多的分异信息，但也存在不完善之处，进而将对物元可拓模型进行改进，同时引入能反映生态安全预警及时性与动态性的变权理论确定指标权重。鉴于此，尝试将PSR-EEES模型和改进变权物元可拓模型相结合，通过PSR-EEES模型构建耕地生态安全预警指标体系，引入变权理论确定指标权重，改进物元可拓模型构建新郑市耕地生态安全预警模型，研究新郑市耕地生态安全预警等级，运用障碍度模型诊断新郑市耕地生态安全预警的主要障碍因子。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新郑市位于河南省中部，处于华北平原、豫西山地向豫东平原过渡地带，是中原经济区的核心地带，隶属于郑州市，地处北纬34°16′—34°39′，东经113°30′—113°54′，北靠郑州市，东邻中牟、尉氏，南连长葛、禹州市，西与新密市接壤，囊接郑州市建设航空港区的重要经济发展区域，郑州市规划建设中的三大物流中心之一，即首个国家级航空港试验区——郑州航空港经济综合试验区。属暖温带大陆性季风气候，气温适中，四季分明。年均气温14.2℃，年均降水量676.1 mm，年均日照时数2 114.2 h，全年无霜期208 d。多年平均水资源总量为1.473 3亿m3，人均占有水资源量236 m3。

新郑市属粮食主产区，全年粮食总产量27.31万t，土地总面积886.721 7 km2，辖12乡镇，耕地占全市土地面积的60.51%，达到536.545 4 km2，土壤类型多样，主要以褐土、潮土与风砂土土类为主，境内主要为平原高效区、低山丘陵区和沙地区三个不同生态类型区，是中原经济区的典型区域，素有“河南缩影”之称。根据新郑市2014年国民经济和社会发展统计公报显示，年末总人口64.61万人，全年地区生产总值525.3亿元，一、二、三产业增加值占地区生产总值的比重分别为3.4%，69%和27.6%。当前，河南省正处于推进“三化协调，科学发展”的关键时期，随着新郑市经济社会发展进程的加快，以及航空港经济区的快速发展，耕地生态安全将面临着较大挑战。

1.2 数据来源

原始经济数据均来源于《新郑市统计年鉴》（2001—2010年）和《河南省统计年鉴》（2001—2010年），耕地面积相关数据均来源于河南省土地利用现状数据集（2001—2010年）。

1.3 指标体系构建

评价指标体系是耕地生态安全预警的基础和关键，直接影响到预警评价结果的科学性和可靠性。耕地生态安全系统是一个受人口、资源、环境、经济和社会等多方面因素共同作用的复合系统，预警指标的选取不仅要反映人类活动和经济社会发展对生态环境的影响，同时也需要体现出生态环境对人类活动和经济社会发展的反馈作用。结合新郑市耕地生态安全的特征，采用经济合作与开发组织（OECD）与联合国环境规署（UNEP）共同提出的用于研究环境问题的PSR框架体系模型[即压力（Pressure）—状态（State）—响应（Response）]，依据指标体系构建的科学性、全面性、代表性和可操作性原则，结合EEES框架模型[即生态（Ecological）—环境（Environment）—经济（Economy）—社会（Society）]，从压力、状态、响应三个方面，遴选和构建3个准则层12个因素层31个指标的耕地生态安全预警指标体系，见表1。

1.4 物元可拓模型的改进

物元可拓模型以物元理论和可拓集合论作为理论框架，通过建立经典域、节域和评价等级，根据实测值计算待评物元关于评级等级的关联度，以此来确定待评对象的等级[10]。

模型的改进克服传统物元可拓模型的局限性，有效解决评价指标实测值超出节域等问题，使评价结果更准确，更真实反映指标对待评物元的正向影响和逆向影响。首先对经典域、节域和待评物元作归一化处理，即每个经典域和待评物元的实测值都除以节域右节点的数值。其次耕地生态安全预警是一个多指标定量综合研究的过程，确定合理的预警指标权重具有举足轻重的地位，大多数研究中权重的确定采用常权权重方法[11]，不能反映生态安全预警的及时性与动态性。运用变权理论，采用归一化处理后的数值确定各预警指标的权重，则有助于解决常权方法中的缺陷，减少确定评价指标权重时的主观性，体现预警对象在耕地生态安全预警等级确定中的主动参与，使耕地生态安全预警指标权重的确定更加具有科学性。最后是改进物元可拓模型中计算待评物元等级时引入非对称贴近度公式和等级变量特征值确定预警对象等级，克服模糊关联度法在某些情况下不能反映待评物元自身界限的模糊性、容易损失信息，从而易导致评定结果偏差的问题。

表1 新郑市耕地生态安全预警指标体系

改进的变权物元可拓模型的基本思想是：首先将预警对象分为j个等级，结合国家、地方有关标准和相关文献资料确定各预警指标等级的范围和预警等级的划分；其次，对经典域、节域和预警对象进行归一化处理，并运用变权理论确定各预警指标的权重；然后运用归一化数值和权重值计算贴近度和等级变量特征值，确定预警对象的等级。

改进变权物元可拓模型的耕地生态安全预警等级计算步骤为：

（1）确定耕地生态安全物元R，由耕地生态安全等级P，耕地生态安全预警指标c和特征量值v共同构成，模型中具有n个指标，m个预警等级。即：

（2）确定耕地生态安全的经典域νij、节域νpi和预警对象R0。

式中：Pj为第j个预警等级；c1，c2，…，cn为Pj的n个不同特征；ν1j，ν2j，…，νnj分别是Pj对应于c1，c2，…，cn的取值范围，即经典域；aij和bij为vij的取值边界。

式中：P为预警对象等级的全体；νp1，νp2，…，νpn分别是P对应于c1，c2，…，cn的取值范围，即节域。

综合物元矩阵、经典域矩阵与节域矩阵，确定耕地生态安全预警对象的矩阵，即：

式中：R0为预警对象；ν1，ν2，…，νn分别是P0关于c1，c2，…，cn的实测数据。

（3）对预警对象、经典域、节域做归一化处理。由于预警指标特征值量纲不一，取值范围不同，需要对物元可拓模型进行改进，在进行变权和贴近度函数计算之前需对预警对象、经典域和节域做归一化处理。

（4）运用变权公式确定权重。基于变权理论的指标权重计算，首先运用步骤（3）的公式（5），（6）对因素常权变量做归一化处理，即各指标的常权变量相等，由预警指标实测值的归一化处理数据和其对应节域来确定变权向量。ωi（x）的计算公式为：

（5）计算等级变量特征值，确定预警等级。通过对贴近度准则代替最大隶属度准则的分析[12]，提出非对称贴近度公式：

式中：N为贴近度；D为距离；ωi为权重。

将公式（8）应用到可拓评价模型中，可得

式中：j*为待预警对象R0的等级变量特征值，通过j*可以判断待预警对象R0偏向相邻等级的程度，确定预警对象的等级。

1.5 障碍度模型

为了进一步了解耕地生态安全预警指标对预警等级的影响，有针对地提高耕地生态安全预警等级，寻找耕地生态安全预警等级障碍因子至关重要。根据障碍度模型，引入因子贡献度ωj、指标偏离度pij和障碍度Aj共3个指标对预警指标障碍度进行诊断，即：

2 结果与分析

2.1 预警结果与分析

2.1.1 评价标准的确定 耕地生态安全预警评价标准的制定是耕地生态安全预警的关键环节，耕地生态安全预警等级的评价标准不仅复杂，而且需要因地制宜，由于现阶段我国耕地生态安全预警尚处于探索阶段，还未有统一的评价标准，参照国家生态安全评估体系研究成果[13]以及相关研究[14-15]，依据耕地生态安全的可拓性，将耕地生态安全等级划分为五级即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，按照警度由劣到优，分别为危险—脆弱—预警—较安全—安全。

2.1.2 经典域和节域的确定 经典域的确定是物元评价模型的基础，在确定生态安全预警指标体系和安全等级基础上，参考国家、行业及国际相关标准，研究区域背景值、类比标准和相关研究[16]等，通过对新郑市历年数据的统计分析并结合新郑市区域特点，确定新郑市各预警指标对应的各生态安全级别的阈值，即经典域；节域为其对应指标经典域之和，见表2。

表2 耕地生态安全预警指标经典域和节域值

2.1.3 预警等级确定 通过对预警对象实测数据，经典域和节域的归一化处理，采用变权公式计算预警指标的权重，运用非对称贴近度模型和可拓模型，计算2001—2010年新郑市耕地生态安全预警指标准则层（即耕地生态安全压力指标P、耕地生态安全状态指标S和耕地生态安全响应指标R）预警等级的贴近度和等级变量特征值，以及2001—2010年新郑市耕地生态安全预警等级的贴近度和等级变量特征值（表3），最后，根据等级变量特征值判断待预警对象R0偏向相邻等级的程度，确定预警对象R0所在的等级。

表3 新郑市耕地生态安全预警等级变量特征值及等级评定

2.1.4 预警结果与分析 由表3可知，2001—2010年新郑市耕地生态安全预警等级总体上呈现不同等级的上升趋势，表明新郑市耕地生态安全水平不断提高，等级变量特征值从2001年的3.386增加到2010年的3.686，耕地生态安全预警等级从Ⅲ级（预警）上升Ⅳ级（较安全），其中在2009年下降为3.678，2010年上升为3.686，与2008年基本持平，说明虽然新郑市的耕地生态安全整体上向较安全发展，但近两年仍然出现了不同程度的波动，这与新郑市近年来经济快速发展以及航空港经济区建设有关。

新郑市耕地生态安全预警等级的不断上升，耕地生态安全预警指标的等级及其变化的影响起到至关重要的作用。

（1）由表3可知，2001—2010年，新郑市耕地生态安全压力指标预警等级总体呈现上升趋势，从Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全），等级变量特征值由2001年的3.348到2010年的3.523。其中2003年在2001—2002年上升后出现了下降，甚至低于2001年，主要是由于人均日生活用水量在2002年减少到120.74 L，之后2003年突然增加到129 L，几乎与2001年持平，人均耕地面积2003年出现减少，GDP增长率2003年增长到13%，农业经济比重在2003年出现大幅度下降，人口自然增长率在2002年降低后出现小幅上涨；2004—2008年逐渐上升为较安全（Ⅳ级），而2009—2010年虽然仍处于较安全（Ⅳ级），但出现了下降趋势，主要是由于单位面积的化肥使用强度逐渐增加，单位面积地膜使用强度2008年开始下降后在2010年增加到6.371 kg/hm2。表明新郑市耕地生态安全面临的生态压力、环境压力、经济压力和社会压力仍有不断增大的趋势，主要是农药、化肥和地膜的使用强度对耕地的污染，GDP增长率的不稳定，农业经济结构的调整，以及近两年人口自然增长率的增加等对耕地生态安全所面临的压力有一定的制约作用。

（2）2001—2010年耕地生态安全状态指标预警等级总体呈现上升趋势，从Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全），等级变量特征值逐渐由2001年的3.40上升至2010年的3.747，表明耕地生态安全状态在不断得到改善，但是近两年耕地垦殖率的降低，人均粮食产量的减少，建设用地面积的增加都应该加强重视，预防耕地生态安全的恶化。

（3）2001—2010年耕地生态安全响应指标预警等级整体呈现上升趋势，从预警（Ⅲ级）上升为较安全（Ⅳ级），等级变量特征值逐渐由2001年的3.419上升至2010年的3.833。其中2004年、2006年、2009年的等级变量特征值相比上年都有微弱下降，主要是由于建成区绿地覆盖率和第三产业占GDP的比重在2004年、2006年、2009年都出现了不同程度的下降，表明耕地生态安全响应指标的生态安全水平处于逐渐提高的趋势，2003年以来对农业投入的重视和农业机械化技术的提高，人均绿地面积、污水处理等指标的逐渐重视，使得人均GDP、农民人均年纯收入得到不断增加，对耕地生态安全的改善起到了很大的作用。

综上所述，2001—2010年，新郑市耕地生态安全压力指标、状态指标和响应指标均由Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全），新郑市耕地生态安全预警等级也由Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全）；耕地生态安全响应指标在2003年已经为Ⅳ级（较安全），说明在2003年开始新郑逐渐重视耕地生态安全，但随着耕地生态安全面临压力的不断增加，新郑市耕地生态安全开始上升缓慢，甚至在2009年出现小幅下降趋势。因此，在加快新郑市“三化协调”发展的过程中，应该重视新郑市耕地生态安全面临的压力，如人均日生活用水量的减少、人均耕地面积、农业经济比重、人口自然增长率以及农药化肥地膜的污染等等，将来可能会影响并阻碍新郑市耕地生态安全的提高，甚至造成耕地生态安全预警等级的下降。与此同时，还应该加强耕地质量，合理调整土地利用结构，优化资源配置，提高农村经济社会发展，实现农业现代化的同时保证耕地生态安全。

2.2 障碍因子诊断

运用障碍度模型，计算出新郑市耕地生态安全预警指标层障碍度（表4）和准则层障碍度（表5），并排序得出新郑市耕地生态安全预警的主要障碍因子（表6）。

表4 新郑市耕地生态安全预警指标层主要障碍因子障碍度及排序

表6 2001-2010年新郑市耕地生态安全预警主要障碍因子出现的频率

2.2.1 准则层障碍因子诊断 由表5可知，准则层指标对新郑市耕地生态安全预警的障碍度及变化趋势各不相同。从总体上看，耕地生态安全压力指标障碍度总体呈现上升趋势，耕地生态安全状态指标障碍度总体呈现下降的趋势，耕地生态安全响应指标障碍度基本稳定，但也存在不同程度的上升或下降。其中因素层中生态压力、环境压力、环境状态、社会响应均呈现上升趋势；经济状态、社会状态、经济响应均呈现下降趋势；生态状态呈现先下降后上升的趋势。从障碍度数值上看，准则层中耕地生态安全压力指标是最大的障碍度；因素层中环境压力、经济响应始终是新郑市耕地生态安全的最大障碍度。因此，要提高新郑耕地生态安全，需要缓解环境污染对耕地的压力，才能加快农业产业化的进程，实现农业现代化建设。

2.2.2 指标层障碍因子诊断 由表4和表6可知，2001—2010年新郑市耕地生态安全预警指标主要障碍因子是地均化肥使用强度v4，耕地复种指数v16，人均粮食产量v21，城市化水平v11，耕地垦殖率v13，人口自然增长率v12，人均水资源量v1，地均地膜使用强度v6，第三产业占GDP比重v29，农民人均年纯收入v28，人均GDPv27，经济密度v9，建设用地增加率v22，农业经济比重v8，未利用土地比重v17，农电集约度v19，建成区绿地覆盖率v24。

2001—2007 年地均化肥使用强度v4是新郑市耕地生态安全最大的障碍因子，耕地复种指数v16，人均粮食产量v21，城市化水平v11，耕地垦殖率v13，人口自然增长率v12，人均水资源量v1，地均地膜使用强v6，第三产业占GDP比重v29，农民人均年纯收入v28，人均GDPv27和地均化肥使用强度v4出现的频率相同。除了农民人均年纯收入v28，人均GDPv27外，2008—2010年耕地复种指数v16，人均粮食产量v21，城市化水平v11，耕地垦殖率v13，人口自然增长率v12，人均水资源量v1，地均地膜使用强度v6，第三产业占GDP比重v29和地均化肥使用强度v4仍然是主要的障碍因子，表明随着城镇化进程的加快，作为粮食主产区新郑市的粮食产量、人口增长、产业结构的合理布局以及造成的环境污染和水资源大幅度下降都成为新郑市耕地生态安全的主要影响因素。

2008年农业经济比重v8成为新郑市耕地生态安全最大的障碍因子，到2009年和2010年未利用土地比重v17和农业经济比重v8成为新郑市耕地生态安全主要的障碍因子。表明2008—2010年，新郑市的未利用地比重和农业经济比重逐渐成为新郑市耕地生态安全的主要障碍因子，因此，调整优化土地利用结构和产业结构，不断提高粮食综合生产能力成为目前“三化协调”发展的主要调控对象。

综上所述，制约新郑市耕地生态安全的主要障碍因子是地均化肥使用强度、耕地复种指数、人均粮食产量、城市化水平、耕地垦殖率、人口自然增长率、人均水资源量、地均地膜使用强度、第三产业占GDP比重、农业经济比重、未利用土地比重。

3 结论与讨论

利用建立的PSR-EEES预警指标体系和改进变权物元可拓模型，对新郑市2001—2010年耕地生态安全预警进行分析，得到2001—2010年新郑市耕地生态安全预警等级呈现上升趋势，从Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全）；新郑市耕地生态安全压力指标、状态指标和响应指标均由Ⅲ级（预警）上升为Ⅳ级（较安全）。等级变量特征值从2001年的3.386增加到2010年的3.686，耕地生态安全水平不断提高，但是2009—2010年耕地生态安全压力指标的下降使得预警等级的增速变缓，表明耕地生态安全仍面临威胁，仍需加强预防和保护力度，减轻耕地生态压力，防范进一步恶化的风险，保证耕地生态安全水平。

通过对障碍因子的诊断可知，准则层中新郑市耕地生态安全压力指标是最大的障碍度；因素层中环境压力、经济响应始终是新郑市耕地生态安全的最大障碍度。新郑市耕地生态安全预警指标中主要障碍因子是地均化肥使用强度、耕地复种指数、人均粮食产量、城市化水平、耕地垦殖率、人口自然增长率、人均水资源量、地均地膜使用强度、第三产业占GDP比重、农业经济比重、未利用土地比重。因此，目前在“三化”协调发展的同时，仍需要节约和集约利用土地为核心，科学用地，提高土地利用的效率和效益，转变土地利用方式，优化土地利用布局，提高耕地质量和产能；深化结构调整，引导和促进经济增长方式的转变，优化资源配置，控制水资源总量的用量和污染，加强对耕地退化、耕地污染的防范与治理，改善耕地生态环境，提高耕地生态环境质量，保证耕地生态安全。

通过变权理论和物元可拓模型的改进构建耕地生态安全预警模型，动态分析了新郑市耕地生态安全预警等级和预警指标的预警等级，提出主要障碍因子对耕地生态安全预警未来发展的影响。但是在构建指标体系时，由于数据的难以获取和局限性，在指标的选取方面仍存在不足和缺陷；经典域目前没有统一的标准，在制定的过程中必定会存在一定的主观性，而这些不足都会导致预警结果的偏差，因此需要进一步研究并改善。文章仅从时间上对新郑市耕地生态安全预警进行研究，空间上的研究以及预警系统的建立将是今后进一步研究和探讨的方向。

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Study on Early-warning of Cultivated Land Ecological Security in Xinzheng City

ZHANG Qiuxia1，ZHANG Hebing1，LIU Wenkai2，LIU Yizhen3
（1.School of Surveying and Land Information Engineering，He′nan Polytechnic University，Jiaozuo，He′nan454000，China；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou450046，China；3.Map Institute of He′nan Province Zhengzhou450008，China）

Early warning of cultivated land ecological security is greatly helpful for the cultivated land ecological security situation and food security.Taking the major grain-producing area of Xinzheng City in He′nan Province as the research object，we constructed an evaluation index system of cultivated land ecological security early-warning by employing the Pressure-State-Response（P-S-R）conceptual framework model and Ecological-Environment-Economy-Society（E-E-E-S）framework model.Introducing variable weight theory to determine the weights of all rating indices，the early-warning level of cultivated land ecological from 2001 to 2010 in Xinzheng City of He′nan Province was calculated based on improved matter-element extension model，and concluded main obstruction factors which were relevant with cultivated land ecological security by using disorder degree model.The results indicated that the overall level of cultivated land ecological security presented an upward trend from ‘early warning’to‘relative security’in Xinzheng City from 2001 to 2010.The early-warning values of cultivated land ecological secutrity was appeared to the downward trend from 2009 to 2010 although level characterized as‘relative security’.The key obstacles for further improvement of cultivated land ecological security of Xinzheng City included fertilizer load per unit of cultivated land，the multiple cropping index of cultivated land，per capita output of grain，urbanization，land reclamation rate，population growth rate，per capita possession of water resources，mulch load per unit of cultivated land，the proportion of the tertiary industry in the gross domestic product，the proportion of the agricultural economy，the proportion of unused land.These factors are the focus to be improved in terms of cultivated land ecological security of Xinzheng City in the future.

cultivated land ecological security；obstacle degree；matter-element extension model；Xinzheng City

F323.22

A

1005-3409（2017）01-0256-09

2016-04-25

2016-06-20

国土资源部公益性行业科研专项“河南省典型区高标准基本农田建设技术及应用”（201411022）

张秋霞（1985—），女，河南济源人，博士研究生，研究方向为矿区土地复垦与生态重建。E-mail：zqx307784104＠163.com