河西走廊绿洲农业可持续发展能力综合评价——以张掖市为例

曹 瑾，张亮晶，王丁宏

（河西学院经济管理学院，甘肃 张掖 734000）

近年来我国农业农村经济取得巨大成就的同时，农产品供求关系结构性失衡、农业资源过度开发、农业投入品过量使用、地下水超采以及农业内外源污染相互叠加等带来的一系列问题日益凸显，绿洲农业区尤甚。十八大以来，习近平总书记反复强调“绝不能以牺牲生态环境为代价换取经济的一时发展”，“绿水青山就是金山银山”。十九大报告又适时提出要“像对待生命一样对待生态环境”，实施“乡村振兴战略”。在此背景下，对生态环境非常脆弱的绿洲农业区可持续发展能力进行实时监测，定期评价，探寻绿洲农业可持续发展应对之策，具有十分重要的现实意义。

河西走廊位于甘肃省西北部，土地总面积27.4万平方公里，占甘肃省总面积的60%，辖武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市，是甘肃省主要商品粮、油、棉和蔬菜基地，是我国主要的绿洲农业分布区，也是我国极其重要的生态屏障，其农业可持续发展对整个国家和地区的可持续发展起着至关重要的作用。目前国内已有很多学者对农业可持续发展指标体系和评价方法进行探讨[1-3]，并就不同区域农业可持续发展进行评价[4-6]，但对生态环境非常脆弱的河西走廊绿洲农业可持续发展能力的研究仍然相对较为薄弱[7-9]。基于此，本文设计了河西走廊农业可持续发展能力评价指标体系，运用主成分综合评价模型和协调度模型，对位于河西走廊中段的张掖市进行实例研究，以期为河西走廊绿洲农业的可持续发展能力评价提供方法依据和决策参考。

一、材料与研究方法

（一）评价指标体系的构建

区域农业可持续发展系统（RASDS：Regional Agricultural Sustainable Development System）是在可持续发展思想的指导下，以资源环境和技术发展为约束条件，以人为主体，由农业经济、农村社会、农业资源、农业环境、农业生产、农业科技等因素耦合而成的具有地域特色的复杂系统[10]。因此，农业可持续发展不仅依赖于农业可持续发展复合系统能力的改善和提高，也包括“农业经济、农村社会、农业资源、农业环境、农业生产”等各子系统内在要素对农业可持续发展的支撑和保障能力的提高。

本文以可持续发展理论为指导，兼顾综合性、科学性、地域性和数据可获得性的原则，借鉴学术界已有的研究成果[11]，构建河西走廊绿洲农业可持续发展能力评价指标体系，共计32项指标（见图1）。32 个指标中有 8 个负向指标（C31、C32、C33、C34、C52、C53、C54、C55），其余均为正向指标。

图1 河西走廊绿洲农业可持续发展能力评价指标体系

（二）研究区概况

张掖市位于河西走廊中段，地势平坦，干燥少雨，南枕祁连山，北依合黎山、龙首山，黑河贯穿全境，荒漠绿洲景观明显，盛产小麦、玉米、豆类、瓜果、蔬菜等农作物，是全国重要的商品粮基地和良种繁育基地，甘肃省重要的无公害蔬菜基地。2015年，张掖市年末常住人口121.98万人，其中乡村人口70.52万人，占常住人口的57.81%。农村居民人均可支配收入10 823元，农村居民人均消费支出9 527元，均高于同期甘肃省平均水平（6 936元，6 830元）。粮食总产量 135.5万吨，增长2.2%，蔬菜产量169.3万吨，增长5.4%。建成玉米制种、马铃薯、高原夏菜、肉牛养殖等特色产业化基地21.47万公顷，年销售收入5 000万元以上农产品龙头企业达到56户，农产品加工转化率为60%。近年来，随着张掖市经济的发展，人类对自然环境的干预和扰动增强，促使干旱区绿洲形态发生显著变化，并引起一系列生态环境问题[12]，已严重威胁到张掖市农业可持续发展。

（三）研究方法

1.主成分分析法。主成分分析（PCA）是利用降维的思想，将高维数据投影到一个新的特征向量彼此正交的投影空间，实现对复杂过程数据的特征抽取，以便消除变量间的关联特性[13]。其主要的计算步骤为[14-16]：

（1）数据同向化处理。本文将M年中正向指标（对可持续发展能力提高起积极作用的指标）的最大值maxxj和负向指标（阻碍可持续发展能力提高的指标）的最小值minxj定为该指标的理想值。各指标与其理想值的比值定义为该指标的接近度x'，则：

（2）指标标准化。经过处理的数据符合标准正态分布，其转化函数为其中μ为所有样本数据的均值，σ为所有样本数据的标准差。

（3）建立相关系数矩阵R，通过相关系数矩阵判断是否能够进行主成分分析。

（4）根据总方差解释表、初始因子载荷阵和特征值碎石图确定主成分个数（主成分特征值大于1且方差累计贡献率≥85%为衡量标准）。

（5）确定主成分表达式，求得各主成分得分，即

式中，a1i，a2i，…，api，i=（1，…，m）为 x 的协方差阵∑的特征值对应的特征向量，zx1，zx2，…，zxp是原始变量经过标准化处理的值。

（6）将各主成分的方差贡献率λi作为权重，构建评价函数，计算综合评分值。

式中，FA是农业可持续发展能力综合评分值，λi是第i个主成分的方差贡献率，n是提取主成分个数。

2.协调度模型。协调度是度量系统之间或系统内部各要素之间协调状况好坏的定量指标。农业可持续发展能力的提高要求农业各子系统之间相互协调及其内部要素之间彼此和谐一致的耦合程度。定义协调度（H）的计算公式为[11]：表示样本变异程度，当农业可持续发展各子系统发展能力水平接近时，其变异系数越小。Hi越大，说明某年份的农业各子系统间耦合度越高，协调度越好，反之相反。

（四）数据来源

基于数据的可获得性及统计口径的一致性，本文中各项指标的基础数据分别来源于2000—2015年《张掖统计年鉴》[17]、《张掖市国民经济和社会发展统计公报》和相关政府部门，部分指标经过换算后得到。在运算前对8项逆指标（即C31、C32、C33、C34、C52、C53、C54、C55）用公式 2 进行预处理，对其余的正指标用公式1进行预处理。

式中：

Hi-第i年农业各子系统协调度；

Si-第i年各子系统可持续发展能力综合得分的标准差；

Mi-第i年的各子系统可持续发展能力综合得分平均值的绝对值。

二、研究结果与分析

（一）计算结果

1.张掖市农业可持续发展能力的评价结果。将正向化后的数据输入SPSS19.0，按上述步骤进行主成分分析。首先，观察进行运算的32个指标相关系数矩阵发现，许多指标存在显著的相关性（≥0.5），且相关性大小不一，初步判断可以进行主成分分析。其次，根据特征值不能小于1，方差贡献率不能小于5%和总方差贡献率必须大于等于85%的原则[14]，提取四个主成分，总方差贡献率累计达到91.461%，解释度较高（见表1）。限于篇幅，本文省略了标准化后的指标变量矩阵、相关系数矩阵和特征值碎石图。

表1 方差分解主成分提取分析表

根据式（3）可写出以标准化的原始变量表示的各主成分表达式：

最后，根据式（4）构造综合评价函数如下：

如果FA>0，表示农业可持续发展能力高于平均水平；FA<0，表示农业可持续发展能力低于平均水平；FA=0表示处于平均水平。

根据此函数，计算2000—2015年张掖市农业可持续发展能力的综合得分FA值如图2所示。方法原理同上，可分别计算出各子系统的动态变化趋势（见图2）。

图2 2000—2015年张掖市农业可持续发展能力评价综合得分

2.各子系统间协调度的评价结果。在此基础上，利用式（5）计算张掖市2000—2015年间农业可持续发展能力5个子系统间的协调度，由于子系统评价值中存在负数，为了消除负数的影响，对各子系统评价值进行坐标平移为平移后的指标，A为平移幅度（本文中A=3），然后按照协调度的衡量标准对历年农业可持续发展能力5个子系统之间的协调状况进行评价（见表2）。

表2 张掖市农业可持续发展能力协调度评价

（二）结果分析

1.张掖市农业可持续发展能力时序演变分析。张掖市农业可持续发展能力逐年增强。由图2可知，2000—2015年张掖市农业可持续发展能力的综合得分值FA从-3.109上升到5.68，表明张掖市农业可持续发展能力逐年提升，说明张掖市近年来通过优化财政支农供给结构，大力发展生态农业，推行现代农业是卓有成效的。从发展历程来看，张掖市农业可持续发展能力分为两个阶段：2000—2009年FA低于平均水平，但FA呈逐年提高态势，从-3.109上升到-0.792；2010年以后FA开始高于平均水平，从1.097增加到2015年的5.68，年均增长率达到了43.52%。进一步分析张掖市农业可持续发展能力不断增强的原因发现，在第一主成分上有较高因子载荷量的指标从2000年以来都有不同程度的增长，如农业生产总值、人均农业生产总值、人均粮食、人均果蔬产量、人均肉类、农业劳动生产率、农用耕地生产率、农村居民人均年收入、农业劳动力占乡村总劳动力比重、农村人均居住面积、城镇化水平、每千农业劳动力拥有的农业技术员、农村居民恩格尔系数、公路密度、人均耕地、人均草地、土地复种指数、森林覆盖率、自然灾害受灾面积比例等。2015年，张掖市公路密度、农业生产总值、人均农业生产总值、农业劳动生产率、农村居民人均年纯收入、农村居民每百户拥有的固定电话数分别是2000年的6.6倍、4.44倍、4.33倍、4.35倍、3.78倍、3.32倍。

2.各子系统支撑与发展能力分异特征。从五个子系统的发展趋势来看，除资源系统外，其他子系统的发展都呈上升趋势，但各子系统可持续发展能力的变化存在明显差异，环境和社会子系统发展速度最快，生产和经济子系统次之，资源子系统最慢。这一结论已异与过往研究[16]，说明张掖市农业可持续发展已经步入“新时期”，其能力增强的主要推力来自环境和社会两个子系统，主要压力来自于资源系统。其中：生产子系统得分从2000年-1.515上升到2015年2.974，表明随着农业科技进步，张掖市农业产出水平在不断提高。经济系统得分从2000年-1.82上升到2015年2.827，说明张掖市农业经济效益在不断提高，农民人均纯收入逐年增加，现代农业的装备投入水平在上升。但是，不可忽视的问题是农业中间消耗也在不断增长，除去通货膨胀的影响外，进一步说明农业生产成本在不断增加，农业已进入“高成本”时代。社会系统得分从2000年-1.607上升到2015年3.228，说明张掖市农村社会环境呈良性发展趋势，农民生活水平的不断提高，生活质量改善，消费结构更加合理，但城乡居民收入差异系数的不断增大，说明城乡居民收入差距在不断扩大。环境系统得分从2000年-1.397上升到2015年2.878，这与近年来张掖市构建循环利用型、环保节约型农业体系，提高农业资源利用率密不可分，但也要看到该市目前农业生产能力的提高除了技术进步外，还依赖于大量农药、化肥和农用塑料薄膜的使用，森林覆盖率还较低，今后的发展可能面临更严重环境退化的制约。资源系统得分从2000年的-0.834上升到2013年的3.13后又下降到2015年的1.36，这表明张掖市农业所依赖的自然资源条件支持能力在减弱。进一步追溯资源子系统所承受压力的根源发现，张掖市耕地有效灌溉率从2000年的0.807下降到了2013年的0.624，人均水资源量从2000年的1 360立方米下降到2015年的1 332.19立方米，远低于全国平均水平2 033.64立方米，仅为世界人均水平的1/6。

3.各子系统间协调度演化趋势。由表2可知，张掖市农业可持续发展各子系统的协调状态为“不协调→比较协调→不协调”，波动较大且呈恶化趋势，亟需科学调控，否则长此以往，农业将呈不可持续发展状态。2000—2005年张掖市农业可持续发展各子系统处于不协调状态，结合图2可知主要是由于5大子系统可持续发展能力评分值大多都处于平均水平之下，这与当时张掖市经济发展缓慢，农业受到自然资源条件的约束尤其是黑河水资源短缺，生态失衡，农业生产基础薄弱，靠天吃饭，农村社会生活条件落后，农民收入较低等有关，但这一阶段由于农业开发不足，农业环境污染较小。2006—2014年（除2008年外），五大子系统处于比较协调状态，这与张掖市大力发展绿洲生态农业，保护湿地，进行生态城市建设等有关。但从2015年开始五大子系统又处于不协调状态，由图2可知，这主要是由于资源子系统可持续发展能力骤降而造成的，表明张掖市农业所依赖的自然资源条件支持能力在减弱。

三、结论与建议

本文通过构建河西走廊绿洲农业可持续发展能力评价指标体系，以位于河西走廊中段的张掖市为例，运用PCA模型和协调度模型，测算了张掖市2000—2015年农业可持续发展能力和协调度的评分值，研究发现：虽然2000—2015年张掖市农业可持续发展能力在不断增强，但五大子系统中除农业资源系统外，其余子系统的发展能力都呈现不断增强趋势，子系统之间的协调水平先上升后下降，目前处于不协调状态，影响张掖市农业可持续发展能力提高的主要压力来源于资源系统，水资源短缺已经成为张掖市实现农业可持续发展所需要克服的主要障碍之一。

综上，张掖市农业可持续发展已经步入“新时期”，未来应保证耕地面积总量不减少；加大农业产业结构调整力度，发展节水型特色经济作物；搞活农村第三产业，大力发展乡村旅游业；实施农业补贴，采用先进农业技术，尽量减少机械投放量，简化田间作业环节，以降低农业生产成本；推进新型城镇化建设，提高农民收入，缩小城乡差异；推行农田喷灌技术，提高耕地灌溉率，节约水资源；大力植树造林，提高森林覆盖率；加强农田基本设施建设，提高农业抗灾能力；推行清洁生产，发展绿色生态农业，同时鼓励农民更多施用有机肥和生物技术来减少对化肥和农药的依赖，实现化肥、农药用量零增长；大力改善农村公共卫生设施条件，建立农村垃圾回收处理站，减少农用塑料薄膜使用量。

【参考文献】

[1]张立新，崔丽杰.山东省农业可持续发展能力评价研究——基于非整秩次 WRSR[J].华东经济管理，2015，29（7）：14-19.

[2]段妍磊.河北省农业可持续发展指标体系分析[J].中国农业资源与区划，2016，37（6）：169-173.

[3]袁久和，祁春节.基于熵值法的湖南省农业可持续发展能力动态评价[J].长江流域资源与环境，2013，22（2）：152-157.

[4]王岱，蔺雪芹，刘旭，等.北京市县域都市农业可持续发展水平动态分异与提升路径[J].地理研究，2014，33（9）：1706-1713.

[5]肖庆业，陈建成，2013.江西农业可持续发展能力研究——基于熵权灰色关联分析[J].江西社会科学（4）：69-73.

[6]洪雅芳，叶夏，郑昆荩，等.福建省县域农业可持续发展水平研究[J].中国农业资源与区划，2017，38（2）：152-158.

[7]张平.张掖市高效生态农业可持续发展模式与机制研究[D].甘肃农业大学，2013.

[8]潘晓龙.武威市凉州区特色农业可持续发展研究[D].兰州大学，2015.

[9]金蓉，王雪平.河西走廊农业可持续发展对策研究[J].淮海工学院学报（人文社会科学版），2007，5（4）：54-56.

[10]姚志春，何长国，田万慧，2011.农业可持续发展系统冲突与协调关系分析研究[J].甘肃农业（7）：11-14.

[11]卢李朋，张杰，卞晓峰，等.安徽省农业可持续发展能力动态分析[J].水土保持通报，2014，34（4）：248-254.

[12]王治和，黄坤，张强，2017.基于可拓云模型的区域生态安全预警模型及应用——以祁连山冰川与水源涵养生态功能区张掖段为例[J].安全与环境学报（2）：768-774.

[13]Sang Wook Choi.Fault detection and identification of nonlinear processes based on kernel PCA[J].Chemometrics&Intelligent Laboratory Systems，2005，75（1）：55-67.

[14]李小胜，陈珍珍.如何正确应用SPSS软件做主成分分析[J].统计研究，2010，27（8）：105-108.

[15]何晓群.应用多元统计分析[M].北京：中国统计出版社，2010：266.

[16]曹瑾.张掖市农业可持续发展能力评价与建设对策研究[D].甘肃农业大学，2008.

[17]张掖市统计局.张掖市统计年鉴[Z].张掖市统计局，2000-2015.