基于DPSIR模型的基本农田生态安全评价研究

梁宇哲，贾琛琛，吴茗华，郭泰圣

（1.广东省土地调查规划院，广东·广州 510075；2.华南农业大学资源环境学院，广东·广州 510640；3.广东友元国土信息工程有限公司，广东·广州 510640）

1963年，“基本农田”一词首现于我国的“黄河中下游水土保持工作会议”中，当时定义为能够抵御旱涝自然灾害，稳产且高产的农田[1]。但目前基本农田的内涵是指按照一定时期的人口和社会经济发展对农产品的需求，依据土地利用总体规划确定的不得占用的耕地，是耕地的精华[2]。基本农田保护制度是中央政府保护“保命田”，约束行为主体的强制性制度安排[3]。近年来，生态环境的不断恶化，基本农田也遭到威胁，这直接影响我国的粮食安全。如何保护现有基本农田资源，有效评估基本农田的生态安全状况，防止基本农田生态环境受到污染和破坏，成为耕地生态安全领域迫切需要解决的科学问题[4-5]。这对于保护高质量耕地、稳定农业生产、确保粮食安全和生态安全以及促进社会经济科学发展具有重要的战略意义。

生态安全评价是对生态系统完整性以及对各种风险下维持其健康的可持续能力的评估，以生态健康和生态风险评价为核心[6]。随着20世纪80年代生态健康问题研究[7]、2001年全球性“新千年生态系统评估”[8]以及美国国际研究委员会（NRC）的风险测度量化技术[9]等研究的不断兴起，生态安全评价得到了迅速发展。我国对于生态安全的探索兴起于20世纪90年代[10]，有关学者就生态安全内涵进行研究和界定[11-13]。目前国内的生态安全评价的研究主要集中在评价模型指标体系研究、土地生态安全评价、区域流域生态安全评级、生态脆弱区生态安全评价等方面[14-20]，应用较多的评价模型有P-S-R、D-S-R、D-PSR、D-PSE-R等模型[10]。

由于基本农田受到人类活动的密切影响，但以往的耕地生态安全评价往往难以深刻地反映人类活动与环境之间的交互作用，而DPSIR模型不仅能够有效反映人类活动与生态环境之间的复杂影响机制，而且也已广泛应用于土地利用、建设用地、耕地等领域。因此本文将引入DPSIR模型进行基本农田的生态安全评估，旨在探求生态安全空间差异性的内在机制，这对制定土地整治规划、土地利用总体规划、生态规划等具有至关重要的意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域

罗定市系广东省辖的县级市，位于广东省西部，北纬22˚25'11"～22˚57'34"，东经 111˚03'08"～111˚52'44"。罗定西部、西北部和南部一部分为云开大山山地，东面为云雾山山地，中部、东北部和南部为盆地、丘陵地带。镇街道域面积2327.5km2，总人口约126万人。2016年全年实现地区生产总值195.46亿元，比上年增长（下同）8.3%；固定资产投资总额117.15亿元，增长0.3%。与此同时，随着社会经济快速发展和人口的持续增加，全市基本农田面积明显减少，人类活动对脆弱的生态安全产生极大挑战，二者间的矛盾不断增加。所以，现时期对基本农田的生态安全评价显得非常重要。

1.2 数据来源

本研究以罗定市2017年耕地质量年度变更数据库、基本农田数据库、罗定市土地利用总体规划调整完善方案数据库（2017）作为基本信息源，结合外业调查以及罗定市基本农田的实际情况。文中所用的社会经济数据来自于罗定市统计年鉴（2017），利用Fragstats进行景观分析提取景观破碎度指标，综合评价2016年罗定市生态安全状态及空间分布差异。

1.3 研究方法

1.3.1 基本农田生态安全的形成机制

驱动力-压力-状态-影响-响应 (DPSIR)模型是一种在环境系统中广泛使用的评价指标体系概念模型。它是由欧洲环境署提出的PSR模型演化而来，并增加了“驱动力”和“影响”，从系统分析的角度阐述人类活动与环境系统的相互作用。人类的社会经济活动及自然灾害产生的驱动力（D）对生态系统产生压力（P），这使得生态系统（S）发生改变，状态的改变对人类或生态系统产生影响（I），影响使得人类产生直接或者间接的响应（R），响应反作用于驱动力、压力、状态、影响。DPSIR概念模型因其综合性、整体性、系统性和灵活性等优点被广泛应用于复杂环境或资源系统的评价中。

在本文研究的这5个生态安全的影响因子中,驱动力（D）指的是基本农田所处的人类社会经济系统的相关属性，主要包括人类社会经济活动，如工业生产、农业生产和观光旅游业发展等。压力（P）指各驱动力因子对基本农田生态环境的需求和作用(如粮食安全对耕地质量的需求, 城市化的发展对耕地的占用)。状态（S）是指基本农田生态系统中各组成部分的基本情况，反映基本农田的生态现状条件(如基本农田生态系统中的有效灌溉面积、土壤有机质含量、田面坡度等，状态指数与生态系统相对的生态健康状况成正比)。影响（I）是指基本农田生态系统原有“状态”在压力作用下的负向演化(如基本农田生态系统中生物多样性减少等)。响应（R）是指人类在感知驱动力、压力、状态或影响对基本农田产生的负面影响后，对生态系统采取的补救措施,如生态环境的恢复与重建或法律体系的修正完善。因此可以借鉴DPSIR模型将社会经济驱动力、基本农田利用压力、基本农田状态、环境影响和社会响应归纳为各种指标，以评价基本农田的生态安全情况[2]（图1）。

1.3.2 评价指标体系的构建

选出罗定市的基本农田,以地块作为最小评价单元，基于DPSIR模型并结合罗定市的实际情况，以生态安全指数为目标层；驱动力、压力、状态、影响、响应为因子层；参考相关文献并结合研究地基本农田的具体情况，选择较有代表性的20项生态安全因子作为指标层,并将各个指标因子标准化，利用层次分析法确定各指标权重系数。文中借助层次分析软件YAAHP，对各指标权重赋值，结果显示一致性比例均小于0.005，通过一致性检验。并以分析结果咨询有关专家，运用特尔菲法检验证明所得指标权重基本符合实际，最终建立罗定市基本农田生态安全评价指标体系（表1），描述研究区基本农田生态安全的状态与水平。

图1 DPSIR模式下的生态安全形成机制Fig.1 The formation mechanism of ecological security under DPSIR model

表1 生态安全评价指标体系Table 1 Ecological security evaluation index system

1.3.3 基本农田生态安全评价模型的构建

为保证各项参评因子之间具有可比性，消除各指标间由于不同单位、不同度量所产生的影响。在本文研究中采用极差标准化方法对各指标进行标准化处理。由于各项指标与生态安全指数之间存在正负影响关系，对于正向指标,采用公式（1）；负向指标,采用公式（2）。

人类活动和自然环境对生态系统的驱动力越大，对生态环境所产生的压力也越大，这往往不利于生态安全状况。在DPSIR模型中，驱动力 、压力和影响这三个因子往往对生态系统产生较多压力，因此与生态安全指数呈负相关。而区域内生态环境的状态、响应因子往往与该系统本身的生态安全指数呈正相关（如森林覆盖率较高的区域生态安全程度往往较高；人类在生态环境恶化后所作的修复和补救工作往往有利于区域的生态安全情况）。

式中：xi为评价因子实测值；xmax为评价因子实测最大值；xmin为评价因子实测最小值；xj为标准化之后的指标值。

由于耕地生态安全情况是由驱动力、压力、状态、影响及响应因子共同作用影响的，所以本文采用多标准评价（multi-criteria evaluation, MCE）方法中的常用模型──线性加权求和模型公式（3），进行生态安全指数模型的计算：

其中Xi是指标量化后的值；WI为指标的权重,表示各指标对生态安全指数的主要因子的相对重要性。

基本农田生态安全评价在我国尚处于探索阶段，还未形成统一的标准。由于各地基本农田的生态差异较大，需要因地制宜。根据计算结果，结合国内外相关生态安全等级划分方法，采用自然间断点分级法将罗定市生态安全指数（ESI）划分为以下四个等级，ESI＜0.55属生态不安全的I级，ESI在0.55-0.65之间属生态欠安全的II级，ESI在0.65-0.70之间属生态较安全的III级，ESI＞0.70属生态安全的IV级，以此表示不同级别的生态安全水平。此外，由于行政区划的调整，原飞马林场图斑的经济社会属性值缺失，故取周边镇的均值赋值，得到评价结果。

2 结果与分析

2.1 各镇生态安全情况分析

2.1.1 各镇生态安全因子分析

为详细分析罗定市生态安全因子的地域分异特征和生态安全指数的时空分布特征，以罗定市罗城街道、素龙街道、附城街道、双东街道、罗镜镇、太平镇等21个镇（街道）镇街道为评价对象，根据上节建立的生态安全评价模型以及驱动力、压力、状态、影响、响应因子的计算方法，分析各镇街道的生态安全因子与生态安全指数情况。罗定市驱动力因子值的平均值最高，为0.171，而响应因子值的平均值最低，为0.062，其主要原因在于近年来随着罗定市的经济发展以及城镇化进程的不断推进，各行业对于土地的需求量不断增加，不同程度上都驱动着环境改变。然而，地方政府对于耕地资源保护政策的落实力度相对较低，对于生产及生活污染废弃物的处理力度有待加强，需要进一步提供政策支持、追投资金、引进人才及高新技术以加强对罗定市耕地的保护力度，提高其环境污染处理能力，推进罗定市生态文明建设的全面开展。罗定市的压力因子、状态因子及影响因子的平均值分别为0.160、0.086、0.138，其中压力因子值最高，状态因子值最低。其主要原因在于几年来随着罗定市人口的不断增长及城镇化率的不断提高，人们对于粮食、住房、基础设施等的要求越来越高，为提高粮食产量，耕地的农药化肥施用量有所增加，土地垦殖率、建设用地开发强度也在不断提升，这都直接导致罗定市后备耕地资源的数量尤其是优质耕地的数量不断降低，耕地有机质含量等质量指标的下降。

（1）驱动因子

除罗城街道、素龙街道、附城街道、双东街道外，罗定市其余各镇的驱动力因子值分布相对较均一，其中附城街道的驱动力因子值最低为0.062，生江镇的驱动力因子值最高为0.237。这是由于生江镇的人口自然增长率最高，而城镇化率水平较低，因而由于农业发展、城镇化工业化发展而产生的驱动力相对较大。而附城街道由于本身的城镇化水平相对较高，人口增长率相对较低，因此其农业、工业等产业产生的驱动力相对较低。

（2）压力因子

罗定市的压力因子主要来自于城镇化发展对于耕地的占用，其中龙湾镇的压力因子值最大，为0.219；素龙街道的压力因子值最小，为0.076。这主要是由于龙湾镇的土地垦殖率较高，耕地后备资源尤其是优质耕地资源不足，为保证区域粮食安全，农药化肥的大量施用使得其耕地生态环境的压力因子值相对较高。素龙街道的土地垦殖率最低，农药化肥的施用量较低，因此其耕地生态环境的压力因子值相对较低。

（3）状态因子

罗定市各镇街道的状态因子值分布相对均一，平均值为0.086，说明各镇街道耕地生态环境的背景值相对一致。罗平镇的状态因子值最高为0.124，罗城街道的状态因子值最低为0.047。罗城街道的森林覆盖率相对较低，由于其本身耕地面积较少尤其是有效灌溉面积，土壤有机质含量水平较低，因此其状态因子最低。

（4）影响因子

罗定市各镇街道的影响因子值差异相对较大，其中罗城街道的影响因子值最低为0.014，船步镇的影响因子值最高为0.219。罗城街道耕地数量少、质量情况较低，景观破碎化程度较高，因此其影响因子值较低；而船步镇耕地数量基本保持不变，质量较高，耕地连片性程度高，因此其影响因子值较高。

除素龙街道及罗平镇以外，罗定市各镇街道的耕地生态环境的响应因子值总体偏低，这表明地方政府对耕地生态环境的修复及补救政策还需要进一步完善。素龙街道的响应因子值最高为0.125，主要由于地方政府在素龙街道划定的基本农田保护区面积较大，农业机械化程度较高；在环境污染的修复工作中，素龙街道的环境污染治理资金较多，污水处理率水平较高（图2）。

2.1.2 各镇生态安全等级分析

罗定市总体生态安全指数中等，大多分布在欠安全和较安全等级，不安全和安全等级分布较少（图3）。

图2 罗定市各镇生态安全因子值Fig.2 Value of each ecological safety factor in Luoding city

图3 罗定市各镇（街道）生态安全指数Fig.3 Index of each ecological security in Luoding city

其中生态不安全的有附城街道、罗城街道和双东街道，罗城街道生态最不安全，生态安全指数为0.336。生态欠安全的有泗纶镇、连州镇、金鸡镇、分界镇、罗镜镇、 滨镇、龙湾镇、黎少镇、华石镇、苹塘镇、素龙街道，其中龙湾镇的生态安全指数最低为0.583，而苹塘镇的生态安全指数较高为0.649；生态较安全的有加益镇、生江镇、太平镇、围底镇、朗塘镇和船步镇，其中太平镇的生态安全指数最低为0.670，生江镇的生态安全指数最低为0.693；生态安全的有罗平镇，生态安全指数为0.731（图4）。

图4 罗定市各镇生态安全等级分布图Fig.4 Distribution of each ecological security level in Luoding city

2.2 各地类（水田、旱地、水浇地）生态安全等级分析

罗定市耕地总面积为45988.02hm2，其中旱地18053.77hm2，占总面积的39.3%，水田27923.75hm2，占总面积的60.7%。其中素龙街道耕地总面积最多为4055.53hm2，水田面积为2939.75hm2，居全市首位。但是由于素龙街道的城镇化率较高，建设用地的开发强度大，耕地后备资源不足、农药化肥的施用量过高等问题，因此素龙街道属于生态较安全。黎少镇、泗纶镇的旱地面积较高，分别为1880.78hm2和1706.99hm2；罗平镇、太平镇和罗镜镇的水田面积较高，分别为2755.48hm2、1923.41hm2和1923.92hm2。除太平镇属于生态较安全外，以上各地均为生态欠安全地区，这说明生态安全等级与镇街道内的耕地数量并无绝对相关性。

2.3 耕地质量（自然、利用、经济）等别生态安全分析

罗定市耕地自然质量平均等为4.09，3等地面积最多为11671.5hm2，占总面积的25.41%，8等地面积最少为104.32hm2，占总面积的0.23%。其中附城街道的耕地自然质量平均等别最差为5.05，以4等耕地为主；罗平镇的耕地自然质量平均等别最好为3.16，以2等、3等耕地为主。附城街道的生态安全指数较低为0.44，属于生态不安全；而罗平镇的 生态安全指数最高为0.73，属于生态安全。

罗定市耕地利用质量平均等为5.43，以3等、4等耕地居多分别为11248.49hm2、10388.68hm2，占总面积的47.1%；6等地面积最少为814.31hm2，占总面积的1.77%。其中泗纶镇的耕地利用质量平均等别最差为7.05，以5等、10等耕地为主，分别为1005.06hm2、966.62hm2；素龙街道的耕地利用质量平均等别最好为4.12，以3等耕地为主，面积达2488.08hm2。但是，泗纶镇的生态安全指数较高为0.64，而素龙街道的生态安全指数较低为0.60，两者均属于生态欠安全。

罗定市耕地经济质量平均等为6.43，以5等耕地居多，为13614.15hm2，占总面积的29.64%；3等地面积最少为1195.05hm2，占总面积的2.60%。其中泗纶镇的耕地经济质量平均等别最差为8.25，以10等耕地为主，面积为1704.4hm2；素龙街道的耕地经济质量平均等别最好为4.92，以4等耕地为主，面积为2219.19hm2。但是，泗纶镇的生态安全指数较高为0.64，而素龙街道的生态安全指数较低为0.60，两者均属于生态欠安全。

综上，耕地自然质量等别与生态安全等别有存在一定的正相关联系，而耕地利用质量等别及耕地经济质量等别与生态安全等别等别不存在明显的正相关联系。

2.4 生态安全空间聚集分析

Moran’s I空间自相关分析Z值得分为正值0.7257，在[-1.65,1.65]之间，生态安全指数在空间上表现为独立随机分布。罗定市各镇街道生态安全指数的全局Moran’s I指数为正值I=0.0770，对应的标准化统计量Z=0.7257，在正态分布的假设下显著性水平P值为0.468，未通过一致性检验，在随机分布假设下，Moran’s I期望值与方差值分别为-0.05和0.0306。说明从整体看，罗定市各镇街道生态安全指数不存在空间自相关性。

镇街道对应的局部Moran’I指数以及对应的统计值Z都为负的镇街道，显著性水平没有通过检验，其在空间分布上呈现一定的随机性。由图5可知，罗定市各镇街道的生态安全指数之间并没有显著的空间关联。

图5 罗定市各镇（街道）空间自相关分析Fig.5 Spatial autocorrelation report in Luoding city

3 结论

3.1 罗定市耕地生态安全状况

从罗定市生态安全分析中可以得出以下结论：（1）全市总体的生态安全水平较高，但是各镇街道的生态安全指数差异较大，其中罗城街道生态最不安全，生态安全指数为0.336，生态安全的有罗平镇，生态安全指数为0.731；（2）罗定市耕地生态安全等级在空间分布上呈现出北部低、南部高，西部低、东部高的趋势；（3）从耕地的数量质量情况分析，耕地的绝对数量及地类构成（水田、水浇地、旱地）不直接影响耕地的生态安全程度；耕地的自然质量等别与其生态安全指数有较大的正相关性，但耕地的利用质量等别、经济质量等别与耕地的生态安全指数并无较大关联性；（4）在Moran’s I空间自相关分析中发现，各镇街道的生态安全指数之间并无显著的空间关联。其原因可以归结为以下几个方面：

（1）罗定市自然资源地域性分布特征明显，自然灾害频发是各镇街道生态安全差异较大，生态安全水平低的原因。罗定市西部、西北部为云开大山山地，东部及南部部分为云雾山山地，中部、东北部和南部为盆地，气流受南部以及西部的大山阻隔，年降水量为广东省最少，强降水条件下山洪和山体滑坡等地质灾害频发，台风、泥石流等自然灾害也直接影响罗定市的生态安全；金鸡镇、苹塘镇的石灰石矿产丰富，是优质的建筑材料，利于工业的发展，却不利于农业生产，直接影响地区的耕地生态安全。

（2）人、地、经济发展水平不均衡、各镇街道政策规划的差异是导致罗定市各镇街道生态安全指数差异较大，无显著的空间聚集性的原因。例如：城镇化率较高的素龙街道总人口达12万人，耕地面积6万亩（合4000hm2），居全市首位，工业总产值113541万元；附城街道总人口6.6万人，耕地面积3.6万亩（合2400hm2），但2016年工业总产值457499万元，居全市首位；此外各镇街道的发展规划存在较大差异，实施的生态退耕、农业结构调整、农田水利基础设施建设工程也存在不同。

（3）近年来，罗定市经济发展及城镇化给耕地生态环境带来了极大压力，相比于二、三产业的快速增长，罗定市农业发展较为缓慢，与2015年相比，2016年的可比价增长仅为0.3%。为保证耕地总量不变，往往补充质量较差的耕地，为提高产量而大量投入的农药化肥，不合理的开发活动、人们对于耕地的过度使用以及对于自然资源的污染浪费都是影响其生态环境安全的重要因素。因此尽管耕地数量基本保持，但耕地的生态安全情况却不容乐观。

3.2 保护建议

（1）罗定市各镇街道在耕地数量、质量及生态上的差异，决定了必须指定有针对性的耕地安全战略，可以依据其经济发展特点等采取功能分区的方法进行引导和管制，划分耕地重点保护区、耕地限制利用区、耕地禁止开发区等。采取分区的保护管理政策，给予不同耕地分区不同的激励和保护政策。

（2）严格执行耕地占补平衡政策，实现耕地数量、质量、生态的全面平衡，建立农地异地代补机制，严格保护耕地；完善耕地占用补偿机制，提高征地补偿标准，建立和完善耕地保护的社会补偿和生态补偿机制，保障被征地农民的合法权益。

（3）促进土地的节约集约利用，制定与完善土地集约评价指标体系、各类建设用地标准与准入机制，盘活存量，推动城市更新，提高土地资源利用率，减少非农业建设对于耕地资源的占用。充分认识到各镇街道耕地的地域景观特征和价值，构建耕地景观生态安全评价模型，加强耕地尤其是水田的多功能性研究，不断提升其景观生态服务功能。

4 讨论

本文基于DPSIR概念模型，从自然、经济、人口、社会4个方面选取驱动力、压力、状态、影响、响应因子，29个指标，建立耕地生态安全评价指标体系，借助GIS技术，构建了适宜罗定市基本农田生态安全的定量评价模型，并借助GIS技术对生态安全评价结果的等级空间特征进行制图，客观表达了罗定市基本农田生态安全指数的时空分布现状。整套方法和流程将DPSIR模型引入到地区性基本农田生态安全的评价中，为基本农田的生态安全评价引入新思路，其评价结果也将为罗定市土地管理政策的制定及维护区域生态安全提供支撑。但文章仍存在以下需要改进之处：一是各指标选取及权重的确定主要通过专家经验和知识进行判断，存在主观性；二是可用的数据精度较低，如相关社会经济数据无法精确至村甚至地块，导致评价结果较为粗略；三是应进一步深入研究生态安全评价指数的分级标准，以确保等级划分的科学性。