基于PSR模型的河西制种基地耕地生态安全物元分析评价

窦学诚, 付 滨

(1.甘肃农业大学 财经学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省区域农业与产业组织研究基地，甘肃 兰州 730000)

【研究意义】耕地生态安全作为一个复杂的系统，包括资源环境安全、生态系统安全和社会经济安全，是一种相对于生态威胁的对立状态。耕地生态安全系统是在长期社会发展过程中，人类使用耕地同时耕地系统在自身组织功能作用下形成的生态系统。该系统为生物生存环境、生物多样性的存续提供了空间[1]。对耕地生态安全进行评价，不仅对协调人地矛盾、保障粮食安全和促进社会和谐稳定有重要帮助，同时也对实现河西地区以制种经济为代表的社会经济与河西地区生态环境保护的协调发展也有促进作用[2]。【前人研究进展】耕地生态处于不安全状态，不仅会导致耕地数量的减少，同时也会对耕地质量产生负面影响[3]。国外学者将耕地生态安全与耕地的可持续性作以结合进行系统研究，Rasul和Thapa针对孟加拉耕地就其可持续性和生态状况通过农业生态环境和社会经济两个方面构建了指标体系进行评价[4]；Beesley和Ramsey表示，农场主对农业用地的保护认知主要停留在耕地的生态价值和生态安全上[5]。国内学者现阶段对土地生态安全的研究涉及到内涵、评价方法、影响因素以及保护措施和方案等。学者在土地生态安全研究方面，多以全国、省、市、草原、湿地为研究对象，从不同尺度和不同类型的土地出发，对土地生态安全进行分析评价[6-14]。而目前对制种行业的研究多集中在制种基地存在的操作问题、管理问题以及制种农户和企业的安全生产意识如何影响作物品种安全上，理论分析居多，实证分析偏少[6]，且单独剥离研究某一因素对作物品种安全的影响，却没有系统的建立人类制种行为、社会经济发展以及生态安全之间的相互关系，缺乏作物品种安全的系统性研究。作物品种产业链涉及资源、人为操作、环境影响，是一个系统的产业链。河西地区作为全国最重要的制种基地，常年连作制种给制种基地耕地的生态安全造成严重的负面影响。目前河西制种基地面临着制种田块小、耕地平整性差、制种土壤结构固化、制种土地肥力下降、制种耕地垦殖过度、水土流失面积及水蚀面积逐年增加、病虫害积累、土壤含有的微生物多样性遭到破坏、地下水减少等一系列的生态安全问题。【本研究切入点】综上所述，目前仍存在较多因素影响河西制种基地耕地生态安全，本文以压力-状态-响应(PSR)模型为基础，综合考虑经济、资源、环境、人为因素，构建基于(PSR)模型的河西制种基地耕地生态安全评价指标，并将物元分析法和改进的熵值法作为工具，对河西制种基地耕地生态安全做出实证研究，分析影响制种基地耕地生态安全的制约因子。【拟解决的关键问题】为改善制种基地生态安全状况、从源头保证作物品种安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

河西地区位于甘肃省黄河以西地区，因位于黄河以西，自古称为河西。河西地区处北纬37°17′～42°48′，东经92°23′～104°12′之间，祁连山与北部山系之间，东南起乌鞘岭，西北到疏勒河下游，长1000 km以上，犹如一条狭长的天然走廊，亦称河西走廊。河西地区总面积为27.11×104km2，面积占甘肃省总面积的59.7 %。河西地处西北干旱区，石羊河、弱水、疏勒河流域则分布着较大的冲积平原，土壤肥沃，水草丰美，宜农宜牧。祁连山终年积雪，春夏消融，引以灌溉，尤适于发展“绿洲农业”。以其独特的地理优势，充足的光照，成为天然优良的制种基地，吸引了包括杜邦先锋、利马格兰等在内的国内外70多家种业公司入驻。河西制种基地作为我国高标准的主要制种基地，制种产量占全国制种的70 %。河西制种基地总耕地面积占甘肃省总耕地面积的17.5 %，河西制种基地面积达到8.87万hm2，产量高达7600～9000 kg/hm2，河西制种基地主要包括武威、张掖、酒泉等主要的制种基地。

制种产业相比种植大田作物而言可以带来较为客观的经济收入，但制种产业相比种植大田作物也有更多的要求，比如降低病虫害的发生率、提高单位土地的产量、采用薄膜种植等。为了满足制种公司的要求，制种基地往往采用加大化肥施用量、提高农药的播打次数、加大薄膜的使用量等措施，这些措施给河西制种基地带来了严重的生态安全影响。目前河西制种基地面临着制种田块小、耕地平整性差、制种土壤结构固化、制种土地肥力下降、制种耕地垦殖过度、水土流失面积及水蚀面积逐年增加、病虫害积累、土壤含有的微生物多样性遭到破坏、地下水减少等一系列的生态安全问题。制种废弃物地膜的随意堆放造成了河西地区耕地白色污染；玉米根茎的焚烧给当地的生态环境造成了环境污染。

1.2 生态安全理论界定

河西制种基地耕地生态安全主要包括“农田基质”环境安全、作物种植残留茬口效应安全、生产操作技术生态安全。“农田基质”环境安全作为农田环境的基础构成因素，其安全主要包括农业基质层(种植作物可利用层次和深层土壤对作物根系影响层)安全，耕作层(耕作和土壤管理措施主要影响层)安全，基质基础层环境(地下水位等)的安全。耕作层作为农田系统的核心层次，其安全主要包括物理安全(土壤结构安全)、化学安全(重金属、化肥等影响)、生物安全(土壤基质微生物区系、动物区系安全)。生产操作技术生态安全主要包括化肥、地膜等生产操作过程中对生态安全的影响。

1.3 数据来源

在参考相关学者[6-7, 9-10]研究基础上，结合笔者对甘肃省农业科学院农业专家，兰州大学草地农业科技学院的专家教授的访谈，依据前文对生态安全的理论界定，本文利用PSR模型，从制种基地从事的制种、种子加工活动对制种基地耕地的生态安全产生的压力以及目前耕地的状态、制种基地采取的措施出发构建17个评价指标(此类指标为影响生态安全主要的可变因素)对河西地区制种基地耕地生态安全进行评价，具体的指标见表1。

表1 河西制种基地耕地生态安全评价指标体系

1.4 研究方法

1.4.1 分析方法 物元分析为处理不相容问题提供了新思路，它摒弃了传统思路对抽象量和形的考虑，通过对质和量进行变换，使问题迎刃而解。这也是选择物元法原因所在[9]。

1.4.2 制种基地耕地生态安全评价指标权重的确定 在对河西制种基地耕地生态安全进行评价时，不同评价指标对于评价结果在影响程度上存在一定的差异，为了能够详尽反映存在的差异，需要对各评价指标赋予一定的权重，目前，德尔菲法、专家打分法、熵值法等都可以满足确定权重的需求。在本文中，为了避免人为主观因素对权重确定产生的影响，使得制种基地耕地生态安全的评价更加科学、严谨，选择熵值法实现预期目的。熵值法的根本原理是根据评价指标的差异程度来确定权重，指标的差异程度越大，权重越大；相反，就越小[6]。在进行计算时，规则约束使得负值和极值只有经过相应的变换才参与运算。本文在计算权重时采用最大离差法对原始数据进行无量纲化标准化处理[6]。

(1)

(2)

公式中，Xij为经过标准化处理后的值，xij为标准化前的原始值，xjmax为待标准化数据中的最大值，xjmin、xjmax分别为待标准化处理数据中的最小值和最大值。

计算第j项指标下的i个样本值比重：

(3)

计算第j项评价指标熵值：

(4)

计算第j项评价指标权重：

(5)

(6)

其中，Kj(Nx)为待评价对象Nx的第i个指标关于等级j的单指标的关联度(j=1, 2, ……，n),ωij为评价指标的权重。

另定义为：Kji=max[Kj(xi)], (j=1, 2, ……,n)，那么待评对象第i指标属于制种基地耕地生态安全等级j；若Kji=max[Kj(Nx)]，(j=1, 2, ……,n)，则待评价对象Nx属于制种基地耕地生态安全等级j。

1.4.4 河西制种基地耕地生态安全阻碍因素判断 在对河西制种基地耕地生态安全做出评价之后，为了提高当地的生态安全水平，对单项指标和分类指标阻碍作用的大小排序，深挖阻碍生态安全水平提高的阻碍因素成为了目前工作的重心。阻碍因素的确定主要包括因子贡献度、评价指标偏离度和阻碍度。具体的计算公式如下：

xij=1-Xij

(7)

(8)

1.4.5 综合指数的计算 河西制种基地耕地生态安全评价的单一指标无法全面的确定安全等级，只能从某一侧面反映安全状况，只有通过指标权重的确定将评价指标逐层合成综合指数，才能全面的反映河西制种基地耕地生态安全的整体情况。具体的计算公式如下：

(9)

式中，F为河西制种基地耕地生态安全综合指数；wi为第i子系统权重；wi为第i子系统第j项指标权重；n为第i子系统所包含的指标数。其中F的值以1为极值，越接近于1，表明河西制种基地耕地生态安全状态越好。

2 结果与分析

2.1 制种基地耕地生态安全评价经典域、节域的分析

评价标准的制定是制种基地耕地生态安全评价的关键环节，就目前阶段土地的生态安全评价仍处于摸索状态，还没有制定出统一的评价标准，土地生态安全的评价标准不仅制定起来复杂，而且在制定时还需因地制宜。在物元评价模型的建立时，经典域的确定是模型建立的基础，本文在研究时，将经典域划分为5个等级，即安全、较安全、临界安全、较不安全、不安全，按照最大隶属度原则确定安全等级。评价经典域的确定主要参考现有的国家、国际及行业标准和科学的研究判定标准、研究区域内的土地背景值等[10]，评价指标经典域与节域取值范围见表2。

本研究所用到的数据主要来源于《甘肃发展年鉴2002-2016》、《甘肃农村年鉴2002-2016》、《甘肃国土资源年鉴》、甘肃国土资源公报和甘肃农业信息网等。

2.2 河西制种基地耕地生态安全评价指标关联度分析

收集甘肃河西地区制种基地耕地生态安全评价指标数据，经过计算分析整理后，利用公式，进行各指标权重的确定(表3)。

表2 制种基地耕地生态安全评价指标经典域、节域的取值范围

注：L1～L5表示安全等级。

表3 河西制种基地耕地生态安全评价指标权重取值

根据2002、2012、2016年各评价指标的具体量值取值(表2)，建立河西地区制种基地耕地生态安全评价物元矩阵R2002、R2012、R2016，将待评测的物元数据录入物元模型，依据最大隶属度原则，进行河西制种基地耕地生态安全评价指标关联度确定，得到了河西制种基地耕地生态安全评价指标关联度测算结果(表4)。

表4 河西制种基地耕地生态安全评价指标关联度

注：L1～L5表示所划分的制种基地耕地生态安全的评价等级。

表5 河西制种基地耕地生态安全评价

表4中Kj(xi) (i=1,2,…,15)表示第i个指标对应的各评价等级的关联度。例如评价单位制种耕地化肥负荷为例，计算所得的关联度为K1(x1)= -0.2910，K2(x1)= -0.1943，K3(x1)= -0.0768，K4(x1)= 0.2049，K5(x1)= -0.2441，由最大隶属度原则可以得出评价指标单位制种耕地化肥负荷比例处于L04(即较不安全状态)。同理，可以对表4中其他评价指标做出安全等级评价。

2.3 河西制种基地耕地生态安全评价结果分析

将河西制种基地耕地生态安全各评价指标所对应的关联度(表4)以及各指标确定的权重带入综合关联度计算公式，可以得出河西制种基地生态安全评价指标的综合关联度(表5)。

Kj(Nx)表示的是总的评价结果，根据最大隶属度原则结合表5所示的结果可以得知K1(N2002)=-0.4311，K2(N2002)=-0.2147，K3(N2002)=0.1016，K4(N2002)=-0.5123，K5(N2002)=-0.3326, 由此得分可知2002年河西制种基地耕地生态安全处于临界安全状态，同理也可以判断出2012和2016年河西制种基地耕地生态安全分别处于临界安全和较安全状态。并且在[0，1]区间内K3(N2002)>K3(N2012)，表明虽然2002和2012年河西制种基地耕地都处于临界安全状态，但是2012年得分系数更接近于1，说明2012年的安全水平要比2002年的高。

0>K2(N2016)>K3(N2016)说明虽然2016年河西制种基地耕地生态安全等级为“较安全”，但是却不完全符合L2的标准，具备转化为L2的条件，“较安全”状态不太稳定，由表4可以看出，2002-2016年河西制种基地耕地生态安全总体上由临界安全较安全发展，制种基地耕地生态安全水平有趋于安全趋势。

由图1显示，2002-2016年河西制种基地耕地生态安全总体水平处于上升阶段，安全等级不断提高，所面临的压力也逐步减弱，这与近几年所采取的保护措施密切相关。从河西制种基地耕地生态安全单项指标来看，各评价指标的关联度表明2002-2016年大部分指标等级处于跳跃状态。根据各指标提供的差异信息，人均制种面积、灾害指数、单位面积制种产量、制种基地地下水质量、人均水资源量、制种农户人均纯收入、环境污染治理占GDP比例、制种基地科学规划率等指标出现了不同程度安全等级的上升趋势，说明以上指标在提升制种基地生态安全水平上的贡献突出。研究发现，自《甘肃省环境保护条例》、《国务院关于加快推进现代化农作物种业发展的意见》《全国现代农作物发展规划》等一系列政策措施发布实施以来，制种基地不断加强了基础设施的建设，加大了对制种基地土地的合理利用监督，使得制种基地耕地向集约化和规模化发展；持续加大制种产业科技投入，加强农业技术的推广力度，积极开展对制种农户的科技培训，推广配方施肥技术，提高肥料的利用率，减少通过提高施肥量来增产的行为，指导农户合理使用农药；环境污染治理的投资比例逐年升高，促进了制种基地耕地生态系统安全状况的改善。

图1 河西制种基地生态安全评价Fig.1 Ecological security evaluation of Hexi seed production base

年份Year顺序Sequence1234562002阻碍因素Obstructive factorX16X8X3X4X1X13阻碍度(%)Hindrance degree9.14319.08238.98518.54608.06127.99812016阻碍因素Obstructive factorX1X3X8X4X13X16阻碍度(%)Hindrance degree12.263212.198311.116511.083110.984210.8801

2.4 河西制种基地耕地生态安全阻碍因素分析

根据河西制种基地耕地生态安全阻碍因素计算方法，对2002和2016年河西制种基地耕地生态安全阻碍因素进行计算(表6)。

河西制种基地耕地生态安全水平逐年改善，但从表4中不难发现，仍有9个指标目前仍未达到较安全状态。其中单位制种地化肥负荷、农药负荷、地膜负荷、复种指数以及基地降水量等指标只达到较不安全状态。目前政府职能部门加大了对制种基地制种废弃物的处理监督力度和对环境治理的投资，但河西制种基地采取的包产值等生产方式与有限的土地资源矛盾突出，为了提高单位制种面积土地的制种产量，有些地区会采取增加施肥，连作种植，增加了土地负荷，既影响了土地生态安全，同时也对作物品种安全产生了负面影响。表6结果显示，单位制种地化肥负荷、农药负荷、地膜负荷等影响制种耕地安全的主要指标，出现了安全等级降低的趋势，说明这些指标对研究区域耕地生态安全起着阻碍作用。

3 结 论

(1)综合上述研究结果，可以判定2002-2016年河西制种基地耕地生态安全等级取代以前的“临界安全”实现“较安全”状态，安全等级逐渐提高，但是诸如化肥负荷、农药负荷、地膜负荷等主要的阻碍因素，目前仍处于较不安全状态，制种环境保护仍面临着巨大的挑战。制种环境保护是一项过程繁杂、涉及面广、需要综合保护的工作。

(2)在提高河西制种基地耕地生态安全水平上：①政府牵头，种子公司配合，在原种播种时期，增加薄膜的厚度，采用后期薄膜回收方式，杜绝薄膜的随意丢弃、倾倒、填埋等方式给耕地生态安全造成的负面影响。②采用玉米根茎粉碎翻地耕地方式，使制种废弃物转化为生物肥料，提高制种废弃物的使用效率，减少玉米根茎焚烧的发生概率。③加强对制种基地农户的法律法规知识的宣传，提供种植技术培训与指导，推广合理的施肥方式与制种废弃物的处置方式，认识到耕地生态安全对农业生产乃至环境保护的重要性。④加大在播种与收获期等制种产业重要的时期的执法监督力度，做到发现问题及时处理，错误行为及时纠正。

4 讨 论

(1)在以往传统的综合评价方法中，对单个指标评价信息的揭示较少，评价等级指标的确定缺少超出等级之外的中间状态的显示，而物元法能够有效地解决这些缺陷，对单个评价指标的具体评价结果和水平状态详尽的揭示，在此基础上所获得的制种基地耕地生态安全评价结果信息更全面、更丰富，能够较好的显示综合评价水平中的中间转化状态，对制种基地耕地生态安全存在的具体问题提出合理的改善措施。熵值法确定权重完全客观根据指标之间的变异程度，避免了人为因素对权重确定的影响，提高了对制种基地耕地生态安全评价的质量。选择改进的熵值法与物元分析法作为行之有效的工具对制种基地耕地生态安全评价，有利于科学合理评价制种基地耕地生态安全水平。

(2)在研究方法上，利用PSR模型，从压力-状态-响应3个方面确定评价指标，吸纳改进的熵值法和物元分析法的诸多优点，将二者结合对制种基地耕地生态安全进行评价，预期目标基本实现。但在确定评价指标时，缺乏参照标准，可能缺乏一定的严谨性，在后期的研究中，力求完善。