云南省耕地生态安全时空格局及障碍因子分析*

赵晓园,李学坤

(云南农业大学，昆明 650201)

0 引言

耕地资源是最宝贵的自然资源，具有生产、生活、空间承载及环境保护等多种功能，是人类生存和发展以及保障粮食安全的物质基础[1-2]。近年来，随着工业化及城镇化的不断推进，人口迅速增长，其带来的环境污染严重影响耕地质量及耕地生态安全[3]。在十九大会议中，习近平总书记提出建设生态文明，提高生态安全度，而耕地生态安全作为生态文明系统的重要组成部分，其研究备受关注。

耕地生态安全是指耕地资源环境、生态及社会经济不受危险，且处于安全位置，是功能状态形式[4]。近年来，国外学者主要集中于耕地生态安全与不同区域土地可持续利用及土地生态安全的关系，如Rasul[5]从农业生态环境、社会经济需求方面构建评价指标体系，分析孟加拉的耕地可持续利用与农业生态状况。国内学者主要集中在耕地生态安全评价、空间格局分布、影响因素、与经济协调关系4方面，如张祥义[6]基于熵权物元模型评价肥乡县耕地生态安全度，认为其可分为3个阶段； 王千[7]认为河北省138个县耕地生态安全空间格局显著，空间聚集度Moran′s I值为0.630； 贾书楠[8]认为影响西安市的因素主要是人均能值产出及农业财政支出比例； 杨玉珍[9]认为福建省耕地生态安全与经济的协调度和协调发展度在2004—2015年都呈增长趋势，且协调性不断增强。综合来看，国内外学者从多方面多尺度分析研究区耕地生态安全，但少有学者选取生态文明建设区为研究区分析其耕地生态安全概况，近年来，云南省坚持把生态文明建设示范区创建工作作为首要工作，立足将云南省打造成生态文明建设区。基于此，文章选取云南省为研究区，基于多因素综合加权法评价2000—2016年云南省耕地生态安全度，并分析云南省2000年、2005年、2010年、2016年耕地生态安全空间分布格局，在此基础上，基于障碍度模型分析其障碍因子，以期为提高云南省生态安全度提供依据。

1 研究方法及指标体系

1.1 研究区概况

云南省地处西南边陲，属低纬度内陆地区，地理位置优越，东接贵州省、广西壮族自治区，北靠四川省，南部与老挝、越南毗邻，是中国通往东南亚、南亚的窗口和门户。全省总面积39.41万km2，居全国第八位[10]。辖8市8州，包括昆明市、曲靖市、玉溪市、昭通市、保山市、丽江市、普洱市、临沧市、德宏州、怒江州、迪庆州、大理州、楚雄州、红河州、文山州、西双版纳州，总人口4770.5万人。21世纪以来，云南省经济迅速发展，人口极速增加，耕地承载力压力不断加大。以云南省耕地资源作为研究对象，对其耕地生态安全度及时空格局布局进行分析，对云南省耕地生态安全有重要意义，以期为云南省耕地生态安全额综合评定和政策措施制定提供理论支持。

1.2 研究方法

1.2.1 多因素综合加权法

多因素综合加权法主要是通过对数据进行预处理，并运用一定方法确定权重，最后对各指标值进行加权求和所得[11]，该文选用极差法对数据进行预处理，运用熵值法确定指标权重，具体步骤如下：

(1)

(2)

式(1)中，Xij为标准化后的数值，xij为标准化前的原始数值，xmin为标准化前最小的数值，xmax为标准化后最大的数值，若指标为正，则采用式(1)若指标为负，则采用式(2)。

(3)

式(3)中，Yij为标准化的矩阵，Wi代表的是熵权的值，k=1/lnm；Hi代表的是通过计算得到的信息熵。

(4)

式(4)中，m为指标个数，Hi代表的是通过计算得到的信息熵，Wi为各指标权重。

(5)

式(5)中，Wi为各指标权重，Xij为标准化后数值，F为综合得分。

1.2.2 障碍度模型

对耕地生态安全值进行分析，能够看出其耕地总体变化，但不能表征耕地生态安全的影响因素，为了更好地提出提高耕地生态安全度的建议，该文引入障碍度模型通过因子贡献度、指标偏离度及障碍度进行障碍因子诊断[12-13]，计算公式如下：

(6)

1.3 指标体系

表1 基于P-S-R框架的云南省耕地生态安全评价指标体系

目标层准则层指标层权重耕地生态安全评价压力(0.338)人口自然增长率C1(%)0.052人均耕地面积C2(hm2/人)0.080城镇化水平C3(%)0.073单位耕地面积化肥施用量C4(kg/hm2)0.069第一产业占GDP的比重C5(%)0.064状态(0.329)森林覆盖率C6(%)0.071人均粮食产量C7(kg2/人)0.088单位耕地农业机械化水平C8(kW/hm2)0.072复种指数C9(%)0.064水土流失率C10(%)0.034响应(0.333)污水处理率C11(%)0.045人均粮食占有量C12(kg/人)0.080农民人均纯收入C13(元)0.081环保投资额占GDP比重C14(%)0.075专业技术人员C15(人)0.052

PSR模型是为了诊断生态系统的持续性，剖析生态系统内在的因果关系，从整体上反映耕地生态系统与经济发展和人类活动间的相互关系[14]，而以科学合理的方法构建评价指标是正确评价耕地生态安全的关键，因此，该文基于科学性、可获取性、实用性等原则以及研究区实际情况，综合“压力—状态—响应”模型建立指标体系，具体如表1所示。其中，压力指标主要是根据人类活动对耕地生态环境造成的压力所选取的，主要包括人口自然增长率、人均耕地面积、城镇化水平、单位耕地面积化肥施用量、第一产业占GDP的比重5个指标； 状态指标是指由于压力改变了耕地原有状态，主要包括森林覆盖率、人均粮食产量、单位耕地农业机械化水平、复种指数、水土流失率； 响应指标指的是对于改变的状态人类社会会采取一定措施作为响应，用以恢复耕地生态质量，主要包括污水处理率、人均粮食占有量、农民人均纯收入、环保投资额占GDP比重、专业技术人员5个指标。该研究的数据均来源于《云南省统计年鉴(2000-2017)》及相关的云南省社会经济发展统计公报及云南省社会统计局、社会统计局等网站。

1.4 评价标准确定

鉴于对于耕地生态安全还没有一个统一的评价标准，该文根据研究区耕地生态安全实际情况，并结合现有研究对于耕地生态安全评价值得划分，该文将云南省生态安全评价值划分为5个等级[15]，如表2所示。

表2 耕地生态安全等级划分

F生态安全等级特 征≥80Ⅴ级安全耕地生态环境好、结构完整、土壤肥力高、适宜农业开发60≤F<80Ⅳ级次安全耕地生态环境相对较好、农业污染程度低、适宜农业开发,生态问题不显著40≤F<60Ⅲ级临界安全耕地生态环境保护程度弱化,生态环境破坏较少,生态结构趋向恶化,生态系统受到干扰,生态问题有待解决20≤F<40Ⅱ级敏感耕地生态环境受到较大破坏,耕地生态问题突出,耕地产量低、生态灾害频繁、治理难度大,生态问题严重<20Ⅰ级风险耕地生态环境受到严重干扰和破坏,耕地生态结构和功能不完整,耕地的功能退化,生态问题突出,生态灾害严重,难以恢复

2 数据分析

2.1 云南省耕地生态安全时空格局变化

2.1.1 云南省耕地生态安全时间变化特征

通过基于P-S-R模型从耕地压力—状态—响应3方面对云南省耕地生态安全进行综合分析和研究，结果如图1所示，由图1可知，其耕地生态安全总值总体呈波动上升趋势，由2000年的45.68上升到2016年的85.62，可分为3个阶段，第一阶段为2000—2007年，为缓慢上升阶段，第二阶段为2008—2010年，缓慢下降阶段，第三阶段为2011—2016年为高速发展阶段。

图1 云南省耕地生态安全评价结果

在第一阶段中，云南省生态安全值逐渐上涨，尤其是2003年之后，这主要是由于2003年开始全国取消农村农业税，实行家庭承包经营为基础、统分结合的经营体制，大大提高了农户农业种植的积极性，人均粮食拥有量得到较大提高，而且，农民人均纯收入从2003年的1 758元上涨至2007年2 634元，森林覆盖率由2003年的45%上涨至2007年49.9%，这些因素使云南省耕地生态安全状况得到明显提升。

在第二阶段中，云南省耕地生态安全呈下降态势，随着工业化和城镇化快速发展，农地非农化现象日趋明显，人地矛盾越发突出，另一方面，越来越多农药化肥投入到耕地开发及农业生产之中，使得土壤肥力下降，耕地资源遭受破坏，据相关数据显示， 2009年云南省化肥使用量相较2008年上涨5%，在这些因素的共同作用下，云南省耕地生态安全呈下降态势。

在第三阶段中，云南省耕地生态安全呈上涨态势发展，这与2011年云南政府提出“城镇上山”有着直接关系，试图全面启动低丘缓坡综合开发利用，耕地占用得到一定缓解，尤其是占用优质耕地现象减少，优质耕地用于农业生产，提高了农业生产力，另一方面，由于在上一阶段中，耕地遭受严重破坏促使人们开始思考保护耕地资源，提高耕地生态安全，因此，政府也颁发了一系列政策以保护耕地资源，提高了云南省耕地生态安全。

2.1.2 云南省耕地生态安全空间格局演变

应用ARCGIS软件，通过其空间分析板块，运用自然断裂法(Jenks)将云南省2000年、2005年、2010年、2016年的耕地生态安全等级绘制成空间分布图，如图2所示。

图2 云南省耕地生态安全空间格局变化

2000—2016年，云南省耕地生态安全水平空间差异格局显著。2000年云南省Ⅰ级风险区主要集中在怒江州、文山州及玉溪市中，主要是由于怒江州及文山州地势险峻，且坡耕地比重较大，因此，易发生水土流失等自然灾害，耕地压力大； Ⅱ级风险区成团状分布，主要集中在中部和北部地区，虽然该地耕地自然条件较好，但人口密度相对较大、工业发展相对较好，使得其耕地承载力较大，耕地生态安全较低； Ⅲ级临界安全区主要位于西南和东北部地区，主要位于曲靖市、普洱市等地，该地森林覆盖率相对较高，且粮食产量相对较高； Ⅳ级安全区为德宏州，其森林覆盖率占云南省5.4%，且地表水未被污染，水资源丰富，自然条件优越，为粮食生产提供良好环境，耕地生态安全度高。

2005年Ⅲ级临界安全区和Ⅳ级次安全区数量明显增加，主要集中在云南省西部、中部地区，包括丽江、宝山、昆明、大理、普洱等地，这些地区自然条件相对优越，农业发展较好，农业发展促进其自身经济发展，提高了生活质量，维护了耕地安全，提高了耕地生态安全度。

2010年，云南省中部地区为Ⅳ级次安全区阶段，部分地区出现Ⅴ级安全区，如德州及西双版纳地区两地，主要是受当地政策影响，如德州市政府出台相关关于耕地生态安全的政策，试图提高其耕地生态安全

2016年云南省绝大多数地区已经实现了Ⅳ级次安全区与Ⅴ级安全区目标，这与这些地区开发优越的旅游资源有着直接联系，发展旅游资源需要良好环境，因此，某些地区工业发展停产，农业生产中，农药化肥使用量相对较少，在政府提出化肥零增长的建议下，农业生产依据科学技术来提高农业产量，另一方面，政府加大环保资金投入，昆明、大理、普洱等旅游区现象更加明显，直接提高耕地生态安全度，因此，大部分地区耕地生态安全朝良好方向发展。

2.2 障碍因子诊断

表3 2000—2016年云南省耕地生态安全指标层主要障碍因子障碍度

年份项目指标排序123452000障碍因素122518障碍度(%)25.6120.1513.2710.068.442005障碍因素12134815障碍度(%)22.3620.2814.299.478.132010障碍因素137984障碍度(%)40.8924.4415.288.577.052016障碍因素13141584障碍度(%)32.2124.4315.709.957.01

运用障碍度模型，对影响云南省耕地生态安全的障碍因子进行诊断，以确定障碍因子，计算结果如表3所示。

2000年影响耕地生态安全障碍因子主要集中在压力状态下，前5位的障碍因子是人均粮食占有量(C12)、人均耕地面积(C2)、第一产业占GDP的比重(C5)、人口自然增长率(C1)及单位耕地农业机械化水平(C8)，由此可以看出，影响2005年耕地生态安全的主要因素是与农户有直接关系的经济因素，表明当时的耕地生态安全直接由农户的经济收入所决定。

2005年影响耕地生态安全障碍因子分别为人均粮食占有量(C12)、农民人均纯收入(C13)、单位耕地面积化肥使用量(C4)、单位耕地农业机械化水平(C8)及专业技术人员(C15)，决定耕地生态安全的依旧是农户直接经济收入，但农户开始注重科学技术使用及农业生产环境对耕地生态安全的意义。

2010年影响耕地生态安全障碍因子分别为农民人均纯收入(C13)、人均粮食产量(C7)、复种指数(C9)、单位耕地农业机械化水平(C8)及单位耕地面积化肥使用量(C4)，主要是受其指标状态影响。

2016年影响耕地生态安全障碍因子为农民人均纯收入(C13)、环保投资额占GDP比重(C14)、专业技术人员(C15)、单位耕地农业机械化水平(C8)及单位耕地面积化肥使用量(C4)，充分表明农户已经意识到科学技术及环境保护的重要性，专业技术的使用及环境保护的经济投入已然成为影响耕地生态安全的重要因素。

3 结论与讨论

该文基于微观视角对云南省耕地生态安全进行定量分析，采用多因素综合加权法测算其生态安全度，并利用ARCGIS分析功能分析其空间分布概况，并基于障碍度模型分析其耕地生态安全度的主要障碍度，主要得出以下结论：

(1)云南省耕地生态安全总值总体呈波动上升趋势，可分为3个阶段。第一阶段受国家政策影响其耕地生态安全值呈上升态势发展； 第二阶段受城镇化及工业化快速推进呈下降态势； 第三阶段其耕地生态安全值呈快速发展趋势，与农户意识的提高及云南省政府“城镇上山”政策有直接关系。

(2)2000—2016年，云南省耕地生态安全水平空间差异格局显著。Ⅰ级风险区及Ⅱ级风险区数量逐渐减少， Ⅲ级临界安全区、Ⅳ级次安全区及Ⅴ级安全区数量明显增加； 西南部耕地生态安全度整体高于其他地区， Ⅰ级风险区主要集中于西北部地区， Ⅱ级风险区分布相对较散， Ⅲ级临界安全区集中于东部地区， Ⅳ级次安全区主要集中于中部地区， Ⅴ级安全区主要分布在西南地区。

(3)2000年的障碍因子是人均粮食占有量(C12)、人均耕地面积(C2)、第一产业占GDP的比重(C5)、人口自然增长率(C1)及单位耕地农业机械化水平(C8)； 2005年影响耕地生态安全障碍因子分别为人均粮食占有量(C12)、农民人均纯收入(C13)、单位耕地面积化肥使用量(C4)、单位耕地农业机械化水平(C8)及专业技术人员(C15)； 2010年影响耕地生态安全障碍因子分别为农民人均纯收入(C13)、人均粮食产量(C7)、复种指数(C9)、单位耕地农业机械化水平(C8)及单位耕地面积化肥使用量(C4)； 2016年响耕地生态安全障碍因子为农民人均纯收入(C13)、环保投资额占GDP比重(C14)、专业技术人员(C15)、单位耕地农业机械化水平(C8)及单位耕地面积化肥使用量(C4)。

耕地生态安全评价是一个动态变化过程，该文通过PSR模型选取指标并测算2000—2016年云南省耕地生态安全度，但现有研究中以生态文明建设示范区为研究区而进行耕地生态安全评价的研究相对较少，因此，该文的研究具有典型性。但该文在选取指标的过程中虽在某方面考虑了生态文明建设示范区指标的特殊性，由于数据的限制选取的指标并未全面覆盖生态文明建设示范区的特殊性，因此，在未来的研究中，如何针对生态文明建设示范区自身特殊性更加全面地选取指标是研究的重中之重。