叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全评价及预警分析*

麦丽开·艾麦提，满苏尔·沙比提，张雪琪

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054)

0 引言

耕地是最宝贵的土地资源之一，它不仅是人类生存和发展的基础，而且还密切关系到区域的粮食安全及可持续发展，是非常重要的农业生产资料。经过人类的长期开发与经营，耕地生态系统逐渐演变成为具有高度耦合性的社会—经济—生态复合系统[1，2]。近年来，随着社会经济的快速发展、人们对物质的需求量不断提高，对耕地资源的利用程度加深以及诸多不合理的利用方式导致耕地生态系统遭到严重破坏，并直接或间接地影响着耕地的生态安全，制约着人类社会经济的可持续发展，同时区域农田生态系统也面临着严重的冲击与破坏，这些破坏程度已经达到甚至超过了农田自身的生态承受能力。因此，对耕地生态安全进行预警已成为区域可持续发展测度的一个重要内容。耕地生态安全预警是对区域耕地环境质量的状态与变化的评价、预测和警告，目的是促使耕地生态系统能够基本保持自身正常功能的运转以及满足社会经济可持续发展的需求[3]。

目前，国内外有关耕地生态安全预警方面的研究参差不齐。国外由于起步早，已具有较为完整的理论体系和系统方法，所以预警研究主要集中在生态环境冲突预警[4]、生态风险预报[5]、自然灾害预警[6]等方面。国内相关研究在20世纪90年代后期才起步，导致预警研究仍停留在耕地安全预警的理论、模型、指标与方法等方面上。随后诸多学者展开了实践，研究对象主要包括耕地[2]、土地[3]、流域[7]等生态系统，在研究方法和技术上，已逐步由定性为主走向定量探讨为主，方法主要包括物元分析法[8]、综合指数法[9]、生态足迹法[10]、可拓分析法[11]、BP、RBF神经网络法等[12]，同时，随着现代信息技术的发展，基于3S技术的生态安全预警方法正逐步发展起来[7]并丰富了我国生态安全预警工作的内涵，但目前预警方法还不够成熟，指标评价体系不一、有待进一步完善[13]。鉴于此，文章以叶尔羌河平原绿洲为研究对象，通过建立基于DPSIR(驱动力—压力—状态—影响—响应)模型的预警指标体系，运用DPSIR概念模型与障碍度模型探讨1991—2016年叶尔羌河平原绿洲的耕地生态安全状况并进行主要障碍因子分析。最后通过运用GM(1，1)预测模型预测2018—2025年8个年份的耕地生态安全状态，以期为区域耕地生态安全的有效调控提供决策参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

叶尔羌河平原绿洲介于74°28′E～80°54′E，34°50′N～40°31′N之间，地处塔克拉玛干沙漠西缘，喀喇昆仑山北麓，北抵天山南麓与阿克苏地区相接。流域地形西南高、东北低，大致分为山区和平原两大部分。其平原区总面积为3.81万km2。该文研究区域为叶尔羌河流域中下游的平原绿洲区(以下简称“研究区”)，在行政区划上包括喀什地区的叶城、泽普、莎车、麦盖提、巴楚等县域(图1)。

至2016年底，土地总面积为496万hm2，占新疆总面积的2.98%。剧烈的人为活动使区域土地利用/覆被发生了明显变化，绿洲外围荒漠区的地下水位不断下降，未利用土地占总面积的74.74%，成为区域景观面积最大、连通程度最高的地类(图2)，耕地生态环境状况也随之恶化，耕地生态安全问题日益凸显。因此，探讨耕地生态安全预警研究的问题，不仅有利于协调人地矛盾，保障粮食安全和社会稳定，而且对实现研究区域社会经济与生态环境保护之间的可持续发展和构建和谐社会具有更重要的理论和现实意义。

图1 研究区示意图 图2 2016年土地利用变化

1.2 数据来源

该文所依据的基础数据主要来源于《新疆统计年鉴(1992—2017)》《喀什统计年鉴(1992—2017)》、所辖县地方志以及政府网站公布的经济、社会发展统计公报提供的数据进行计算，整理获得；结合相关数据，借助DPS 6.5、Microsoft Excel和ArcGIS 10.2等软件进行数据处理、统计分析、模型计算、绘图及完成专题地图制作。

2 研究方法

2.1 DPSIR概念模型的构建

2.1.1 预警指标体系构建

DPSIR概念模型是在PSR模型的基础上发展演化而来的。它将表征一个自然系统的评价指标分成驱动力、压力、状态、影响及响应5种元素，每种元素涉及多个评价指标[14]，并通过各元素间的相互作用，揭示人类活动与耕地环境的相互关系，有效地判断出状态和问题之间的因果关系，把复杂的问题细化，并能够综合性、系统性地描述和分析耕地生态安全预警指标之间的连续反馈机制，有效开展生态预警研究[15]。

该文据此借鉴DPSIR预警模型，从研究区的实际情况出发，综合考虑各种障碍因子，同时在参考相关研究成果的基础上[1，2，16，17]，结合数据的可得性，遵守指标选取的完整性、动态性、科学性、实用性、针对性等原则，最终筛选出了相应的27个评价指标并构建了叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警指标体系。其中，“驱动力”是使耕地生态安全变化的潜在原因，包括人口增长和社会经济发展；“压力”是人类活动对耕地生态安全的影响，包括化肥、农药和地膜的大量使用；“状态”即耕地生态安全在上述压力下所呈现出的状况，主要体现在人均粮食产量与第一产业占GDP比重等方面；“影响”是状态的改变对耕地生态安全以及人类社会经济水平所产生的影响，包括农牧民人均纯收入和单位耕地的粮食产量等方面；“响应”即人类在促进耕地生态可持续发展进程中所采取的一系列措施，包括造林面积、第三产业产值和水利、环境和公共设施管理业投资等方面，表1。

表1 叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警指标体系及权重

2.1.2 评价指标标准化处理

由于各指标具有不同的测度量级，无可比性，不便于分析甚至会影响预警结果，因此该文采用极差法进行各指标的标准化处理，具体见参考文献[18]。

2.1.3 计算指标权重

该文采用客观性较强的熵值法[3，14]进行计算，其将避免评价结果产生主观偏差，能够更客观地反映各指标对耕地生态安全状况的影响程度。具体计算公式如下。

①计算指标信息熵Hj

(1)

②计算第j项指标的差异性系数Gj

Gj=1-Hj

(2)

③计算指标权重wj(表1)

(3)

2.1.4 计算预警指数Fi

该文采用多因素综合指数法[19]计算区域耕地生态安全预警值。其计算公式为：

Fij=wj×yij

(4)

(5)

2.1.5 警情划分标准

该文参考相关学者有关研究成果[20，9]，同时结合研究区耕地生态环境的实际情况，以等间距的方式将研究区耕地生态安全警情状况划分为5个等级(表2)。

表2 叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全警情划分标准

表3 GM(1，1)模型精度检验标准

2.2 障碍因子分析方法

为有效提高研究区耕地生态安全水平，筛选出评价指标体系中对研究区耕地生态安全预警等级起主要影响作用的因子，该文采用障碍度模型[21]对障碍因子进行分析，其计算公式为：

(6)

式(6)中，Qi为第i年各指标对耕地生态安全的影响程度，即障碍度；Lij为第j个指标值与安全值之间的差距，即Lij=1-yij；yij为单项指标的标准化值。

2.3 警情演变趋势预测方法

灰色GM(1，1)模型具有简便、精确度高、无需典型概率分布等优点，被广泛应用于生态学、社会经济学等领域并取得了较好的效果[22]。该文将运用灰色GM(1，1)模型对2018—2025年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全状况进行预测预警，其具体建模步骤为[20，23]：

①对数据序列X(0)={x(0)(1)x(0)(2)…，x(0)(N)}做一次累加加成

②将X(1)的变化趋势近似地用微分方程描述

(7)

式(7)中，a为灰发展系数；u为灰作用量；t为时间。求解式(8)得GM(1，1)模式对应的标准型解为：

(8)

通过式(8)可对指定时间的值进行预测。

③进行精度检验

为了模型分析的可靠性，必须对模型精度进行检验。目前较通用的检验方法是对模型进行后验差检验，后验差检验通过求解后验差比值(C)和小误差频率(P)来检验(表3)。若检验结果可用，则可利用灰色预测模型GM(1，1)进行预测；否则，建立残差模型对其进行修正。

3 结果与分析

3.1 耕地生态安全现状警情

运用前述预警方法计算得出1991—2016年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警值及趋势见表4和图3。

图3 1991—2016年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警趋势分析

3.1.1 总体警情状况

1991—2016年，叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警综合指数整体上呈现出递增趋势，耕地生态安全状况得到进一步改善。耕地生态安全预警值由1991年的0.149 1上升到2016年的0.691 8，耕地生态安全不断好转，年均增长率达到6.33%，说明耕地生态安全水平不断提高。根据耕地生态安全警情划分标准(表2)，耕地生态安全警情状况由“巨警”缓解为“轻警”。这表明：1991年以来研究区域的国民经济持续发展，农牧民人均纯收入和人均生产总值都不断提高，人民生活水平得以改善；尤其是，2000年以来，随着国家对于西部大开发战略的重视程度不断提高，技术型人才不断引进，对科技、水利、环境和公共设施管理业的投资加大，叶尔羌河平原绿洲的经济呈现出良好的发展趋势，这也是叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警综合指数从2008年以后呈现增长趋势的原因；另外，2010年召开的中央新疆工作座谈会和2015年召开的第五次全国对口援疆工作会议之后，推动了各项事业的快速发展，整个耕地生态系统的警度已由“中警”转为“轻警”。这一变化表明于政府的政策引导下，研究区耕地生态安全正在逐渐改善，所实施的一系列政策计划对于研究区耕地生态安全有很大的作用。

表4 1991—2016年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全及其子系统预警指数

3.1.2 各子系统变化状况

(1)驱动力系统变化:1991—2016年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全驱动力层预警值总体上呈波动式上升趋势，根据(图3)曲线的形状，大体可以分为2个阶段：第一阶段(1991—2005年)预警值从0.014 7增长为0.024 1，年均增长率为3.59%；第二阶段(2006—2016年)预警值上升幅度较大，增长率为6.16%。在全面落实西部大开发战略、推动全省经济跨越式发展和全面建成小康社会的背景下，叶尔羌河平原绿洲的经济保持快速增长，人民生活稳步提高，使人均GDP和GDP增长率都有所提高，从而有助于驱动力系统的提升和生态环境的改善。

(2)压力系统变化:压力层预警值呈下降趋势，由1991年0.082 7减小到2016年0.074 5，说明叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全所承受的压力逐渐增大(负向指标，压力指数越小，生态安全压力就越大，反之就越小)[1]。这主要由化肥使用强度和人口密度所致。近26年来，平原绿洲区化肥使用量由250.2kg/hm2增加到542.8kg/hm2，人口密度由53.68人/km2上升到86.04人/km2，由此可见，随着人口的增长、社会经济的快速发展和新型城镇化的加速推进，对耕地生态造成了一定程度的压力，尤其是近几年压力持续增加。另外，叶尔羌河平原绿洲的生产活动以农业为主，其与化肥的使用强度有密切的关系，这些将导致水土资源污染，土壤盐碱化程度加剧，最终增加了耕地生态安全压力。

(3)状态系统变化:由图3可以看出，1991—2016年状态层预警值呈现波动式缓慢递增趋势，这表明研究区耕地生态系统正缓慢趋向好转，这主要是因为在状态层指标中人均粮食产量处于不断增长的趋势，1991—2016年人均粮食产量从482kg增加到774.4kg，农作播种面积从28.32万hm2增加到45.42万hm2，同时区域更注重二、三产业发展，第一产业占GDP比重亦由72.89%下降到44.92%，平原绿洲区生态安全状态得到了较明显改善。另外，复种指数、水土协调度也不断提高，保障了农业的生产效率，并反映出平原绿洲在经济、社会、环境和生态的协调发展，但由于研究区耕地生态环境比较脆弱，自然灾害频繁，各年份灾情程度和受灾面积差异较大，一旦受损，恢复困难；同时，在压力系统的影响下，状态系统预警值大体上呈现出缓慢上升的趋势，并还需要进一步改善。

(4)影响系统变化:随着状态系统安全状况的逐步好转，其对社会经济发展的影响也趋于好转，这主要是因为在影响层指标中农业机械化水平不断提高，单位耕地面积农业机械总动力由1 156w/hm2提高至6 882.88w/hm2，产业结构逐步优化，人民生活水平进一步提升。

(5)响应系统变化:由于政府加大了对环境的保护和治理力度，响应系统预警值总体呈增加趋势，2016年响应预警指数是1991年的105.71倍，尤以2005—2012年表现突出，增长幅度较大，其年均增长率为26.29%，这表明该绿洲的抵御生态风险的能力增强并为减缓区域耕地生态压力所采取的一系列措施取得了较明显的成绩。在研究时段内平原绿洲区当年造林面积由6 091hm2提高到2.538 5 万hm2，年均增长率为5.88%；水利、环境和公共设施管理业投资由7 303万元增加到16.845 1亿元；2016年第三产业占GDP比重是1991年的2.2倍，年均增长率达到3.2%；近年来，伴随着西部大开发的进程不断深入，政府的财政调控能力不断增强，因而对环保的投入更加科学合理，对生态环境保护和建设的支持力度增强。由此可知，叶尔羌河平原绿洲解决耕地生态安全系统问题的能力也在不断地提高与改善。

3.2 障碍因子分析

3.2.1 耕地生态安全主要障碍因子分析

通过障碍因子分析得出1991年、2016年的耕地生态安全障碍度(表5)。1991年阻碍耕地生态安全状况改善的障碍因素主要集中在系统影响和系统状态方面，主要包括农作物受灾面积、第三产业占GDP比重、单位耕地的粮食产量、第一产业占GDP比重和耕地垦殖指数等；而2016年阻碍耕地生态安全状况改善的障碍因素主要集中在系统压力、系统状态方面，主要包括农作物受灾面积、农药使用强度、灾害指数、地膜使用强度、化肥使用强度和人口密度等。从单项指标变化趋势上看，1991—2016年农作物受灾面积、农药使用强度、灾害指数、地膜使用强度、化肥使用强度和人口密度等指标障碍度上升幅度较大。研究发现造成这一现象的主要原因是随着经济的快速发展、人们对物质的需求在不断加强，因此，人们通过大量施用农药、地膜和化肥等有害物质来促进农作物产生高产，从而导致耕地农药、地膜和化肥使用强度的障碍度增大并且直接或间接地影响了耕地生态环境。

表5 1991年和2016年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全障碍因素排序

3.2.2 子系统的障碍度分析

在计算单项指标障碍度的基础上，进一步计算耕地生态安全分类指标的障碍度(图4)。从整体来看，系统压力的障碍度呈现递增态势，而系统驱动力、系统状态、系统影响和系统响应的障碍度呈下降趋势，从5个子系统的障碍度数值来看，2003年之前系统状态、系统影响和系统响应的障碍度较高，其次是系统压力、系统驱动力；从2003年开始，系统状态障碍度最大，其次是系统响应、系统压力、系统影响和系统驱动力；2008年以后系统压力障碍度超过系统状态和系统响应，位居第一位；从2008年开始系统状态障碍度由23.32%波动上升到2016年的31.94%。可见，提高耕地生态安全水平必须从系统压力、系统状态入手，同时注重加强系统驱动力、影响和响应。从各子系统的障碍度年变化率来看，1991—2016年系统压力的障碍度以年均7.57%的速度增加，而系统驱动力、状态、影响和响应的障碍度分别以年均0.34%、1.01%、100%和4.65%的速度下降。显然，从长远来看，系统压力逐渐成为影响耕地生态安全的主要因素。

图4 1991—2016年各子系统障碍度

图5 2018—2025年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预测趋势

3.3 耕地生态安全警情演变趋势

运用GM(1，1)预测模型计算得出2018—2025年叶尔羌河平原绿洲各子系统及总体的耕地生态安全发展趋势(图5)。从各子系统看，由于叶尔羌河平原绿洲经济发展方式正由粗放式向集约式转变，加之科学技术的不断进步，驱动力系统预警值逐年增大；未来人口增长和化肥使用量将进一步的显现，使压力系统预警值逐年下降并导致状态预警值的减少，同时，影响研究区的耕地生态安全；随着生态文明建设的提出，一系列环境保护政策将进一步落实，环境保护和治理力度继续加强，影响系统预警值将会持续上升；从总体来看，基于驱动力、影响系统力度的加强，叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警值不断上升，按目前的发展态势，2018—2025年警度将由“轻警”逐步转变“无警”，耕地生态环境状况将有所改善。

4 结论与讨论

4.1 结论

该文基于DPSIR概念模型构建了叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警指标体系，运用客观性较高的熵值法计算得出指标权重，根据各项指标的权重及预警指数对1991—2016年研究区域耕地生态安全警情格局进行评估和主要障碍因子分析，最后通过采用GM(1，1)预测模型对其2018—2025年的警情演变趋势进行预测。研究结果表明如下。

(1)1991年以来叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全水平总体不断提高，2016年耕地生态安全预警指数是1991年的4.64倍，且警度由1991年的“巨警”缓解为2016年的“轻警”；从子系统看，驱动力系统、状态系统、影响系统和响应系统预警值大体呈上升态势，但压力系统预警值呈递减趋势，从而影响了叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全整体水平的提高。

(3)从子系统障碍度来看，系统压力和系统状态对叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全影响较大；从指标层因子的障碍度来看，影响耕地生态安全的主要障碍因子包括农作物受灾面积、农药使用强度、灾害指数、地膜使用强度、化肥使用强度和人口密度等。

(3)2018—2025年的耕地生态安全预警值分别为0.697 0，0.730 1，0.765 3，0.802 8，0.842 5，0.884 6，0.929 2,0.976 3，表明未来8年叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全状况良好，但状态和响应系统预警值处于下降趋势，仍将是阻碍耕地生态安全水平提高的关键因素。

4.2 讨论

(1)该文通过DPSIR模型来架构驱动力、压力、状态、影响和响应5个系统，可以更好地体现和表达叶尔羌河平原绿洲耕地生态环境、社会经济和人类活动之间相互作用的响应机制，说明基于DPSIR模型构建的耕地生态安全预警指标体系符合叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全实际情况，有利于揭示叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全预警情况。但由于可借鉴资料与指标数据可获得性的局限，构建耕地生态安全预警指标体系是参考前人研究而来，选取指标有限，研究区域预警研究仅从时间序列做动态分析，故在今后的研究中应注重指标体系的选择，同时耕地生态安全预警评价应从时间序列走向时空格局演变进行动态综合分析。在数据采集上，需要进一步改进，可采用GIS、RS技术来实现数据采集，会进一步增强评价结果的可信度，使耕地生态安全预警评价更加客观性。

(2)该研究基于熵权灰色预测模型对叶尔羌河平原绿洲耕地生态安全进行预警研究，由于熵权法计算权重相对客观性，同时灰色预测模型在时间序列较短的预测中准确性高、误差小，将熵权法与GM(1，1)预测模型结合，使耕地生态安全预警评价更加精确，是耕地生态安全预警研究的一次尝试。但熵权法计算指标权重理论尚未成熟，除了该文采取的熵值法，还有其他方法，如层次分析法[24]和变异系数法[25]等。在以后的研究中，对同一指标体系，可以同时使用不同的方法来计算权重，最终取其平均值确定其指标权重，以期使评价结果更接近于叶尔羌河平原绿洲的耕地生态安全现状。

(3)根据以上研究结果，为进一步提高叶尔羌河平原绿洲的耕地生态安全水平必须注重系统压力的调节，需继续实行有效的人口政策，注重控制人口增长，降低土地承载压力，提高人口文化素质，鼓励农牧民发展新型绿色农业，合理施用农药、地膜和化肥，同时应鼓励农牧民使用有机化肥替代化肥来提升耕地质量并减轻对土地资源的污染，防止耕地生态环境的恶化，进而持续改善耕地生态安全状况。