基于欧式距离法的成都农业可持续发展评价*

王惟帅 高 悦 刘宏元 邢 磊 杨世琦，2※

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业农村部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081)

0 引言

可持续发展的理论体系是在特定的社会背景下，随着时代的变迁和人类意识形态的提升而逐渐形成和完善的。20世纪50～60年代，在多重环境压力下，人们开始对一味追求发展的传统模式产生了质疑和反思。1962年，生物学家Rachel Carson发表了《寂静的春天》，进而引发了全球范围的关于发展观的激烈争论；10年后，《只有一个地球》的问世让人们逐渐认识到发展和环境的不平衡会给正常生活带来负面影响；直到1987年，可持续发展的概念才被联合国世界与环境发展委员正式提出，受到世界各国政府和媒体的极大关注[1]；1992年，联合国环境与发展大会上，众多国家和地区的领导人通过了《世纪议程》等一系列文件，明确“发展”和“生态环境”的内在联系，使可持续发展理论走向实践，之后不久，经国务院审议通过了《中国21世纪议程》，确立了可持续发展在我国经济发展中的重要地位[2]。

可持续发展评价的基础是指标体系的建立，科学的指标体系是支撑可持续发展实施的基本保障。联合国可持续发展委员会在1995年构建了包含有134个指标的可持续发展评价体系，随后，许多国家在全球尺度、区域尺度和国家尺度上对可持续发展进行了积极的探索，提出了相应的指标体系，并进行了适用性的检验和广泛的应用[3]。我国政府和学者也积极围绕当前的发展态势，开展了一系列研究，并于1994年就提出了适合我国国情的农业发展可持续性综合评价指标体系。两年后，农业农村部(原农业部)农业资源区划管理司综合考虑我国农业生态环境的诸多影响因子，建立的可持续发展试验区综合评价体系[4]。2000年，吴传钧等[5]提出一套比较全面农业可持续发展评判标准系统，该系统有41个细分指标。由此可见，世界各国对可持续发展的重视，此外，国内外诸多学者对评价指标进行探索和分析。Kruseman等[6]依据资源有效持续利用原则，建立包括土壤、水、大气、矿物质、植物与动物5个方面共32个指标的评价体系。Stockle 等[7]提出了包括9方面属性的农业可持续性评价框架体系。王绍辉[8]从目标层、准则层和指标层等方面进行综合分析，提出一套较有效的农业可持续发展评价指标体系。陈琼等[9]依据可持续发展基本原则，从资源、环境、人口、经济等方面，选取33项主要指标，建立了农业可持续发展指标体系。

可持续发展评价的方法有很多种，目前应用较为广泛的方法主要有GDP核算法[10]、真实储蓄率测算法[11]、人类发展指数模型法[12]等社会经济学方法；能值综合指数分析法[13]、物质流分析法[14]、生态足迹法[15]等生态学方法；还有如指标重要性法[16]、模糊数学模型[17]、数据包络分析[18]、系统动力学[19]等系统学方法；以及近年来研究和应用较多的如神经网络预测法[20]、集对分析[21]、行星边界法[22]等相对新兴的方法。

由于能够比较全面地映射和解释可持续发展复杂系统，指标体系法备受国内外研究者的青睐，其中主成分分析法的应用更为广泛，但由于受指标间相关程度的影响，其结果也存在着线性映射等弱点[23]。此外，如果各子系统的样本群不同，可能造成结果数值的多变性，甚至多次评价结果的不一致[24]。鉴于此，该文引入欧氏距离法来评定农业可持续发展状态[25]，同时，用该方法对2000—2016年成都地区的农业可持续发展状况进验证分析。

1 农业可持续发展模型构建

人们对农业生态系统优劣的评判，一般都会与既定的目标参考值进行对比，这些目标值是对研究系统中大量的指标进行科学表征得到的，如单位面积化肥、农药施用量；人均粮食；人均住房面积；人均耕地面积等。随着人类对生态环境认知水平的提高，基本可以得到这些指标的公认取值，这些指标都可以作为可持续发展的指标来评判农业系统是否可持续发展[25]。因此，可以把这些公认取值构成的指标系统作为目标系统(the goal system)，用函数表示为：

G=F(X1，X2，…，Xm)

(1)

式(1)中，G指目标系统，F指目标系统状态，X1，X2，…，Xm指组成目标系统的指标状态值。一般农业系统的状态函数表示为：

∀S=fi(X1，X2，…，Xm)

(2)

用目标系统作为参照系统，可以判断一个农业生态系统的可持续发展状态，待测农业系统与目标系统的差距为距离，用D表示为：

D=|fi-F|

(3)

式(3)中，D代表待测系统与目标系统的距离，fi指待测系统状态，F代表目标系统状态。为了更好地描述和解释结果值与目标系统的接近程度，引入零系统(the zero system)，相当于标尺上的零刻度，所有指标值为最差值，用函数表示为：

Z=f0(X1，X2，…，Xm)

(4)

式(4)中，Z代表系统与目标系统的距离，f0代表零系统状态。通常的指标取值为0。

由此，零系统和目标系统的距离差就构成了评价可持续发展的标尺，待测农业系统的状态值就可以用这把标尺进行度量，其具体位置可以通过欧氏距离数学模型转化赋予结果值量纲。其函数公式为：

(5)

式(5)中，dIG表示待测系统与目标系统的加权欧氏距离，xik指待测系统的第k个评价指标值，xGk指目标系统的第k个评价指标值。Sk代表第k个指标值的标准差。

各维数值标准化依照公式为：

(6)

式(6)中，x代表原始值，m代表均值，s代表标准差。

依据欧氏距离可持续发展模型，待测系统与目标系统的距离为分子，目标系统与零系统距离为分母，其比值作为可持续发展指数。公式为：

(7)

式(7)中，ASDE表示农业可持续发展指数(Agricultural Sustainable Development Exponent)，dIG代表待测系统I与目标系统G的距离，dZG代表零系统Z与目标系统G的距离。可持续发展评价值分为3个区间，0

表1 农业可持续发展评价指标框架及目标系统指标参考值

2 农业可持续发展指标系统构建

基于农业可持续发展的要义，遵循农业可持续发展评价指标体系建立的原则和方法，参照《全国农业可持续发展规划2015—2030年》[26]，从我国农业生态系统的实际出发，综合考虑成都农业生产实际情况，从农业社会、农业经济、农业资源与环境等主要方面选取主要指标，根据实地调研和科学分析，评价指标由初选的79个，最终确定为16个，并对其进行农业可持续发展状况进行评价(表1)。

3 结果与分析

3.1 农业可持续发展指数分析

图1 四川成都可持续发展指数

根据欧式距离法，对指标进行调整和分析，得到成都2000—2016年的农业可持续发展结果，总体呈现上升趋势，农业可持续发展指数介于0.53～0.72之间，2000—2009年，成都的农业处于低持续发展状态；2010—2016年上升为中持续发展状态。结合实地调研分析，中持续发展状态的主要原因有：肥料施用量高，如氮肥的施用量在2011年前基本维持在230kg/hm2左右；磷肥的施用量比目标系统的参考值也要高25%左右；但是，复合肥的施用量却偏低，2000—2012年都表现为不足全年施肥量的30%；秸秆还田率整体表现良好，平均还田率达到80%，这是由于该地区围绕秸秆肥料化、饲料化、基料化、原料化、燃料化等利用，积极推广机械化粉碎还田、免耕沃土还田、作食用菌基料、生物质燃料等成熟技术[32]。成都地区气候温和，降雨充沛，农业产业发达，因此在病虫害防护上也有较高的投入，2014年以前，平均农药施用量达到目标参考值的两倍以上，2007年，农药的施用量为历年最高用量，直到2015年，其施用量才有较为明显的下降，但与发达国家农药施用量限值相比，仍存在一定差距。畜禽粪便还田率呈现先降低后升高的趋势，主要是由于规模养殖的兴起，还田成本的增加，导致还田利用率降低。成都地区土壤类型主要为酸性紫色土，土壤肥力较高，有机质含量平均达到17.8g/kg，2000—2016年有机质含量基本平稳，2016年为历年最高值，为20.1g/kg。该地区人均耕地面积平均为0.07hm2，低于目标参考值0.15hm2，人均耕地资源不够充足；保护性农业技术推广和普及呈现逐年上升趋势，到2016年，推广面积到达70%。成都农村居民人均住房面积稳健增加，到2006年已经达到小康社会住房面积标准；另外，农村饮用水合格率有了明显的改善，到2016年，合格率已经达到92%，主要因为农村用水设施的大力投入；农村劳动力整体素质有很大提高，大专以上的农业劳动力平均占比达到2.9%；人均粮食占有量平均为378kg，趋近目标参考值；农村人口人均可支配收入水平逐年升高，到2016年，人均可支配收入水平已经达到1.860 5万元，逼近发达国家水平。恩格尔系数在59%以上为贫穷，50%～59%为温饱，40%～50%为小康，30%～40%之间为富裕，低于30%为最富足[33]，一定程度上反映人民生活水平，成都地区恩格尔系数平均为36.8%，由此可见，从2005年，成都地区农民生活水平已经达到富裕水平，且恩格尔系数呈逐年下降趋势。

3.2 农业可持续发展的指标诊断

采用指标诊断方法，对成都市2016年农业可持续发展指标进行分析，判断其农业可持续发展状态。

表2 2016年四川成都农业可持续发展指标诊断

表2是2016年的农业可持续发展诊断指标。其中系统目标与2016指标差值和2016与零系统差值的比值反映了2016年成都农业系统相应指标在零系统与目标系统之间的相对位置，值越大，表明偏离目标系统越远，如复合肥施用量指标表明，2016年复合肥的用量远离目标系统，距离目标系统的距离是距离零系统的1.06倍；目标系统与2016指标差值和目标系统与零系统差值的比值反映了2016年该系统的相应指标与目标系统的距离占整个距离的比例，值越小，则离目标系统越近，如复合肥施用量指标值0.51，表明2016年复合肥施用量远离目标系统，是导致农业可持续发展指数低的原因之一；采用雷达图能够直观地反映了待评价系统、目标系统与零系统之间的距离关系(图2)，以2016年可持续发展指数0.72为标准，大于0.28(1-0.72)的指标有复合肥施用量、农药施用量、畜禽粪便还田率、人均耕地面积、保护性农作技术推广面积这5个指标，这些指标对可持续发展指数的贡献为负；氮肥施用量、磷肥施用量、复合肥比例、秸秆还田率、人均住房面积、人均可支配收入、饮用水合格率、土壤有机质含量、农村大专以上劳动力、人均粮食、恩格尔系数这11个指标对可持续发展指数的贡献为正。

图2 四川成都三年可持续发展指标诊断

4 结论与讨论

由于欧氏距离法以较为成熟的方法论为依据和评价基础，其评价模型的解释性和直观性好，评价得到的结果相对更加可信；以零系统到目标系统的距离为标尺，将评价系统通过指标分析，确定其具体位置，使评价更为直观，结果易于理解，可控性得到很大的提高；该方法还避免了因评价尺度改变引起指标权重不稳定等问题，系统距离可以根据实际情况进行调整和缩放，提升了评价指标框架的针对性与灵活性。

根据欧式距离法得到的成都可持续发展指数表明，该地区农业可持续发展趋势良好，处于持续稳健增长的态势，当然也表现出一些不足，如化肥施用量还偏高，复合肥的施用需进一步推广；农药施用量、畜禽粪便还田率、保护性农业技术推广面积等方面还需进一步加强；当然从指标数据分析可以看出，如人均可支配收入、人均粮食、人均住房面积等方面已基本达到目标参考值；成都地区农民整体生活水平较高，可持续发展指数呈上升趋势，达到中持续发展状态。