基于PSR模型的张掖市农业生态安全评价

樊 伟，齐 鹏，马丁丑

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070）

引言

农业作为中国的基础产业，其生态安全是农业持续健康发展的基础，有关农业生态安全的概念来源于近年来对“生态安全”的研究[1]。“一带一路”战略构想的提出，为河西走廊农业发展带来了前所未有的契机，此外，“祁连山内陆河生态安全屏障”是维系河西走廊生存与发展的“生命之脉”，在保障我国乃至亚洲东部生态安全方面发挥着极其重要的作用。独特的气候条件、特殊的地理位置和相对稳定的灌溉水源为河西走廊发展特色农业提供了先决条件，但长期以来人们不合理的开发水资源、过量追加化肥和农药、草原超载过牧等行为，使河西绿洲水位下降、土地“三化”、沙尘暴肆虐等现象频发，河西走廊现代农业发展面临严峻挑战。因此，科学评价河西走廊农业生态安全能够为河西走廊发展绿色农业、保障农产品质量安全、以及农业健康可持续发展提供科学参考。

有关农业生态安全的研究，国内学者主要侧重于评价方法[2-5]、障碍因素[6-8]和政策建议等方面。姬翠梅[9]基于生态—经济—社会系统运用离差最大化法定量分析了山西省农业生态安全状况；苏世燕等[10]运用综合评价法构建基于PSR模型对奇台县农业生态安全进行评价；邓楚雄等[11]构建都市农业生态安全评价指标体系，对上海都市农业生态安全进行定量综合评价。有关农业生态安全的研究，研究区域多集中在农业发达的省和城市群，对河西走廊沿线城市的研究较为少见；确定指标权重时多采用层次分析法，此类方法主观性较强。张掖市位于河西走廊中段，作为甘肃省商品粮基地以及新亚欧大陆桥的要道，其农业生态安全为农业和生态环境的协调发展提供一定的参考价值。基于此背景，本文选取张掖市为研究区，通过构建基于PSR模型的农业生态安全评价指标体系，运用熵权法和综合指数法综合评价2008～2017年张掖市农业生态安全状况，并运用障碍度模型探究影响张掖市农业生态安全的主要障碍因子，提出能够对张掖市推进绿色发展、保障农产品质量以及提升农业生态安全水平的相关建议，以期为河西走廊其他区域现代农业发展、生态文明建设提供科学参考。

1 研究区概况

张掖市（E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′）位于甘肃省西部，河西走廊中段。位于全国地形的第二阶段中心，青藏高原的交汇地带，南北依山，地域狭长，形似“奔马”。东靠武威和金昌，西至嘉峪关、酒泉，南与青海省接壤，北和内蒙古毗邻，是古丝绸之路重镇，是新亚欧大陆桥的要道。张掖市属大陆性气候，年平均气温 6℃，年降水量 104～328mm，年蒸发量1639～2341mm，无霜期112～145d。全国第二大内陆河黑河贯穿全境，境内流域面积10009km2，年径流量23.31亿m3，灌溉农业发达，是甘肃省的商品粮基地。截止2017年末，全年实现生产总值404.14亿元，全年种植粮食面积283.38万亩，全年粮食产量137.64万t，全年完成营造林22.5万亩，年末拥有农业机械总动力210.83万KW，绿化覆盖率39.99%。全市常住人口122.93万人，其中，乡村人口66.68万人，占常住人口的54.24%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究数据主要来源于统计年鉴，包括《甘肃省统计年鉴（2008～2018）》、《张掖统计年鉴（2008～2017）》，部分指标数据运用公式计算得到，统计、整理后获得2008～2017年张掖市的原始指标数据。

2.2 评价方法

2.2.1 评价指标体系的构建。PSR模型（压力—状态—响应）是经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）共同提出的用于研究环境问题的一种框架体系，该模型不仅能将自然环境与人类生产生活紧密联系在一起，也清晰地表达了人类生产生活对生态环境的影响[12-17]。本文从农业生态环境压力、农业生态环境状态、农业生态环境响应3方面构建张掖市农业生态安全评价指标体系，将其分为目标层、准则层、指标层。本研究借鉴相关农业生态安全的研究成果[18-23]，结合张掖市近年来农业发展现状，基于PSR模型选取具有代表性的22个单项评价指标来构建张掖市农业生态安全评价指标体系（表1）。

2.2.2 评价指标权重的确定。熵权法是一种依据各指标的变异程度，利用信息熵计算出较为客观的指标权重，评价结果具有较高的可信度。因此，本研究选择熵权法确定指标权重，基本过程如下：

对原始数据进行标准化处理：若某指标赋值xij越大表示农业生态越安全，即为正向指标，则用式（1）计算；若某指标赋值xij越小表示农业生态越安全，即为负向指标，则用式（2）计算。

式中，Xij为标准化后的值。max xj表示第i个样本的第j个指标的最大值，min xj表示第i个样本的第j个指标的最小值。

计算第j项指标的第i年样本值的比重Pij：

计算得到第j个指标的熵值ej和冗余值fj：

表1 张掖市农业生态安全评价指标体系和指标权重值

其中，k=1/ln m

计算第j个指标的熵权ωj：

2.2.3 农业生态安全综合指数计算。根据熵权法得到各指标及子系统的权重，将标准化后数值Xij代入式（7）得到张掖市农业生态安全综合评价指数。计算公式为：

式中，Xij为第j指标的标准值，ωj为第j项指标的权重值。

2.2.4 农业生态安全分级标准。在借鉴其他相关研究的基础上[24-26]，将农业生态安全指数值与农业生态安全水平等级相关联，划定农业生态安全水平的分级临界值，将农业生态安全水平进行分级（表2）。

2.2.5 障碍度模型。为更有效的研究张掖市的农业生态安全状况，本文对每个指标的阻碍程度进行了计算，来寻找影响张掖市农业生态安全状况的主要阻碍因素，如（8）所示：

式中：Pij=1-Xij，Xij为单项指标的标准化值；ωj为评价指标的权重。

表2 农业生态安全评价指数分级标准

3 结果与分析

3.1 张掖市农业生态安全现状分析

3.1.1 张掖市农业生态安全综合评价分析。由式（1）～（7）计算得到2008～2017年张掖市农业生态安全综合指数及趋势见表3和图1。10年间张掖市农业生态安全指数由0.3372增至0.6334，其农业生态安全指数整体呈现波动式上升的趋势，农业生态安全等级由Ⅱ级上升到Ⅳ级，张掖市农业生态安全等级经历了“较不安全—临界安全—较安全”的上升过程，表明张掖市农业生态安全状况在逐步改善。2008～2009年间张掖市农业生态安全指数呈现窄幅的下降趋势，这是因为期间张掖人口密度处于一个较高的水平，人地矛盾加剧。随着人们物质需求的上升导致农膜和农药使用量的进一步增加，这对张掖农业生态安全水平有较大的制约。与此同时，受居民文化水平低的影响，目前大多数务工农民仍然存在着技能缺乏、自我学习能力较弱等问题，这就制约了劳动力素质的提高，跟不上产业结构升级的步伐。2010～2014年张掖市农业生态安全指数整体呈现波动式的上升趋势，这是因为“十二五”以来，张掖生态建设和保护力度进一步加大，祁连山水源涵养、天然林保护、退耕还林等生态工程建设步伐加快，森林覆盖率由2010年的10.71%增长至2014年的17.25%。种植业生产规模扩大、单位面积粮食产量连续增产、农民收入持续增长、农村居民恩格尔系数逐年下降，人民生活水平稳步提升；农业科技力量不断加强，农业发展由粗放型经济增长方式向集约型经济增长方式转变。2015～2017年张掖市农业生态安全综合指数呈现出波动性的上升趋势，“十三五”以来，张掖生态保护建设走在全国前列，草地比例明显上升，有效灌溉面积逐年增大，化肥农药施用强度显著减少，农业生产形势良好，农作物成灾率有所下降，张掖市农业生态安全状况趋向良好状态。受2017年张掖市种植结构调整力度加大以及自然灾害的影响，农作物受灾率骤增，粮食产量连续增产出现下滑。因此，2017年张掖市农业生态安全指数有所下降，但农业生态安全综合指数整体呈现上升趋势，向更好的方向发展。

表3 2008～2017年张掖市农业生态安全综合指数

图1 2008～2017年张掖市农业生态安全指数趋势分析

3.1.2 农业生态安全各子系统变化分析。农业生态环境压力变化。由表3可知，张掖市2008～2017年间农业生态安全压力指数为0.1522～0.2523，整体呈现上升趋势，表明张掖市农业生态安全所承受的压力逐渐减小。2008～2014年整体呈现为波动性下降阶段，这一阶段主要因为城镇化率、化肥施用强度、农膜施用强度、农药施用强度等指标增大了农业生态安全所承受的压力，由此可见，随着城镇化的快速推进，人口逐年增长，化肥、农药和农膜使用强度逐年增强，对农业生态安全造成了一定程度的压力。2015～2017年间，张掖市农业生态环境压力指数由0.2065增至0.2523，这是因为“十三五”以来，张掖市生态文明建设步入一个全新阶段，随着政府生态建设和保护力度的加大，化肥、农药使用强度明显减弱。随着草地比例、人均耕地面积以及耕地复种指数等指标的不断提高，张掖农业生态安全所承受的压力逐渐减小，表明张掖生态文明建设成效明显。

农业生态环境状态变化。2008～2017年张掖市农业生态环境状态指数为0.0813～0.2297，整体呈现波动式的上升趋势。2008～2010年间张掖市农业生态环境状态指数呈下降趋势，主要因为受自然灾害的影响，农作物成灾率呈波动性上升趋势；期间森林覆盖率出现一定程度的下降，导致张掖市在这一阶段的农业生态环境状态指数有窄幅的下降。2011～2014年间张掖市农业生态环境状态指数整体呈现波动性的上升趋势，这一阶段张掖市天然林保护、退耕还林、三北防护林等生态工程建设成效明显，森林覆盖率显著提升；此外，有效灌溉面积逐年增加、单位面积粮食产量和土地垦殖率均呈上升趋势，这也是张掖市农业生态环境状态指数上升的原因。2015～2017年张掖市农业生态环境状态指数整体呈现窄幅的下降趋势，期间张掖市局部受自然灾害影响，农作物受灾率处于较高水平、单位面积粮食产量呈波动性下降趋势，截止2017年粮食产量连续增产出现下滑，因此张掖市在2017年农业生态环境状态指数有所下降，这一时期张掖市农业生态环境状态指数虽然呈下降趋势，但与之前相比农业生态环境状态指数仍呈现增长趋势，这说明随着人们对生态环境的重视，张掖市农业生态安全状况得到明显的改善。

农业生态环境响应变化。2008～2017年张掖市农业生态环境响应指数为0.1038～0.1513，整体呈现上升趋势，表明张掖市在农业生态环境保护方面的力度在不断加强。这主要是因为“十一五”以来，政府始终坚持把“三农”作为全市工作的重点，不断完善强农惠农政策框架体系，农业生产能力进一步增强，农民人均收入和单位耕地农业产值持续增长；“十一五”末，全市农业机械总动力达到200万kW，农业机械化水平不断提升。进入“十二五”，张掖市调整产业结构，第一产业生产总值占GDP比重有所下降，与此同时，受农业科技人员不足的影响，期间农业生态环境响应指数的增长趋势较为缓慢。“十三五”以来，农业生产形势良好，农民收入持续增长，农村居民恩格尔系数不断下降，人民生活质量进一步改善。受居民教育程度和农业科技人员等指标的影响，张掖市农业生态环境响应指数增长较为缓慢。总体来看，张掖市解决农业生态安全问题的能力在不断提高。

3.2 张掖市农业生态安全障碍因子分析

运用障碍度模型，对影响张掖市农业生态安全的障碍因子进行诊断，得到2008～2017年张掖市农业生态安全障碍度（表4）。

由表4可以看出，2008～2014年影响张掖市农业生态安全的障碍因子基本相同，主要为草地比例、土地垦殖率、森林覆盖率、有效灌溉面积、农村居民恩格尔系数；2014～2017年制约张掖市农业生态安全的主要因素为人口密度、居民受教育程度、农膜施用强度、农药施用强度、第一产业生产总值占GDP比重。总体来看，10年间影响张掖市农业生态安全的主要障碍因子有：人口密度、农膜施用强度、农药施用强度、草地比例、有效灌溉面积、土地垦殖率、森林覆盖率、第一产占GDP比重、农业科技人员数量、居民受教育程度。

2008～2017年张掖市农业生态安全障碍因素中，人口密度、居民受教育程度、农药施用强度、农膜施用强度、第一产占GDP比重等指标的阻碍度上升幅度较大。这主要是因为随着人口的持续增加，人地矛盾加剧，人们对物质的需求上升，必然要扩大种植业生产规模，导致农膜、农药使用量一直保持在高水平，农药和农膜施用量障碍度的增大对张掖市农业生态安全状况的影响较大；与此同时，受居民教育程度低的影响，大多数务工农民存在着技能缺乏、文化素质水平较低等问题，这就制约了农民素质的提高，影响了张掖市现代农业的发展；“十二五”以来，随着张掖市工业化、城镇化不断推进，政府不断调整优化产业结构，第一产的优势地位受到撼动，但农业农村经济仍然保持了稳步增长的良好发展态势。

草地比例、土地垦殖率、森林覆盖率、有效灌溉面积等指标由前期的主要阻力因子转变为对张掖市农业生态安全的恢复基本没有阻力的因子。这是因为随着张掖市进入“十三五”规划以来，张掖市加强了对全域生态环境保护的治理，积极实施天然林保护、退牧还草、草原生态治理等生态工程，生态文明建设成效明显，提高了森林覆盖率和水源涵养能力；与此同时，随着农业机械化不断普及以及种植结构调整力度的加大，张掖市土地资源利用程度不断加强，农民人均收入和单位耕地农业产值不断增长，增加了张掖市农业生态安全的稳定性。

4 结论与建议

4.1 结论

本文以张掖市为研究区，利用PSR模型构建农业生态安全评价指标体系，采用熵权法和综合指数法分析2008～2017年张掖市农业生态安全变化状况，采用障碍度模型探究影响张掖市农业生态安全的主要障碍因子，主要结论如下。

4.1.1 张掖市农业生态安全综合指数由0.3372增至0.6334，总体呈现上升趋势，其农业生态安全等级经历了“较不安全—临界安全—较安全”的上升过程，表明张掖农业生态安全状况保持良好的发展态势。

表4 2008～2017年张掖市农业生态安全障碍因素排序

4.1.2 从评价指标的障碍度来看，影响张掖市农业生态安全的主要障碍因子有：人口密度、农膜施用强度、农药施用强度、草地比例、有效灌溉面积、土地垦殖率、森林覆盖率、第一产业占GDP比重、居民受教育程度。其中，草地比例、土地垦殖率、森林覆盖率、有效灌溉面积等指标已由前期的主要障碍因子转变为障碍度较小的因子。

4.1.3 目前张掖市农业生态安全等级处于“较安全”，生态状况正逐渐改善，但其农业生态安全等级有向“安全”等级进一步提升的空间，因此，张掖市发展现代农业潜力十分巨大，实现农业大市向农业强市转变的前景十分广阔，其农业生态安全水平还需在保持现有成果的基础上加大生态建设的力度。

4.2 张掖市农业生态建设的主要建议

4.2.1 调整优化产业结构，加大生态建设力度。政府应根据市场规律适时调整产业结构和种植面积，壮大特色产业规模促进农业结构优化升级；加快发展具有资源优势的特色产业和生态农业，着力推进农业产业化经营，促进农业转型跨越发展；加大农业生态建设和保护力度，贯彻落实好天然林保护、退耕还林、退牧还草等生态工程，提高森林覆盖率、草地比例，防治水土流失。

4.2.2 合理施用农资投入品，加强农业科技力量。为保障粮食生产安全和有效供给，应加快推进农业农村现代化进程，合理施用化肥、农药以及农膜，缓解土地污染问题；加强农业科技力量，不断促进农业发展由粗放型经济增长方式向集约型经济增长方式转变，提高劳动生产率和资源利用率。

4.2.3 加强教育和技能培训，提升居民生态安全意识提升居民的受教育程度，以提高当地农民对生态环境的保护意识，从而使张掖市农业生态安全水平进一步提升；加强职业教育和技能培训，提升劳动力的素质，促进劳务输转由体能型向技能型转变，增强对农业新技术的推广和运用。