西藏“一江两河”耕地生态安全时空格局与障碍诊断

2020-10-29田沛佩罗红英罗玉峰崔远来

农业机械学报 2020年10期

李丹田沛佩罗红英罗玉峰崔远来

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.华北电力大学可再生能源学院，北京 102206； 3.西藏农牧学院水利与土木工程学院，林芝 860000)

0 引言

受高寒自然地理环境、恶劣的农业资源开发利用条件的影响，西藏耕地资源相对稀少，主要分布在海拔低、水热条件优越以及土壤较为肥沃的河谷地区[1-2]。“一江两河”地区是西藏重要的粮食生产基地和生态屏障保护区。国家“八五”计划将“一江两河”中部流域的综合开发规划为重点建设项目，要求以农业开发为主体，从1991年起用10年左右时间，通过兴修水利、改造中低产田等为农业生产提供稳固、坚实的基础和良好的生态屏障。高原地区的现代农业发展水平较低，具有典型的传统农业演变特征[3]。传统农业的粗放经营致使耕地土壤沙化、肥力下降，水土流失加剧[4-5]，自然界的环境压力使生态环境极为脆弱，高原地区耕地生态安全面临人类与自然的双重压力[6-7]。高原独特的自然条件及生态环境的脆弱特征在客观上决定了生态安全深受农业资源开发利用的影响，未来农业发展将面临诸多生态安全问题。

耕地生态安全是指一定时间和范围内耕地生态系统能够保持自身结构和功能稳定、不受干扰的状态，其概念来自国内外对“生态安全”的研究，即生态环境资源状况不受或少受来自资源和生态环境的制约与威胁的状态[8-9]。生态安全已成为国内外学者广泛关注的领域，包括土地生态安全评价[10-12]、生态风险评价[13-15]以及评价模型[16-18]等。其评价对象多集中在省域、市域尺度范围内或典型的生态保护区。指标体系构建多来源于社会、经济以及环境3方面，并基于压力-状态-响应(PSR)模型、生态足迹模型等对指标体系进行划分，进而对生态安全进行评价。尽管大量研究已开展定量分析，但评价年限较短，评价结果往往是静态的，难以揭示生态安全的动态演化规律。且鲜见开展生态安全的时空特征分析，从时间和空间角度分别讨论生态安全的相似性与异质性，并分析影响区域生态安全障碍因素的相关研究。鉴于此，本文构建耕地生态安全评价模型，从时空角度探究西藏“一江两河”地区1985—2013年期间农业开发对耕地生态安全的影响，并利用障碍因子诊断模型寻找影响耕地生态安全的指标，以期为制定差别化的生态安全调控策略提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

西藏“一江两河”地区位于青藏高原西南部 (89°00′～92°35′E，28°20′～31°20′N)，尤指雅鲁藏布江中游及其支流年楚河和拉萨河的河谷地区。该地区东起山南市桑日县，西达日喀则市拉孜县，北抵冈底斯山-念青唐古拉山脉，南接藏南河谷区，包括拉萨市、山南地区以及日喀则地区在内的18个县域及市区(图1)。“一江两河”地区是西藏自治区土地利用程度最高的区域，土地面积6.57×104km2，占西藏自治区土地面积的5.52%，其中耕地面积占西藏自治区耕地总面积的60%以上，人口占西藏自治区总人口的36%。该地区海拔位于2 700～4 200 m之间，属典型高原温带季风半干旱气候，气候温和，雨热同期，年均气温4.7～8.3℃，年降水量251.7～580.0 mm，降水主要集中在5—9月，形成极为明显的干、湿两季。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源

采用的数据主要源于西藏统计年鉴(1989—2014年)[19]、拉萨市统计年鉴(2006—2014年)[20]、日喀则市统计年鉴(2008、2010年)[21]以及西藏自治区政府部门公开信息及年度报告，还有部分数据根据土地利用数据和统计数据计算合成。

2 研究方法

2.1 耕地生态安全的PSR指标体系构建

PSR模型是联合国经济合作和开发组织与联合国规划署共同组织发起的一项反映可持续发展机理的理论框架[22-23]。该模型以因果关系为基础，强调压力-状态-响应的逻辑思维过程，人类活动消耗资源，对自然系统造成威胁，形成了“压力”，在这段时期内自然界所表现出来的生态状况，称为“状态”，“响应”则是社会通过人类意识和活动制定环境、经济、土地政策或措施进而减缓人类活动对环境的压力的行为。“压力”是“状态”发生的原因，也是“响应”的结果。在对耕地生态安全评价的过程中，该模型同时考虑了一定时期内农业活动对耕地生态安全的破坏程度和保护行为，能够较科学、全面地评估地区的耕地生态安全状况。因此，本研究从PSR模型出发，综合考量“一江两河”地区生态安全的自然环境特征和潜在的人类干扰因素，按照科学性、核心性、可操作性以及动态性原则，借鉴国内相关研究成果，重点选取13项农业活动相关指标，构建研究区域耕地生态安全评价指标体系(表1)。

表1 耕地生态安全评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of cultivated land ecological security

2.2 耕地生态安全评价方法

2.2.1指标权重确定

为避免人为主观因素的误差[24]，采用熵权法确定各指标权重，假设评价对象有n个评价系统，m个评价指标，n代表时间特征中的评价年份或空间特征中的评价对象。事实上,在分析18个县耕地生态安全演变的时间规律时，各县之间是独立的个体，对比标准为每个县自身的生态安全状况，权重根据指标的长时间序列确定。而在分析耕地生态安全的空间特征时，比较标准为“一江两河”地区整体水平，探究是否存在某个县的耕地生态安全水平落后，此时权重由典型年下18个县的统计数据确定。评价体系原始数据矩阵可表示为X={xji}n×m(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)，xji表示第j个系统第i个指标值。具体步骤如下：由于熵值法运用了对数和熵的概念，需要对初始数据进行标准化处理，按照评价指标性质，分别采用正向和负向极值法对指标进行标准化处理，构成标准化指标矩阵Y={yji}n×m(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)，yji表示第j个系统第i个标准化指标值，之后计算各指标的信息熵Ei，即

(1)

其中

确定各指标的权重wi为

(2)

2.2.2评价指标关联度确定

物元可拓法是可拓性的定性分析与关联函数的定量计算相结合的研究方法，用于解决不相容的复杂问题，适合于多因子的综合评价[25-26]。耕地生态安全评价具有动态性和模糊性，涉及的指标较多，单项指标评价结果具有不相容性，同时生态安全的优劣没有明确界限，因此可利用物元分析法构建生态安全评价模型，计算步骤为：

(1)确定耕地生态安全物元

物元分析中所描述的对象N及其特征向量C和特征量值V共同构成耕地生态安全物元R=(N,C,V)。假设“一江两河”耕地生态安全对象N有多个特征，则它以m个特征c1,c2,…,cm和相应的量值v1,v2,…,vm描述。表示为

(3)

(2)确定经典域和节域

经典域物元矩阵可表示为

Roh=(Noh,C,voh)=

(4)

式中Roh——构建的经典域物元

Noh——耕地生态安全的第h个评价等级(h=1,2,…,k)

〈aohi,bohi〉——经典域物元对应第i个特征向量第h个评价等级的量值区间范围

耕地生态安全的节域物元矩阵表示为

(5)

式中Rp——节域物元

〈api,bpi〉——节域物元对应特征向量的量值区间范围，〈api,bpi〉属于〈aohi,bohi〉

Np——耕地生态安全评价全部的等级

(3)确定关联函数及关联度

任意一点yi(特征向量ci的量值)到经典域区间Yohi、节域区间Ypi的距离分别为

(6)

则耕地生态安全评价第i个指标相应于第h个评价等级的关联函数Kh(yi)定义为

(7)

式中yi——耕地生态安全物元的量值

Yohi——经典域物元的第i个评价指标第h个评价等级所对应的量值范围

Ypi——节域物元第i个指标的量值范围

若Khmax(yi)=maxKh(yi)(h=1,2,…,k)，则评价对象N关于指标i的评价等级为h级。

(4)确定耕地生态安全等级的综合关联度

生态安全评价对象N关于第h评价等级的综合关联度为

(8)

若Khmax=maxKh(h=1,2,…,k),则评价对象N的耕地生态安全评价等级即为h级。

关联函数表示待评对象隶属于耕地生态安全水平某一等级的程度，Kh(yi)越大，表示该指标或者评价对象在该等级中稳定性越强。相反若Kh(yi)越小，则说明该指标或者评价对象向其他等级转化的趋势越强。

2.3 耕地生态安全障碍因子诊断模型

识别并分析不同区域影响耕地生态安全的障碍因子，是制定针对性生态安全调控策略的重要依据。引入因子贡献度、指标偏离度以及指标障碍度3个基本变量，对耕地生态安全障碍因子作进一步诊断，计算公式为

(9)

式中Oji——第j个系统第i项指标的障碍度，即单项要素对耕地生态安全的影响值，其数值可以确定影响耕地生态安全的主要因素及影响程度

Fji——第j个系统第i项指标偏离度，指单项指标评估值与最优目标值的差距，可以用1与标准化指标值yji的差表示

Iji——第j个系统第i项指标的贡献度，可直接用各项指标权重wi表示

3 结果与分析

3.1 农业开发强度动态变化

耕地面积、化肥施用量、农药施用量以及粮食产量是反映农业开发程度最为直接的指标，为了解“一江两河”地区农业发展历程，分析了拉萨市、山南地区以及日喀则地区这4个指标的动态变化(图2)。拉萨市耕地面积总体呈现阶梯式下降但幅度不大, 日喀则地区耕地面积呈现明显的阶梯式上升，山南地区耕地面积基本无变化。拉萨市、山南地区以及日喀则地区的化肥、农药施用量均明显增加。拉萨市2009年左右化肥施用量出现增长拐点，仅5年时间化肥施用量增长近一倍。日喀则地区的化肥施用量呈现持续的翻倍增长，在耕地面积只增加15%的情况下，化肥施用量增加了300%。山南地区是“一江两河”地区化肥施用量增长最缓慢的地区。

图2 “一江两河”地区耕地面积、化肥、农药以及粮食产量动态变化曲线Fig.2 Dynamic changes of cultivated land area, chemical fertilizer, pesticide and grain yield in “one river and two tributaries” area

“一江两河”地区农药施用量波动较大。由于个别年份数据缺失，只展示1995年以来农药施用量的变化情况。日喀则地区的农药施用量在2006年左右发生突变，农药用量增长速率约为37.43 t/a。与化肥施用量相比，拉萨市的农药施用量总体上增长较为缓慢，但波动较大。山南地区农药施用量呈现明显的下降趋势。“一江两河”地区粮食产量变化趋势较为一致，总体上分为两个阶段，分别为1988—2000年稳定上升阶段以及2000—2014年平稳阶段。可见1990—2000年这10年是“一江两河”地区农业发展的黄金时期，粮食产量翻倍增加，参考化肥、农药施用量的变化趋势，可初步认为该时期化肥、农药的增加主要产生正效应，有助于粮食增产。但在2000年以后，粮食产量趋于平稳，但化肥、农药施用量反而呈现增加趋势。在此阶段，化肥、农药的过量施用给生态安全带来巨大的隐患。尽管青藏高原用于农业生产的土地范围较小，但由于其生态环境的脆弱性与特殊的生态地位，其对生态安全的危害不容忽视。

3.2 耕地生态安全演化的时空格局

3.2.1耕地生态安全评价指标分级标准

由于耕地生态安全评价具有可拓性，将耕地生态安全的程度描述为5个等级：优秀、良好、中等、较差、差。本研究确定的耕地生态安全评价的经典域完全依据国家各行业规范及标准、地区发展规划纲要、公报以及国内学者对相关内容的研究成果，确保每个指标经典域的确定有理可依、有据可循，因地制宜、综合考量各指标的分级标准，保证各经典域的代表性。此外，为保证分级标准的合理性，同时参考了2014、2015年度西藏自治区生态县名单，以这两年生态县的各项指标值衡量分级标准的可靠性，建立的耕地生态安全评价的物元经典域、节域范围如表2所示。

人均耕地面积(C1)指标的分级标准参考联合国粮农组织0.053 hm2警戒线的标准，以及全国人均耕地面积平均水平0.091 hm2，并结合摆万奇等[27]以及王西琴等[28]对人均耕地面积的等级划分。单位面积农业机械总动力(C2)指标经典域依据蒋和平等[29]划分的标准值范围、“国家现代农业示范区建设规划(2015—2020年)”中农业机械化标准以及国内农机装备较高水平。单位面积氮肥、磷肥、钾肥施用量(C3～C5)经典域的确定参考刘钦普[30]及王激清等[31]相关结论。单位面积农药施用量(C6)指标的分级标准参考《西藏自治区“十三五”时期国民经济和社会发展规划纲要》、《生态县、生态市、生态省建设指标》以及《水生态文明城市建设评价导则》。单位面积塑料薄膜使用量(C7)指标的分级标准主要参考2014年度及2015年度生态县林芝县、工布江达县、米林县以及朗县的农用塑料薄膜使用量以及全自治区薄膜使用量情况。农村居民人均纯收入(C8)指标经典域的确定参考《生态县、生态市、生态省建设指标》以及陆华东[32]指出的西藏自治区新世纪扶贫指标标准，为消除通货膨胀对人均收入的影响，各年份的收入均通过通货膨胀率换算而得。单位面积粮食产量(C9)指标经典域的确定依据《西藏自治区“十三五”时期国民经济和社会发展规划纲要》以及刘景辉等[33]指出的全国县级农业综合开发后备土地资源调查中对高、中、低产田的标准。归一化植被指数(C10)指标的分级标准参考研究中常用的NDVI划分[34]。水功能区水质达标率(C11)指标根据《生态县、生态市、生态省建设指标》中相应标准划分。有效灌溉面积比重(C12)指标根据《西藏自治区“十三五”时期国民经济和社会发展规划纲要》以及蒋和平等[29]提出的范围确定。旱涝保收面积比重(C13)指标根据《西藏自治区“十三五”时期国民经济和社会发展规划纲要》以及中国国情领导决策数据分析中心的全国旱涝保收耕地比重仅为34.5%确定。

表2 耕地生态安全评价指标经典域、节域范围Tab.2 Classical domain scale and section domain scale of cultivated land ecological security evaluation index

3.2.2耕地生态安全时间特征

以“一江两河”地区各县为单位，分别探究每个县从1985—2013年耕地生态安全的变化。由于篇幅有限，不一一列举18个县的计算结果，仅以2013年拉萨市墨竹工卡县为例叙述耕地生态安全评价过程。根据2013年墨竹工卡县耕地生态安全指标体系的量值，得到每个指标关于每个等级的关联度(表3)，并根据求得的关联度判定各年份每个指标所处的评价等级。以墨竹工卡县人均耕地面积(C1)为例，计算求得C1的K1～K5分别为-0.015、-0.002、0.004、-0.019、-0.028，其中K3取值最大，可判定2013年C1处于Ⅲ等级，即中等水平。同理可以判定出其他指标所处的水平。结合耕地生态安全评价指标权重和相应的耕地生态安全指标关联度得到耕地生态安全评价指标综合关联度，进而可判定耕地生态安全评价指标的压力关联度、状态关联度、响应关联度以及综合关联度所处的等级(表3)。由表3可以看出，2013年拉萨市墨竹工卡县压力水平处于Ⅳ较差等级，状态水平处于Ⅰ优秀等级，响应水平处于Ⅳ较差等级，最终耕地生态安全评价处于Ⅳ较差等级。结果表明，耕地面积、农业机械、化肥、农药和塑料薄膜的使用对耕地生态安全带来了较大的负荷，而同时人类社会对生态环境保护的能力还不够，但是由于生态环境本身具有一定的承载力，粮食产量、植被以及水质尚处于优秀水平，但从整体来看，综合3方面的影响，耕地生态安全的水平仍旧处于较差水平，耕地生态环境承载的负荷大，人类的监管力度也应有进一步的提高。

表3 2013年墨竹工卡县耕地生态安全评价指标关联度Tab.3 Degree of association for evaluation index of cultivated land ecological security in Maizhokunggar County

图3为18个县域耕地生态安全演变的时间特征。城关区耕地生态安全变化波动性较大，2006—2007年生态安全等级为“差”，2008—2013年期间生态安全水平有提高的迹象。林周县、尼木县、达孜县以及墨竹工卡县1985—2010年生态安全等级基本为“优秀”或“良好”，进入2010年后耕地生态安全出现恶化，尤其墨竹工卡县耕地生态安全等级为“差”。堆龙德庆县在20世纪90年代就出现了生态安全“差”的情况，且在2010—2013年表现出生态安全逐渐恶化的趋势，安全等级由“优秀”向“中等”、“较差”演变。类似地，曲水县在2010—2013年连续4年生态安全等级为“中等”水平。除日喀则市区以外，日喀则地区耕地生态安全等级基本为“优秀”，尽管有个别年份如南木林县2009年、白朗县2003年出现生态安全水平“较差”的情况。日喀则市区生态安全等级的变化大体分为3个阶段，20世纪以前生态安全为“优秀”，步入20世纪后，到2008年，生态安全持续“差”，2009年以后生态安全转为“优秀”。山南地区总体来看生态安全最为优秀，除贡嘎县在2004—2005年及2008—2009年出现生态安全“差”的情况，其余各县自20世纪80年代以来，生态安全始终保持优秀，农业开发对耕地生态安全的影响较小。总体来看， 20世纪以前，各县耕地生态安全基本处于“优秀”水平，而2005年以后，即经历农业开发时期后，各县耕地生态安全等级下降，主要呈现“中等”水平。相比较而言，“一江两河”日喀则地区、山南地区各县域生态安全基本能保持较好的状态，农业活动对耕地生态安全的影响较小。但在拉萨市各县，由于农业活动增强，耕地生态安全水平呈现下降趋势。

图3 “一江两河”地区农业开发对耕地生态安全的影响Fig.3 Impact of agricultural development on ecological security of cultivated land in “one river and two tributaries” area

3.2.3耕地生态安全空间特征

由于“一江两河”地区2005年后耕地生态安全等级明显下降，因此选取2004、2010、2013年作为典型年，对比分析不同典型年下，各县域之间的生态安全水平差异。图4为各典型年内18个县耕地生态安全的空间分异性，采用自然间断点分级法对综合关联度进行分类，综合关联度指数越小说明该县生态安全问题更突出，耕地生态安全发展不协调。可以看出，较“一江两河”地区整体水平来看，2004年贡嘎县，2010年曲水县、尼木县、城关区、达孜县、林周县，以及2013年堆龙德庆县、林周县和墨竹工卡县农业开发对耕地生态安全问题的危害更大，农业活动和生态保护的协调一致性有待提高。整体来看，2004年“一江两河”地区整体的耕地生态安全水平较为一致，未出现明显的参差不齐情况。2010、2013年拉萨市各县的耕地生态安全水平较为落后。在不同典型年下，耕地生态安全水平处于落后的县域不同，说明各个县的生态安全水平波动较大，政府仍应该加强统一监管力度，保证“一江两河”农耕区的协调稳定发展。

图4 “一江两河”地区各县生态安全综合关联度指数Fig.4 Comprehensive correlation index of ecological security in “one river and two rivers” area

3.3 耕地生态安全障碍度诊断

由表4可知，“一江两河”地区各县域的障碍因子具有区域相似性和明显的空间异质性。在拉萨市，单位面积氮肥施用量C3、单位面积磷肥施用量C4、以及单位面积农业机械总动力C2这3个指标对各县耕地生态安全影响的障碍度普遍排序靠前，表明拉萨市各县都承受化肥施用量高的压力，外加农业机械化水平不高而限制了耕地生态安全。指标如单位面积钾肥施用量C5、单位面积农药施用量C6只在拉萨市个别县存在障碍，说明这2项因子对耕地生态安全的影响微弱，而其他障碍度较小的指标对耕地生态安全的影响基本可以忽略。类似地，日喀则地区各县的耕地生态安全受单位面积钾肥施用量C5、人均耕地面积C1以及单位面积磷肥施用量C4的影响较大，个别县也受到单位面积农药施用量C6、有效灌溉面积比重C12以及旱涝保收面积比重C13这3个指标的影响。山南地区各县的耕地生态安全主要受到单位面积农药施用量C6、单位面积钾肥施用量C5以及单位面积塑料薄膜使用量C7这3个指标的限制，单位面积氮肥施用量C3以及单位面积磷肥施用量C4仅在个别县域存在限制性。此外，相似性也表现在“一江两河”地区的耕地生态安全普遍与各种类化肥施用量相关，不同成分的化肥施用量的障碍度较高。其他指标如水功能区水质达标率C11均未对耕地生态安全产生限制。而异质性一方面表现在剩余指标在各县(市、区)发生障碍的作用有所差异，即不同的县域的障碍因子不完全相同，另一方面也表现在拉萨市、日喀则地区以及山南地区3个地区的障碍因子的差异性。如单位面积塑料薄膜使用量C7仅在山南地区对耕地生态安全发生障碍作用，事实上，山南地区设施农业发展较快，塑料薄膜施用量较大，因此对耕地生态安全的影响更为显著。此外，从PSR模型角度可以看出，障碍度较高的因子基本为压力指标，个别县域的障碍因子来源于响应指标，而状态指标对耕地生态安全的影响较为微弱，说明政府对当地耕地生态安全的保护从源头采取措施将更为有效。