基于DPSIR-TOPSIS模型的安徽省耕地生态安全评价及其障碍因子研究

□葛艳艳 王 伟 樊 骋

[内容提要]为筑牢安徽省耕地生态安全屏障，测度安徽省耕地生态安全健康动态变化和障碍因子，研究通过构建DPSIR评价指标体系，运用熵权TOPSIS模型对安徽省2000-2017年耕地生态安全指标进行测度，分析安徽省耕地生态安全健康状态，再选用障碍度模型对指标剖析，确定安徽省耕地生态安全健康值提升的障碍因子。模型运算结果表明安徽省耕地生态安全健康值呈现V形变化，总体趋向上升，目前处于临界健康的关键期，而影响其健康值提升的主要障碍因子有人工造林面积、工业污水排水量、单位耕地农药使用量、人均GDP和工业污水处理率等，这些因子也是安徽省今后改善耕地生态的重点。

耕地资源经过人类长期的经营和开发，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]。随之人类对耕地资源利用程度的加深和诸多不合理利用等问题的不断叠加，耕地生态安全屏障逐渐脆弱。党的十九大将生态文明提升至“千年大计”，要求对生态文明建设中存在的问题具有清醒认知[2]，生态安全问题受到越来越多的重视，作为人类生存根本的耕地生态安全研究也成为近年研究热点。

安徽省于2004年提出生态省建设，2020年完成生态省建设，是生态文明建设的先行省份。耕地生态安全是生态建设的重要内容[3]，利用科学成熟的研究方法测度安徽省耕地生态安全动态变化，明确当前耕地生态安全状况[4]，有利于生态文明、耕地可持续利用的建设和完善。目前国内对耕地生态安全的研究还处于发展阶段，耕地生态安全研究主要集中在区域耕地生态安全格局研究[5-7]、区域耕地生态安全耦合或障碍研究[8-10]、区域耕地生态安全影响因素分析[11]、区域耕地生态安全预警研究以及区域耕地生态安全[12]与新型分析方法的结合[13]等。本文参考已有文献，选用系统性和综合性更强的DPSIR模型构建评价指标体系，利用成熟的加权TOPSIS模型和障碍度模型计算安徽省耕地生态安全动态变化及障碍因子，对安徽省2000-2017年的耕地生态安全变化进行梳理分析，再确定影响安徽省耕地生态安全的障碍因子，明确安徽省在耕地生态文明建设中存在的问题，对制定耕地生态安全屏障提供借鉴和参考。

一、研究区域和指标体系构建

(一)研究区域概况

安徽省，地处长江三角洲腹地，处于全国经济发展的战略要冲和国内几大经济板块的对接地带。土地总面积14.01万平方千米，约占中国国土面积的1.45%，居全国22位。耕地面积586多万公顷，2018年粮食产量4007.3万吨，油料产量158万吨，棉花产量8.9万吨，是全国重要的无公害农产品和绿色食品生产基地，农业产业化前景广阔。此外，在发展茶叶、烟草、中药材和蔬菜、水果等特色农业、高效农业方面也具有比较优势。

(二)数据来源

经济和社会生活数据来源于《中国统计年鉴》(2000-2018)、《安徽省统计年鉴》(2000-2018)以及2000-2018年安徽省国民经济和社会发展统计公报，土地利用数据来源于《中国农村统计年鉴》(2000-2018)。

(三)构建指标体系

科学合理的指标体系可以有效反馈区域生态、经济和社会发展现状，同时也是耕地生态安全评价结果可靠与否的基础与关键[14]。耕地生态系统是一个集人口、环境、社会和经济发展等共同作用的复合及复杂系统，评价指标的选取从耕地生态系统概念出发，依据指标体系构建的科学性、可操作性、系统性、实用性原则，采用PSR和DSR复合形成的DPSIR模型[15]，该模型综合考虑到人类活动与生态环境的相互作用，分维度将复杂问题简单化。本文结合数据的连续性和安徽省耕地生态安全特征，遴选并确定五个准则层、27个指标的耕地生态安全评价指标体系，见表1。

表1 耕地生态安全评价指标体系

二、研究方法

本文研究方法主要采用加权TOPSIS综合评价模型测度耕地生态安全状态，再以障碍度模型诊断障碍因子。指标初始值采取极值法进行标准化处理，统一指标的单位和量纲。

(一)熵值法计算客观权重

熵值是不确定性的一种度量[16]。信息量越大，不确定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不确定性越大，熵也越大。因而利用熵值携带的信息进行权重计算，结合各项指标的变异程度，利用信息熵这个工具[17]，计算出各项指标的客观权重，为多指标综合评价提供依据。步骤如下：

(1)

(2)

(二)加权TOPSIS综合评价法

传统TOPSIS模型因适用范围较广且操作较为简单，被广泛运用于各个领域的多目标决策评价中[18]，但该模型也存在一定的不足。一方面，在评价指标权重的确定上受主观因素的影响较大，另一方面，当评价方案关于正负理想解对称时，该模型无法比较。鉴于此，本研究利用加权TOPSIS模型解决以上问题。加权TOPSOIS核心内容是计算加权后的评价指标与正负理想解之间的欧式距离，比较指标层与理想解之间的贴近程度，计算出健康值，依据健康值分析生态安全的时序变化[19-21]，通过健康值排序和分级，对生态安全的状态进行测度。步骤如下：

(1)构建加权决策矩阵

Zij=wj×Yij

(3)

(2)确定正负理想解及其距离

(4)

(5)

公式中d+是指每年份指标到最优状态的差距，d-是指每年份指标到最劣状态的距离，Z+是各指标的最优状态，Z-是各指标的最劣状态。

(3)测算健康值

(6)

公式中Cj是每年份的耕地资源生态安全健康值。

(三)障碍度模型

障碍度模型对耕地资源生态安全变化原因进行诊断。模型引入因子贡献度、指标偏离度和障碍度3个指标[22]，通过障碍度的大小排序来确定影响安徽省耕地资源生态安全的主要障碍因子。因子贡献度(Yn)表示因子对总目标的贡献度，即因子的权重；指标偏离度(Pn)表示单项指标与最大目标之间的差距，设为标准化值与1之间的差距；障碍度(an)表示单个指标对耕地生态安全的影响。公式如下：

Pn=1-Xn

(7)

(8)

公式中Xn表示指标标准化后的矩阵。

三、结果与阻力分析

(一)加权TOPSIS模型结果分析

1.评价指标体系

DPSIR模型包含五个准则层：驱动力-压力-状态-影响-响应，五个准则层之间相互作用，分别代表不同类型的指标。在准则层下遴选相应指标，结合安徽省特征和已有研究，选取了人口、城镇化率、单位耕地化肥、农药、地膜使用量、耕地垦殖率、农业机械化水平、工业污水处理率等27个指标，建立安徽省耕地生态安全评价指标体系，见表1。

2.耕地生态健康等级划分标准

为更直观了解安徽省耕地生态安全指数变化，确定安徽省耕地生态安全现状，对生态安全指数划分健康等级。目前对于耕地生态安全的相关研究中，还没有统一的标准来衡量生态安全状况，论文在遵循半数原则、均数原则和众数原则的前提下对耕地生态安全健康值等间距划分安全等级，共五个等级，分别是病态、不健康、临界健康、亚健康、健康，见表2。

表2 耕地资源生态安全健康等级

3.耕地生态安全健康值总得分分析

本文对安徽省2000-2017年的27个指标进行收集整理，进行标准化处理，利用熵值法计算耕地生态安全各项指标的权重和加权TOPSIS模型计算耕地生态安全健康值，通过健康值分析安徽省耕地生态安全现状。安徽省耕地生态健康值在17年间虽然总体是上升趋势，但健康值一直低于0.55，变化曲线呈现v形变化。依据曲线变化趋势，将安徽省耕地生态安全健康值分为两阶段进行分析,见图1。

图1 2000-2017年安徽省耕地生态安全健康值演变

第一阶段是2000-2008年，耕地生态安全健康值处于下降趋势，健康值处于0.26-0.50，健康值年均下降0.02，耕地生态安全健康值由临界下降为不健康。具体表现为：2000-2002年，耕地生态安全健康值有短暂的上升阶段，0.43增至0.50；2002-2007年，耕地生态安全健康值稳定下降，0.50下降至0.35，年均下降0.03，此阶段健康值跌落至不健康状态；2007-2008年，耕地生态安全健康值出现较大下降，0.35下降至0.26，一年下降0.09，健康状态处于最低值。

第二阶段是2008-2017年，安徽省耕地生态安全健康值稳定增长，健康值处于0.26-0.54区间，年均增长0.03，耕地生态安全健康状态有所好转，由不健康提升至临界健康，但仍处于危险边缘。具体表现为：2008-2013年，更低生态安全健康值增长较为缓慢，0.26增长至0.42，年均增长0.032，健康值跨入临界状态；2013-2017年，0.42增长至0.54，年均增长0.03，健康值增长至17年最高值。

4.耕地生态安全分维波动分析

(1)驱动力层健康值稳定增长。2000-2007年在0.3上下浮动，有增有减，健康值始终处于不健康状态。2007-2017年健康值处于稳定增长阶段，年均增长0.037，健康状态从不健康状态增长为临界健康状态。

(2)压力层健康值先下降后增长。2000-2015年一直处于下降状态，由0.71下降至0.19，年均下降0.035，2015年达到最低值，健康状态由亚健康跌至病态。2015年后健康值提升，2017年健康状态提升为临界健康。

(3)状态层健康值变化较为曲折。2000-2004年健康值短暂的增长，健康值增长至0.46，年均增长0.04，健康状态由不健康增长至临界健康；但2004-2006年，健康值发生下降，下降至0.16，年均下降0.15，健康状态跌至病态；2006年后，健康值上下浮动式增长，年均增长0.039，至2017年健康值增长至临界健康。

(4)影响层健康值呈线性增长。2000-2017年稳定增加，年均增长0.54，由不病态增长至健康。

(5)响应层健康值变化曲折。2000-2002年健康值短暂快速上升，0.39增长至0.68，年均增长0.145。2002-2010年，健康值总体处于下降状态，健康值先是由2002年0.68下降至2004年0.44，年均下降0.14，处于临界健康状态；2004-2007年，健康值较为平稳，于0.45上下浮动；2007-2008年间，健康值骤降，由0.44下降至0.16，健康值降至病态，2008-2010年持续下降，降至最低点0.14。2010-2017年，健康值上升，由0.14增长至0.42，年均增长0.04，健康值提升为临界健康状态(图2)。

图2 2000-2017年耕地生态安全准则层健康值演变

(二)障碍因子诊断

安徽省耕地生态安全健康值出现转折性变化，为进一步寻找原因，利用面板数据诊断5个准则层和27个指标的障碍度，确定影响安徽省耕地生态安全健康值的主导准则层和主要阻力因子，结果见图3和表3。

图3 2000-2017年安徽省耕地生态安全准则层障碍度变化

如图3所示，2000-2017年各准则层障碍度均出现明显的幅度变化，整体来看，驱动层和影响层障碍度稳定下降；压力层和响应层障碍度则呈现增长趋势，且压力层障碍度增长幅度较大；而状态层较为不稳定，但幅度变化较小。准则层障碍度累加排序为压力层5.16-响应层4.14-状态层3.32-驱动力层3.01-影响层2.37，压力层和响应层累加障碍度较高，是影响安徽省耕地生态安全健康值的主导准则层。压力层为负向准则层，其障碍度较高表明安徽省生产活动对耕地生态安全造成较重负面影响，且这种影响持续增长；而响应层则是正向准则层，增加响应层指标数值能够有效缓解耕地生态安全负担；状态层的不稳定性则反映人类活动的不稳定和非持续性。

指标层障碍因子变化分为三阶段分析(表3)，2005年、2010年、2015年障碍因子不断发生变化。2005年障碍因子主要为人工造林面积、人均GDP、土地经济密度、有效灌溉率和森林覆盖面积；2010年障碍因子主要为人工造林面积、工业污水处理率、单位耕地农药使用量、工业污水排放量和有效灌溉面积；2015年障碍因子主要为人工造林面积、单位耕地农药使用量、农业碳排放、工业污水排放量和单位耕地农业塑料薄膜使用量。纵观18年指标累加障碍度，主要障碍因子为人工造林面积、工业污水排放量、单位耕地农药使用量、人均GDP和工业污水处理率。

表3 2000-2017安徽省耕地生态安全主要因子障碍度

2005-2010年，随着经济增长和工业化的增加，人均GDP、土地经济密度的障碍消减，工业污水排放量和工业污水处理率的障碍度增加；2010-2015年，农业生产技术限制带来的农药、塑料薄膜障碍逐渐显现，遗留的工业污水障碍度在2015年达到峰值0.09，而2016年工业污水排放量障碍度大幅下降至0.02，原因是安徽省自2014年开始水生态文明城市建设试点，2016已见成效。需要特别注意的是正向指标人工造林面积一直是第一障碍因子，即人工造林面积的增加可有效提高安徽省耕地生态安全健康。同时2015年出现新的障碍因子——农业碳排放，新障碍因子的治理和防范也需安徽省进一步研究。

五、结论和讨论

本文基于DPSIR模型，综合考虑社会、经济、人类活动和自然等因素，建立以5个准则层、27个指标为基础的耕地生态安全健康评价系统，运用改进的熵权TOPSIS模型和障碍度模型分析安徽省2000-2017年耕地生态安全健康值动态变化和阻力因子。安徽省耕地生态健康值在17年间虽然总体是上升趋势，但健康值一直低于0.55，即健康状态处于临界健康的关键期；总体变化曲线呈现v形，2008年是健康值转折点；准则层上，压力准则层和响应准则层健康值持续下降，人类活动造成明显负面影响。障碍因子检测结果表明压力层和响应层是造成安徽省耕地生态安全障碍的主导准则层，障碍因子逐年变化，但主要是人工造林面积、工业污水排放量、单位耕地农药使用量、人均GDP和工业污水处理率。

为了更全面地筑牢耕地生态安全屏障，防止耕地生态安全日益弱化，应该加快新型工业化转型的步伐，建立企业排污权分配机制，建设排污权交易市场；调整林业产业机构，发展林下经济，引进林业深加工项目；大力发展生态循环农业，推广生物农药，进一步深化生物农药集中配送；引进最新北斗卫星导航科技结合遥感、地理信息等技术，促进传统农业向智慧农业快速发展；同时以智慧园区为契机，建立耕地生态环境监测预警系统。

耕地生态安全研究具有较强的连续性、系统性和综合性，但由于数据的可得性和连续性以及研究方法的局限性等原因，本文在指标的选取上存在不完善的问题。因而，未来指标选取上应该综合性考虑，研究方法也需要进一步的精进。未来区域耕地生态安全研究，如何保持经济和生态的协调发展仍需要更多的研讨。