基于PSR模型的吴起县耕地生态安全评价

汪 洋

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710061)

耕地自古以来就是人类赖以生存和发展的基本保障。2022年中央一号文件颁布，继续聚焦三农问题，文件明确指出，牢牢守住保障国家粮食安全和不发生规模性返贫两条底线[1]。无论经济如何发展，农业都是国民经济基础，耕地更是中国社会稳定发展的“压舱石”，耕地生态安全是国民经济发展的重中之重。而吴起县作为中国全面小康成长型百佳县之一，在整个延安市社会经济发展中有着重要地位，该区域地处黄土高原，水土流失严重，长期以油气工业作为经济支柱产业，加之各类企业环保意识淡薄，使得耕地遭受油泥污染，数量质量下降。因此，如何科学评价耕地生态安全，准确把握耕地生态安全状态是吴起县可持续发展的重要目标，是做好国土空间规划、乡村振兴的重要基础，对吴起县经济发展和资源环境保护具有重要作用。

目前，耕地生态安全评价在国内的研究主要分为理论研究和方法研究2个方面：理论研究方面主要成果从其概念、内涵、基本原则、基本理论到指标、指标体系等多角度都进行了探讨；方法研究方面主要有BP神经网络法、PSR及其改进模型等。王万茂教授作为中国土地事业的先驱，早在2001年就提出耕地生态有关于农作物的生长环境，耕地生态保护就是保护耕地生态系统结构和功能[2]。南京农业大学匡丽花认为，就是保障粮食和生态安全，即通过保护耕地生态系统结构和功能来实现粮食安全[3]。吴大放等学者将耕地生态安全视为耕地数量质量和生态环境的综合体[4]。黄辉玲、吴次芳等学者通过采用五元分析法的关联函数以及集成模型建立了土地生态安全评价体系[5]。刘亚男等在县域做耕地生态安全评价并改进权重计算方法[6]。吴利利用BP神经网络和GA-BP神经网络在土地生态安全评价中的测试其可行性[7]。国外的研究主要体现在评价方式上面，如计算污染负荷指数、生态风险指数等，通过编程语言、遥感等技术进行土地生态安全评价。Golam Rasul等在环境稳定性、经济可行性和社会可接受性等方面做了研究，发现生态农业更具有可持续性，能够节约资源，带来更大经济效益[8]。在此之后，MirzaeiMohsen采用采用污染因子(Cf)、污染负荷指数(PLI)和生态风险指数(economic risk index)对重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd)含量进行调查，并对区域土地生态风险进行评价[9]。综合来看，耕地生态安全评价的研究趋势可分为3个方面：在研究方法方面，综合利用PSR及其改进模型、能值分析法等已成熟的方法，实现区域耕地生态安全评价，并构建预警系统，做好耕地生态安全性预测，划定安全级别；在尺度方面，需要将关注重点转移到县域、镇域等小范围，由于耕地生态安全影响因素众多，评价范围过大会导致尺度笼统，标准不明，小范围更适宜做耕地生态安全评价，尽可能提高指标选取的科学性和数据获取的可行性，从而建立合适的评价指标体系；在理论研究方面，需要广泛结合土地生态安全、生态安全以及可持续发展等理论，从而明确耕地生态安全的概念内涵，为耕地生态安全评价的研究指明方向。

1 研究区概况

吴起县隶属于陕西省延安市，位于延安市西北部，西北邻定边县，东南接志丹县，东北边靖边县，西南毗邻甘肃华池县。地处E107°38′57″～108°32′49″，N36°33′33″～37°24′27″。南北长93.4km，东西宽79.89km，总面积3791.5km2。全县属黄土高原梁状丘陵沟壑区，海拔在1233～1809m，处于中纬度，属半干旱温带大陆性季风气候，年平均降雨量483.4mm。昼夜温差大、季节性气温差异也大，气温由地势较低的东南部向地势较高的西北逐渐降低，冬季易形成冻土，第2年4月初开始解冻，但又进入黄土崩塌、滑坡灾害易发期。县域内河流均属黄河水系，干流深切，支流密布，境内河网密度大，含沙量普遍很高，一般暴雨后短期内会形成高浓度的泥石流，流水侵蚀活跃，谷坡、沟坡崩塌、滑坡较为普遍，沟头溯源侵蚀及沟谷下切强烈，水土流失严重。截至2020年末，吴起县有常住人口14.59万人，城镇化率达63.63%，生产总值达150.13亿元，人均生产总值102408元，全体居民人均可支配收入27035元，城镇居民人均可支配收入38165元，农村居民人均可支配收入13045元，是一个城镇化加速发展的地区。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究区数据主要来源于《中国统计年鉴》、2010—2020年延安市统计年鉴、《中国农村统计年鉴》、吴起县“十三五”发展公报、吴起县水文监测站数据和吴起县简介等。另外，部分数据来源于2020年吴起县国土变更调查等数据。

2.2 评价方法

2.2.1 耕地生态安全评价模型

PSR模型是由联合国OECD和UNEP提出的，最初基于因果关系建立，是指由于人类活动对生态环境造成压力(P)，使得生态环境结构功能改变，呈现出一种不良状态(S)，为了改善这种状态，人类采取政策措施防止生态环境继续恶化(R)。在PSR压力-状态-响应体系中，“P”是指人类生活和消费模式对当地耕地生态安全所施加的压力，“S”是指耕地生态系统在可持续发展过程中所呈现出的状态，“R”是指面对现有的耕地生态安全状态所采取的一系列政策措施。整个逻辑体系不仅能反映自然因素对生态安全的影响，更能体现人类生产发展在环境保护中的作用关系。本文选用PSR模型将影响研究区耕地生态安全的因素分为压力、状态、响应3个方面，从而建立针对研究区的评价指标体系。PSR模型在具体应用中，根据不同的研究目的，选择一系列影响因素构建指标体系，能够清楚反映各指标对耕地生态安全值的影响，有利于把握研究区整体耕地生态安全值变化趋势，作出综合的、科学的评价，为后期分析障碍因素、调整土地利用状态提供有效参考依据。因此本文依据PSR模型形成原理及其基础理论，结合耕地生态安全评价指标的选取原则以及研究区特点，建立吴起县耕地生态安全评价指标体系是可行的。

图1 PSR模型作用原理图

2.2.2 评价指标体系

本文结合研究区现状，以PSR模型为基础，建立起吴起县耕地生态安全评价指标体系，研究2010—2020年吴起县耕地生态安全的变化特征。PRS模型能够反映系统压力、状态、响应3个环节之间的联系与影响关系：在该模型中压力指标“P”代表不合理的人类活动对耕地生态安全造成的影响；状态指标“S”代表发展过程中耕地生态系统的状态；响应指标“R”代表人类为改善生态环境，缓解生态压力所做的一系列工作。

压力(P)方面，城镇化水平逐渐提高、吴起县人口数量持续增长、农药化肥使用量的变化对当地耕地生态系统压力指数带来的影响；状态(S)方面，吴起县耕地生态系统的结构和功能发生部分变化，呈现出一种对当地经济发展以及人类生存产生影响的状态，如土地垦殖率的增加、第一产业占GDP比重的增加、沙化土地比例、水土流失比例等的减少对耕地生态系统状态指数带来的影响；响应(R)方面，当地管理部门根据实际状况作出积极响应，调整相关土地利用政策，使得耕地生态安全向全面协调可持续的方向前进，为资源可持续利用奠定良好的生态基础。如，农民人均纯收入、水土流失治理率的变化对耕地生态系统响应指数带来的影响等。评价指标及其内涵如表1、表2所示。

表1 耕地生态安全评价指标表

表2 耕地生态安全评价指标内涵及权重

2.2.3 数据的标准化处理

由于影响耕地生态安全的因素众多，涉及自然资源、社会经济、生态保护等各个方面，所选取的各评价指标数值、单位、数量级等较为复杂，为避免各指标之间相互影响，需要对评价指标做无量纲化处理。当前土地研究工作中常用的指标标准化处理方法有极差变换法、比例变换法、标准样本变换法、归一化法，由于本研究涉及指标有正相关、负相关，极差变换法可以不受指标值正负数影响，且能够将正、负向指标最优质化为1，最劣值化为0，方便指标权重计算，因此本文选择极差变化法处理指标，公式如下。

正相关指标计算公式：

(1)

负相关指标计算公式：

(2)

式中，Xij为第i年第j个评价指标数据标准化值；xij为第i年第j个评价指标数据标准化前的原始值；xijmax为第i年第j个评价指标数据最大值；xijmin为第i年第j个评价指标数据最小值。

2.2.4 指标权重

层次分析法确定权重时易受个人主观意见影响，熵值法则会在偶尔有数据出现特例差异时，受影响出现与实际不符的偏差。因此本文将层次分析法与熵值法相结合计算综合权重，采用累乘法计算综合权重，使结果更加真实可靠。

2.2.4.1 层次分析法

在本次研究中主要利用YAAHP层次分析软件确定指标权重，通过构造层次结构图，利用软件调整判断矩阵数值大小，自动求解最大特征根λmax并进行一致性检验，计算最终结果。

图2 YAAHP构建吴起县层次分析结构图

2.2.4.2 熵值法确定权重

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，xij为第i年第j个评价指标数据标准化前的原始值，i=1,2,…,m,j=1,2,…n,m和n分别代表研究年数和评价指标总数量；xijmax为第i年第j个评价指标数据最大值；xijmin为第i年第j个评价指标数据最小值；k>0,ei>0；ei为第i项指标的熵值；n代表评价指标的数量。

2.2.4.3 综合权重

(7)

式中，Cj为综合权重系数；W和Sj分别代表层次分析法和熵值法计算所得到的指标权重。确定的权重值如表1所示。

2.2.5 耕地生态安全综合指数

本文利用多因素综合评价法计算吴起县耕地生态安全值，将综合权重与标准化数值累乘并求和，得出综合指数。计算公式：

(8)

式中，Z代表综合评价指数；Xij代表第i年第j个评价指标数据标准化值；Cj代表第j个评价指标综合权重；n代表评价指标总个数。

2.2.6 耕地生态安全分级

学界目前已有的研究成果中，经常将耕地生态安全评价结果分为不同的安全等级，在计算出耕地生态安全综合指数后，依据一定的评价标准将结果分级。但耕地生态安全并没有统一的分级标准，因此，本文参照相关研究成果，结合研究区现状，将吴起县耕地生态安全评价结果按照表3分级方式进行。

表3 吴起县耕地生态安全分级评价表

3 结果与分析

根据表3分级标准，将吴起县2010—2020年耕地生态安全状态划分等级，分级结果如表4所示。

表4 吴起县耕地生态安全状况表

3.1 耕地生态安全压力系统评价结果及分析

2010—2020年吴起县耕地生态安全压力指数先上升再下降。其中，2010—2012年耕地生态安全压力指数增加，由2010年的0.0263增长到2012年的0.0351，增长幅度为33.46%，2012年达到最大峰值，2012年以后呈下降趋势。2010—2012年耕地生态安全压力指数上升的原因是经济发展使得人口密度和城市化水平增加，而这2项指标的增加使得耕地生态压力指数略有增加，说明人口密度和城市化水平对压力指数的影响在2010—2012年起主导作用。2010—2020年，单位耕地面积农药、化肥使用量逐年下降，分别由2010年的28.37kg·hm-2、209.31kg·hm-2下降到了2020年的10.39kg·hm-2、109.89kg·hm-2，下降幅度为63.38%、47.50%。农药、化肥使用量的减少能够有效缓解耕地负荷，保护土壤结构、肥力，提高土壤抗灾能力和土壤质量，保障农产品的品质，同时能够稳定土壤微生物的种类数量，减轻耕地生态压力。

3.2 吴起县耕地生态安全状态系统评价结果及分析

2010—2020年吴起县耕地生态安全状态指数略有波动但总体呈增加趋势。其中，2010—2011年为耕地生态安全状态指数下降时间段，由0.0129下降到0.0035，降幅为72.87%，2011年达到最小峰值，2011年以后逐年增加，增幅为93.97%。第一产业占GDP的比重能够反映吴起县农业收入的比重，耕地粮食单产能够反映耕地产出率，而土地垦殖率则能反映土地开垦程度，这三者与耕地状态系统的安全性成正相关，值越大，吴起县耕地状态系统越安全。2010—2012年第一产业占GDP的比重、耕地粮食单产呈下降趋势，分别由2010年的2.94%、3547.88kg·hm-2下降到2012年的2.13%、3494.70kg·hm-2，下降幅度分别为27.55%、1.50%，而吴起县2010—2011年间耕地状态指数也降幅明显。2011年以后随着第一产业占GDP比重、耕地垦殖率的提高，耕地生态安全状态指数逐年增加。

3.3 吴起县耕地生态安全响应系统评价结果及分析

2010—2020年吴起县耕地响应系统安全指数总体呈逐年上升趋势。由2010年的0上升到2020年的0.0635，增长明显。2010—2020年吴起县农民人均纯收入、水土流失治理率和环境治理投资占比呈逐年增加趋势，相比于2010年，农民人均纯收入有大幅提升，由2010年的5298元增加到2017年的13045元，增幅为59.39%；水土流失治理率增幅为78.41%；环境治理投资占比由2010年的0.85%增长到2020年的3.11%，增幅为72.61%。农民人均纯收入、水土流失治理率和环境治理投资占比变化趋势总体上与耕地生态安全响应指数变化趋势高度吻合，表明这3项指标对吴起县耕地生态安全响应指数具有重要影响作用。进入“十二五”、“十三五”后，吴起县积极实施省级土地整治项目、县级土地开发整理项目等，耕地得到有效保护。随着生产力发展，农民人均纯收入也逐年提高，农民用于生态环境方面的资金更多，耕地响应指数增加，耕地生态安全得到全面提升。

3.4 吴起县耕地生态安全综合评价结果及分析

整体来看，吴起县耕地生态安全综合指数呈逐年上升趋势，由2010年的不安全Ⅰ(0.0392)状态上升为2020年的安全Ⅴ(0.1432)状态，综合指数升幅为72.63%，说明耕地生态安全值不断提高，研究区耕地生态环境质量正得到不断改善。2010—2020年吴起县耕地生态安全综合指数变化趋势和耕地生态安全状态指数、响应指数变化趋势高度吻合，表明响应指数对吴起县耕地生态安全具有重要影响，而状态指数的变化则能客观反映这种影响对吴起县耕地生态安全所产生的结果。由此可知，农民人均纯收入、水土流失治理率以及环境治理投资占比更能影响吴起县整体耕地生态安全状况。2010—2020年农民人均纯收入、水土流失治理率以及环境治理投资占比逐年增加，耕地生态安全综合指数也增长明显。科学技术快速发展，政府对环境保护意识逐渐增强，水土流失治理面积增加，水土流失治理率提高能够有效增加土壤质量，保障耕地面积。除此之外，国家对“三农”问题的关注以及农民对生态环境问题的重视会促使农民人均纯收入和环境治理投资占比提高，进入“十二五”、“十三五”规划后，当地政府大力发展特色农业，实行乡村振兴战略，科学编制“增减挂钩”专项规划，推行城乡建设用地“增减挂钩”，缓解耕地后备资源不足压力，使得耕地生态安全综合指数得到大幅提升。

4 结论与讨论

本文利用PSR模型，构建起包含目标层、准则层、因素层、指标层共4个层次15个指标在内的吴起县耕地生态安全评价指标体系，采用AHP-熵值法计算综合权重，利用多因素综合评价法测算耕地生态安全综合值，根据测算结果进行等级划分。所得计算结果较为符合吴起县近年实际发展状况，表明“PSR模型-AHP-熵值法-多因素综合评价法”这一研究方法在耕地生态安全评价过程中是可行的。

从时间上看，吴起县2010—2020年耕地生态安全值逐渐上升，发展态势较好。由2010年的不安全Ⅰ(0.0392)状态上升为2020年的安全Ⅴ(0.1432)状态，综合指数增幅为72.63%。准则层上的耕地生态安全评价状况：压力指数上下波动，幅度在0.02，总体变化不明显；状态指数2010—2011年略有下降，2011年以后逐年增大，由不安全Ⅰ(0.0035)增加到较不安全Ⅱ(0.058)；响应指数逐年增大，由不安全Ⅰ(0)增加到临界安全Ⅲ(0.0702)。

本文根据耕地生态安全指标层、准则层以及障碍度指标层、准则层测算结果及分析，提出了部分耕地生态安全保护对策：保障城市化与环保建设共同发展，注重环保投资，避免城市化发展与环境保护脱节，为耕地生态安全带来不良影响；增加耕地投入，提高土地垦殖率；提高生产技术，减少农药化肥使用；建立耕地生态预警监测系统，及时防治水土流失。