基于PSR 模型的甘肃河西走廊地区农业生态安全评价及影响因素分析

陈雅莉，樊 伟，齐 鹏，王晓娇

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

随着全球气候变化和极端气候事件对人类社会的经济发展、粮食安全以及陆地生态系统等方面的影响，目前碳排放问题成为影响国家甚至全球社会经济安全的重要因素。农业碳排放安全作为农业生态安全的重要组成部分，对农业生态环境有很大的影响。我国作为一个农业大国，农业所释放的温室气体占排放总量的11%[1]，因此保障农业碳排放安全对我国来说不仅是应对气候变化、改善环境污染现状的选择，同时也是实现农业绿色可持续发展的要求。“乡村振兴战略”的提出表明：“三农问题”是关乎国计民生的根本性的问题。此外，“2030 年二氧化碳排放达到峰值，努力在2060 年实现碳中和”的重大决定充分彰显了碳排放安全的重要性。因此，甘肃河西走廊地区农业碳排放及生态环境安全与否不仅是保障国家粮食安全和农业可持续发展的基础，同时也是助力实现“双碳目标”的必然要求。

虽然我国关于生态安全的研究起步较晚（大概1900 年后期才被提出），但近年来该问题是国内学者与公众研究与讨论的热点，目前已在生态安全的概念、评价指标体系的构建及其评价方法等方面取得了很大的进展。生态安全评价指标体系构建是生态安全评价的重要环节，评价标准被认为是对生态环境系统安全研究的关键点之一[2]，国内学者在耕地[3]、土地[4]、水资源[5]、农业[6]等方面对其进行了大量的研究。在生态安全评价指标体系构建中，张小虎等[7]从经济、社会、生态环境三个方面构建了土地生态安全评价指标体系；李玉照等[8]基于DPSIR 概念模型构建了流域生态安全评价指标体系；赵宏波[9]基于PSR-EES 模型构建耕地生态安全评价指标体系，并以吉林省为研究对象对其生态安全进行实证分析；奉婷等[10]从耕地自然质量、利用条件、空间形态与生态安全4 个方面构建耕地质量综合评价体系，并基于GIS 平台对耕地质量综合指数测算。在生态安全评价方法方面，刘勇等[11]从自然、经济、社会3 方面着手建立了土地资源生态安全评价指标体系，并通过计算指标的安全指数对土地资源生态安全状况进行综合评价；贾艳红等[12]在PSR 概念框架模型指导下，将熵权法与综合评价法有机结合，对甘肃牧区草原生态安全进行评价；余敦等[13]借助物元模型对鄱阳湖生态经济区的土地生态安全状况进行研究，为生态安全评价提供了新途径；潘竟虎等[14]利用景观生态学方法、空间主成分分析和GIS 技术对内陆河景观进行生态安全评价；吕广斌等[15]基于DPSIR-EES 模型构建区域土地生态安全评价体系，并运用TOPSIS 法对重庆市土地生态安全状况进行分析，采用ESDA-GIS 法进行了区域土地生态安全时空分异研究。现有的研究成果为农业生态安全评价的研究提供了参考，但相关研究还存在一些问题：（1）目前，国内外学者对生态安全评价的研究主要涉及耕地、水资源安全以及土地生态安全评价等方面，而对农业生态安全研究不足。（2）在指标选取上，很少有研究考虑农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹等对农业生态环境的影响。（3）研究尺度多以单个省市、经济区以及流域等为主，很少有对以灌溉农业为主的甘肃河西走廊地区农业生态安全进行研究。

河西走廊自古以来一直具有重要的经济和战略地位，是中国东部通往西域的咽喉要道，在经历了漫长的历史变幻后，河西丝绸之路逐渐走向了衰落，但随着“一带一路”战略构想的提出，河西走廊的再次繁荣迎来了机遇。新中国成立以来，由于具有生态屏障作用的祁连山与河西走廊地区的生态问题长期没有得到足够的重视，加上粗放型的经济增长方式，致使祁连山与走廊绿洲生态系统受到严重破坏且已出现相应生态环境问题，如祁连山雪山上升、草原退化、地下水位下降、土地荒漠化等。河西五市中，由于嘉峪关、金昌两市是矿业城市，所以针对于农业生态安全的评价与分析只选取武威、张掖、酒泉3 市作为研究对象。本文在考虑农田生态系统碳排放、碳吸收等基础上，基于PSR模型构建的农业生态安全评价指标体系，包括从农业生态环境压力、状态以及响应3 方面选取共18 个指标，同时运用综合评价模型评价甘肃河西走廊地区农业生态安全状况，采用因子障碍度模型对指标层中的各评价指标进行障碍度诊断。研究河西走廊农业发展问题，既是实现社会经济可持续发展的必然要求，也是全面贯彻国家相关重大战略布局的现实需要，同时也为甘肃河西走廊地区农业绿色发展、推进供给侧结构性改革和加快农业转型升级提供科学支撑。

1 研究地区及数据来源

1.1 区域概况

河西走廊位于甘肃西部乌鞘岭以西，祁连山以北，合黎山以南，走廊狭长且直，地处黄河之西，被称为“河西走廊”。如今多指甘肃14 个市州中的河西五市，包括酒泉、张掖、武威、金昌、嘉峪关，本研究选取酒泉、张掖、武威3 市作为研究对象。石羊河、黑河和疏勒河三大内陆河从东至西流经该地区，在张掖、临泽、高台区域内，以及酒泉一带形成大面积绿洲，是甘肃河西地区的重要农业区。河西走廊地处西北干旱区，山地- 绿洲- 荒漠- 沙漠是其主要的生态系统。其气候属大陆性干旱气候，年降水量只有200 mm 左右，全年日照时长处于2 550 ～3 500 h，光照资源丰富，对农作物的生长发育十分有利。其中，2017 年武威市完成人工造林3.55 万hm2、封育2.2 万hm2、防沙治沙用沙面积1.5 万hm2，森林覆盖率19.7%。2017 年张掖市农业用水20.35亿m3，森林覆盖率15.66%，绿化覆盖率39.99%。2017年，酒泉市农业用水量22.4 亿m3，退耕还林面积0.43万hm2，森林覆盖率5.29%。

1.2 数据来源

本文数据源自《甘肃发展年鉴》（2009-2018 年）；《张掖统计年鉴》（2009-2018 年）；《武威统计年鉴》（2009-2018 年）；《酒泉年鉴》（2009-2018 年），以及张掖、武威、酒泉3 市的2008-2017 年国民经济和社会发展统计公报。其中指标碳排放量、碳吸收量以及碳足迹计算方法由研究方法中碳足迹估算方法算得。

2 研究方法

2.1 PSR 概念模型的构建

2.1.1 农业生态安全评价指标体系构建

PSR 模型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，该模型强调社会经济运作与环境变化的互动关系。评价指标的选取是评价的基础，本研究结合其他学者对农业生态安全的研究，在此基础上分析PSR 模型中压力、状态、响应的内涵以及对农业生态安全的影响，构建基于PSR 模型的河西走廊地区农业生态安全评价的概念框架。

压力（P）指标主要指在农业发展过程中，人类活动对农业生态环境产生的直接或间接的影响。状态（S）指标主要指由于压力而形成的当前农业生态环境的状态。响应（R）指标是指在生态系统或者社会为应对面临的风险所采取的措施。将PSR 模型的压力、状态和响应与甘肃河西走廊地区农业生态安全状况进行结合，按照指标体系构建的原则，借鉴相关学者已有的研究成果[16-25]，结合该地区实际情况与特点，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 方面共选取18 个指标，建立农业生态安全评价指标体系，见表1。

表1 甘肃河西地区农业生态安全评价指标权重值

2.1.2 数据标准化

因指标的性质、数值和单位等各不相同，并且具有较大的差异性，因此，为消除量纲影响，需要对选取的指标进行统一标准化，本文采用极值法对各指标原始数据进行标准化处理。计算公式为：

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

2.1.3 指标权重的确定

熵值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。因此本研究选择熵值法进行指标权重的确定，计算公式[26]如下所示。

2.1.3.1 计算第j项指标的第i年样本值的比重pij：

2.1.3.2 计算得到第j个指标的熵值ej和冗余值fj：

2.1.3.3 计算第j个指标的熵权ωj，（计算结果见表1）。

2.1.4 碳足迹估算方法

2.1.4.1 农田生态系统碳排放量计算式[27]如下：

式中，E为碳排放总量；Ef为施用化肥引起的碳排放量；Ep农药施用引起的碳排放量；Em为使用农膜引起的碳排放量；Ee为使用农业机械引起的碳排放量；Ei为农业灌溉引起的碳排放量。计算方法分别为：

式中，Gf为化肥施用量；Gp为农药施用量；Gm为农膜使用量；Ae为农作物种植面积；We为农业机械总动力；Gi为有效灌溉面积。A、B、C、D、F、G 为各碳排放源的碳排放转化系数，确定数值见表2。

表2 农资投入品碳排放转化系数

2.1.4.2 农田生态系统碳吸收量估算方法。本研究中将农田作物全生育期碳吸收作为碳吸收的主要途径，农田作物碳吸收主要表现为其上农作物光合作用所固定的碳。通过作物平均含碳率、作物经济产量、作物含水率和作物经济系数等指标计算农作物全生育期对碳的吸收量，其计算公式[28]如下：

式中，Y为区域农作物生育期对碳的吸收总量；Yi为第i类作物生育期对碳的吸收量；Ci为第i类作物的含碳率；Qi为第i类作物的经济产量；fi为第i类作物果实的含水率；Hi为i类作物的经济系数。结合河西走廊实际情况，选取的主要农作物及其经济系数（Hi）、碳吸收率（Ci）、含水率（fi）[32-38]见表3。

2.1.4.3 农田生态系统碳足迹核算。碳足迹（CEF,单位：hm2）的计算公式[31]如下：

式中，E为农田利用的碳排放总量；Ns为1 hm2的农作物1 年吸收的碳量；Y为所有农作物全生育期对碳的吸收量；S为耕地面积。CEF为河西走廊地区农田生态系统吸收其农田生态系统碳排放所需要的生产性土地的面积[37]。

2.1.5 农业生态安全评价

多指标综合评价模型是根据不同评价目的，选择多个指标构建指标体系，并通过特定的方法对被评价的事物作出定量化的总体的判断，是用来反映评价对象整体状态的评价模型。本研究选用多指标综合评价模型评价河西走廊地区农业生态安全状况，计算公式[26]如下：

式中，U为农业生态安全值；ωi为指标i的权重；Xij为指标的标准化值。

2.1.6 农业生态安全等级划分标准

目前对农业生态安全等级的划分没有统一的标准，各学者都是借鉴前人研究的成果及经验，并根据区域特点对评价等级进行划分。本研究在参考相关研究成果的基础上[26，,39-42]，结合本文的计算结果及河西走廊地区的实际情况，将河西走廊地区农业生态安全情况划分为5 个等级（见表4），该分级标准以求最大程度地反映甘肃河西走廊地区农业生态安全的区域差异，为分析该地区农业生态安全状况提供参考。

表4 农业生态安全评价指数分级标准

2.2 因子障碍度分析

农业生态安全评价并非只停留在水平发展趋势的研究，更为关键的是找到制约其安全水平提升的因素，为此，本文在综合评价的基础上引入因子障碍度模型对河西走廊地区农业生态安全进行障碍因素判断。具体计算公式[26]如下：

式中，Ai为因子障碍度；pi为指标偏离度，pi=1-Xij，Xij为单项指标的标准化值；ωi为因子贡献度，即指标权重。

3 结果与分析

3.1 河西走廊地区农业生态安全评价结果分析

3.1.1 河西走廊地区农业生态安全特征分析

张掖市农业生态安全综合值和安全等级见表5，由表5 可知，2008-2017 年张掖市农业生态压力指数、状态指数、响应指数与综合指数均呈现波动上升趋势，其中压力指数数值变化状态接近于动态平衡，变化范围较小；状态指数数值上升趋势明显，变化范围最大。张掖市农业生态安全等级在10 年间由Ⅱ级上升到Ⅳ级，经历了“较不安全- 临界安全- 较安全”的发展过程，表明张掖农业生态安全状况在逐步改善。

表5 张掖市农业生态安全综合值与安全等级

武威市农业生态安全综合值和安全等级见表6，由表6 可知，2008-2017 年武威市农业生态压力指数、状态指数、响应指数与综合指数均呈现波动上升的趋势，其中压力指数数值在2013-2014 年存在极其明显的下降过程，其余指数保持较稳定的上升趋势。武威市10 年间的农业生态安全等级由Ⅱ级上升到Ⅳ级，安全等级经历了“较不安全- 临界安全- 较安全”的发展过程，表明武威市农业生态安全状况在逐步改善。

表6 武威市农业生态安全综合值与安全等级

酒泉市农业生态安全综合值和安全等级见表7，由表7 可知，2008-2017 年酒泉市农业生态压力指数整体变化趋势为动态下降，状态指数、响应指数与综合指数均为上升趋势，其中状态指数在2012-2013 年上升趋势最明显。酒泉市10 年间的农业生态安全等级由Ⅱ级升至Ⅲ级，其安全状态经历了“较不安全- 临界安全”的发展过程，表明酒泉农业生态安全状况正逐步改善，但其生态安全整体情况依旧较差，因此酒泉市仍然需要加大生态环境保护，加强生态文明建设。

表7 酒泉市农业生态安全综合值与安全等级

3.1.2 河西走廊地区农业生态安全时空演变分析

从空间尺度上对河西走廊地区各地市农业生态安全进行评价，可以看出河西走廊地区各地市农业生态安全程度差异性，根据河西走廊地区各地市农业生态安全评价结果，选择2008、2013、2017 年的数据对河西走廊地区各地市农业生态安全水平进行分析。

应用ArcGIS 软件揭示河西走廊地区农业生态安全时空演变特征，由图1 可知，2008 年，酒泉市、张掖市和武威市均处于较不安全等级；2008-2013 年，武威市依旧处于较不安全状态，酒泉市、张掖市达到临界安全状态，农业生态安全状况总体有所改善，甘肃河西走廊地区农业生态安全格局发生改变；2013-2017 年，该地区农业生态安全水平持续改善，除酒泉市依旧处于临界安全状态外，其余地市均上升至较安全状态。整体来看，甘肃河西走廊地区的三个地市各年份农业生态安全状况均有所好转，但整体农业生态安全状况仍然较差，因此还需要不断加强对生态环境的保护力度。

图1 农业生态安全等级时空差异

3.2 河西走廊地区农业生态安全影响因素分析

3.2.1 准则层障碍因子

张掖市、武威市以及酒泉市2008-2017 年各准则层的障碍度采用因子障碍度模型计算。

由图2 可以看出，2008-2010 年，张掖市处于农业经济向工业经济转轨的关键时期，粗放的经济增长方式，加之处在工业化的初级阶段等，使得状态层和响应层障碍度较大，其状态层障碍度＞响应层的障碍度＞压力层障碍度。2011-2014 年，由于张掖市农业发展过程中化肥、农药和农膜的使用量较高，面源污染较为严重，对其农业生态安全水平有较大的制约，期间农作物还受低温冰冻灾害和高温干旱的影响，成灾率较高，粮食产量较低，因而压力层障碍度快速增大，致使状态层障碍度＞压力层障碍度＞响应层的障碍度。2015-2017 年，压力层障碍度超过状态层和响应层障碍度，此时，提升农业生态安全性的关键在于降低压力系统障碍度。因此，从长远来看，压力层是影响张掖市农业生态安全水平的主要因素。

图2 张掖市农业生态安全准则层障碍度

由图3 可以看出，武威市压力层障碍度在2017 年骤降，是由于化肥施用量的减少，导致碳排放也降低，使得压力层障碍度减小。由于农业对气候变化比较敏感，受气温和降水的影响农作物受灾率与单位面积粮食产量都会发生变化，农业发展容易受到制约，因此武威市2017 年的状态层障碍度突然升高。由于武威市生态治理相关重点项目的实施，其生态环境的恶化得到有效遏制，对农业生态安全的影响逐年减小，响应层的障碍度呈波动下降趋势，说明武威市在应对恶化的生态环境时所采取的措施起到了正向的作用。

图3 武威市农业生态安全准则层障碍度

由图4 可以看出，10 年间酒泉市压力层障碍度呈波动上升趋势，说明制约农业生态安全的因素持续增强，其中在2013 年压力层障碍度达到最大。状态层的障碍度呈波动性下降趋势，说明酒泉市农业生态环境正在不断改善，对农业生态安全的影响逐渐减小，2013年由于前期相关生态工程效果开始显现，状态层障碍度达到最低。除此之外，其响应层障碍度也在相关生态工程的成效影响下呈波动下降趋势。长远角度来看，压力层依旧是影响酒泉市农业生态安全的主要因素。

图4 酒泉市农业生态安全准则层障碍度

3.2.2 指标层障碍因子

本研究为找出影响张掖、武威、酒泉三市农业生态安全的具体因素，采用因子障碍度模型计算张掖、武威、酒泉三市2008-2017 年各指标的障碍度，并选前6 项障碍度最大的指标为主要影响因子，结果见表8 至表10。

表8 张掖市农业生态安全障碍因素排序

由表8 可知，10 年间，张掖市“人口密度”“农田碳足迹”“居民受教育程度”“农作物成灾率”“非农业人口比率”等因子的障碍度逐年提高。这是由于人口增多、非农业人口比率不断提升等情况的出现，在不断增加的增产增收的需求下，大量化肥及农膜的投入使用导致农田碳足迹增长过快。同时，大部分为抵御自然灾害的能力不强的山滩旱地的耕地状况与农民综合素质较低等问题也在很大程度上影响了张掖市现代农业的发展。

此外，在系列生态战略提出的背景下，农业生产化肥零增长措施的施行、生态工程建设步伐的加快、有效灌溉面积的持续增加、土地资源利用程度的不断加强，这不仅明显改善了农民生活质量，“土地垦殖率”“森林覆盖率”“化肥施用强度”“农民人均纯收入”“造林面积”等因子的障碍度的逐渐减小，也体现出了张掖市农业生态安全稳定性的增强。

由表9 可知，10 年间，武威市“农膜施用强度”“居民受教育程度”“农作物成灾率”“非农业人口比率”等因子的障碍度逐年提高，说明农村劳动力的不足，受教育程度低而无法跟上产业结构的升级，农业基础设施构建不够完善，农膜使用量一直较高等因素制约了武威农业生态安全水平的提升。

表9 武威市农业生态安全障碍因素排序

“森林覆盖率”“有效灌溉面积”“化肥施用强度”“土地垦殖率”“农业人均用水量”等因子的障碍度逐渐减小，说明武威市深入推进全域生态文明建设专项行动，围绕“一控两减三基本”目标，实施化肥农药使用量零增长，面源污染防治水平显著提升。

由表10 可知，酒泉市2008-2017 年间，“人口密度”“农膜施用强度”“居民受教育程度”“单位耕地碳排放”等因子的障碍度逐年提高。物质需求伴随着人口的增加日益增长，较高的农膜使用量，居民对生态保护的意识因受教育程度较低而较弱，较为粗放的经济发展方式以及工业发展对生态环境较严重的破坏等，都影响了酒泉市农业生态安全。

表10 酒泉市农业生态安全障碍因素排序

“土地垦殖率”“农田碳足迹”“森林覆盖率”“农民人均收入”“单位耕地碳吸收”等因子的障碍度逐渐减小。环保力度进一步加大，系列政策与重点生态工程的出台、实施，农作物播种面积的扩大以及种植结构的不断调整，农田生态系统碳排放量有所增长，但其碳吸收量远大于排放量，农田碳足迹的障碍度逐渐减小，农民人均收入也持续增长。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究选择甘肃河西走廊地区的3 个城市作为研究对象，在考虑农田生态系统碳排放、碳吸收以及碳足迹的基础上，基于PSR 模型构建了该地区农业生态安全评价指标体系，运用熵值法确定指标权重，根据各项指标的权重及农业生态安全指数对研究区域2008-2017 年的农业生态安全进行综合评价并对其主要障碍因子进行分析。研究结果如下：

（1）总体来看，甘肃河西走廊地区农业生态安全水平在不断提升，农业生态环境在逐渐改善，但该地区的农业生态安全水平仍有很大的提升空间。其中，张掖市农业生态安全等级由“较不安全”向“较安全”转变；武威市农业生态安全等级由“较不安全”向“较安全”转变；酒泉市农业生态安全等级由“较不安全”向“临界安全”转变。

（2）甘肃河西走廊地区农业生态安全压力层障碍度对农业生态安全的影响持续增强，状态层和响应层的障碍度对农业生态安全的影响逐年减小。

（3）影响张掖、武威、酒泉农业生态安全的障碍因素有重叠又有不同，其中“森林覆盖率”“农膜使用强度”“居民受教育程度”等因子是影响河西地区农业生态安全共有的障碍因素。

4.2 讨论

本研究通过多指标综合评价模型对甘肃河西走廊地区农业生态安全进行评价，可以看出该地区2008-2017 年农业生态安全状况在向好改善，这与雷百战等[43-44]的研究结果相类似。陈英等[45]对2001-2012年张掖市的土地生态安全进行预警分析，结果显示张掖市土地生态安全维持在“中警”水平；任小凤[46]对张掖市进行农业生态安全评价，发现2001-2010 年农业生态安全水平总体偏低，与本研究的研究结果相吻合。武威市农业生态安全等级由“较不安全”上升至“较安全”，这与乔蕻强等[47]的研究结果相类似，但由于评价对象、评价模型以及安全等级划分标准的不同，其对应年份所处生态安全等级有所差异。酒泉市农业生态安全等级由“较不安全”上升至“临界安全”，这与刘凌冰等[48]的研究结果相类似，但由于评价目的和对象的不同，对指标的选择也不相同，不同的评价指标体系和模型得出的农业生态安全指数也不同。

目前对生态安全评价的研究主要涉及土地利用绩效评价、湿地生态安全评价、耕地生态安全评价等[49]，而且国内外没有统一的农业生态安全评价指标体系。科学合理的评价指标体系是保证农业生态安全评价结果是否准确的基础，农业生态安全评价指标体系包括资源、环境、人口、社会、经济等多方面因素，运用PSR 模型能够分析社会经济运作与环境变化之间的关系。本研究基于PSR 模型构建了甘肃河西走廊地区农业生态安全评价指标体系，但由于本研究所有数据均来自统计年鉴，年鉴中的统计数据在某些年份存在缺失情况，且考虑指标数据的量化性和可获取性，本文只选取了18 个指标。在后续研究过程中，应进一步收集相关数据，将河西走廊地区农业生态安全评价指标体系进一步完善。