基于突變理論的新疆耕地生態(tài)安全評價

黃曉東+蒲春玲+宋建華+閆志明+張影+劉超

摘 ? ?要：耕地生態(tài)安全關(guān)系到國家糧食安全。根據(jù)新疆耕地利用現(xiàn)狀及特點(diǎn)，基于P-S-R模型構(gòu)建新疆耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，運(yùn)用突變級數(shù)法進(jìn)行評價。結(jié)果表明：（1）2004—2013年新疆耕地生態(tài)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程。（2）從各準(zhǔn)則層看，壓力系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程;狀態(tài)系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→較安全→安全的發(fā)展歷程;響應(yīng)系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全→安全的發(fā)展歷程。（3）影響新疆耕地生態(tài)安全的障礙因素是單位耕地化肥負(fù)荷率和人均水資源量。

關(guān)鍵詞：耕地;生態(tài)安全;P-S-R模型;突變理論;新疆

中圖分類號：F127 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.016

Ecological Security Assessment on Cultivated Land of Xinjiang Based on Catastrophe Theory

HUANG Xiao-dong1，PU Chun-ling1，SONG Jian-hua2，YAN Zhi-ming1，ZHANG Ying1，LIU Chao1

（1.College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052， China;2. Institute of Economics，Xinjiang Academy of Social Science，Urumqi，Xinjiang 830011，China）

Abstract： The cultivated land ecological security is related to national food security. According to the situation of farmland utilization and characteristics in Xinjiang， based on P-S-R model the evaluation index system was constructed and using mutation progression method to evaluate. The results show that（1）Ecological security of cultivated land of Xinjiang during 2009 to 2013 experienced the development process of Unsafe →Less safety →Criticality safety →The safer; （2） From the criterion level， the pressure system experienced the development process of Less safety →Criticality safety →The safer; State system experienced Unsafe →Less safety →The safer →Safe; Response system experienced Unsafe →Less safety →Criticality safety →The safe →safe; （3） The main factors affecting ecological security of cultivated land of Xinjiang are unit farmland fertilizer load rate and average per capita water resources.

Key words： cultivated land; ecological security; P-S-R model; catastrophe theory; Xinjiang

耕地是人類可利用土地中的精華部分，是保障糧食生產(chǎn)的最基本要素。耕地生態(tài)安全是指在在一定的時間和空間尺度內(nèi)，耕地資源生態(tài)系統(tǒng)處于保持自身正常功能和滿足社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要的狀態(tài)[1]。耕地生態(tài)安全是國家生態(tài)安全的重要組成部分，關(guān)系著國家糧食安全。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，一方面占用大量耕地資源，導(dǎo)致耕地資源數(shù)量減少加速;另一方面耕地利用中化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜等的不合理使用及過量投入導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重[2-4]，耕地生態(tài)環(huán)境惡化趨勢明顯，耕地的可持續(xù)利用和國家糧食安全都面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。趙宏波等[5]基于PSR-EES 模型對吉林省48個縣耕地生態(tài)安全進(jìn)行時空差異性分析，并診斷出影響吉林省耕地生態(tài)安全的障礙因子;徐輝等[6]基于NES框架，運(yùn)用多因素綜合評價法對黑龍江省寧安市10年的耕地生態(tài)安全進(jìn)行了科學(xué)評價;崔明哲等[7]運(yùn)用組合賦權(quán)法對哈爾濱市耕地生態(tài)安全進(jìn)行了定量評價;張祥義等[8]以河北省肥鄉(xiāng)縣為研究對象，基于NES框架，結(jié)合熵權(quán)物元模型對該區(qū)域的耕地生態(tài)安全從定性和定量兩方面進(jìn)行了評價;張銳等[9]將PSR模型與熵權(quán)物元模型綜合運(yùn)用于耕地生態(tài)安全評價研究中，對我國15年耕地生態(tài)安全發(fā)展變化情況進(jìn)行了綜合評價。耕地生態(tài)系統(tǒng)具有突變性、脆弱性、系統(tǒng)性等特點(diǎn)，現(xiàn)有研究缺乏對系統(tǒng)突變特性的考慮。基于此背景，本研究將突變理論與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合起來，將突變級數(shù)法應(yīng)用于耕地生態(tài)安全評價，并定量評價了2004—2013年新疆的耕地生態(tài)安全狀況，為耕地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于我國西北邊陲，地處亞歐大陸腹地，介于34°25'～48°10'N，73°40'E～96°18'E。在國內(nèi)新疆與西藏、青海、甘肅三省交界，國際上與塔吉克斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、俄羅斯、阿富汗、蒙古、巴基斯坦、印度等8個國家接壤，陸地邊境線長達(dá)5 600多km，占全國陸地邊境線的四分之一，是中國面積最大、陸地邊境線最長、毗鄰國家最多的省區(qū)。截止2013年末，全疆人口2 264.3萬人，土地總面積166.49×104 km2，占全國陸地總面積的六分之一，地區(qū)生產(chǎn)總值8 360.24億元，僅占全國的1.47%。耕地面積506.7×104 hm-2，單位耕地化肥施用量達(dá)到401.095 kg·hm-2，單位耕地農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力達(dá)到427.474 kw·hm-2，人均水資源量4 223 m3·人-1。新疆屬典型的干旱氣候，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，糧食生產(chǎn)面臨問題多，耕地質(zhì)量及生態(tài)安全對保障糧食安全和地區(qū)穩(wěn)定至關(guān)重要。因此，對于新疆耕地生態(tài)安全的研究勢在必行，可為新疆耕地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中研究數(shù)據(jù)主要來自于中國統(tǒng)計年鑒（2005—2014年）、中國國土資源統(tǒng)計年鑒（2005—2014年）和新疆統(tǒng)計年鑒（2005—2014年）以及各相關(guān)職能部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

突變理論由Rene Thom創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代，其基本原理是利用拓?fù)淅碚摌?gòu)造數(shù)學(xué)模型來描述、預(yù)測自然現(xiàn)象與社會活動中事物連續(xù)性中斷的質(zhì)變過程[10]。突變級數(shù)法是該理論的重要應(yīng)用之一，主要特點(diǎn)是首先對系統(tǒng)的總評價目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，由指標(biāo)層逐層向目標(biāo)層綜合，確定各層的突變類型，然后將各層的控制變量帶入相應(yīng)的突變模糊隸屬函數(shù)，通過歸一化公式計算，求出總的隸屬度值，得出總的評價結(jié)果[11-14]。按照控制變量的維數(shù)不同，常用的突變類型有折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變，如表1所示。

1.3.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建 耕地生態(tài)系統(tǒng)受到自然生態(tài)因素、社會經(jīng)濟(jì)因素及人類干預(yù)因素的影響，針對新疆耕地利用現(xiàn)狀，采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型，依據(jù)科學(xué)性、區(qū)域性、數(shù)據(jù)可獲得性及可量化等原則，在借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[15-19]，選取包含單位耕地化肥負(fù)荷率、人均耕地面積、人均水資源量、單位耕地農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值等14項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建新疆耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系（表2）和突變級數(shù)模型（圖1），并利用主成分分析法對各層次指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。

1.3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)中包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，為消除指標(biāo)間量綱不統(tǒng)一的缺點(diǎn)，要將各個指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，統(tǒng)一化成以百分比為單位的指標(biāo)值，從整體上反映耕地生態(tài)安全評價結(jié)果。采用極差法對各個指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，公式如下。

■（1）

式中，Bi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的實(shí)際評價數(shù)值;Xi、Xmax、Xmin分別為評價指標(biāo)i的實(shí)際值、最小值和最大值。

1.3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定 指標(biāo)體系評價標(biāo)準(zhǔn)的確定直接影響到評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，耕地生態(tài)安全常規(guī)評價標(biāo)準(zhǔn)為0.2、0.4、0.6、0.8，由低到高分為5個安全等級，分別為Ⅰ（不安全）、Ⅱ（較不安全）、Ⅲ（臨界安全）、Ⅳ（較安全）、Ⅴ（安全）。由于突變級數(shù)法綜合評價值較大，且評價值之間的差距很小，難以用常規(guī)的評價標(biāo)準(zhǔn)來得到評價結(jié)果，因此需要將常規(guī)評價標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為突變級數(shù)法使用的標(biāo)準(zhǔn)。本文的評價標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換思路為：在突變指標(biāo)體系和各層指標(biāo)重要性確定的前提下，當(dāng)?shù)讓又笜?biāo)對應(yīng)的隸屬度值均取為ym（m=1，2，3，…，m），由突變級數(shù)法進(jìn)行運(yùn)算，可以得到其綜合評價值為rm（m=1，2，3，…，m）。由相應(yīng)的突變模型及歸一化公式計算準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的評價標(biāo)準(zhǔn)[20]，如表3所示。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用公式（1）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后根據(jù)各層指標(biāo)相應(yīng)的突變級數(shù)模型，利用表1中的歸一化公式，由低到高計算準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的綜合評價值，最后根據(jù)表3得出2004—2013年新疆耕地生態(tài)安全等級，如表4所示。

2.1 綜合系統(tǒng)安全狀況分析

由表4可知，新疆耕地生態(tài)系統(tǒng)安全水平呈直線上升趨勢，安全隸屬度值由2004年的0.600 7上升至2013年的0.962 3，安全等級經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程，綜合系統(tǒng)安全水平的穩(wěn)步提升主要得益于狀態(tài)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)安全水平的明顯改善。2005—2008年綜合系統(tǒng)安全水平一直處于較不安全狀態(tài)，且隸屬度值有所波動，主要是因?yàn)檫@4年間糧食單產(chǎn)一直處于下降趨勢，由2005年的2 536.799 kg·hm-2下降至2008年的2 203.871 kg·hm-2。2009—2013年綜合系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了臨界安全和較安全的發(fā)展歷程，且隸屬度值一直保持上升的趨勢，這主要得益于政府采取了多項(xiàng)措施嚴(yán)格保護(hù)耕地，同時加大對土地整治項(xiàng)目的扶持力度，人均耕地面積由2009年的0.182 4 hm2·人-1增加至2013年的0.223 8 hm2·人-1，年均增長率1.59%，說明基本農(nóng)田保護(hù)、土地整治、后備耕地資源開發(fā)等一系列耕地保護(hù)措施的實(shí)施效果明顯，為新疆耕地生態(tài)安全水平的提高起到了積極的推動作用。

2.2 壓力系統(tǒng)安全狀況分析

壓力系統(tǒng)安全等級經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程，安全隸屬度值由2004年的0.798 8上升到2013年的0.950 8，總體來看安全水平得到了一定的提高。但2005—2012年壓力系統(tǒng)一直處于臨界安全水平，說明壓力系統(tǒng)安全問題并沒有得到根本緩解。主要原因是耕地生態(tài)環(huán)境壓力加大，單位耕地化肥負(fù)荷率由2005年的311.665 kg·hm-2增加到2012年的488.911 kg·hm-2，年均增長率達(dá)到6.64%，耕地面源污染不斷加重。

2.3 狀態(tài)系統(tǒng)安全狀況分析

狀態(tài)系統(tǒng)安全水平總體上得到了較大改善，由2004年的不安全狀態(tài)上升為2013年的安全狀態(tài)。2004—2008年?duì)顟B(tài)系統(tǒng)一直處于不安全狀態(tài)，安全隸屬度值有所提高，但仍處于不安全標(biāo)準(zhǔn)之下，主要原因是2006年以來新疆遭遇了極端干旱天氣，降水量大幅度減少，干旱造成的缺水對耕地生態(tài)安全造成了極大危害，人均水資源量由2004年的4 789 m3·人-1下降到2008年的3 798 m3·人-1，耕地有效灌溉率由2004年的68.46%下降到2008年的62.13。2009—2013年?duì)顟B(tài)系統(tǒng)安全水平由較不安全提高到安全水平，主要原因是農(nóng)業(yè)水利灌溉設(shè)施建設(shè)步伐加快，節(jié)水灌溉技術(shù)得到全面推廣，耕地灌溉有效率和節(jié)水灌溉率分別以3.59%和7.39%的年均增長率提高。

2.4 響應(yīng)系統(tǒng)安全狀況分析

響應(yīng)系統(tǒng)安全水平逐步上升，安全隸屬度至由2004年的0.379 6上升至2013年的0.970 1，安全等級經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全→安全的發(fā)展歷程。這主要得益于社會經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，2004—2013年農(nóng)牧民的人均純收入由2 245元·人-1提高到7 296元·人-1，年均增長率12.51%;單位耕地農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值由15 317元·hm-2提高到42 498元·hm-2，年均增長率10.74%。

3 結(jié)論與討論

突變級數(shù)法的應(yīng)用避免了主觀確定評價標(biāo)準(zhǔn)引起的不確定性對評價結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，同時該方法不需要對評價指標(biāo)確定具體的權(quán)重，因此更加便捷準(zhǔn)確，消除了人為賦權(quán)的主觀性。結(jié)果表明：2004—2013年新疆耕地生態(tài)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程;壓力系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程;狀態(tài)系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→較安全→安全的發(fā)展歷程;響應(yīng)系統(tǒng)安全水平經(jīng)歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全→安全的發(fā)展歷程。

（1）研究發(fā)現(xiàn)新疆耕地生態(tài)系統(tǒng)10年來發(fā)展趨勢總體上看是好的，主要的障礙因素是單位耕地化肥負(fù)荷率和人均水資源量。

（2）新疆作為典型的干旱區(qū)省份，水資源短缺是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的關(guān)鍵因素。鑒于此背景，一方面應(yīng)加大農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度，修建農(nóng)田水利灌溉設(shè)施，保障農(nóng)業(yè)用水;另一方面要提高農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，倡導(dǎo)微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水資源有效利用率。

（3）耕地利用中化肥、地膜的過量使用造成的農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，給耕地生態(tài)安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此背景，一方面應(yīng)大力推廣測土配方施肥技術(shù)，提高肥料利用率;另一方面要推動農(nóng)作物病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治和綠色防控，優(yōu)先采用生態(tài)控制、物理防治和生物防治措施，減少農(nóng)藥的施用量。

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