新鄭市耕地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警研究

張秋霞，張合兵，劉文鍇，劉怡真

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州450046；3.河南省地圖院，鄭州450008）

新鄭市耕地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警研究

張秋霞1，張合兵1，劉文鍇2，劉怡真3

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州450046；3.河南省地圖院，鄭州450008）

耕地生態(tài)安全預(yù)警對(duì)改善耕地生態(tài)安全水平，保障糧食安全具有重要的意義。以河南省糧食主產(chǎn)區(qū)新鄭市為研究對(duì)象，基于壓力、狀態(tài)、響應(yīng)（P-S-R）和生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)（E-E-E-S）框架模型，構(gòu)建了耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系。引入變權(quán)理論確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用改進(jìn)物元可拓模型確定新鄭市2001—2010年耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)，并采用障礙度模型分析耕地生態(tài)安全障礙因子。結(jié)果表明：2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全水平總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，預(yù)警等級(jí)由Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全）；2009—2010年預(yù)警等級(jí)雖處于較安全（Ⅳ級(jí)），但有下降趨勢(shì)。制約新鄭市耕地生態(tài)安全水平的主要障礙因子是地均化肥使用強(qiáng)度、耕地復(fù)種指數(shù)、人均糧食產(chǎn)量、城市化水平、耕地墾殖率、人口自然增長(zhǎng)率、人均水資源量、地均地膜使用強(qiáng)度、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重、未利用土地比重等，這些因子應(yīng)是今后改善新鄭市耕地生態(tài)安全的重點(diǎn)。

耕地生態(tài)安全；障礙度；變權(quán)物元可拓模型；新鄭市

耕地資源作為最寶貴的土地資源，是糧食生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)要素，是國(guó)家生存安全的重要保障，是構(gòu)建生態(tài)良好的土地利用格局的重要組成[1]。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，農(nóng)田環(huán)境污染不斷加劇，耕地生態(tài)環(huán)境狀況急劇惡化，耕地生態(tài)安全問(wèn)題日益凸顯。因此，研究耕地生態(tài)安全，保護(hù)現(xiàn)有耕地資源免受重復(fù)污染與破壞，成為目前需要關(guān)注和解決的科學(xué)問(wèn)題，尤其是糧食主產(chǎn)區(qū)的耕地生態(tài)安全對(duì)國(guó)家糧食安全的戰(zhàn)略意義更為重要。

目前對(duì)耕地生態(tài)安全預(yù)警研究方法主要使用較為成熟的層次分析法[2]、熵值法[3]、PSR模型[4-5]、可拓模型[6]、生態(tài)足跡模型[7]、TOPSIS模型與馬爾可夫鏈模型[8]等。PSR模型與EEES框架模型相結(jié)合，更能體現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)之間的相互作用關(guān)系；物元可拓模型是一種解決評(píng)價(jià)對(duì)象模糊性、多樣性、不相容性的評(píng)價(jià)方法[9]，能夠綜合各種指標(biāo)的全部信息，并揭示更多的分異信息，但也存在不完善之處，進(jìn)而將對(duì)物元可拓模型進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)引入能反映生態(tài)安全預(yù)警及時(shí)性與動(dòng)態(tài)性的變權(quán)理論確定指標(biāo)權(quán)重。鑒于此，嘗試將PSR-EEES模型和改進(jìn)變權(quán)物元可拓模型相結(jié)合，通過(guò)PSR-EEES模型構(gòu)建耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，引入變權(quán)理論確定指標(biāo)權(quán)重，改進(jìn)物元可拓模型構(gòu)建新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警模型，研究新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)，運(yùn)用障礙度模型診斷新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警的主要障礙因子。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新鄭市位于河南省中部，處于華北平原、豫西山地向豫東平原過(guò)渡地帶，是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心地帶，隸屬于鄭州市，地處北緯34°16′—34°39′，東經(jīng)113°30′—113°54′，北靠鄭州市，東鄰中牟、尉氏，南連長(zhǎng)葛、禹州市，西與新密市接壤，囊接鄭州市建設(shè)航空港區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域，鄭州市規(guī)劃建設(shè)中的三大物流中心之一，即首個(gè)國(guó)家級(jí)航空港試驗(yàn)區(qū)——鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合試驗(yàn)區(qū)。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣溫適中，四季分明。年均氣溫14.2℃，年均降水量676.1 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 114.2 h，全年無(wú)霜期208 d。多年平均水資源總量為1.473 3億m3，人均占有水資源量236 m3。

新鄭市屬糧食主產(chǎn)區(qū)，全年糧食總產(chǎn)量27.31萬(wàn)t，土地總面積886.721 7 km2，轄12鄉(xiāng)鎮(zhèn)，耕地占全市土地面積的60.51%，達(dá)到536.545 4 km2，土壤類型多樣，主要以褐土、潮土與風(fēng)砂土土類為主，境內(nèi)主要為平原高效區(qū)、低山丘陵區(qū)和沙地區(qū)三個(gè)不同生態(tài)類型區(qū)，是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的典型區(qū)域，素有“河南縮影”之稱。根據(jù)新鄭市2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，年末總?cè)丝?4.61萬(wàn)人，全年地區(qū)生產(chǎn)總值525.3億元，一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重分別為3.4%，69%和27.6%。當(dāng)前，河南省正處于推進(jìn)“三化協(xié)調(diào)，科學(xué)發(fā)展”的關(guān)鍵時(shí)期，隨著新鄭市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的加快，以及航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)的快速發(fā)展，耕地生態(tài)安全將面臨著較大挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

原始經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)均來(lái)源于《新鄭市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2001—2010年）和《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2001—2010年），耕地面積相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)源于河南省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集（2001—2010年）。

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是耕地生態(tài)安全預(yù)警的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，直接影響到預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。耕地生態(tài)安全系統(tǒng)是一個(gè)受人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多方面因素共同作用的復(fù)合系統(tǒng)，預(yù)警指標(biāo)的選取不僅要反映人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，同時(shí)也需要體現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的反饋?zhàn)饔?。結(jié)合新鄭市耕地生態(tài)安全的特征，采用經(jīng)濟(jì)合作與開(kāi)發(fā)組織（OECD）與聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)署（UNEP）共同提出的用于研究環(huán)境問(wèn)題的PSR框架體系模型[即壓力（Pressure）—狀態(tài)（State）—響應(yīng)（Response）]，依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、全面性、代表性和可操作性原則，結(jié)合EEES框架模型[即生態(tài)（Ecological）—環(huán)境（Environment）—經(jīng)濟(jì)（Economy）—社會(huì)（Society）]，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)方面，遴選和構(gòu)建3個(gè)準(zhǔn)則層12個(gè)因素層31個(gè)指標(biāo)的耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

1.4 物元可拓模型的改進(jìn)

物元可拓模型以物元理論和可拓集合論作為理論框架，通過(guò)建立經(jīng)典域、節(jié)域和評(píng)價(jià)等級(jí)，根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算待評(píng)物元關(guān)于評(píng)級(jí)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，以此來(lái)確定待評(píng)對(duì)象的等級(jí)[10]。

模型的改進(jìn)克服傳統(tǒng)物元可拓模型的局限性，有效解決評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值超出節(jié)域等問(wèn)題，使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確，更真實(shí)反映指標(biāo)對(duì)待評(píng)物元的正向影響和逆向影響。首先對(duì)經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元作歸一化處理，即每個(gè)經(jīng)典域和待評(píng)物元的實(shí)測(cè)值都除以節(jié)域右節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。其次耕地生態(tài)安全預(yù)警是一個(gè)多指標(biāo)定量綜合研究的過(guò)程，確定合理的預(yù)警指標(biāo)權(quán)重具有舉足輕重的地位，大多數(shù)研究中權(quán)重的確定采用常權(quán)權(quán)重方法[11]，不能反映生態(tài)安全預(yù)警的及時(shí)性與動(dòng)態(tài)性。運(yùn)用變權(quán)理論，采用歸一化處理后的數(shù)值確定各預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重，則有助于解決常權(quán)方法中的缺陷，減少確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)的主觀性，體現(xiàn)預(yù)警對(duì)象在耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)確定中的主動(dòng)參與，使耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)權(quán)重的確定更加具有科學(xué)性。最后是改進(jìn)物元可拓模型中計(jì)算待評(píng)物元等級(jí)時(shí)引入非對(duì)稱貼近度公式和等級(jí)變量特征值確定預(yù)警對(duì)象等級(jí)，克服模糊關(guān)聯(lián)度法在某些情況下不能反映待評(píng)物元自身界限的模糊性、容易損失信息，從而易導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果偏差的問(wèn)題。

表1 新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系

改進(jìn)的變權(quán)物元可拓模型的基本思想是：首先將預(yù)警對(duì)象分為j個(gè)等級(jí)，結(jié)合國(guó)家、地方有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料確定各預(yù)警指標(biāo)等級(jí)的范圍和預(yù)警等級(jí)的劃分；其次，對(duì)經(jīng)典域、節(jié)域和預(yù)警對(duì)象進(jìn)行歸一化處理，并運(yùn)用變權(quán)理論確定各預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重；然后運(yùn)用歸一化數(shù)值和權(quán)重值計(jì)算貼近度和等級(jí)變量特征值，確定預(yù)警對(duì)象的等級(jí)。

改進(jìn)變權(quán)物元可拓模型的耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)計(jì)算步驟為：

（1）確定耕地生態(tài)安全物元R，由耕地生態(tài)安全等級(jí)P，耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)c和特征量值v共同構(gòu)成，模型中具有n個(gè)指標(biāo)，m個(gè)預(yù)警等級(jí)。即：

（2）確定耕地生態(tài)安全的經(jīng)典域νij、節(jié)域νpi和預(yù)警對(duì)象R0。

式中：Pj為第j個(gè)預(yù)警等級(jí)；c1，c2，…，cn為Pj的n個(gè)不同特征；ν1j，ν2j，…，νnj分別是Pj對(duì)應(yīng)于c1，c2，…，cn的取值范圍，即經(jīng)典域；aij和bij為vij的取值邊界。

式中：P為預(yù)警對(duì)象等級(jí)的全體；νp1，νp2，…，νpn分別是P對(duì)應(yīng)于c1，c2，…，cn的取值范圍，即節(jié)域。

綜合物元矩陣、經(jīng)典域矩陣與節(jié)域矩陣，確定耕地生態(tài)安全預(yù)警對(duì)象的矩陣，即：

式中：R0為預(yù)警對(duì)象；ν1，ν2，…，νn分別是P0關(guān)于c1，c2，…，cn的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)預(yù)警對(duì)象、經(jīng)典域、節(jié)域做歸一化處理。由于預(yù)警指標(biāo)特征值量綱不一，取值范圍不同，需要對(duì)物元可拓模型進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)行變權(quán)和貼近度函數(shù)計(jì)算之前需對(duì)預(yù)警對(duì)象、經(jīng)典域和節(jié)域做歸一化處理。

（4）運(yùn)用變權(quán)公式確定權(quán)重?；谧儥?quán)理論的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，首先運(yùn)用步驟（3）的公式（5），（6）對(duì)因素常權(quán)變量做歸一化處理，即各指標(biāo)的常權(quán)變量相等，由預(yù)警指標(biāo)實(shí)測(cè)值的歸一化處理數(shù)據(jù)和其對(duì)應(yīng)節(jié)域來(lái)確定變權(quán)向量。ωi（x）的計(jì)算公式為：

（5）計(jì)算等級(jí)變量特征值，確定預(yù)警等級(jí)。通過(guò)對(duì)貼近度準(zhǔn)則代替最大隸屬度準(zhǔn)則的分析[12]，提出非對(duì)稱貼近度公式：

式中：N為貼近度；D為距離；ωi為權(quán)重。

將公式（8）應(yīng)用到可拓評(píng)價(jià)模型中，可得

式中：j*為待預(yù)警對(duì)象R0的等級(jí)變量特征值，通過(guò)j*可以判斷待預(yù)警對(duì)象R0偏向相鄰等級(jí)的程度，確定預(yù)警對(duì)象的等級(jí)。

1.5 障礙度模型

為了進(jìn)一步了解耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)對(duì)預(yù)警等級(jí)的影響，有針對(duì)地提高耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)，尋找耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)障礙因子至關(guān)重要。根據(jù)障礙度模型，引入因子貢獻(xiàn)度ωj、指標(biāo)偏離度pij和障礙度Aj共3個(gè)指標(biāo)對(duì)預(yù)警指標(biāo)障礙度進(jìn)行診斷，即：

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)警結(jié)果與分析

2.1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定 耕地生態(tài)安全預(yù)警評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定是耕地生態(tài)安全預(yù)警的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅復(fù)雜，而且需要因地制宜，由于現(xiàn)階段我國(guó)耕地生態(tài)安全預(yù)警尚處于探索階段，還未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參照國(guó)家生態(tài)安全評(píng)估體系研究成果[13]以及相關(guān)研究[14-15]，依據(jù)耕地生態(tài)安全的可拓性，將耕地生態(tài)安全等級(jí)劃分為五級(jí)即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，按照警度由劣到優(yōu)，分別為危險(xiǎn)—脆弱—預(yù)警—較安全—安全。

2.1.2 經(jīng)典域和節(jié)域的確定 經(jīng)典域的確定是物元評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)，在確定生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系和安全等級(jí)基礎(chǔ)上，參考國(guó)家、行業(yè)及國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域背景值、類比標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究[16]等，通過(guò)對(duì)新鄭市歷年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合新鄭市區(qū)域特點(diǎn)，確定新鄭市各預(yù)警指標(biāo)對(duì)應(yīng)的各生態(tài)安全級(jí)別的閾值，即經(jīng)典域；節(jié)域?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)指標(biāo)經(jīng)典域之和，見(jiàn)表2。

表2 耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)經(jīng)典域和節(jié)域值

2.1.3 預(yù)警等級(jí)確定 通過(guò)對(duì)預(yù)警對(duì)象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)典域和節(jié)域的歸一化處理，采用變權(quán)公式計(jì)算預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用非對(duì)稱貼近度模型和可拓模型，計(jì)算2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)準(zhǔn)則層（即耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)P、耕地生態(tài)安全狀態(tài)指標(biāo)S和耕地生態(tài)安全響應(yīng)指標(biāo)R）預(yù)警等級(jí)的貼近度和等級(jí)變量特征值，以及2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)的貼近度和等級(jí)變量特征值（表3），最后，根據(jù)等級(jí)變量特征值判斷待預(yù)警對(duì)象R0偏向相鄰等級(jí)的程度，確定預(yù)警對(duì)象R0所在的等級(jí)。

表3 新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)變量特征值及等級(jí)評(píng)定

2.1.4 預(yù)警結(jié)果與分析 由表3可知，2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)總體上呈現(xiàn)不同等級(jí)的上升趨勢(shì)，表明新鄭市耕地生態(tài)安全水平不斷提高，等級(jí)變量特征值從2001年的3.386增加到2010年的3.686，耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)從Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升Ⅳ級(jí)（較安全），其中在2009年下降為3.678，2010年上升為3.686，與2008年基本持平，說(shuō)明雖然新鄭市的耕地生態(tài)安全整體上向較安全發(fā)展，但近兩年仍然出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，這與新鄭市近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)有關(guān)。

新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)的不斷上升，耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)的等級(jí)及其變化的影響起到至關(guān)重要的作用。

（1）由表3可知，2001—2010年，新鄭市耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)預(yù)警等級(jí)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全），等級(jí)變量特征值由2001年的3.348到2010年的3.523。其中2003年在2001—2002年上升后出現(xiàn)了下降，甚至低于2001年，主要是由于人均日生活用水量在2002年減少到120.74 L，之后2003年突然增加到129 L，幾乎與2001年持平，人均耕地面積2003年出現(xiàn)減少，GDP增長(zhǎng)率2003年增長(zhǎng)到13%，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重在2003年出現(xiàn)大幅度下降，人口自然增長(zhǎng)率在2002年降低后出現(xiàn)小幅上漲；2004—2008年逐漸上升為較安全（Ⅳ級(jí)），而2009—2010年雖然仍處于較安全（Ⅳ級(jí)），但出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，主要是由于單位面積的化肥使用強(qiáng)度逐漸增加，單位面積地膜使用強(qiáng)度2008年開(kāi)始下降后在2010年增加到6.371 kg/hm2。表明新鄭市耕地生態(tài)安全面臨的生態(tài)壓力、環(huán)境壓力、經(jīng)濟(jì)壓力和社會(huì)壓力仍有不斷增大的趨勢(shì)，主要是農(nóng)藥、化肥和地膜的使用強(qiáng)度對(duì)耕地的污染，GDP增長(zhǎng)率的不穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以及近兩年人口自然增長(zhǎng)率的增加等對(duì)耕地生態(tài)安全所面臨的壓力有一定的制約作用。

（2）2001—2010年耕地生態(tài)安全狀態(tài)指標(biāo)預(yù)警等級(jí)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全），等級(jí)變量特征值逐漸由2001年的3.40上升至2010年的3.747，表明耕地生態(tài)安全狀態(tài)在不斷得到改善，但是近兩年耕地墾殖率的降低，人均糧食產(chǎn)量的減少，建設(shè)用地面積的增加都應(yīng)該加強(qiáng)重視，預(yù)防耕地生態(tài)安全的惡化。

（3）2001—2010年耕地生態(tài)安全響應(yīng)指標(biāo)預(yù)警等級(jí)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從預(yù)警（Ⅲ級(jí)）上升為較安全（Ⅳ級(jí)），等級(jí)變量特征值逐漸由2001年的3.419上升至2010年的3.833。其中2004年、2006年、2009年的等級(jí)變量特征值相比上年都有微弱下降，主要是由于建成區(qū)綠地覆蓋率和第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重在2004年、2006年、2009年都出現(xiàn)了不同程度的下降，表明耕地生態(tài)安全響應(yīng)指標(biāo)的生態(tài)安全水平處于逐漸提高的趨勢(shì)，2003年以來(lái)對(duì)農(nóng)業(yè)投入的重視和農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的提高，人均綠地面積、污水處理等指標(biāo)的逐漸重視，使得人均GDP、農(nóng)民人均年純收入得到不斷增加，對(duì)耕地生態(tài)安全的改善起到了很大的作用。

綜上所述，2001—2010年，新鄭市耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)均由Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全），新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)也由Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全）；耕地生態(tài)安全響應(yīng)指標(biāo)在2003年已經(jīng)為Ⅳ級(jí)（較安全），說(shuō)明在2003年開(kāi)始新鄭逐漸重視耕地生態(tài)安全，但隨著耕地生態(tài)安全面臨壓力的不斷增加，新鄭市耕地生態(tài)安全開(kāi)始上升緩慢，甚至在2009年出現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)。因此，在加快新鄭市“三化協(xié)調(diào)”發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)該重視新鄭市耕地生態(tài)安全面臨的壓力，如人均日生活用水量的減少、人均耕地面積、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重、人口自然增長(zhǎng)率以及農(nóng)藥化肥地膜的污染等等，將來(lái)可能會(huì)影響并阻礙新鄭市耕地生態(tài)安全的提高，甚至造成耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)的下降。與此同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)耕地質(zhì)量，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，優(yōu)化資源配置，提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的同時(shí)保證耕地生態(tài)安全。

2.2 障礙因子診斷

運(yùn)用障礙度模型，計(jì)算出新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)層障礙度（表4）和準(zhǔn)則層障礙度（表5），并排序得出新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警的主要障礙因子（表6）。

表4 新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)層主要障礙因子障礙度及排序

表6 2001-2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警主要障礙因子出現(xiàn)的頻率

2.2.1 準(zhǔn)則層障礙因子診斷 由表5可知，準(zhǔn)則層指標(biāo)對(duì)新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警的障礙度及變化趨勢(shì)各不相同。從總體上看，耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)障礙度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，耕地生態(tài)安全狀態(tài)指標(biāo)障礙度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，耕地生態(tài)安全響應(yīng)指標(biāo)障礙度基本穩(wěn)定，但也存在不同程度的上升或下降。其中因素層中生態(tài)壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境狀態(tài)、社會(huì)響應(yīng)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、社會(huì)狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)響應(yīng)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；生態(tài)狀態(tài)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。從障礙度數(shù)值上看，準(zhǔn)則層中耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)是最大的障礙度；因素層中環(huán)境壓力、經(jīng)濟(jì)響應(yīng)始終是新鄭市耕地生態(tài)安全的最大障礙度。因此，要提高新鄭耕地生態(tài)安全，需要緩解環(huán)境污染對(duì)耕地的壓力，才能加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)。

2.2.2 指標(biāo)層障礙因子診斷 由表4和表6可知，2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)主要障礙因子是地均化肥使用強(qiáng)度v4，耕地復(fù)種指數(shù)v16，人均糧食產(chǎn)量v21，城市化水平v11，耕地墾殖率v13，人口自然增長(zhǎng)率v12，人均水資源量v1，地均地膜使用強(qiáng)度v6，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重v29，農(nóng)民人均年純收入v28，人均GDPv27，經(jīng)濟(jì)密度v9，建設(shè)用地增加率v22，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重v8，未利用土地比重v17，農(nóng)電集約度v19，建成區(qū)綠地覆蓋率v24。

2001—2007 年地均化肥使用強(qiáng)度v4是新鄭市耕地生態(tài)安全最大的障礙因子，耕地復(fù)種指數(shù)v16，人均糧食產(chǎn)量v21，城市化水平v11，耕地墾殖率v13，人口自然增長(zhǎng)率v12，人均水資源量v1，地均地膜使用強(qiáng)v6，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重v29，農(nóng)民人均年純收入v28，人均GDPv27和地均化肥使用強(qiáng)度v4出現(xiàn)的頻率相同。除了農(nóng)民人均年純收入v28，人均GDPv27外，2008—2010年耕地復(fù)種指數(shù)v16，人均糧食產(chǎn)量v21，城市化水平v11，耕地墾殖率v13，人口自然增長(zhǎng)率v12，人均水資源量v1，地均地膜使用強(qiáng)度v6，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重v29和地均化肥使用強(qiáng)度v4仍然是主要的障礙因子，表明隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，作為糧食主產(chǎn)區(qū)新鄭市的糧食產(chǎn)量、人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理布局以及造成的環(huán)境污染和水資源大幅度下降都成為新鄭市耕地生態(tài)安全的主要影響因素。

2008年農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重v8成為新鄭市耕地生態(tài)安全最大的障礙因子，到2009年和2010年未利用土地比重v17和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重v8成為新鄭市耕地生態(tài)安全主要的障礙因子。表明2008—2010年，新鄭市的未利用地比重和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重逐漸成為新鄭市耕地生態(tài)安全的主要障礙因子，因此，調(diào)整優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不斷提高糧食綜合生產(chǎn)能力成為目前“三化協(xié)調(diào)”發(fā)展的主要調(diào)控對(duì)象。

綜上所述，制約新鄭市耕地生態(tài)安全的主要障礙因子是地均化肥使用強(qiáng)度、耕地復(fù)種指數(shù)、人均糧食產(chǎn)量、城市化水平、耕地墾殖率、人口自然增長(zhǎng)率、人均水資源量、地均地膜使用強(qiáng)度、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重、未利用土地比重。

3 結(jié)論與討論

利用建立的PSR-EEES預(yù)警指標(biāo)體系和改進(jìn)變權(quán)物元可拓模型，對(duì)新鄭市2001—2010年耕地生態(tài)安全預(yù)警進(jìn)行分析，得到2001—2010年新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全）；新鄭市耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)均由Ⅲ級(jí)（預(yù)警）上升為Ⅳ級(jí)（較安全）。等級(jí)變量特征值從2001年的3.386增加到2010年的3.686，耕地生態(tài)安全水平不斷提高，但是2009—2010年耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)的下降使得預(yù)警等級(jí)的增速變緩，表明耕地生態(tài)安全仍面臨威脅，仍需加強(qiáng)預(yù)防和保護(hù)力度，減輕耕地生態(tài)壓力，防范進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)，保證耕地生態(tài)安全水平。

通過(guò)對(duì)障礙因子的診斷可知，準(zhǔn)則層中新鄭市耕地生態(tài)安全壓力指標(biāo)是最大的障礙度；因素層中環(huán)境壓力、經(jīng)濟(jì)響應(yīng)始終是新鄭市耕地生態(tài)安全的最大障礙度。新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)中主要障礙因子是地均化肥使用強(qiáng)度、耕地復(fù)種指數(shù)、人均糧食產(chǎn)量、城市化水平、耕地墾殖率、人口自然增長(zhǎng)率、人均水資源量、地均地膜使用強(qiáng)度、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重、未利用土地比重。因此，目前在“三化”協(xié)調(diào)發(fā)展的同時(shí)，仍需要節(jié)約和集約利用土地為核心，科學(xué)用地，提高土地利用的效率和效益，轉(zhuǎn)變土地利用方式，優(yōu)化土地利用布局，提高耕地質(zhì)量和產(chǎn)能；深化結(jié)構(gòu)調(diào)整，引導(dǎo)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，優(yōu)化資源配置，控制水資源總量的用量和污染，加強(qiáng)對(duì)耕地退化、耕地污染的防范與治理，改善耕地生態(tài)環(huán)境，提高耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，保證耕地生態(tài)安全。

通過(guò)變權(quán)理論和物元可拓模型的改進(jìn)構(gòu)建耕地生態(tài)安全預(yù)警模型，動(dòng)態(tài)分析了新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)和預(yù)警指標(biāo)的預(yù)警等級(jí)，提出主要障礙因子對(duì)耕地生態(tài)安全預(yù)警未來(lái)發(fā)展的影響。但是在構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)，由于數(shù)據(jù)的難以獲取和局限性，在指標(biāo)的選取方面仍存在不足和缺陷；經(jīng)典域目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在制定的過(guò)程中必定會(huì)存在一定的主觀性，而這些不足都會(huì)導(dǎo)致預(yù)警結(jié)果的偏差，因此需要進(jìn)一步研究并改善。文章僅從時(shí)間上對(duì)新鄭市耕地生態(tài)安全預(yù)警進(jìn)行研究，空間上的研究以及預(yù)警系統(tǒng)的建立將是今后進(jìn)一步研究和探討的方向。

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Study on Early-warning of Cultivated Land Ecological Security in Xinzheng City

ZHANG Qiuxia1，ZHANG Hebing1，LIU Wenkai2，LIU Yizhen3
（1.School of Surveying and Land Information Engineering，He′nan Polytechnic University，Jiaozuo，He′nan454000，China；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou450046，China；3.Map Institute of He′nan Province Zhengzhou450008，China）

Early warning of cultivated land ecological security is greatly helpful for the cultivated land ecological security situation and food security.Taking the major grain-producing area of Xinzheng City in He′nan Province as the research object，we constructed an evaluation index system of cultivated land ecological security early-warning by employing the Pressure-State-Response（P-S-R）conceptual framework model and Ecological-Environment-Economy-Society（E-E-E-S）framework model.Introducing variable weight theory to determine the weights of all rating indices，the early-warning level of cultivated land ecological from 2001 to 2010 in Xinzheng City of He′nan Province was calculated based on improved matter-element extension model，and concluded main obstruction factors which were relevant with cultivated land ecological security by using disorder degree model.The results indicated that the overall level of cultivated land ecological security presented an upward trend from ‘early warning’to‘relative security’in Xinzheng City from 2001 to 2010.The early-warning values of cultivated land ecological secutrity was appeared to the downward trend from 2009 to 2010 although level characterized as‘relative security’.The key obstacles for further improvement of cultivated land ecological security of Xinzheng City included fertilizer load per unit of cultivated land，the multiple cropping index of cultivated land，per capita output of grain，urbanization，land reclamation rate，population growth rate，per capita possession of water resources，mulch load per unit of cultivated land，the proportion of the tertiary industry in the gross domestic product，the proportion of the agricultural economy，the proportion of unused land.These factors are the focus to be improved in terms of cultivated land ecological security of Xinzheng City in the future.

cultivated land ecological security；obstacle degree；matter-element extension model；Xinzheng City

F323.22

A

1005-3409（2017）01-0256-09

2016-04-25

2016-06-20

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“河南省典型區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)技術(shù)及應(yīng)用”（201411022）

張秋霞（1985—），女，河南濟(jì)源人，博士研究生，研究方向?yàn)榈V區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建。E-mail：zqx307784104＠163.com