基于DPSIR-TOPSIS模型的安徽省耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)及其障礙因子研究

□葛艷艷 王 偉 樊 騁

[內(nèi)容提要]為筑牢安徽省耕地生態(tài)安全屏障，測(cè)度安徽省耕地生態(tài)安全健康動(dòng)態(tài)變化和障礙因子，研究通過構(gòu)建DPSIR評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS模型對(duì)安徽省2000-2017年耕地生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行測(cè)度，分析安徽省耕地生態(tài)安全健康狀態(tài)，再選用障礙度模型對(duì)指標(biāo)剖析，確定安徽省耕地生態(tài)安全健康值提升的障礙因子。模型運(yùn)算結(jié)果表明安徽省耕地生態(tài)安全健康值呈現(xiàn)V形變化，總體趨向上升，目前處于臨界健康的關(guān)鍵期，而影響其健康值提升的主要障礙因子有人工造林面積、工業(yè)污水排水量、單位耕地農(nóng)藥使用量、人均GDP和工業(yè)污水處理率等，這些因子也是安徽省今后改善耕地生態(tài)的重點(diǎn)。

耕地資源經(jīng)過人類長期的經(jīng)營和開發(fā)，逐漸演變成為具有高度耦合性的社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)[1]。隨之人類對(duì)耕地資源利用程度的加深和諸多不合理利用等問題的不斷疊加，耕地生態(tài)安全屏障逐漸脆弱。黨的十九大將生態(tài)文明提升至“千年大計(jì)”，要求對(duì)生態(tài)文明建設(shè)中存在的問題具有清醒認(rèn)知[2]，生態(tài)安全問題受到越來越多的重視，作為人類生存根本的耕地生態(tài)安全研究也成為近年研究熱點(diǎn)。

安徽省于2004年提出生態(tài)省建設(shè)，2020年完成生態(tài)省建設(shè)，是生態(tài)文明建設(shè)的先行省份。耕地生態(tài)安全是生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容[3]，利用科學(xué)成熟的研究方法測(cè)度安徽省耕地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)變化，明確當(dāng)前耕地生態(tài)安全狀況[4]，有利于生態(tài)文明、耕地可持續(xù)利用的建設(shè)和完善。目前國內(nèi)對(duì)耕地生態(tài)安全的研究還處于發(fā)展階段，耕地生態(tài)安全研究主要集中在區(qū)域耕地生態(tài)安全格局研究[5-7]、區(qū)域耕地生態(tài)安全耦合或障礙研究[8-10]、區(qū)域耕地生態(tài)安全影響因素分析[11]、區(qū)域耕地生態(tài)安全預(yù)警研究以及區(qū)域耕地生態(tài)安全[12]與新型分析方法的結(jié)合[13]等。本文參考已有文獻(xiàn)，選用系統(tǒng)性和綜合性更強(qiáng)的DPSIR模型構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用成熟的加權(quán)TOPSIS模型和障礙度模型計(jì)算安徽省耕地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)變化及障礙因子，對(duì)安徽省2000-2017年的耕地生態(tài)安全變化進(jìn)行梳理分析，再確定影響安徽省耕地生態(tài)安全的障礙因子，明確安徽省在耕地生態(tài)文明建設(shè)中存在的問題，對(duì)制定耕地生態(tài)安全屏障提供借鑒和參考。

一、研究區(qū)域和指標(biāo)體系構(gòu)建

(一)研究區(qū)域概況

安徽省，地處長江三角洲腹地，處于全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略要沖和國內(nèi)幾大經(jīng)濟(jì)板塊的對(duì)接地帶。土地總面積14.01萬平方千米，約占中國國土面積的1.45%，居全國22位。耕地面積586多萬公頃，2018年糧食產(chǎn)量4007.3萬噸，油料產(chǎn)量158萬噸，棉花產(chǎn)量8.9萬噸，是全國重要的無公害農(nóng)產(chǎn)品和綠色食品生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。此外，在發(fā)展茶葉、煙草、中藥材和蔬菜、水果等特色農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)方面也具有比較優(yōu)勢(shì)。

(二)數(shù)據(jù)來源

經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000-2018)、《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000-2018)以及2000-2018年安徽省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，土地利用數(shù)據(jù)來源于《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(2000-2018)。

(三)構(gòu)建指標(biāo)體系

科學(xué)合理的指標(biāo)體系可以有效反饋區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)也是耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果可靠與否的基礎(chǔ)與關(guān)鍵[14]。耕地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)集人口、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等共同作用的復(fù)合及復(fù)雜系統(tǒng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取從耕地生態(tài)系統(tǒng)概念出發(fā)，依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、可操作性、系統(tǒng)性、實(shí)用性原則，采用PSR和DSR復(fù)合形成的DPSIR模型[15]，該模型綜合考慮到人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境的相互作用，分維度將復(fù)雜問題簡單化。本文結(jié)合數(shù)據(jù)的連續(xù)性和安徽省耕地生態(tài)安全特征，遴選并確定五個(gè)準(zhǔn)則層、27個(gè)指標(biāo)的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

二、研究方法

本文研究方法主要采用加權(quán)TOPSIS綜合評(píng)價(jià)模型測(cè)度耕地生態(tài)安全狀態(tài)，再以障礙度模型診斷障礙因子。指標(biāo)初始值采取極值法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一指標(biāo)的單位和量綱。

(一)熵值法計(jì)算客觀權(quán)重

熵值是不確定性的一種度量[16]。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越??；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。因而利用熵值攜帶的信息進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度，利用信息熵這個(gè)工具[17]，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。步驟如下：

(1)

(2)

(二)加權(quán)TOPSIS綜合評(píng)價(jià)法

傳統(tǒng)TOPSIS模型因適用范圍較廣且操作較為簡單，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域的多目標(biāo)決策評(píng)價(jià)中[18]，但該模型也存在一定的不足。一方面，在評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定上受主觀因素的影響較大，另一方面，當(dāng)評(píng)價(jià)方案關(guān)于正負(fù)理想解對(duì)稱時(shí)，該模型無法比較。鑒于此，本研究利用加權(quán)TOPSIS模型解決以上問題。加權(quán)TOPSOIS核心內(nèi)容是計(jì)算加權(quán)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)與正負(fù)理想解之間的歐式距離，比較指標(biāo)層與理想解之間的貼近程度，計(jì)算出健康值，依據(jù)健康值分析生態(tài)安全的時(shí)序變化[19-21]，通過健康值排序和分級(jí)，對(duì)生態(tài)安全的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)度。步驟如下：

(1)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

Zij=wj×Yij

(3)

(2)確定正負(fù)理想解及其距離

(4)

(5)

公式中d+是指每年份指標(biāo)到最優(yōu)狀態(tài)的差距，d-是指每年份指標(biāo)到最劣狀態(tài)的距離，Z+是各指標(biāo)的最優(yōu)狀態(tài)，Z-是各指標(biāo)的最劣狀態(tài)。

(3)測(cè)算健康值

(6)

公式中Cj是每年份的耕地資源生態(tài)安全健康值。

(三)障礙度模型

障礙度模型對(duì)耕地資源生態(tài)安全變化原因進(jìn)行診斷。模型引入因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度和障礙度3個(gè)指標(biāo)[22]，通過障礙度的大小排序來確定影響安徽省耕地資源生態(tài)安全的主要障礙因子。因子貢獻(xiàn)度(Yn)表示因子對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)度，即因子的權(quán)重；指標(biāo)偏離度(Pn)表示單項(xiàng)指標(biāo)與最大目標(biāo)之間的差距，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)化值與1之間的差距；障礙度(an)表示單個(gè)指標(biāo)對(duì)耕地生態(tài)安全的影響。公式如下：

Pn=1-Xn

(7)

(8)

公式中Xn表示指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣。

三、結(jié)果與阻力分析

(一)加權(quán)TOPSIS模型結(jié)果分析

1.評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

DPSIR模型包含五個(gè)準(zhǔn)則層：驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)，五個(gè)準(zhǔn)則層之間相互作用，分別代表不同類型的指標(biāo)。在準(zhǔn)則層下遴選相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)合安徽省特征和已有研究，選取了人口、城鎮(zhèn)化率、單位耕地化肥、農(nóng)藥、地膜使用量、耕地墾殖率、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、工業(yè)污水處理率等27個(gè)指標(biāo)，建立安徽省耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

2.耕地生態(tài)健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

為更直觀了解安徽省耕地生態(tài)安全指數(shù)變化，確定安徽省耕地生態(tài)安全現(xiàn)狀，對(duì)生態(tài)安全指數(shù)劃分健康等級(jí)。目前對(duì)于耕地生態(tài)安全的相關(guān)研究中，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來衡量生態(tài)安全狀況，論文在遵循半數(shù)原則、均數(shù)原則和眾數(shù)原則的前提下對(duì)耕地生態(tài)安全健康值等間距劃分安全等級(jí)，共五個(gè)等級(jí)，分別是病態(tài)、不健康、臨界健康、亞健康、健康，見表2。

表2 耕地資源生態(tài)安全健康等級(jí)

3.耕地生態(tài)安全健康值總得分分析

本文對(duì)安徽省2000-2017年的27個(gè)指標(biāo)進(jìn)行收集整理，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用熵值法計(jì)算耕地生態(tài)安全各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重和加權(quán)TOPSIS模型計(jì)算耕地生態(tài)安全健康值，通過健康值分析安徽省耕地生態(tài)安全現(xiàn)狀。安徽省耕地生態(tài)健康值在17年間雖然總體是上升趨勢(shì)，但健康值一直低于0.55，變化曲線呈現(xiàn)v形變化。依據(jù)曲線變化趨勢(shì)，將安徽省耕地生態(tài)安全健康值分為兩階段進(jìn)行分析,見圖1。

圖1 2000-2017年安徽省耕地生態(tài)安全健康值演變

第一階段是2000-2008年，耕地生態(tài)安全健康值處于下降趨勢(shì)，健康值處于0.26-0.50，健康值年均下降0.02，耕地生態(tài)安全健康值由臨界下降為不健康。具體表現(xiàn)為：2000-2002年，耕地生態(tài)安全健康值有短暫的上升階段，0.43增至0.50；2002-2007年，耕地生態(tài)安全健康值穩(wěn)定下降，0.50下降至0.35，年均下降0.03，此階段健康值跌落至不健康狀態(tài)；2007-2008年，耕地生態(tài)安全健康值出現(xiàn)較大下降，0.35下降至0.26，一年下降0.09，健康狀態(tài)處于最低值。

第二階段是2008-2017年，安徽省耕地生態(tài)安全健康值穩(wěn)定增長，健康值處于0.26-0.54區(qū)間，年均增長0.03，耕地生態(tài)安全健康狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，由不健康提升至臨界健康，但仍處于危險(xiǎn)邊緣。具體表現(xiàn)為：2008-2013年，更低生態(tài)安全健康值增長較為緩慢，0.26增長至0.42，年均增長0.032，健康值跨入臨界狀態(tài)；2013-2017年，0.42增長至0.54，年均增長0.03，健康值增長至17年最高值。

4.耕地生態(tài)安全分維波動(dòng)分析

(1)驅(qū)動(dòng)力層健康值穩(wěn)定增長。2000-2007年在0.3上下浮動(dòng)，有增有減，健康值始終處于不健康狀態(tài)。2007-2017年健康值處于穩(wěn)定增長階段，年均增長0.037，健康狀態(tài)從不健康狀態(tài)增長為臨界健康狀態(tài)。

(2)壓力層健康值先下降后增長。2000-2015年一直處于下降狀態(tài)，由0.71下降至0.19，年均下降0.035，2015年達(dá)到最低值，健康狀態(tài)由亞健康跌至病態(tài)。2015年后健康值提升，2017年健康狀態(tài)提升為臨界健康。

(3)狀態(tài)層健康值變化較為曲折。2000-2004年健康值短暫的增長，健康值增長至0.46，年均增長0.04，健康狀態(tài)由不健康增長至臨界健康；但2004-2006年，健康值發(fā)生下降，下降至0.16，年均下降0.15，健康狀態(tài)跌至病態(tài)；2006年后，健康值上下浮動(dòng)式增長，年均增長0.039，至2017年健康值增長至臨界健康。

(4)影響層健康值呈線性增長。2000-2017年穩(wěn)定增加，年均增長0.54，由不病態(tài)增長至健康。

(5)響應(yīng)層健康值變化曲折。2000-2002年健康值短暫快速上升，0.39增長至0.68，年均增長0.145。2002-2010年，健康值總體處于下降狀態(tài)，健康值先是由2002年0.68下降至2004年0.44，年均下降0.14，處于臨界健康狀態(tài)；2004-2007年，健康值較為平穩(wěn)，于0.45上下浮動(dòng)；2007-2008年間，健康值驟降，由0.44下降至0.16，健康值降至病態(tài)，2008-2010年持續(xù)下降，降至最低點(diǎn)0.14。2010-2017年，健康值上升，由0.14增長至0.42，年均增長0.04，健康值提升為臨界健康狀態(tài)(圖2)。

圖2 2000-2017年耕地生態(tài)安全準(zhǔn)則層健康值演變

(二)障礙因子診斷

安徽省耕地生態(tài)安全健康值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性變化，為進(jìn)一步尋找原因，利用面板數(shù)據(jù)診斷5個(gè)準(zhǔn)則層和27個(gè)指標(biāo)的障礙度，確定影響安徽省耕地生態(tài)安全健康值的主導(dǎo)準(zhǔn)則層和主要阻力因子，結(jié)果見圖3和表3。

圖3 2000-2017年安徽省耕地生態(tài)安全準(zhǔn)則層障礙度變化

如圖3所示，2000-2017年各準(zhǔn)則層障礙度均出現(xiàn)明顯的幅度變化，整體來看，驅(qū)動(dòng)層和影響層障礙度穩(wěn)定下降；壓力層和響應(yīng)層障礙度則呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，且壓力層障礙度增長幅度較大；而狀態(tài)層較為不穩(wěn)定，但幅度變化較小。準(zhǔn)則層障礙度累加排序?yàn)閴毫?.16-響應(yīng)層4.14-狀態(tài)層3.32-驅(qū)動(dòng)力層3.01-影響層2.37，壓力層和響應(yīng)層累加障礙度較高，是影響安徽省耕地生態(tài)安全健康值的主導(dǎo)準(zhǔn)則層。壓力層為負(fù)向準(zhǔn)則層，其障礙度較高表明安徽省生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)耕地生態(tài)安全造成較重負(fù)面影響，且這種影響持續(xù)增長；而響應(yīng)層則是正向準(zhǔn)則層，增加響應(yīng)層指標(biāo)數(shù)值能夠有效緩解耕地生態(tài)安全負(fù)擔(dān)；狀態(tài)層的不穩(wěn)定性則反映人類活動(dòng)的不穩(wěn)定和非持續(xù)性。

指標(biāo)層障礙因子變化分為三階段分析(表3)，2005年、2010年、2015年障礙因子不斷發(fā)生變化。2005年障礙因子主要為人工造林面積、人均GDP、土地經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉率和森林覆蓋面積；2010年障礙因子主要為人工造林面積、工業(yè)污水處理率、單位耕地農(nóng)藥使用量、工業(yè)污水排放量和有效灌溉面積；2015年障礙因子主要為人工造林面積、單位耕地農(nóng)藥使用量、農(nóng)業(yè)碳排放、工業(yè)污水排放量和單位耕地農(nóng)業(yè)塑料薄膜使用量?？v觀18年指標(biāo)累加障礙度，主要障礙因子為人工造林面積、工業(yè)污水排放量、單位耕地農(nóng)藥使用量、人均GDP和工業(yè)污水處理率。

表3 2000-2017安徽省耕地生態(tài)安全主要因子障礙度

2005-2010年，隨著經(jīng)濟(jì)增長和工業(yè)化的增加，人均GDP、土地經(jīng)濟(jì)密度的障礙消減，工業(yè)污水排放量和工業(yè)污水處理率的障礙度增加；2010-2015年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)限制帶來的農(nóng)藥、塑料薄膜障礙逐漸顯現(xiàn)，遺留的工業(yè)污水障礙度在2015年達(dá)到峰值0.09，而2016年工業(yè)污水排放量障礙度大幅下降至0.02，原因是安徽省自2014年開始水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)，2016已見成效。需要特別注意的是正向指標(biāo)人工造林面積一直是第一障礙因子，即人工造林面積的增加可有效提高安徽省耕地生態(tài)安全健康。同時(shí)2015年出現(xiàn)新的障礙因子——農(nóng)業(yè)碳排放，新障礙因子的治理和防范也需安徽省進(jìn)一步研究。

五、結(jié)論和討論

本文基于DPSIR模型，綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)和自然等因素，建立以5個(gè)準(zhǔn)則層、27個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)的耕地生態(tài)安全健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)，運(yùn)用改進(jìn)的熵權(quán)TOPSIS模型和障礙度模型分析安徽省2000-2017年耕地生態(tài)安全健康值動(dòng)態(tài)變化和阻力因子。安徽省耕地生態(tài)健康值在17年間雖然總體是上升趨勢(shì)，但健康值一直低于0.55，即健康狀態(tài)處于臨界健康的關(guān)鍵期；總體變化曲線呈現(xiàn)v形，2008年是健康值轉(zhuǎn)折點(diǎn)；準(zhǔn)則層上，壓力準(zhǔn)則層和響應(yīng)準(zhǔn)則層健康值持續(xù)下降，人類活動(dòng)造成明顯負(fù)面影響。障礙因子檢測(cè)結(jié)果表明壓力層和響應(yīng)層是造成安徽省耕地生態(tài)安全障礙的主導(dǎo)準(zhǔn)則層，障礙因子逐年變化，但主要是人工造林面積、工業(yè)污水排放量、單位耕地農(nóng)藥使用量、人均GDP和工業(yè)污水處理率。

為了更全面地筑牢耕地生態(tài)安全屏障，防止耕地生態(tài)安全日益弱化，應(yīng)該加快新型工業(yè)化轉(zhuǎn)型的步伐，建立企業(yè)排污權(quán)分配機(jī)制，建設(shè)排污權(quán)交易市場(chǎng)；調(diào)整林業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)，發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)，引進(jìn)林業(yè)深加工項(xiàng)目；大力發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，推廣生物農(nóng)藥，進(jìn)一步深化生物農(nóng)藥集中配送；引進(jìn)最新北斗衛(wèi)星導(dǎo)航科技結(jié)合遙感、地理信息等技術(shù)，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展；同時(shí)以智慧園區(qū)為契機(jī)，建立耕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

耕地生態(tài)安全研究具有較強(qiáng)的連續(xù)性、系統(tǒng)性和綜合性，但由于數(shù)據(jù)的可得性和連續(xù)性以及研究方法的局限性等原因，本文在指標(biāo)的選取上存在不完善的問題。因而，未來指標(biāo)選取上應(yīng)該綜合性考慮，研究方法也需要進(jìn)一步的精進(jìn)。未來區(qū)域耕地生態(tài)安全研究，如何保持經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展仍需要更多的研討。