基于PSR—GM（1，1）模型的華池縣耕地生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)測

高莉萍 程文仕 周曉麗 劉學(xué)錄

摘要 運(yùn)用PSR模型建立評價(jià)指標(biāo)體系，用綜合評價(jià)法計(jì)算生態(tài)安全值，對華池縣2009—2014年的耕地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價(jià)，在此基礎(chǔ)上，通過GM（1，1）模型對2015—2020年的耕地生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測并建立障礙度模型確定障礙因子。結(jié)果表明：2009—2014年，華池縣的耕地生態(tài)安全狀況良好且逐漸改善，2015—2020年耕地生態(tài)環(huán)境將繼續(xù)改善，生態(tài)安全狀況的主要障礙因子包括城鎮(zhèn)化水平、農(nóng)村人均純收入、有效灌溉面積、機(jī)械總動(dòng)力、單位耕地農(nóng)膜壓力5個(gè)方面，為耕地保護(hù)指明了方向。

關(guān)鍵詞 耕地生態(tài)安全；PSR模型；GM（1，1）模型；華池縣

中圖分類號(hào) F301.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2018）01-0215-03

Abstract Using the PSR model to establish evaluation indicators， through the GM （1， 1） grey forecasting model to forecast the future Huachi County cultivated land ecological security index. The results showed that cultivated land ecology safe was the overall upward trend in Huachi County during 2009-2014， the cultivated land ecological security situation continuous improvement during 2015-2020 the main obstacle factors of concentrated in the area of urbanization level， rural per capita net income， effective irrigation area， total power machinery， unit farmland agricultural film pressure.

Key words Farmland ecological safety；PSR model；GM（1，1） mode；Huachi County

耕地是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是最為寶貴的資源[1]。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展及人口持續(xù)增長，人地矛盾日益凸顯，人類活動(dòng)對耕地生態(tài)環(huán)境的干擾日益嚴(yán)重，導(dǎo)致耕地的生態(tài)安全狀況不穩(wěn)定，耕地生態(tài)安全問題成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[2]，開展耕地生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)測研究，準(zhǔn)確掌握耕地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)，對合理規(guī)劃、高效利用和整治耕地資源具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

目前我國學(xué)者對耕地生態(tài)安全的研究主要偏重于生態(tài)安全現(xiàn)狀的定性分析，針對耕地生態(tài)安全評價(jià)的研究還不多見，方法上主要有熵權(quán)物元模型[3]、組合賦權(quán)[4]、可拓優(yōu)度評價(jià)模型[5]。針對耕地生態(tài)安全預(yù)測的研究更少，僅有徐美等[6]基于RBF模型以湖南省土地生態(tài)發(fā)展趨勢預(yù)測，以及郜紅娟等[7]基于能值分析對貴州省耕地生態(tài)預(yù)警研究?？傮w而言，耕地生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)測的研究還處于初級(jí)階段，評價(jià)和預(yù)測方法體系有待進(jìn)一步完善。筆者以華池縣為例，應(yīng)用PSR模型和GM（1，1）模型對耕地生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)與預(yù)測，并借助障礙度模型對障礙因子進(jìn)行診斷，以期為耕地生態(tài)安全評價(jià)和預(yù)測提供可資借鑒的方法，并診斷現(xiàn)階段和未來耕地生態(tài)安全存在的問題，為實(shí)施生態(tài)恢復(fù)與重建提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華池縣（107°29′～108°33′E、36°07′～36°51′N）位于甘肅省東部，慶陽市東北部。東北與陜西省志丹縣、吳旗縣、定邊縣相接，西南與省內(nèi)慶城、合水、環(huán)縣相鄰，現(xiàn)轄6鎮(zhèn)9鄉(xiāng)111個(gè)行政村。屬黃土高原殘?jiān)珳羡謪^(qū)，地勢北高南低，海拔1 110～1 781m，地面起伏較大。氣候?yàn)榇箨懶詺夂?，四季分明，年降水?50～600 mm，平均氣溫7.8 ℃。煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能等資源豐富。北部半農(nóng)半牧，中南多以種植業(yè)為主，地形多樣，土層深厚，農(nóng)作物種類多，發(fā)展農(nóng)、林、牧、漁業(yè)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件。2014年華池縣總?cè)丝?3.55萬，土地面積3 791 km2，其中耕地面積694.36 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用面積數(shù)據(jù)來源于華池縣2009—2014年土地利用更新調(diào)查數(shù)據(jù)庫。人口、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平、播種面積及產(chǎn)出水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等數(shù)據(jù)來源于2009—2012年《華池縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和2013—2015年《華池發(fā)展年鑒》。其他氣候、水文和地貌等自然地理資料來源于2014年《華池縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)》。

1.3 研究方法

1.3.1 PSR模型。基于PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型建立指標(biāo)體系[8]。遵循科學(xué)性、可比性、系統(tǒng)性原則，在廣泛搜集分析已有研究成果[9]并進(jìn)行專家咨詢的基礎(chǔ)上，結(jié)合華池縣實(shí)際情況，選取人口密度等16個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了華池縣耕地生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重（表1）。

1.3.2 多因素綜合評價(jià)法。運(yùn)用多因素綜合評價(jià)法確定耕地生態(tài)安全值[10]：

E=nj=1Wj×Xij（1）

式中，E為生態(tài)安全值，Wj為指標(biāo)j的權(quán)重，Xij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。

目前關(guān)于生態(tài)安全等級(jí)的劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)研究[11]，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H，該研究將耕地生態(tài)安全分為5個(gè)等級(jí)（表2）。

1.3.3 GM（1，1）模型。采用GM（1，1）模型對華池縣2015—2020年耕地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測。鄧聚龍?zhí)岢鯣M（1，1）模型應(yīng)用范圍較廣并被稱為傳統(tǒng)的灰色預(yù)測模型，灰色預(yù)測是灰色系統(tǒng)理論中的組成部分[12]。模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

1.3.4 障礙度模型。借助障礙度模型（式2）來診斷影響耕地生態(tài)安全的主要障礙因子[13-14]。

式中，Aj為指標(biāo)障礙度；rij=1-Xij；rij為指標(biāo)偏離度；Xij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；wj為權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果分析

運(yùn)用多因素綜合評價(jià)法（式2），計(jì)算得到華池縣2009—2014年耕地生態(tài)安全值，并按照表2劃分生態(tài)安全等級(jí)（表4）。

從表4可以看出，2009—2014年華池縣耕地生態(tài)安全狀況呈良性發(fā)展的態(tài)勢，耕地生態(tài)安全值從0.285 71上升到0.803 50，耕地生態(tài)安全等級(jí)不斷提高，生態(tài)環(huán)境不斷改善。

2009—2014年華池縣耕地生態(tài)安全變化可分為2個(gè)階段：2009—2012年耕地生態(tài)安全等級(jí)呈平緩上升趨勢，2012年略有下降，安全級(jí)別由較不安全級(jí)提升到臨界安全級(jí)；2012—2014年耕地生態(tài)安全值快速提升，由2012年的0.421 47上升到2014年的0.803 50，生態(tài)安全等級(jí)從臨界安全級(jí)快速提升到安全級(jí)。這與2012年以前生態(tài)環(huán)境保護(hù)未引起足夠的重視，從2013年開始加大生態(tài)環(huán)境整治、全面推進(jìn)和落實(shí)“南梁”紅色旅游等建設(shè)，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展完全吻合。

華池縣耕地生態(tài)安全值在2012年略有下降，采用障礙度模型（式2）對2012年耕地生態(tài)安全的主要障礙因子進(jìn)行診斷，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，2012年影響耕地生態(tài)安全的前7位障礙因素包括森林覆蓋率（ S1）、人口密度（P1）、人均耕地面積（P3）、人均糧食占有量（R3）、耕地墾殖率（S4）、農(nóng)村人均純收入（R2）、有效灌溉面積（R1） ?？梢娪捎谌丝诓粩嘣黾?，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快、各項(xiàng)道路等基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)實(shí)施，森林和耕地面積有所減少，森林覆蓋率、人口密度、人均耕地面積等增長幅度較大，人均耕地面積、人均糧食占有量、耕地墾殖率等有所減少。

2.2 耕地生態(tài)安全預(yù)測

在Matlab軟件中運(yùn)行GM（1，1）模型。借助2009—2014年指標(biāo)原值對2015—2020年華池縣耕地生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見圖1。根據(jù)模型的精度驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算結(jié)果可知該預(yù)測模型可行[15]。從圖1可以看出，2015—2020年華池縣生態(tài)安全值不斷提高，從0.831 17提高到0.949 52，說明“十三五”期間華池縣生態(tài)環(huán)境安全，生態(tài)環(huán)境不斷改善。

利用障礙度模型對2015—2020年耕地生態(tài)安全進(jìn)行障礙因子診斷，結(jié)果見表6。

從表6可以看出，按照各障礙因素出現(xiàn)的頻次，2015—2017年，華池縣耕地生態(tài)安全的最主要障礙因素有：城鎮(zhèn)化水平（P4）、農(nóng)村人均純收入（R2 ）、有效灌溉面積（ R1）、機(jī)械總動(dòng)力（R4）、單位耕地農(nóng)膜壓力（P6）；除此之外，森林覆蓋率（S1）、復(fù)種指數(shù)（S3）、災(zāi)害指數(shù)（S6） 、第一產(chǎn)業(yè)占GDP比

重（S5）、耕地墾殖率（S4） 對耕地生態(tài)安全也有一定的影響；按照障礙度變化情況，2015—2020年，城鎮(zhèn)化水平（P4）、農(nóng)村人均純收入（R2）、有效灌溉面積（R1）、機(jī)械總動(dòng)力（R4）、單位耕地農(nóng)膜壓力（P6） 等5項(xiàng)主要障礙因素的障礙度不斷降低，對耕地生態(tài)環(huán)境的影響不斷減弱，耕地生態(tài)安全呈良性發(fā)展態(tài)勢。

3 結(jié)論與討論

（1）2009—2014年，華池縣的耕地生態(tài)安全狀況可以分2個(gè)階段。2009—2012年耕地生態(tài)安全等級(jí)呈平緩上升趨勢，2012年略有下降，安全級(jí)別由較不安全級(jí)提升到臨界安全級(jí)；2012—2014年耕地生態(tài)安全值快速提升，耕地生態(tài)安全狀況良好且逐漸改善。

（2）2015—2020年華池縣生態(tài)安全值不斷提高，從0.831 17提高到0.949 52，說明“十三五”期間華池縣生態(tài)環(huán)境安全，生態(tài)環(huán)境不斷改善。

（3）2015—2017年，華池縣耕地生態(tài)安全的最主要障礙因素有：城鎮(zhèn)化水平、農(nóng)村人均純收入、有效灌溉面積、機(jī)械總動(dòng)力、單位耕地農(nóng)膜壓力。在未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，要強(qiáng)化耕地保護(hù)意識(shí)，從這5個(gè)方面注重耕地生態(tài)安全的恢復(fù)與重建。

（4）近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，華池縣城鎮(zhèn)化水平不斷提高，農(nóng)村人均純收入不斷增加，有效灌溉面積和機(jī)械總動(dòng)力持續(xù)增加，單位耕地農(nóng)膜壓力不斷降低，可以看出，預(yù)測2015—2020年耕地生態(tài)安全的障礙因子及其變化態(tài)勢結(jié)果符合華池縣實(shí)際情況。

（5）該研究運(yùn)用PSR模型建立耕地生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，該方法充分考慮到了在耕地生態(tài)安全評價(jià)的過程中多因素的影響，并盡可能包括更多的信息，在此基礎(chǔ)上利用GM（1，1）模型進(jìn)行指標(biāo)預(yù)測，測算得到的安全等級(jí)和障礙因子符合華池縣實(shí)際情況，說明PSR- GM（1，1）模型在耕地生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)測中具有較高的可信度，方法切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曙輝，宋天慶，陳懷軍，等.中國耕地生態(tài)安全：危象及成因[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（12）：125-128.

[2] 吳大放，劉艷艷，劉毅華，等.耕地生態(tài)安全評價(jià)研究展望[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，23（3）：257-267.

[3] 張祥義，許皞，劉名沖，等.基于熵權(quán)物元模型的耕地生態(tài)安全評價(jià)研究：以河北省肥鄉(xiāng)縣為例[J].土壤通報(bào)，2014，45（1）：18-23.

[4] 崔明哲，楊鳳海，李佳.基于組合賦權(quán)法的哈爾濱市耕地生態(tài)安全評價(jià)[J].水土保持研究，2012，19（6）：184-187，192.

[5] 趙文暉，楊偉州，王利香，等.基于可拓優(yōu)度評價(jià)模型的耕地生態(tài)安全評價(jià)：以保定市為例[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（2）：60-65.

[6] 徐美，朱翔，劉春臘.基于RBF的湖南省土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警[J].地理學(xué)報(bào)，2012，67（10）：1411-1422.

[7] 郜紅娟，蔡廣鵬，羅緒強(qiáng)，等.基于能值分析的貴州省2000—2010年耕地生態(tài)安全預(yù)警研究[J].水土保持研究，2013，20（6）：307-310.

[8] 潘潤秋，姚星.基于PSR 模型的安徽省土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評價(jià)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，55（3）：589-594.

[9] 李玲，侯淑濤，趙悅，等.基于P-S-R模型的河南省土地生態(tài)安全評價(jià)及預(yù)測[J].水土保持研究，2014，21（1）：188-192.

[10] 王淼，趙俊三，張萌.基于PSR模型的土地生態(tài)安全綜合評價(jià)：以祿豐縣為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（26）：270-273.

[11] 趙宏波，馬延吉.東北糧食主產(chǎn)區(qū)耕地生態(tài)安全的時(shí)空格局及障礙因子：以吉林省為例[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25（2）：515-524.

[12] 殷春雪，李鋒，錢誼，等.基于GM（1，1）模型的長沙市生態(tài)安全綜合評估預(yù)測[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（S1）：373-378.

[13] 張銳，劉友兆.我國耕地生態(tài)安全評價(jià)及障礙因子診斷[J].長江流域資源與環(huán)境，2013，22（7）：945-951.

[14] 李春燕，南靈.陜西省土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評價(jià)及障礙因子診斷[J].中國土地科學(xué)，2015，29（4）：72-81.

[15] 王開友，陳定元.灰色GM（1，1）模型建模的理論探討[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，14（3）：23-25.