宋林韓 金鵬 吳桐

摘要：研究陜北黃土高原耕地生態(tài)安全的時空格局，加強(qiáng)耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體管護(hù)，提升耕地可持續(xù)利用水平?；趬毫?狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型建立評價指標(biāo)體系，用熵值法計算指標(biāo)權(quán)重，多目標(biāo)綜合評價法研究陜北黃土高原2013、2017年耕地生態(tài)安全時空格局，在此基礎(chǔ)上，利用障礙度模型計算障礙因子及障礙度。研究結(jié)果顯示：（1）與2013年比較，2017年陜北黃土高原耕地生態(tài)安全水平空間格局呈現(xiàn)發(fā)展較好的趨勢。（2）2017年陜北黃土高原25個縣（區(qū)、市）耕地生態(tài)安全障礙度存在差異。（3）2017年耕地生態(tài)安全分布情況為南部>西部>中部>北部>東部?？梢?，陜北黃土高原耕地生態(tài)安全整體上向更安全的方向發(fā)展，未來更應(yīng)從“惠民惠農(nóng)”政策保護(hù)、生態(tài)安全知識普及、土地整治等方面來進(jìn)一步提高研究區(qū)耕地生態(tài)安全。

關(guān)鍵詞：耕地生態(tài)安全;壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型;障礙度模型;熵值法;障礙因子;陜北黃土高原

耕地是土地資源的精華部分，是糧食安全的基礎(chǔ)，其可持續(xù)利用是影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[1]。耕地保護(hù)是國家的頭等大事，事關(guān)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)健康發(fā)展、政治昌明、社會穩(wěn)定、生態(tài)文明和文化傳承[2]。在新時期、新形勢下，耕地保護(hù)重點(diǎn)推進(jìn)國土資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)三位一體綜合管理。耕地占補(bǔ)平衡制度作為耕地保護(hù)制度的“牛鼻子”[3]，自確立實(shí)施以來，基本上保證了耕地數(shù)量動態(tài)平衡和質(zhì)量的相對穩(wěn)定和提升，而耕地生態(tài)管護(hù)成為當(dāng)今耕地管護(hù)研究的前沿和熱點(diǎn)問題。黨中央、國務(wù)院高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)提升到“五位一體”的發(fā)展高度，在黨的十九大會議中，習(xí)總書記提出生態(tài)文明建設(shè)，提高生態(tài)安全度，而耕地生態(tài)安全作為建設(shè)生態(tài)文明的必經(jīng)之路，耕地生態(tài)安全問題隨之越來越受到重視。研究耕地生態(tài)安全問題對指導(dǎo)新時期合理利用耕地，促進(jìn)耕地可持續(xù)利用水平，保障國家糧食安全、生態(tài)安全和社會穩(wěn)定意義重大。

目前，國外學(xué)者將對耕地生態(tài)安全與土地可持續(xù)利用和土地生態(tài)安全相三者相結(jié)合[4-5]。國內(nèi)也有許多學(xué)者對耕地生態(tài)安全進(jìn)行研究，其研究內(nèi)容主要集中于耕地生態(tài)安全內(nèi)涵。吳大放等將耕地生態(tài)安全定義為耕地生態(tài)安全，是指耕地資源環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)的安全，是相對于生態(tài)威脅的一種功能狀態(tài)[6]。朱紅波等將耕地資源生態(tài)安全的定義表述為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結(jié)構(gòu)和滿足社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要的狀態(tài)[7]。在研究方法上，評價指標(biāo)體系建立了PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型、DPSIR（驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)）、EES（經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會）模型[8-10]，評價中確定權(quán)重的方法有熵值法、組合賦權(quán)法、層次分析法[11-13];評價方法有物元分析法、能值分析法、TOPSIS法、集對分析評價法（SPA）[14-17];評價因子分析有障礙度模型[18-19];在研究尺度上有國家、省域、地級市域、縣域[20-24]。綜上所述，當(dāng)前關(guān)于耕地生態(tài)安全的研究大多側(cè)重于內(nèi)涵或進(jìn)行單一區(qū)域的過程研究，在研究區(qū)域上多是從行政區(qū)劃范圍內(nèi)或者糧食主產(chǎn)區(qū)[25]進(jìn)行耕地生態(tài)安全度評價，因而未能把握生態(tài)脆弱區(qū)的區(qū)域系統(tǒng)的時空格局。

基于以上已有研究成果，從微觀視角，以PSR模型為基礎(chǔ)，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個方面建立耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，熵值法計算權(quán)重，利用多目標(biāo)綜合評價法對陜北黃土高原耕地生態(tài)安全進(jìn)行評價，最后利用Arc GIS 10.2將評價結(jié)果可視化。并利用障礙度模型計算陜北黃土高原各縣（區(qū)、市）障礙因子及障礙度，為研究提升研究區(qū)耕地生態(tài)安全策略提供依據(jù)。

1 材料與方法

研究方法主要為熵值法、PSR模型法和障礙度模型法。利用多因素綜合加權(quán)法來綜合評價研究區(qū)的耕地生態(tài)安全，其中PSR模型用于評價指標(biāo)體系的建立;在多因素綜合加權(quán)評價法中，確定權(quán)重的方法為熵值法;障礙度模型法用于障礙因子診斷，以確定提升研究區(qū)耕地生態(tài)安全的主要障礙因子。

指標(biāo)體系的建立基于PSR模型，又稱為壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型。選擇這一模型來建立指標(biāo)體系的原因?yàn)镻SR模型充分考慮了人類行為對耕地生態(tài)系統(tǒng)的影響。壓力準(zhǔn)則層主要考慮了由于社會發(fā)展，人類社會對耕地生態(tài)系統(tǒng)的影響產(chǎn)生的各種壓力主要有人口壓力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力、生態(tài)污染壓力，選擇了人均耕地面積（hm2/人）、城鎮(zhèn)化率（%）、單位耕地面積化肥負(fù)荷（kg/hm2）、單位耕地面積農(nóng)膜負(fù)荷（kg/hm2）4個指標(biāo);狀態(tài)準(zhǔn)則層是由于人類對耕地生態(tài)系統(tǒng)的干預(yù)，改變了耕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部條件，從而影響到由耕地所產(chǎn)出的效益，選取的是年均降水量（mm）、森林覆蓋率（%）、復(fù)種指數(shù)（%）、單位耕地糧食產(chǎn)量（kg/hm2）4項(xiàng)指標(biāo);響應(yīng)準(zhǔn)則層是指為了恢復(fù)耕地生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，是指人類所采取的改善耕地生態(tài)系統(tǒng)的各種措施，選擇農(nóng)民人均純收入（元）、第一產(chǎn)業(yè)比重（%）、單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械動力（kW/hm2）、糧食安全系數(shù)（%）4項(xiàng)指標(biāo)來表示。

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地處內(nèi)陸腹地，黃河中上游地區(qū)，位于33°41′～41°16′N、100°52′～114°33′E之間，包括山西省、陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河南省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、青海省共7個?。▍^(qū)），區(qū)域總面積為64.87萬km2，占全國土地總面積的6.76%。陜北黃土高原位于陜西省北部、黃土高原中部，是黃土高原的核心區(qū)域。其地理位置介于 35°21′～39°34′N、107°15′～111°14′E之間，平均海拔為800～1 800 m，地勢西北高、東南低，北部為毛烏素沙漠南緣，中部為黃土梁峁區(qū)，南部為山區(qū)。該區(qū)域?qū)儆跉W亞大陸東部溫帶季風(fēng)大陸氣候，地跨干旱、半干旱過渡帶，降水多集中在7—9月，多年平均降水量為375～613 mm，植被表現(xiàn)出明顯的過渡性，類型復(fù)雜多樣。自然條件嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境本底脆弱。在行政區(qū)域上的劃分，陜北黃土高原包括榆林和延安地區(qū)的25個縣（區(qū)、市），縣（區(qū)、市）間自然資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有明顯差異，工農(nóng)業(yè)地域發(fā)展不均衡?？偯娣e為79 981.9 km2，占陜西省土地總面積的38.9%，占整個黃土高原總面積的12.6%。陜北黃土高原區(qū)域位置見圖1。

總的來說，2013年陜北黃土高原的黃陵縣和洛川縣耕地生態(tài)最安全，綏德縣、子長縣、延川縣、延長縣、寶塔區(qū)耕地生態(tài)最不安全，整體空間分布表現(xiàn)為南部>北部>中部。

2.2.2 2017年耕地生態(tài)安全指數(shù)空間分析 Ⅰ級風(fēng)險區(qū)主要分布在府谷縣、綏德縣、延川縣、寶塔區(qū)（表4）。相比于2013年的Ⅰ級風(fēng)險區(qū)，2017年子長縣、延長縣耕地生態(tài)安全提升一個等級成為Ⅱ級敏感區(qū)，而府谷縣耕地生態(tài)安全指數(shù)降低為Ⅰ級風(fēng)險。府谷縣單位耕地面積農(nóng)膜負(fù)荷C4這一指標(biāo)為研究區(qū)這一指標(biāo)的最大值，但是府谷縣單位耕地糧食產(chǎn)量與第一產(chǎn)業(yè)比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均水平，接近于最低值。綏德縣森林覆蓋率（C6）這一指標(biāo)為最低指標(biāo)值。延川縣和寶塔區(qū)的糧食安全系數(shù)（C12）等于或接近研究區(qū)的最低值。

Ⅱ級敏感區(qū)包括神木市、榆陽區(qū)、佳縣、子洲縣、子長縣、志丹縣、延長縣，主要分布在陜北黃土高原北部（圖2-b）。以榆陽區(qū)和神木市為代表，榆陽區(qū)為榆林市的行政中心，經(jīng)濟(jì)、政治發(fā)展迅速，對農(nóng)業(yè)依賴不大，對耕地生態(tài)安全有經(jīng)濟(jì)、人口等各方面壓力。神木市是煤炭資源大市，主要發(fā)展工業(yè)，這對于耕地生態(tài)有一定污染，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會一定程度上侵占、污染耕地資源，不利于耕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，耕地生態(tài)安全受到威脅。

Ⅲ級臨界安全區(qū)包括橫山區(qū)、米脂縣、吳堡縣、吳起縣、安塞區(qū)、清澗縣（表4）。從地理上看，Ⅲ級臨界安全區(qū)主要夾雜在Ⅱ級敏感區(qū)之間以及Ⅱ級敏感區(qū)和Ⅳ級次安全區(qū)中間，是一個不穩(wěn)定的耕地生態(tài)區(qū)域，同時也具有提升耕地生態(tài)安全等級的潛力，所以Ⅲ級臨界安全區(qū)應(yīng)該積極改善區(qū)域耕地生態(tài)條件，提升耕地生態(tài)安全等級。

Ⅳ級次安全區(qū)包括定邊縣、靖邊縣、黃陵縣、富縣、宜川縣（表4）。在地理上，耕地生態(tài)安全Ⅳ級次安全區(qū)主要分布在陜北黃土高原北部和西部（圖2-b）。定邊縣年降水量C5和單位耕地糧食產(chǎn)量C8較低，但是定邊縣人均耕地面積（C1）最高。宜川縣第一產(chǎn)業(yè)比重占比大，該項(xiàng)指標(biāo)值最高，代表該縣主要發(fā)展第一產(chǎn)業(yè)。黃陵縣年降水量（C5）指標(biāo)值最大，對于耕地生態(tài)安全起正向作用。

Ⅴ級安全區(qū)包括甘泉縣、洛川縣、黃龍縣（表4），主要分布在陜北黃土高原南部低山丘陵區(qū)（圖2-b）。甘泉縣復(fù)種指數(shù)（C7）為研究區(qū)的最大值，且大部分指標(biāo)指數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均水平。洛川縣人均耕地面積（C1）和單位耕地面積化肥負(fù)荷為研究區(qū)該項(xiàng)指標(biāo)的最低值，但是其單位耕地糧食產(chǎn)量（C8）和單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械動力（C11）為最高值，這2項(xiàng)指標(biāo)由熵值法計算出權(quán)重，分別為 0.118 3、0.157 8。黃龍縣森林覆蓋率（C6）和糧食安全系數(shù)這2項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到研究區(qū)相應(yīng)指標(biāo)的最高值，且單位耕地糧食產(chǎn)量（C8）、第一產(chǎn)業(yè)比重（C10）、人均耕地面積C1這3項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均水平。

總體來說，2017年陜北黃土高原各縣（區(qū)、市）中甘泉縣、黃龍縣、洛川縣耕地生態(tài)環(huán)境最安全，府谷縣、綏德縣、延川縣、寶塔區(qū)耕地生態(tài)環(huán)境最不安全。從地理分布來看，陜北黃土高原耕地生態(tài)安全分布表現(xiàn)為南部>西部>北部>中部。

2.2.3 陜北黃土高原耕地生態(tài)安全變化分析 從陜北黃土高原2017年相對于2013年耕地生態(tài)安全指數(shù)變化，可以分析出陜北黃土高原各縣（區(qū)、市）5年間的耕地生態(tài)安全的變化情況，驗(yàn)證各個縣（區(qū)、市）對提升生態(tài)安全的策略是否有效。本研究根據(jù)陜北黃土高原2017年相對于2013年耕地生態(tài)安全指數(shù)變化情況，采用自然斷點(diǎn)分級法對指數(shù)變化進(jìn)行狀態(tài)劃分，其中指數(shù)變化區(qū)間為[-0.156 2，-0.014 7），表示指數(shù)降低;指數(shù)變化區(qū)間為[-0.014 7，0.043 6），表示基本不變;指數(shù)區(qū)間為[0.043 6，0.152 3），表示指數(shù)升高。陜北黃土高原耕地生態(tài)安全指數(shù)變化見圖3。

從圖3可以看出，相比2013年，2017年陜北黃土高原地區(qū)耕地生態(tài)安全指數(shù)有12個縣（區(qū)）基本不變，8個縣（市）耕地生態(tài)安全指數(shù)降低，5個縣耕地生態(tài)安全指數(shù)升高。其中，耕地生態(tài)安全指數(shù)升高分別是定邊縣、靖邊縣、甘泉縣、洛川縣、黃龍縣。定邊縣和靖邊縣由Ⅱ級敏感區(qū)提高到Ⅳ級次安全區(qū)，耕地生態(tài)安全指數(shù)等級提升幅度較大;甘泉縣由Ⅲ級臨界安全提升到Ⅴ級安全區(qū)，提升了2個安全等級;黃龍縣由Ⅳ級次安全區(qū)提升到Ⅴ級安全區(qū);洛川縣雖然耕地生態(tài)安全等級沒有提高，但耕地生態(tài)安全指數(shù)由 0.498 5 提升到0.590 9。耕地生態(tài)安全指數(shù)降低的縣域分別是府谷縣、神木市、子洲縣、清澗縣、吳起縣、寶塔區(qū)、宜川縣、黃陵縣，其中神木市、寶塔區(qū)、宜川縣的耕地生態(tài)安全等級沒有發(fā)生變化，只是耕地生態(tài)安全安全指數(shù)降低;清澗縣和吳起縣均是由Ⅳ級次安全區(qū)降低為Ⅲ級臨界安全區(qū);子洲縣由Ⅲ級臨界安全區(qū)降低為Ⅱ級敏感區(qū)。

2.3 障礙因子診斷

利用障礙度模型進(jìn)行障礙因子診斷，研究陜北黃土高原各縣（區(qū)、市）的障礙因子和障礙度。計算結(jié)果見表5。

從表5可以看出，2017年陜北黃土高原各個縣（區(qū)、市）的耕地生態(tài)安全指標(biāo)層主要障礙因子障礙度可以得出以下結(jié)論：（1）各個縣（區(qū)、市）耕地生態(tài)安全主要障礙度不盡相同，障礙因素有第一產(chǎn)業(yè)比重C10、城鎮(zhèn)化率C2、森林覆蓋率C6、單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械動力C11、單位耕地糧食產(chǎn)量C8、農(nóng)民人均純收入C9、人均耕地面積C1、年均降水量C5、復(fù)種指數(shù)C7、糧食安全系數(shù)C12;（2）最大障礙因素障礙度比較大的有吳起縣、甘泉縣、富縣的單位耕地面積農(nóng)膜負(fù)荷（C4）（其障礙度分別為12.76%、14.51%、15.06%）及洛川縣的單位耕地面積化肥負(fù)荷（C3）。（3）在陜北黃土高原的25個縣（區(qū)、市）中有6個縣（區(qū)）的最大障礙度都為年均降水量（C5）。依據(jù)障礙度模型計算各縣（區(qū)、市）的障礙因子與障礙度，可以為提升研究區(qū)耕地生態(tài)安全提供依據(jù)，為研究提升研究區(qū)耕地生態(tài)安全策略提供有效參考。

3 結(jié)論與討論

基于微觀視角，利用PSR模型建立耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，以熵值法計算權(quán)重，用多目標(biāo)綜合評價法對陜北黃土高原的耕地生態(tài)安全進(jìn)行評價，利用障礙度模型得出陜北黃土高原各縣（區(qū)、市）影響耕地生態(tài)安全的主要障礙因素和障礙度。

2013—2017年5年間，在時間變化尺度上，陜北黃土高原耕地生態(tài)安全水平變化明顯。Ⅰ級風(fēng)險區(qū)及Ⅱ級敏感區(qū)數(shù)量逐漸減少，Ⅲ級臨界安全區(qū)及Ⅴ級安全區(qū)數(shù)量明顯增加，Ⅳ級次安全區(qū)數(shù)量基本處于不變狀態(tài)，整體上向耕地生態(tài)安全度更高趨勢發(fā)展。

2013—2017年5年間，陜北黃土高原耕地生態(tài)安全水平空間格局差異性明顯，整體呈現(xiàn)發(fā)展較好的趨勢。Ⅰ級風(fēng)險區(qū)主要集中于中部地區(qū)，Ⅱ級敏感區(qū)分布相對較散，Ⅲ級臨界安全區(qū)分布在Ⅱ級風(fēng)險區(qū)之間以及Ⅱ級敏感區(qū)與Ⅳ級次安全區(qū)之間，Ⅳ級次安全區(qū)主要集中于陜北黃土高原的南部和西部地區(qū)，Ⅴ級安全區(qū)主要分布在陜北黃土高原南部地區(qū)。耕地生態(tài)安全分布情況為南部>西部>中部>北部>東部。

2017年陜北黃土高原25個縣（區(qū)、市）耕地生態(tài)安全障礙度有一定差異，障礙因素有第一產(chǎn)業(yè)比重C10、城鎮(zhèn)化率C2、森林覆蓋率C6、單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械動力C11、單位耕地糧食產(chǎn)量C8、農(nóng)民人均純收入C9、人均耕地面積C1、年均降水量C5、復(fù)種指數(shù)C7、糧食安全系數(shù)C12，其中有6個縣（區(qū)）的主要障礙因素均為年均降水量（C5）。

耕地生態(tài)安全評價是一個動態(tài)評價的過程，基于PSR模型建立典型的陜北黃土高原耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，運(yùn)用多目標(biāo)綜合評價法評價2013年與2017年陜北黃土高原耕地生態(tài)安全狀況，分析2013、2017年陜北黃土高原耕地生態(tài)安全變化與時空分布狀況，利用障礙度模型計算各縣（區(qū)、市）的障礙因子與障礙度，為研究提升陜北黃土高原耕地生態(tài)安全策略提供依據(jù)。未來對于提高陜北黃土高原的耕地生態(tài)安全，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)東部地區(qū)的耕地生態(tài)安全，主要從“惠民惠農(nóng)”政策保護(hù)、生態(tài)安全知識普及、加大土地整治投資力度等方面來加強(qiáng)。

在空間尺度方面，本研究以縣（區(qū)、市）為評價單元，在耕地生態(tài)安全評價時同一個縣（區(qū)、市）的評價指標(biāo)具有相同值，掩蓋了縣域內(nèi)指標(biāo)的差異性;在將來研究中應(yīng)以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為基本評價單元，以提高研究精確度，更加準(zhǔn)確地反映耕地生態(tài)安全狀況。在時間尺度方面，本研究采用2013年與2017年2年時間點(diǎn)來評價，存在一定的片面性，今后應(yīng)利用長時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，從而更好地反映出耕地生態(tài)安全時空變化情況。

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