黃曉東+蒲春玲+宋建華+閆志明+張影+劉超

摘 ? ?要：耕地生態(tài)安全關系到國家糧食安全。根據新疆耕地利用現狀及特點，基于P-S-R模型構建新疆耕地生態(tài)安全評價指標體系，運用突變級數法進行評價。結果表明：（1）2004—2013年新疆耕地生態(tài)安全水平經歷了不安全→較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程。（2）從各準則層看，壓力系統(tǒng)安全水平經歷了較不安全→臨界安全→較安全的發(fā)展歷程;狀態(tài)系統(tǒng)安全水平經歷了不安全→較不安全→較安全→安全的發(fā)展歷程;響應系統(tǒng)安全水平經歷了不安全→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荷率和人均水資源量。

關鍵詞：耕地;生態(tài)安全;P-S-R模型;突變理論;新疆

中圖分類號：F127 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，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濟可持續(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，關系著國家糧食安全。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，一方面占用大量耕地資源，導致耕地資源數量減少加速;另一方面耕地利用中化肥、農藥和農膜等的不合理使用及過量投入導致農業(yè)面源污染嚴重[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)安全進行了科學評價;崔明哲等[7]運用組合賦權法對哈爾濱市耕地生態(tài)安全進行了定量評價;張祥義等[8]以河北省肥鄉(xiāng)縣為研究對象，基于NES框架，結合熵權物元模型對該區(qū)域的耕地生態(tài)安全從定性和定量兩方面進行了評價;張銳等[9]將PSR模型與熵權物元模型綜合運用于耕地生態(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，現有研究缺乏對系統(tǒng)突變特性的考慮?；诖吮尘?，本研究將突變理論與模糊數學結合起來，將突變級數法應用于耕地生態(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)利用提供理論依據和科學指導。

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到401.095 kg·hm-2，單位耕地農業(yè)機械總動力達到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，糧食生產面臨問題多，耕地質量及生態(tài)安全對保障糧食安全和地區(qū)穩(wěn)定至關重要。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)利用提供理論依據和科學指導。

1.2 數據來源

文中研究數據主要來自于中國統(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）以及各相關職能部門的統(tǒng)計數據。

1.3 研究方法

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

1.3.1 評價指標體系構建 耕地生態(tài)系統(tǒng)受到自然生態(tài)因素、社會經濟因素及人類干預因素的影響，針對新疆耕地利用現狀，采用“壓力-狀態(tài)-響應”模型，依據科學性、區(qū)域性、數據可獲得性及可量化等原則，在借鑒相關研究成果的基礎上[15-19]，選取包含單位耕地化肥負荷率、人均耕地面積、人均水資源量、單位耕地農業(yè)總產值等14項指標構建新疆耕地生態(tài)安全評價指標體系（表2）和突變級數模型（圖1），并利用主成分分析法對各層次指標的重要性進行排序。

1.3.2 數據標準化 耕地生態(tài)安全評價指標中包含定性指標和定量指標，為消除指標間量綱不統(tǒng)一的缺點，要將各個指標進行無量綱化處理，統(tǒng)一化成以百分比為單位的指標值，從整體上反映耕地生態(tài)安全評價結果。采用極差法對各個指標進行無量綱化處理，公式如下。

■（1）

式中，Bi為指標標準化后的實際評價數值;Xi、Xmax、Xmin分別為評價指標i的實際值、最小值和最大值。

1.3.3 評價標準的確定 指標體系評價標準的確定直接影響到評價結果的準確性，耕地生態(tài)安全常規(guī)評價標準為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)的評價標準來得到評價結果，因此需要將常規(guī)評價標準轉換為突變級數法使用的標準。本文的評價標準轉換思路為：在突變指標體系和各層指標重要性確定的前提下，當底層指標對應的隸屬度值均取為ym（m=1，2，3，…，m），由突變級數法進行運算，可以得到其綜合評價值為rm（m=1，2，3，…，m）。由相應的突變模型及歸一化公式計算準則層和目標層的評價標準[20]，如表3所示。

2 結果與分析

運用公式（1）對原始數據進行標準化處理，然后根據各層指標相應的突變級數模型，利用表1中的歸一化公式，由低到高計算準則層和目標層的綜合評價值，最后根據表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，主要是因為這4年間糧食單產一直處于下降趨勢，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措施嚴格保護耕地，同時加大對土地整治項目的扶持力度，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%，說明基本農田保護、土地整治、后備耕地資源開發(fā)等一系列耕地保護措施的實施效果明顯，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年狀態(tài)系統(tǒng)一直處于不安全狀態(tài)，安全隸屬度值有所提高，但仍處于不安全標準之下，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年狀態(tài)系統(tǒng)安全水平由較不安全提高到安全水平，主要原因是農業(yè)水利灌溉設施建設步伐加快，節(jié)水灌溉技術得到全面推廣，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 響應系統(tǒng)安全狀況分析

響應系統(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濟水平的快速發(fā)展，2004—2013年農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%;單位耕地農業(yè)總產值由15 317元·hm-2提高到42 498元·hm-2，年均增長率10.74%。

3 結論與討論

突變級數法的應用避免了主觀確定評價標準引起的不確定性對評價結果準確性的影響，同時該方法不需要對評價指標確定具體的權重，因此更加便捷準確，消除了人為賦權的主觀性。結果表明：2004—2013年新疆耕地生態(tài)安全水平經歷了不安全→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)安全水平經歷了不安全→較不安全→較安全→安全的發(fā)展歷程;響應系統(tǒng)安全水平經歷了不安全→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業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的關鍵因素。鑒于此背景，一方面應加大農業(yè)基礎設施建設投資力度，修建農田水利灌溉設施，保障農業(yè)用水;另一方面要提高農業(yè)灌溉技術，倡導微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術，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業(yè)面源污染嚴重，給耕地生態(tài)安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此背景，一方面應大力推廣測土配方施肥技術，提高肥料利用率;另一方面要推動農作物病蟲害統(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，減少農藥的施用量。

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