基于PSR模型与集对分析的耕地生态安全诊断[1]

张锐 郑华伟 刘友兆[2]

摘要 耕地生态安全诊断是改善耕地生态系统安全状况、促进耕地可持续利用的重要基础。针对耕地生态系统的不确定性，本文构建了基于PSR模型的评价指标体系，在了解集对分析原理的基础上，利用原创联系度的可展性对其进行改进，建立基于集对分析法和改进熵值法的耕地生态安全评价模型，并对四川省的耕地生态安全进行诊断。研究结果表明：①1999～2010年四川省耕地生态安全水平不断提高，耕地生态安全等级经历了“临界安全—较安全”的演变历程，但2010年“较安全”水平不高；②长远来看，压力是影响耕地生态安全的首要因素，压力和状态的障碍度呈现增加趋势，响应的障碍度不断下降；③单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失等是耕地生态安全等级提升的关键制约因素。为了促进耕地生态安全等级不断提升，需要进一步转变经济发展方式，加强土地利用监督管理，降低经济增长对土地资源的过度消耗；大力发展绿色农业，合理施用农药、化肥；积极开展农村土地整治，加强高标准基本农田建设；加大环境治理力度，有效控制水土流失程度。

关键词 耕地生态安全 集对分析 诊断 障碍因素

耕地资源作为最宝贵的自然资源之一，是非常重要的农业生产资料，具有食物生产、空间承载、生态服务等多种功能，经过人类长期的干预，耕地生态系统逐渐演变成具有高度耦合性的社会-经济-生态复合系统。[3]伴随着经济社会的快速发展以及工业化、城镇化和现代化建设进程的快速推进，出现了土地生态环境日趋恶化、土地负荷加重、土地质量下降等一系列问题，耕地资源的稀缺性增强，耕地生态安全问题日渐凸显。[4]因此，开展耕地生态安全诊断研究，优化耕地生态安全的改善路径，对于加强农村生态文明建设、保障我国粮食安全、维护国家生态安全、促进社会经济可持续发展具有非常重要的理论意义和现实意义。

国外学者主要将耕地生态安全与可持续利用相结合进行系统研究，Rasul和Thapa[5]从农业生态环境、社会经济方面构建了评价指标体系，分析了孟加拉国的耕地可持续利用与生态状况；Beesley和Ramsey[6]指出在农用地保护中，耕地生态价值与安全越来越受到农场主的认可与关注。国内学者关于耕地生态安全的研究主要集中在耕地生态安全内涵、耕地生态安全评价、耕地生态安全影响因素、耕地生态安全调控对策等方面。[7]总体来看，耕地生态安全评价研究尚属起步阶段，定性分析相对较多，定量研究较少。耕地生态安全评价是对耕地生态系统的全面诊断，包括耕地资源负荷、经济社会发展、耕地产出水平、生态环境质量、政策管理水平等方面的内容，但现有的评价指标多集中于资源与环境状况，很少综合考虑人类活动、社会经济等对耕地生态安全评价的作用。与此同时，耕地生态安全诊断多采用综合评价法、层次分析法、物元分析法等，针对这些方法的不足之处，专家学者做了改进，取得了一定的研究成果。但由于耕地生态安全评价影响因素具有不确定性，评价指标与安全等级之间存在复杂的非线性关系，所以至今尚没有一个统一的评价模型来诊断耕地生态安全水平。[8]集对分析法[9]是一种综合的不确定性分析方法，能从整体和局部剖析研究系统内在的关系，把对不确定性的辩证认识转换成具体的数学问题，但尚未被应用到耕地生态安全诊断研究中。PSR模型综合考虑社会、经济、资源与环境，突出了人地关系。

鉴于此，本文构建了基于PSR模型的耕地生态安全评价指标体系，建立基于集对分析法和改进熵值法的耕地生态安全诊断模型，并以四川省为例进行实证研究，有效诊断耕地生态安全的障碍因子，以期为改善耕地生态系统状况、协调人地关系、促进耕地资源可持续利用提供一定的参考依据。

一 耕地生态安全评价指标体系构建

耕地生态系统是人类在长期的利用中使耕地在自身组织功能的作用下形成的人工生态系统，它不仅为人类供给稳定的农产品，而且提供了一种新的生物生存环境，有利于生物多样性的存续与发展，同时还具有生态环境保护等功能。[10]耕地资源生态安全是指在一定的时间和空间尺度内，耕地生态系统处于保持自身正常功能结构和满足社会经济可持续发展需要的状态，在这种状态下，耕地生态系统有稳定、均衡、充裕的自然资源可供利用，生态环境处于健康状态。[11]耕地生态安全评价是以耕地生态系统为评价对象，对一定时间、一定区域的自然生态要素、社会经济要素进行综合评价，它本质上是一种诊断评价，目的是诊断由人类活动、自然因素引起的耕地生态系统破坏程度，剖析耕地生态安全的制约因素，以便发出预警，为管理者提供决策。[12]

PSR概念模型是由联合国OECD和UNEP提出的[13]，该模型以因果关系为基础，主要目的是评价生态系统的持续性，分析生态系统内在的因果关系，寻找人类活动与生态环境影响之间的因果链（从生态系统面临的压力出发，探讨生态系统的结构与功能，制定缓解生态系统压力的政策措施），得到较为普遍的认可与应用[14]。因此，本文运用PSR概念模型开展耕地生态安全诊断，借鉴PSR概念模型作为耕地生态安全评价指标体系的基本框架。如图1所示，人口增长、经济社会发展给耕地生态系统带来一定的压力（P）；人类不断利用土地资源，通过社会经济活动向耕地生态系统排放污染物，改变了耕地生态系统的结构与功能状态（S）；在压力之下，耕地生态系统在原有状态基础上做出反应，同时反馈于社会经济的发展过程；人类对耕地生态系统的反馈进一步做出响应（R），进行政策调整、环境保护等，改善耕地生态系统状态，使之保持良好的结构与功能，进而实现可持续发展。[15]

图1 耕地生态安全评价的PSR模型框架

根据耕地生态安全（评价）内涵、PSR概念模型，遵循指标选取的系统性、科学性、可获取性和可比性等原则，在参考现有研究成果的基础上，构建了基于PSR模型的评价指标体系（见表1）。基于PSR模型的评价指标体系可以从总体上反映耕地生态系统、社会经济发展目标与管理决策之间的相互依存、相互制约的关系，改变现有耕地生态安全评价研究中指标体系主要关注资源环境的状况，能更准确地反映耕地生态系统的各要素之间的关系。

表1 耕地生态安全评价指标体系

二 集对评价模型

（一）集对分析法的原理

集对分析是指对不确定性系统中的两个有关联的集合构造集对，对集对的某特性做同一性、差异性、对立性分析，建立联系度描述集对的同、异、反关系的分析方法。[16]集对分析的基础是集对，关键是联系度。[17]对于两个有关联的集合A和B组成的集对H（A，B），A、B分别有N项表征特性，在具体问题Z的背景下，分析集对H（A，B）的特性，其中S特性为A和B共同拥有的，P特性为A和B对立的，其余的F特性既不为A和B共同拥有，也不相互对立，则有：

令a=S/N，b=F/N，c=P/N，则式（1）可改写为：

μ=a+bi+cj　　　　　　（2）

在式（2）中，μ为联系度，μ∈［-1，1］；a、b、c为联系度分量，a，b，c∈［0，1］，分别称为集对H（A，B）的同一度、差异度和对立度，且满足a+b+c=1；i为差异度系数，i∈［-1，1］；j为对立度系数，其恒取值为-1。

式（1）和式（2）是常用的三元联系度，将其看成一个数，可以称为三元联系数，将式中的bi进一步展开可以得到K元联系数：

μ=a+b1i1+b2i2+…+bK-2iK-2+cj　　　　　　（3）

（二）指标联系度的确定

假设评价对象为集合Al（x1，x2，…，xl）（l=1，2，…，L；L为评价指标数），xl为评价指标，评价指标等级标准为sk（k=1，2，…，K；K为等级标准数），H（Al，Bk）为Al、Bk构成的集对。根据集对分析法的原理，确定H（Al，Bk）的联系度。[18]

对于负向指标，当K＞2时，集对H（Al，Bk）的联系度为：

对于正向指标，当K＞2时，集对H（Al，Bk）的联系度为：

（三）评价指标权重确定

对于耕地生态安全，不同评价指标的影响程度存在一定的差异，为了反映这种差异性，需要对评价指标赋以一定的权重，本文采用改进的熵值法来确定评价指标权重，主要步骤如下。[19]

1.评价指标标准化处理。由于不同的指标具有不同的量纲和单位，为了消除量纲和量纲单位的不同所带来的不可公度性，需要对指标数据用标准化法进行变换。

在式（6）中，X″il为标准化后的指标值，Xl为第l项指标的均值，sl是第l项指标的标准差。

2.为了清除负数，进行坐标平移。

在式（7）中，为平移后的指标值，H为指标平移的幅度。

3.计算第l项指标下的i个样本值的比重，。

4.计算第l项指标的熵值。，其中k＞0，ln为自然对数，el＞0。如果对于给定的l全部相等，那么，此时el取极大值，即。若设k=1/lnm，el=1，则0≤el≤1。

5.计算第l项指标的差异性系数gl，gl=1-el。

6.定义第j项指标的权重wl，，其中l=1，2，…，L。

（四）样本联系度的确定

假设集合A为评价样本，B为评价指标等级标准的集合，则H（A，B）的联系度为：

若令，则公式（8）可变为：

μ（A，B）=f1+f2i1+f3i2+…+fK-1iK-2+fKj　　　　　　（9）

在此基础上，按照直接途径求取不确定（分量）系数，得到联系数μ（A，B）的值。根据均匀取值法，i0=1，j=-1，差异不确定（分量）系数i1，i2，…，ik-2将i0和j之间进行（K-1）等分，等分点的值为i1，i2，…，iK-2的值，即

（五）评价等级的确定

根据“均分原则”，将［-1，1］区间K等分，则从右至左每个区间依次分别对应耕地生态安全评价等级B1，B2，…，BK，将μ（A，B）与各个评价等级对应的区间范围进行比较，得到耕地生态安全评价等级。

（六）障碍因素诊断

为有效提高耕地生态安全水平，有必要对单项指标和分类指标的障碍作用大小进行评估，诊断耕地生态安全水平的主要制约因素。障碍因素诊断采用因子贡献度、指标偏离度和障碍度3个指标进行分析[20]，因子贡献度（Vj）表示单项因素对总目标的影响程度，即单因素对总目标的权重（wl），指标偏离度（xij）表示单项指标与耕地生态安全目标之间的差距，设为单项指标标准化值与100%之差；障碍度（Yi，yi）分别表示第i年分类指标和单项指标对耕地生态安全的影响，是耕地生态安全障碍因素诊断的目标和结果：

三 实证研究——以四川省为例

（一）区域概况与数据来源

四川省地处长江上游，东与重庆市接壤，南与云南省、贵州省相连，西邻西藏自治区，北接青海省、甘肃省、陕西省。辖区东西长约1075公里，南北宽约921公里，面积达48.5万平方公里，为我国第五大省，现辖18个地级市和3个自治州。四川省自然资源丰富，光热条件好，是我国重要的农业经济区和粮食主产区，承担着国家粮食安全的重任。[21]然而随着经济社会的发展，建设用地规模持续扩张，耕地资源数量锐减，耕地生态功能减弱，水土流失较为严重，土壤污染加剧，耕地生态系统安全状况亟待改善。

耕地生态安全评价指标数据主要来源于《四川统计年鉴》《四川农村统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国农业年鉴》等。

（二）评价标准制定

评价标准的制定是耕地生态安全诊断的关键环节，现阶段耕地生态安全诊断在我国尚处于探索阶段，还没有统一的评价标准。耕地生态安全的评价标准不仅复杂，而且需要因地制宜。评价标准的确定是集对评价模型的基础，本文依据耕地生态安全的特征，将其划分为5个等级：安全、较安全、临界安全、较不安全和不安全。评价标准的确定主要参考国家、行业及国际相关标准（见表2）。

表2 耕地生态安全评价等级标准

续表

（三）结果分析

收集四川省有关耕地生态安全评价指标数据，经分析整理后，按照改进的熵值法确定各评价指标的权重（见表3）。根据1999年、2005年、2010年各评价指标的具体数值，建立四川省耕地生态安全的集对H1999（A17，B5）、H2005（A17，B5）、H2010（A17，B5），将3个集对的数据分别输入集对评价模型，得到耕地生态安全评价指标联系度、样本联系度（见表4和表5）。

表3 耕地生态安全评价指标权重

续表

表4 2010年四川省耕地生态安全评价指标联系度

表5 四川省耕地生态安全评价样本联系度

根据均匀取值法，i0=1，j=-1，差异不确定（分量）系数i1、i2、i3将在i0和j之间进行4等分，i1=0.5，i2=0，i3=-0.5，根据式（8）和式（9）计算3个集对的联系度（样本联系度），依次为：μ2010（A，B）=0.2051，μ2005（A，B）=0.1117，μ1999（A，B）=0.0548。从生态学角度来看，样本联系度表示样本的耕地生态安全水平，对应一定的耕地生态安全评价等级（如“较安全”等级）。根据样本联系度评价分值，结合耕地生态安全分级标准，可以得到样本耕地生态安全水平等级。

根据“均分原则”，将［-1，1］区间5等分（0.6～1.0）、（0.2～0.6）、（-0.2～0.2）、（-0.6～-0.2）、（-1.0～-0.6），分别对应耕地生态安全评价等级“安全”、“较安全”、“临界安全”、“较不安全”和“不安全”。由此可知，2010年四川省耕地生态安全水平等级为“较安全”，2005年和1999年均为“临界安全”。μ2005（A，B）＞μ1999（A，B），由此可见虽然1999年与2005年耕地生态安全等级均为“临界安全”，但2005年对应的μ2005（A，B）在［-0.2，0.2］区间内更接近标准上限，即耕地生态安全水平较1999年稍高。从耕地生态安全的变化来看，1999～2010年四川省耕地生态系统的安全状况有所改善，耕地生态安全等级有所提升，耕地生态安全水平有变好的趋势。

根据耕地生态安全障碍因素诊断计算方法，对1999年和2010年四川省耕地生态安全障碍度进行计算。1999年阻碍耕地生态系统安全状况改善的障碍因素主要集中在系统响应和系统状态方面，主要包括水土流失治理率、农民人均纯收入、水土流失程度、单位耕地农业机械动力、有效灌溉面积、土地垦殖率等；而2010年阻碍耕地生态系统安全状况改善的障碍因素主要集中在系统压力和系统状态方面，主要包括水土流失程度、单位耕地化肥负荷、土地垦殖率、人均耕地面积等。在此基础上，计算分类指标障碍度，结果表明：压力障碍度不断提高，状态障碍度呈现波动上升趋势，响应障碍度不断减少。从长远来看，压力是影响耕地生态安全的首要因素。

表6 1999年和2010年四川省耕地生态安全障碍因素排序

续表

从单个评价指标来看，四川省耕地生态安全评价指标联系度计算结果显示，1999～2010年大部分指标发生等级跳跃；根据单个评价指标提供的分异信息，单位耕地农业机械动力、灾害指数、农民人均纯收入、有效灌溉面积比、水土流失治理率、耕地粮食单产等指标出现不同等级的上升趋势，说明以上指标对四川省耕地生态安全水平的提升有重要的贡献。研究发现：1999年以来四川省经济社会持续发展，农民收入水平不断提高，耕地生态保护意识不断强化；不断加强农田基础设施建设，积极开展农村土地整治，加大对中低产田的改造力度，有效改善农业生产条件；持续加大农业科技投入，加强农业技术推广普及，积极开展农民科技培训，着力提高耕地粮食单产；加大生态环境保护建设的力度，有效加强水土流失治理，水土流失治理率持续上升，促进了耕地生态系统安全状况改善。

μ2010（A，B）=0.2051，说明虽然2010年四川省耕地生态安全等级为“较安全”，但水平不高，仍需进一步改善耕地生态系统的安全状况。障碍因素诊断结果表明，1999～2010年单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等指标的障碍度上升幅度较大，这些指标成为制约四川省耕地生态系统安全状况改善的主要因素。从单个指标分析结果来看，2010年四川省耕地生态安全有8个指标未达到“较安全”，而单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等指标只达到“较不安全”等级。研究发现，虽然四川省一直致力于水土流失的综合治理，但由于易水土流失区域较大，且存在反复现象，目前水土流失现象仍较严重，还需加大治理力度，有效保护土地资源。随着经济社会的发展，四川省国内生产总值持续增长，但这种高速增长是以资源高消耗为代价的，建设用地规模不断扩大，耕地面积持续减少，土地集约利用水平较低。与此同时，单位面积耕地农药施用量、单位面积耕地化肥施用量不断增加。

四 结论与建议

PSR模型以因果关系为基础，综合考虑人类活动、社会经济、资源环境之间的相互关系，改变现有研究主要关注资源环境的状况，能更准确地反映耕地生态系统、社会经济发展目标与管理决策之间的相互依存、相互制约的关系；基于PSR模型的评价指标体系能够实现对耕地生态安全的诊断。

传统综合评价法较少考虑耕地生态安全评价影响因素的不确定性以及评价指标与安全等级之间的非线性关系，而集对分析法注重信息处理过程中的相对性和模糊性，能很好地解决不确定性问题[22]，利用原创联系度的可展性建立耕地生态安全的集对评价模型，能从整体和局部上剖析耕地生态安全内在的关系，把对不确定性的辩证认识转换成具体的数学问题，有效挖掘耕地生态安全存在的具体问题。改进的熵值法根据耕地生态安全评价指标之间的离散程度，运用信息熵确定评价指标的权重，能够解决一些主观赋值法所带来的结果不稳定的问题，在一定程度上改善和提高了评价的质量。集对分析法和改进的熵值法适用于耕地生态安全诊断，有利于提高耕地生态安全水平。

诊断结果表明，1999～2010年四川省耕地生态安全水平不断提高，系统安全状况有所改善，耕地生态安全等级经历了“临界安全—较安全”的演变历程，但2010年“较安全”水平不高。长远来看，系统压力和状态对耕地生态安全的影响较大，响应的障碍度不断降低。单位耕地化肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、水土流失程度等是制约耕地生态系统安全状况改善的关键因素。

为了加强耕地生态系统可持续性管理，根据耕地生态安全的诊断结果，进一步转变经济发展方式，推动经济结构战略性调整，优化产业升级布局，加强土地利用监督管理，提高土地资源市场化配置程度，形成节约集约用地的“倒逼机制”，有效增加土地利用集约度，降低经济增长对土地资源的过度消耗；大力发展绿色农业，加快推进农业科技创新，合理施用农药、化肥，减少对耕地资源的污染；积极开展农村土地整治，加强高标准基本农田建设，增加有效耕地数量，提高耕地资源质量；持续增加环境保护投入，加大环境治理力度，有效控制水土流失程度，持续提升耕地生态安全等级。

作为一种研究方法的探讨，本文在构建基于PSR模型的耕地生态安全评价指标体系的基础上，尝试性地将集对分析法和改进的熵值法运用到耕地生态安全诊断中，基本达到预期研究目的。由于此类研究尚不多，耕地生态安全评价的指标选择、评价标准的确定、集对分析法中联系度的普适性等问题有待进一步深入研究。

---

[1] 江苏省国土资源科技项目（编号：201320）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（编号：CXLX13_301）。

[2] 张锐，女，江苏盐城人，南京农业大学公共管理学院博士研究生，研究方向为土地利用与政策；郑华伟，男，江苏淮安人，博士，南京农业大学农村发展学院讲师、硕士生导师，研究方向为资源利用与乡村发展；刘友兆，男，江苏涟水人，博士，南京农业大学公共管理学院教授、博士生导师，研究方向为土地利用与评价。

[3] 张锐、刘友兆：《我国耕地生态安全评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2013年第7期。

[4] 王千等：《河北省耕地生态安全及空间聚集格局》，《农业工程学报》2011年第8期。

[5] G.Rasul，G.Thapa，“Sustainability Analysis of Ecological and Conventional Agricultural Systems in Bangladesh，” World Development 31（6），2003，pp.1721-1741.

[6] K.B.Beesley，D.Ramsey，“Agricultural Land Preservation，” International Encyclopedia of Human Geography 25（6），2009，pp.65-69.

[7] 张冰洁、宋戈：《松嫩高平原黑土区典型地域耕地生态安全评价及驱动力分析》，《水土保持研究》2012年第3期；任平等：《长江上游农业主产区耕地生态安全评价与空间特征研究》，《中国人口·资源与环境》2013年第12期。

[8] 施开放等：《基于改进SPA法的耕地占补平衡生态安全评价》，《生态学报》2013年第4期。

[9] 王文圣等：《水资源系统评价新方法——集对评价法》，《中国科学》（E辑：技术科学）2009年第9期。

[10] 唐秀美等：《基于生态适宜性评价的耕地生态系统服务价值变化研究》，《中国农业资源与区划》2011年第6期。

[11] 任平等：《长江上游农业主产区耕地生态安全评价与空间特征研究》，《中国人口·资源与环境》2013年第12期。

[12] 郑华伟等：《基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2012年第9期。

[13] Rainer Walz，“Development of Environmental Indicator Systems：Experiences from Germany，” Environmental Management 25（6），2000，pp.613-623.

[14] 张锐、刘友兆：《我国耕地生态安全评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2013年第7期。

[15] 郑华伟等：《基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2012年第9期。

[16] 王文圣等：《水文水资源集对分析》，科学出版社，2010。

[17] 王文圣等：《水资源系统评价新方法——集对评价法》，《中国科学》（E辑：技术科学）2009年第9期。

[18] 王宏伟等：《模糊集对分析法在水资源安全评价中的应用》，《西北农林科技大学学报》（自然科学版）2011年第10期。

[19] 郑华伟等：《基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2012年第9期。

[20] 郑华伟等：《基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2012年第9期。

[21] 郑华伟等：《基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断》，《长江流域资源与环境》2012年第9期。

[22] 南彩艳、粟晓玲：《基于改进SPA的关中地区水土资源承载力综合评价》，《自然资源学报》2012年第1期。