全 文 ：东北粮食主产区耕地生态安全的时空格局及
障碍因子———以吉林省为例*
赵宏波1,2 摇 马延吉1**
( 1中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130102; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 针对东北粮食主产区耕地生态安全状况,以吉林省 48 个县域为研究对象,构建基于
PSR鄄EES模型的耕地生态安全评价指标体系,综合运用改进的 TOPSIS 模型、马尔可夫链模
型、GIS空间分析方法和障碍度模型对 1995—2011 年吉林省耕地生态安全时空格局以及障碍
因子进行分析.结果表明: 1995—2011 年,吉林省耕地生态安全综合指数呈波动上升趋势,耕
地生态安全等级从敏感级提高到一般安全级;各县域耕地生态安全水平存在“俱乐部趋同冶现
象,且空间分布格局差异趋于扩大,“两极分化冶趋势日益显著,敏感级和临界安全级由带状趋
于分散分布,一般安全级和比较安全级由分散趋于集中成片分布,安全级分布比较零散,耕地
生态安全等级水平不稳定趋势越来越明显;农民人均纯收入、经济密度、环境保护投资总额占
GDP比重、机耕程度、工业固体废物综合利用率是影响吉林省耕地生态安全水平的主要障碍
因子.
关键词摇 耕地生态安全摇 时空格局摇 障碍因子摇 吉林省
文章编号摇 1001-9332(2014)02-0515-10摇 中图分类号摇 X826摇 文献标识码摇 A
Spatial鄄temporal pattern and obstacle factors of cultivated land ecological security in major
grain producing areas of Northeast China: A case study in Jilin Province. ZHAO Hong鄄bo1,2,
MA Yan鄄ji1 ( 1Northeast Institute of Geography and Agro鄄ecology, Chinese Academy of Sciences,
Changchun 130102, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(2): 515-524.
Abstract: According to the cultivated land ecological security in major grain production areas of
Northeast China, this paper selected 48 counties of Jilin Province as the research object. Based on
the PSR鄄EES conceptual framework model, an evaluation index system of cultivated land ecological
security was built. By using the improved TOPSIS, Markov chains, GIS spatial analysis and obsta鄄
cle degree models, the spatial鄄temporal pattern of cultivated land ecological security and the obsta鄄
cle factors were analyzed from 1995 to 2011 in Jilin Province. The results indicated that, the com鄄
posite index of cultivated land ecological security appeared in a rising trend in Jilin Province from
1995 to 2011, and the cultivated land ecological security level changed from being sensitive to being
general. There was a pattern of ‘Club Convergence爷 in cultivated land ecological security level in
each county and the spatial discrepancy tended to become larger. The ‘Polarization爷 trend of culti鄄
vated land ecological security level was obvious. The distributions of sensitive level and critical se鄄
curity level with ribbon patterns tended to be dispersed, the general security level and relative secu鄄
rity levels concentrated, and the distributions of security level scattered. The unstable trend of culti鄄
vated land ecological security level was more and more obvious. The main obstacle factors that af鄄
fected the cultivated land ecological security level in Jilin Province were rural net income per capi鄄
ta, economic density, the proportion of environmental protection investment in GDP, degree of ma鄄
chinery cultivation and the comprehensive utilization rate of industrial solid wastes.
Key words: cultivated land ecological security; spatial鄄temporal pattern; obstacle factor; Jilin
Province.
*吉林省科技引导计划软科学项目(20120635)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄342鄄2)资助.
**通讯作者. E鄄mail: mayanji@ neigae. ac. cn
2013鄄05鄄29 收稿,2013鄄11鄄07 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 2 月摇 第 25 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2014, 25(2): 515-524
摇 摇 耕地是土地资源的精华,是人类赖以生存和发
展的物质基础,是具有高度耦合性的社会鄄经济鄄生
态复合系统[1] . 耕地生态安全对保障国家粮食安
全、经济安全和社会安全具有重要作用,特别是国家
粮食主产区,其耕地的生态安全对国家粮食安全的
战略意义更重要.随着我国城镇化、工业化进程的不
断加快和人口持续增长,人们对土地资源的开发利
用强度日益增大,导致耕地资源总量减少、质量下
降、土壤污染严重、生态环境逐渐恶化,使人地矛盾
更加尖锐化、耕地生态安全面临日益严峻的挑战,并
进一步对国家粮食安全、农业现代化建设以及城乡
经济与环境的协调发展构成严重威胁[2-3] .因此,耕
地生态安全问题引起国内外学者的高度关注,成为
生态学和可持续发展研究的热点.
迄今,国内外学者对耕地生态安全的研究内容
比较丰富.国外学者主要侧重农地生态与可持续发
展相结合进行研究[4-5],如 Cassman 和 Harwood[6]分
析了粮食安全与生态平衡的关系,并提出改善农业
生态系统的有效措施;Faber 和 Van Wensem[7]将生
态系统服务概念应用到土壤生态安全评价中,对传
统的生态安全评价进行了发展与改进. 国内学者主
要从土地生态安全的角度进行研究,主要内容包括
生态安全评价[8-9]、生态安全格局[10-11]等方面.我国
对耕地生态安全的研究刚刚起步[12],多从国家层级
进行定性的原因分析与探讨[2-3],而对国家粮食主
产区耕地生态安全的定量研究相对较少. 本文以东
北粮食主产区的典型区域吉林省为例,选取吉林省
48 个县域为研究对象,基于 PSR鄄EES模型构建耕地
生态安全评价指标体系,运用改进的 TOPSIS 模型、
马尔可夫链模型和 GIS 空间分析方法对 1995—
2011 年吉林省耕地生态安全的时空格局进行分析,
结合障碍度模型对影响吉林省耕地生态安全的障碍
因子进行诊断,旨在为吉林省耕地资源的合理利用
和生态安全保护提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
吉林省位于中国东北地区中部,地处享誉世界
的“黄金玉米带冶,是著名的“黑土地之乡冶,面积
18. 74伊104 km2,占全国土地面积的 1. 95% ,2011 年
总人口 2749. 41 万,GDP 为 10568. 83 亿元,人均
GDP为 38460 元,耕地面积 685. 87伊104 hm2,现辖 1
个副省级市、7 个地级市、延边朝鲜族自治州和长白
山管委会,是我国重要的工业基地和商品粮生产基
地,粮食商品率和人均粮食占有量均居全国第 1 位.
2003 年国家实施东北老工业基地振兴战略,吉林省
的城镇化、工业化和农业现代化得到了快速发展.然
而,生态环境保护问题日益突出,水土资源污染加
剧,耕地生态安全面临严峻的挑战.研究吉林省的耕
地生态安全问题,对保障国家粮食安全和生态安全
具有一定的现实意义.
1郾 2摇 指标体系的构建
指标体系的合理构建是研究耕地生态安全水平
的关键.本文依据科学性、可操作性、系统性、实用性
原则以及研究区的实际,综合 “压力鄄状态鄄响应冶
(PSR)模型[13]和“环境鄄经济鄄社会冶(EES)模型各自
的结构优点,尝试将“压力鄄状态鄄响应冶 (PSR)模型
和“环境鄄经济鄄社会冶 (EES)模型相结合,构建基于
PSR鄄EES框架的吉林省耕地生态安全评价指标体系
(表 1).
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 改进的 TOPSIS 法 摇 TOPSIS( technique for or鄄
der preference by similarity to ideal solution)法是一种
有限方案多目标决策分析方法[14],即通过设计各个
指标的正理想解和负理想解,建立评价指标与正理
想解和负理想解之间距离的二维数据空间,在此基
础上对评价方案与正理想解和负理想解作比较,若
最接近于正理想解,同时又最远离负理想解,则该方
案是备选方案中的最好方案[15] . 运用 TOPSIS 法对
区域耕地生态安全状况进行研究,可以系统地分析
耕地生态安全与理想状况的接近程度,真实反映耕
地生态安全存在的问题.
TOPSIS法最关键的两个步骤是指标权重的确
定和距离计算方法的确定[16],本文主要在这两方面
对传统的 TOPSIS法进行改进. 传统的 TOPSIS 法中
确定权重的方法主要有层次分析法和专家打分法
等,这些方法确定的权重带有较大的主观性,使研究
结果出现很多差异,本文采用层次分析法和熵值法
确定的组合权重对传统的 TOPSIS法进行改进,使权
重信息更全面客观;同时,传统的 TOPSIS 法是以距
理想解与负理想解的距离为基础来判断方案贴近理
想解的程度,这样存在一个不足之处,即与理想解欧
氏距离近的方案可能与负理想解的距离也近,按欧
氏距离对方案进行排序的结果有时并不能完全反映
出各方案的优劣性[17-19],引入虚拟最劣样本[20]对
传统 TOPSIS法中的距离计算方法进行改进,可使研
究结果更合理.
改进的TOPSIS法的计算步骤为:1)构建多属
615 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 基于 PSR鄄EES框架的吉林省耕地生态安全评价指标体系
Table 1摇 Evaluation index system of cultivated land ecological security in Jilin Province based on PSR鄄EES framework
目标层
Object layer
准则层
Criteria layer
因素层
Factor layer
指标层
Index layer
单位
Unite
权重值
Weight value
吉林省耕地 压力 环境 人均耕地面积 C1 hm2·人-1 0. 011
生态安全 Pressure Environment 水土协调度 C2 % 0. 013
CES 单位耕地化肥施用量 C3 kg·hm-2 0. 010
经济 GDP增长率 C4 % 0. 060
Economy 经济密度 C5 万元·km-2 0. 115
第一产业占 GDP的比重 C6 % 0. 050
社会 人口密度 C7 人·km-2 0. 002
Society 人口自然增长率 C8 译 0. 027
城镇化水平 C9 % 0. 003
状态 环境 森林覆盖率 C10 % 0. 002
State Environment 旱田比重 C11 % 0. 006
耕地垦殖率 C12 % 0. 027
经济 耕地生态服务价值量 C13 [21] 万元 0. 022
Economy 农电集约度 C14 kW·h·hm-2 0. 007
单位耕地农业机械化水平 C15 kW·hm-2 0. 013
社会 人均建设用地面积 C16 km2·人-1 0. 009
Society 人均粮食产量 C17 kg·人-1 0. 014
单位耕地粮食产量 C18 kg·hm-2 0. 010
响应 环境 建成区绿化覆盖率 C19 % 0. 017
Response Environment 生活垃圾清运量 C20 104 t 0. 032
工业固体废物综合利用率 C21 % 0. 034
经济 环保投资额占 GDP比重 C22 % 0. 276
Economy 第三产业比重 C23 % 0. 018
农民人均纯收入 C24 元 0. 114
社会 单位从业人员比率 C25 % 0. 021
Society 专业技术人员 C26 人 0. 044
机耕程度 C27 % 0. 043
CES:Cultivated land ecological security in Jilin Province; C1:Per capita cultivated land; C2:Soil and water coordination degree; C3:Consumption of
chemical fertilizer per hectare cultivated land; C4:GDP growth rate; C5:Economy density; C6:Primary industry production per GDP; C7:Population den鄄
sity; C8:Natural population growth rate; C9:Urbanization rate; C10:Forest coverage rate; C11:Dry cultivated land rate; C12:Rate of cultivated land recla鄄
mation; C13:Ecosystem services value of cultivated land; C14:Agricultural electricity intensity; C15:Agricultural mechanization level per hectare cultivat鄄
ed land; C16:Per capita construction land area; C17:Per capita output of grain; C18:Yield of cultivated land per hectare; C19:Ratio green coverage of
built up areas; C20:Amount of household refuse clean鄄up; C21:Percentage of industrial solid wastes comprehensively utilized; C22:Environment invest per
GDP; C23:Tertiary industry production per GDP; C24:Average annual net income of peasant; C25:Unit jobholders爷 ratio; C26:Professionals; C27:Trac鄄
tor鄄ploughing degree.
性决策矩阵 X:
X = (xij)mn =
x11 x12 … x1n
x21 x22 … x2n
… … … …
xm1 xm2 … xmn
(1)
设有 m个评价对象、n个评价指标,由原始数据
组成多属性决策矩阵 X,每个评价对象在每个评价
指标下都对应一个值.
2)构建规范化决策矩阵 R:为消除各指标量纲
不同对耕地生态安全评价带来的影响,使各指标具
有可比性,应对其进行无量纲化处理,采用极差标准
法进行处理,由于各指标性质不同,对耕地生态安全
的影响也不同,因此,对于正向指标,其公式为:rij =
[xij-min(xij)] / max(xij) -min(xij);对于负向指标,
其公式为:rij = [max(xij) -xij] / max( xij) -min( xij).
式中:xij为第 i 年第 j 个评价指标值;max( xij)、min
(xij)分别为指标的最大值和最小值.
R = ( rij)mn =
r11 r12 … r1n
r21 r22 … r2n
… … … …
rm1 rm2 … rmn
(2)
3)构建加权规范化决策矩阵 V:首先,运用层次
分析法[22],计算指标的主观权重 w1j = (w11 w12 …
w1j) T,j=1 ~ m,运用熵值法[23],计算指标的客观权
重 w2j =(w21w22…w2j) T,j=1 ~ m,然后根据最小相对
信息熵原理[24-25]可得主观权重 w1j和客观权重 w2j的
组合权重 w j = (w1w2…w j) T, minF = 移
m
j = 1
w j(lnw j -
7152 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵宏波等: 东北粮食主产区耕地生态安全的时空格局及障碍因子———以吉林省为例摇 摇 摇
lnw1j) +移
m
j = 1
w j(lnw j - lnw2j),st移
m
j = 1
w j = 1;w j > 0,j =
1,2,…,m,用拉格朗日乘子法解上述优化问题得组
合权重:
w j =
(w1jw2j) 0郾 5
移
m
j = 1
(w1jw2j) 0郾 5
摇 ( j = 1,2,…,m) (3)
则加权规范化决策矩阵 V如下:
V = (vij)mn =
v11 v12 … v1n
v21 v22 … v2n
… … … …
vm1 vm1 … vmn
(4)
式中:vij = rijw j,i=1,…,n;j=1,2,…,m.
4)确定理想解 Z+、负理想解 Z-和虚拟最劣解
Z*:设 J代表正向指标集、J*代表负向指标集,则理
想解和负理想解的计算公式如下:
Z+ =(maxrij,j沂J;minrij,j沂J*;i= 1,2,…,m)=
( z+1,z+2,…,z+n) (5)
Z- =(minrij,j沂J;maxrij,j沂J*;i= 1,2,…,m)=
( z-1,z-2,…,z-n) (6)
在理想解 Z+、负理想解 Z-的反向延长线上找
到一个点,使理想解 Z+和负理想解 Z-的距离等于
负理想解 Z-与该点之间的距离,这个点所对应的向
量为虚拟最劣解 Z* = ( z*1 ,z*2 ,…,z*n ),其中,z*j =
2z-j -z+j ,j=1,2,…,n.
5)距离的计算:每个方案到理想解 Z+的距离为
D + = 移
m
j = 1
(vij - z +j ) 2 ;每个方案到虚拟最劣解 Z*
的距离为 D* = 移
m
j = 1
(vij - z*j ) 2 .
6)计算每个方案对理想解的相对接近度指数:
C i =D* / (D++D*) (7)
C i 值越大,表明第 i 评价单元耕地生态安全水
平越高,越接近最优水平.
1郾 3郾 2 耕地生态安全等级动态度模型摇 运用耕地生
态安全等级动态度模型来描述耕地生态安全等级的
变化速度,可更好地分析耕地生态安全类型对区域
生态安全的影响,公式如下[26]:
V=
Ub-Ua
Ua
伊 1T 伊100% (8)
式中:V为两个时间段内耕地生态安全等级动态度;
Ua、Ub 分别为研究期初、期末某种耕地生态安全等
级的数量;T为研究时段长.
1郾 3郾 3 马尔可夫链摇 生态安全格局的动态演变具有
马尔可夫过程的性质[27] . 根据马尔可夫链的原理,
将 t年份生态安全等级的概率分布表示为一个 1伊k
的状态概率向量 P t,记为 P t = [P1,t,P2,t,…,Pk,t],
而不同年份各县域生态安全等级之间的转移可以用
一个 k伊k的马尔可夫转移概率矩阵 M表示如下:
M=
m11 m12 … m1j
m21 m22 … m2j
… … … …
mi1 mi2 … mij
(9)
式中:元素 mij表示 t 年份属于类型 i 的县域在下一
年份转移到 j类型的一步转移概率,mij = nij / ni,nij表
示由 t年份属于 i 类型的县域在 t+1 年份转移为 j
类型的县域数量之和,ni 是所有年份中属于类型 i
的县域数量之和.如果某个县域的耕地生态安全等
级在初始年份为 i,在下一年份仍保持不变,则县域
耕地生态安全等级类型转移为平稳;如果耕地生态
安全等级有所提高,则等级的转移为向上转移,否
则,为向下转移[28] .
1郾 3郾 4 障碍度模型摇 采用障碍度模型对耕地生态安
全进行病理诊断,引入因子贡献度(R j)、指标偏离
度(P j)和障碍度(A j)3 个指标,通过对障碍度(A j)
的大小排序可以确定区域耕地生态安全障碍因素的
主次关系和各障碍因素对生态安全的影响程
度[29-30],具体公式如下:
R j = r j伊w i (10)
式中:R j为因子贡献度;r j 为第 j 项单项因素权重;w i
为第 j项单项因素所属的第 i个子目标权重.
P j =1-a j (11)
式中:P j为指标偏离度;a j 为单项指标标准化值,标
准化值采用极值标准化法得到.
A j = P j 伊 R j /移
n
i = 1
(P j 伊 R j) 伊 100% (12)
在分析各单项因子限制程度基础上,进一步分
析各准则层对耕地生态安全的障碍度,其公式
为[31]: U j =移Aij .其中,Aij为各单项指标的障碍度.
1郾 4摇 评价标准的确定
迄今,对耕地生态安全还没有一个统一的评价
标准.根据研究区耕地生态环境实际状况,并参照相
关研究[23,32],将吉林省耕地生态安全评价值划分为
7 个等级,即恶化级、风险级、敏感级、临界安全级、
一般安全级、比较安全级、安全级(表 2).
1郾 5摇 数据来源及处理
本文数据主要来源于《吉林统计年鉴》(1996—
815 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 吉林省耕地生态安全的评价标准
Table 2 摇 Evaluation criterion of cultivated land ecological
security in Jilin Province
安全指数
Security index (C)
安全等级
Security level
安全状态
Security status
0 0. 3 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 2012 年) [33]以及《吉林省环境质量报告书》(1995—
2011 年) [34],其他指标数据根据统计数据计算得
到.
采用极差标准法对原始数据进行无量纲化处
理.采用 Microsoft Excel软件进行数据处理和绘图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 吉林省耕地生态安全的时间变化特征
2郾 1郾 1 耕地生态安全压力指数 摇 1995—2011 年,吉
林省耕地生态安全环境压力指数呈波动上升趋势,
环境压力指数从 1995 年的 0. 557 上升到 2011 年的
0. 784;耕地生态安全经济压力指数同样呈波动上升
趋势,从 1995 年的 0. 618 上升到 2011 年的 0. 838;
社会压力指数变化较小,从 1995 年的 0. 136 下降到
2011 年的 0. 109(图 1). 表明吉林省耕地所面临的
环境压力和经济压力不断加大,而随着城镇化进程
的加快,建设用地大量占用耕地,耕地生态安全所面
临的社会压力依然很大.
2郾 1郾 2 耕地生态安全状态指数 摇 由图 1 可以看出,
1995—2011 年,吉林省耕地生态安全环境状态指数
呈波动上升趋势,从 1995 年的 0. 523 上升到 2011
年的 0. 928,耕地的经济状态指数从 1995 年的
0郾 507 增加到 2011 年的 0. 986,表明耕地的自然环
境状况和经济状态在不断改善;耕地的社会状态指
数从 1995 年的 0. 669 增加到 2011 年的 0. 994,但波
动性较大,主要受人均粮食产量和单位耕地粮食产
量这两个指标的影响,说明提高粮食总产量对耕地
的社会生态状况具有重要影响.
2郾 1郾 3 耕地生态安全响应指数 摇 研究期间,耕地生
态安全的环境响应指数总体呈缓慢波动上升趋势,
从 1995 年的 0. 664 增加 2006 年的 0. 883,到 2007
年下降为 0. 712,然后又增加到 2011 年的 0. 794;耕
地生态安全的经济响应指数从 1995 年的 0. 763 增
长到 2000 年的 0. 842,到 2011 年却下降到 0. 576
(图 1),这与环保投资额占 GDP 的比重变化相关,
表明随着环境保护政策和法规的实施与完善,人们
保护环境的意识明显增强,环境污染物的治理水平
显著提升,生态环境质量得到进一步改善.社会响应
图 1摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全压力指数、状态指数、响应指数和综合指数的变化
Fig. 1摇 Variations of pressure index, state index, response index, and comprehensive index of cultivated land ecological security in
Jilin Province from 1995 to 2011.
玉:环境 Environment;域:经济 Economy; 芋:社会 Society; 郁:耕地 Cultivated land.
9152 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵宏波等: 东北粮食主产区耕地生态安全的时空格局及障碍因子———以吉林省为例摇 摇 摇
表 3摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全等级空间类型变化
Table 3摇 Spatial type changes of cultivated land ecological security level in Jilin Province from 1995 to 2011
安全等级
Security
level
1995
数量
Number
百分比
Percentage
2000
数量
Number
百分比
Percentage
2003
数量
Number
百分比
Percentage
2011
数量
Number
百分比
Percentage
芋 22 45. 8 14 29. 2 8 16. 7 3 6. 2
郁 19 39. 6 24 50. 0 23 47. 9 14 29. 2
吁 7 14. 6 8 16. 7 14 29. 2 14 29. 2
遇 0 0 2 4. 1 3 6. 2 11 22. 9
喻 0 0 0 0 0 0 6 12. 5
指数呈现“V冶字型态势,在 2003 年处于最低点,为
0. 501,这与专业技术人员、机耕程度这两个指标相
关,表明从 2003 年东北老工业基地振兴以来,全省
重视对农业科学技术的投入,随着农业技术的提高,
有利于对耕地生态的改善与保护.
2郾 1郾 4 耕地生态安全综合指数 摇 由图 1 可以看出,
1995—2011 年,吉林省耕地生态综合指数呈波动上
升趋势,从 1995 年的 0郾 558 上升到 2011 年的
0郾 785,耕地生态安全等级从敏感级提高到一般安全
级,其中,1995—1998 年,耕地生态安全等级较低,
一直处于敏感级水平,2000—2003 年,耕地生态安
全水平从敏感级上升到临界安全级,2003—2011
年,耕地生态安全水平从临界安全级上升到一般安
全级,2003 年以来,环境保护治理投资总额持续增
加,工业固体废物综合利用率从 2003 年的 53. 9%
增加到 2011 年的 58. 9% ,森林面积从 805. 7 伊104
hm2增加到 2011 年的828. 1伊104 hm2,农民人均纯收
入从 2530 元增加到 2011 年的 7509 元,这些因素使
吉林省耕地生态安全状况明显提升,耕地生态安全
的态势正逐步好转.总体上,吉林省耕地生态安全水
平发展速度较慢,期间共增长 0. 227,且未达到安全
级,耕地生态安全的形势仍比较严峻,土壤污染、耕
地盐碱化、农业面源污染以及黑土区保护等问题不
容忽视,需要进一步加大对耕地生态的保护力度.
2郾 2摇 吉林省耕地生态安全的空间变化特征
2郾 2郾 1 空间类型变化摇 依据吉林省耕地生态安全时
间序列的变化特征,选取 1995、2000、2003、2011 年
作为关键时间点,研究耕地生态安全的空间变化特
征.从耕地生态安全等级空间类型变化看(表 3),
1995—2000 年,敏感级和临界安全级县域占全部县
域的比重较大,研究区耕地生态安全水平较低;
2000—2003 年,敏感级的县域数量减少到 8 个,临
界安全级的县域数量减少了 1 个,一般安全级的县
域数量增加到 14 个,所占比重上升到 29. 2% ,比较
安全级的县域数量增加了 1 个;2003—2011 年,敏
感级和临界安全级的县域数量持续减少,一般安全
级的数量没有变化,比较安全级的县域数量增加到
11 个,同时出现安全级的县域. 说明全省的耕地生
态安全水平敏感级和临界安全级县域数量日益减
少,一般安全级和比较安全级县域数量日益增多.
2郾 2郾 2 变化速度摇 由表 4 可以看出,1995—2000 年,
在研究区耕地生态安全等级动态度中,敏感级的数
量变化速度最快,以 7. 3% 的年变化速度减少;
2000—2003 年,一般安全级的数量变化速度最快,
以 25%的年变化速度增加;2003—2011 年,比较安
全级的数量变化速度最快,以 33. 3%的年变化速度
增加.研究期间,吉林省耕地生态安全等级类型的动
态度随着安全等级水平的提高而逐步变大,低水平
安全等级的数量以相对较小的速度逐步减少,高水
平安全等级的数量以相对较大的速度逐步增加,反
映出耕地生态安全水平逐步好转.
2郾 2郾 3 空间转移特征 摇 运用马尔可夫链方法,构建
1995—2000、2000—2003 和 2003—2011 年耕地生态
安全等级的马尔可夫转移概率矩阵(表 5).其中,对
角线上的元素表示县域生态安全等级没有发生变化
的概率,而非对角线上的元素表示县域在不同生态
安全等级之间发生转移的概率. 1995—2000 年,所
有对角线元素的数值并非大于非对角线元素的数
值,说明各县域的耕地生态安全水平并不稳定;一般
安全级向下转移的概率为0. 71,向上转移的概率为
表 4 摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全等级类型变化
速度
Table 4摇 Speed of type change of cultivated land ecological
security level in Jilin Province from 1995 to 2011 (%)
安全等级
Security
level
1995—2000
等级动态度
Dynamic degree
2000—2003
等级动态度
Dynamic degree
2003—2011
等级动态度
Dynamic degree
芋 -7. 3 -14. 3 -7. 8
郁 5. 3 -1. 4 -4. 9
吁 2. 9 25. 0 0
遇 - 16. 7 33. 3
喻 0 0 -
025 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 5摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全等级的马尔可夫转移概率矩阵
Table 5摇 Markov matrix of transition probability for cultivated land ecological security level in Jilin Province from 1995 to
2011
安全等级
Security
level
1995—2000
m 芋 郁 吁 遇
2000—2003
m 芋 郁 吁 遇
2003—2011
m 芋 郁 吁 遇 喻
芋 36 0. 45 0. 22 0. 22 0. 09 22 0. 21 0. 21 0. 35 0. 21 11 0. 12 0. 12 0 0. 12 0. 62
郁 43 0. 21 0. 73 0. 05 0 47 0. 04 0. 62 0. 33 0 37 0 0. 26 0. 39 0. 30 0. 04
吁 15 0 0. 71 0. 28 0 22 0. 37 0. 50 0. 12 0 28 0 0. 50 0. 35 0. 14 0
遇 2 0 0 0 0 5 0. 50 0. 50 0 0 14 0. 66 0. 33 0 0 0
喻 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0
m:不同年份中属于同类耕地生态安全等级的县域总数 The total number of counties which belonged to the same type of cultivated land ecological
security level in different years.
0,敏感级向临界安全级、一般安全级和比较安全级
转移的概率分别为 0. 22、0. 22 和 0. 09,临界安全级
向敏感级转移的概率为 0. 21,向一般安全级转移的
概率为 0. 05,表明各县域的生态安全水平存在跳跃
式发展,临界安全级和一般安全级的县域向下转移
的概率高于其向上转移的概率,这种不同耕地生态
安全等级的县域向上转移或向下转移的概率高于其
向下转移或向上转移的概率. 所形成的耕地生态安
全等级朝着某一等级趋同的现象称为“俱乐部趋
同冶 [35] .综上,吉林省耕地生态安全水平存在“俱乐
部趋同冶现象.
2000—2003 年,所有对角线元素的数值与
1995—2000 年相比有所减小,非对角线元素的数值
有所增加,敏感级、临界安全级和一般安全级向同等
级转移的概率分别下降 0. 24、0. 11 和 0. 16,各生态
安全等级水平在县域之间的转移更频繁,耕地生态
安全等级水平越来越不稳定;敏感级向一般安全级
和比较安全级的转移概率分别增加 0. 13 和 0. 12,
一般安全级向敏感级转移的概率增加 0. 37,表明各
县域耕地生态安全水平跳跃式发展的状况依然存
在,耕地生态安全等级的空间差异趋于扩大.
2003—2011 年,所有对角线元素的数值与
2000—2003 年相比,最大值降低到 0. 35,非对角线
元素的最大值上升到 0. 66.各生态安全等级水平在
县域之间的转移愈加频繁,耕地生态安全等级水平
不稳定的趋势越来越明显:临界安全级向比较安全
级和安全级转移的概率分别为 0. 30 和 0. 04,向下
转移的概率为 0,一般安全级向上转移的概率为
0郾 14,向临界安全转移的概率没有变化,表明耕地生
态安全等级的“俱乐部趋同冶现象更明显;敏感级和
临界安全级水平县域数量分别较 2000—2003 年减
少 50郾 0%和 21郾 3% ;一般安全级和比较安全级比
2000—2003 年分别增加 21. 5%和 64. 3% ,表明吉
林省耕地生态安全水平的空间差异仍趋于扩大.
2郾 2郾 4 空间格局的演变 摇 应用 GIS 的空间分析技
术,将 1995、2000、2003 和 2011 年各县域的耕地生
态安全等级绘制成空间分布图(图 2).
摇 摇 1995—2011 年,吉林省耕地生态安全水平空间
分布格局差异显著,敏感级空间分布格局由带状趋
于分散,临界安全级由集中分布到带状分布,再趋于
分散分布,一般安全级和比较安全级由分散分布趋
于集中成片分布,安全级分布比较零散,这进一步说
明了吉林省耕地生态安全水平“两极分化冶的趋势
日益显著.
2011 年耕地生态安全等级空间分布较前阶段
的变化更明显,敏感级仅分布在公主岭市、长春市区
和安图县;临界安全级的分布趋于分散,在吉林省的
西部、中部、东部和东南部等地区都有分布;一般安
全级在吉林省的中部和东南部等地区集中成片分
布,比较安全级分布由分散趋于相对集中,主要分布
在吉林省西部的白城市区、镇赉县、东南部的柳河
县、通化县、中部的磐石市、桦甸市以及东部的敦化
市、图们市等地区;安全级分布比较分散,零星分布
于吉林省西部的大安市、中部的舒兰市、东南部的梅
河口市、集安市以及东部的延吉市;大安市耕地生态
安全由敏感级上升为安全级,表明近年来实施西部
生态保护工程以及对耕地盐碱化的投入与治理已产
生一定成效.
2郾 3摇 障碍因子的诊断
运用障碍度模型,对影响吉林省耕地生态安全
的障碍因子进行诊断,按照准则层指标和指标层指
标厘定主要障碍因子.
2郾 3郾 1 准则层障碍因子 摇 由表 6 可以看出,准则层
的 9 个指标对吉林省耕地生态安全的障碍度变化各
不相同.总体上看,环境压力、社会压力呈波动下降
1252 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵宏波等: 东北粮食主产区耕地生态安全的时空格局及障碍因子———以吉林省为例摇 摇 摇
图 2摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全空间变化格局
Fig. 2摇 Spatial pattern of cultivated land ecological security level in Jilin Province from 1995 to 2011.
玉:敏感级 Sensitive level; 域:临界安全级 Critical security; 芋:一般安全级 General security level; 郁:比较安全级 Relative security level; 吁:安全
级 Security level.
表 6摇 1995—2011 年影响吉林省耕地生态安全的准则层指标障碍度
Table 6摇 Obstacle degree of rule hierarchy on cultivated land ecological security in Jilin Province from 1995 to 2011 (%)
年份
Year
环境压力
Environment
pressure
经济压力
Economic
pressure
社会压力
Social
pressure
环境状态
Environment
state
经济状态
Economic
state
社会状态
Social
state
环境响应
Environment
response
经济响应
Economic
response
社会响应
Social
response
1995 3. 0 18. 7 2. 9 1. 5 1. 8 0. 5 12. 4 51. 3 8. 0
2000 3. 0 24. 5 2. 3 2. 0 1. 9 1. 5 13. 5 33. 9 17. 5
2003 0. 6 12. 2 0. 4 0. 6 0. 9 0. 5 5. 9 60. 9 18. 0
2011 1. 0 12. 8 0. 6 0. 1 0. 0 0. 5 7. 7 72. 1 5. 2
趋势,经济压力、环境状态、经济状态、社会状态、环
境响应、社会响应均呈先上升后下降的趋势,经济响
应呈先下降后上升的趋势. 从障碍度的数值看,
1995—2011 年,经济响应始终对吉林省耕地生态安
全具有最大的障碍度.因此,要提高吉林省耕地生态
安全水平,需要增加对耕地生态保护的经济投入力
度,还应缓解经济发展对耕地的压力,注重环境响应
和社会响应的调节与保障.
2郾 3郾 2 指标层障碍因子摇 依据指标层障碍度的大小
(表 7)和主要障碍因子出现的频率(表 8),1995—
2000 年,影响耕地生态安全最大的障碍度因子是农
民人均纯收入(C24),农民人均纯收入(C24)、工业固
体废物综合利用率(C21)、经济密度(C5)和机耕程
度(C27)的出现频率相同,均为 100% ;2000—2003
年,影响耕地生态安全最大的障碍度因子是环境保
护投资总额占 GDP 的比重(C22),环境保护投资总
额占 GDP的比重(C22)、农民人均纯收入(C24)、经
济密度( C5 )和机耕程度 ( C27 )出现的频率相同;
2011 年影响耕地生态安全最大的障碍度因子仍是
C22,且出现频率最大,表明从实施东北老工业基地
振兴以来,对环境保护的经济投入成为保障耕地生
态安全的最重要因素.另外,经济发展水平也对耕地
生态安全产生一定影响.
表 7摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全指标层主要障碍
因子障碍度
Table 7摇 Obstacle degree of main index hierarchy of culti鄄
vated land ecological security in Jilin Province from 1995 to
2011 (%)
年份
Year
项目摇 摇
Item摇 摇
指标排序 Index sequence
1 2 3 4 5
1995 障碍因素 Obstacle factor C24 C21 C5 C20 C27
障碍度 Obstacle degree 26. 1 21. 0 12. 6 7. 1 7. 0
2000 障碍因素 Obstacle factor C24 C5 C27 C21 C25
障碍度 Obstacle degree 33. 5 15. 9 9. 3 9. 2 4. 8
2003 障碍因素 Obstacle factor C22 C24 C5 C26 C27
障碍度 Obstacle degree 44. 4 16. 3 7. 8 7. 5 7. 2
2011 障碍因素 Obstacle factor C22 C4 C6 C25 C20
障碍度 Obstacle degree 69. 1 6. 7 6. 2 5. 2 4. 4
225 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 8摇 1995—2011 年吉林省耕地生态安全主要障碍因子出
现的频率
Table 8 摇 Frequency of main obstacle factors of cultivated
land ecological security in Jilin Province from 1995 to 2011
主要障碍因子
Main obstacle factor
出现次数
Number
出现频率
Frequency (% )
C24 16 97. 1
C5 15 88. 2
C22 15 88. 2
C27 12 70. 6
C21 10 58. 8
C4 6 35. 3
C25 6 35. 3
摇 摇 1995—2011 年,障碍因子出现频率最高的指标
是农民人均纯收入(C24),为 97. 1% ;其次是经济密
度(C5)和环境保护投资总额占 GDP 的比重(C22),
均为 88. 2% ;机耕程度(C27)为 70. 6% ;工业固体废
物综合利用率(C21)为 58. 8% . 这几个指标成为影
响吉林省耕地生态安全水平的主要障碍因子.因此,
要提高耕地的生态安全水平,需要从增加农民收入、
提高土地的产出水平、改进农业耕作的技术和方法、
减少工业“三废冶排放、增加环境保护的资金投入和
设施建设等方面进行实施.
3摇 讨摇 摇 论
就各子系统而言,1995—2011 年吉林省耕地生
态安全自然压力指数、经济压力指数、环境状态指
数、经济状态指数、社会状态指数、环境响应指数、经
济响应指数均呈波动上升趋势,而社会压力指数呈
略微下降趋势,社会响应指数呈 “V冶字型态势. 整
体而言,吉林省耕地生态安全综合指数呈波动上升
趋势,从 1995 年的 0. 558 上升到 2011 年的 0. 785,
耕地生态安全等级从敏感级提高到一般安全级,但
耕地生态安全水平发展速度较慢,且未达到安全级,
耕地生态安全所面临的形势仍比较严峻.
空间格局上,1995—2011 年耕地生态安全水平
存在“俱乐部趋同冶现象,且空间分布格局差异趋于
扩大,“两极分化冶的趋势日益明显,敏感级和临界
安全级县域数量日益减少,一般安全级、比较安全级
和安全级的县域数量日益增多;耕地生态安全等级
类型的动态度随着安全等级水平的提高而逐步变
大;敏感级和临界安全级由带状趋于分散分布,一般
安全级和比较安全级由分散趋于集中成片分布,安
全级的分布比较零散,各县域耕地生态安全等级水
平不稳定的趋势越来越明显.
通过障碍因子的诊断可知,从准则层 9 个指标
来看,经济响应始终对吉林省耕地生态安全具有最
大的障碍度,从指标层 27 个指标来看,农民人均纯
收入、经济密度、环境保护投资总额占 GDP 的比重、
机耕程度、工业固体废物综合利用率等是影响吉林
省耕地生态安全水平的主要障碍因子.
耕地生态安全问题的研究是复杂的、系统的和
持续发展的,全面科学地构建指标体系以及实用合
理地选取研究方法是耕地生态安全问题研究的基
础.由于数据可得性和连续性、研究方法自身局限性
等因素的影响,本文在指标体系的选取和评价方法
的选取等方面尚不完善,仍需要进一步的分析和研
究.吉林省耕地生态安全问题具有典型的区域背景
和独特性,在实施东北老工业基地振兴的背景下,如
何合理地保障国家粮食安全和耕地生态安全、以及
如何处理好经济发展与耕地生态安全的关系、建立
耕地生态安全预警机制等是今后需要进一步探讨的
方向.
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European Economic Review, 1996, 40: 951-958
作者简介摇 赵宏波,男,1985 年生,博士研究生.主要从事经
济地理与区域规划研究. E鄄mail: zhaohbneigaecas@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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