全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员远期摇 摇 圆园员猿年 愿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
物种分布模型理论研究进展 李国庆袁刘长成袁刘玉国袁等 渊源愿圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
稀土元素对农田生态系统的影响研究进展 金姝兰袁黄益宗 渊源愿猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
藤壶金星幼虫附着变态机制 饶小珍袁林摇 岗袁许友勤 渊源愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
群居动物中的共同决策 王程亮袁王晓卫袁齐晓光袁等 渊源愿缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
季风进退和转换对中国褐飞虱迁飞的影响 包云轩袁黄金颖袁谢晓金袁等 渊源愿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种海星对三种双壳贝类的捕食选择性和摄食率 齐占会袁王摇 珺袁毛玉泽袁等 渊源愿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆巴音布鲁克繁殖期大天鹅的生境选择 董摇 超袁张国钢袁陆摇 军袁等 渊源愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国特有植物青檀遗传结构的 陨杂杂砸分析 李晓红袁张摇 慧袁王德元袁等 渊源愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
栽培菊花与菊属鄄近缘属属间杂种杂交后代耐盐性的遗传分析 许莉莉袁陈发棣袁陈素梅袁等 渊源怨园圆冤噎噎噎噎
荒漠区植物光合器官解剖结构对水分利用效率的指示作用 张海娜袁苏培玺袁李善家袁等 渊源怨园怨冤噎噎噎噎噎噎
水分对番茄不同叶龄叶片光合作用的影响 陈凯利袁李建明袁贺会强袁等 渊源怨员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西猫儿山不同海拔常绿树种和落叶树种光合速率与氮的关系 白坤栋袁蒋得斌袁万贤崇 渊源怨猿园冤噎噎噎噎噎
施肥对板栗林地土壤 晕圆韵通量动态变化的影响 张蛟蛟袁李永夫袁姜培坤袁等 渊源怨猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施肥对红壤水稻土团聚体分布及其碳氮含量的影响 刘希玉袁王忠强袁张心昱袁等 渊源怨源怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
大兴安岭天然沼泽湿地生态系统碳储量 牟长城袁王摇 彪袁卢慧翠袁等 渊源怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于多时相 蕴葬灶凿泽葬贼 栽酝影像的汶川地震灾区河岸带植被覆盖动态监测要要要以岷江河谷映秀鄄汶川段
为例 许积层袁唐摇 斌袁卢摇 涛 渊源怨远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同强度火干扰下盘古林场天然落叶松林的空间结构 倪宝龙袁刘兆刚 渊源怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长江中下游湖群大型底栖动物群落结构及影响因素 蔡永久袁姜加虎袁张摇 路袁等 渊源怨愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
千岛湖岛屿社鼠的种群年龄结构和性比 张摇 旭袁鲍毅新袁刘摇 军袁等 渊缘园园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
性信息素诱捕下害虫 蕴燥早蚤泽贼蚤糟增长及经济阈值数学模型 赵志国袁荣二花袁赵志红袁等 渊缘园园愿冤噎噎噎噎噎噎噎
秋末苏南茶园昆虫的群落组成及其趋色性 郑颖姹袁钮羽群袁崔桂玲袁等 渊缘园员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北方常见农业土地利用方式对土壤螨群落结构的影响 韩雪梅袁李丹丹袁梁子安袁等 渊缘园圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
基于鸟类边缘种行为的景观连接度研究要要要空间句法的反规划应用 杨天翔袁张韦倩袁樊正球袁等 渊缘园猿缘冤噎噎
西南高山地区土壤异养呼吸时空动态 张远东袁庞摇 瑞袁顾峰雪袁等 渊缘园源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
江苏省土壤有机质变异及其主要影响因素 赵明松袁张甘霖袁李德成袁等 渊缘园缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于林业清查资料的桂西北植被碳空间分布及其变化特征 张明阳袁罗为检袁刘会玉袁等 渊缘园远苑冤噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于能值分析方法的城市代谢过程要要要案例研究 刘耕源袁杨志峰袁陈摇 彬 渊缘园苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 孕杂砸模型的耕地生态安全物元分析评价 张摇 锐袁郑华伟袁刘友兆 渊缘园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响 赵陟峰袁王冬梅袁赵廷宁 渊缘员园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
生态保护价值的距离衰减性要要要以三江平原湿地为例 敖长林袁陈瑾婷袁焦摇 扬袁等 渊缘员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应 姜摇 春袁吴志峰袁钱乐祥袁等 渊缘员员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
室内养殖雌性松鼠秋季换毛期被毛长度和保温性能变化 荆摇 璞袁张摇 伟袁华摇 彦袁等 渊缘员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿圆鄢圆园员猿鄄园愿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 高寒草甸牦牛群要要要三江源区位于青藏高原腹地袁 平均海拔 源圆园园皂袁是长江尧黄河尧澜沧江三条大河的发源地袁也是
全球气候变化最敏感的地区遥 三江源区高寒草甸植被状况对该区的生态环境尧草地资源合理利用和应对全球气候
变化具有十分重要的意义遥 圆园园缘 年以来袁国家投资 苑园 多亿元启动三江源生态保护工程遥 监测显示袁近年来袁三江源
湖泊湿地面积逐步扩大袁植被覆盖度得到提高袁三江源区高寒草甸的生态恶化趋势得到遏制遥 图为冒着风雪在三江
源高寒草甸上吃草的牦牛群遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 16 期
2013 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 16
Aug. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(71173112);江苏省国土资源科技项目(201003);江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXZZ11_
0690)
收稿日期:2012鄄09鄄19; 摇 摇 修订日期:2013鄄04鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: yzliu@ njau. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201209191319
张锐,郑华伟,刘友兆.基于 PSR模型的耕地生态安全物元分析评价.生态学报,2013,33(16):5090鄄5100.
Zhang R, Zheng H W, Liu Y Z. Evaluation on cultivated land ecological security based on the PSR model and matter element analysis. Acta Ecologica
Sinica,2013,33(16):5090鄄5100.
基于 PSR模型的耕地生态安全物元分析评价
张摇 锐,郑华伟,刘友兆*
(南京农业大学公共管理学院,南京摇 210095)
摘要:耕地生态安全评价是改善农田生态系统安全状况、促进耕地可持续利用的重要基础。 针对多数综合评价研究中存在信息
屏蔽和主观性的问题,在界定耕地生态安全内涵的基础上,构建了基于压力鄄状态鄄响应(PSR)模型的评价指标体系,采用物元
分析方法和改进的熵值法对我国耕地生态安全进行评价。 研究结果表明:(1)1996—2010 年我国耕地生态安全水平不断提高,
安全等级经历了“临界安全鄄较安全冶的演变历程,但 2010 年“较安全冶等级关联度很弱;(2)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。 基于 PSR模
型的评价指标体系能更准确地反映农田生态系统各要素之间的关系,物元分析方法可以揭示单个评价指标的分异信息和综合
评价结果的中间信息、挖掘耕地生态安全存在的具体问题,适合用于耕地生态安全的评价。
关键词:耕地生态安全;物元分析;PSR模型;障碍因素
Evaluation on cultivated land ecological security based on the PSR model and
matter element analysis
ZHANG Rui, ZHENG Huawei, LIU Youzhao*
College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Evaluation on cultivated land ecological security is a significant foundation for improving the security of farmland
ecosystems and the sustainable use of cultivated land. To solve the problem of asymmetric information and subjectivity in
most integrated evaluations, the authors define the cultivated land ecological security, construct an evaluation index system
based on the Pressure鄄State鄄Response (PSR) model, and then conduct an evaluation of the ecological security of cultivated
land in China by the matter element analysis and the improved entropy method. The results show: (1) The ecological
security of cultivated land in China was gradually improved from critically safe to safer from 1996 to 2010, but the
correlation of “safer冶 was extremely weak in 2010; (2) Crucial constraints on the improvement of cultivated land ecological
security include fertilizer load per unit of cultivated land, per capita cultivated land, pesticide load per unit of cultivated
land, land reclamation rate, and soil erosion. For the cultivated land ecological security to be continuously improved, the
economic development pattern should be transformed, land use supervision and management strengthened, and excessive
consumption of land resources for economic growth reduced; green agriculture should be vigorously developed, pesticides
and fertilizers applied only as needed; rural land consolidation and high鄄standard basic farmland construction should be
strengthened, environmental protection intensified, and soil erosion effectively controlled. The evaluation index system
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based on the PSR model can accurately reflect the relationship between various elements of the farmland ecosystems, while
the matter element analysis can reveal differentiation information of every single indicator and intermediate information of
comprehensive evaluation, discovering specific problems in cultivated land ecological security. Therefore, the evaluation
index system and the matter element analysis are suitable to assess the cultivated land ecological security.
Key Words: cultivated land ecological security; matter element analysis; PSR model; obstacle factors
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,农田生态系统逐渐演变成为具有高度耦合性的社会鄄经济鄄生态复合系
统[1鄄2]。 随着人类对耕地资源利用的深度和广度增加,耕地资源的稀缺性增强,耕地利用生态问题逐渐凸
显[3]。 因此,开展耕地利用生态安全研究,优化耕地生态安全的改善路径,对于缓解人地矛盾,保障我国粮食
安全,维护国家安全,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[4]。
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以及耕地生态安全调控对策等[7鄄9];
在耕地生态安全评价研究方面,王千等[3]结合生态学中的能值理论构建了耕地生态安全评价指标体系,运用
综合评价法估算了河北省 138 个县耕地生态安全状况,重点探讨其空间聚集格局差异特征,分析聚集格局产
生的主要影响因素。 张传华[7]运用层次分析法、综合评价法测算了重庆市丰都县耕地生态安全水平。 徐辉
等[9]从自然因素、经济因素和社会因素 3 个方面构建了耕地生态安全评价指标体系,运用组合赋权法确定评
价指标权重,采用综合评价法对宁安市耕地生态安全进行定量评价。 朱红波和张安录[10]从直接影响因素、间
接影响因素、社会经济影响因素 3 个方面构建耕地生态安全评价指标体系,选用层次分析法确定评价指标权
重,采用综合评价法测算了中国耕地生态安全水平。 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;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;评价方法较为单一,多采用综合评价法,存在一定的不足:1)现有的评价方法通常先主
观确定耕地生态安全等级取值范围并划分若干等级,然后测算评价对象的耕地生态安全水平综合分值,最后
根据评价综合分值归等定级,这种方法的主观性较强[11];2)现有的评价方法是将分散的信息通过模型集成,
再进行综合分值分级来评价研究对象的耕地生态安全综合水平,无法有效识别指标与评价等级之间的隶属程
度,容易遗漏单个指标之间的一些评价信息[12];3)现有的评价方法可以测算出评价对象的耕地生态安全等
级,但无法说明评价对象向某个等级转化的中间状态[13]。 物元分析方法通过计算单个指标与各标准等级的
关联系数得到综合评价结果,能够揭示更加丰富的评价信息,有效诊断农田生态系统的安全状况,但尚未被应
用到耕地生态安全评价研究中;压力鄄状态鄄响应(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,本文在界定耕地生态安全内涵的基础上,构建了基于 PSR 模型的耕地生态安全评价指标体系,
并引入物元分析法和改进的熵值法对我国耕地生态安全进行实证研究,诊断耕地生态安全的制约因子,为改
善农田生态系统安全状况、协调人地关系、促进耕地资源可持续利用提供一定的依据。
1摇 耕地生态安全评价指标体系的构建
农田生态系统是人类为满足生存需要,干预自然生态系统,依靠土地资源,利用农作物的生长繁殖来获得
物质产品而形成的半自然人工生态系统[14]。 耕地资源生态安全是指在一定的时间和空间尺度内,农田生态
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,农田生态系统有稳
定、均衡、充裕的自然资源可供利用,生态环境处于健康状态[10,15鄄16]。 由此可见,耕地生态安全主要包括两个
方面的含义,一是农田生态系统在人类利用耕地资源过程中,自身结构合理,功能得到正常发挥;二是人类可
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以持续获得耕地资源来满足健康生存的需要[15,17]。
PSR概念模型是由联合国 OECD和 UNEP 提出的[18鄄19],该模型以因果关系为基础,即人类活动对环境施
加一定的压力;环境改变了其原有的性质或自然资源的数量(状态);人类社会采取一定的措施对这些变化做
出反应,以恢复环境质量或防止环境退化[20鄄22];它突出了环境受到的压力和环境退化之间的因果关系,压力、
状态、响应 3 个环节相互制约、相互影响,正是决策和制定对策措施的全过程[20]。 因此,本文借鉴 PSR概念模
型作为耕地生态安全评价指标体系的基本框架(图 1):人口增长、经济社会发展给农田生态系统带来巨大的
压力(P);人类不断开发土地资源,通过社会经济活动向农田生态系统排放污染,改变了农田生态系统结构与
功能状态(S);压力之下,农田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
对农田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,改善农田生态系统状态,使之保持
良好的结构与功能,进而实现可持续发展[22鄄23]。
图 1摇 耕地生态安全评价的 PSR模型框架
Fig. 1摇 PSR framework for evaluation on the cultivated land ecological security
从耕地生态安全评价指标体系的基本框架出发,遵循科学性原则(评价指标体系要建立在科学的基础
上,各评价指标概念必须明确,并且有一定的科学内涵,能够衡量或反映耕地生态安全状况)、可比性原则(评
价指标在一定时期内涵义、范围、方法等方面等保持相对稳定,以便于保证资料的可比性,从而有利于研究长
期趋势和变化规律)、可获取性原则(评价指标尽可能建立在现有统计体系的基础上,即使现行统计体系不能
满足,评价指标数据资料也能通过典型调查或抽样调查获得)、系统性原则(评价指标体系作为一个整体,要
能够比较全面地反映被评价区域的特征) [4,22],在参考相关文献的基础上[3,5,9鄄10],构建了 3 个层次的耕地生态
安全评价指标体系(表 1)。 基于 PSR模型的评价指标体系可以从总体上反映农田生态系统、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,能更准确地反映农田生态系统的各要素之间的关系。
2摇 物元评价模型及经典域的确定
2. 1摇 耕地生态安全评价的物元模型
物元分析方法是中国学者蔡文于 20 世纪 80 年代提出的用于解决矛盾问题的技术方法,可应用于生态环
境、水资源承载力、农用地分级和土地生态水平等综合评价研究中[13]。 物元分析方法以可拓数学为基础,把
现实问题概括为相容性、不相容性问题并进行转化处理;通过引入负数的概念建立关联度,可以无丢失地综合
各种因素的全部信息,并能以定量的数值表示评价结果,从而较完整、客观地反映事物质量的综合水平[12,24]。
因此,本文运用物元分析的理念,建立耕地生态安全评价模型,同时采用改进的熵值法确定评价指标的权重,
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可以比较全面、客观地对农田生态系统的安全状况进行诊断。 根据物元分析方法和改进的熵值法构建耕地生
态安全评价模型[11,13,24]。
表 1摇 耕地生态安全评价指标体系
Table 1摇 The evaluation index system of cultivated land ecological safety
目标层
Target layer
要素层
Feature layer
指标层
Index layer
评价函数
Evaluation function
耕地生态安全 压力 Pressure x1 人口密度 / (人 / km2) 总人口除以土地总面积
cultivated land x2 人口自然增长率 / 译
ecological safety x3 城市化水平 / % 非农业人口除以总人口
x4 单位耕地化肥负荷 / (kg / hm2) 化肥施用量除以耕地面积
x5 人均耕地面积 / (hm2 /人) 耕地面积除以总人口
x6 单位耕地农药负荷 / (kg / hm2) 农药施用量除以耕地面积
状态 State x7 人均水资源量 / (m3 /人)
x8 土地垦殖率 / % 耕地面积除以土地总面积
x9 耕地粮食单产 / (kg / hm2) 粮食总产除以耕地面积
x10 灾害指数 / % 成灾面积除以农作物播种面积
x11 水土流失程度 / % 水土流失面积除以土地总面积
x12 森林覆盖率 / %
响应 Response x13 农民人均纯收入 / (元 /人)
x14 有效灌溉面积比 / % 有效灌溉面积除以耕地面积
x15 农业机械总动力 / (亿 W)
x16 环境污染治理投资占 GDP 比例 / % 环境污染治理投资除以 GDP
x17 水土流失治理率 / % 水土流失治理面积除以水土流失面积
2. 1. 1摇 确定耕地生态安全物元
耕地生态安全 N,耕地生态安全特征 c和特征量值 v共同构成耕地生态安全物元。 假设耕地生态安全 N
有多个特征,它以 n个特征 c1,c2,…,cn 和相应的量值 v1,v2,…,vn 描述,则表示为:
R =
N c1 v1
c2 v2
左 左
cn v
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú
n
=
R1
R2
左
R
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú
n
(1)
式中,R为 n维耕地生态安全物元,简记 R=(N,c,v)。
2. 1. 2摇 确定耕地生态安全的经典域
耕地生态安全的经典域物元矩阵可表示为:
Roj = (Noj,ci,voji) =
Noj c1 voj1
c2 voj2
左 左
cn v
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú
ojn
=
Noj c1 < aoj1,boj1 >
c2 < aoj2,boj2 >
左 左
cn < aojn,bojn
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú>
(2)
式中,Roj 称为经典域物元;Noj 表示所划分耕地生态安全的第 j个评价等级( j = 1,2,…,m);ci 表示第 i个评价
指标;区间
2. 1. 3摇 确定耕地生态安全的节域
耕地生态安全的节域物元矩阵表示为:
3905摇 16 期 摇 摇 摇 张锐摇 等:基于 PSR模型的耕地生态安全物元分析评价 摇
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Rp = (Np,ci ,vpi) =
Np c1 < ap1,bp1 >
c2 < ap2,bp2 >
左 左
cn < apn,bpn
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú>
(3)
式中,Rp 称为节域物元;vpi =
体,显然有
2. 1. 4摇 确定待评物元
把待评对象 Nx 的物元表示为 Rx:
Rx =
Nx c1 v1
c2 v2
左 左
cn v
é
ë
ê
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
ú
úú
n
(4)
2. 1. 5摇 确定关联函数及关联度
令有界区间 Xo =[a,b]的模定义为:
Xo = b - a (5)
某一点 x到区间 Xo =[a,b]的距离为:
籽(x,Xo) = x -
1
2
(a + b) - 1
2
(b - a) (6)
则耕地生态安全评价指标关联函数 K(x)的定义为:
K(xi) =
- 籽(x,Xo)
Xo
, x 沂 Xo
籽(x,Xo)
籽(x,Xp) - 籽(x,Xo)
, x 埸 X
ì
î
í
ï
ïï
ï
ï o
(7)
式中,籽(x,Xo)表示点 x与有限区间 Xo =[a,b]的距离;籽(x,Xp)表示点 x 与有限区间 Xp = [ap,bp]的距离;x、
Xo、Xp 分别表示待评耕地生态安全物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。
2. 1. 6摇 评价指标权重确定
不同评价指标对于耕地生态安全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,确定评价指标权重的方法主要有客观赋权法和主观赋权法。 为了避免人为因素的影响,使耕
地生态安全评价指标权重确定更加具有科学性,本文采用客观赋权法中的熵值法来确定指标权重;熵值法根
据评价指标变异程度的大小来确定指标权重,指标变异程度越大,信息熵越少,该指标权重值就越大,反之越
小[25鄄26]。 在熵值法的计算过程中,运用了对数和熵的概念,根据相应的约束规则,负值和极值不能直接参与
运算,应对其进行一定的变换,即应该对熵值法进行一些必要的改进;改进的办法主要有两种:功效系数法和
标准化变换法,本文采用标准化变换法对熵值法进行改进[25]。 用改进的熵值法确立评价指标权重的主要步
骤如下[26]。
(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:
X义ij = (X ij - X
-
j) / s j 摇 摇 i=1,2,…,m;j=1,2,…,n (8)
式中, X义ij 为标准化后的指标值, X j 为第 j项指标的均值,s j 是第 j项指标的标准差。
(2)为了清除负数,进行坐标平移:
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X苁ij = H + X义ij (9)
式中, X苁ij 为平移后的指标值,H为指标平移的幅度。
(3)计算第 j项指标下的 i个样本值的比重
P ij = X苁ij /移
m
i = 1
X苁ij 。
(4)计算第 j项指标的熵值
ej = - k移
m
i
P ij ln(P ij)
式中,其中 k>0,ln为自然对数,ej>0。 如果 X苁ij对于给定的 j全部相等,那么 P ij = X苁ij /移
m
i = 1
X苁ij = / m ,此时 ej 取
极大值,即 ej = - k移
m
i = 1
1
m
ln 1
m
= klnm 。 若设 k = 1 / lnm ,ej =1,所以 0臆ej臆1。
(5)计算第 j项指标的差异性系数 g j。 熵值越小,指标间的差异性越大,指标就越重要:
g j = 1 - ej
(6)定义第 j项指标的权重
w i j: w ij = g j /移
m
i = 1
g j 摇 j = 1,2,…,n
2. 1. 7摇 计算综合关联度并确定评价等级
待评对象 Nx 关于等级 j的综合关联度 K j(Nx)为:
K j(Nx) =移
n
i = 1
w i jK j(xi) (10)
式中,K j(Nx)为待评对象 Nx 关于等级 j的综合关联度;K j(xi)为待评对象 Nx 的第 i个指标关于等级 j 的单指
标关联度( j=1,2,…,n);w i j 为各评价指标的权重。
若 K ji =max[K j( xi)],( j = 1,2,…,n),则待评对象第 i 指标属于耕地生态安全等级 j;若 K jx = max[K j
(Nx)],( j=1,2,…,n),则待评对象 Nx 属于耕地生态安全等级 j。
2. 2摇 耕地生态安全评价经典域、节域的确定
评价标准的制定是耕地生态安全评价的关键环节,现阶段耕地生态安全评价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[13]。 经典域(评价标准)的确
定是物元评价模型的基础,本文依据耕地生态安全的可拓性,将其划分为 5 个等级,即 N01寅N05,定性描述为:
安全寅较安全寅临界安全寅较不安全寅不安全。 评价经典域的确定主要参考国家、行业及国际相关标准,科
学研究的判定标准,研究区域背景值或本底值等[4,11,13,27],具体取值区间见表 2。 以 x1 人口密度(人 / km2)为
例,安全、较安全、临界安全、较不安全和不安全的取值区间分别为[0,80)、[80,120)、[120,250)、[250,
500)、[500,800)。 由于数据的可获得性限制,本文主要分析全国尺度的耕地生态安全状况,耕地生态安全评
价标准的确定主要着眼于全国整体;水土流失程度、水土流失治理率、灾害指数、耕地粮食单产等指标的评价
标准在不同地理区域存在一定的差异,在分析不同地理区域耕地生态安全水平时,需要结合区域的实际情况
进一步讨论确定评价标准。
3摇 结果与分析
3. 1摇 数据来源
本研究数据主要来源于《中国统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《中国农业年鉴》、《中国国土资源年鉴》
和中国国土资源公报等。 由于数据的可获得性限制,本研究只选择对 1996、2003 和 2010 三年我国耕地生态
安全水平进行分析。
3. 2摇 结果分析
收集我国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
5905摇 16 期 摇 摇 摇 张锐摇 等:基于 PSR模型的耕地生态安全物元分析评价 摇
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(表 3)。 根据 1996 年、2003 年、2010 年各评价指标的具体量值,建立我国耕地生态安全水平待评物元矩阵
R1996、R2003、R2010,将待评物元的数据输入物元模型,得到耕地生态安全评价指标关联度与综合关联度的测算
结果(表 4,表 5)。 表 4 中 K j(xi)( i=1,2,…,17)即第 i个指标对应各评价等级的关联度,以评价指标人口密
度(人 / km2 ) ( x1 )为例,2010 年其对应 5 个评价等级的关联度分别为 K1 ( x1 ) = - 0. 2994、 K2 ( x1 ) =
-0. 1235、K3(x1)= 0. 1514、K4(x1)= -0. 4413、K5(x1)= -0. 7206,因此可以判定该指标属于级别 N03,即“临界
安全冶。 同理,可以得到其他指标评价结果(表 4)。
表 2摇 耕地生态安全评价指标经典域、节域的取值范围
Table 2摇 The valuing range on the classic field and section domain of evaluation index
评价指标
Evaluation index
经典域取值区间 Classic domain Scale
No1 No2 No3 No4 No5
节域取值区间
Section domain Scale
x1 [0,80) [80,120) [120,250) [250,500) [500,800) [0,800)
x2 [0,5) [5,10) [10,15) [15,20) [20,50) [0,50)
x3 [70,100) [40,70) [20,40) [10,20) [0,10) [0,100)
x4 [0,275) [275,350) [350,420) [420,600) [600,900) [0,900)
x5 [0. 15,0. 2) [0. 115,0. 15) [0. 095,0. 115) [0. 053,0. 095) [0,0. 053) [0,0. 2)
x6 [0,4) [4,9) [9,11) [11,15) [15,20) [0,20)
x7 [2500,3500) [2200,2500) [1800,2200) [1000,1800) [300,1000) [300,3500)
x8 [33,50) [21,33) [13,21) [9,13) [0,9) [0,50)
x9 [4500,5500) [3500,4500) [2000,3500) [1000,2000) [0,1000) [0,5500)
x10 [0,10) [10,20) [20,30) [30,45) [45,60) [0,60)
x11 [5,15) [15,25) [25,35) [35,50) [50,70) [5,70)
x12 [30,50) [20,30) [15,20) [5,15) [0,5) [0,50)
x13 [6000,8000) [4000,6000) [2000,4000) [1000,2000) [0,1000) [0,8000)
x14 [50,100) [40,50) [30,40) [20,30) [10,20) [10,100)
x15 [8000,12000) [6000,8000) [4000,6000) [2500,4000) [0,2500) [0,12000)
x16 [3. 00,5. 00) [1. 50,3. 00) [1. 00,1. 50) [0. 10,1. 00) [0,0. 1) [0,5)
x17 [60,100) [30,60) [20,30) [10,20) [0,10) [0,100)
摇 摇 No1—No5 表示所划分耕地生态安全的评价等级
表 3摇 耕地生态安全评价指标权重
Table 3摇 The weight for evaluation index of cultivated land ecological security
目标层
Target layer
要素层
Feature layer
指标层
Index layer
权重
Weight
耕地生态安全 压力 Pressure x1 人口密度 / (人 / km2) 0. 0654
Cultivated land x2 人口自然增长率 / 译 0. 0540
ecological safety x3 城市化水平 / % 0. 0629
x4 单位耕地化肥负荷 / (kg / hm2) 0. 0586
x5 人均耕地面积 / (hm2 /人) 0. 0557
x6 单位耕地农药负荷 / (kg / hm2) 0. 0572
状态 State x7 人均水资源量 / (m3 /人) 0. 0553
x8 土地垦殖率 / % 0. 0535
x9 耕地粮食单产 / (kg / hm2) 0. 0579
x10 灾害指数 / % 0. 0661
x11 水土流失程度 / % 0. 0647
x12 森林覆盖率 / % 0. 0528
响应 Response x13 农民人均纯收入 / (元 /人) 0. 0533
x14 有效灌溉面积比 / % 0. 0614
x15 农业机械总动力 / (亿 W) 0. 0589
x16 环境污染治理投资占 GDP 比例 / % 0. 0583
x17 水土流失治理率 / % 0. 0640
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摇 摇 K j(Nx)是指多指标加权求和的综合关联度,将耕地生态安全各评价指标对应的关联度与其权重输入式
(10)可以得到综合关联度。 2010 年耕地生态安全水平对应 5 个评价等级的综合关联度分别为 K1(N2010)=
-0. 2623、K2(N2010)= -0. 0735、K3(N2010)= -0. 1494、K4(N2010)= -0. 2595、K5(N2010)= -0. 4704,可以判定该年
耕地生态安全水平属于级别 N02,即“较安全冶。 同理可知,1996 年、2003 年耕地生态安全等级分别为“临界安
全冶、“临界安全冶(表 5)。 从表 5 可知,K3(N2003)> K3(N1996),由此可见虽然 1996 年与 2003 年耕地生态安全
等级均为“临界安全冶,但 2003 年对应的 N03 在[0,1]区间内更接近于标准上限,即耕地生态安全水平较 1996
年稍高。 从耕地生态安全的变化来看,1996—2010 年我国农田生态系统的安全状况有所改善,耕地生态安全
等级在提升,耕地生态安全水平有变好的趋势。
表 4摇 耕地生态安全评价指标关联度
Table 4摇 The degree of association for evaluation index of cultivated land ecological safety
关联度
Degree of association
2010 年
No1 No2 No3 No4 No5 等级 Grade
2003 年
等级 Grade
1996 年
等级 Grade
K j(x1) -0. 2994 -0. 1235 0. 1514 -0. 4413 -0. 7206 临界安全 临界安全 临界安全
K j(x2) 0. 0420 -0. 0420 -0. 5210 -0. 6807 -0. 7605 安全 较安全 临界安全
K j(x3) -0. 2864 0. 3317 -0. 1661 -0. 3748 -0. 4444 较安全 较安全 临界安全
K j(x4) -0. 2910 -0. 1943 -0. 0768 0. 2049 -0. 2441 较不安全 临界安全 较安全
K j(x5) -0. 3948 -0. 2106 -0. 0444 0. 1004 -0. 2939 较不安全 临界安全 临界安全
K j(x6) -0. 6526 -0. 4947 -0. 3824 0. 1396 -0. 0913 较不安全 临界安全 较安全
K j(x7) -0. 1375 0. 3680 -0. 0849 -0. 3002 -0. 5242 较安全 临界安全 临界安全
K j(x8) -0. 6157 -0. 3962 -0. 0246 0. 0799 -0. 2250 较不安全 较不安全 临界安全
K j(x9) -0. 0106 0. 0108 -0. 4946 -0. 7112 -0. 7754 较安全 临界安全 较安全
K j(x10) -0. 3633 -0. 1239 0. 3293 -0. 2236 -0. 4824 临界安全 较不安全 较不安全
K j(x11) -0. 4084 -0. 2757 -0. 0662 0. 1526 -0. 2825 较不安全 较不安全 较不安全
K j(x12) -0. 3213 0. 0360 -0. 0174 -0. 2084 -0. 4300 较安全 临界安全 临界安全
K j(x13) -0. 0375 0. 0405 -0. 4798 -0. 6532 -0. 7027 较安全 临界安全 较不安全
K j(x14) -0. 0107 0. 0426 -0. 1948 -0. 3309 -0. 4277 较安全 较安全 临界安全
K j(x15) 0. 3195 -0. 3195 -0. 5463 -0. 6598 -0. 7135 安全 较安全 较不安全
K j(x16) -0. 4471 0. 1057 -0. 0873 -0. 2842 -0. 4845 较安全 临界安全 较不安全
K j(x17) -0. 5028 -0. 0055 0. 0165 -0. 2479 -0. 3993 临界安全 临界安全 较不安全
从单个评价指标来看,我国耕地生态安全评价指标相对应各个水平等级的关联度计算结果显示,1996—
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,农业机械总动力、灾害指数、森林覆
盖率、农民人均纯收入、有效灌溉面积比、环境污染治理投资占 GDP 比例、水土流失治理率等指标出现不同等
级的上升趋势,说明以上指标对我国耕地生态安全水平的提升有重要的贡献。 研究发现:1996 年以来我国经
济持续发展,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,加大中低产田改造力度,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,
环境污染治理投资比例不断提高,水土流失治理率持续增加,促进了农田生态系统安全状况改善。
表 5摇 耕地生态安全评价结果
Table 5摇 The evaluation results of cultivated land ecological safety
综合关联度
Degree of association
No1 No2 No3 No4 No5
级别
Grade
K j(N1996) -0. 4202 -0. 1627 0. 0653 -0. 1280 -0. 4149 临界安全
K j(N2003) -0. 3827 -0. 1069 0. 0733 -0. 1596 -0. 4188 临界安全
K j(N2010) -0. 2623 -0. 0735 -0. 1494 -0. 2595 -0. 4704 较安全
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摇 摇 0> K2(N2010)> K3(N2010),说明虽然 2010 年我国耕地生态安全等级为“较安全冶,但不完全符合 N02 的标
准,具备转化为 N02 的条件,“较安全冶水平不太稳定;为了促使 2010 年的耕地生态安全等级稳定在“较安全冶
状态,仍需进一步改善农田生态系统的安全状况。 根据单个指标提供的分异信息,1996—2010 年单位耕地化
肥负荷、人均耕地面积、单位耕地农药负荷、土地垦殖率等指标呈现等级下降趋势,水土流失程度改善幅度较
小,这些指标成为制约我国农田生态系统安全状况改善的因素。 从单个指标评价结果来看,2010 年我国耕地
生态安全有 14 个指标未达到“较安全冶,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“较不安全冶等级。 虽然我国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,且存在反复的现象,目前水土流失程度仍较大,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,我国固定资产投资增长速度明显提升、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。
4摇 结论与讨论
(1)通过对 1996—2010 年我国耕地生态安全评价的实证分析表明,PSR 模型从社会经济与资源环境有
机统一的观点出发,将资源环境、人类活动、社会经济等联系起来并考虑它们之间的相互作用,改变现有研究
主要关注资源环境的状况,能更准确地反映农田生态系统的各要素之间的关系;基于 PSR模型的评价指标体
系能够实现对耕地生态安全的综合评价。
(2)传统综合评价法中,较少揭示单个指标的评价信息,评价结果不会显示超出等级外的中间状态,而物
元分析法能够获得单个指标的评价结果,揭示各评价指标的水平状态,在此基础上得到的综合评价结果信息
更丰富,能够显示综合水平的中间转化状态(如 2010 年耕地生态安全评价的综合结果),有效挖掘耕地生态
安全存在的具体问题;熵值法根据评价指标间的离散程度,用信息熵来确定评价指标的权重,可以克服一些主
观赋值法所带来的结果不稳定的现象,在一定程度上改善和提高了评价的质量;物元分析法和熵值法适用于
耕地生态安全评价,有利于提高耕地生态安全水平。
(3)研究结果表明,1996—2010 年我国耕地生态安全水平不断提高,农田生态系统安全状况有所改善,安
全等级经历了“临界安全—较安全冶的演变历程,但 2010 年“较安全冶等级关联度很弱;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农田生态系统安全状况改善的关键因
素。 因此,应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“倒逼机制冶,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。
(4)本文作为一种研究方法的探讨,在构建耕地生态安全评价指标体系的基础上,尝试性将物元分析方
法和熵值法运用到耕地生态安全评价中,基本达到预期的研究目的。 由于此类研究尚不多,耕地生态安全评
价的指标选择、经典域的确定,物元分析方法中的关联函数的普适性等问题有待深入研究。
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0015 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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