福建省耕地生态安全评价及障碍因子分析*
时间：2023-02-28 10:55:06 来源：千叶帆 本文已影响人
刘艳芳，安 睿，曲胜秋，刘耀林
（武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072）
耕地是最基本的农业生产资料，是粮食生产最重要的物质基础，是粮食安全、社会稳定和国家长治久安的重要保障[1]。生态安全的概念由“土地健康”引申而来，是指自然和半自然生态系统不仅本体完整健康且与外部社会经济环境有机耦合的良好状态[2]。耕地生态安全不仅包括耕地生态系统自身的健康状态，还应考虑耕地的空间形态、区位及其与邻域环境如水体和山地等外自然系统的关系，这直接决定耕地的综合生产力和生产效率[3]。人口与经济的持续增长导致耕地资源大量流失，快速扩张的建设用地严重威胁耕地生态系统安全水平，间接影响耕地质量、农业生产效率和生态价值[4]。对此，2017年国家明确了“数量、质量和生态”三位一体的耕地保护思路。2021年3月两会审查通过的“十四五”规划更是指出要实施严厉的耕地保护政策。因此以耕地生态安全水平为切入点开展耕地保护和可持续利用研究对严守粮食安全底线，落实耕地“三位一体”保护，推进生态文明建设具有现实意义。
针对耕地生态安全水平这一课题，国内外学者在耕地生态安全理论[5,6]、耕地生态安全评价方法[7-9]、耕地生态安全评价体系构建[10-12]和耕地生态安全预警[13]等方面开展了大量研究。在耕地生态安全理论研究上，学者们主要以系统理论、可持续发展理论、安全科学理论等为指导，如赵柯等[14]以系统理论为指导，将耕地视为社会、经济、自然高度耦合的半人工生态系统，构建评价体系测度2005—2014年宁波市耕地生态安全变化情况；
王耕等[15]结合地理科学和安全科学理论，从灾害视角构建区域生态安全“状态—隐患”评价模型，探讨了生态安全演变的隐患触发与响应控制机制。在生态安全评价方法上近年来创新了状态空间模型、隐患—状态—免疫模型等新方法[16]，但仍以“压力—状态—响应（PSR）”模型和DPSIR模型最为成熟[17,18]。
目前学术界尚未形成统一的耕地生态安全评价指标体系，现有评价指标多是与自然、经济、环境相关的统计指标，如郑媛媛等[19]选取森林覆盖率、人口密度、GDP增长率等18个自然、经济、社会指标评价鄱阳湖地区耕地生态安全状况；
Wu等[20]选取作物多样性指数、农村土壤侵蚀率、绿色投资占GDP比重等指标测度云南省玉溪市耕地生态状况。现有指标体系虽然一定程度上可以反映耕地生态系统与人类社会的关系好坏，但局限在关注耕地生态系统自身的健康状态，忽略了耕地的空间形态、区位以及与邻域环境如水体和山地等外自然系统的关系[21,22]。然而耕地的空间形态和区位直接影响耕地生态系统的易损性和生态服务功能发挥效率，耕地与邻域环境的关系也是影响耕地生态系统和外界的物质与能量流动状态的关键因子，缺乏这两方面的考量将直接影响耕地生态系统安全的评价结果；
其次，现有研究在指标量化上多采用统计年鉴的平均数据来代表研究单元内全部耕地的状态，量化尺度过粗且缺乏耕地本底数据支撑，导致评价结果不能很好地诊断耕地存在的生态安全问题并提出具有针对性的耕地保护响应措施。
福建省是我国南方典型的山地丘陵地区[23]，是我国生态文明先行示范区。文章以系统理论为指导，基于“压力—状态—响应（PSR）”模型测度福建省耕地生态安全水平：（1）在考虑耕地生态系统自身健康状态的基础上，优化指标量化方法，围绕耕地生态系统自身健康状态和耕地自身与邻域系统的空间有序性两方面构建“压力—状态—响应（PSR）”评价体系，充分反映耕地生态系统面临的风险性、自身的易损性和生态功能韧性；
（2）依据指标体系计算2005年、2010年和2015年福建省各县区的耕地生态安全指数，探究2005—2015年福建省耕地生态安全水平时空演变特征；
（3）分级可视化“压力—状态—响应”三大子系统时空分布特征，以2015年耕地生态安全本底为基础，对应划分以“缓解耕地生态保护压力、改善耕地现有生态状态和加强耕地保护响应措施”为首要任务的三大耕地保护格局，该研究在识别一级耕地保护区的基础上，利用障碍度模型识别影响区内耕地生态安全的主要障碍因子[24]。研究揭示的耕地生态安全水平及障碍因子将为福建省更好地开展“生态省”建设，落实“三位一体”的耕地保护要求提供政策建议。
1.1 研究区概况
如图1福建省地处我国东南沿海，下辖9个地级市，陆地面积约12.4万km2，近海资源丰富，陆地海岸线长达3 752km。省内水系发达，河川年径流量达1 168亿m3，土壤以红壤和黄壤为主，年平均气温17～21℃，平均降雨量1 400～2 000mm，属于亚热带季风气候，气候条件优越，为农业生产创造了良好前景。但福建省境内多山地丘陵，形成了“八山一水一分田”的地理分布格局。复杂的地貌导致全省耕地资源平原地少，坡耕地多，城镇扩张亦使得全省尤其是东部沿海地区耕地资源愈加紧张，2015年福建省耕地面积为204.42万hm2，较2005年减少5.8万hm2，降幅为2.8%，耕地生态安全日益受到威胁。
图1 福建省地理位置与地形
1.2 数据来源
该文使用的空间数据包括福建省2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用数据（30m×30m），福建省DEM数字高程数据（30m×30m），福建省行政区划数据和福建省土壤数据（1km×1km）。土地利用数据和土壤数据来自中科院资源环境数据中心，DEM数据和行政区划数据来自地理空间数据云平台。
该文使用的统计数据包括福建省统计年鉴（2001―2016年）、福建省各地市统计年鉴（2006―2016年）、中国区域经济统计年鉴（2006年、2011年、2016年）和中国农村统计年鉴（2006年、2011年、2016年）。统计数据来源于福建省及其各地市统计局、中国经济社会大数据研究平台等。
2.1 耕地生态安全的PSR指标体系构建
PSR模型由经合组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）于1996年提出，并率先应用于土地质量评估工作[16]，目前已发展成为生态安全评价领域最成熟的模型之一，模型能较好反映经济、社会、环境三者协调关系，表征地区生态环境状况并识别驱动生态安全变化的主要因素。PSR模型包含压力、状态、响应3个准则层，压力是指威胁生态系统受损或灭亡的因素，状态是指生态系统在压力影响下表现出的健康状态，响应是指人们为消除生态系统所面临的风险和改善生态系统健康状况所采取的政策措施。
耕地生态系统是一个人类活动与自然调节高度耦合的生态系统[25]，耕地生态、生产、生活功能的实现不仅取决于耕地自身的好坏，还取决于人类的科学投入以及耕地与其他生态系统间的相互作用[26]。耕地生态安全水平是由耕地生态系统自身健康状态和耕地自身与邻域系统的空间有序性共同决定的，安全的耕地生态系统应趋近于更低的生态风险，更高的韧性、自主恢复能力和合理的资金管理投入，着重体现在耕地生态系统自身面临的生态风险压力、在内外部压力下当前所处状态以及在自我调节和人类协助下耕地恢复响应三大方面。因而，该文认为应以系统理论为指导，基于PSR（压力—状态—响应）模型构建福建省耕地生态安全水平评价体系。
参考近年来已发表的耕地生态安全文献[27-29]，结合福建省耕地和生态环境发展的实际特点，该文认为：福建省耕地生态系统面临的压力包括外部压力和内部压力。外部压力即耕地非农化压力，影响为加速耕地生态系统受损或消亡，包括经济发展与人口增长驱动下的城镇扩张压力、山地丘陵地区坡耕地退耕还林政策影响下的生态修复压力等；
内部压力即耕地生态系统健康恶化压力，影响为降低耕地土壤肥力和生态功能，包括农业生产中化学制品使用造成的环境污染压力和经营不善以及劳动力流失导致的耕地撂荒压力等。据此在压力层选取了20°～25°耕地面积比例、建设用地占用耕地强度等8个指标[30,31]。
福建省耕地生态系统表现的状态分为农业生产状态和生态系统易损状态。农业生产状态即耕地利用情况，反映耕地生产条件好坏，包括坡度、斑块面积、破碎程度、灌溉条件等耕地形态特征与自然环境特点；
生态系统易损状态即压力影响下生态系统的自我调节能力，反映耕地生态系统的稳定性，包括耕地土壤质量、使用频次、粮食生产水平等耕地产出稳定性和耕地转移强度等耕地变化稳定性。据此在状态层选取了耕地转移动态度、单位耕地粮食产量增长率等8个指标。
为改善福建省耕地生态系统健康采取的响应措施分为直接改善响应措施和间接改善响应措施。直接改善响应措施即以耕地为改善对象的响应措施，目的是提高耕地的生产效率和抗风险能力，包括增加农业生产中的科技投入和借助土地整理工程扩大耕地地块面积和连片度等；
间接改善响应措施即以其他要素为改善对象的响应措施，目的是改善耕地生态系统与外部环境进行物质交换和能量转移的条件，包括为完善农田水利设施、乡间道路等增加的农业固定资产投资和为治理土壤污染和地下水污染等增加的环境治理投资等。据此在响应层选取了面积加权的平均形状指数、耕地斑块密度变化率等6个指标[18]。
综上，依据对福建省耕地生态系统压力、状态、响应的内涵剖析，并结合研究数据的可获取性，该文在3个准则层选取了20°～25°耕地面积比例、耕地转移动态度和单位耕地面积农业机械总动力等22个指标，构建了福建省耕地生态安全水平评价指标体系如表1。
表1 福建省耕地生态安全水平评价指标体系
此外，为了能够准确评估各个指标的数据变化对生态安全水平的影响，该文对指标归一化后采用熵权法计算权重，理由为：（1）熵权法是一种依靠指标离散程度来定量计算指标权重的客观赋权方法；
（2）熵权法避免了主观赋权法的主观盲目性，保证赋权结果可以客观真实地反映各指标对福建省耕地生态安全水平的影响程度[34]。具体指标设置和权重赋值可见表2。
表2 福建省耕地生态安全水平评价指标权重
2.2 基于指标偏离度的障碍度诊断模型
障碍度模型是一种根据建构的指标体系评价结果，致力于识别出限制该结果进一步提升的关键障碍因子而引入的诊断措施[18]。目前在生态安全水平评价研究中，较为成熟的障碍度模型为基于指标偏离度的障碍度诊断模型[24]，公式为：
式（3）（4）中Mj为指标j的障碍度；
Wj为指标j的权重，Jj为指标j的偏离度；
X′j为指标j的标准化结果。
3.1 福建省耕地生态安全水平时空演变特征
初步汇总统计2005—2015年福建省70个县区的耕地生态安全指数如图2，指数平均值由0.406 1提升到0.442 2，中位数由0.382增加至0.394，极差和方差先降后升总体增加。可见研究时段内全省耕地生态安全水平持续向好，但各县区间两极化趋势加重，耕地生态健康程度差异增大；
莆田市和平潭县（福州市）可能是耕地生态安全保护最佳的区县。
图2 2005—2015年福建省耕地生态安全水平变化
为进一步可视化区县间耕地生态安全水平的空间差异，采用降序排列的方式绘制各期生态安全指数图3：2005—2015年福建省各县区的耕地生态安全水平分布格局基本保持稳定，空间上呈现“东西高中间低”的特点，具有显著的空间异质性。2005—2015年福建省耕地生态安全指数排名前10位的县区在地理上形成了“福州—莆田”和“厦门—漳州”两个组团，11～35位的县区围绕在前十县区周围，这些县区地处沿海平原，水热条件好，县区经济发达，农业基础设施与环境治理具有稳定的资金投入。全省耕地生态安全指数倒数后10位的县区在分布上多集中在福建省中部和北部的城市交界地带，如南平—宁德交界处、三明—南平交界处和三明—漳州—泉州的三角地带，这些县区多山地，地形复杂，耕作条件欠佳，加之城市交界地带权责不清晰，为农业设施更新和资本投入带来不利影响。
图3 2005—2015年福建省耕地生态安全水平排名分布
结合图4a，2005—2015年福建省各县区的耕地生态安全演变可以分为持续恶化、持续改善、先恶化再改善和先改善再恶化4种类型，以持续改善型和先恶化再改善型为主。其中持续改善型包含县区数量约占福建省县区总数的40%，在空间上呈现“工”字形态，先恶化再改善区分布于持续改善型县区周边，反映出持续改善区具有较强的辐射带动能力，耕地生态保护投入表现出正的外部效应；
仅有宁德市中部4县为持续恶化区，当地耕地生态安全主要受限于坡耕地比例较大，研究时段内暂未采取有效措施治理，水土流失的可能性高。如图4b，虽然宁德市中部10年间耕地生态安全水平持续恶化，但恶化的程度不高，仅相对降低5%以内，空间上除宁德市中部、南平市北部、三明市北部和漳州市南部小部分地区外，全省大部分县区的耕地生态安全状况得到显著改善，增幅超5%。可见近年来伴随着政策支持和资金投入，耕地生态总体大幅向好，但应注意不同县区间的耕地生态保护工作实施成效不同。
图4 2005—2015年福建省耕地生态安全水平演变
3.2 福建省耕地生态安全评价PSR子系统时空演变特征
表3给出了2005―2015年福建省县域尺度下的压力、状态、响应各子系统得分情况。2005―2015年福建省各县区压力子系统等级指数均值呈逐步下降的趋势，降幅为5.67%，各县区压力子系统等级指数的方差有所提高；
2005―2015年全省各县区状态子系统等级指数均值先降后升，2015年状态等级指数均值较2005年水平略低0.057，状态子系统得分的极差和方差均有所缩小，反映出全省各县区耕地生态安全状态逐步趋同；
2005―2015年福建省各县区响应子系统等级指数均值持续提升，其中2010―2015年提升幅度最大，升幅达32.72%，极差和方差有所扩大，说明全省各县区响应耕地生态保护的投入强度存在差异。
表3 2005—2015年福建省耕地生态安全水平各子系统得分
按照Jenks自然断点法将2005—2015年各子系统指数得分由高到低分成I、II、III级，福建省各县区耕地生态安全水平子系统等级分布结果如图5所示。压力子系统方面，2005—2015年福建省西部和东部沿海地区耕地生态保护压力最小，但随时间发展西部最优区范围从6个县区缩小到仅2个县区，10年间福建省中部和北部地区耕地生态保护压力最大，且在空间上由分散分布演变为集中连片分布；
状态子系统方面，2005—2015年全省耕地生态状态最优地区集中分布于福建省东南沿海，且最优地区的覆盖范围略有扩大，耕地生态状态最差地区出现在福建省中部，但随时间发展耕地生态状态最差地区的范围逐步缩小；
响应子系统方面，2005—2015年福建省响应子系统分布格局变化较大，耕地生态保护响应最差地区主要由福建省西北部和福建省东部地区向东和向南两方向发展，最差区范围呈扩大趋势，耕地生态保护最优地区的范围先缩小再扩大，2015年全省耕地生态保护最优区分布于福建省西部和东部沿海，空间上呈现“U”字格局。
图5 2005—2015年福建省耕地生态安全水平子系统等级分布
总体上2005—2015年福建省各县区耕地生态系统保护压力持续加大，耕地生态安全状态基本平稳，但得益于各地区对耕地生态系统保护的投入力度不断加强，未来福建省各县区耕地生态安全水平仍然呈向好发展趋势。空间上压力和状态子系统均在福建省东南沿海呈现最优，在中部和北部较劣，研究时段内该格局变化不大，响应子系统较差的地区主要集中在西北部，并呈现扩大趋势。
3.3 福建省生态安全保护格局与障碍因子诊断
以2015年福建省各县区的压力、状态、响应等级结果为依据，设置不同的首要保护任务，划分出以缓解耕地生态保护压力为首要任务、以改善耕地现有生态状态为首要任务和以加强耕地保护响应措施为首要任务的耕地保护格局。具体划分方法：按照各子系统分级结果将福建省各县区划分成三大保护区域（一级耕地保护区、二级耕地保护区、三级耕地保护区），首要任务对应的子系统现状为III级的县区为一级耕地保护区，首要任务对应的子系统现状为II级的县区为二级耕地保护区，首要任务对应的子系统现状为I级的县区为三级耕地保护区。
如表4，若以缓解耕地生态保护压力为首要任务，福建省一级耕地保护区包括寿宁县等21个县区，主要集中在省中心城市交界地带（图6a）。其中寿宁县、政和县等12个县区的障碍度最高的两项因子为20°～25°耕地面积比例和25°以上耕地面积比例，县区主要面临来自生态退耕和水土流失两方面的耕地保护压力，政府应当通过土地整理工程将坡耕地改造为梯田以降低水土流失风险[35]，在响应生态退耕要求的同时在辖区内开垦新耕地以保证耕地数量平衡。永安市、大田县等9个县区的障碍度最高的两项因子为20°～25°耕地面积比例和二三产业比重，县区的耕地资源除面临水土流失风险外，还主要面临着农业劳动力流失和环境污染的风险，政府在加快坡耕地改梯田的同时，应支持村民开办家庭农场，鼓励村民务农兴业，加强二三产业污染物排放管理以保护灌溉水域和土体质量。
表4 不同首要任务下一级耕地保护县区及障碍因子
若以改善耕地现有生态状态为首要任务，福建省一级耕地保护区包括将乐县等25个县区，自福建省西南部至东北部呈“人”字条带分布（图6b）。其中屏南县、泰宁县等16个县区的障碍度最高的两项因子为耕地平均坡度和耕地平均斑块面积，县区应着重注意耕地资源所在坡度偏大易导致的水土流失，以及耕地单体面积小易导致的耕地资源稳定性降低，政府应当对现有中高坡度坡耕地进行梯田化改造，通过土地整理工程以提高耕地连片度，推动农业集约化和规模化生产。光泽县、顺昌县等9个县区的障碍度最高的两项因子为耕地平均斑块面积和复种指数，县区的耕地资源除具有耕地单体面积小的特征外，还存在复种指数偏低的问题，政府一方面应采取工程手段提高单块耕地面积，另一方面在保证科学休耕的同时，应鼓励农民应季种植不同的农作物，促进农民增收，保证耕地利用处于合理强度。
若以加强耕地保护响应措施为首要任务，福建省一级耕地保护区包括浦城县等28个县区，分为“一大三小”4部分（图6c），其中浦城县、福鼎市等11个县区的障碍度最高的两项因子为第一产业固定资产投资和环境污染治理投资，农业基础设施不完善会降低耕地抗灾害能力，土壤和水环境污染会直接威胁农作物安全，政府应强化耕地保护意识，依托乡村振兴战略制定兴农助农投资计划，此外还应安排财政专项资金兴修和完善排污治污设施，实施高污染企业的有序退出。松溪县、建阳县等17个县区的障碍度最高的两项因子为单位耕地农业机械总动力和环境污染治理投资，政府在持续增加环境治理投资的同时，还应为当地农户宣讲改变传统农耕方式的必要性，提高农民进行机械化生产的积极性，并提供一定额度的农机使用补贴，组织农技专家下乡指导农民开展农业机械化生产。
自21世纪初我国开始施行耕地保护政策以来，我国耕地保护思路从只注重耕地数量平衡发展到努力构建“三位一体”的耕地保护格局[36]。开展耕地生态安全评价对于排查耕地生态安全隐患，了解耕地生态安全状况，指导耕地生态系统修复具有重要意义[12]。耕地生态安全研究不应只关注耕地数量、空间分布和景观生态学上的变化，耕地个体属性和所处自然环境的变化同样不可忽视。因此，该文以系统理论为指导，基于PSR模型着重考虑空间邻域因子构建耕地生态安全水平指标评价体系，并结合时空统计分析、障碍度模型等方法探究福建省耕地生态安全水平演变特征及主要障碍因子，结论如下。
2005―2015年福建省各县区的耕地生态安全状况总体改善，但各县区间耕地生态安全水平的差异性扩大，空间上呈现“东西高中部低”的特点。其中福州—莆田地区、厦门—漳州地区和龙岩—三明西地区的耕地生态安全水平在全省处于领先地位，但中北部地区城市交界处的耕地生态安全状况未能较好改善，如南平—宁德交界处和三明—南平交界处，这些地区10年间耕地生态安全状况均存在波动，可见耕地生态保护工作缺乏持续性[11]。10年间全省除宁德市的耕地生态安全水平略有恶化外，其余城市均不同程度改善，宁德市应制定中长期规划加强耕地生态安全保护。分子系统看，虽然耕地保护响应力度的显著提高导致耕地生态安全水平总体趋正，各地市在落实耕地生态保护方面采取了有效措施；
但近年来耕地生态安全压力增加，现有耕地生态安全状态仅基本维稳。空间上压力和状态子系统基本稳定，均呈现“东部沿海优中西部较劣”，响应子系统较差的地区主要集中在西北部并呈扩大趋势，这主要是由于东部沿海地区显著增加了环保资金投入，加剧了地区间的差异所致。福建省今后开展耕地生态保护工作时，要从生态系统整体性出发，把耕地生态保护的“压力—状态—响应”子系统结合起来综合治理，同时应加强关注西北薄弱地区，适当实施财政补贴政策减弱地区间差异。
以缓解耕地生态保护压力为首要任务的一级耕地保护区共计21个县区，多位于省中部城市交界地带，地方政府应着重注意坡度和二三产业比重因子的限制，确定各地永久基本农田保护任务，严格保护高标准农田限制“耕地上山”，同时应制定粮食扶持措施并完善补贴机制以提高农民生产积极性[31]；
以改善耕地现有状态为首要任务的一级耕地保护区共25个县区，呈条带状分布，横贯福建省西南部至福建省东北部地区，应着重注意耕地斑块面积、所在坡度和复种指数因子的限制，地方政府应着手促进耕地连片发展，提高单块耕地面积；
必要时实施“坡改梯”工程以缓解水土流失风险；
科学安排耕地轮作休耕，提高耕地产出效率[18]；
以加强耕地保护响应措施为首要任务的一级耕地保护区分为“一大三小”4部分，包含28个县区，地方政府应着重注意第一产业固定资产投资额、单位耕地农业机械总动力和环境污染治理投资因子的限制，按照“政府主导—金融扶持—农户参与”的思路，安排专项资金促进环境治理同时兴农助农；
完善农业基础设施，提高耕作机械化率，落实好科技特派员下乡制度，引导农户科学生产、绿色生产；
开展土壤污染整治行动，依托科技手段进行土壤改良，加强耕地抗污染抗灾能力和自我调节能力。
该文在开展福建省耕地生态安全评价时，由于缺乏更好的数据源，暂利用耕地转为草地比例来测度区域内耕地撂荒的风险，虽然这种操作方法存在先例且具有一定科学性[29]，但是这种测度结果可能存在误差；
此外该文缺乏反映农村空心化、农民种粮收益和农民耕作习惯等方面的数据，未能充分挖掘以农民为主体开展耕地格局优化与生态安全治理的方式方法。后续研究可尝试用遥感分类与农村入户实地调研相结合的办法更新该文的耕地撂荒数据，进一步采取问卷调查或访谈探索农民行为对耕地生态安全的影响以完善指标体系，以期提出更多以农民为主体的耕地保护建议。
该文围绕耕地生态系统自身健康状态、易损性和生态功能韧性，耕地自身与邻域系统的空间有序性和政策资金投入等方面构建“压力—状态—响应”（PSR模型）指标体系，空间可视化讨论福建省耕地生态安全水平演变特征及主要障碍因子。研究发现：（1）2005—2015年福建省耕地生态安全状况整体改善，但全省耕地生态系统健康状态内部差异扩大，空间上呈现出“东西高中部低”的特点；
（2）全省耕地生态安全压力子系统略有恶化，状态子系统基本稳定，近年来环保资金的大量投入使得响应子系统显著改善。（3）坡陡和一产投资稍欠是是降低耕地生态压力的主要障碍因子、耕地图斑破碎和轮作制度不规范限制耕地生态状况改善、机械化生产显弱及环保投资不足阻碍耕地生态响应平衡。该研究建议在统筹考虑“压力—状态—响应”三大子系统的基础上，明确各阶段全省耕地生态保护的首要任务，划分耕地生态安全保护格局，针对不同地区的主要障碍因子因地制宜精准施策。
