基于PSR 模型的甘肅河西走廊地區農業生態安全評價及影響因素分析

陳雅莉，樊 偉，齊 鵬，王曉嬌

（甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著全球氣候變化和極端氣候事件對人類社會的經濟發展、糧食安全以及陸地生態系統等方面的影響，目前碳排放問題成為影響國家甚至全球社會經濟安全的重要因素。農業碳排放安全作為農業生態安全的重要組成部分，對農業生態環境有很大的影響。我國作為一個農業大國，農業所釋放的溫室氣體占排放總量的11%[1]，因此保障農業碳排放安全對我國來說不僅是應對氣候變化、改善環境污染現狀的選擇，同時也是實現農業綠色可持續發展的要求?！班l村振興戰略”的提出表明：“三農問題”是關乎國計民生的根本性的問題。此外，“2030 年二氧化碳排放達到峰值，努力在2060 年實現碳中和”的重大決定充分彰顯了碳排放安全的重要性。因此，甘肅河西走廊地區農業碳排放及生態環境安全與否不僅是保障國家糧食安全和農業可持續發展的基礎，同時也是助力實現“雙碳目標”的必然要求。

雖然我國關于生態安全的研究起步較晚（大概1900 年后期才被提出），但近年來該問題是國內學者與公眾研究與討論的熱點，目前已在生態安全的概念、評價指標體系的構建及其評價方法等方面取得了很大的進展。生態安全評價指標體系構建是生態安全評價的重要環節，評價標準被認為是對生態環境系統安全研究的關鍵點之一[2]，國內學者在耕地[3]、土地[4]、水資源[5]、農業[6]等方面對其進行了大量的研究。在生態安全評價指標體系構建中，張小虎等[7]從經濟、社會、生態環境三個方面構建了土地生態安全評價指標體系；李玉照等[8]基于DPSIR 概念模型構建了流域生態安全評價指標體系；趙宏波[9]基于PSR-EES 模型構建耕地生態安全評價指標體系，并以吉林省為研究對象對其生態安全進行實證分析；奉婷等[10]從耕地自然質量、利用條件、空間形態與生態安全4 個方面構建耕地質量綜合評價體系，并基于GIS 平臺對耕地質量綜合指數測算。在生態安全評價方法方面，劉勇等[11]從自然、經濟、社會3 方面著手建立了土地資源生態安全評價指標體系，并通過計算指標的安全指數對土地資源生態安全狀況進行綜合評價；賈艷紅等[12]在PSR 概念框架模型指導下，將熵權法與綜合評價法有機結合，對甘肅牧區草原生態安全進行評價；余敦等[13]借助物元模型對鄱陽湖生態經濟區的土地生態安全狀況進行研究，為生態安全評價提供了新途徑；潘竟虎等[14]利用景觀生態學方法、空間主成分分析和GIS 技術對內陸河景觀進行生態安全評價；呂廣斌等[15]基于DPSIR-EES 模型構建區域土地生態安全評價體系，并運用TOPSIS 法對重慶市土地生態安全狀況進行分析，采用ESDA-GIS 法進行了區域土地生態安全時空分異研究?，F有的研究成果為農業生態安全評價的研究提供了參考，但相關研究還存在一些問題：（1）目前，國內外學者對生態安全評價的研究主要涉及耕地、水資源安全以及土地生態安全評價等方面，而對農業生態安全研究不足。（2）在指標選取上，很少有研究考慮農田生態系統碳排放、碳吸收和碳足跡等對農業生態環境的影響。（3）研究尺度多以單個省市、經濟區以及流域等為主，很少有對以灌溉農業為主的甘肅河西走廊地區農業生態安全進行研究。

河西走廊自古以來一直具有重要的經濟和戰略地位，是中國東部通往西域的咽喉要道，在經歷了漫長的歷史變幻后，河西絲綢之路逐漸走向了衰落，但隨著“一帶一路”戰略構想的提出，河西走廊的再次繁榮迎來了機遇。新中國成立以來，由于具有生態屏障作用的祁連山與河西走廊地區的生態問題長期沒有得到足夠的重視，加上粗放型的經濟增長方式，致使祁連山與走廊綠洲生態系統受到嚴重破壞且已出現相應生態環境問題，如祁連山雪山上升、草原退化、地下水位下降、土地荒漠化等。河西五市中，由于嘉峪關、金昌兩市是礦業城市，所以針對于農業生態安全的評價與分析只選取武威、張掖、酒泉3 市作為研究對象。本文在考慮農田生態系統碳排放、碳吸收等基礎上，基于PSR模型構建的農業生態安全評價指標體系，包括從農業生態環境壓力、狀態以及響應3 方面選取共18 個指標，同時運用綜合評價模型評價甘肅河西走廊地區農業生態安全狀況，采用因子障礙度模型對指標層中的各評價指標進行障礙度診斷。研究河西走廊農業發展問題，既是實現社會經濟可持續發展的必然要求，也是全面貫徹國家相關重大戰略布局的現實需要，同時也為甘肅河西走廊地區農業綠色發展、推進供給側結構性改革和加快農業轉型升級提供科學支撐。

1 研究地區及數據來源

1.1 區域概況

河西走廊位于甘肅西部烏鞘嶺以西，祁連山以北，合黎山以南，走廊狹長且直，地處黃河之西，被稱為“河西走廊”。如今多指甘肅14 個市州中的河西五市，包括酒泉、張掖、武威、金昌、嘉峪關，本研究選取酒泉、張掖、武威3 市作為研究對象。石羊河、黑河和疏勒河三大內陸河從東至西流經該地區，在張掖、臨澤、高臺區域內，以及酒泉一帶形成大面積綠洲，是甘肅河西地區的重要農業區。河西走廊地處西北干旱區，山地- 綠洲- 荒漠- 沙漠是其主要的生態系統。其氣候屬大陸性干旱氣候，年降水量只有200 mm 左右，全年日照時長處于2 550 ～3 500 h，光照資源豐富，對農作物的生長發育十分有利。其中，2017 年武威市完成人工造林3.55 萬hm2、封育2.2 萬hm2、防沙治沙用沙面積1.5 萬hm2，森林覆蓋率19.7%。2017 年張掖市農業用水20.35億m3，森林覆蓋率15.66%，綠化覆蓋率39.99%。2017年，酒泉市農業用水量22.4 億m3，退耕還林面積0.43萬hm2，森林覆蓋率5.29%。

1.2 數據來源

本文數據源自《甘肅發展年鑒》（2009-2018 年）；《張掖統計年鑒》（2009-2018 年）；《武威統計年鑒》（2009-2018 年）；《酒泉年鑒》（2009-2018 年），以及張掖、武威、酒泉3 市的2008-2017 年國民經濟和社會發展統計公報。其中指標碳排放量、碳吸收量以及碳足跡計算方法由研究方法中碳足跡估算方法算得。

2 研究方法

2.1 PSR 概念模型的構建

2.1.1 農業生態安全評價指標體系構建

PSR 模型是經濟合作與發展組織（OECD）和聯合國環境規劃署（UNEP）共同提出的用于研究環境問題的一種框架體系，該模型強調社會經濟運作與環境變化的互動關系。評價指標的選取是評價的基礎，本研究結合其他學者對農業生態安全的研究，在此基礎上分析PSR 模型中壓力、狀態、響應的內涵以及對農業生態安全的影響，構建基于PSR 模型的河西走廊地區農業生態安全評價的概念框架。

壓力（P）指標主要指在農業發展過程中，人類活動對農業生態環境產生的直接或間接的影響。狀態（S）指標主要指由于壓力而形成的當前農業生態環境的狀態。響應（R）指標是指在生態系統或者社會為應對面臨的風險所采取的措施。將PSR 模型的壓力、狀態和響應與甘肅河西走廊地區農業生態安全狀況進行結合，按照指標體系構建的原則，借鑒相關學者已有的研究成果[16-25]，結合該地區實際情況與特點，從農業生態環境壓力、農業生態環境狀態、農業生態環境響應3 方面共選取18 個指標，建立農業生態安全評價指標體系，見表1。

表1 甘肅河西地區農業生態安全評價指標權重值

2.1.2 數據標準化

因指標的性質、數值和單位等各不相同，并且具有較大的差異性，因此，為消除量綱影響，需要對選取的指標進行統一標準化，本文采用極值法對各指標原始數據進行標準化處理。計算公式為：

式中，Xij為標準化后的值；xjmax表示第i個樣本的第j個指標的最大值；xjmin表示第i個樣本的第j個指標的最小值。

2.1.3 指標權重的確定

熵值法是一種依據各指標的變異程度，利用信息熵計算出較為客觀的指標權重，評價結果具有較高的可信度。因此本研究選擇熵值法進行指標權重的確定，計算公式[26]如下所示。

2.1.3.1 計算第j項指標的第i年樣本值的比重pij：

2.1.3.2 計算得到第j個指標的熵值ej和冗余值fj：

2.1.3.3 計算第j個指標的熵權ωj，（計算結果見表1）。

2.1.4 碳足跡估算方法

2.1.4.1 農田生態系統碳排放量計算式[27]如下：

式中，E為碳排放總量；Ef為施用化肥引起的碳排放量；Ep農藥施用引起的碳排放量；Em為使用農膜引起的碳排放量；Ee為使用農業機械引起的碳排放量；Ei為農業灌溉引起的碳排放量。計算方法分別為：

式中，Gf為化肥施用量；Gp為農藥施用量；Gm為農膜使用量；Ae為農作物種植面積；We為農業機械總動力；Gi為有效灌溉面積。A、B、C、D、F、G 為各碳排放源的碳排放轉化系數，確定數值見表2。

表2 農資投入品碳排放轉化系數

2.1.4.2 農田生態系統碳吸收量估算方法。本研究中將農田作物全生育期碳吸收作為碳吸收的主要途徑，農田作物碳吸收主要表現為其上農作物光合作用所固定的碳。通過作物平均含碳率、作物經濟產量、作物含水率和作物經濟系數等指標計算農作物全生育期對碳的吸收量，其計算公式[28]如下：

式中，Y為區域農作物生育期對碳的吸收總量；Yi為第i類作物生育期對碳的吸收量；Ci為第i類作物的含碳率；Qi為第i類作物的經濟產量；fi為第i類作物果實的含水率；Hi為i類作物的經濟系數。結合河西走廊實際情況，選取的主要農作物及其經濟系數（Hi）、碳吸收率（Ci）、含水率（fi）[32-38]見表3。

2.1.4.3 農田生態系統碳足跡核算。碳足跡（CEF,單位：hm2）的計算公式[31]如下：

式中，E為農田利用的碳排放總量；Ns為1 hm2的農作物1 年吸收的碳量；Y為所有農作物全生育期對碳的吸收量；S為耕地面積。CEF為河西走廊地區農田生態系統吸收其農田生態系統碳排放所需要的生產性土地的面積[37]。

2.1.5 農業生態安全評價

多指標綜合評價模型是根據不同評價目的，選擇多個指標構建指標體系，并通過特定的方法對被評價的事物作出定量化的總體的判斷，是用來反映評價對象整體狀態的評價模型。本研究選用多指標綜合評價模型評價河西走廊地區農業生態安全狀況，計算公式[26]如下：

式中，U為農業生態安全值；ωi為指標i的權重；Xij為指標的標準化值。

2.1.6 農業生態安全等級劃分標準

目前對農業生態安全等級的劃分沒有統一的標準，各學者都是借鑒前人研究的成果及經驗，并根據區域特點對評價等級進行劃分。本研究在參考相關研究成果的基礎上[26，,39-42]，結合本文的計算結果及河西走廊地區的實際情況，將河西走廊地區農業生態安全情況劃分為5 個等級（見表4），該分級標準以求最大程度地反映甘肅河西走廊地區農業生態安全的區域差異，為分析該地區農業生態安全狀況提供參考。

表4 農業生態安全評價指數分級標準

2.2 因子障礙度分析

農業生態安全評價并非只停留在水平發展趨勢的研究，更為關鍵的是找到制約其安全水平提升的因素，為此，本文在綜合評價的基礎上引入因子障礙度模型對河西走廊地區農業生態安全進行障礙因素判斷。具體計算公式[26]如下：

式中，Ai為因子障礙度；pi為指標偏離度，pi=1-Xij，Xij為單項指標的標準化值；ωi為因子貢獻度，即指標權重。

3 結果與分析

3.1 河西走廊地區農業生態安全評價結果分析

3.1.1 河西走廊地區農業生態安全特征分析

張掖市農業生態安全綜合值和安全等級見表5，由表5 可知，2008-2017 年張掖市農業生態壓力指數、狀態指數、響應指數與綜合指數均呈現波動上升趨勢，其中壓力指數數值變化狀態接近于動態平衡，變化范圍較??；狀態指數數值上升趨勢明顯，變化范圍最大。張掖市農業生態安全等級在10 年間由Ⅱ級上升到Ⅳ級，經歷了“較不安全- 臨界安全- 較安全”的發展過程，表明張掖農業生態安全狀況在逐步改善。

表5 張掖市農業生態安全綜合值與安全等級

武威市農業生態安全綜合值和安全等級見表6，由表6 可知，2008-2017 年武威市農業生態壓力指數、狀態指數、響應指數與綜合指數均呈現波動上升的趨勢，其中壓力指數數值在2013-2014 年存在極其明顯的下降過程，其余指數保持較穩定的上升趨勢。武威市10 年間的農業生態安全等級由Ⅱ級上升到Ⅳ級，安全等級經歷了“較不安全- 臨界安全- 較安全”的發展過程，表明武威市農業生態安全狀況在逐步改善。

表6 武威市農業生態安全綜合值與安全等級

酒泉市農業生態安全綜合值和安全等級見表7，由表7 可知，2008-2017 年酒泉市農業生態壓力指數整體變化趨勢為動態下降，狀態指數、響應指數與綜合指數均為上升趨勢，其中狀態指數在2012-2013 年上升趨勢最明顯。酒泉市10 年間的農業生態安全等級由Ⅱ級升至Ⅲ級，其安全狀態經歷了“較不安全- 臨界安全”的發展過程，表明酒泉農業生態安全狀況正逐步改善，但其生態安全整體情況依舊較差，因此酒泉市仍然需要加大生態環境保護，加強生態文明建設。

表7 酒泉市農業生態安全綜合值與安全等級

3.1.2 河西走廊地區農業生態安全時空演變分析

從空間尺度上對河西走廊地區各地市農業生態安全進行評價，可以看出河西走廊地區各地市農業生態安全程度差異性，根據河西走廊地區各地市農業生態安全評價結果，選擇2008、2013、2017 年的數據對河西走廊地區各地市農業生態安全水平進行分析。

應用ArcGIS 軟件揭示河西走廊地區農業生態安全時空演變特征，由圖1 可知，2008 年，酒泉市、張掖市和武威市均處于較不安全等級；2008-2013 年，武威市依舊處于較不安全狀態，酒泉市、張掖市達到臨界安全狀態，農業生態安全狀況總體有所改善，甘肅河西走廊地區農業生態安全格局發生改變；2013-2017 年，該地區農業生態安全水平持續改善，除酒泉市依舊處于臨界安全狀態外，其余地市均上升至較安全狀態。整體來看，甘肅河西走廊地區的三個地市各年份農業生態安全狀況均有所好轉，但整體農業生態安全狀況仍然較差，因此還需要不斷加強對生態環境的保護力度。

圖1 農業生態安全等級時空差異

3.2 河西走廊地區農業生態安全影響因素分析

3.2.1 準則層障礙因子

張掖市、武威市以及酒泉市2008-2017 年各準則層的障礙度采用因子障礙度模型計算。

由圖2 可以看出，2008-2010 年，張掖市處于農業經濟向工業經濟轉軌的關鍵時期，粗放的經濟增長方式，加之處在工業化的初級階段等，使得狀態層和響應層障礙度較大，其狀態層障礙度＞響應層的障礙度＞壓力層障礙度。2011-2014 年，由于張掖市農業發展過程中化肥、農藥和農膜的使用量較高，面源污染較為嚴重，對其農業生態安全水平有較大的制約，期間農作物還受低溫冰凍災害和高溫干旱的影響，成災率較高，糧食產量較低，因而壓力層障礙度快速增大，致使狀態層障礙度＞壓力層障礙度＞響應層的障礙度。2015-2017 年，壓力層障礙度超過狀態層和響應層障礙度，此時，提升農業生態安全性的關鍵在于降低壓力系統障礙度。因此，從長遠來看，壓力層是影響張掖市農業生態安全水平的主要因素。

圖2 張掖市農業生態安全準則層障礙度

由圖3 可以看出，武威市壓力層障礙度在2017 年驟降，是由于化肥施用量的減少，導致碳排放也降低，使得壓力層障礙度減小。由于農業對氣候變化比較敏感，受氣溫和降水的影響農作物受災率與單位面積糧食產量都會發生變化，農業發展容易受到制約，因此武威市2017 年的狀態層障礙度突然升高。由于武威市生態治理相關重點項目的實施，其生態環境的惡化得到有效遏制，對農業生態安全的影響逐年減小，響應層的障礙度呈波動下降趨勢，說明武威市在應對惡化的生態環境時所采取的措施起到了正向的作用。

圖3 武威市農業生態安全準則層障礙度

由圖4 可以看出，10 年間酒泉市壓力層障礙度呈波動上升趨勢，說明制約農業生態安全的因素持續增強，其中在2013 年壓力層障礙度達到最大。狀態層的障礙度呈波動性下降趨勢，說明酒泉市農業生態環境正在不斷改善，對農業生態安全的影響逐漸減小，2013年由于前期相關生態工程效果開始顯現，狀態層障礙度達到最低。除此之外，其響應層障礙度也在相關生態工程的成效影響下呈波動下降趨勢。長遠角度來看，壓力層依舊是影響酒泉市農業生態安全的主要因素。

圖4 酒泉市農業生態安全準則層障礙度

3.2.2 指標層障礙因子

本研究為找出影響張掖、武威、酒泉三市農業生態安全的具體因素，采用因子障礙度模型計算張掖、武威、酒泉三市2008-2017 年各指標的障礙度，并選前6 項障礙度最大的指標為主要影響因子，結果見表8 至表10。

表8 張掖市農業生態安全障礙因素排序

由表8 可知，10 年間，張掖市“人口密度”“農田碳足跡”“居民受教育程度”“農作物成災率”“非農業人口比率”等因子的障礙度逐年提高。這是由于人口增多、非農業人口比率不斷提升等情況的出現，在不斷增加的增產增收的需求下，大量化肥及農膜的投入使用導致農田碳足跡增長過快。同時，大部分為抵御自然災害的能力不強的山灘旱地的耕地狀況與農民綜合素質較低等問題也在很大程度上影響了張掖市現代農業的發展。

此外，在系列生態戰略提出的背景下，農業生產化肥零增長措施的施行、生態工程建設步伐的加快、有效灌溉面積的持續增加、土地資源利用程度的不斷加強，這不僅明顯改善了農民生活質量，“土地墾殖率”“森林覆蓋率”“化肥施用強度”“農民人均純收入”“造林面積”等因子的障礙度的逐漸減小，也體現出了張掖市農業生態安全穩定性的增強。

由表9 可知，10 年間，武威市“農膜施用強度”“居民受教育程度”“農作物成災率”“非農業人口比率”等因子的障礙度逐年提高，說明農村勞動力的不足，受教育程度低而無法跟上產業結構的升級，農業基礎設施構建不夠完善，農膜使用量一直較高等因素制約了武威農業生態安全水平的提升。

表9 武威市農業生態安全障礙因素排序

“森林覆蓋率”“有效灌溉面積”“化肥施用強度”“土地墾殖率”“農業人均用水量”等因子的障礙度逐漸減小，說明武威市深入推進全域生態文明建設專項行動，圍繞“一控兩減三基本”目標，實施化肥農藥使用量零增長，面源污染防治水平顯著提升。

由表10 可知，酒泉市2008-2017 年間，“人口密度”“農膜施用強度”“居民受教育程度”“單位耕地碳排放”等因子的障礙度逐年提高。物質需求伴隨著人口的增加日益增長，較高的農膜使用量，居民對生態保護的意識因受教育程度較低而較弱，較為粗放的經濟發展方式以及工業發展對生態環境較嚴重的破壞等，都影響了酒泉市農業生態安全。

表10 酒泉市農業生態安全障礙因素排序

“土地墾殖率”“農田碳足跡”“森林覆蓋率”“農民人均收入”“單位耕地碳吸收”等因子的障礙度逐漸減小。環保力度進一步加大，系列政策與重點生態工程的出臺、實施，農作物播種面積的擴大以及種植結構的不斷調整，農田生態系統碳排放量有所增長，但其碳吸收量遠大于排放量，農田碳足跡的障礙度逐漸減小，農民人均收入也持續增長。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究選擇甘肅河西走廊地區的3 個城市作為研究對象，在考慮農田生態系統碳排放、碳吸收以及碳足跡的基礎上，基于PSR 模型構建了該地區農業生態安全評價指標體系，運用熵值法確定指標權重，根據各項指標的權重及農業生態安全指數對研究區域2008-2017 年的農業生態安全進行綜合評價并對其主要障礙因子進行分析。研究結果如下：

（1）總體來看，甘肅河西走廊地區農業生態安全水平在不斷提升，農業生態環境在逐漸改善，但該地區的農業生態安全水平仍有很大的提升空間。其中，張掖市農業生態安全等級由“較不安全”向“較安全”轉變；武威市農業生態安全等級由“較不安全”向“較安全”轉變；酒泉市農業生態安全等級由“較不安全”向“臨界安全”轉變。

（2）甘肅河西走廊地區農業生態安全壓力層障礙度對農業生態安全的影響持續增強，狀態層和響應層的障礙度對農業生態安全的影響逐年減小。

（3）影響張掖、武威、酒泉農業生態安全的障礙因素有重疊又有不同，其中“森林覆蓋率”“農膜使用強度”“居民受教育程度”等因子是影響河西地區農業生態安全共有的障礙因素。

4.2 討論

本研究通過多指標綜合評價模型對甘肅河西走廊地區農業生態安全進行評價，可以看出該地區2008-2017 年農業生態安全狀況在向好改善，這與雷百戰等[43-44]的研究結果相類似。陳英等[45]對2001-2012年張掖市的土地生態安全進行預警分析，結果顯示張掖市土地生態安全維持在“中警”水平；任小鳳[46]對張掖市進行農業生態安全評價，發現2001-2010 年農業生態安全水平總體偏低，與本研究的研究結果相吻合。武威市農業生態安全等級由“較不安全”上升至“較安全”，這與喬蕻強等[47]的研究結果相類似，但由于評價對象、評價模型以及安全等級劃分標準的不同，其對應年份所處生態安全等級有所差異。酒泉市農業生態安全等級由“較不安全”上升至“臨界安全”，這與劉凌冰等[48]的研究結果相類似，但由于評價目的和對象的不同，對指標的選擇也不相同，不同的評價指標體系和模型得出的農業生態安全指數也不同。

目前對生態安全評價的研究主要涉及土地利用績效評價、濕地生態安全評價、耕地生態安全評價等[49]，而且國內外沒有統一的農業生態安全評價指標體系?？茖W合理的評價指標體系是保證農業生態安全評價結果是否準確的基礎，農業生態安全評價指標體系包括資源、環境、人口、社會、經濟等多方面因素，運用PSR 模型能夠分析社會經濟運作與環境變化之間的關系。本研究基于PSR 模型構建了甘肅河西走廊地區農業生態安全評價指標體系，但由于本研究所有數據均來自統計年鑒，年鑒中的統計數據在某些年份存在缺失情況，且考慮指標數據的量化性和可獲取性，本文只選取了18 個指標。在后續研究過程中，應進一步收集相關數據，將河西走廊地區農業生態安全評價指標體系進一步完善。