李久枫，刘艳艳，吴大放，杨木壮，陈震霖

（1.广州大学地理科学学院国土与城镇规划研究所，广东 广州 510006；

2.华南师范大学地理科学学院，广东 广州 510631）

近30年珠海市耕地生态安全评价及未来预测

李久枫1，2，刘艳艳1，吴大放1，杨木壮1，陈震霖1

（1.广州大学地理科学学院国土与城镇规划研究所，广东 广州 510006；

2.华南师范大学地理科学学院，广东 广州 510631）

开展耕地生态安全评价有利于耕地资源的可持续利用与国家粮食安全。为了解珠海市耕地生态安全状况，构建了基于PSR模型的评价指标体系。运用熵值法确定各项指标权重，定量分析1985—2014年珠海市耕地生态安全值，采用等间距法将耕地生态安全级别划分为不安全、较不安全、临界安全、较安全、安全5个等级，并引入灰色系统理论预测2015—2020年珠海市耕地生态安全等级，分析其驱动因素。研究结果表明：1985—2014年珠海市耕地生态安全综合值呈U型变化，安全等级经历了较安全-临界安全-较安全-临界安全-较不安全-临界安全-较不安全-临界安全的演变历程，耕地生态安全等级于1999年之后显著转好；2015—2020年珠海市耕地生态安全综合值呈上升趋势，安全等级由临界安全发展到较安全，未来耕地生态安全水平较为乐观；人口增长与经济发展导致的人地矛盾仍是影响耕地生态安全水平的关键因素。

耕地生态安全；PSR模型；灰色系统理论；珠海市

随着国家“五位一体”战略布局，生态安全评价愈来愈融入到区域建设的各个层面，生态安全评价也愈加关注耕地生态系统的安全性。耕地作为土地资源的精华，历经长期的人为作用，形成了一个多功能、综合性的生态系统［1］。耕地生态安全是指耕地相对于生态威胁来说的特殊功能状态，它包括耕地资源环境、生态系统和社会经济的安全［2］。由于中国城市化进程的不断加快，人地矛盾不断加剧，导致耕地生态安全压力加大，表现为水土流失加剧、农田生物多样性丰度下降、耕地数量减少及质量下降［3］，进而诱发国家粮食安全、农产品质量安全、生态安全等问题，威胁社会稳定及经济可持续发展［4］。因此，开展耕地生态安全评价研究、认识当前耕地生态安全状况、采取有效措施改善和加强耕地生态安全保护，对于维护国家粮食安全及走中国特色农业现代化道路具有重要意义。

自20世纪70年代提出生态安全概念以来，耕地生态安全研究不断受到关注［5］。目前，国际上对耕地生态安全的研究主要侧重在耕地生态安全与可持续利用，如Rasul等［6-7］分析了耕地持续利用与生态状况的关系；Cassman等［8］研究了粮食安全与生态平衡的关系；Faber等［9-11］在土壤生态安全评价中引入生态系统服务概念，改进了传统的生态安全评价。国内关于耕地生态安全评价研究成果丰硕，在评价模型与理论应用上结合DPSIR模型［12-14］、PSR模型［15-16］、生态足迹法［17-19］、GIS空间分析技术［20-22］、生态学能值理论［23-25］等开展了四川盆地、长江中下游平原、华北平原等耕地集中连片区的耕地生态安全评价，另外部分学者将影响耕地生态安全的因素依据不同驱动力进行分类，如刘圣欢等［26-27］将影响耕地生态安全的因素分为直接因素、间接因素和社会经济因素3类，并通过构建耕地生态安全评价指标体系对江汉平原耕地生态安全水平进行分析，得出江汉平原耕地生态总体上处于非常安全状态；徐辉等［28-30］从自然、经济和社会3个角度出发构建了耕地生态安全的评价指标体系，分别分析了黑龙江省宁安、哈尔滨、河北省肥乡县3地区耕地生态安全水平。

由现有研究可知，耕地生态安全评价研究主要集中于重要粮食产区，对东部尤其是东南沿海经济发达城市的耕地生态安全状况研究相对较少［31-32］。现有研究多偏重于现状分析，缺少动态变化与模拟研究，且耕地生态评价指标体系还不是很完善［2］，不能很好地体现东部城市现有耕地当前的生态安全状况及未来变化趋势。同时耕地生态安全系统作为一个土地生态系统的子系统，采取长时间序列的变化研究更为重要，但是由于数据获取的难度加大，很少有进行长时间序列的耕地生态安全评价研究。近30年来珠海市耕地资源总量减少速度快，农业结构调整导致耕地资源的大量流失，耕地资源质量差，虽然耕地后备资源丰富，但开发利用难度较大［33］。其中1973—2008年珠海市耕地面积快速减少，净减少17 358.99 hm2，下降幅度为32.13%，平均每年减少173.59 hm2，人均耕地面积减少84.85%［34］，其耕地生态安全状况堪忧。为弥补现有研究不足，我们基于压力-状态-响应（PSR）模型并综合自然经济社会因素，选取19个影响耕地生态安全的指标，构建耕地生态安全评价指标体系，并结合珠海市1985—2014年的耕地生态安全数据进行实证分析，最后运用灰色系统理论建模，利用灰色关联分析对珠海市当前耕地生态安全状况进行驱动力分析，利用灰色预测模型对珠海市未来耕地生态安全状况进行模拟预测，以期为中尺度地域耕地生态安全评价提供理论支撑与决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

珠海位于广东省珠江口西南部，地理坐标处于21°48′～22°27′N、113°03′～114°19′E之间。区位优越，东与香港隔海相望，南与澳门相连，西邻新会、台山市，北与中山市接壤。珠海市区内陆部分地势由西北向东南倾斜，地形多样，以平原（占25．5%）、丘陵（占58．68%）为主，兼有低山、滩涂等。珠海市地处北回归线以南，冬季风与夏季风交替明显，终年气温较高，冬无严寒，夏无酷暑，年日温差较小，年均气温22.4℃，年均降水量1 985.8 mm，年均日照时数1 947.3 h，平均相对湿度80%，属南亚热带海洋性季风气候。自然植被以常绿季雨林和季风性常绿阔叶林为主，人工植被包括木麻黄群落、台湾相思群落和水松群落。

1.2 数据来源

本研究基础数据主要来源于1985—1990年《珠海统计年鉴》、1990—2015年《广东统计年鉴》、2002—2015年《珠海统计年鉴》、珠海市统计信息网、珠海市土地利用总体规划和珠海市土地利用变更调查等资料，少量指标数据通过原始数据计算得出。

1.3 评价指标体系的建立

评价指标体系依据压力-状态-响应指标框架建立，其中人口增长率等压力与响应因子参考张锐等［16］与赵宏波等［35］研究成果，粮食单产等状态因子参考张锐等［16］与张冰洁等［36］研究成果，同时考虑到数据的可获取性，综合自然、经济、社会因素重点选取影响耕地生态安全的单位耕地化肥负荷、单位耕地农药负荷、人均耕地面积、农民人均纯收入等19个指标建立耕地生态安全评价指标体系（表1）。

1.4 评价指标权重及综合评价值的确定

采用熵值法确定各评价指标的权重。熵值法是一种客观赋权方法，它通过计算指标的信息熵，根据指标相对变化程度对系统整体的影响决定指标的权重，相对变化程度大的指标具有较大权重，此方法避免了人为决策带来的主观影响因素，保证了权重赋值的客观性与科学性［37］。由于各指标的量纲、数量级均有差异，为消除因量纲不同对评价结果的影响，需要对各指标进行标准化处理，最终结果见表1。

1.4.1 标准值的确定

式中，Xij为第i个年份的第j个指标的数值（i=1，2，…m；j=1，2，…n）。Xmax为该项指标最大值，Xmin为该项指标最小值，为该项指标标准化值（表2）。

1.4.2 评价指标权重的确定

式中，n为指标个数，Pij为第j项指标下第i年份指标值占全部年份指标值的比重，k为常数，eij为第j个指标的熵值，dj为第j个指标的差异性系数，Wj为第j项指标的权重。

1.4.3 综合评价值的确定

式中，T为综合评价值。T值越接近1，表示耕地生态安全状况越好。在借鉴国内外相关文献研究的基础上［37-38］，并结合珠海市耕地生态安全实际状况，依据等距划分原则，将耕地生态安全级别划分为不安全（0～0.2）、较不安全（0.2～0.4）、临界安全（0.4～0.6）、较安全（0.6～0.8）、安全（0.8～1）5个等级，其5个等级特征分别是生态问题严重、生态问题突出、生态问题不显著、生态良好、生态优异。

1.5 灰色系统理论

1.5.1 灰色预测模型 灰色系统理论是由邓聚龙于20世纪80 年代在国际上首先提出来的一种新理论。灰色系统是介于内部特征完全已知的白色系统和内部特征完全未知的黑色系统之间，一部分信息已知，另一部分信息未知或不确定的系统。灰色系统理论将任何随机变量

都看作是一定时空区域内的灰色量，随机过程是一定区域内变化的与时间有关的灰色过程，这一理论在农业经济发展等方面应用十分广泛［39-41］。GM（1，1）是最常用的灰色预测模型，其建模步骤一般为：

表1 耕地生态安全评价指标体系

表2 耕地生态安全评价指标标准化值

（续表2）

（1）对原始数据进行初始化得到数列x(0)，对数列x(0)作一次累加生成处理，得到数列x(1)。

（2）对数列x(1)的变化趋势可以近似地用微分方程表示：

式中，a，u为参数，可通过最小二乘法拟合得到。

（3）构造矩阵B，YM，计算

（4）求出时间响应式与预测模型：

时间响应式：

预测模型：

（5）利用后验差方法进行精度检验。

1.5.2 灰色关联分析 灰色关联分析法是基于灰色系统理论提出的，用以研究系统的功能和结构，将系统看作一个变化发展状态，对不同系统的发展态势进行量化比较分析。灰色关联分析对数据样本量及数据的典型分布规律要求不太严格，其中灰色综合关联度综合表现了不同序列之间的相似程度，比较完整的表征了序列之间的紧密程度，因此较为实用。

设序列X0与Xi长度相同，X0与Xi初始值不为零，ε0i和γ0i分别为X0与Xi的灰色绝对关联度和灰色相对关联度，θ∈[0，1]，则灰色综合关联度公式为：

式中，ρ0i为X0与X1的灰色综合关联度，θ一般取值为0.5。

2 结果与分析

2.1 珠海市耕地生态安全评价

图1 1985—2014年珠海市耕地生态安全值变化趋势

2.1.1 1985 —2014年耕地生态安全值总体变化 由图1可知，珠海市耕地生态压力值与状态值双双波动下降，耕地生态响应值持续上升。耕地生态压力值由1985年的0.4819下降到2014年的0.1001，年均下降0.0127；耕地生态状态值由1985年的0.0855下降到2014年的0.0454，年均下降0.0013；耕地生态响应值由1985年的0.0385提高到2014年的0.2984，年均提高0.0087，积极变化最为显著。珠海市耕地生态压力值与状态值呈下降趋势的原因主要是经济发展迅速，城市化水平不断提高，人口自然增长率下降，单位化肥与农药负荷减少，耕地生态压力减小，但是由于城市化的快速扩张，耕地面积的急剧减少，土地垦殖率及复种指数不断下降，导致耕地生态状态恶化。因此政府加强了耕地生态安全保护措施，通过提高农业机械化水平，加大对农业技术人员的培养，不断增加农民人均纯收入，促进了耕地生态响应值的提升。

2.1.2 1985 —2014年耕地生态安全等级变化 由图1可知，珠海市耕地生态安全等级变化较大，呈现先下降、后上升的趋势。1985—1999年安全值不断下降，1985年安全值为0.6059，1986-1993年安全值由0.5597下降到0.4077，1994—2003年安全值一直处于0.4以下；2004—2014年总体呈上升趋势，2004—2014年安全值由0.4108上升到0.4493，安全等级经历较安全-临界安全-较安全-临界安全-较不安全-临界安全-较不安全-临界安全的发展状态。珠海市于20世纪80年代中期实施的西区大开发战略，大量耕地资源被征用，优质耕地面积急剧下降，西区大开发战略对耕地生态造成了较大破坏，成为1985—2003年间珠海市耕地生态安全等级不断下降的主要原因之一。随着珠海市农业发展战略的不断调整，耕地生态保护愈加重要，严格保护耕地措施不断加强。政府对农业科技、农业机械的支持力度加大，耕地生态响应值持续上升，压力值不断下降，2004—2014年耕地生态安全等级不断提升。

2.2 2015-2020年耕地生态安全等级预测

本研究以1985—2014年近30年的耕地生态安全压力值、耕地生态安全状态值、耕地生态安全响应值做为样本数据，分别进行灰色模拟预测，鉴于篇幅限制，计算过程不再赘述，具体步骤参考2.3，以下列出各预测模型：

2.2.1 灰色预测模型 （1）耕地生态压力的GM（1，1）模型：

（2）耕地生态状态的GM（1，1）模型：

（3）耕地生态响应的GM（1，1）模型：

2.2.2 精度检验 由表3可知，因为C＜0.35，P＞0.95，所以耕地生态安全模型拟合很好，可以用于预测耕地生态安全等级。由表4可知，C显然小于0.35；

表3 后验差检验精度等级标准

表4 模型的精度检验

由表5可知，2015—2020年珠海市耕地生态安全等级不断上升，由临界安全等级上升到较安全等级。其中耕地生态压力值与耕地生态响应值持续下降，耕地生态安全值由0.5029上升到0.6326，表明珠海市未来耕地生态安全状况不断改善，生态安全措施将不断落实，到2020年全面建成小康社会之际，珠海市耕地生态安全等级将保持在较安全等级，且将持续上升，确保国家生态安全战略的实施。研究发现，近年来珠海市不断投入技术与资金，加大政策支持力度，积极推动传统农业向生态农业发展。如在耕地生态的保护与开发问题上，珠海建立了基本农田保护补偿机制、饮用水源保护补偿机制和基本公共服务能力保障机制，先后出台了《珠海市基本农田保护经济补偿办法（暂行）》、《莲洲镇生态保护补偿财政转移支付方案》、《珠海市饮用水源保护区扶持激励办法》、《珠海市财政生态保护转移支付办法》等制度［42］。同时《珠海市综合发展的生态农业总体规划（2011—2020）》的出台极大推动了对耕地生态的保护，有益于将珠海市农业发展成为生态农业。而耕地生态系统作为农业生态系统的重要组成部分，保护其科学利用与开发对促进国家生态城市建设具有重要作用。

表5 2015—2020年珠海市耕地生态安全等级预测

2.3 珠海市耕地生态安全驱动因素分析

灰色关联度分析主要反映两个因素之间变化态势的一致性，相应序列之间关联度越高，一致性越强，联系就越为紧密，反之越为松散。由表6可知，以绝对关联度为标准，各影响因子与耕地生态安全值紧密程度由大到小为X8＞X6＞X19＞X16＞X7＞X5＞X13＞X3＞X2＞X17＞X11＞X4＞X15＞X1＞X18＞X12＞X10＞X14＞X9，第一产业占GDP比重与耕地生态安全值发展态势最为接近，年日照时数与耕地生态安全值发展态势差别最大；以相对关联度为标准，各影响因子与耕地生态安全值紧密程度由大到小为X1＞X11＞X18＞X4＞X13＞X2＞X15＞X10＞X7＞X5＞X9＞X12＞X6＞X8＞X17＞X14＞X3＞X16＞X19，人口自然增长率相对于始点的变化速率与耕地生态安全值最为接近，专业技术人员相对于始点的变化速率与耕地生态安全值差别最大；以综合关联度为标准，各影响因子与耕地生态安全值紧密程度由大到小为X8＞X6＞X1＞X11＞X13＞X4＞X18＞X2＞X7＞X15＞X5＞X10＞X9＞X12＞X17＞X19＞X3＞X16＞X14，第一产业占GDP比重与耕地生态安全值紧密程度最高，复种指数与耕地生态安全值紧密程度最差。综合3个关联度的计算结果可知，影响耕地生态安全值的主要因素为第一产业占GDP比重、人口自然增长率、耕地面积、人均耕地面积、土地垦殖率、有效灌溉面积比、单位耕地化肥负荷、GDP增长率、农业机械总动力，即人口、经济、耕地保有量以及农业科技。其中珠海市人口密度由1985年的248人/km2增加到2014年的936人/km2，增长2.77倍，而珠海市耕地面积由1985年的37 720 hm2下降到2014年的18 103 hm2，减少了52%，极大增加了耕地的人口负担，从而导致耕地的生态压力越来越大。而管理者对耕地的经济投入不断增加，农业科技比例也在不断上升，例如30年间农业机械投入增加约1.36倍，专业技术人员增加约30倍。但是为提高耕地的产出量，导致耕地生态问题不容乐观，如2014年粮食单产是1985年的1.32倍，但单位耕地化肥负荷却是1985年的2.14倍。可见，人口增长与经济发展导致的人地矛盾仍是制约耕地生态安全水平的最重要因素。因此纯粹依赖对耕地的粗放投入是不可持续的，而是要建立耕地的生态保护屏障，从耕地的土壤质量、环境质量、管理质量与经济质量［43］4个维度来提升耕地的生态质量。

表6 各影响因子与耕地生态安全值关联度

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究基于PSR模型构建耕地生态安全评价指标体系，在定量评价1985—2014年珠海市耕地生态安全等级基础上，运用灰色系统理论构建耕地生态安全灰色预测模型，预测2015— 2020年珠海市耕地生态安全等级，并从自然、经济、社会等方面分析其驱动因素。研究结论如下：

（1）从研究区发展历程来看，珠海市耕地生态安全水平处于较差水平，1985—2014年，珠海市耕地生态安全水平56.7%的年份处于临界安全等级，36.7%的年份处于较不安全等级，6.6%的年份处于较安全等级；1985—2014年珠海市耕地生态安全等级发展趋势呈U型变化，耕地生态安全等级经历了较安全-临界安全-较不安全-临界安全的演变历程，其中耕地生态安全值于1999年最低，之后持续上升，这表明珠海市耕地生态安全状况开始逐渐转好。

（2）从研究区预测趋势看，2015—2020年珠海市耕地生态安全预测值不断上升，耕地生态安全水平处于较好水平，耕地生态安全等级由临界安全等级发展到较安全等级，表明未来珠海市耕地生态安全状况将不断改善，耕地生态安全保护措施将严格落实，这与《珠海市综合发展的生态农业总体规划（2011—2020）》的规划要求相符合。

（3）从珠海市耕地生态安全变化驱动因素分析，人地矛盾仍是制约耕地生态安全系统改善的关键因素。因此珠海市应该更加注重人口发展战略，合理规划城镇人口规模，协调好人地关系，促进社会和谐发展；继续实施农机购置补贴政策，加大市级财政补贴力度，提高农业机械化水平；加强农田水利设施规划，通过建设高标准基本农田，完善农田水利系统；积极促进农业科技下乡，提高广大农业从业人员生产技术和管理水平，加大环境治理力度，改善耕地土壤生态，提高粮食产量，进而提高耕地生态安全水平。

3.2 讨论

（1）与相似区域或城市进行对比研究。对比吴大放等［22］研究的同时期珠海市耕地生态安全状况表明，评价等级划分一致，珠海市耕地生态是逐渐趋好的。但吴大放等研究指示从1988年由耕地生态等级为临界安全占总面积85.46%变化为2008年等级为较安全的占总面积80.63%，该结论与本研究不同，可能原因是其研究是基于空间角度的分析，而本研究主要是基于长时间序列角度进行的分析。对比黄鹏等［31］对广州市耕地生态安全研究的评价来看，1995—2007年广州市耕地生态安全等级由较安全向安全靠近，说明珠海市与广州市耕地生态发展状况相似，可能由于其农业区位相似。但本文相同时期耕地生态安全评价值低于广州市，这可能是由于指标体系构建的差异，对比谢戈力研究的广州市耕地资源生态安全状况表明，广州市耕地资源生态一直处在赤字状态，有降低趋势，其耕地资源处于不可持续利用状态，急需改善和保护耕地资源安全状况［32］，这表明东部沿海发达地区的耕地生态状况不容忽视。

（2）与其他学者运用灰色理论的对比研究。对分析郑华伟等［37，41，44］运用灰色理论进行预测的数据表明，笔者与其建立的预测模型的分布等级一致，皆处于一级等级。但本模型在C值精度上要优于其他学者，可能的原因是本研究选取的样本较为充足。

（3）传统研究缺少耕地生态安全状况的动态预测分析，而分析未来耕地生态安全状况对于制定合理的农业政策具有重要意义。研究尝试将灰色系统理论引入耕地生态安全评价指标体系，基本达到预期研究目标，一定程度上弥补了耕地生态安全评价在模拟与预测方面的不足。同时鉴于数据获取的限制以及模型精度随样本而波动的情况，需要对耕地生态安全评价的指标选取与模型适用性开展进一步研究。由于此类研究较少，这为进一步评价东部经济发达区耕地生态安全状况提供了实证分析与理论借鉴。

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（责任编辑 白雪娜）

Evaluation of cultivated land ecological security in Zhuhai city in recent 30 years and its future prediction

LI Jiu-feng1，2，LIU Yan-yan1，WU Da-fang1，YANG Mu-zhuang1，CHEN Zhen-lin1
（1.Institute of Land Resources and Urban-Rural Planning，School of Geographical Sciences，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2. School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China）

The evaluation of cultivated land ecological security is conducive to the sustainable utilization of cultivated land resources and national food security. In order to understand the situation of cultivated land ecological security in Zhuhai City，the evaluation index system based on PSR model was constructed. Entropy method was used to determine the weight of every index，and then quantitatively analyzed Zhuhai ecological security of cultivated land value in 1985-2014，the cultivated land ecological security level was divided into five grades such as insecurity，less secure，criticality safety，relative safety，safety. In this paper，the grey system theory was introduced to predict cultivated land ecological security level in Zhuhai City in 2015-2020，analyzes the driving factors were analyzed. Results showed that，the Zhuhai ecological security of cultivated land comprehensive value showed a U-shaped curve in 1985-2014，safety - experienced relative safety - critical safety - relative safety - critical safety - less safety -critical safety - less safety - critical safety evolution. The cultivated land ecological security level was significantly improved after 1999. Zhuhai ecological security of cultivated land comprehensive value assumed the trend ofescalation in 2015-2020，security level from critical security development to relative safety，the future level of ecological security of cultivated land was more optimistic. The contradiction between population nature and economic development was still the key factor to influence the level of cultivated land ecological security.

cultivated land ecological security；PSR model；Grey system theory；Zhuhai city

F301.21

A

1004-874X（2017）01-0156-11

2016-10-08

国家自然科学基金 (41101078)；广东省教育厅特色创新项目（2014KTSCX090）；教育部人文社会科学研究规划项目（14YJA630083）；广州市哲学社会科学“十二五”规划项目（15Q28）；广东省教育厅省级大学生创新训练项目（201511078019，CX2015025，201611078085）；广州大学2015年示范性实验建设项目“地理信息系统在土地利用规划中的应用”

李久枫（1993-），男，在读硕士生，E-mail：1970892598@qq.com

刘艳艳（1980-），女，博士，高级工程师，E-mail：sunnylyy08@163.com

李久枫，刘艳艳，吴大放，等.近30年珠海市耕地生态安全评价及未来预测［J］.广东农业科学，2017，44（1）：156-166.