县域农业生态环境质量动态评价及预测

发布时间：2016-06-07 15:00

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第30卷第5期农业工程学报Vol.30No.5；2282014年3月Transactionsof；县域农业生态环境质量动态评价及预测；高奇，师学义※，，张琛，张美荣，马桦薇；（中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京10；摘要：全面客观地评价和预测区域农业生态环境质量状；中图分类号：X171；X826文献标识码：A文章；0引言?；农业生态环境是一个由社会经济

第30卷第5期农业工程学报 Vol.30 No.5

228 2014年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2014

县域农业生态环境质量动态评价及预测

高奇，师学义※，张琛，张美荣，马桦薇

（中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083）

摘要：全面客观地评价和预测区域农业生态环境质量状况及发展趋势，对于维持农业可持续发展和生态平衡具有重要意义。基于2001－2010年临汾市尧都区农业生态环境质量相关数据，从农业自然环境状况、农业生产投入和农业生态环境响应3个方面构建农业生态环境评价指标体系，运用主成分分析法对评价指标进行了筛选，并采用灰色系统GM(1,1)模型对临汾市尧都区未来农业生态环境状况进行预测。研究结果表明：尧都区农业生态环境质量综合指数总体呈上升趋势，质量等级从2001年的“差”变为2015年的“优”；尧都区农业生态环境质量状况空间差异明显，不同乡镇由于社会经济发展水平、农业发展方式、农业生态保护力度等因素不同，导致全区农业生态环境格局分布的差异性以及空间演化的异质性；农业生产投入子系统对农业生态环境质量的变化影响最大，表明了人类活动对农业生态环境质量变化的显著影响；针对农业生态环境质量不同影响因素的作用力度，尧都区应该开展植树造林活动以提高林地指数, 根据区域水资源承载力状况合理加大水资源开发力度, 改善农田排水系统，逐步加大生物农药施用量的比重。农业生态环境质量动态评价及预测研究能够有效地反映生态环境质量的演变趋势，为区域农业可持续发展和农业生态环境建设提供一定的决策参考。关键词：生态；农业；模型；评价；预测；时空变异 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.05.029

中图分类号：X171；X826 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-05-0228-10 高奇，师学义，张琛，等. 县域农业生态环境质量动态评价及预测[J].农业工程学报，2014，30(5)：228－237. Gao Qi, Shi Xueyi, Zhang Chen, et al. Dynamic assessment and prediction on quality of agricultural eco-environment in county area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 228－237. (in Chinese with English abstract)

0 引言?

农业生态环境是一个由社会经济、自然和人类

它是农业生产和发展的基活动组成的复合系统[1-2]，

础，农业生态环境质量的优劣不仅关系着农业可持续发展，更影响着人类生活环境[3-4]。随着社会经济的发展和人类进步，人类活动对农业生态环境的影响日益显著，农业生态环境质量也处于不断的动态变化之中，既有朝着有利方向的发展，也有不断恶化的趋势。因此，开展不同区域农业生态环境质量评价及其动态变化研究显得十分必要[5]。只有全面客观地掌握区域农业生态环境质量的基本情况，并对未来的发展趋势做出合理判断，才能有效地制定与农业生态环境状况相符合的政策措施，维护农业可持续发展和生态平衡。农业生态环境质量评价得到了学界的广泛关注，国外学者侧重于对替代方收稿日期：2013-08-07 修订日期：2014-01-17

基金项目：国土资源部公益性行业科研专项经费课题（201111015-04）作者简介：高奇（1989－），男，安徽省肥西县人，主要从事土地资源评价与利用规划方面的研究。北京中国地质大学（北京）土地科学技术学院，100083。Email：510537376@qq.com

※通信作者：师学义（1960－），男，山西省祁县人，博士，教授，主要从事土地利用规划与土地利用工程方面的研究。北京中国地质大学（北京）土地科学技术学院，100083。Email：shixueyi63@163.com?

法、指标相互作用、模型选取及影响机制等方面的研究[6-10]；国内的研究较多地关注了社会、经济效益的评价，弱化了生态环境的作用[11-15]，忽视了对农业生态环境质量时空变化的分析。农业生态环境质量评价的方法与模型较多，目前较多采用权重评价方法（综合指数法）[16]、模糊综合评价法[17]、灰色综合聚类法[18-19]、层次分析法[20-22]、投影寻踪模型[23]、神经网络评价模型[24-25]以及基于遥感和地理信息系统的多源数据分析模型[26-28]等。但是，目前的大多数研究主要集中于定时、定区域研究，缺乏对农业生态环境质量的动态变化分析及对未来发展趋势的预测。

临汾市尧都区作为山西省重要的经济中心，社会经济发展水平较高，近年来致力于打造生态宜居型城市。但是，随着城市化进程的加快，人类活动对农业生态环境影响日益明显，因此，对临汾市尧都区进行农业生态环境质量动态评价研究具有一定的代表意义。本文从农业自然环境状况、农业生产投入和农业生态环境响应3个方面构建农业生态环境评价指标体系，运用主成分分析法对评价指标进行了筛选，并采用灰色系统GM(1,1)模型对临汾市尧都区未来农业生态环境状况进行预测，以期为区域农业可持续发展和农业生态环境建设提供决策参考。

第5期高奇等：县域农业生态环境质量动态评价及预测 229

1 研究区概况与评价指标体系构建

1.1 研究区概况

临汾市尧都区位于山西省南部，临汾市中部，地处临汾盆地中央。地理位置介于东经116°05′～111°48′，北纬35°35′～36°20′之间。南北宽47.5 km，东西长66.5 km，总面积13 073 808 hm2。尧都区地形由西向东依次是山地、河谷盆地、丘陵三大地形区相间排列，南北纵贯，大部分地区海拔在400～1 700 m之间，境内地形起伏较大。全区下辖19个乡镇，总人口94.4万人，其中农村人口37.3万人，占总人口的39.51%。全区土地资源丰富，土地类型多样，为全省社会经济的发展及生态建设提供了重要的物质基础。随着经济的迅速发展和城乡生活方式的极大改变，耕地不断减少，人口相对集中，农业污染日益明显，全区农业生态环境面临一定的压力，虽然尧都区不断加大农业生产投入和环保力度，但农业生态环境状况仍不可忽视。尧都区作为山西省南部重要的经济中心，其农业生态环境质量状况对于临汾地区乃至山西省维持生态文明形式下的农业可持续发展具有重要意义。

1.2 农业生态环境质量评价指标体系构建 1.2.1 指标选取

由于农业生态环境质量是1个复杂系统，其

评价指标体系必须覆盖农业生态环境的各个方面，且能够有效地反映农业生态环境质量动态变化。依据指标选取的完备性、主导性、相对独立性、动态性和可操作性等原则[29]，结合数据的可获得性，本文尝试从农业自然环境状况、农业生产投入和农业生态环境响应3个方面选取评价指标，初步选取了30个评价指标。评价指标的数据主要来源于临汾市统计年鉴（2001－2011年）、尧都区统计年鉴（2001－2011年）、土地变更调查（2000－2011年）、尧都区土壤志、农业普查资料等统计资料和实地调查资料。农业自然环境状况可以认为是农业生态环境质量在自然界系统影响下所处的状态，农业生产投入可以认为人类的生产活动对农业生态环境质量的影响，农业生态环境响应可以认为是农业生态环境质量在自然和人类共同影响下的变化趋势。

为了进一步选取的评价指标，本文运用主成分分析法对初选指标进行筛选，对不同子系统的主成分进行分析，得出各子系统的主成分。具体步骤为：对各子类指标进行标准化并构建判别矩阵，利用SPSS19.0软件计算矩阵的特征值和方差贡献率，然后选取累积指标达到85%的指标作为主成分来概括各子系统指标的特性。利用主成分分析法筛选后，评价指标体系共有22个评价指标（表1）。

表1 农业生态环境质量动态评价指标体系

Table 1 Dynamic evaluation index system of agricultural eco-environmental quality

目标层 Target layer

准则层 Criterion layer

指标层 Indicator layer 年日照时数年降雨量 ≥10℃活动积温

农业自然环境

状况

林地覆盖率土地有机质含量水域指数土壤速效钾含量土壤全氮含量人均耕地量农田灌溉保证率

农业生态环境质量动态评价

环保投资率

农业生产投入

土地垦殖指数农药使用强度单位面积化肥使用量水资源开发度农田退化率水土流失面积

农业生态环境

响应

土壤侵蚀模数农灌水污染指数大气质量污染指数农业单位面积产值生物废弃物再利用系数

指标解析

Analysis of indicators 表征农业自然环境的光照条件表征农业自然环境的降雨条件表征农业自然环境的温度条件表征农业自然环境的生态脆弱度

表征土壤自然肥力状况表征农业自然环境的灌溉潜力状况表征土壤营养元素（以钾代表）含量状况

表征土壤氮元素含量状况表征农业生产的耕地资源状况表征农业生产的灌溉满足程度表征农业生产过程中环境保护力度表征农业生产过程中土地利用率表征农业生产带来的污染程度表征农业生产对土壤质量影响状况表征农业生产过程水资源利用效率

表征农田系统被破坏程度表征水土保持面临的压力表征土体受到破坏程度表征农业用水的污染情况表征农业生态环境空气质量表征农业生产的经济能力表征农业生态环境代谢能力

权重 Weight 0.051 0.045 0.048 0.082 0.028 0.034 0.021 0.023 0.044 0.058 0.077 0.036 0.054 0.044 0.028 0.062 0.054 0.035 0.048 0.039 0.028 0.061

指标趋向 Indicator tend

正正正正正正正正正正正正逆逆正逆逆逆逆正正正

1.2.2 权重确定

确定评价指标权重可以采用特尔斐法、层次分析法、熵权法等方法，但是特尔斐法和层次分析法人为主观性较强，本研究运用熵权法来确定各评价

230

农业工程学报 2014年

指标的权重，并采用信息熵的概念来描述指标权重，减少了不可控因素引起的不确定性，具有科学公正和无偏好的优点。

设有m个评价指标，n个被评事物，定义第j

个指标的信息熵为Hj，其权重为Wj，计算公式为：

rij1Pij?n，K? （1）

lnn

?rij

i?1

?Xt(0)(2)??(0)?X(3)?

（5） YN??t

?...??(0)?

()XN???t?

式中：B为新数据列的累加矩阵；YN为常数向量；

N为新数据列的元素个数。 2.1.3 求解灰色参数

运用最小二乘法计算灰色参数，计算公式为：

??[?,u]T?(BTB)?1BTYN （6） ?

Hj??K?PijlnPij （2）

i?1

Wj?

1?Hjm??Hj

j?1m

（3）

式中：rij为第i个被评事物第j个指标的标准化值，

为使lnPij有意义，一般约定：当Pij=0时，PijlnPij=0。

?为所求的灰色参数；α和u为待求参数，式中：?

BT为累加矩阵的转置矩阵。 2.1.4 建立预测公式

构建时间函数：

?(1)(t?1)?(X(0)(1)?u?u?u （7） X

2 预测方法及评价过程

考虑评价指标值变化的模糊不确定性，本研究

采用灰色系统GM(1,1)模型对农业生态环境质量评价指标2011－2015年的变化值进行预测，进而达到县域农业生态环境质量动态评价的效果。 2.1 灰色系统GM(1,1)模型建模机理

灰色系统GM(1,1)模型是对时间序列累加后用微分拟合法构建的单变量的一阶常系数微分方程，它以指数形式为基础，确定观测初始值为定积分常数。该方法能够对杂乱无序的数据进行处理，并将缺失数据通过计算进行补充，对于结构关系和运行机制不明晰的对象、过程系统进行预测分析具有独特的优势。灰色系统GM(1,1)模型建立过程如下[30-31]：

2.1.1 原始数据列累加生成

对原始数据列X(0)={X(0)(1), X(0)(2),…, X(0)(3)}做一次累加生成，得到新数据列X(1)={X(1)(1), X(1)(2),…, X(1)(n)}，计算公式为：

将灰色参数带入时间函数，并做一次累减生成，得到预测公式为：

?(0)(t)?(X(0)(1)?u)(1?e?)e?e??(t?1) （8） X

?(1)(t?1)为累加数据列中t+1个预测值，式中：X

?(0)(t)为评价指标第t个预测值。 X

2.1.5 模型诊断

为了保证模型的可靠性，必须对模型进行诊断。本研究采用的诊断方法是先计算指标数据的离

进而计算后验比C及小误差概率P。差S1和残差S2，

根据后验比C及小误差概率P分析模型的可靠性，当P＞0.95和C＜0.35时，认为该模型可以对评价系统进行预测。

S??[X(0)(t)?21

t?1

(0)

(t)]2 （9）

(0)1m(0)

[()(t)]2 （10） S?Xt?X?m?1t?1

X(1)(t)??X(0)(k) （4）

k?1

P?|X(0)(t)??

C=S1/S2 （11）

(t)|?0.6745S1? （12）

式中：X(k)为原始数据列中第k个数值；X(t)为

新数据列中第t个数值。

2.1.2 构造累加矩阵和常数向量

1(1)??(1)?X?X((1)(2))1??2??

1(1)(1)??(X(1)?X(2))1???， B?2??

......??

?1(1)?(1)

??(X(N?1)?X(N))1??2?

(0)(1)

式中：S1为数据列离差；S2为数据列残差；C为后

验比；P为小概率误差；X(0)(t)为预测后第t个数据值；X

(0)

(t)为预测数列前t个数据的均值。

2.2 动态评价过程

本研究采用农业生态环境质量综合指数对临汾市尧都区农业生态环境质量进行描述，计算过程为：

2.2.1 指标标准化

Xij?minXj

Sij? （13）

maxXj?minXj

第5期高奇等：县域农业生态环境质量动态评价及预测 231

Sij?

maxXj?XjmaxXj?minXj

（14）

式中：Xij为第i年第j个指标实际值；Sij为其标准化值；max Xj和min Xj分别为第j个指标的最大值

为正向指标标准化公式，式（11）和最小值。式（10）

为负向指标标准化公式。 2.2.2 计算综合指数

E??Wj?Sij （15）

j?1

式中：E为农业生态环境质量综合指数；Wj为指标j的权重；Sij为评价指标的标准化值。综合指数处于0至1之间，其值越小，说明农业生态环境质量越差。

2.3 划分质量等级

参照《中华人民共和国环境保护行业标准》，依据评价的综合指数和相关研究[32-33]将临汾市

划分结果尧都区农业生态环境质量划分为5级，

如表2所示。

表2 临汾市尧都区农业生态环境质量等级

Table 2 Agricultural eco-environmental quality level in Yaodu District of Linfen City

质量等级综合指数 Quality Comprehensive level index 劣

0≤E＜0.4

等级含义

Means of level

农业生态环境系统结构残缺不全，服务功能完全丧失，土地退化非常严重，生态环境受损程度大，资源消耗过度，农业环境污染严重，社会经济发展水平落后，农业生态环境系统的恢复与重建非常困难，生态灾害经常发生农业生态环境系统结构破坏较大，服务功能退化且不全，土地退化较为严重，生态环境受损程度相对较大，资源消耗与环境污染比较严重，社会经济发展水平相对落后，农业生态环境系统的恢复与重建比较困难，生态灾害较多

差 0.4≤E＜0.55

农业生态环境系统结构出现一些变化，服务功能有一定程度的退化但尚可维持基本运作，土地退化比较明显，生态

中 0.55≤E＜0.65 环境受到一定程度的破坏，资源消耗与环境污染较为明显，社会经济发展水平呈现良好趋势，生态灾害时有发生，

农业生态环境系统虽遭破坏但仍可恢复良 0.65≤E＜0.8 优 0.8≤E≤1.0

农业生态环境系统结构基本完善，服务功能良好，土地退化情况不明显，生态环境受损程度较小，资源消耗与环境污染不明显，社会经济发展水平较高，生态灾害不大，且可以得到及时控制和预防

农业生态环境系统统结构非常完整，服务功能很好，没有土地退化情况，生态环境几乎没有受损现象，资源充足，社会经济发展水平高，没有生态灾害，达到自然社会经济协调发展的理想状态

3 结果分析

运用上述评价方法计算临汾市尧都区2001－2010年农业生态环境质量综合指数和各评价子系统的综合指数，将各子系统综合指数作为预测基础

数据，运用灰色系统GM(1,1)模型预测未来5 a的值。（表3）预测过程中经过多次残差序列分析，运用后验比和小误差概率对模型进行检验，直至满足预测精度要求为止。

表3 农业生态环境质量评价子系统综合指数预测结果

Table 3 Prediction results of comprehensive index of agricultural eco-environmental quality subsystem

农业自然环境状况

Natural environmental of agriculture 实际值 Actual value

拟合值 Fitted value

误差 Error/%

质量等级 Quality level

差差差差差差差差中中中中中中中

实际值Actual value

农业生产投入

Agricultural production inputs

拟合值Fitted value

误差 Error/%

质量等级Quality level

差差中中中良良良良优优优优优优

农业生态环境响应

Response of agricultural eco-environment 实际值Actual value

拟合值 Fitted value

误差 Error/%

质量等级Quality level

中中

年份 Year

2001 0.5147 0.5147 0.4879 0.4879 0.6054 0.6054

2002 0.5024 0.5049 ?0.5048 2003 0.5187 0.5178 0.1724 2004 0.5207 0.5171 0.6990 2005 0.5312 0.5284 0.5326 2006 0.5217 0.5225 ?0.1493 2007 0.5427 0.5465 ?0.7031 2008 0.5438 0.5473 ?0.6373 2009 0.5521 0.5521 ?0.0055 2010 0.5347 0.5314 0.6087 2011 0.5501 0.5521 ?0.3626 2012 0.5671 0.5634 0.6524 2013 — 0.5765 — 2014 — 0.5915 — 2015 — 0.6088 —

0.5154 0.5404 ?4.8491 0.5569 0.5708 ?2.4978 0.6021 0.6029 ?0.1396 0.6457 0.6369 1.3662 0.6984 0.6727 3.676 0.7358 0.7106 3.4262 0.7647 0.7506 1.846 0.7847 0.7928 ?1.0356 0.8097 0.8375 ?3.427 0.8794 0.8846 ?0.5913 0.9201 0.9344 ?1.5542 — 0.9870 — — 1.0000 — — 1.0000 —

0.5783 0.5804 ?0.3701

0.5421 0.5257 3.0241 差 0.5328 0.5415 ?1.6381差 0.5874 0.5965 ?1.5450.6214 0.6245 ?0.50390.6421 0.6456 ?0.5377

中中中

0.6741 0.6729 0.1799 良 0.7004 0.6957 0.6658 良 0.7351 0.7206 1.9753 良 0.7501 0.74203 1.0759 良 0.7694 0.77208 ?0.3483

良

— 0.8034 — 优 — 0.83602 — 优 — 0.86996 —

优

P→（趋近于）1.0000；C=0.1374

P→（趋近于）1.0000；C=0.1867 P→（趋近于）1.0000；C=0.1772

232

农业工程学报 2014年

3.1 农业生态环境质量时间变化

3.1.1 农业生态环境质量总体变化分析

2001－2010年，临汾市尧都区农业生态环境质量等级总体呈优化趋势，从表4可以看出综合指数从0.5352上升至0.7044，质量等级由2001年的“差”变为2010年的“良”。农业生态环境保护的重要性日益受到全区的重视，“汾河流域水污染防治”等一系列污染防治项目的逐步启动，固体废弃物无害化处理厂、污水处理厂等环保基础设施相继建成投入使用，以及农业发展方式的不断转变，使得全区农业生态环境质量不断好转。但是可以看出，尧都区农业生态环境质量综合指数仍然处于较低水平，农业生态环境仍然面临一定压力，土地资源退化、农业污染和水土流失等问题仍十分严峻。

按照农业生态环境质量的变化趋势，根据预测结果可知，尧都区2011－2015年农业生态环境质量状况不断优化，不会出现一系列严重的农业生态环境问题。尧都区不断采取积极措施改善全区的农业生态环境状况，使得2015年农业生态环境质量等级达到“优”水平，但是农业生态环境质量综合指数仍然小于0.9，表明全区仍然需要采取措施对农业生态环境质量加以调控和改善。

表4 农业生态环境质量动态评价结果

Table 4 Dynamic evaluating results of agricultural

eco-environmental quality

年份 Year

实际值 Actual value

拟合值 Fitted value

误差 Error/%

质量等级 Quality level

差差差中中中中良良良良良良优优

2001 0.5352 0.5352

2002 0.5317 0.5261 1.0528 2003 0.5394 0.5456 ?1.154 2004 0.5524 0.5659 ?2.4373 2005 0.5886 0.5869 0.2907 2006 0.6146 0.6087 0.9492 2007 0.6411 0.6313 1.5138 2008 0.6617 0.6548 1.0466 2009 0.6799 0.6791 0.1129 2010 0.6940 0.7044 ?1.495 2011 0.7278 0.7306 ?0.3847 2012 0.7536 0.7577 ?0.5441 2013 — 0.7859 — 2014 — 0.8151 — 2015 — 0.8454 —

P→（趋近于）1.0000；C=0.1295

3.1.2 农业生态环境质量评价子系统变化分析

农业自然环境状况变化分析。2001－2010年，尧都区农业自然环境状况总体呈稳定趋势，没有发生明显变化，农业自然环境状况等级处于“差”水平。尧都区处于泰岳山脉和吕梁山脉之间，丘陵和

台地在土地总面积占有较大比重，农业生产的自然条件较为不利。尧都区属于暖温带大陆干旱疾风气候，年平均气温较低，年平均降水不足500 mm，使得农作物的自然生长条件较差。同时，尧都区土壤质量较为贫瘠，水资源缺乏，在一定程度上限制了全区的农业生产能力。可以看出，尧都区农业自然环境状况较差主要是由于其地理位置和气候条件决定的，短期内难以明显改善。未来几年，临汾市尧都区加快转变农业发展方式，致力打造生态农业，全区将采取一系列积极措施改善农业生态环境，提升农业生产效益。这一阶段，土壤质量得到有效改善，水资源得到一定程度的开发，可能会引起全区农业自然环境状况的一定改善。根据预测结

2011－2015年全区农业自然环境状况有了果可知，

微弱改善。

农业生产投入变化分析。2001－2010年，尧都区农业生产投入呈明显的上升趋势，农业生产投入指数从0.4879上升至0.8097，等级由2001年的“差”变为2010年的“优”。在社会经济发展的同时，尧都区持续加大农业生产的投入，加大水利设施建设和水资源开发力度，加强对农业生产污染的治理，有效地改善了农业生产的环境效应与生态价值。可以看出，在尧都区采取的一系列积极措施作用下，农业生产投入指数显著增加，对于全区农业生态环境质量的改善具有重要的促进作用。2011－2015年，随着尧都区农业生产投入的不断加大，农业生产投入指数进一步增加。依据预测结果可知，农业生产投入等级仍然处于“优”水平，但农

。业生产投入指数增加至1（满分）

农业生态环境响应变化分析。2001－2010年，尧都区农业生态环境响应指数总体呈上升趋势，其等级由“中”转变为“良”。可以分为2个发展阶段：2001－2004年，农业生态环境响应指数呈下降趋势，这一阶段是尧都区工业化和城市化迅速发展时期，城市扩张速度加剧，工业污染和农业面源污染等污染问题日趋严重，不合理地利用方式加剧了农田退化和水土流失，使得农田大气质量下降，农灌水污染指数进一步上升，使得农业生态环境面临严重的水平，导致农业生态环境响应指数不断降

2005－2010年，低，其等级由“中”退化为“差”；

农业生态环境响应指数不断上升，随着尧都区生态功能区划和土地利用总体规划的逐步实施，严格地限制了土地利用方式，缓解了人类活动对农业生态环境的破坏，随着社会经济发展水平的提高，农业污染防治和生态防护的投入持续加大，极大地缓和了全区农业生态环境面临的威胁，农业生态环境响应指数不断上升，其等级由“中”变为“优”。

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