農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異比較研究

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本文作者：唐婷、李超、呂坤、孟亞利、周治國 單位：南京農(nóng)業(yè)大學／農(nóng)業(yè)部南方作物生理生態(tài)重點開放實驗室

農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，近年來，各級政府在植樹造林、土壤改良等方面做了大量工作，但隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，耕地面積銳減，農(nóng)用化學物品用量不斷增加，水質(zhì)污染、氣象災害等對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成越來越多不利影響。因此，開展不同區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價及其動態(tài)變化研究十分必要［1］。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價前人已經(jīng)做了大量研究，目前國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的研究主要是定時、定區(qū)域地研究，包括環(huán)境、經(jīng)濟、社會、科技、資源等要素在內(nèi)的復合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；國外側(cè)重于對替代方法、策略、指標互作及模型應用的研究［2－4］。國內(nèi)的指標體系較多引入經(jīng)濟、社會效益等指標［5－7］，弱化了生態(tài)指標及生態(tài)環(huán)境的作用，忽略了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的時空變異性。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的方法較多，主要有模糊綜合評價法、權(quán)重評價方法（綜合指數(shù)法）、層次綜合評價法、灰色綜合聚類法、投影尋蹤模型等［8－12］。其中權(quán)重評價方法（綜合指數(shù)法）簡單客觀，便于分析各因子對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的貢獻，應用十分廣泛［1］。

江蘇省位居長江、淮河下游，東瀕黃海，平原遼闊、土地肥沃，素有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽，并以占全國1％的土地面積，創(chuàng)造了約占全國10％的GDP總量。但伴隨著經(jīng)濟的騰飛和現(xiàn)代化進程的加快，江蘇的耕地面積越來越少，人口越來越集中，各種農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題接踵而來。本文擬應用層次分析法（analyticalhierarchprocess，簡稱AHP）確定各指標的權(quán)重，應用權(quán)重評價法（綜合指數(shù)法）分析江蘇省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，客觀、具體地分析不同區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，為區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設以及進一步發(fā)展“優(yōu)質(zhì)、高效、外向、生態(tài)、安全”的具有江蘇特色的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路提供理論決策參考。

1研究區(qū)域選擇與研究方法

1．1研究區(qū)域的選擇

江蘇省位于北緯30°35′－35°07′，總面積10．26×104km2，年降水量783～1167mm，年平均氣溫13～16℃，氣候溫和，雨量適中，農(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，是我國農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)和重要商品糧基地。全國農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦將江蘇省劃分為徐連、寧鎮(zhèn)揚、沿江、兩淮、太湖和沿海6大農(nóng)村經(jīng)濟區(qū)［13］。為了便于調(diào)查、收集資料以及減少統(tǒng)計工作量，考慮到自然環(huán)境條件、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)位條件等區(qū)內(nèi)相似性和區(qū)際差異性；同時，可以涵蓋江蘇省所有氣候類型和經(jīng)濟發(fā)展水平，選擇邳州、新沂（徐連經(jīng)濟區(qū)），東臺、大豐（沿海經(jīng)濟區(qū)），如皋、金壇（沿江經(jīng)濟區(qū)），興化（寧鎮(zhèn)揚經(jīng)濟區(qū)），張家港、江陰（太湖經(jīng)濟區(qū)）共9個具有代表性的縣（市）區(qū)域作為評價單元。通過對經(jīng)濟區(qū)內(nèi)典型縣評價值加權(quán)平均，得到該經(jīng)濟區(qū)的評價值。

1．2資料獲取

數(shù)據(jù)來源主要包括遙感數(shù)據(jù)、土壤普查、地圖數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。（1）遙感數(shù)據(jù)：主要來源于美國Landsat衛(wèi)星的TM影像，用于計算植被覆蓋度，選取1995年、2000年、2008年6－8月植被生長季遙感影像。（2）土壤數(shù)據(jù)：主要來源于全國土壤普查數(shù)據(jù)。（3）地圖數(shù)據(jù)：主要包括江蘇省行政區(qū)劃圖、1∶100萬DEM等專題數(shù)據(jù)。（4）氣象數(shù)據(jù)：采用江蘇省氣象局提供的各個區(qū)域所在站點1995－2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標的選取與驗證

2．1評價指標體系的建立

區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價指標體系（U）由自然環(huán)境子系統(tǒng)（U1）、土壤生態(tài)狀況子系統(tǒng)（U2）和環(huán)境污染子系統(tǒng)（U3）3部分組成。其中自然環(huán)境子系統(tǒng)包括：≥10℃活動積溫、年平均氣溫、年降水量、年日照時數(shù)、植被覆蓋率、土地復種指數(shù)6個指標；土壤生態(tài)狀況子系統(tǒng)包括：水土流失量、土壤pH值、土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤速效磷、土壤速效鉀指標。環(huán)境污染子系統(tǒng)包括：化肥使用強度、工業(yè)廢水排放強度、工業(yè)廢水排放強度、SO2排放強度。

2．2評價指標體系的驗證

應用江蘇省1995年、2000年、2008年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用主成分分析法在SPSS軟件中對區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標體系進行篩選和分析。由表1可知，1995年、2000年、2008年第一主成分與≥10℃活動積溫、年平均溫度、年日照時數(shù)、年降水量、土地復種指數(shù)、土壤全氮含量、化肥使用強度、工業(yè)廢水排放強度、工業(yè)廢氣排放強度和SO2排放強度10個指標存在顯著的相關(guān)性。其中：≥10℃活動積溫、年平均氣溫、年日照時數(shù)、年降水量4個指標均表征農(nóng)業(yè)氣候生態(tài)狀況；前3個指標表征特定區(qū)域熱量資源，代表氣候因素對農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展的影響；土壤全氮含量表征農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，可以反映人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響；化肥使用強度、工業(yè)廢水排放強度、工業(yè)廢氣排放強度和SO2排放強度4個指標反映了環(huán)境污染對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。因此，第一主成分強調(diào)了區(qū)域自然環(huán)境、土壤因素和環(huán)境污染等多方面主導因素的良好組合。

第二主成分與土壤速效磷含量和土壤pH值指標顯著相關(guān)。第三主成分與植被覆蓋度、水土流失量和土壤速效鉀含量存在較高的相關(guān)性。其中植被覆蓋度和水土流失量可以反映農(nóng)業(yè)自然生態(tài)環(huán)境的變化，代表農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)展的影響。因此，第二和第三主成分強調(diào)了自然環(huán)境、土壤因素的重要性。第四主成分與土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)性較高，可以反映土壤生態(tài)狀況。與1995年相比，2000年、2008年的水土流失量、工業(yè)廢水、工業(yè)廢氣和SO2排放強度等指標小幅降低，土地復種指數(shù)和土壤全氮含量小幅升高，反映出人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。綜上，所選指標均能夠很好地反映評價區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。因此，前4個主成分分析結(jié)果可以作為新的綜合因子體系，來表征區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

3農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型的構(gòu)建

3．1農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標權(quán)重的確定

在評價模型中，各指標權(quán)重的確定是一個關(guān)鍵，而層次分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的決策方法，按照“分解－判斷－綜合”的思維特點，將多層次、多準則的復雜問題分解為各個組成因素，并將這些因素按支配關(guān)系分組，形成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式確定各層次中諸因素的相對重要性。因此本研究在以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是否可持續(xù)發(fā)展為評價目標的基礎上，建立基于層次分析法的綜合評價模型進行評價。將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為一個復雜系統(tǒng)進行評價。首先要把復雜問題分解為不同的層次，建立由目標層、準則層和指標層的層次結(jié)構(gòu)模型；其次，根據(jù)數(shù)據(jù)資料、專家意見和作者的認識，構(gòu)建判斷矩陣，根據(jù)確定的判斷矩陣，計算出判斷矩陣的最大特征值和特征向量，再對所得的特征向量進行歸一化處理，所得的向量分量即為所求的相應因素關(guān)于上一層因素的相對權(quán)重。通過以上對指標權(quán)重的確定方法，因地制宜地計算出區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價中各指標的權(quán)重（表2）。

3．2農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型

通常情況下，評價指標分為正向指標和逆向指標兩類，以標志值為基準將各指標進行正向和逆向標準化后，進而建立農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型：U＝∑ni＝1Ai×Ci式中：U為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)；Ai為所選取指標的標志值；Ci為各指標的總權(quán)重；n為指標個數(shù)。依據(jù)數(shù)據(jù)資料，參照《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》，將農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為5級：優(yōu)（Ⅰ級）、良（Ⅱ級）、一般（Ⅲ級）、較差（Ⅳ級）和差（Ⅴ級）（表3）。

4區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價

應用區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型，分別計算9個代表縣市1995，2000，2008年的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)，通過公式U＝∑kj＝11kUj（式中：U為區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)；Uj為各縣市的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)；k為各經(jīng)濟區(qū)所包含的縣（市）數(shù)），求得5個經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價綜合指數(shù)（圖1）。從圖1可以看出，徐連、沿江、沿海、寧鎮(zhèn)揚和太湖5個經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)從北向南的明顯下降趨勢，以徐連經(jīng)濟區(qū)最高，太湖經(jīng)濟區(qū)最低。1995－2008年期間，各經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)均呈明顯的下降趨勢，其中徐連經(jīng)濟區(qū)下降幅度最為明顯，從1995年的優(yōu)秀狀態(tài)（0．7550）下降到2008年的一般狀態(tài)（0．4639）；太湖經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)下降幅度較小，從1995年的高層次一般狀態(tài)（0．5480）下降到2008年的低層次一般狀態(tài)（0．4661）。1995年徐連經(jīng)濟區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值最高，太湖經(jīng)濟區(qū)最低；2008年寧鎮(zhèn)揚經(jīng)濟區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值最高，徐連和太湖經(jīng)濟區(qū)最低。寧鎮(zhèn)揚經(jīng)濟區(qū)由于受社會經(jīng)濟基礎等眾多因素的影響，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況逐漸變差，但是降低幅度較小。

為了更深入了解區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變異，選取生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化最大的徐連經(jīng)濟區(qū)和太湖經(jīng)濟區(qū)及其中的代表區(qū)域（徐連經(jīng)濟區(qū)：邳州和新沂，太湖經(jīng)濟區(qū)：張家港和江陰）為研究對象，分析其1999－2008年連續(xù)10年的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化。圖2表明，在1999－2003年期間，新沂的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上呈下降的趨勢，但仍長期處于良好水平，分別從高層次的良好（0．6018）轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯哟蔚牧己脿顩r（0．5572），2004年后總體發(fā)展趨勢繼續(xù)下降，進入到較低的一般狀態(tài)（0．4576）。邳州是4個代表區(qū)域中農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況起點最高，但降低速度最快的，由1999年最高的0．6347降低到2008年的0．4602，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況從良好狀況逐漸降低到一般狀況，并且一直處于惡化的發(fā)展態(tài)勢。江陰和張家港兩區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況明顯低于邳州和新沂，自1999年以來持續(xù)保持逐年下降的態(tài)勢，從1999年的高層次的一般降低到低層次的一般狀態(tài)，波動幅度較小，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況較穩(wěn)定。

5結(jié)論與討論

江蘇省不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)隨時間的推移，從北向南呈明顯的下降趨勢，表現(xiàn)出明顯的時空變異。以徐連經(jīng)濟區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高，沿江、沿海和寧鎮(zhèn)揚經(jīng)濟區(qū)次之，太湖經(jīng)濟區(qū)最低。在本研究中的江蘇省5個經(jīng)濟區(qū)，其農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)均呈明顯的下降趨勢，以徐連經(jīng)濟區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)下降最快，太湖經(jīng)濟區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)下降最慢，但徐連經(jīng)濟區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況明顯好于太湖經(jīng)濟區(qū)。究其原因，主要有以下兩點：

（1）太湖經(jīng)濟區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況總體水平較低，目前該經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨于平穩(wěn)，質(zhì)量狀況降低緩慢。該經(jīng)濟區(qū)自然條件和社會經(jīng)濟條件在全省仍都處于前列，是全省乃至全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展最早、水平最高的地區(qū)之一，農(nóng)村工業(yè)成為占絕對優(yōu)勢的鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。由于經(jīng)濟發(fā)達，外來勞動力紛紛涌入，人多地少的矛盾尤為突出，能源、原材料的嚴重短缺，耕地不斷減少，工業(yè)“三廢”污染強度過高，致使植被覆蓋降低與水土流失增強，很大程度上抵消了該地區(qū)在自然和社會經(jīng)濟條件下的優(yōu)勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一直處于較低水平。

（2）徐連經(jīng)濟區(qū)由于歷史和社會經(jīng)濟基礎等眾多因素的影響，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況雖然發(fā)展起點較高，但該經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)展呈現(xiàn)迅速下降趨勢，逐漸惡化。徐連經(jīng)濟區(qū)內(nèi)煤礦、非礦產(chǎn)等資源豐富，重工業(yè)發(fā)達，長期開采煤礦造成植被覆蓋降低、土地塌陷、水土流失、土壤養(yǎng)分流失等一系列根本性環(huán)境問題，雖然進行了一系列的生態(tài)重建和土地復墾工程，但生態(tài)恢復需要較長時間，加之本區(qū)是江蘇省降雨最少的區(qū)域，因此短期內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得不到明顯改善。

對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標變化最大的徐連經(jīng)濟區(qū)和太湖經(jīng)濟區(qū)及其代表的縣（市）（邳州、新沂、張家港和江陰）分析發(fā)現(xiàn)，徐連經(jīng)濟區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況遠遠高于太湖經(jīng)濟區(qū)，且兩經(jīng)濟區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況總體上呈下降的趨勢。但隨時間的推移，兩經(jīng)濟區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況差異越來越小。

本研究將農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標體系的構(gòu)建與主成分分析法相結(jié)合，運用層次分析法因地制宜地確定各評價區(qū)域指標權(quán)重的方法尚處探索階段，如何將各種先進數(shù)學算法與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型結(jié)合，更好地對指標進行篩選，提高評價精度還需在今后的研究中進一步探索。