基于变权理论的农地生态安全预警研究

基于变权理论的农地生态安全预警研究

0惩罚型变权有利于完善农地生态安全的预警评价作为农业生产活动的基本场所，人们不断地改造着它们的生活资料和生产手段。随着科技的发展,人类对其利用方式也发生了改变,这些利用方式使人类受益颇多。然而,在对农地开发利用的过程中,人们很少去关注农地质量和农地生态环境的改善,最终导致农地土壤的自然属性被破坏、土地生态服务功能急剧衰退等土地生态问题,严重影响了土地资源的可持续利用。随着国内外学者对土地资源可持续利用研究的深入,其重点将由当前土地生态安全研究逐渐深入到土地生态安全的预测和预警研究。而在农地生态安全预警评价中,各级评价指标权重的确定是非常重要的。目前赋权的方法主要有主观赋权法和客观赋权法。然而,使用这些方法所确定的指标权重通常是静态的,即指标的权重不会随着评价指标状态值的变化而变化。农地生态系统实际上是一个动态开放的复杂系统,而不是静止不变的。因此,用静态的权重对农地生态系统安全进行预警评价不能真实地反映出安全度。如果人类活动对农地利用所造成的破坏没有超出其自我恢复能力,也就是说人类对农地的过度利用没有超出农地的生态系统“阈值”,那么,经过农地的自我修复后,这种破坏就不会对其生态安全产生影响;相反,如果人类对农地的过度利用所造成的破坏积累到一定程度,并且超出了农地的生态系统自身修复的“阈值”,则会对农地的生态安全产生影响,并且可能造成不可逆转的严重后果。而惩罚型变权正好能够解决这一问题,使评价指标的权重随着指标的状态值与其“阈值”差距的变动而变动,能够很好地帮助相关部门识别和排除这些影响农地生态安全的危险隐患。因此,为了弥补静态权重难以满足农地生态安全预警动态性要求的不足,本研究在静态权重的基础上,基于惩罚型变权的方法对农地生态安全进行预警和评价,以期使研究结果更加接近实际,进而为相关部门对目前以及即将出现的警情进行识别、预测和解除提供参考。1数据和方法1.1控制了模式二:《保护费》及其他农业发展情况数据主要来源于《新中国五十年·新疆生产建设兵团卷》、《新疆生产建设兵团统计年鉴(1982—2013)》、《新疆生产建设兵团年鉴》、《新疆生产建设兵团土地志》和《新疆生产建设兵团第二次农业经济普查数据》等。1.2惩罚权制改革的建立1.2.1生态安全预警指标的标准化为了消除各评价指标的量纲影响,在进行预警评价之前,需要对各项指标进行标准化处理。同时,结合变权理论,将预警指标的取值最优区间和最劣区间分别定为无警区间和巨警区间,运用功效系数法对农地生态安全预警指标进行标准化处理。对于生态安全预警指标中的正向指标采用公式(1)进行标准化:对于生态安全预警指标中的负向指标,采用公式(2)进行标准化:式中:xj*为标准化值;Mj为预警指标实际值有警与无警的临界线(否定水平);xj为指标的实际值。1.2.2地表生态系统构建为了消除人为干扰因素对生态安全预警指标的影响,运用客观赋权的方法———熵值法来确定静态权重。同时,在农地生态安全预警评价指标的权重确定中,设定1年的评价指标数据为1个评价样本,m年时间序列的数据则就是m个评价样本,评价指标为n个。以影响因子标准化后的数据为基础构建判断矩阵A={aij},i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;其熵权计算步骤具体参考朱幼垓的相关论述。1.2.3w1w2惩罚型变权出于对农地生态安全警情评价动态性的考虑,对低于一定标准的因素进行权重调整,从而降低综合评价指标值,惩罚那些取值低于一定标准的指标。其原理如下:变权向量W(X)=(w1(X),w2(X),…,wm(X))可表示为因素常权(静态权)向量W和状态变权向量S(X)的归一化的Hadamard乘积;状态变权向量S(X)是均衡函数的梯度向量。定义1:W0=(w1,w2,…,wm)称为常权(静态权)向量,满足归一性,即∑im=1wi=1。定义3:给定映射S:[0,1]m→(0,1)m,X(x1,x2,…,xm)→S(X),则称向量S(X)=(S1(X),S2(X),…,Sm(X))为一个m维状态变权向量,若满足以下条件:①xi≥xj→Si(X)≤Sj(X);②Sj(x1,x2,…,xm)对每个变元xj(j=1,2,…,m)连续;③对任何常权(静态权)向量W0(w1,w2,…,wm),式(3)满足定义2中的3个条件,则称S(X)为惩罚型状态变权向量。公式(3)如下:结合农地生态安全警情评价的特点和定义2,在借鉴前人研究的基础上,将惩罚型状态变权向量构造如下:式中:β为否定水平,表示预警指标标准化后有警与无警的临界线,根据可持续发展的预警理念,借鉴相关文献,将否定水平设为0.85;xj*代表第j个指标的否定水平,当0≤xj*≤β时,xj*对应的权重增大,以达到对j个因素惩罚的目的,当β≤xj*≤1时,对第j个指标主观不进行惩罚;α为惩罚因子(由专家经验法确定α为0.81547),取值越大,低于否定水平的因素受到的惩罚越重,其对警情评价结果的负面影响也就越大。1.2.4计算综合评价总权重的计算借助于一定的数学模型,将各评价指标合成整体警情综合评价模型,就得到以静态权为基础的警情评价模型:引入惩罚型变权修正得到惩罚型变权警情评价模型:式中:wj(X)=wjS(X)/∑mj=1wjS(X);I为综合评价分值;X=(x1,x2,…,xm),为预警指标标准化后的向量;wj为熵值计算的静态权;wj(X)=(w1(x1),w2(x2),…,wm(xm))为变权向量(0<wj(X)≤1,j=1,2,…,m;∑mj=1wj(X)=1);S(X)=(s1(X),s2(X),…,sm(X))为惩罚型状态变权向量。1.2.5巨警5个区域学术界一般把预警的警情划分为无警、轻警、中警、重警、巨警5个区域。参照将指标标准化指数值与综合指数值转换为等级值的方法,在借鉴吴冠岑等分类的基础上,最终确定区域农地生态安全系统的警情等级(表1)。2农业的基础地位新疆生产建设兵团(以下简称兵团)大部分团场与沙漠、荒漠接壤,处在新疆荒漠与绿洲生态环境的过渡地带,生态异常脆弱,其生态环境状况直接影响着我国西北生态屏障的安全。农业作为兵团支柱产业和基础产业,与土地是紧密相联系的。稳定一定数量和质量的土地是农业生产稳定发展的基础和保障。否则,兵团农业的基础地位就要受到动摇,进而会阻碍兵团二、三产业的发展,最终破坏整个兵团经济发展的大局。经过半个多世纪的开发和利用,兵团在土地利用方面尤其是农地利用方面取得了巨大的成绩,但同时也造成了一定的生态环境问题。尤其是新型工业化、新型城镇化进程的加快对农地生态安全形成重大威胁。2.1布局和指标层目前,国内外在农地生态安全预警评价方面尚未有统一的评价体系,针对兵团所处的特殊的地理位置及农地利用的实际情况,依照科学性、准确性、动态性、数据可获性以及可操作性等选取原则,在借鉴前期相关研究成果和咨询本领域内相关专家的基础上,最终选取土地潜在生产力实现水平等11项指标,构建兵团农地生态安全预警指标体系。该体系的准则层包括人口、土地开发利用、水资源利用和农业种植结构等相互联系相互制约的4大子系统;指标层包括土地潜在生产力实现水平等11项指标。根据各指标的性质,将其分为正向指标和逆向指标。具体来说,土地潜在生产力实现水平、人均粮食占有量、农业开发指数、水分生产率、耕地水利化程度、农作物种植结构多样性指数和垦殖指数等为正向指标;化肥、农药、地膜负荷指数、盐碱化率、基本建设占用耕地面积和恩格尔系数等为负向指标。根据公式(1),(2),(4)分别对11项指标的原始数据进行标准化处理,进而应用熵值法计算得出兵团农地生态安全预警各指标熵值及常权(静态权)(表2)。最后,根据兵团农地生态安全预警指标的数据以及公式(3),可得兵团农地生态安全预警指标局部变权向量与变权的结果。2.2警情综合评价指数将标准化后的数据代入公式(5),(6)中,即可得出兵团农地生态安全预警系统及各因子的警情综合的静态权和变权评价指数。将警情综合评价指数按警级划分标准(表1)进行警情划分,就可以得到兵团农地生态安全预警系统及各子系统警级的结果(图1,图2)。2.2.1变权评价与警情评价常权(静态权)评价和变权评价结果的发展趋势是一致的(图1),只是由于采用惩罚型“变权”,使得某些指标由于低于其惩罚水平而由局部“变权”导致权重加大,使变权评价结果偏低于常权(静态权)评价的结果。这就验证了使用“变权”评价更符合农地生态安全预警的动态性要求,并可以达到惩罚低水平因子的目的,从而有助于提高决策者对农地生态安全系统中存在问题的进一步重视。由于农地的生态安全存在不可逆的特点,且农地生态问题又具有潜伏性和破坏性,而使用变权评价可以提高农地生态安全预警评价的预防功能。1982—2012年间,其综合指数呈现出先上升后下降的趋势,而且总体位于轻警区间。其中1982—1989年,处于中警区间;在1990—2012年期间,2001年之前处于轻警区间,到2006年又上升到无警区,随后又处于轻警区。在此期间,警情评价指数呈现出上下波动并略有下降趋势,说明兵团农地生态安全存在不稳定趋势。如果任由目前这种局势发展而不采取积极有效的调控措施,那么未来5年(2013—2017年)兵团农地生态安全状况较现状年(2012年)有一定程度退化,有向中警区间延伸的趋势。为了保证兵团农地生态安全水平的提高以及兵团农地利用的可持续发展,兵团应在“十二五”期间乃至今后更长时期内做出积极有效的调控措施,以改变目前农地生态安全所表现出的不利态势。2.2.2人口子系统预警变权指数发展趋势由图2可以看出,人口子系统预警变权指数虽然有所波动,但其主要向有利方向发展,这说明了人口对农地的基本需求的“足迹”将会趋减。水资源利用子系统的预警变权指数和人口子系统的预警变权指数发展趋势一样,也是在波动中趋于向有利方向发展。这说明,兵团对农业水资源的利用效率在逐年提高,进而将节约出来的农业用水用于生态建设,有利于进一步提高兵团农地的生态安全度。因此,人口子系统和水资源子系统基本处于较平稳的状态。农地开发利用子系统的预警变权指数在此期间呈现出先上升后下降的趋势,农业种植结构子系统的预警变权指数总体上趋于下降趋势。因此,造成兵团农地生态安全总体趋势呈现出上述走势的主要原因是农地开发利用子系统和农业种植结构子系统的变动,特别是农地开发利用子系统的发展变动较大且朝不利方向变化,带动总体趋势的变化。兵团农地生态安全的人口子系统预警变权评价指数从1982年0.525上升到2012年的0.892。期间,在1982—1987年处于中警区,在随后的1988—1992年,一直在中警区和轻警区之间波动。自1993年开始处于轻警区,至到2000年以后处于无警区。出现上述情况的主要原因是兵团体制恢复以后,其农业的发展进入了一个新的发展时期,具体表现为农地面积进一步扩大,粮食单产逐年增加,从1982年的2311kg/hm2增加到2012年的6814kg/hm2,年均增长率为3.6%。而兵团的人口自然增长率总体上呈现出下降趋势。从1982年到1994年人口自然增长率呈现出来回波动的状况,1982年的8.64‰到1985年的3.98‰,再到1993年的5.60‰和1994年的5.70‰,然后开始下降,直到2012年的0.05‰,远远低于中国在此期间各年份的人口自然增长率。正是由于人口数量的变动,导致了人类对粮食占有量以及对数食需求量的变动,再加上此期间人均收入的提高和人们消费结构的变化,最终导致人口子系统预警指数的上述变化趋势。经预测发现,在各预警指标的相互作用下,2013—2017年,兵团农地生态安全的人口子系统预警变权指数总体趋于稳定,均保持在0.89左右。这说明,随着兵团农业技术的提高及人民生活水平的提高,人口子系统对兵团农地生态安全的压力将减小,这将对提高农地生态安全状态有着重要的作用。兵团农地生态安全的水资源利用子系统的预警变权指数从1982年的0.277上升到2012年的0.904,总体呈上升趋势。其在1982—1989年位于重警区,随后的1990—1994年处于中警区,在1995—2003年处于轻警区,随后一直处于无警区。出现上述情况的主要原因是水利设施是兵团农业的基础,只有保证水利设施的投入,兵团农地才能得到有效灌溉,才能保证耕地生产率。而且在此期间的兵团的水利设施投资总体呈现增长态势,从1982年的7107.5万元上升到2012年的468454万元,这大大保障了农业生产的顺利进行。但是随着兵团农地开发,水资源的制约越来越明显。为了破解此难题,兵团率先采用了节水灌溉技术后,使得水资源的利用率大幅提高,尤其是采用膜下滴灌技术后,兵团节水率提高到50%左右,使得兵团的耕地水利化程度和水分生产率得以提高。通过节水技术节约的农业水资源用于生态建设,有利于进一步提高兵团农地的生态安全度。预测发现,在各预警指标的相互作用下,2013—2017年,兵团农地生态安全的水资源利用子系统预警变权指数总体趋于稳定,均保持在0.900左右。这说明,兵团如果提高目前的水资源利用率,将对农地生态安全状态的提高做出重要贡献。兵团农地生态安全的农地开发利用子系统的预警变权评价指数从1982年的0.640上升到2002年的0.914最优值后,又下降到2012年的0.679,总体上呈现先上升后下降的趋势。1982年开始从轻警区域内开始上升,在1994年突破警戒线后于2001年开始下降,在2005年开始又进入并保持在轻警区域。从具体的指标数据分析可以得出:1982—2012年土地潜在生产力实现水平呈现出上升的趋势,从1982年的28.89%上升到2012年的93.12%,这表明兵团在农地利用的生态方面取得了一定的成效,使农地的生态承载力得到提高。但由于在农业生产过程中化肥、农膜和农药使用强度的不断增加造成了单位农地负荷有较大程度的加重,使得在此期间兵团农地生态方面取得的成效逐渐被化肥、农药和农膜的使用强度所带来的负效应侵蚀,再加上由于农地利用方式不当造成的土地盐碱化,最终使得兵团在此期间农地生态方面取得的成效逐渐被化肥、农药和农膜过度使用以及盐碱化所带来的负效应所冲减。此外,由于基本建设占用耕地面积,再加上撂荒和盐碱化而弃耕的面积,使得耕地面积在一定程度上有所减少,最终使农业开发指数、垦殖指数有所下降。由于耕地面积的减少,在一定程度上使兵团农地总的生态承载力减弱。正是这些因子的共同作用导致了1982—2012年间农地开发利用子系统预警变权评价指数小范围的上升后出现下降。同时根据对各指标值2013—2017年的预测,上述各指标仍然保持其原有的趋势,因此,兵团农地生态安全的环境压力仍然不容乐观。预测的结果表明,在各预警指标的相互作用下,2013—2017年农地生态安全的农地开发利用子系统预警变权指数将保持下降趋势,并逐步向中警区间延伸。如果不采取积极有效的措施,农地开发利用子系统的波动性和偏下状态将对兵团农地的生态安全和经济发展造成不可预知的破坏。兵团农地生态安全的农业种植结构子系统的预警变权评价指数从1982年的0.887下降到2007年的0.731,2008年稍有回升后又呈现下降,到2012年为0.772,总体上呈现下降的趋势。在此期间,农业种植结构子系统的预警变权评价指数在1994年前基本上保持不变,但从1994年开始下降,2001年跌破警戒线,向轻警和中警区域滑落。出现上述情况的主要原因是1982年兵团建制恢复后重点发展粮、棉、油、甜菜为主的种植业,尤其是受经济驱动等多种因素影响,兵团农业种植结构中棉花的种植一直占有绝对优势,形成了“一花独放”的局面。正是这种不合理的种植结构变动导致了农业种植结构子系统的预警变权指数的上述变化趋势。同时,也正是这种长期单一的棉花种植结构导致了地力下降,地膜污染加剧,生产条件不断恶化,最终使兵团农地的生态安全度下降。经预测发现,在各预警指标的相互作用下,2013—2017年间农业种植结构子系统的预警变权指数呈现下降趋势,且向中警区间延伸。再加上土地生态问题又具有潜伏性,农业种植结构因子对农地生态安全的影响带有一定的滞后性,长期固定的种植结构必定会使农地的生态安全受到影响,因此,兵团在未来一段时间内如果调整优化农业的种植结构,就可以使农地生态安全的状况得到逐步改善。3现状年发展特征将变权理论引入土地生态安全预警研究,并构建了农地生态安全预警的惩罚型变权模型。1)由于采用惩罚型“变权”,使得某些指标由于低于其惩罚水平而由局部“变权”,最终导致权重加大,这验证了使用“变权”评价具有一定的可比性并可以达到惩罚低水平因子的目的,从而有助于提高决策者