农业生态环境质量差异比较研究
本文作者：唐婷、李超、吕坤、孟亚利、周治国 单位：南京农业大学／农业部南方作物生理生态重点开放实验室
农业生态环境是农业生产的基础，近年来，各级政府在植树造林、土壤改良等方面做了大量工作，但随着社会经济的迅猛发展，耕地面积锐减，农用化学物品用量不断增加，水质污染、气象灾害等对农业生态环境造成越来越多不利影响。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十分必要［１］。农业生态环境质量评价前人已经做了大量研究，目前国内外对农业生态环境的研究主要是定时、定区域地研究，包括环境、经济、社会、科技、资源等要素在内的复合农业生态系统；国外侧重于对替代方法、策略、指标互作及模型应用的研究［２－４］。国内的指标体系较多引入经济、社会效益等指标［５－７］，弱化了生态指标及生态环境的作用，忽略了农业生态环境的时空变异性。农业生态环境质量评价的方法较多，主要有模糊综合评价法、权重评价方法（综合指数法）、层次综合评价法、灰色综合聚类法、投影寻踪模型等［８－１２］。其中权重评价方法（综合指数法）简单客观，便于分析各因子对农业生态环境的贡献，应用十分广泛［１］。
江苏省位居长江、淮河下游，东濒黄海，平原辽阔、土地肥沃，素有“鱼米之乡”的美誉，并以占全国１％的土地面积，创造了约占全国１０％的ＧＤＰ总量。但伴随着经济的腾飞和现代化进程的加快，江苏的耕地面积越来越少，人口越来越集中，各种农业生态环境问题接踵而来。本文拟应用层次分析法（ａｎａｌｙｔｉｃａｌｈｉｅｒａｒｃｈｐｒｏｃｅｓｓ，简称ＡＨＰ）确定各指标的权重，应用权重评价法（综合指数法）分析江苏省农业生态环境质量指数，客观、具体地分析不同区域农业生态环境质量的变化，为区域农业的可持续发展、农业生态环境建设以及进一步发展“优质、高效、外向、生态、安全”的具有江苏特色的农业现代化道路提供理论决策参考。
１研究区域选择与研究方法
１．１研究区域的选择
江苏省位于北纬３０°３５′－３５°０７′，总面积１０．２６×１０４ｋｍ２，年降水量７８３～１１６７ｍｍ，年平均气温１３～１６℃，气候温和，雨量适中，农业自然条件优越，是我国农业高产区和重要商品粮基地。全国农业资源区划办将江苏省划分为徐连、宁镇扬、沿江、两淮、太湖和沿海６大农村经济区［１３］。为了便于调查、收集资料以及减少统计工作量，考虑到自然环境条件、区域经济发展、区位条件等区内相似性和区际差异性；同时，可以涵盖江苏省所有气候类型和经济发展水平，选择邳州、新沂（徐连经济区），东台、大丰（沿海经济区），如皋、金坛（沿江经济区），兴化（宁镇扬经济区），张家港、江阴（太湖经济区）共９个具有代表性的县（市）区域作为评价单元。通过对经济区内典型县评价值加权平均，得到该经济区的评价值。
１．２资料获取
数据来源主要包括遥感数据、土壤普查、地图数据和统计数据。（１）遥感数据：主要来源于美国Ｌａｎｄｓａｔ卫星的ＴＭ影像，用于计算植被覆盖度，选取１９９５年、２０００年、２００８年６－８月植被生长季遥感影像。（２）土壤数据：主要来源于全国土壤普查数据。（３）地图数据：主要包括江苏省行政区划图、１∶１００万ＤＥＭ等专题数据。（４）气象数据：采用江苏省气象局提供的各个区域所在站点１９９５－２００８年统计数据。
２农业生态环境质量评价指标的选取与验证
２．１评价指标体系的建立
区域农业生态环境质量综合评价指标体系（Ｕ）由自然环境子系统（Ｕ１）、土壤生态状况子系统（Ｕ２）和环境污染子系统（Ｕ３）３部分组成。其中自然环境子系统包括：≥１０℃活动积温、年平均气温、年降水量、年日照时数、植被覆盖率、土地复种指数６个指标；土壤生态状况子系统包括：水土流失量、土壤ｐＨ值、土壤有机质、土壤全氮、土壤速效磷、土壤速效钾指标。环境污染子系统包括：化肥使用强度、工业废水排放强度、工业废水排放强度、ＳＯ２排放强度。
２．２评价指标体系的验证
应用江苏省１９９５年、２０００年、２００８年的统计数据，利用主成分分析法在ＳＰＳＳ软件中对区域农业生态环境质量指标体系进行筛选和分析。由表１可知，１９９５年、２０００年、２００８年第一主成分与≥１０℃活动积温、年平均温度、年日照时数、年降水量、土地复种指数、土壤全氮含量、化肥使用强度、工业废水排放强度、工业废气排放强度和ＳＯ２排放强度１０个指标存在显著的相关性。其中：≥１０℃活动积温、年平均气温、年日照时数、年降水量４个指标均表征农业气候生态状况；前３个指标表征特定区域热量资源，代表气候因素对农业生态发展的影响；土壤全氮含量表征农田土壤理化性质，可以反映人类农业生产活动对农业生态环境质量的影响；化肥使用强度、工业废水排放强度、工业废气排放强度和ＳＯ２排放强度４个指标反映了环境污染对农业生态环境质量的影响。因此，第一主成分强调了区域自然环境、土壤因素和环境污染等多方面主导因素的良好组合。
第二主成分与土壤速效磷含量和土壤ｐＨ值指标显著相关。第三主成分与植被覆盖度、水土流失量和土壤速效钾含量存在较高的相关性。其中植被覆盖度和水土流失量可以反映农业自然生态环境的变化，代表农业结构对农业生态环境质量发展的影响。因此，第二和第三主成分强调了自然环境、土壤因素的重要性。第四主成分与土壤有机质含量的相关性较高，可以反映土壤生态状况。与１９９５年相比，２０００年、２００８年的水土流失量、工业废水、工业废气和ＳＯ２排放强度等指标小幅降低，土地复种指数和土壤全氮含量小幅升高，反映出人类农业生产活动对农业生态环境质量产生重要影响。综上，所选指标均能够很好地反映评价区域的农业生态环境质量状况。因此，前４个主成分分析结果可以作为新的综合因子体系，来表征区域农业生态环境质量状况。
３农业生态环境质量评价模型的构建
３．１农业生态环境质量评价指标权重的确定
在评价模型中，各指标权重的确定是一个关键，而层次分析法是一种定性分析与定量分析相结合的决策方法，按照“分解－判断－综合”的思维特点，将多层次、多准则的复杂问题分解为各个组成因素，并将这些因素按支配关系分组，形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定各层次中诸因素的相对重要性。因此本研究在以农业生态系统是否可持续发展为评价目标的基础上，建立基于层次分析法的综合评价模型进行评价。将农业生态系统作为一个复杂系统进行评价。首先要把复杂问题分解为不同的层次，建立由目标层、准则层和指标层的层次结构模型；其次，根据数据资料、专家意见和作者的认识，构建判断矩阵，根据确定的判断矩阵，计算出判断矩阵的最大特征值和特征向量，再对所得的特征向量进行归一化处理，所得的向量分量即为所求的相应因素关于上一层因素的相对权重。通过以上对指标权重的确定方法，因地制宜地计算出区域农业生态环境质量评价中各指标的权重（表２）。
３．２农业生态环境质量评价模型
通常情况下，评价指标分为正向指标和逆向指标两类，以标志值为基准将各指标进行正向和逆向标准化后，进而建立农业生态环境质量评价模型：Ｕ＝∑ｎｉ＝１Ａｉ×Ｃｉ式中：Ｕ为农业生态环境质量综合评价指数；Ａｉ为所选取指标的标志值；Ｃｉ为各指标的总权重；ｎ为指标个数。依据数据资料，参照《中华人民共和国环境保护行业标准》，将农业生态环境质量分为５级：优（Ⅰ级）、良（Ⅱ级）、一般（Ⅲ级）、较差（Ⅳ级）和差（Ⅴ级）（表３）。
４区域农业生态环境质量综合评价
应用区域农业生态环境质量综合评价模型，分别计算９个代表县市１９９５，２０００，２００８年的农业生态环境质量综合评价指数，通过公式Ｕ＝∑ｋｊ＝１１ｋＵｊ（式中：Ｕ为区域农业生态环境质量评价指数；Ｕｊ为各县市的农业生态环境质量评价指数；ｋ为各经济区所包含的县（市）数），求得５个经济区的农业生态环境质量评价综合指数（图１）。从图１可以看出，徐连、沿江、沿海、宁镇扬和太湖５个经济区的农业生态环境质量指数呈现从北向南的明显下降趋势，以徐连经济区最高，太湖经济区最低。１９９５－２００８年期间，各经济区的农业生态环境质量评价指数均呈明显的下降趋势，其中徐连经济区下降幅度最为明显，从１９９５年的优秀状态（０．７５５０）下降到２００８年的一般状态（０．４６３９）；太湖经济区的农业生态环境质量评价指数下降幅度较小，从１９９５年的高层次一般状态（０．５４８０）下降到２００８年的低层次一般状态（０．４６６１）。１９９５年徐连经济区农业生态环境质量指数值最高，太湖经济区最低；２００８年宁镇扬经济区农业生态环境质量指数值最高，徐连和太湖经济区最低。宁镇扬经济区由于受社会经济基础等众多因素的影响，生态环境质量状况逐渐变差，但是降低幅度较小。
为了更深入了解区域农业生态环境质量的时空变异，选取生态环境质量指数变化最大的徐连经济区和太湖经济区及其中的代表区域（徐连经济区：邳州和新沂，太湖经济区：张家港和江阴）为研究对象，分析其１９９９－２００８年连续１０年的农业生态环境质量时空变化。图２表明，在１９９９－２００３年期间，新沂的农业生态环境质量总体上呈下降的趋势，但仍长期处于良好水平，分别从高层次的良好（０．６０１８）转变为低层次的良好状况（０．５５７２），２００４年后总体发展趋势继续下降，进入到较低的一般状态（０．４５７６）。邳州是４个代表区域中农业生态环境质量状况起点最高，但降低速度最快的，由１９９９年最高的０．６３４７降低到２００８年的０．４６０２，农业生态环境质量状况从良好状况逐渐降低到一般状况，并且一直处于恶化的发展态势。江阴和张家港两区域的农业生态环境质量状况明显低于邳州和新沂，自１９９９年以来持续保持逐年下降的态势，从１９９９年的高层次的一般降低到低层次的一般状态，波动幅度较小，农业生态环境质量状况较稳定。
５结论与讨论
江苏省不同区域的农业生态环境质量指数随时间的推移，从北向南呈明显的下降趋势，表现出明显的时空变异。以徐连经济区的生态环境质量指数最高，沿江、沿海和宁镇扬经济区次之，太湖经济区最低。在本研究中的江苏省５个经济区，其农业生态环境质量评价指数均呈明显的下降趋势，以徐连经济区的生态环境质量指数下降最快，太湖经济区农业生态环境质量评价指数下降最慢，但徐连经济区农业生态环境质量状况明显好于太湖经济区。究其原因，主要有以下两点：
（１）太湖经济区的生态环境质量状况总体水平较低，目前该经济区的农业生态环境发展趋于平稳，质量状况降低缓慢。该经济区自然条件和社会经济条件在全省仍都处于前列，是全省乃至全国乡镇企业发展最早、水平最高的地区之一，农村工业成为占绝对优势的乡村产业结构。由于经济发达，外来劳动力纷纷涌入，人多地少的矛盾尤为突出，能源、原材料的严重短缺，耕地不断减少，工业“三废”污染强度过高，致使植被覆盖降低与水土流失增强，很大程度上抵消了该地区在自然和社会经济条件下的优势，生态环境质量一直处于较低水平。
（２）徐连经济区由于历史和社会经济基础等众多因素的影响，生态环境质量状况虽然发展起点较高，但该经济区的农业生态环境质量发展呈现迅速下降趋势，逐渐恶化。徐连经济区内煤矿、非矿产等资源丰富，重工业发达，长期开采煤矿造成植被覆盖降低、土地塌陷、水土流失、土壤养分流失等一系列根本性环境问题，虽然进行了一系列的生态重建和土地复垦工程，但生态恢复需要较长时间，加之本区是江苏省降雨最少的区域，因此短期内生态环境质量得不到明显改善。
对农业生态环境质量指标变化最大的徐连经济区和太湖经济区及其代表的县（市）（邳州、新沂、张家港和江阴）分析发现，徐连经济区农业生态环境质量状况远远高于太湖经济区，且两经济区的生态环境质量状况总体上呈下降的趋势。但随时间的推移，两经济区的农业生态环境质量状况差异越来越小。
本研究将农业生态环境质量评价指标体系的构建与主成分分析法相结合，运用层次分析法因地制宜地确定各评价区域指标权重的方法尚处探索阶段，如何将各种先进数学算法与农业生态环境质量模型结合，更好地对指标进行筛选，提高评价精度还需在今后的研究中进一步探索。
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