中国粮食主产区农业生态环境评价研究

易杏花，何 苗

（中国地质大学（武汉）经济管理学院，武汉 430074）

改革开放40 多年以来，中国以仅占全球7%的耕地，养育了接近全世界18%的人口。为了提高土地单位面积产量，中国农药化肥的施用量多年来皆高于国际平均水平，却在先进农业技术的应用和推广上存在短板，导致农作物对农药化肥的吸收转化率较低［1］。粮食安全关乎国计民生与国家发展，农业对自然生态环境的依赖性也比其他产业更强，因此农业生态环境问题不容忽视。在农业环保方面，2014 年中国出台了首部农业环保法规《畜禽规模养殖污染防治条例》，标志着中国农业农村污染治理进入法制化治理阶段。2015 年印发的《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》，提出“一控两减三基本”目标，促进了农药化肥的科学使用和防治农业非点源污染。这些农业环保政策法规的出台和实施，在农业面源污染防治方面也取得了一些成效，为农业可持续发展奠定了基础。然而，中国农业面源污染防治和农村生态环境建设依旧是重大难题。为了进一步了解中国农业生态环境中阻碍农业绿色发展的因素以及其作用机理，考察农业生态安全现状及各方面为缓解生态环境压力的应对效果，本研究采用PSR 模型，从农业经济环境、社会环境及环境污染和治理等方面构建评价指标体系，结合熵权法对指标赋权并对系统进行评分，对2011—2016 年中国粮食主产区的农业生态环境进行综合评价，并使用密切值法按照环境优劣对各省进行排名。

1 研究现状

中国在农业生态安全评价方面的研究集中在评价方法和指标体系建设、影响因素以及政策建议，其中用到的评价方法主要有层次分析法（AHP）、主成分分析法（PCA）、模糊聚类分析、灰色系统理论、投影寻踪模型、地理信息系统多源数据分析、模糊综合评价等。层次分析法在环境质量评价中应用最为广泛，但是其定量分析不足，得出的评价结果欠缺说服力，且对指标数量有一定限制；主成分分析法在数据降维之后会使得出的结果与实际偏离，结论难以准确解释；聚类分析在数据相关性识别上比较机械，且在样本量较大时难以得到聚类结论。因此，这些评价方法往往被研究者搭配使用以优劣互补。如夏兴生等［2］将主成分分析法与层次分析法结合确定指标权重；孙靖南等［3］用熵权法确定指标权重，以弥补模糊综合评价方法对多因子赋权计算的缺陷；王丽梅等［4］将评价分为两级，分别用改进了的标准赋权法和层次分析法相结合确定指标权重，以排除实测值对赋权的干扰。

评价一个区域的农业生态环境质量，在考虑人类活动给环境带来破坏的同时，也应当衡量人类为适应和维护生态环境而作出的反应。PSR 模型是一种强调人的主观能动性的逻辑分析框架，它表现了人类活动与生态环境之间不可分割的关系，通常在区域生态系统健康评价中与上述方法结合使用。李大鸣等［5］以 AHP 方法确定指标权重，用 PSR 框架对渤海新区海岸带陆域生态环境进行综合评价；朱卫红等［6］利用3S 技术获取图们江流域景观格局指标数据，基于PSR 模型用层次分析法对指标赋权，对该流域湿地生态安全作出评价；李中才等［7］为增强评价的客观性、可比性和通用性，应用生态足迹和能值理论计算PSR 模型下生态状态、响应和压力指数来改进该模型与层次分析法的局限，并对山东长岛生态安全状况进行研究。

目前，中国生态安全评价已呈现出以空间尺度为主体、客体属性为辅助、城市区域为核心、湖泊盆地等的综合研究模式。关于农业生态环境方面的研究大多是在省内县域层面，且利用面板数据的动态评价也比较少，而PSR 模型中压力、状态和响应3 个系统相互作用，用面板数据更能凸显子系统之间相互作用的效果。因此，本研究采用2011—2016 年的各省数据，从宏观上对中国粮食主产区各省份的农业生态环境进行比较分析。为了加强评价的客观性，本研究在PSR 模型框架下建立评价指标体系，并利用熵值法对各指标赋权，利用密切值法对各省进行评估和排名。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

依据2003 年财政部发布的《关于改革和完善农业综合开发若干政策措施的意见》，中国粮食主产区由辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、河北、山东、河南、四川、湖北、江西、湖南、江苏和安徽共计13个省份组成。

本研究数据来源于2012—2017 年的《中国统计年鉴》、13 个省的统计年鉴、13 个省的《农村统计年鉴》《中国工业机械年鉴》《中国农业机械工业年鉴》《中国环境统计年鉴》以及《中国水利统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 PSR 模型概述 PSR 模型（压力-状态-响应）是经济合作与发展组织（OECD）［8］和联合国环境规划署（UNEP）共同提出的用于研究环境问题的一种框架体系。1992 年联合国可持续发展委员会（CSD）提出驱动-状态-响应（DSR）概念模型，更加强调驱动力的作用。随后，1993 年欧洲环境署（EEA）在PSR 模型中增加了驱动力和影响的指标，衍生出驱动力-压力-状态-影响-反应（DPSIR）模型。PSR 模型以及其扩展模型皆被用于生态评价领域，其中PSR 模型应用最为广泛。DSR 模型中的驱动力能全面反映人类改造环境的正面和负面影响，但PSR 模型中人类活动给环境施加的压力与响应系统的因果链关系更加紧密，而且对中国农业生态环境而言，农业生产活动带来的负面影响不可忽视，因此，PSR 模型更具有适用性。而DPSIR 模型较为复杂，选取指标时容易出现模棱两可界限不清的缺点。

PSR 模型的基本思想是人类生产生活会对周围环境产生压力，使环境和自然资源出现变化，从而影响人类自身的生存，迫使人类社会采取措施减轻生态压力，改变不利于自身发展的状态。就农业环境具体而言，农业生产中的主要环境压力包括土地的过度耕作、粗放的灌溉方式、农膜和秸秆资源的不充分利用、农村生活垃圾和畜禽养殖业废弃物的随意排放以及农药化肥的过度施用等。这些环境压力造成水土资源的浪费和污染、空气污染，进而导致地力下降、水资源不足、农作物产量和质量下降，影响农村居民收入和生活质量。为了提高资源利用率，政府会出台相关政策法规以及利用市场工具防治污染，企业加强科技创新为农业生产提供高效和清洁的农用物资，农业工作者参加培训，学习更先进的生产方法。这些措施落实其实就是农村生产生活方式的转变，减轻了对环境的压力，逐渐修复之前对自然生态的破坏，使农业生产走上可持续发展的道路。

2.2.2 指标体系构建 基于PSR 模型的基本思路，参考现有农业环境评价研究中出现频次较高的指标，遵守科学性、完整性、简洁性和数据可获得性原则，以实现农业可持续发展为目标，构建农业生态环境压力系统、农业生产状态系统以及农业管理响应系统。其中压力系统主要包括影响农业生产最直接的土壤环境和水环境；农业生产状态包括农业生产产量、生产率、自然资源条件以及基本社会条件；响应系统由农业资源综合利用率、废弃物无害化处理以及生态环境的保护和投入情况。具体指标含义见表1。

3 中国粮食主产区生态环境综合评价

3.1 熵权法计算权重

熵本是一个物理概念，后被引入信息论表示在一个系统中信息的无序程度，普遍应用于工程技术和社会经济领域。在综合评价中，一个指标的熵越小，指标变异程度越大，应该赋予的权重就越高。由于经济指标中存在正负性质之分，计算权重之前应对指标进行标准化处理，本研究以13 个省份的30 个指标作为样本，设样本S i在指标A j下的实测值为C ij，建立初始的数据矩阵C=(Cij)13×30，则：

表1 压力、状态、响应系统指标含义

式中，i= 1,2…n;j= 1,2…m

即得到标准化矩阵Yij，第j个指标的信息熵值ej为：

其中，常数k=[l n (m)]-1，m=13，令hj= 1-ej，则第j个指标的权重为：

计算出每个指标权重之后取平均数得到表2。

表2 压力、状态、响应系统指标权重

图1 为2011—2016 年30 个指标的平均熵权重。从图1 可以看出，指标A22 秸秆综合利用率所占权重最高，其次是A20 农机推广培训投入占10.98%。大多数权重高的指标都分布在响应系统，因而响应系统在评价中总体占比高达65.13%，说明在农业生态环境的治理和污染防治上各省努力程度上差异较大。而压力和状态系统所占比重较小，这也反映了近年来中国粮食主产区环境压力都比较大。

图1 2011—2016 年30 个指标的平均熵权重

中国秸秆资源总量巨大但是分布不均，同时秸秆难以收集，秸秆运输和存储压力大，对没有完善乡村道路建设的地区来说，秸秆再利用成本较高。结合以上原因，河北、江苏以及湖北在这一指标上明显胜于辽宁、黑龙江以及内蒙古地区。农机推广培训投入能够反映当地对农业机械化的重视程度。机械化生产是农业现代化的标志，也是推动中国从农业大国向农业强国转变、促进农业可持续发展的重要因素。但是家庭联产承包责任制下，农户使用农业机械成本较高，推广起来也比较困难，再者农业机械更适合平原地区使用，中国南方多山地丘陵，因而在农机推广方面地域差异也比较大。

图2 是2011—2016 年压力、状态、响应系统的权重变化。期间响应系统权重有所下降，状态系统权重略微增加，压力系统权重经历了先下降后上升的趋势，但是相较而言变化不大。这表明在考察期间各省虽然面临的环境压力无较大差异，但是由于在环境治理反应上差异较大，使得农业生产状态上出现了差距。

3.2 各省农业环境排名

图2 2011—2016 年压力、状态、响应系统的权重变化

密切值法是多目标决策中选择最优解的一种方法，以其计算简便，逻辑严谨而在工程决策和经济社会综合评价中得到推广和应用。其基本原理是在指标体系中找到每个指标的最优面和最劣面，然后计算每个样本离最优面和最劣面的距离来比较样本优劣情况。本研究采用改良的密切值法来评价粮食主产区的生态环境并作出比较，对指标作无量纲化处理，运用欧氏距离计算13 个样本省份与理想最优农业生产环境样本面的距离di,0和理想最劣农业生产环境样本面的距离di,W，Ei,0是各省的最优密切值。

每个省的最优密切值表示该省份与农业生态环境最优面的距离，因此，Ei,0越小，表明该省农业越符合可持续发展要求。2011—2016 年各省最优密切值和排名见表3。

表3 2011—2016 年13 省最优密切值和排名

4 结果与分析

为了方便比较，本研究将13 个省份根据结果划分成3 个区域，即包括内蒙古自治区、辽宁省、吉林省和黑龙江省的东北平原，包括河北省、山东省、河南省和安徽省的华北平原，以及包括江苏省、江西省、湖北省、湖南省和四川省的长江中下游平原。

4.1 东北平原农业环境评价排名

图3 为东北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。由图3 可以看出，内蒙古自治区在前2 年排名保持第一，自2013 年开始下滑，到2016 年成为最后一位。该地区大陆性气候强，气候干旱，还存在土地沙化等问题，因此更加注重生态环境治理，所以前4 年都能保持前五的排名。但是期间其他省份也更加注重农业环境问题的治理，而缩小了与最优面的距离，导致内蒙古自治区排名下滑。黑龙江省与内蒙古自治区趋势相似，但不同的是黑龙江省农药化肥施用强度等指标较小，其环境治理力度也不突出，所以在后期也出现排名下滑的情况。2016 年辽宁省化学需氧量排放、总磷排放等环境压力指标均大幅下降，农机推广和培训投入增加，节水灌溉面积扩大，因此2016 年辽宁省农业环境评价结果较好，但需要注重提高秸秆综合利用率以及水资源利用率。吉林省在2015 年排名第十位，但在其他年份中一直排在前五，表明该省在研究期间农业环境较稳定。从指标上看，该地水污染比较轻，污染物排放不断减少，状态系统指标值保持在平均水平以上，农业科技进步、农机推广和培训投入贡献率较高。

图3 东北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名

4.2 华北平原农业环境评价排名

图4 为华北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。河北省除了2015 年，其他年份排名皆在第五位到第八位波动，全省农业总产值大，农业污染排放压力也很大，但由于污染物处理方面投入较大，且有足够的农机推广培训投入，环境压力也能得到缓解。安徽省总体情况稳中向好，全省有效灌溉面积扩大，粮食产量继续上升，其他各项指标均处于平均水平，但应该注意提高农机推广和培训投入。河南省排名在2015 年以前比较稳定，但是2015 年和2016 年连续排名第一。作为农业大省，河南省粮食产量大，但农业环境污染也严重，因此对污染的治理力度也不断加大，大部分反应指标都向好，状态指标都排名靠前，才能在后2 年更接近农业环境评估中的理想面。山东省在考察期后2 年加大对农业机械化的投入，缩减农药化肥的施用量，其排名也在后2年显著提升。

图4 华北平原各省份2011—2016 年的密切值和排名

4.3 长江中下游农业环境评价排名

图5 为长江中下游平原各省份2011—2016 年的密切值和排名。由图5 可以看出，湖北省、江西省和湖南省的排名变化趋于一致，在2015 年以前都位列排名的中后段。湖北省在评估中比较靠后，全省秸秆综合利用率高于平均水平，但其他环境响应指标大多为平均水平及以下；且湖北省农药和化肥施用强度较高，环境压力大；状态指标处于平均水平以上，生产紧张，环境压力大，环境应对措施不足。江西省是农药施用率最高的省份，水资源充足，但有效灌溉面积和节水灌溉面积都较小，反映出用水效率不高；农业生产条件和状态都较好，但是其环境保护和治理落后于平均水平，所以排名也处于中后段。湖南省的情况与江西省相似，氨氮和总磷排放量巨大。在响应系统中，农机推广投入有待提高，生态建设总投资小，波动大，使其排名靠后。

四川省排名一直靠前且稳中向好。农药、化肥的施用强度在中等偏下，环境压力较小；土地利用效率和劳动效率以及其他正向状态指标不断上升，物耗系数逐年缩小，状态系统良好。江苏省农业环境持续优化，直到2016 年，排名降至第九位。其状态系统仅为中等，环境治理投入较高，但其化学需氧量排放、氨氮排放等在2016 年的缩减程度不如河南省等地。

图5 长江中下游平原各省份2011—2016年的密切值和排名

总体上，2011—2016 年东北平原排名最为靠前，华北平原居于中位，长江中下游平原排名靠后。但是后2 年很多省份排名出现较大变化，分析其原因可能在于中国“十二五”规划于2015 年结束，各省农业发展也接近目标。2016 年是“十三五”规划的第一年，而推进农业现代化、生态环境改善是两大战略目标。各省污染物排放量在2016 年的大幅下降，减轻了环境压力，同时，大多数省份加大了对农业环境治理的投入，为农业生产提供了更好的条件。

5 小结与建议

为对中国粮食主产区农业生态环境进行综合评价，本研究在PSR 模型框架下构建评价指标体系，利用熵权法确定指标权重，结合密切值法对各省农业环境优劣进行排名。主要结论如下：①在此综合指标体系中，粮食主产区省份在秸秆综合利用率和农机推广培训投入这2 项指标上差异最大；②在PSR框架下，各省响应系统的差距＞状态系统的差距＞压力系统的差距；③内蒙古（2011 年和2012 年）、吉林（2013 年）、黑龙江（2014 年）、河南（2015 年和2016年）是考察期间农业生态环境综合评价最好的省份，总体上，2011—2016 年，东北平原农业生态环境排名最为靠前，华北平原居于中位，长江中下游平原排名靠后。

中国近年来秸秆综合利用率能够达到80%以上，2020 年更是要达到85%，以实现“十三五”规划关于秸秆资源综合利用的目标。中国秸秆资源总量大，但是秸秆焚烧屡禁不止，当务之急是转变农民观念，完善秸秆收集、运输和储存系统，加快秸秆利用产业化，并且推广秸秆还田技术、固化成型以及气化等循环利用技术。由于历史因素，大型农业机械很少为家庭所有，对一般农户而言农机成本过高；再者中国南北地形差异较大，南方多丘陵山地，难以大规模农机作业，导致农机化水平存在地域差异；且当前高素质人才大多流向城市，农机化研究和技术的推广缺少智力支持。针对以上这些特点，在增加农机推广培训投入的同时，各地应鼓励农业集约化生产，合理规整土地，并且制定吸引人才返乡的相关政策，提高农业机械化程度，促进中国农业现代化发展。