亚热带稻作区农业生态环境脆弱性时间演变研究
——以衡阳盆地为例

周松秀，蒋　晴，刘兰芳，王　鹏

（1.衡阳师范学院城市与旅游学院，湖南衡阳 421002；2.新晃县一中，湖南怀化 419200）

亚热带稻作区农业生态环境脆弱性时间演变研究
——以衡阳盆地为例

周松秀1，蒋晴2，刘兰芳1，王鹏1

（1.衡阳师范学院城市与旅游学院，湖南衡阳 421002；2.新晃县一中，湖南怀化 419200）

农业生态环境脆弱性与区域自然、社会、经济条件密切相关。文章根据亚热带稻作区农业生态环境时间变化特点，从区域的资源条件、设施现状、区域环境响应、经济能力四方面构建脆弱性时间演变评价指标体系。实证研究以衡阳盆地为例，运用主成分分析法，分析农业生态环境脆弱性的时间演变规律。结果表明，衡阳盆地21世纪以来，农业生态环境脆弱度指数以轻度脆弱为主，呈明显下降趋势。脆弱性演变大约分为三个阶段，即2000-2001年为脆弱性快速下降阶段，2002-2010为脆弱性波动下降阶段，2011-2012年为脆弱性稳定下降阶段。区域的经济能力是影响农业生态环境脆弱性的主要驱动因子。研究结果与实际情况基本相符。此研究能为研究区农业适应性调控策略的制定提供依据。

农业生态环境；时间演变；脆弱性；衡阳盆地

0　引言

生态脆弱性已成为当前全球变化与可持续发展研究的热点问题。国外对生态脆弱性的研究较早，20世纪60年代法国学者Albinet和Margat提出后经Verhuff等得到发展［1］。早期的脆弱性研究多针对自然生态系统。21世纪以来，脆弱性更重视自然-社会耦合系统研究。国内生态脆弱性研究始于20世纪80年代，之后的研究朝着多元化方向发展［2］。由于研究背景的差异，学者对脆弱性的理解不尽相同，因此脆弱性的概念不十分明确［3］。大多数研究仍以政府间气候变化专业委员会（IPPC，Intergovernmental Panel on Climate Change）的定义为准。IPCC认为脆弱生态环境是一种对环境因素改变反应比较敏感、维持自身稳定的可塑性较小的生态环境系统［4］。学者普遍认为是生态环境脆弱性是生态环境固有的特性，其存在并不完全取决于生态环境是否暴露于自然和人为干扰之下［5］。当人类活动和自然灾害的逐步积累达到一定强度生态环境转化为脆弱状态，并朝着生态环境恶化的方向发展，这种生态环境被认为是脆弱性生态环境［6］。

近年来，学者围绕典型生态环境脆弱区展开了脆弱性理论与实证研究，如对绿洲、农牧交错带、喀斯特地区、青藏地区等敏感区的生态脆弱性研究较多，并取得了丰富的成果。作者及其研究团队长期从事南方丘陵区的生态脆弱性研究，对衡阳盆地的农业生态环境脆弱性的空间演变规律及其驱动力进行了大量的研究，并取得了一些研究成果［7-8］。时间演变能反映脆弱性演变过程及今后的演变趋势，对农业决策部门和农业经济行为具有较大的指导作用。本文拟对亚热带稻作区农业生态环境脆弱性时间演变进行探索。作者在研究中发现农业生态环境脆弱性的空间分异和时间演变的影响因素有所不同，即需要构建不同的评价指标体系。脆弱性定量研究主要趋势表现在区域生态风险评价的指标体系，建立评价标准［9］。如何确定评价标准、定量表征和不确定性处理等是定量研究中亟待解决的问题。随着时间的演变农业政策和经济条件变化显著，脆弱性时间演变所需构建指标体系的侧重点和视角也应该随之变化。本文着眼于脆弱性时间演变的研究，评价指标的选择是较重要的研究内容。文章从区域的资源条件、环境承载状况、设施现状、经济能力4方面构建农业生态环境脆弱性评价指标体系；以衡阳盆地为例，对亚热带稻作区农业生态环境脆弱性时间演化进行研究。通过对研究时域内的脆弱性的演化特征与演变规律的分析，揭示演变趋势及其动因，以期为研究区农业适应性调控策略的制定提供科学依据。

1　基于时间演变的农业生态环境脆弱性评价指标体系的构建

1.1评价指标体系的构建原则

农业生态环境脆弱性定量评价可分为时空两个维度。脆弱性成因和表现特征十分复杂，若把所有影响因素均列入农业生态环境评价指标，则指标体系庞大，进而使评价结果具有不确定性。农业生态环境脆弱度指标体系构建应遵循科学性、代表性、综合性、系统性和可操作性等原则。

1.1.1科学性原则

指标体系构建要能客观反映农业生态环境脆弱性本质及其复杂性，需遵循科学性原则，真实反映生态环境质量及其演变。农业生态环境的脆弱程度一方面与环境的承载力有直接关联，承载力强表明容纳和吸收能力大，脆弱性则小。农业生态环境脆弱性与资源条件密切相关，资源条件的丰度和使用方式是环境脆弱性的表达方式。农业生态系统属于自然-社会复合系统，生态环境脆弱性时间演变与设施条件和经济发展密切相关。因此本文指标体系构建从资源条件、区域环境响应、设施现状、经济能力4方面考虑，涵盖影响农业生态环境脆弱性的自然、社会、经济等方面的因素。

1.1.2代表性原则

评价指标的确定需具有代表性，能客观反映农业生态环境的现状及变化特征。指标太多，难免会出现两个或两个以上指标表达的内容重贴和相关性太强，指标太少则可能出现重要指标疏漏而不能全面表达。本文从资源条件、区域环境响应、设施现状和经济能力4方面选取12个具体指标，如年均温、年降水量、森林覆盖率、农业人口等代表性的指标。

1.1.3综合性原则

区域农业生态环境是复合生态系统，指标体系的驱动或指示作用应具有综合性，反映区域资源与环境的主要属性，既能突出局部特征又要充分反映整体特征，既能反映生态环境本底条件，又能表达时间演变特征。文章选择人均GDP、农民纯收入、恩格尔系数等作为经济环境指标。人均GDP可反映研究区域的总体经济状况、农民纯收入则反映农民的经济水平，恩格尔系数的变化可表明农村居民生活水平及贫困程度的变化。

1.1.4系统性原则

指标体系构建遵循系统性原则。文章按照系统论的观点，构建一个基于4个层面12个具体指标的评价指标体系。

1.1.5可操作性原则

具体指标选择应考虑其可操作性。有些指标对农业生态环境脆弱性时间演变有一定的表征作用，但其难以量化或者数据难以取得，不宜列入评价指标体系。如研究区域居民环保意识的变化，对区域农业生态环境脆弱性时间演变具有较大影响，但相关数据不易量化表达，未列入指标体系。

1.2指标体系的层次和具体指标

文章从区域资源条件、区域设施状况、经济能力、区域环境响应4层面选取12个具体指标，构建亚热带稻作区农业生态环境脆弱性时间演变的指标体系（表1），分别是：年平均气温X1（℃）、年平均降水量X2（mm）、森林覆盖率X3（%）、农业人口X4（万人）、水库水塘密度X5（万m3/hm2）、动力灌溉面积X6（hm2）、人均GDP X7（元）、农民人均纯收入X8（元）、恩格尔系数X9（%）、自然成灾率X10（%）、地均农药使用量X11（t/hm2）、地均化肥使用量X12（t/hm2）。

1.2.1区域资源条件指标

在12项具体指标中，气温X1（℃）、X2年平均降水量（mm）、森林覆盖率X3（%）和农业人口X4（万人）等4个指标属于区域资源条件的宏观指标。全球变化背景下，年平均气温和年降水量等宏观指标反映研究区的自然本底条件，影响农作物的生长和农业生产的发展。如当气温低于0℃时，亚热带稻作区大部分作物停止生长甚至死亡。南方主要粮食作物水稻属喜温喜湿植物，适宜温度为20-32℃，每公顷需水量为350-600 m3，暴雨和长期干旱等极端气象事件会给农业造成极大损害。20世纪气候变化引起了有害生物泛滥，干旱胁迫增加使害虫和疾病爆发强度和频率增加［10］，农业生态环境脆弱性增加。森林覆盖率是区域农业发展的背景条件指标。若森林覆盖率提高，水土保持状况会得到改善，农业生产能力和农业发展潜力便随之提高。农业人口既是区域劳动力资源指标，也是区域人口压力指标。当区域农业人口过少时会导致区域劳动力不足，制约农业产业发展；若区域农业人口过度膨胀，达到或超过区域承载量时，会导致区域环境压力增大，耕地退化，农业产业衰退［8］。

1.2.2区域设施指标

水库水塘密度X5（万m3/hm2）、动力灌溉面积X6（hm2）等2项指标，从区域农业设施角度反映区域农业生态环境。水库水塘具有调洪济旱能力，是农业生产稳定性重要影响因素。动力灌溉能提高水库水塘蓄水的利用率，有效缓解旱情。这2项指标能反映水稻生长期水分的供给程度。亚热带稻作区7-8月正值伏旱期，水库水塘和动力灌溉是弥补降水不足、满足水稻需水量的必要途径，是保证农业稳定性、缓解旱情的关键因素。随着惠农政策的逐步落实和深化，农业区域设施正在逐步改善，对脆弱性时间演变产生较大影响。

1.2.3区域经济能力指标

人均GDP X7（元）、农民人均纯收入X8（元）、恩格尔系数X9（%），这3项指标属于区域经济能力的指标，一方面可反映区域经济状况和农业环境的供给能力，另一方面农业脆弱性直接受区域经济能力的影响［11］。如农业的抗灾能力直接受区域经济发展水平制约。随着农村土地流转的深化和完善，农民人均GDP和农民纯收入提高显著，恩格尔系数降低。农村土地流转改变了农业经营模式，促进农业由粗放模式向集约化模式转化，对农业基础设施建设和农业科技应用具有较大的推动作用，有利于农业生态环境质量的提高，降低农业生态环境脆弱性。

1.2.4区域环境响应指标

自然成灾率X10（%）、地均农药使用量X11（t/hm2）、地均化肥使用量X12（t/hm2）。这3个指标表达区域环境响应，能反映农业生态环境脆弱性。全球变化背景下，自然成灾率年际波动较大，农业灾害突发性和频发性特征显著，增加农业生态环境脆弱性。适量的农药化肥使用能使农业增产，保证产量，增加农业收入，提高农民生活水平。大量使用农药、化肥会导致土地板结，水土污染，导致土壤生产力降低。按照土地生产力下降25%即为荒漠化的临界值的标准，中国非灌溉耕地中有69%属于荒漠化土地［12］，土地生产力下降是农业生态环境脆弱性的重要体现形式。随着农村土地流转的推广，农药化肥的使用模式、种类和使用量变化明显，对脆弱性产生影响。

1.2.5数据来源

文章以2000-2012年为研究时间，对研究区域156个基础信息数据进行分析，评价研究区域13年农业生态环境脆弱性的时间演变规律。其中平均气温、年降水量、森林覆盖率、人均GDP、恩格尔系数等数据来源于研究时段的《衡阳统计年鉴》；农业人口、水库水塘密度、动力灌溉面积、农民纯收入、自然成灾率、地均农药使用量和地均化肥使用量等数据资料来源于研究时段的《湖南农村统计年鉴》。此外，作者实地调查走访衡阳盆地常宁市的星子坪村、联平村、长塘村和石桥村得到部分第一手资料和数据。

表1　农业生态环境脆弱性评价指标及权重Tab.1 Agricultural ecological environment Vulnerability assessment index and weight

2　农业生态环境脆弱性定量评价

2.1研究区域

亚热带稻作区是我国主要的稻谷产区和重要的商品粮产区，对我国的粮食安全和农业经济发展具有重要意义。衡阳盆地位于长江中游湖南省南部的湘江中下游地区，具有典型性和代表性。衡阳盆地总面积为15310 km2，其范围与衡阳市辖区行政区域大体一致。其经纬度约为北纬26°20′～27°15′，东经112°05′～112°58′，四周中低山包围，海拔约为800～1300 m。向内逐渐过渡为500 m以下的丘陵盆地。湘江自西入境，将盆地分为东南和西北两部分，河网密度为每平方公里0.55 km。衡阳盆地土壤以地带性红壤和非地带性水稻土、紫色土为主。紫色土约12×104hm2，其中石灰性紫色土占72%；沿河洲滩及冲谷地带多分布冲积土和水稻土。由于红层岩性软弱，加之植被破坏，水土流失严重。区域内森林覆盖率在44%左右波动，紫色土地区森林覆盖率仅10%左右，土壤红漠化现象严重。研究区域的气候属于亚热带季风湿润气候，年均温17.5～18.1℃，一月均温5.2 ～6.1℃，7月29.4～30℃。极端最低温-10.3℃，极端最高温40.8℃，3末4月初的极端低温天气，易造成水稻烂种。研究区多年平均降水量约1340 mm，四周山区年降水量较丰富，盆地内部年降水量偏少。且降水集中于春末夏初，春夏两季降水量占全年的70%左右。而盛夏初秋降水量偏少，季节性干旱频发。研究区农业以水稻种植为主，兼有豆类、麦类和油菜等作物。园艺业较发达，油茶面积广布。衡阳盆地人口密度较大，农耕历史悠久，是我国南方稻作农业文化中心区域。水土流失严重，抵御灾害能力较差。

2.2评价方法

生态环境脆弱性的定量评价分析方法有模糊逆方程法、统计平均值法、模糊综合评判法、综合指数法、主成分分析法、层次分析（AHP）法、灰色关联法等诸多方法。由于农业生态环境脆弱性评价指标涉及脆弱生态环境的成因和表现特征等方面［13］，评价指标较多，存在一些关联性。主成分分析法能够将原来的指标重新组合成少数几组新的彼此关联性较弱的综合指数，且能反应初始指标信息，此方法计算的权重客观，避免了主观随意性［14］。因此，本文选择主成分分析法对研究区域农业生态环境脆弱性进行定量评价。文章首先通过主成分贡献率的计算，得出主成分个数，然后计算主成分载荷值，求出各评价指标的权重值，进而计算研究区域各年份的脆弱度。

2.2.1数据标准化处理

在这12项指标中，X4、X9、X10、X11和X12为正向指标，其值越大，脆弱性越大；而X1、X2、X3、X5、X6、X7和X8为负向指标，其值越大，脆弱性越小。由于各指标的纲量不一样，需要对原始数据进行标准化处理，从而使其具有良好的可比性。本文采用的标准化公式为：

式中，Xij为项指标第j年的标准化值，xij为i项指标第j年的指标值，maxj｛xij｝为该指标的最大值，minj｛xij｝为该指标的最小值。

2.2.2主成分分析

应用SPSS19.0统计分析软件对评价指标进行主成分分析，计算其相关矩阵、特征根、主成分贡献率、累积贡献率以及主成分载荷，见表2和表3。

表2　特征值及主成分贡献率Tab.2 Characteristic value and the principal component contribution rate

由表2可知，前4个主成分的累计贡献率之和达到86.590%，根据累积方差贡献率在85%以上的原则［15］，选择前4个主成分进行分析，分别记作Z1、Z2、Z3、Z4。

主成分载荷是指不同主成分中各指标的权重，反映了主成分与原指标间的相关性关系。根据主成分中各指标的权重，列出主成分Z1的表达式：

同理可求得Z2、Z3、Z4的表达式。

由于4个主成分在累计贡献率中所占比例不一样，根据表1可计算出4个主成分各自在累计贡献率中所占的权重值，从而得出

将Z1、Z2、Z3、Z4表达式带入（4）式得：

表3　主成分载荷Tab.3 Principal component loadings

2.3脆弱度计算

农业生态环境脆弱度的计算公式：

式中Vi为第i年的农业生态环境脆弱度，Wi为第i个评价指标的权重。

农业生态环境脆弱度的等级划分到目前为止尚未有统一的标准，本文借鉴前人的研究成果并结合衡阳盆地的具体情况，将衡阳盆地农业生态环境脆弱度（表4）划分为五个等级，即0.9695＜Vi＜1.1395为高强度脆弱性。0.7995＜Vi＜0.9695为强度脆弱性，0.6295＜Vi＜0.7995为中度脆弱性，0.4595＜Vi＜0.6295为轻度脆弱性，0.2895＜Vi＜0.4595为轻微度脆弱性。

表4　各年份脆弱度及级别Tab.4 The vulnerability and level from2000 to 2012

3　农业生态环境脆弱性时间演变规律分析

由表4和图1可知衡阳盆地农业生态环境脆弱度随时间演化较复杂，脆弱性大体呈波动下降趋势。2000年为高强度脆弱，2001-2003年为中度脆弱，2004—2010年7年脆弱度为轻度，2011—2012年为微轻度脆弱。这与衡阳盆地资源环境条件、农业设施建设、区域响应程度与经济状况等密切关系。衡阳盆地水稻土熟化程度较高，年降水量丰富，河网密度大，灌溉设施逐渐完善，农业劳动力丰富，农民纯收入逐年增加，这些因素促进了衡阳盆地农业的健康发展，减缓或降低衡阳盆地农业生态环境脆弱性。从演变特征和趋势来看，衡阳盆地农业生态环境脆弱性在研究时域13年期间可分为三个阶段。

3.1脆弱性快速下降阶段

由图1可知2000—2001年呈直线下降，脆弱度由2000年的高强度脆弱跳跃下降为2001年的中度脆弱。下降幅度达38.6%。2001年是国家十五规划的起始年，国家和湖南省一系列的惠农和保护农业生态环境的政策措施得到落实，衡阳市农业以“衡阳市农业和农村经济发展十五规划”为指南，围绕农业增效、农民增收、农村稳定、农业生态环境改善的奋斗目标，以市场为导向，以结构调整为突破口，以推进产业化为手段，立足本地资源优势，全面推进农业现代化建设，农业的综合生产能力明显提高，农业生产和农业经济得到了较大的发展，2000-2001年经济增幅较大，农民纯收入、人均GDP、恩格系数都有较大的变化，其中变幅最大的为区域人均GDP由2000年的4934上涨到5535元，同比增长了12.2%，农民人均纯收入由2617元增加到2743元。快速改善的经济条件有利于增加农业固定资产投入，减少对农业生态环境的掠夺式获取，农业生态环境得到改善，脆弱性明显降低。

图1　衡阳盆地2000-2012年农业生态环境脆弱度演变Fig1.Agricultural ecological environment vulnerability evolution diagram of Hengyang basin

3.2脆弱性波动降低阶段

由图表和数据可得知，2002—2010年脆弱度以中轻度为主，脆弱度在0.460 0—0.676 2间波动下降。此阶段前3年为中度脆弱，后7年为下降为轻度脆弱。2001年-2005年，农业增加值由109亿元提高到141亿元，比2000年增长29.3%，农民人均纯收入达3800元，年均增加230元。此期间水利建设投资近10亿元，堤防加固77 km，加固险水库20座，新增供水能力约220×104m3。农业经济的发展和水利设施的改善为农业生态环境的健康发展提供了保证，因而此阶段脆弱性平缓下降。2005年-2010年，农业税全面取消，农村“村村通”公路工程实施，农业发展环境进一步优化。此期间农业增加值年均增长4.5%，农村人均纯收入年递增6%。衡阳市“十一五”农业发展规划中单列了农业生态环境保护目标，期间新增水土流失治理面积2.5×104hm3，新增蓄水8400×104m3，改善灌溉面积12×104hm3。农业生态环境稳定并有改善，生态环境脆弱性降低。

3.3脆弱性稳定下降阶段

研究时段的后期2011—2012年，为微轻脆弱度，并呈稳定下降趋势。其中2011年脆弱度为0.408 5，2012年仅为0.289 6。下降幅度较大，下降趋势稳定。此期间“谁种粮谁受益，种多少补多少”的据实种粮直补政策得到落实，种田的积极性明显提高。随着衡阳市“一流转五服务”工作的推进，种粮专业大户、家庭农场、农民合作社和农业龙头企业涌现，许多耕地的经营方式由农业集约化取代了农户单干的小规模零散的粗放经营。生产规模的扩大可提高农民无公害农业生产的认知水平和生产意愿［17］，这是改善农业生态环境的潜在动力和关键因素。规模农业生产过程中，农业科技人员成为农业生产者，农业科技得到大力推广，农药化肥的使用量大幅度降低，使用效率迅速提高。从走访衡阳盆地常宁市的星子坪村、联平村、长塘村和石桥村的情况看，农药化肥的使用量减少了50%，水田为零撂荒，双季稻的种植面积提高40%，农业生态环境明显改善，脆弱性下降将呈持续趋势。

3.4脆弱性驱动因子分析

由图1可以看出，衡阳盆地农业生态环境脆弱性呈明显下降趋势。由表3可知地均化肥使用指标的权重最大，说明区域环境响应因素对衡阳盆地农业生态环境脆弱度的影响最大。此外农民纯收入、恩格尔系数、人均GDP等指标的权重较大，说明区域的经济能力是影响农业生态环境脆弱性的主要驱动因子。研究区域的农业生态脆弱性主要属于胁迫型脆弱性，区域环境响应因子与农业经济活动的胁迫性因子是脆弱性的主要驱动力。总的来说研究区域的农业生态环境脆弱性随时间的推移呈小波动下降趋势，衡阳盆地的农业生态环境正在恢复中。在今后制定农业适应性调控策略和调控方案时，应充分考虑区域环境响应因素与农业经济行为。农业生态系统适应性调控以降低农业生态环境脆弱性和发展农业社会经济为目标，如何处理二者的关系是区域环境响应研究的重点问题。

4　结论

（1）文章针对亚热带稻作区农业生态环境的特点，遵循科学性、代表性、综合性等原则，从区域的资源条件、设施状况、经济能力和区域环境响应4方面选取12个具体评价指标，构建评价指标体系。

（2）运用主成分分析法，以衡阳盆地为例对亚热带稻作区农业生态环境脆弱性进行分析。研究表明，衡阳盆地21世纪以来，农业生态环境脆弱度指数以轻度脆弱为主，其时间演变呈现明显的下降趋势。2000-2012年间衡阳盆地农业生态环境脆弱演变可分为三个阶段：2000-2001年为脆弱性快速下降阶段，2002-2010年为脆弱性波动下降阶段，2011-2012年为脆弱性稳定下降阶段。

（3）研究区域的农业生态脆弱性以胁迫型脆弱性为主，区域环境响应因素和经济能力是影响农业生态环境脆弱性的主要驱动因子。

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Research on the Temporal Evolution of Agricultural Eco-environmental Vulnerability in Subtropical Rice Areas——Take Hengyang Basin as an Example

ZHOU Song-xiu1，JIANG Qing2，LIU Lan-fang1，WANG Peng1
（1.College of City and Tourism，Hengyang Normal University，Hengyang Hunan 421002，China；2.Xin Huang No 1 Middle School，Huaihua Hunan 419200，China）

The vulnerability of agricultural eco-environmental is closely related to the natural，social and economic conditions. Based on the characteristics of temporal evolution of agricultural eco-environmental in subtropical rice areas，we structure the index system of agricultural eco-environmental vulnerability（AEV）which includes regional resource condition，Regional environmental response，facility status and economic ability.The empirical is Hengyang basin.Principal component analysis （PCA）is adopted in this paper，and AEV is calculated from 2000 to 2012.The results show that AEV is mild fragile in Hengyang basin in most years，and AEV decreased significantly as the year goes on.The Evolution of vulnerability is divided roughly into three stages from 2000 to 2012 in Hengyang basin.The vulnerability fell quickly from 2000 to 2001，it declined in volatility from 2002 to 2010，and it fell from 2011 to 2012.Economic capacity are the main driving factors of the vulnerability of agricultural eco-environmental.The result tallies with the actual situation on the whole.The research can provide the basis for the regulation strategies of agricultural adaptation in Hengyang basin.

agricultural eco-environment；temporal evolution；vulnerability；Hengyang basin

X171；S181

A

1673-0313（2015）06-0057-06

2015-10-08

国家自然科学基金项目（41171075，41171076）；湖南省“十二五”重点建设学科人文地理资助项目

周松秀（1968-），女，湖南常宁人，副教授。主要研究方向为区域环境质量综合评价。