都市農業生態安全評價研究上海都市農業生態安全定量綜合評價

城市農業是指社會經濟發展到較高的水平，在整個城市范圍內形成的、功能多樣、業務豐富、產業融合的現代農業綜合體系。它是城市經濟、社會和生態系統的有機組成部分。生態安全是一個相對、動態的概念,在人類活動和外界環境變化的影響下處于不斷的變化之中。廣義的生態安全是由自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全組成的一個復合人工生態安全系統,是指在人的生活保障來源、健康安樂、基本權利、社會秩序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態;狹義的生態安全是指自然和半自然生態系統的安全,即生態系統完整性和健康的整體水平反映。本研究中都市農業生態安全為狹義的生態安全,是指在一定時間范圍內,在城市經濟社會發展的影響下,都市地區農業生態系統能保持持續的生產能力,一定程度上確保城鄉居民保障性農副產品供給安全,并能體現良好的經濟、社會、生態效益,農業生產的生態環境條件不對農業持續發展和其多元衍生服務功能的拓展與發揮構成威脅,且不斷得到修復、改善的過程與狀態。都市農業發展理念源自于日、美、歐等發達國家與地區,自20世紀90年代初傳入中國大陸以來,都市農業規劃與建設在北京、上海、深圳等地紛紛開展[7~9],在它們的示范、輻射、帶動下,都市農業在我國東部沿?？焖俪擎偦貐^和內地大城市周邊蓬勃發展。然而,在快速推進的工業化、城鎮化和現代化建設進程中,都市地區農業發展普遍面臨著農地資源日趨短缺、生態環境不斷惡化、農業生產自身污染負荷重、農業比較經濟效益低下等一系列問題,農業生態安全面臨著極大的威脅與挑戰。維持生態安全是實現區域可持續發展的基礎,開展區域生態安全評價具有重要的科學和實踐意義,因此近年來國內外有關區域生態安全方面的研究成果相繼涌現[13~18]。如任志遠等利用生態足跡理論與方法,對1986~2002年陜西省三大區域生態安全及空間差異進行定量分析;王尚義等運用“系列橫剖面”、“壓力-狀態-響應”框架模型等方法,對歷史時期汾河上游生態安全問題進行嘗試性探索;曹明蘭等運用能值分析方法構建了城市生態安全評價體系和城市生態安全指數,對1995~2005年間唐山市生態安全進行評價。農業是對自然資源、生態環境影響和依賴最大的產業部門,農業和農村可持續發展是中國可持續發展的優先領域和根本保證,因此區域農業生態安全又是區域可持續發展的核心。地處大城市周邊的都市農業作為現代農業發展的一種特殊形式,對城市支撐、保障作用明顯,對促進城鄉和諧發展意義重大,其生態安全更應受到社會各方的重視與關注。目前關于農區農業生態安全的研究成果較多[12,19,20,21,22,23],而對都市農業生態安全的研究卻是鮮見,構建具有都市農業發展特色的指標體系,并用之對都市農業生態安全進行定量綜合評價的研究尚未見報道。基于此,本文探索性地構建一套能凸顯都市農業發展特色的指標體系,嘗試采用信息熵法、綜合指數法、“障礙度”診斷模型等方法,對自1993年上海開展都市農業實踐以來的農業(種植業)生態安全進行時間序列定量綜合評價,并診斷出當前阻礙都市農業生態安全的關鍵影響因子,旨在為上海地區有針對性地進行農業生產行為調整和農業生態環境防治提供可靠依據,同時為國內都市農業進行生態安全動態研究提供理論參考。2研究領域的總結和研究方法2.1上海都市農業的總體概況上海地處我國南北海岸線的中心區域,土地總面積6340.50km2,位于兼有海洋性特征的亞熱帶季風氣候區,是典型的河口三角洲沖積平原,土壤肥沃,水系密布,自然條件十分宜農。2008年,全市轄19個區(縣),近遠郊涉農區(縣)10個,耕地總面積20.50×104hm2;農業總產值280.70×108元,其中種植業產值為135.52×108元,占全市農業總產值的48.28%,是上海現代都市農業的重要組成部分。近些年來,盡管耕地面積不斷減少,但在各級政府大力扶持和社會各界廣泛參與下,結合自身努力,上海都市農業現代化水平逐步提高,經濟效益逐漸增強,生態、社會等各項農業衍生服務功能不斷得到拓展與良好發揮。然而,區域經濟的高速發展與城鎮化進程的加速推進,給現代都市農業持續發展造成了較大的資源、環境壓力,同時,種植業、養殖業、畜牧業競相發展的過程中,也產生了較多的生態環境問題。2.2學習方法2.2.1指標體系的篩選根據前文對都市農業生態安全的定義,本研究將都市農業生態安全系統分為農業資源安全、農業環境安全和農業經濟社會發展三個子系統,在深入研究國內外有關農業生態安全指標體系[12,19,20,21,22,23,24,25]的基礎上,結合上海都市農業發展的特色與實際,在三個子系統之下分別提出了一系列單項評價指標,初步組建成都市農業生態安全評價指標體系。在此基礎上,廣泛征詢相關專家意見,并遵循科學性、系統性、可比性等原則,充分考慮指標數據可獲取性的同時,對同類指標進行相關性分析,保留相關性較大的指標,篩選出23項具體評價指標(其中包括設施農業面積、農業科技攻關重點項目投資、農業科技人員擁有率、單位農作物播種面積農膜使用強度、工業廢水排放達標率、酸雨頻率、農業比較優勢系數、農業旅游收入、農業規?；洜I水平等9項能凸顯都市農業發展特色的指標,以及14項常規指標),作為上海都市農業生態安全綜合評價指標體系(表1)。各指標選用的理由分別為:在農業資源方面,各指標分別從土地資源、光熱資源、水資源、糧食資源、現代設施農業資源、農田水利設施建設資金、農業科技資源等方面來表征都市農業資源安全狀況;在農業環境方面,各指標分別從主要農業生產物質投入強度、農業廢棄物處理能力和農業生產的外部環境條件來充分說明都市農業環境安全狀況;在農村經濟社會發展方面,各指標分別從現代農業社會經濟效益、農業商品化程度、農業與非農產業間經濟效益差距、農業規模化經營水平、農業勞動力數量與質量等方面來反映農業經濟社會發展狀況。2.2.2對中國古代指標體系的標準化處理上海都市農業生態安全評價指標原始數據主要來源于相關年份上海統計年鑒、上海郊區統計年鑒、上海環境狀況公報、區縣統計年鑒和農業部門內部資料等。由于上述所構建的評價指標體系中,包括正向作用和負向作用兩大類性質不同的指標,且大部分指標間存在量綱上的差異,不具備可比性,本研究運用極差標準化法對指標原始數據進行標準化處理。具體計算公式如下:式中,Xij和X′ij分別為第i年第j項指標的原始值和標準化值,maxXj和minXj分別為第j項指標的最大值和最小值。2.2.3指標權重的計算在多指標定量綜合評價中,指標權重確定具有舉足輕重的地位,將直接關系到評價結果的準確性。信息熵法是一種客觀賦權法,其權重值是根據指標變異程度的大小來確定,指標變異程度越大,相應權重值就越大,反之越小。信息熵法確定指標權重不依賴人的主觀判斷,客觀性較強,因此被廣泛應用于多指標定量綜合評價中。本研究采用信息熵法計算指標權重(表1)。具體計算過程如下:其中,Hi為第i個指標的信息熵;rij為指標標準化值;wi為指標權重;n為子系統數;m為第i個子系統下指標數。2.2.4加權函數法合成綜合指數由于都市農業生態安全系統的層次性和復雜性,都市農業生態安全評價的單項指標只能從某一側面反映都市農業的生態安全狀況,只有根據相應的權重,將各單項指標標準化值逐層合成綜合指數,才能反映都市農業各子系統生態安全狀況和都市農業生態安全整體狀況。具體采用如下加權函數法合成綜合指數。式中,F表示都市農業生態安全綜合指數;X′ij為第i個子系統下的第j個單項指標的標準化值;wij為第i個子系統下的第j個單項指標相對應的權重;n為第i個子系統所包含的指標數;表示第i個子系統生態安全指數。2.2.5日本都市農業生態安全的“障礙度”模型分析為提高都市農業生態安全水平,有必要對各單項指標和子系統的障礙作用大小進行評估,尋找出阻礙都市農業生態安全的主要障礙因素,以便有針對性地進行農業生態安全建設與農業生產行為調整。鑒于此,采用如下“障礙度”模型對上海都市農業生態安全進行病理性診斷。式中,Oij表示單項指標對都市農業生態安全的障礙度;X′ij第i個子系統下的第j個單項指標的標準化值;wij為第i個子系統下的第j個單項指標相對應的權重;n為第i個子系統所包含的指標數;Oi表示第i個子系統對都市農業生態安全的障礙度。3結果分析3.1農業環境安全指數呈波浪式交替增長期20021998年根據前述各評價指標標準化值、指標權重和綜合指數合成模型,計算出上海都市農業生態安全各子系統指數、綜合指數(表2),并繪制動態變化圖(圖1)。農業資源安全指數先后經過平穩階段(1993~1998年)、小幅下降階段(1999~2004年)后,較快回升。1993~1998年,都市農業建設初期,在農業資源安全指標中,設施農業面積、農田水利工程總投資、農業科技攻關重點項目投資的不同程度地增加基本抵消了農業科技人員擁有率急劇下降對農業資源安全的消極影響,農業資源安全指數基本維持穩定狀態,均值為0.1982。1999~2004年,盡管設施農業面積、農田水利工程總投資、農業科技攻關重點項目總投資持續增加,但在城市郊區化、郊區城鎮化和區域現代化建設快速推進的背景下,郊區大量耕地資源被占用,農村人口人均糧食占有量銳減,加之農作物復種指數驟降,農業資源安全指數以年均4.70%的速度由0.2223小幅減少到0.1700(研究時段最小值)。2004年以來,為提高城鎮居民新鮮蔬菜、瓜果等基本農副產品供給水平,保障郊區農民口糧基本自給,郊區現代農業投入和農田水利基礎設施建設力度進一步加大,農作物復種指數和農村人口糧食占有量也逐年得以提高,這使得農業資源安全指數在耕地資源不斷減少的前提下,仍以年均10.43%的速度由0.1700較大幅度地增加到2008年的0.2409(研究時段最大值)。農業環境安全指數經歷前期(1993~1998年)波浪式交替增減后,基本保持穩定增長的態勢。進入20世紀90年代以來,以浦東開發為契機,上海步入經濟高速發展時期,較非農產業而言,農業產業比較經濟效益低下,農業受農戶重視程度不高,單位農作物播種面積化肥、農藥、農膜使用量相對較低,大氣環境質量較好,酸雨頻率低,有利于農業環境安全指數的提升,但畜禽糞便資源化利用率、農作物秸稈綜合利用率不高,加上工業廢水排放量大且排放達標率偏低,有礙于農業環境安全指數的增加,在以上因素的交互影響下,1993~1998年,農業環境安全指數呈波浪式交替增減,最小值為1993年的0.1063,最大值為1997年的0.2172。1998年后,隨著“高能耗、高污染、低附加值”的落后產能的轉移和以“三年環保行動計劃”為核心的各項環保事業的滾動式、全面開展,畜牧業養殖總量的逐步調減、布局結構的逐漸優化,商品有機肥的推廣施用被列為政府實事工程,農作物秸稈綜合利用鼓勵政策的相繼出臺,郊區工業廢水排放總量連年減少且排放達標率不斷提高,林木覆蓋率經過前期攀升后維持較高水平,單位耕地面積畜禽糞便負荷不斷減少、資源化利用率不斷提高,農作物秸稈綜合利用水平與日俱增,這些都有利于農業環境安全指數的整體提高;然而,在耕地資源短缺且銳減的背景下,郊區農業既要擔負起保障農村居民糧食自給、穩定城鎮居民鮮活農產品供給來源的重任,又要體現較好的經濟效益,單位農作物播種面積化肥、農藥、農膜使用量持續加大并保持高位運行,加上近5年來酸雨頻率過高,減緩了農業環境安全指數增長的速度;在上述指標的正負作用影響下,此階段農業環境安全指數以年均6.97%的速率由1998年的0.1337增長到2008年的0.2269。農業經濟社會發展指數經過前期(1993~1998年)小幅下降后,以較大幅度持續穩步提升。農業經濟社會發展指數由1993年的0.0818以年均6.72%的速率逐步下降到1998年的0.0543(研究時段最小值),之后,以年均24.65%的速度穩步上升到2008年的0.1882(研究時段最大值)。農業比較優勢系數、農業規模化經營水平逐步降低和農業勞動力占比逐漸增加是前期農業經濟社會發展指數下降的主要原因。1998年后,盡管農業比較優勢系數還在小幅下降,但隨著政府扶持力度的不斷加大,農業產業結構的調整優化,現代農業產業化水平與經濟效益提高明顯,農業多功能性發揮良好,單位耕地面積種植業產值、農業旅游收入、農業規模化經營水平不斷得以較大幅度的提升,農業商品率經過前期增長達到較高水平,農業勞動力占比日趨減少且受教育年限逐步增加,這些都對農業經濟社會發展指數的增長作出了不同程度的貢獻,有助于農業經濟社會發展指數的全面增長。受農業資源、環境安全指數和農業經濟社會發展指數的綜合影響,農業生態安全綜合指數經歷前期(1993~1998年)交替升降后連年小幅穩步增長。1993~1998年,農業資源安全指數變化幅度很小,農業生態安全綜合指數在農業環境安全指數與農業經濟社會發展指數變化的共同作用下交替增減,最大值為1997年的0.4816,最小值為1998年的0.3886;1998年后,雖然農業資源安全指數出現了較小幅度的先降后升過程,但農業環境安全指數和農業經濟社會發展指數不同程度的增加,消除了前者對農業生態安全綜合指數增加的負面影響,并使之保持6.88%的年均增長速度穩定增加到2008年的0.6560。3.2農業資源安全子系統的障礙因素根據評價指標標準化值和權重,運用前述“障礙度”診斷模型,計算出了各單項指標及各子系統對上海都市農業生態安全的障礙作用大小,并繪制了主要障礙因素和各子系統障礙度動態變化圖(圖2、圖3)。郊區人均耕地面積、農村人口人均糧食占有量、農業科技人員擁有率三項指標障礙度分別由1993年的0.00%、0.17%、0.41%逐步攀升到2008年的19.56%、10.85%、9.06%,成為農業資源安全子系統的主要障礙因素;單位農作物播種面積化肥使用強度、酸雨頻率、單位農作物播種面積農藥使用強度、單位農作物播種面積農膜使用強度等4項指標障礙度分別由1993年的7.81%、1.08%、4.86%、1.15%波動式增加到2008年的12.05%、10.18%、7.79%、8.35%,成為農業環境安全子系統的主要障礙因素;農業比較優勢系數障礙度由1993年的0.00%持續上升到2008年的11.02%,成為經濟社會發展子系統的主要障礙因素。1993~2008年,農業資源安全子系統障礙度上升趨勢明顯,障礙度最小值為1999年的31.25%,最大值為2006年的49.42%,2008年障礙度為45.99%,對上海都市農業生態安全阻礙作用大;農業環境安全子系統障礙度整體上呈先降(1993~2004年)后升的發展態勢,障礙度最小值為1997年的29.40%,最大值為1993年的43.24%,2008年障礙度為42.12%,對上海都市農業安全的阻礙作用較大;農業經濟社會發展子系統障礙度經過前期(1993~1997年)小幅增加后持續下降,最大值為1997年的31.82%,最小值為2008年的13.06%,對上海都市農業安全的阻礙作用較小。3.3農業科技投入不足,影響生態安全水平根據以上生態安全評價結果與障礙性診斷結果分析發現,目前上海都市農業生態安全存在以下主要問題:(1)經濟社會快速發展導致的農地資源快速減少,農村人口人均糧食占有量偏低,農業科技人員擁有率不高,農業科技投入不足,嚴重影響了上海都市農業資源子系統生態安全水平的提高。(2)在農業發展空間日趨縮減的背景下,為提高農地產出效率,化肥、農藥的超量施用,農膜大量使用且回收率低,造成農業生產自身污染較為嚴重,同時,大氣環境質量較差,酸雨頻率高,不利于農業生產環境安全。(3)農業與非農產業間的經濟效益差距的逐步拉大,致使農戶農業生產積極性不高,有礙于農業經濟社會的全面發展。4加強農業資源保護,提高資源環境質量(1)本研究在探索性構建上海都市農業生態安全評價指標體系的基礎上,嘗試運用相關數學