基于组合评价法的湖南省农业可持续发展区域分异

谭洁，董俐，周卫军，谭雪兰，刘沛

湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128

0 前言

可持续发展是指能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展(World Commission on Environment and Development，1987)，其被视为一个自然-社会-经济复杂系统中的行为矢量，将引导国家或地区的发展朝日趋合理、更为和谐的方向进化[1]。农业可持续发展是可持续发展战略在农业领域的具体体现，是可持续发展总体战略的优先领域和重要组成部分，也是现代农业发展的理性抉择和根本出路[2，3]。国内外学者围绕农业可持续发展的内涵意义[4-6]、实现途径[7-9]、指标体系构建[10-14]、发展水平评价[15-17]、制约因素[18]等开展了大量理论与实证研究，通过综合集成方法对不同时空尺度和地域类型的农业可持续发展问题进行了探讨，但目前研究主要集中于对农业可持续发展水平评价的实证分析，其中又以指标体系的构建和研究方法的选择为其研究重点，相对而言，仍缺乏对具体区域农业可持续发展内部区域分异的深入探究。此外，许信旺认为农业可持续发展指标体系构建应落脚于具体的地域单元[19]，LUONG和SMIYH等指出农业发展不是完全独立的实践活动，其与经济、社会、生态环境之间存在不可断离的纽带联系，须把握好农业空间尺度，遵照因地制宜的原则选取指标[10，11]。郝翠等研究表明可持续指数法、生态足迹法、能值法、指标体系评价法都有各自的适用范围和优缺点，其中指标体系评价法具有较好的灵活性与变通性，可在具体研究区域中进行变化与调节[20]。钟赛香等认为现有的农业可持续发展水平的评价，多采用单一的评价模型，而单一评价模型因其内在运行机理的差异，往往导致评价结果存在偏差，可能会造成研究成果的缺憾[21]。相较之下，基于多评价结果的组合评价方法能够有效提高评价的科学性，实现评价结果的优化和一致性[22，23]。有鉴于以上所述，本文以湖南省为研究对象，单一评价模型与二次组合评价模型相结合，采用主成分分析法、熵值法、模糊Broda法、因子分析法、聚类分析法等，借助SPSS软件及ArcMap软件对农业可持续发展区域分异进行定量分析，并根据农业可持续等级特征提出区域发展布局建议，以期为湖南省农业可持续发展提供科学支撑。

1 研究区介绍

湖南省位于长江中游南岸(108°47′E—114°15′E，24°39′N—30°38′N)，面积 21.18×104km2，地势东、南、西三面环山，中部丘陵与盆地相间，北为洞庭湖平原，属于大陆性中亚热带季风湿润气候，年平均气温16—18℃，年平均降水量1200—1700 mm，年日照数1300—1800 h，无霜期长达260—310 d[24]。2001—2015年第一产业增值实现“十五连增”，2015年达到3331.6×108元，农业、林业、渔业产值分别增长4.0%、8.1%、7.0%[25]。全省森林覆盖率为59.57%[26]，比全国水平高38%[27]，粮食产量3002.9×104t，农林牧渔总产值 5630.75×108元，占全国农林牧渔总产值的10%，在全国31个省、直辖市中位列第七，其中林业生产总值全国第一[28，29]，在国家农业发展格局中占据重要地位。然而，在农业生产与经济巨大成就的背后，存在着农业资源硬约束日益加剧的严峻问题。2015年湖南省耕地面积 415.02×104hm2，人均耕地面积 0.057 hm2，与全国人均耕地0.098 hm2有明显差距[28-29]，人地关系紧张。雨量充沛但时空分布不均匀，江湖蓄洪能力减弱，洪涝灾害严重。此外，由于化肥、农药等过量使用，农业内外源污染叠加等所带来的问题日益凸显，对农业可持续发展产生了重大影响，湖南省作为我国典型的农业大省，对其农业可持续发展的研究具有重要意义。

2 数据来源与指标构建

2.1 数据来源

本文以2015年为研究时段，以湖南省各市州为基本单元，数据来源于2016年湖南省统计年鉴、中国统计年鉴等统计数据。

2.2 指标构建

本研究从湖南省农业可持续发展内涵出发，依据指标选择的系统性、科学性及可获得性原则，参考借鉴相关研究成果[30-34]，经多次 KMO 检验及Bartlett检验构建了湖南省农业可持续发展评价指标体系(表1)。

3 研究方法

为减少同一样本数据经不同评价方法所捕捉到的信息来源与比重差异对评价结果的影响，本研究将组合评价模型与单一评价模型相结合，选用多种评价方法，经模糊 Borda组合评价模型对农业综合发展水平进行二次评价，采用因子分析法计算各子系统发展指数，并将上述评价结果综合集成，运用聚类分析法对湖南省农业可持续发展水平进行等级分级。此外，借助GIS技术，通过自然间断点分级法以图像形式直观表达子系统发展的地区差异。

3.1 组合评价法

组合评价法是基于两种或两种以上单一评价模型所获得的评价结果，强化对信息的充分利用，有效提升评价结果的科学性和真实性[35]。模糊 Borda组合评价模型兼顾得分与排名的差异，具有较好的适用性[36]。本文选择主成分分析法、熵值法两种单一评价模型进行初步评价，经等级相关法检验一致性后进行组合评价。计算过程为:

表1 湖南省农业可持续发展指标体系Table 1 Index system of agricultural sustainable development in Hunan province

第一步，原始数据的无量纲化处理

(1)式中，xi为某一因子原始值，μ为平均数，σ为标准差，用于主成分分析法。因Z-Score法处理后数据有负值存在，故在熵值法中，采用极差标准化法处理数据:

上式中，A为平移幅度，本文取A=0.01，使标准数据有意义。

第二步，通过熵值法计算指标比重pij、熵值ej、差异性系数dj及权重wi，进行综合评价

上式中，k=1/ln m，m，为市州个数，ej越小，dj越大，指标间差异显著，占有权重越大。

第三步，通过主成分分析法计算主因子得分fi和农业可持续发展综合指数F。

上式中，gi为主因子得分系数的权重系数，lij为第i个主因子对第j个指标的载荷量。

第四步，进行事前一致性检验。选用 Spearman相关系数检验法，检验主成分分析法和熵值法所得的评价结果，验证单一评价模型的可靠性。

(12)式中，Di=Xi-Yi为两次评价结果偏离程度的量度，偏离程度越大则值越大。

第五步，计算隶属度。

(13)式中，Fij表示第i个城市在第j种评价方法下的得分。

第六步，计算模糊频数。

(14)式中，当市州 i在第 j种评价方法中排第 h位时，δih为1，当市州i在第j种评价方法中未排第h位时，δih为 0。

第七步，计算模糊频率，对模糊频数归一化处理。

第八步，进行得分转换处理。

(16)式中，Qh表示城市评价排名在第 h位时的得分。

第九步，计算组合评价得分。

3.2 因子分析法

因子分析法是主成分分析法的拓展和延伸，提取的新变量是对原始变量的内部剖析，具有明确的解释方向，可最大限度增强分析作用的专业性[37]。因此本文选用因子分析法对各子系统分别进行评价。计算过程与主成分分析法相似，区别在于须对因子进行旋转，计算主因子得分时，因子得分系(对应于上式中lij)由因子得分系数矩阵获得。

3.3 聚类分析法和自然间断点分级法

聚类分析法使同类个体同质性和类间个体异质性最大化，在数据挖掘及模式识别中有应用广泛[38，39]。本通过 SPSS软件，采用欧式距离的平方:计算分类距离，并借助ArcMap软件，通过自然间断点分级法识别类别间隔，组合相似值，使各类之间差异最大化，从而完成分类，并在各发展系统区域分异图中显示。

4 研究结果

4.1 农业可持续发展区域分异

4.1.1 农业可持续发展综合水平区域分异

通过事前事后一致性检验结果显示，主成分分析法、熵值法的Spearman等级相关系数为0.873，表明此二种单一评价模型评价结果高度相关，符合组合评价的要求，组合评价结果与单一评价模型的Spearman等级相关系数分别为0.947和0.952，表明结果具有较强的一致性。2015年湖南省 14市州农业可持续发展综合指数区域分异显著，大致表现为由东至西递减，以长沙为核心，向长株潭城市群及周边区域辐射，湘西地区最为薄弱(图1a)。其中，长株潭城市群表现突出，湘北洞庭湖平原区优于湘南山地丘陵区，湘中丘岗盆地区和湘西武陵源山区则相对滞后。长沙市作为长株潭的发展引擎，综合指数为 91，远超其他市州，具有突出的领先优势，湘潭市位于其后，株洲市则处于全省中等水平；湘北洞庭湖平原区包括岳阳市、益阳市、常德市，综合指数大幅超过湖南省平均水平，农业可持续发展水平较好，其中岳阳市紧随长沙市、湘潭市，在组合评价中稳居第三，常德市和益阳市在14个市州中排名中上；湘南山地丘陵区包括衡阳市、永州市和郴州市，林业、畜牧业、种植业发展水平较高，其中衡阳市、永州市在组合评价中排名第四和第六，郴州市略为落后，处于全省中等偏下水平；湘中丘岗盆地区的邵阳市、娄底市和湘西武陵源山区的湘西州、怀化市、张家界市，农业可持续发展现状较为滞后，低于全省平均水平，其中张家界市、邵阳市、湘西州综合指数均小于 5，在组合评价中均排名末 3位，与前三个地区在整体水平上有较大差距(图2a)。

4.1.2 农业人口与社会可持续发展区域分异

农业人口与社会可持续发展水平表现为南北低中部高，由东向西递减，总体呈现出三级阶梯的梯度分异(图1b)。第一级阶梯为长株潭城市群，人口与社会发展居全省最高水平，其中长沙市作为湖南省省会发展指遥遥领先于其他市州，发展状况最好，对周围地区有积极的带动作用，株洲市和湘市潭发展指数也远超其他市州；第二阶梯为除两极之外的 8个城市，发展指数集中分布于两个区间，衡阳市、邵阳市、岳阳市、常德市发展指数极差范围约为0.5，张家界市、益阳市、郴州市、永州市约为0.3，发展指数变化较为平缓(图2b)；第三阶梯为位于湖南省中西部的湘西州、怀化市、娄底市在地理位置上相连，人口与社会发展水平居全省最末，与长株潭城市群相差悬殊。

4.1.3 农业生产与经济可持续发展区域分异

农业生产与经济可持续发展水平大致表现为由洞庭湖生态经济区及湘南农业综合区向湖南省外围递减(图1c)。湘南地区优于湘北地区，北起张家界市南至永州市，发展水平较为连贯，而长株潭地区则未显示出其发展优势。位于洞庭湖生态经济区的常德市、益阳市，以及位于湘南农业综合开发区的衡阳市、郴州市，发展指数均超过0.6，大幅领先于全省平均水平，农业生产与经济发展势头强劲；位于湖南省中西部的张家界市、怀化市、邵阳市、永州市在地理位置上相连，由北至南贯穿全省，农业生产与经济可持续发展处于全省中上水平；娄底市、岳阳市紧随其后，居于全省中等水平；位于湖南省东部的长株潭城市群及湖南省西北部的湘西州，发展指数小于-0.5，在农业生产方面落后于全省平均水平(图2c)。

4.1.4 农业资源与环境可持续发展区域分异

农业资源与环境可持续发展指数的空间变化是以湘西州、湘潭市、郴州市为节点串联的一横两纵优势带，向以娄底市、湘潭市、长沙市为界的南北两个落后圈递减(图1d)。位于湖南省西北部的湘西州、怀化市，位于湖南省区域中心的湘潭市、娄底市、长沙市以及位于湖南省南部的郴州，发展指数为正值，农业资源与环境可持续发展状况较好，其中湘西州发展指数最高，具有优良的资源环境支撑。株洲市、张家市界发展指数接近全省平均水平。以娄底市、湘潭市、长沙市为界，位于其北上的常德市、益阳市、岳阳市及位于其南部的邵阳市、衡阳市、永州市发展指数为负值，落后于全省平均水平，其中湘北洞庭湖平原区，生产与经济子系统发展水平较高，但在资源与环境子系统中处于落后圈范围，排名全省后三位，体现出经济生产与生态环境的相对不协调关系(图2d)。

图1 湖南省农业可持续发展综合系统及各子系统发展的区域分异Figure 1 Regional differentiation of sustainable agricultural development integrated system and subsystem development in Hunan Province

图2 湖南省农业可持续发展综合水平及各子系统发展水平得分Figure 2 The development scores of comprehensive level of agriculture sustainable development in Hunan province and each subsystem

图3 湖南省农业可持续发展聚类分析树状图Figure 3 The dendrogram of cluster analysis agricultural sustainable development in Hunan province

表2 湖南省农业可持续发展聚类情况Table 2 The clustering situation of agricultural sustainable development in Hunan Province

4.2 湖南省农业可持续发展的等级划分

聚类分析(图3、表2)结果表明，湖南省农业可持续发展水平可分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。Ⅰ级城市长沙市是湖南省省会，农业可持续发展综合指数及农业人口与社会可持续发展指数，均大幅领先于其他市州，位居第一；Ⅱ级地区农业人口与社会可持续发展排名紧跟长沙市，与其共同构建成长株潭城市群；Ⅲ级地区位于环洞庭湖区与湘南农业综合区，农业可持续发展综合水平良好，在农业经济与生产方面表现突出，而在农业资源与环境方面稍显落后；Ⅳ级地区整体位于湖南省中西部，农业可持续发展综合水平较弱，但在农业资源与环境方面占据优势；Ⅴ级城市湘西州，农业可持续发展综合指数及各子系统可持续发展指数均为全省最末，发展状况较差。该结果与农业发展综合评价结果具有高度匹配性。

4.3 湖南省农业可持续发展区域布局

根据聚类分析结果，结合湖南省各市州农业可持续发展能力差异，可将湖南省14个市州划分为优先发展区、适度发展区、保护发展区三大区域(图4)。

图4 湖南省农业可持续发展区域布局方案Figure 4 The regional distribution scheme for sustainable agricultural development in Hunan province

5 结论与建议

5.1 结论

(1)湖南省农业可持续发展水平的外在表现是其内部农业人口与社会、生产与经济、资源与环境各子系统共同作用的结果。从区域分异来看，农业可持续发展综合水平在空间上呈现出不协调状态，总体上以长株潭城市群为核心向外辐射，由东至西递减。农业人口与社会可持续发展水平表现为南北低中部高，由东向西递减，总体呈现出三级阶梯的梯度分异；农业生产与经济可持续发展水平大致表现为由洞庭湖生态经济区及湘南农业综合区向湖南省外围递减；农业资源与环境可持续发展指数的空间变化是以湘西州、湘潭市、郴州市为节点串联的一横两纵优势带，向以娄底市、湘潭市、长沙市为界的南北两个落后圈递减。

(2)湖南省农业可持续发展Ⅰ、Ⅱ级地区为长株潭城市群，Ⅲ级地区环洞庭湖区与湘南农业综合区，Ⅳ级地区整体位于湖南省中西部；Ⅴ级地区为湘西州。

(3)湖南省农业可持续发展可划分为优先发展区、适度发展区、保护发展区三大区域，优先发展区主要包括长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市、常德市、益阳市、衡阳市；适度发展区主要包括邵阳市、娄底市、郴州市、永州市，保护发展区主要包括怀化市、张家界市、湘西自治州。湖南省农业可持续发展应以各地区农业资源与环境承载力为基础，根据资源环境禀赋和发展现状差异，按照因地制宜、梯次推进、分类施策的原则，确定不同区域的农业可持续发展方向和重点。

5.2 建议

(1)优先发展区主要包括长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市、常德市、益阳市、衡阳市，多属环洞庭湖区，整体水平处于全省领先地位，应围绕粮食、大宗农产品的可持续发展，调整产业结构，优化布局，积极发展循环农业，做好农业环境的治理工作。

(2)适度发展区主要包括邵阳市、娄底市、郴州市、永州市，农业自然条件相对优越，但也存在着人口密集，人均自然资源较少，水土匹配欠佳，矿业产生污染在省内较为严重等问题，应积极发挥区位优势，以粤港澳市场需求为导向，积极实施农产品加工品牌战略，加大环境污染整治力度，促进湘南地区经济效益和生态效益协调发展

(3)保护发展区主要包括怀化市、张家界市、湘西自治州，地处湖南西部，地形复杂，地域差异和垂直差异明显，气候复杂多变，自然灾害成灾率远超省内其他地区，农业生态环境脆弱，生产力水平低，交通不便，发展水平省内最低，应结合国家生态保护与示范区建设，将其作为资源能源保障区、产业发展接续区、生态环境保护区和民族融合区，充分发挥其在土壤保持、水源涵养、环境净化、气候调节、物种保育等方面的重要作用，大力加强生态建设和环境保护，着力维护生态平衡和生物多样性，全面实施小流域综合治理和城乡污染防治工程，不断提升森林碳汇和灾害防治水平，努力拓展区域环境容量和资源承载力，全面构筑起可持续发展的生态安全体系，为经济社会发展提供良好的生态保障。