基于DPSIR-TOPSIS模型的耕地资源环境承载力分析*——以安徽省颍上县为例

张宗芳，易小燕，2※，尚惠芳，王玉婧

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.中国农业绿色发展研究中心，北京 100081；3.四川大学经济学院，成都 610041）

0 引言

耕地是万物之本，是最珍贵的农业资源。但长期以来，我国耕地开发利用强度过大，耕地质量下降，地力透支严重，成为制约农业可持续发展的突出问题[1]。近年来，党中央高度重视耕地可持续利用，提出了实施“藏粮于地、藏粮于技”“休耕轮作”等一系列战略部署，耕地保护已由单纯注重数量向数量、质量与生态“三位一体”转型。当前，我国农业发展进入新阶段，绿色高质量发展已经成为当前农业发展的主导方向，对耕地质量与健康提出了更高要求，耕地资源环境承载力成为衡量区域内农业绿色发展的关键问题，亟需通过指标量化和科学方法进行测算。

关于耕地资源环境承载力测算，国内外学者们开展了丰富的研究，概括起来有四个方面：从研究尺度看，大多以省、市作为研究区域；从研究内容看，大多侧重于探究土地资源与环境承载力的联系、人类活动对于环境的影响[2,3]或者测算在一定时期和区域范围内的耕地可持续供养人口数量[4-6]；从指标选择看，常用的构建指标体系的方法主要有利用PSR（Pressure-State-Response，压力-状态-响应）[7]或DPSIR（Driving-Pressure-State-Impact-Response，驱动力—压力—状态—影响—响应）[8]等模型、从系统角度出发如自然—经济—社会[9]等或者按照国家针对某一区域下达规划要求进行建立指标体系等；从量化方法看，指标权重量化的方法主要包括主观赋权法[10,11]、客观赋权法[12,13]以及主客观融合赋权法[14]，综合评价量化常用的方法主要有耕地产能核算法[15]、模糊评价法[16]、灰色关联综合分析法[17]、等综合评价法以及灰色系统模型[18]、多元回归模型[18]、TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，逼近理想排序法)模型[19]等系统模型法。前人关于耕地资源环境承载力的研究为该领域的研究提供了参考，但仍存在一些需要探讨的问题，如省、市尺度的研究是否适合县域评价，影响耕地承载力的关键障碍因子是什么等问题需要进一步研究探讨。

为此，文章从耕地可持续利用角度出发，将耕地资源环境作为一整个系统，利用DPSIR-TOPSIS 模型对2010—2019 年安徽省颍上县耕地资源环境承载力变化进行综合评价，并通过障碍度模型对影响颍上县耕地资源环境承载力的障碍因子进行识别，为县域耕地资源环境承载力评价提供支撑，为颍上县农业绿色发展提供参考。

1 研究区域与数据来源

颍上县隶属安徽省阜阳市，耕地面积12.48×104hm2，占土地总面积的67.14%。目前虽然颍上县对耕地资源可持续利用采取了一系列保护措施，但仍然存在一些问题，主要包括以下几个方面。

（1）人均耕地数量不断减少。近年来，颍上县耕地数量逐年下降，随着人口数量增加，2019 年颍上县人均耕地面积已经降至0.069（hm2/人），比2010年人均耕地面积下降了0.005（hm2/人）。

（2）耕地质量状况存在隐患。从2019年统计数据看，颍上县土壤有机质含量平均值为21.6mg/kg，处于中等偏低水平，土壤持水保肥能力比较弱；土壤pH从2010年7.1下降至2019年6.67，有酸化趋势。

（3）种养结构的转变对耕地资源的压力越来越大。一方面，随着颍上县种植结构的转变，相比于粮食作物，经济作物尤其是蔬菜、水果等作物种植面积逐渐增加，据统计，相比于2010 年，2019 年颍上县经济作物播种面积所占比例比2010 年增加约0.54%，对耕地利用的强度也随之增加。另一方面，颍上县养殖产业的迅速发展，随之而来的如何配套耕地消纳畜禽粪污问题也给耕地资源带来了越来越大的压力。

为了改善这种情况，颍上县出台了一系列耕地保护措施，如技术措施方面编制了《品牌粮食“无化、无废”绿色低碳栽培技术标准》《“水田+N”生态综合种养技术标准》等技术规程；农业资源保护与产地环境治理方面，发展了“苕稻鸭萍鹅”等“稻田+N”新型农作模式，探索出了适应沿淮低洼区的环境友好型农业发展模式，提升了生态复合效益；在耕地环境改善方面，出台了《美丽清洁田园建设实施方案》，开展了以废弃农膜、农药包装物、肥料包装物等各类农业生产废弃物的集中清理，并加强了日常动态保洁。

该研究所用的包括2010—2019 年颍上县社会经济数据和自然环境方面的相关数据源于颍上县农业资源台账、颍上县国民经济和社会发展统计公报、《阜阳市统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 评价指标体系的构建

构建指标体系是耕地承载力评价的基础，直接关系到评价结果的准确性和科学性[20]。DPSIR 模型从可持续发展角度出发，捕捉经济发展、人类社会活动和生态环境之间的相互作用，在承载力评价研究中受到了广泛应用，近些年逐渐应用到资源环境承载力的指标构建中，因此该模型对于该研究具有适用性。

DPSIR 模型分为驱动力子系统（D）、压力子系统（P）、状态子系统（S）、影响子系统（I）和响应子系统（R）五大方面。其中，驱动力子系统（D）指标即推动耕地资源利用变化的指标，是促使耕地资源环境系统变化的最原始最关键的指标，主要是社会经济发展方面的指标。如农业产值比例、人均耕地面积、人均粮食占有量等。压力子系统（P）指标即通过驱动力作用之后直接施加在耕地资源环境系统之上的促使耕地资源环境系统发生变化的指标，主要指人类直接作用于耕地资源环境系统使其产生变化的力。因此压力指标主要是与耕地利用投入相关的指标，如耕地利用强度指标（复种指数：指一定时期内（一般为1 年）在同一地块耕地面积上种植农作物的平均次数，即年内耕地面积上种植农作物的平均次数，数值上等于年内耕地上农作物总播种面积与耕地面积之比。复种指数越大，说明耕地利用强度越大。）化学品投入指标（化肥、农药投入等）、劳动力投入指标（地均劳动力）等。状态子系统（S）指标即耕地资源环境系统在压力的作用下所处的状态，包括耕地资源环境系统的物理、化学、生物特征，主要是耕地本底的质量状况。包括:土壤理化性质指标(如有效磷、速效钾含量)、耕地整体质量状况指标(如优等耕地所占比例)、生物质情况（土壤有机质含量）等。影响子系统（I）指标即是耕地资源环境系统的状态对农业产业与发展的影响。主要包括：粮食单产、耕地单位面积产值、人均劳动力产值等指标。响应子系统（R）指标是指对耕地资源利用采取的可持续保护措施，如建设高标准农田、畜禽粪污适当还田、秸秆还田、提高农业机械化程度等，耕地保护措施是一个定性的描述，不易量化，尤其是畜禽粪污还田量，由于无法获取连续年份数据，因此选取如高标准农田建设、机械化程度等指标。DPSIR模型作用机制如图1所示。

图1 DPSIR概念模型内部元素关系

该文在参考相关评价研究的基础上[21,22]，并结合颍上县实际情况，根据科学性、系统性、动态性、区域性、准确性和可操作性原则，与DPSIR模型相结合构建指标体系。具体评价指标内容见表1。

2.2 改进的TOPSIS方法

耕地资源环境承载力评价的目的在于接近耕地资源环境承载力的最优状态，远离耕地资源环境承载力的最劣状态，而TOPSIS方法就是测度目标对象与正、负理想解的距离。而且相比其他方法，TOPSIS法在指标多少、样本含量和数据分布等方面都没有严格的限制和要求，且能够实现不同评价指标在同一年份之间的横向比较和同一评价指标在不同年份间的纵向比较。因此利用TOPSIS 方法有利于系统分析耕地资源环境承载力目前状况与理想状态的差距，真实反映耕地资源环境系统存在的问题。

该研究对TOPSIS 方法进行改进主要在决策矩阵的建立上，不是直接基于评价指标层，而是基于指标准则层，这里是指耕地资源环境系统的驱动力子系统、压力子系统、状态子系统、影响子系统。改进TOPSIS 法在耕地资源环境承载力评价中的应用，主要包括5 个步骤：（1）指标标准化及权重确定；（2）构建规范化决策矩阵；（3）确定正负理想解；（4）确定各评价目标与正负理想解距离；（5）确定各方案与理想解的贴近度。具体量化方法参照匡丽花等的研究[20]。

指标层权重为：

式（1）中，wn表示组合权重，wp表示层次分析法权重，wj表示熵权法权重。

根据以上计算最终确定指标以及指标权重如表1所示。根据鲁春阳等[23]的研究确定耕地资源环境承载力等级评判标准，如表2所示。

表1 安徽省颍上县耕地资源环境承载力指标体系及权重

表2 耕地资源环境承载力等级评判标准

2.3 障碍因子识别

对影响颍上县耕地资源环境承载力的主要障碍因子进行识别，可以更有针对性地制定耕地资源可持续利用与保护政策[24]。因此，引入障碍度模型，具体计算公式为：

式（2）中，Oi为障碍度，表示各指标对耕地资源环境影响程度的高低。Fi为因子贡献度，表示单一指标对总目标的贡献大小，一般可用各指标权重wn表示；Ci为指标偏度，表示各指标实际值与最优目标值之间的差距，可以用1与各指标标准化值之差表示。

在分析单项因子对总目标障碍度的基础上，进一步分析各准则层对总目标层的障碍度，公式为：

式（3）中，An为总目标障碍度。

3 结果分析

3.1 耕地资源环境承载力结果分析

根据已有数据计算可得安徽省颍上县耕地资源环境承载力及各子系统承载力变化情况。如图2 所示，2010—2019 年颍上县耕地资源环境承载力变化趋势呈现出“波浪式”上升的态势，且2019 年耕地资源环境承载力水平已经达到良好等级，根据其变化规律大致可以分为两个阶段。

图2 2010—2019年耕地资源环境承载力评价

第一阶段：2010—2013 年从整体上看，这一阶段颍上县耕地资源环境承载力指数呈现下降的状态，其数值从2010 年的0.36下降至2013年的0.33。从各子系统看，这一阶段除了响应子系统外，其他子系统均呈现出下降趋势。在子系统中变化速率最快的是影响子系统，即耕地的产出效率。也就是说这段时间，耕地的产出效率对于耕地资源环境承载力的作用最大。这主要是因为对于耕地的过量投入，其中最主要的投入方式为劳动力投入，地均劳动力从2010 年的284（人/hm²）增加到2013 年289（人/hm2）；其次是化肥、农药等化学投入品的投入，单位耕地施肥量从2010 年420.75（kg/hm2）上涨到2013年468.3（kg/hm²）。但不管是劳动力投入还是化学投入品投入，投入量都处于过剩状态，对耕地资源环境系统作用的负面效应大于正面效应，因此耕地的产出效率处于不断下降状态。

第二阶段：2014—2019 年从整体上看，颍上县耕地资源环境承载力指数呈现出缓慢上升的趋势且增长速率比较稳定，综合承载力指数从2014 年0.41 上升至2019 年0.70，承载力水平实现了从中级向良好的转变。从各子系统看，除了驱动力子系统外，其他子系统均呈现出逐渐上升的趋势。驱动力子系统从2014—2015年呈现出上升趋势，但是自2016—2019年开始呈现出逐渐下降的趋势，且下降速率越来越快。驱动力子系统承载力指数下降的原因，一方面是2015 年后颍上县开始逐渐转变种植方式，之前大面积种植的粮食作物如红薯由于经济效益下降，农户开始转种蔬菜、药材等经济效益比较高的作物，造成粮食产量逐年递减；另一方面是由于二三产业发展迅速，农业产值所占比例逐渐减少。其他4个子系统中增长速率最快的是响应子系统，这说明这一阶段，响应子系统对于耕地资源环境综合承载力的上升起着主要作用。响应子系统上升的主要原因得益于颍上县政府出台的一些耕地保护政策以及一些耕地保护措施的实施。如编制了《品牌粮食“无化、无废”绿色低碳栽培技术标准》《“水田+N”生态综合种养技术标准》等技术规程，从而遏制了人们对于耕地资源环境的破坏。另一方面，颍上县开始大力发展稻田综合种养技术，探索出了适应沿淮低洼区的环境友好型农业发展模式，提升了生态复合效益。

截止2019 年颍上县耕地资源环境承载力整体水平处于良好等级，这与何刚、夏业领等[21]预测2019 年安徽省土地承载力水平将达到良好等级的研究结果相一致。耕地资源环境系统复杂多样，其影响因素众多，变化不稳定。因此，对颍上县耕地资源环境承载力的研究仍需投入更多的关注。

3.2 障碍因子识别

将已有数据，根据式（2）（3），计算颍上县耕地资源环境承载力中各个准则层障碍度（表3）和各指标层障碍度（表4）。

3.2.1 准则层障碍因子识别

由表3、图3 可知，颍上县耕地资源环境各子系统的障碍程度和变化情况不同。从变化情况看，响应子系统、状态子系统的障碍度均处于逐渐下降状态，其中响应子系统障碍度下降速率更快。驱动力、压力、影响子系统障碍度变化可以分为两个阶段。

表3 2010—2019年颍上县耕地资源环境承载力准则层障碍度

图3 2010—2019年耕地资源环境承载力准则层障碍因子诊断

第一个阶段：2010—2015 年这一阶段压力子系统呈现出逐年上升的状态，驱动力与影响子系统呈现逐年下降的状态。压力子系统承载力指数大于影响子系统大于驱动力子系统。

第二个阶段：2016—2019 年压力子系统呈现出逐渐下降的状态，且下降幅度大于其之前的上升幅度。驱动力子系统与影响子系统呈现逐年上升状态，且2019 年驱动力子系统超过影响子系统。

从障碍度数值看，这几年间准则层中最大的障碍因子由2010 年响应子系统转变为2019 年驱动力子系统。影响子系统障碍度也在逐年增加，2019年障碍度仅次于驱动力子系统。

这说明这10 年间颍上县开始逐渐意识到保护耕地的重要性，开始减少对于耕地农药、化肥等压力的投入，且耕地保护的意识越来越强，响应也更积极，承载力状况逐渐好转。但影响耕地利用的社会经济因素以及耕地的产出效率也越来越制约着耕地资源环境的承载力，这可能是颍上县目前耕地集约化程度比较低、生产方式落后以及机械化程度不够导致的耕地生产效率提升较慢。

3.2.2 指标层障碍因子识别

根据指标障碍度大小，对比分析2010 年和2019 年的主要障碍因子。从表4 可以看出，制约颍上县耕地资源环境承载力的主要障碍因子从2010 的高标准农田比例（x18）、单位面积农药施用强度（x6）、土壤有机质平均值（x9）、免耕面积比（x16）等向2019 年的人均农业产值（x15）、人均耕地面积（x3）、土壤pH（x8）、人均粮食占有量（x1）等转变。这其中的原因一方面可能是颍上县目前生产方式仍然比较落后、耕地规模化程度比较低、机械化程度不够，但是投入劳动力要素过多，劳动力边际效用递减，导致的耕地产出效率的降低。另一方面可能是颍上县人口不断增长，人均耕地面积越来越少而且农户更倾向于种植经济作物、药材、糖类等高收益的农作物，而对于收益较低的粮食作物的种植逐渐减少。尤其由于红薯污水排放受到限制，其特色产业红薯种植业的种植面积也在逐年递减。

表4 2010年和2019年颍上县耕地资源环境承载力指标层主要障碍因子障碍度

4 结论与政策建议

4.1 主要结论

该研究从耕地可持续利用角度，利用DPSIR-TOPSIS模型评价2010—2019年颍上县耕地资源环境承载力变化情况，并结合障碍度模型识别出颍上县耕地资源环境承载力的主要障碍因子。主要结论如下。

（1）总体来看，颍上县耕地资源环境承载力变化可以分为两个阶段：第一阶段：2010—2013 年这一阶段颍上县耕地资源环境承载力指数呈现出下降趋势，且这一阶段除了响应子系统外，其他子系统都呈现出下降趋势；第二阶段：2014—2019 年颍上县耕地资源环境承载力指数呈现出缓慢上升的趋势，其承载力水平实现了从中级向良好的转变。这一阶段除了驱动力子系统外，其他子系统均呈现出逐渐上升的趋势。

（2）从障碍因子看，颍上县耕地资源承载力的障碍因子处于不断变化状态。制约颍上县耕地资源环境承载力主要的障碍因子从2010 的高标准农田比例（x18）、单位面积农药施用强度（x6）、土壤有机质平均值（x9）、免耕面积比（x16）等向2019 年的人均农业产值（x15）、人均耕地面积（x3）、土壤pH（x8）、人均粮食占有量（x1）等转变。

4.2 政策建议

针对目前颍上县耕地资源环境承载力情况，对颍上县耕地利用方式提出以下几点建议。

（1）加快高标准农田建设，提升耕地产能。颍上县目前对粮食等需求压力日益增加。但人均耕地数量减少且耕地产出效率较低，制约着耕地资源环境承载力的提升。通过高标准农田建设，可以有效改善农业生产条件，提高现有农业装备水平，增强农业科技含量，提升现有耕地资源利用和效率，同时促进农民增收。

（2）科学合理利用耕地，推进农业绿色发展。化肥、农药等化学投入品的过量使用会对耕地资源环境造成污染，增加农业生产成本。为此，需进一步加大对于测土配方施肥、种养结合、生物农药等的宣传力度以及优惠政策，鼓励农户更多的使用保护耕地的农业投入品，鼓励农民采用绿色生产技术，切实保护耕地可持续利用。

（3）加强土壤环境监测与治理，建立耕地保护的激励与管控机制。目前颍上县耕地有酸化趋势，政府应投入更多的关注，加大土壤监测力度，针对不同地域土壤环境现状采取不同的土壤污染防治对策和措施，制定耕地土壤肥力、健康、生态等耕地质量标准的规范，通过财政转移支付手段对耕地质量保护实行者予以经济补偿与支持，基于动态监控的耕地质量保护督查监管等权利与职责，细化落实土地经营者在耕地质量保护方面的主体养护责任。