基于生態(tài)足跡模型的湖南省耕地可持續(xù)利用研究

劉鴻娟

(湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410081)

我國幅員遼闊，資源豐富，土地類型多樣，耕地作為眾多土地類型中的一種，不僅是不可再生的稀缺資源，更是最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，還是構(gòu)建良好穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。近年來，國家快速的城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程致使用地需求持續(xù)加大，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)、耕地和生態(tài)的關(guān)系，使得三者之間的矛盾愈演愈烈。因此，能否科學(xué)地評估耕地開發(fā)利用，協(xié)調(diào)好發(fā)展經(jīng)濟(jì)與保護(hù)耕地的關(guān)系，對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著深遠(yuǎn)的意義。

1992年，國外學(xué)者Rees[1]和Wackernagel等[2]提出了一種分析自然資源可持續(xù)狀況的定量評估方法，并由Wackernagel完善，后續(xù)在土地資源可持續(xù)利用、區(qū)域生態(tài)安全與資源承載力、生態(tài)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)性等領(lǐng)域都可見此類方法。國內(nèi)學(xué)者也從不同角度就該內(nèi)容展開了大量研究。關(guān)于研究尺度，從國家[3]、省[4]、市[5]到局部區(qū)域[6]的研究應(yīng)有盡有，多尺度探索可為地區(qū)的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供思路和方向。在生態(tài)足跡模型改進(jìn)方面，劉欽普等[7]先用改進(jìn)的生態(tài)足跡模型來計(jì)算耕地的生態(tài)足跡，再用改進(jìn)后模型的結(jié)果與傳統(tǒng)模型的結(jié)果進(jìn)行對比分析；還可以改變模型中均衡因子和產(chǎn)量因子的取值方法，得到新的“國家公頃”[8]、“省公頃”[9]等計(jì)算公式來建立生態(tài)足跡模型，以準(zhǔn)確反映不同尺度研究區(qū)域的生態(tài)足跡狀況與特征?；谏鲜鲆延械难芯砍晒?，筆者對湖南省2011—2020年耕地可持續(xù)利用進(jìn)行評價分析，并預(yù)測2021—2025年耕地利用狀況，針對在開發(fā)利用耕地及模型測算的過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出相應(yīng)對策，為區(qū)域耕地資源可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況湖南位于長江中游、洞庭以南，地理位置為108°47′～114°15′E、24°38′～30°08′N，東靠江西、西連貴州重慶、南鄰廣西廣東、北依湖北(圖1)。該省總面積為21.18萬km2，年內(nèi)溫度差別大，光熱水資源豐富，地貌類型多樣，山地、丘陵與平原交錯相間。自古就被譽(yù)為“九州糧倉”“魚米之鄉(xiāng)”的湖南，土地資源總量豐富，類型多樣。作為一個農(nóng)業(yè)大省，2020年湖南省耕地面積為414.88萬hm2，約占全國耕地總面積的3.1%，人均耕地面積為0.057 hm2。截至2020年底，全省戶籍人口7 295.58萬，全年生產(chǎn)總值41 781.49億元，人均生產(chǎn)總值為62 900元。

1.2 數(shù)據(jù)來源該研究所涉及的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于湖南省統(tǒng)計(jì)局的《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012—2021年)、國家統(tǒng)計(jì)局的《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012—2021年)、《湖南省國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展公報》(2012—2021年)等。

1.3 研究方法

1.3.1耕地生態(tài)足跡。區(qū)域人口在一定條件下消耗的全部資源與產(chǎn)生的全部廢棄物所需要占用耕地的面積稱為耕地生態(tài)足跡。計(jì)算公式如下：

EF=N×ef

(1)

(2)

式中，EF是研究區(qū)耕地總生態(tài)足跡，N為研究區(qū)人口數(shù)，ef為研究區(qū)人均生態(tài)足跡，i為研究區(qū)消費(fèi)品的類型，ri為均衡因子，Ai為研究區(qū)人均i種類型的消費(fèi)品折算成的生物生產(chǎn)性面積，Ci為區(qū)域第i種消費(fèi)品的人均年消費(fèi)量；Pi為全國i種消費(fèi)品平均生產(chǎn)能力。

圖1 湖南省地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of Hunan Province

1.3.2耕地生態(tài)承載力。生物生產(chǎn)性耕地能夠提供給一定范圍的人口生存且可再生的具體面積稱為耕地生態(tài)承載力，其用來表示在一定環(huán)境條件下的生態(tài)容量。計(jì)算公式如下：

EC=N×ec

(3)

(4)

式中，EC為耕地總生態(tài)承載力(hm2)，N、i、ri的含義與公式(3)和公式(4)一致，ec為人均耕地生態(tài)承載力(hm2)，ai為人均生物生產(chǎn)性土地面積，yi為產(chǎn)量因子。

1.3.3生態(tài)盈余、生態(tài)赤字。生態(tài)盈余表示區(qū)域內(nèi)人類對生物資源的消耗力小于其自身生產(chǎn)力，區(qū)域呈發(fā)展可持續(xù)狀態(tài)，可以通過比較區(qū)域內(nèi)的生態(tài)承載力是否大于生態(tài)足跡得出[10]。反之，生態(tài)赤字則表明該地區(qū)人類發(fā)展超出生態(tài)容量且呈不可持續(xù)狀態(tài)，其值為生態(tài)承載力與生態(tài)足跡兩者之差。計(jì)算公式如下：

ED=EC-EF

(5)

式中，ED為生態(tài)赤字；EC、EF代表的含義同公式(1)和公式(3)。

1.3.4生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)?；谏鷳B(tài)足跡理論來探究區(qū)域土地可持續(xù)利用的常用方法之一是對生態(tài)盈余或生態(tài)赤字的具體值進(jìn)行判斷。在該方法中，絕對數(shù)值只能簡單地評價某一時點(diǎn)某區(qū)域的土地利用是否可持續(xù)，未能及時地體現(xiàn)某區(qū)域土地可持續(xù)利用情況。因此，為了了解不同年份的土地生產(chǎn)力發(fā)展水平是否可持續(xù)，提出了生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)(PSI)[11]，其計(jì)算公式如下：

(6)

式中，PSI取值為0～1，越趨近于1，說明研究區(qū)的土地可持續(xù)利用程度愈高；反之，說明研究區(qū)的土地可持續(xù)利用程度愈低。根據(jù)環(huán)境質(zhì)量評價的分級方法，運(yùn)用相對指標(biāo)法將湖南省的耕地生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)(PSI)分為5級：強(qiáng)可持續(xù)(PSI≥0.6)、中等可持續(xù)(0.3≤PSI<0.6)、弱等可持續(xù)(0≤PSI<0.3)、不可持續(xù)(-0.3≤PSI<0)、極不可持續(xù)(PSI<-0.3)[12]。

1.3.5均衡因子、產(chǎn)量因子。生態(tài)足跡模型在被運(yùn)用過程中，許多學(xué)者對均衡因子和產(chǎn)量因子的取值參考世界自然基金會(WWF)的《地球生命力報告》，但其給出的參考值缺乏對區(qū)域細(xì)節(jié)特征的有效反映。該研究將結(jié)合湖南省的實(shí)際數(shù)據(jù)來計(jì)算該省耕地的均衡因子和產(chǎn)量因子。均衡因子的取值要牽涉各種類型的生物生產(chǎn)性土地，該研究的區(qū)域和對象是湖南省的耕地，則生物生產(chǎn)性土地只涉及耕地，不必再根據(jù)生產(chǎn)性作物的種類來計(jì)算均衡因子，因此均衡因子的取值為1。受地形、生態(tài)環(huán)境及社會因素等的影響，同類土地的生產(chǎn)力不盡相同。為了方便比較，同類土地中區(qū)域與全國的平均生產(chǎn)力之比為產(chǎn)量因子，即湖南省糧食的年均產(chǎn)量與全國糧食的年均產(chǎn)量之比。

1.3.6耕地可持續(xù)利用狀況預(yù)測。在已有的生態(tài)足跡預(yù)測的研究成果中，常見的方法是用GM模型來預(yù)測耕地可持續(xù)利用。而該研究借用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，以湖南省2011—2020年人均耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)承載力的變化率對該省2021—2025年的相關(guān)情況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測公式如下：

Zn=(1+t)n

(7)

Yn=(1+q)n

(8)

Pn=Zn-Yn

(9)

式中，Zn為預(yù)測的人均生態(tài)足跡，Yn為預(yù)測的人均耕地生態(tài)承載力，Pn為預(yù)測的人均耕地生態(tài)赤字/盈余，t為人均耕地生態(tài)足跡的年變化率，q為人均耕地生態(tài)承載力的年變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地生態(tài)足跡通過對湖南省歷年耕地生態(tài)足跡的計(jì)算(表1)，2011年湖南省耕地總生態(tài)足跡為67 256 455.328 9 hm2，2020年耕地總生態(tài)足跡為36 904 849.326 1 hm2，10年來耕地總生態(tài)足跡下降了45.13%。同時，2011—2020年湖南省人均耕地生態(tài)足跡也從0.942 5 hm2下降至0.505 9 hm2，減少了0.436 6 hm2(表2)。此研究結(jié)果表明湖南省人口對耕地的依賴程度逐年降低。

表1 2011—2020年湖南省耕地總生態(tài)足跡、總生態(tài)承載力、總生態(tài)赤字

2.2 耕地生態(tài)承載力從表1～2可以看出，2011—2020年湖南省耕地總生態(tài)承載力從3 949 789.927 2 hm2下降至3 164 043.932 0 hm2，減少了19.89%；人均生態(tài)承載力從0.055 4 hm2降低至0.043 4 hm2，減少了0.012 0 hm2。這10年間湖南省的人口增加了1 599 800人，耕地面積卻沒有相應(yīng)增加，這使得該省的耕地承載力逐年下降，但下降幅度小于耕地生態(tài)足跡的下降幅度，所以該省的耕地壓力得到了一定程度的緩解。

2.3 生態(tài)赤字對2011—2020年湖南省耕地生態(tài)足跡及耕地生態(tài)承載力的結(jié)果(表1)進(jìn)行分析，10年來該省的生態(tài)赤字從63 306 665.401 7 hm2降至33 740 805.394 1 hm2，人均生態(tài)赤字從0.887 1 hm2減少至0.462 5 hm2，這說明湖南省的耕地正逐步實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)朝集約型發(fā)展方向邁進(jìn)。

2.4 耕地生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)根據(jù)2011—2020年湖南省耕地生產(chǎn)力可持續(xù)計(jì)算結(jié)果(表2)，2011—2020年湖南省耕地生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)從0.055 5波動上升至0.079 0，根據(jù)耕地生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)分級，該省耕地處于弱等可持續(xù)狀態(tài)，但是隨著時間的推移，耕地不可持續(xù)利用現(xiàn)象稍有好轉(zhuǎn)。

表2 2011—2020年湖南省人均耕地生態(tài)足跡、人均耕地生態(tài)承載力、人均生態(tài)赤字、生產(chǎn)力可持續(xù)指數(shù)

2.5 均衡因子及產(chǎn)量因子該研究所涉及的均衡因子取值為1。產(chǎn)量因子的取值為湖南省糧食年平均產(chǎn)量與全國糧食年平均產(chǎn)量的比值。對收集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理分析，計(jì)算得到2011—2020年湖南省耕地的均衡因子與產(chǎn)量因子(表3)。

2.6 湖南省耕地可持續(xù)利用預(yù)測根據(jù)湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)可知，2011—2020年湖南省耕地面積逐年減少，人均耕地面積從2011年的0.058 0 hm2減少至2020年的0.049 7 hm2，耕地面積減少不利于耕地的可持續(xù)利用。同時將2011—2020年湖南省人均耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)承載力的年變化率的平均值、最大值和最小值(表4)作為基本變化率帶入公式(7)～(9)，計(jì)算得到該地區(qū)2021—2025年人均耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)承載力(表5)。

表3 2011—2020年湖南省耕地均衡因子及產(chǎn)量因子Table 3 Balance factor and yield factor of cultivated land in Hunan Province from 2011 to 2020

根據(jù)3個方案和公式(9)，計(jì)算出湖南省2021—2025年人均耕地生態(tài)盈余/赤字變化(表5)。由表5可知，在2021—2025年，方案1預(yù)測的人均耕地處于生態(tài)赤字狀態(tài)，方案2與方案3預(yù)測的人均耕地處于生態(tài)盈余狀態(tài)。到2025年，方案1的人均耕地生態(tài)赤字量為0.059 1 hm2，方案2的人均耕地生態(tài)盈余量為0.493 8 hm2，方案3的人均耕地生態(tài)盈余量為0.142 1 hm2。

表4 2011—2020年湖南省人均耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)承載力的年變化率

3 耕地可持續(xù)利用對策

通過上述對湖南省耕地利用的理論分析以及實(shí)際工作中的了解與認(rèn)識，筆者認(rèn)為提升耕地資源可持續(xù)利用能力可主要抓好以下幾點(diǎn)。

3.1 基于農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理來提高耕地利用效率問題當(dāng)下湖南省對耕地的監(jiān)測及其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集工作不夠完善，耕地的主要產(chǎn)出品(水稻)的生長過程得不到有效監(jiān)控和適宜的生長環(huán)境，例如“3S”技術(shù)在耕地管理中運(yùn)用不充分，未能實(shí)時掌控農(nóng)作物生產(chǎn)態(tài)勢。發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是大勢所趨，也是鄉(xiāng)村振興的必然走向。只有提高耕地利用效率，才可能緩解人口增加對糧食產(chǎn)出的需求及耕地自身承載力有限等壓力。

3.2 基于綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)來改善耕地生態(tài)環(huán)境問題大量實(shí)踐表明土地利用與生態(tài)保護(hù)之間需要相輔相成而不是相互制約，這關(guān)鍵是認(rèn)識和協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系。2020年湖南省的糧食總產(chǎn)量為3 015.1萬t，高產(chǎn)的同時也伴隨著高污染。由重金屬引起的耕地污染，濫用農(nóng)藥化肥，得到的結(jié)果卻是高產(chǎn)量低質(zhì)量。第一要務(wù)是推廣綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)，增加人們對其的認(rèn)識，要將綠色農(nóng)業(yè)化于心、踐于行。例如，作物種植時盡量避免施加農(nóng)藥化肥，可利用秸稈還田技術(shù)來增加農(nóng)田肥力。同時政府要提供政策和技術(shù)支持，全方位鼓勵農(nóng)戶開展綠色農(nóng)產(chǎn)品種植，監(jiān)督農(nóng)戶從育種到豐收的全過程，農(nóng)戶也應(yīng)及時反饋?zhàn)魑餇顟B(tài)，安排農(nóng)業(yè)科技員來和農(nóng)戶合作經(jīng)營，保證生產(chǎn)過程高效、產(chǎn)品高質(zhì)、資源節(jié)約。

表5 2021—2025年湖南省人均耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)承載力預(yù)測結(jié)果Table 5 Prediction results of per capita cultivated land ecological footprint and per capita cultivated land ecological carrying capacity in Hunan Province from 2021 to 2025 hm2

3.3 基于耕地管護(hù)來彌補(bǔ)耕保制度缺失問題保護(hù)耕地資源關(guān)乎國計(jì)民生，福澤千秋萬代。當(dāng)上級政府頒布有關(guān)法律政策時，地方政府還需因地制宜地制定針對性更強(qiáng)的機(jī)制，強(qiáng)化管控。耕地用途審批流程嚴(yán)格化，務(wù)必修復(fù)任何隨意更改耕地用途的缺口，違背相關(guān)規(guī)劃來改變耕地用途的單位和個人須追究法律責(zé)任。實(shí)行耕地?fù)p失補(bǔ)償，根據(jù)實(shí)際情況合法占用耕地的用地者需要進(jìn)行合理補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用直接用于開墾新的耕地。處在新時代，“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的五大新發(fā)展理念要落到實(shí)處，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能過分地唯GDP論，各級單位需樹立正確的耕地保護(hù)觀念，績效考核中可納入耕地保護(hù)相關(guān)內(nèi)容，以起到監(jiān)督約束作用。

3.4 基于增加執(zhí)法來杜絕監(jiān)察不到位問題若要突出執(zhí)法的權(quán)威和監(jiān)管的長效，上級土地管理部門與基層組織需協(xié)調(diào)聯(lián)動來連通層級巡查監(jiān)管的“最后一公里”，實(shí)現(xiàn)地區(qū)、職位、人員三方密切配合，保證區(qū)域、時段、項(xiàng)目的實(shí)時監(jiān)測。執(zhí)法監(jiān)察部門需形成簡化辦事流程，透明工作力度，自覺接受監(jiān)督的作風(fēng)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地管理部門在處理農(nóng)村危房空心房拆除、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)項(xiàng)目等特殊工作時，要將監(jiān)管貫穿選址、劃線、驗(yàn)收全過程，同時與遷建村民簽訂還耕合同，確保還耕土地的面積與質(zhì)量。

4 結(jié)論

綜合分析生態(tài)足跡理論并運(yùn)用生態(tài)足跡模型研究了湖南省耕地的可持續(xù)利用狀態(tài)。再根據(jù)湖南省2011—2020年人均耕地生態(tài)足跡與人均耕地生態(tài)承載力的具體變化情況，預(yù)測出該省2021—2025年相關(guān)變化情況。通過分析得出以下結(jié)論：

(1)2011—2020年湖南省耕地面積逐年減少，人均耕地面積從2011年的0.058 0 hm2減少至2020年的0.049 7 hm2。耕地面積減少不利于耕地的可持續(xù)利用。

(2)2011—2020年湖南省耕地生態(tài)足跡在逐年減少，從67 256 455.328 9 hm2減少至36 904 849.326 1 hm2；耕地生態(tài)承載力逐年減少，從3 949 789.927 2 hm2減少至3 164 043.932 0 hm2；耕地生態(tài)赤字呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，從63 306 665.401 7 hm2減少至33 740 805.394 1 hm2。說明湖南省耕地不可持續(xù)利用的情況有所緩解。

(3)根據(jù)3種預(yù)測方案，方案1預(yù)測的人均耕地處于生態(tài)赤字狀態(tài)，方案2與方案3預(yù)測的人均耕地處于生態(tài)盈余狀態(tài)。到2025年，方案1的人均耕地生態(tài)赤字量為0.059 1 hm2，方案2的人均耕地生態(tài)盈余量為0.493 8 hm2，方案3的人均耕地生態(tài)盈余量為0.142 1 hm2。如果要實(shí)現(xiàn)湖南省耕地的可持續(xù)利用狀態(tài)，首選方案2最佳。