基于地理可視化的耕地承載力評(píng)價(jià)

王靜怡 劉淑英 王平

摘? ?要：目前研究承載力多是研究一個(gè)區(qū)域整體的情況，而缺少對(duì)一個(gè)區(qū)域承載力的專項(xiàng)分析，所以難以對(duì)一個(gè)區(qū)域提出針對(duì)性的建議。因此，基于生態(tài)足跡模型，在ArcGIS的技術(shù)支持下，結(jié)合人口格網(wǎng)，利用空間可視化的方法對(duì)齊齊哈爾市轄區(qū)耕地承載力進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，空間可視化方法下的耕地承載力評(píng)價(jià)方法與區(qū)域耕地承載力評(píng)價(jià)方法更加具有針對(duì)性。齊齊哈爾市轄區(qū)耕地生態(tài)足跡、耕地承載力皆呈離散狀分布，市轄區(qū)的生態(tài)足跡和承載力因?yàn)槿丝诰奂脑蛞哂谄渌貐^(qū)；生態(tài)赤字呈“西盈東赤”的分布特點(diǎn)，且盈余的地區(qū)也處于生態(tài)赤字的臨界狀態(tài)，耕地亟須得到合理保護(hù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)足跡；GIS；地理空間可視化；齊齊哈爾市

中圖分類號(hào)：F323.211? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1673-291X（2023）02-0021-05

耕地承載力是研究一個(gè)國(guó)家或地區(qū)耕地、糧食、人口、環(huán)境與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，是制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的重要依據(jù)[1]。這個(gè)概念同時(shí)體現(xiàn)了耕地不同于其他的產(chǎn)業(yè)，既有對(duì)耕地活動(dòng)投入品進(jìn)行的消費(fèi)，也有耕地所產(chǎn)生的污染物和廢棄物。對(duì)此，國(guó)內(nèi)研究者結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了大量研究。研究重點(diǎn)主要有如下三個(gè)方面：（1）對(duì)不同類型的生態(tài)足跡進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的研究。根據(jù)生態(tài)足跡的特點(diǎn)，對(duì)生態(tài)足跡的產(chǎn)量因子、均衡因子等參數(shù)加以改進(jìn)與調(diào)整[2]，提出了“國(guó)家公頃”[3]“省公頃”等計(jì)量單位[3]，使其參數(shù)更適用于實(shí)際生態(tài)承載力評(píng)價(jià)情況。（2）耕地生態(tài)足跡指標(biāo)體系的不斷完善。將生命周期法[4]、能值理論[5]等生態(tài)足跡指標(biāo)方法與農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究相結(jié)合[6]，從多個(gè)不同的方面把其融入到衡量農(nóng)業(yè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的指標(biāo)體系當(dāng)中。（3）生態(tài)足跡可持續(xù)發(fā)展的分析、預(yù)測(cè)。從環(huán)境生態(tài)的角度進(jìn)行研究，測(cè)算當(dāng)?shù)氐母厣鷳B(tài)足跡以及評(píng)估其發(fā)展情況[6]，同時(shí)開始關(guān)注其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化、科技等相結(jié)合的可持續(xù)發(fā)展情況。

本文基于地理空間可視化的方法對(duì)耕地承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。打破以行政單元作為最小單元的空間分布分析方法，運(yùn)用人口格網(wǎng)對(duì)生態(tài)足跡的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究，并對(duì)其耕地承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為日后城市體檢評(píng)估中底線管控分析和國(guó)土空間規(guī)劃提供借鑒和參考。

一、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

（一）研究區(qū)概況

齊齊哈爾市地處黑龍江省西北部，經(jīng)度為122o 24'E—126o41'E，緯度為46o13'N—48o56'N，是連接黑龍江、吉林和內(nèi)蒙古三?。▍^(qū)）的重要樞紐。齊齊哈爾市為黑龍江省第二個(gè)特大城市，共下轄16個(gè)縣市行政村，總面積為42 255km2，總?cè)丝跒? 067 489人[7]。齊齊哈爾市是我國(guó)重要的商品糧基地、綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地以及重要畜牧基地，黑土地分布廣，是黑龍江省黑土地的核心區(qū)域。近10年來，隨著糧食產(chǎn)量不斷提高，大量耕地資源被過度消耗，耕地不合理使用的問題日益突出，耕地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能日益下降。因此，測(cè)定并且評(píng)價(jià)齊齊哈爾市耕地生態(tài)資源的環(huán)境效率及空間分布格局，對(duì)齊齊哈爾市耕地可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

（二）數(shù)據(jù)來源

本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來自《齊齊哈爾市國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料年鑒》、《黑龍江省國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料年鑒》、《齊齊哈爾市國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)資料年鑒》；各種熱量資料數(shù)據(jù)來自《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊(cè)（修訂本）》；國(guó)家公里格網(wǎng)下中國(guó)人口數(shù)據(jù)取自中科院數(shù)據(jù)資源環(huán)境科學(xué)研究數(shù)據(jù)中心，基于數(shù)據(jù)的高可獲得性，選擇了1995—2015年每五期間的人口格網(wǎng)數(shù)據(jù)開展了耕地承載力的空間可視化研究。

二、研究方法

（一）生態(tài)足跡理論模型

1.耕地生態(tài)足跡計(jì)算模型

人類占用耕地可分為兩個(gè)方面。一方面，人們利用谷物或者其他糧食作物來解決最基本的生存需求，因此作為耕地生態(tài)足跡模型的重要核算對(duì)象；另一方面，人們?cè)讷@取農(nóng)產(chǎn)品的過程中，農(nóng)藥、肥料、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的不合理利用，對(duì)耕地環(huán)境形成了負(fù)面影響，因此在計(jì)算耕地生態(tài)足跡的過程中將生態(tài)足跡核算分為生物資源足跡核算和碳足跡核算。

（1）生物資源足跡

齊齊哈爾市生物資源賬戶的生態(tài)足跡計(jì)算公式為：

式（1）中，EF1為總生態(tài)足跡，N為年末總?cè)丝?，rj為均衡因子，i為用地類型，aai為生物生產(chǎn)面積，Ci為i種商品人均消費(fèi)量，Hi為i種消費(fèi)商品的全國(guó)平均年生產(chǎn)能力。

（2）碳足跡計(jì)算

碳排放量計(jì)算公式如下：

式（2）中，CB1為耕地生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的碳總量，j為農(nóng)作物生產(chǎn)中投入的各類生產(chǎn)資料，εj為第j類項(xiàng)目的排放因子（表1），Bj為第j類項(xiàng)目的投入總量。

式（3）和式（4）中，CB2為耕地總固碳量；α為校正系數(shù)，α=0.05；β為生物量與固碳量之間的轉(zhuǎn)換因子，β=0.45；44/12為碳與二氧化碳之間的換算系數(shù)；Di /θ：第i種農(nóng)作物的生物產(chǎn)量（Di為第i種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；θ為經(jīng)濟(jì)系數(shù)）；Cb2為地均固碳量；L為耕地總面積。

碳足跡測(cè)算公式如下：

EF2=CB1 / cb2（5）

式（5）中，EF2表示碳足跡。

生態(tài)足跡測(cè)算公式如下：

EF=EF1+△1EF2（6）

△1為平衡因子，△1=0.5；EF表示生態(tài)足跡。

2.生態(tài)承載力計(jì)算模型

式（7）中，EC為耕地生態(tài)承載力，ai為實(shí)際占有i類農(nóng)作物生產(chǎn)面積，r為均衡因子，y為產(chǎn)量因子，P為全省平均生產(chǎn)力，Q為全國(guó)平均生產(chǎn)力，生態(tài)承載力應(yīng)該在均衡生態(tài)承載力的基礎(chǔ)上扣除12%用以保護(hù)生物多樣性。

3.生態(tài)赤字/盈余

EF-EC>0時(shí)，為生態(tài)赤字；EF-EC<0時(shí)，為生態(tài)盈余[8]。公式如下：

其中，ER為生態(tài)盈余，ED為生態(tài)赤字。

4.參數(shù)因子的計(jì)算

“省公頃”下的均衡因子和參數(shù)因子計(jì)算式為：

式（10）和（11）中，rj為均衡因子，pj為第j類土地的全省總產(chǎn)量，Aj為第j類土地的全省總面積，■j為第i類土地的平均產(chǎn)量，■為4類土地的平均產(chǎn)量，yj為產(chǎn)量因子，■j為全國(guó)第j種土地類型的平均生產(chǎn)力，Qj全國(guó)第j種土地類型的總熱值，Sj全國(guó)第j類土地類型的總面積。

（二）生態(tài)足跡的空間可視化方法

本文主要選用土地利用數(shù)據(jù)、行政區(qū)界限等圖層數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)、疊加、轉(zhuǎn)換等。在柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換上通過創(chuàng)建漁網(wǎng)要素，形成一個(gè)基本的柵格，再將生成的柵格進(jìn)行疊加分析[9，10]。本文采用統(tǒng)一的柵格大小以避免不同柵格大小參數(shù)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生誤差，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過式6和式7中計(jì)算得到的耕地生態(tài)足跡和耕地承載力除以齊齊哈爾市的土地面積，得到齊齊哈爾市各土地類型每平方米的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，公式如下：

EF*j（EC*j）=efj（ecj）/S（12）

其中，j為不同的土地類型，EF*j=（EC*j）為各土地類型每平方米的生態(tài)足跡（生態(tài)承載力），efj（ecj）為各地類的人均生態(tài)足跡（生態(tài)承載力），S為土地面積。

三、耕地承載力空間可視化構(gòu)建

（一）參數(shù)因子的選取

將“國(guó)家公頃”下的產(chǎn)量因子和均衡因子改為“省公頃”下的均衡因子和產(chǎn)量因子，使得所得結(jié)果更加貼近實(shí)際情況（見表2）。

（二）生態(tài)足跡消費(fèi)賬戶的選取

采用生產(chǎn)生態(tài)足跡代替消費(fèi)生態(tài)足跡，構(gòu)建生態(tài)足跡消費(fèi)賬戶。選取當(dāng)?shù)刂饕叵M(fèi)項(xiàng)目見表3。

（三）計(jì)算可視化下的耕地承載力

根據(jù)傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型計(jì)算得到結(jié)果（見表4）。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究，在柵格大小參數(shù)的選取上目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[11，12]。因此，根據(jù)齊齊哈爾市土地利用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將本次研究柵格的大小參數(shù)確定為1km×1km[13]。通過Arcgis字段計(jì)算器，將式12所得結(jié)果與各地類圖斑人口相乘，計(jì)算得出每公里下的生態(tài)足跡和耕地承載力。根據(jù)式8和式9得到柵格結(jié)果下的生態(tài)赤字（盈余）。

將柵格結(jié)果通過Arcgis重分類，將齊齊哈爾市耕地生態(tài)足跡與耕地承載力劃分為7類，來反映每公里人口下齊齊哈爾市耕地生態(tài)足跡與耕地承載力的差異。

利用ArcGIS軟件對(duì)原始圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)分析運(yùn)算后，再根據(jù)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過多重采集，在1km的基礎(chǔ)上經(jīng)過柵格數(shù)據(jù)解析后，繪出1995—2015年耕地承載力、生態(tài)足跡空間和生態(tài)赤字（盈余）分布圖。

四、結(jié)果與分析

（一）齊齊哈爾市耕地生態(tài)足跡和耕地承載力評(píng)價(jià)

通過可視化方法對(duì)耕地生態(tài)足跡進(jìn)行構(gòu)建得到圖2，可知耕地生態(tài)足跡最高的地區(qū)主要分布在齊齊哈爾市東南部地區(qū)。此地區(qū)主要為齊齊哈爾市轄區(qū)，人口多、耕地少，資源消耗供不應(yīng)求；其次分布在齊齊哈爾市東北部，其耕地較為集中的是黑龍江省農(nóng)墾局的主要所在地，耕地占用率高，資源消耗相比其他地區(qū)更快。2010年后生態(tài)足跡明顯增加，一是黑土形成的難度比較大，黑土層變薄，土地本身的供營(yíng)養(yǎng)能力下降，不斷靠施用化肥養(yǎng)分來供給；二是黑龍江省21世紀(jì)以來過度追求產(chǎn)量和效益，從依賴種植大豆轉(zhuǎn)向種植玉米，使生物資源足跡的主要消費(fèi)項(xiàng)目發(fā)生變化。

（二）齊齊哈爾市耕地生態(tài)赤字（盈余）評(píng)價(jià)

通過可視化方法對(duì)耕地承載力進(jìn)行構(gòu)建得到圖3。由圖3可知，除2000年齊齊哈爾市通過柵格計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出有部分地區(qū)生態(tài)盈余外，其他年份皆表現(xiàn)為不同程度的生態(tài)赤字，在2010年前呈逐年增大的趨勢(shì)，2015年有所緩解。同時(shí)可以看出，齊齊哈爾市生態(tài)赤字較為嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在東南部，總體上在耕作的過程中應(yīng)該更加注意耕地的分配。通過圖3可見，東南部市轄區(qū)相對(duì)其他地區(qū)耕地消耗的更多，主要與各地區(qū)人口分布以及土壤肥力不同有關(guān)，同時(shí)也是造成區(qū)域間耕地不平衡的原因。

五、結(jié)論與討論

（一）結(jié)論

本文結(jié)合了人口格網(wǎng)空間化的方法，對(duì)齊齊哈爾市的耕地承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并得出了以下結(jié)論：1995—2015年間，齊齊哈爾市耕地生態(tài)足跡在市轄區(qū)始終高于其他地區(qū)。2010年開始，齊齊哈爾市東部生態(tài)足跡開始逐年增大，齊齊哈爾市耕地面臨巨大的壓力。耕地承載力空間上呈“東高西低”，地區(qū)耕地發(fā)展不均衡。生態(tài)赤字（盈余）在空間格局上總體為“西盈東赤”，西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相對(duì)較慢，由于人口稀少，使部分地區(qū)環(huán)境仍處于盈余以及平衡狀態(tài)；東北以及東南部部分區(qū)域赤字巨大，有生態(tài)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）討論

齊齊哈爾市西部荒漠化、風(fēng)蝕化的趨勢(shì)在加強(qiáng)，并不斷向東邊擴(kuò)展，土壤肥力逐年下降。建國(guó)以來，齊齊哈爾市大規(guī)模開墾耕地，使水土流失嚴(yán)重，而施用農(nóng)家肥少，土壤中的有機(jī)酸逐年減少，土壤有效利用率下降，大量農(nóng)藥化肥的使用進(jìn)一步導(dǎo)致耕地用養(yǎng)失調(diào)[14]。齊齊哈爾市目前農(nóng)業(yè)投入多，但對(duì)于提升耕地質(zhì)量方面的投入幾乎沒有。所以，齊齊哈爾市現(xiàn)在不能盲目追求高產(chǎn)，應(yīng)該重視保護(hù)耕地，保護(hù)土壤肥力。

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