基于耕地生態足跡的重慶市耕地生態承載力供需平衡研究

施開放，刁承泰，2，* ，孫秀鋒，3，左太安

(1.西南大學地理科學學院，重慶 400715;2.西南大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715;3.西南大學園藝園林學院，重慶 400715)

在社會城市化和經濟工業化進程迅速發展，地區經濟結構和生態環境結構發生系列變化的情況下，探索可持續發展之路以及可持續發展評價已經成為當今社會研究的熱點。人類社會要取得發展的可持續性，就必須維持自然資產的存量及其可持續利用。只要人類對自然系統的壓力處于地球生態系統的承載力范圍內，地球生態系統就是安全的、人類經濟社會的發展就處于可持續的范圍內［1］。“生態足跡”的概念由Rees和Wackernagel等于1992年首次提出后［2-3］，因其視角的新穎性引起了國內外學者的關注。該指標提供了一個核算全球、國家以及地區的自然資本利用框架，通過測算人類社會對自然生態服務的需求與自然所能提供的生態服務之間的差距，就可以了解人類社會對生態系統的利用狀況，可以在全球、國家和地區尺度上比較人類社會對自然的消費量和自然資本的承載量。國內外學者采用生態足跡模型對不同地區進行了大量的案例研究［4-7］，事實證明生態足跡測定方法是一種富有成效的定量研究特定區域可持續發展狀態的方法［8］。近年來，一些學者將生態足跡理論應用到單項土地類型(耕地)進行了深入研究，而針對耕地進行的區域性研究多集中于中東部省市［9-10］，而關于西南地區省市尤其是重慶市的研究則很少，且這些研究成果往往只是表達了簡單的耕地生態盈虧關系［11-12］或者耕地生態足跡、耕地生態承載力的構成變化［13-14］，沒有體現耕地生態供需平衡狀況程度或水平。因此，本研究以耕地生態承載力供需關系為切入點，應用耕地生態足跡模型和GIS方法，開展重慶市耕地生態承載力供需平衡研究，從耕地生態承載力供需關系角度研究生態安全和耕地保護問題，對于維持重慶市耕地生態系統的完整性和穩定性，維持耕地生態系統的健康與服務功能的可持續性，最終促進重慶市耕地資源的可持續利用，人口和環境協調發展具有很強的實踐意義。該研究可為重慶市的耕地生態安全預警、土地利用總體規劃以及區域可持續發展提供科學依據和決策支持。

1 研究區概況

重慶市位于我國西南部，是中西部地區唯一的直轄市，東與湖北省、湖南省為鄰，南與貴州省相連，西以四川省為界，北與陜西省接壤，地跨東經105°17'—110°11'、北緯 28°10'—32°13'之間。重慶市位于我國地形第二級臺階上的鄂西山地和川東平行嶺谷區，境內地貌類型復雜多樣，以中低山和丘陵為主。平壩和臺地占幅員面積的10%，多分布在江河沿岸，丘陵占64%，多分布在中部和西部，山地占26%，多分布在南部和北部。主要土壤類型有水稻土、黃壤、石灰土、紫色土等，其中，紫色土是全市分布面積最廣的土壤類型。全市地處中緯度，屬濕潤亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫15—18°C，多年平均降雨量為1150.26 mm，表現出明顯的年、季變化。全市幅員面積8.23萬km2，東西寬470 km，南北長450 km，現轄40個區縣。2009年，全市總人口(戶籍人口)為3275.61萬人，其中農業人口2326.92萬人，占總人口比重的71.04%，人均地區生產總值為2.29萬元。耕地總面積為2438387.11 hm2，人均耕地0.0744 hm2(1.12畝/人)，人地矛盾突出。

2 研究方法與數據來源

2.1 耕地生態承載力供需平衡模型

2.1.1 需求模型:耕地生態足跡計算與分析

生態足跡的計算基于以下事實:(1)人類可以確定自身消費的絕大多數資源及其所產生的廢棄物的數量;(2)這些資源和廢棄物流能轉換成相應的生物生產面積。因此，任何已知人口(一個國家、一個地方或某個個人)的生態足跡是生產這些人口所消費的所有資源和吸納這些人口所產生的所有廢棄物所需要的生物生產總面積(包括陸地和水域)［15］。耕地作為生態足跡模型的六大類生產型土地之一，根據生態足跡的定義和計算方法，耕地生態足跡是指生產其消費的資源和吸納其消費引起的廢棄物所需要的耕地資源的空間面積。它通過測量人類對耕地生態服務的需求與區域所能提供的耕地生態服務之間的差距來比較人類對耕地資源的消費量和耕地資源的承載量。具體計算公式如下:

式中，EF為區域耕地總生態足跡;N為區域總人口數;ef為區域人均耕地生態足跡;i為消費項目類型;r為耕地均衡因子;Ai為區域人均第i種消費項目折算的的生物生產性耕地面積;Ci為第i種消費項目的區域人均消費量;Pi為第i種消費項目的全球平均生產力。對重慶市的耕地生態足跡和耕地生態承載力進行計算和分析，研究將涉及到耕地的生物產品主要有:稻谷、小麥、玉米、大豆、油料、糖料(甘蔗)、蔬菜。由于均衡因子在長期時間序列中只會發生輕微的調整［16］，因此，采用Wackernagel等［16］于2004年修改后的均衡因子:耕地為2.17。

2.1.2 供給模型:耕地生態承載力計算與分析

耕地生態承載力是區域內真正擁有的生物生產性耕地面積，是一種真實的耕地面積，反映了耕地生態系統對人類活動的供給程度。耕地生態承載力計算公式為:

式中，EC為區域耕地總生態承載力;ec為區域人均耕地生態承載力;a為人均耕地生物生產性土地面積;y為耕地產量因子。對于耕地產量因子，大多數學者采用的是Wackernagel等在計算中國生態足跡時所采用的產量因子，即耕地為1.66［17］。由于重慶市地處我國西南丘陵山區，四川盆地東部，相對于整個中國而言，耕地面積相對較小，因此需要對耕地的產量因子進行修正。其中作物的產量因子是平均產量與全球平均產量的比值［18］，而耕地的產量因子是由不同耕地類型產量因子加權計算所得。本研究以2009年重慶市相關數據為例，對耕地產量因子進行了修正，如表1所示。此外，原生態足跡模型在計算生態承載力時，在總生物生產性面積中扣除12%作為生物多樣性保護地［19］。按照世界環境與發展委員會《我們共同的未來》建議，在總生物生產性面積中扣除12%作為生物多樣性保護地，而本研究在這里只研究耕地這一單一的生物生產性土地類型，由于重慶市耕地總面積占其土地總面積的30%左右，因此，出于各方面謹慎考慮，在參考相關專家建議的基礎上，結合重慶市的實際情況，在耕地面積中扣除3.5%作為生物多樣性保護地。

表1 2009年重慶市耕地產量因子計算結果Table 1 The result of cultivated land yield factors in Chongqing City in 2009

2.1.3 供需平衡模型:耕地生態承載力供需平衡指數

在對重慶市耕地生態供給和需求狀況進行研究的基礎上，本研究引入耕地生態承載力供需平衡指數(EI)對區域耕地生態供需平衡關系進行研究。EI是指區域人均耕地生態足跡和人均耕地生態承載力之間的比值，反映了耕地生態資源供給和需求關系:

當ef大于ec時，說明人類對耕地生態系統需求大于耕地生態系統供給，表現為區域的耕地生態赤字。當ef等于ec時，說明人類對耕地生態系統需求等于耕地生態系統供給，表現為區域的耕地生態平衡。當ef小于ec時，說明人類對耕地生態系統需求小于耕地生態系統供給，表現為區域的耕地生態盈余。因此，根據EI的大小關系，可以將重慶市的耕地生態承載力供需平衡劃分為耕地生態赤字區、耕地生態平衡區、耕地生態盈余區3種類型區。理論上，當ef等于ec時(即EI等于1)，區域表現為耕地生態平衡，但鑒于現實中這種情況較少，因此，本研究將范圍上下浮動0.2作為平衡區，即EI介于0.8—1.2為耕地生態平衡區，EI小于等于0.8為耕地生態盈余區，EI大于1.2為耕地生態赤字區。最后，分別根據耕地生態赤字區、耕地生態平衡區和耕地生態盈余區EI值的范圍，依據其與平均值的關系作為判定赤字或盈余的差異程度，將耕地生態承載力供需平衡進一步劃分為8個二級級別，具體評價標準如表2所示。

表2 基于EI的重慶市耕地生態承載力供需平衡分級評價標準Table 2 The evaluation criteria based on index of cultivated land ecological carrying capacity for cultivated land ecological carrying capacity supply and demand balance

2.2 研究數據來源

重慶市稻谷、小麥、玉米、大豆、油料、糖料(甘蔗)、蔬菜以及人口、DGP、其他自然地理狀況數據來源于2010年《重慶統計年鑒》、《2009年重慶市國民經濟和社會發展統計公報》和重慶市各區縣統計年鑒;全球稻谷、小麥、玉米、大豆、油料、糖料(甘蔗)、蔬菜等相關數據來源于2010年《國際統計年鑒》;2009年重慶市耕地資源數據和行政區劃圖等相關數據均來源于重慶市國土資源與房屋管理局。

3 結果與分析

3.1 重慶市耕地生態足跡評價

2009年重慶市縣(區)均總耕地生態足跡為202121 hm2，人均耕地生態足跡為0.25 hm2。依據和重慶市縣(區)均總耕地生態足跡、人均耕地生態足跡的比值大小，本研究將重慶市40個縣(區)的總耕地生態足跡和人均耕地生態足跡分為5類(圖1)。研究結果表明，重慶市分縣(區)總耕地生態足跡和人均耕地生態足跡均為低值區占主體，總耕地生態足跡高值區主要集中于一小時經濟圈內的渝中區、大渡口區、江北區、合川區、江津區等縣(區)以及渝東北翼的萬州區(圖1);而人均耕地生態足跡高值區亦分布于一小時經濟圈內的渝中區、沙坪壩區、北碚區等主城區的八大縣(區)(巴南區除外)以及渝東北翼的萬州區(圖1)。總體來看，重慶市各個縣(區)的總耕地生態足跡和人均耕地生態足跡的分布具有很好的空間一致性。這是因為人均耕地生態足跡大的區縣不僅僅社會經濟發展水平較高，而且往往分布著較多的人口，導致其總耕地生態足跡更大。從表3中可以看出，重慶市一小時經濟圈的縣(區)均總耕地生態足跡、總人口以及人均耕地生態足跡均大于渝東北翼和渝東南翼(重慶市一小經濟圈主要包括渝中區、大渡口區、江北區、沙坪壩區、九龍坡區、南岸區、北碚區、渝北區、巴南區、萬盛區、雙橋區、涪陵區、長壽區、江津區、合川區、永川區、南川區、綦江縣、潼南縣、銅梁縣、大足縣、榮昌縣和璧山縣23個區縣;渝東北翼主要包括萬州區、梁平縣、城口縣、豐都縣、墊江縣、忠縣、開縣、云陽縣、奉節縣、巫山縣和巫溪縣11個區縣;渝東南翼主要包括黔江區、武隆縣、石柱縣、秀山縣、酉陽縣和彭水縣6個區縣。)。

圖1 重慶市分縣(區)總耕地生態足跡和人均耕地生態足跡Fig.1 Evaluation of total cultivated land ecological footprint and footprint per capita of Chongqing City at county level

表3 重慶市一小時經濟圈、渝東北翼、渝東南翼縣(區)均總耕地生態足跡、總人口以及人均耕地生態足跡比較Table 3 Comparison of EF，population and ef in One-Hour Economic Circle，Northeast and Southeast of Chongqing City

3.2 重慶市耕地生態承載力評價

2009年重慶市縣(區)均總耕地生態承載力為169321 hm2，人均耕地生態承載力為0.20 hm2。同樣的，根據與重慶市均值比重大小，分5類對其空間分布格局進行展示(圖2)。重慶市總耕地生態承載力高值區分布比較分散，三大區域(一小時經濟圈、渝東北翼、渝東南翼)的縣(區)均有分布(圖2)，而人均耕地生態承載力高值區則主要分布于渝東南翼的武隆縣、彭水縣、黔江區等縣(區)，低值區則主要集中于主城區的八大縣(區)(巴南區除外)以及萬盛區、雙橋區。分縣(區)人口分布的差異性是造成總耕地生態承載力和人均耕地生態承載力空間分布不盡匹配的主要原因。總耕地生態承載力高值區往往居住著較多的人口，導致其總耕地生態承載力較高;雖然都市區的八大縣(區)以及萬盛區、雙橋區的人口密度較高，但是由于其人均耕地生態承載力非常小(渝中區甚至沒有耕地)，所以造成其總耕地生態承載力不高;而渝東南翼的武隆縣、彭水縣、黔江區等縣(區)雖然人口密度不大，但人均耕地生態承載力極高，導致其同樣成為總耕地生態承載力高值區。

3.3 重慶市耕地生態承載力供需平衡評價

在分析重慶市耕地生態供需平衡的基礎上，根據耕地生態承載供需平衡指數(EI)和分級標準，對重慶市分縣(區)耕地生態承載狀況進行研究，如表圖3和表4所示。

圖2 重慶市分縣(區)總耕地生態承載力和人均耕地生態承載力Fig.2 Evaluation of total cultivated land ecological carrying capacity and cultivated land carrying capacity per capita of Chongqing City at county level

依據重慶市分縣(區)人均耕地生態供需平衡比所反映出的區域耕地生態盈虧空間格局來看，就縣(區)個數而言，耕地生態赤字區最多，共有縣(區)16個，占全市總縣(區)個數的40%;耕地生態盈余區次之，共有縣(區)13個，占全市總縣(區)個數的32.50%;耕地生態平衡區最少，共有縣(區)11個，占全市總縣(區)個數的27.50%。就所容納的人口數來看，耕地生態赤字區同樣最多，容納人口1203.57萬人，約占全市總人口數的36.74%;耕地生態平衡區次之，容納人口1160.98萬人，約占全市總人口數的35.44%;耕地生態盈余區最少，容納人口911.06萬人，約占全市總人口數的27.81%。而就土地面積來看，耕地生態盈余區最大，約40326 km2，約占全市土地總面積的49.02%;耕地生態平衡區次之，約25441 km2，約占全市土地總面積的30.92%;耕地生態赤字區最少，約16502 km2，約占全市土地總面積的20.06%。

(1)耕地生態赤字區

共有16個縣(區)，人口、土地面積分別占全市總人口、土地總面積的36.74%和20.06%。其中:嚴重超載區，包括縣(區)10個，占全市總縣(區)個數的25.00%，人口690.89萬人，約占全市總人口的21.09%，土地面積7089 km2，約占全市土地總面積的8.62%，主要分布于一小時經濟圈內的主城區的八大縣(區)、雙橋區以及渝東北翼的萬州區;從空間分布來看，耕地生態嚴重超載區與主城區分布具有較好的吻合性。這些地區人口密度大，城市化水平和工業化程度高，加上耕地資源較少，因此導致其耕地生態足跡遠遠大于耕地生態承載力。過載區，包括縣(區)2個，占全市總縣(區)個數的5.00%，人口137.24萬人，約占全市總人口的4.19%，土地面積2138 km2，約占全市土地總面積的2.60%，主要分布于一小時經濟圈內的主城區的萬盛區和永川區;超載區，包括縣(區)4個，占全市總縣(區)個數的10.00%，人口375.44萬人，約占全市總人口的11.46%，土地面積7275 km2，約占全市土地總面積的8.84%，主要分布于一小時經濟圈內的長壽區、涪陵區、巴南區和榮昌縣。

(2)耕地生態平衡區

圖3 重慶市耕地生態承載力供需平衡空間格局Fig.3 Spatial patterns of cultivated land ecological carrying capacity supply and demand balance of Chongqing City

共有11個縣(區)，人口、土地面積分別占全市總人口、土地總面積的35.44%和30.92%。其中:臨界超載區，包括縣(區)2個，占全市總縣(區)個數的5.00%，人口303.43萬人，約占全市總人口的9.26%，土地面積5489 km2，約占全市土地總面積的6.67%，主要分布于一小時經濟圈內的江津區和合川區;平衡有余區，包括縣(區)9個，占全市總縣(區)個數的22.50%，人口857.55萬人，約占全市總人口的26.18%，土地面積19952 km2，約占全市土地總面積的24.25%，其分布比較零算，既包括一小時經濟圈內的潼南縣、璧山縣等縣(區)，也包括渝東北翼的梁平縣、忠縣等縣(區)以及渝東南翼的黔江區。

(3)耕地生態盈余區

共有13個縣(區)，人口、土地面積分別占全市總人口、土地總面積的27.81%和49.02%。其中:盈余區，包括縣(區)8個，占全市總縣(區)個數的20.00%，人口575.34萬人，約占全市總人口的17.56%，土地面積23614 km2，約占全市土地總面積的28.70%，主要分布于一小時經濟圈內的銅梁縣、南川區以及渝東北翼的城口縣、巫山縣等4個縣(區)和渝東南翼的彭水縣、石柱縣;富裕區，包括縣(區)5個，占全市總縣(區)個數的12.50%，人口335.72萬人，約占全市總人口的10.25%，土地面積16712km2，約占全市土地總面積的20.31%，主要集中分布于渝東南翼的酉陽縣、秀山縣、武隆縣以及一小時經濟圈內的綦江縣和渝東北翼的巫溪縣。

總之，重慶市耕地生態承載力供需空間分布表現出較為明顯的不平衡性，總體上從東到西呈現出從富裕到嚴重超載的空間分布態勢。可以明顯的看出，耕地生態平衡區和耕地生態盈余區人口約占全市總人口的63.25%，土地面積卻約占全市土地總面積的的79.84%;而耕地生態赤字區占土地面積的20.06%，卻承載著全市36.74%的人口。換而言之，從耕地生態承載力的角度出發，重慶市約3/5的人口分布在約4/5表現為耕地生態平衡或盈余的土地面積上，而約2/5的人口集中分布在約1/5表現為生態赤字的土地面積上。從中可以看出，重慶市耕地生態承載力失衡已較為嚴重。與此同時，耕地生態赤字區主要分布于一小時經濟圈內的主城區的(縣)區，這些地區人口密度大，且流動人口遷入較為集中。隨著城市化進程的不斷加快，耕地不斷被占用，有限的空間內將容納更多的人口，勢必會加劇這些(縣)區的耕地生態赤字，導致生態環境的進一步惡化。與此同時，重慶市作為長江上游的生態屏障區，發揮著涵養水源、凈化環境、氣候調節、水土保持以及生物多樣性保育等重要的生態功能，對整個長江流域的生產和生活都具有決定性的影響。因此，重慶市在制定生態安全區劃、土地利用總體規劃決策的同時，要妥善協調好生態環境保護與耕地保護之間的關系，并有必要將耕地生態承載力供需平衡狀況作為決策制定和實施的重要依據。

表4 基于EI的重慶市耕地生態承載力供需平衡評價Table 4 Evaluation of cultivated land ecological carrying capacity supply and demand balance of Chongqing City

4 結論與討論

應用耕地生態足跡模型來衡量人類對耕地資源的利用程度以及可持續發展狀況，與實際的耕地生態承載力進行比較，可以確定區域的耕地生態安全狀況，這是評價區域耕地生態狀況的一個比較好的方法。但是針對西南丘陵山區尤其是重慶市的耕地生態承載力供需平衡研究至今未見。因此，本研究以耕地生態承載力供需關系為切入點，應用耕地生態足跡模型，以2009年為例，對重慶市耕地生態承載力供需平衡進行了研究，研究結論如下:(1)重慶市耕地生態承載力供需空間分布表現出較為明顯的不平衡性，總體上從東到西呈現出從富裕到嚴重超載的空間分布態勢。從空間分布上看，重慶市耕地生態承載力供需之間已經失衡，且耕地生態超載區與主城區分布具有較好的吻合性;(2)就縣(區)數量而言，重慶市耕地生態赤字區最大，其次是耕地生態盈余區和耕地生態平衡區;就人口數量而言，耕地生態赤字區最大，其次是耕地生態平衡區和耕地生態盈余區;就土地面積而言，耕地生態盈余區最大，其次是耕地生態平衡區，耕地生態赤字區面積最小。總之，重慶市約3/5的人口分布在約4/5表現為耕地生態平衡或盈余的土地面積上，而約2/5的人口集中分布在約1/5表現為生態赤字的土地面積上。

最后，需要指出本研究中存在的幾點問題:(1)研究中計算所采用的數據部分來自于統計資料，而統計資料的準確度的高低對耕地生態足跡的最終計算結果影響很大。在選取數據的過程中，只選取一些主要的、連續變化的數據，選取的耕地消費性項目的指標體系還不是很完善。對于特定區域選取的均衡因子和產量因子也有待進行研究。(2)在耕地生態足跡計算過程中，由于縣域消費品貿易數據無法獲得，因此在一定程度上影響了計算結果的準確性，但由于該部分數據較小，所以對最后結果影響不大。(3)由于耕地生態指標是一種基于現狀靜態數據的分析方法，其計算結果不能反映未來的發展趨勢。鑒于重慶市近年來耕地資源開發利用過程中的問題，如建設占用耕地、土地退化等，耕地生態承載力供給勢必會有所減少。本研究對耕地生態承載力的計算結果是較為樂觀的，導致部分縣(區)的耕地生態承載供需平衡指數也相對較為樂觀，但這不會對整個重慶市的耕地生態承載力供需平衡空間格局特征產生本質影響。

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