喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡

王雅敬,謝炳庚,李曉青,趙衛權,王金艷,羅海波

1 湖南師范大學資源與環境科學學院,長沙 410080 2 銅仁市國土資源局,銅仁 554300 3 貴州科學院山地資源研究所,貴陽 550004

喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡

王雅敬1,2,謝炳庚1,*,李曉青1,趙衛權3,王金艷2,羅海波2

1 湖南師范大學資源與環境科學學院,長沙 410080 2 銅仁市國土資源局,銅仁 554300 3 貴州科學院山地資源研究所,貴陽 550004

以喀斯特地區耕地生態承載力供需關系作為切入點,采用GIS軟件和耕地生態足跡模型,在修正耕地產量因子的基礎上構建喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡指數,對以喀斯特地貌為主的畢節市2014年耕地生態足跡供需平衡現狀進行分析評價。結果顯示：(1)畢節市耕地生態足跡供需在空間分布上呈現北部盈余而南部超載的態勢；(2)國內生產總值與耕地生態足跡供需平衡指數之間存在負相關關系；(3)耕地生態承載力供需平衡指數與潛在石漠化、輕度石漠化及中度石漠化面積占比之間存在負相關關系,與強度石漠化面積占比存在正相關關系；(4)全市8縣(區)中, 4個縣(區)耕地生態盈余,2個縣耕地生態平衡,2個縣耕地生態赤字,全市約75.28%的人口生活在耕地生態盈余區和平衡區,24.72%的人口生活在耕地生態赤字區。可為畢節市農業產業結構調整、生態安全預警、區域經濟發展及土地利用總體規劃編制提供決策依據。

喀斯特；耕地；生態承載力；供需平衡；畢節市

在工業化和城鎮化迅速發展,區域生態環境和經濟結構發生變化的情況下,探討可持續發展之路已成為當前景觀生態學研究的熱點問題。人類社會要可持續發展,就必須維持自然資產的存量使其可持續利用[1]。如果人類活動對自然生態系統的壓力處于生態系統可承載的范圍之內,人類社會的發展就是可持續的[2]。Rees和Wackernagel等[3- 4]學者于1992年提出了“生態足跡”的概念和評價指標,該指標通過測算人類生存對自然生態服務的需求與自然生態系統所能提供服務之間的差距,就可以在全球、國家以及區域尺度上了解人類活動對自然生態系統的利用狀況。國內外學者們運用生態足跡模型對不同區域進行了大量的實證研究[5- 12],眾多研究結果表明生態足跡模型是一種有效的定量研究區域可持續發展的方法[13- 15]。喀斯特地區生態環境脆弱,一些學者對該地區生態系統的服務功能價值變化及其影響因素進行了深入研究[16- 19],而針對喀斯特地區耕地生態服務的區域性研究較少,且這些研究成果中只是說明了耕地生態服務功能的估算方法[20]、生態虧盈關系[21]、生態承載力及生態足跡的構成[22- 24],沒有體現出喀斯特地區耕地生態供需平衡狀況與不同等級石漠化強度及經濟發展水平之間的相互關系。因此,本研究應用GIS技術和耕地生態足跡模型,對貴州省以喀斯特地貌為主的畢節市耕地生態供需平衡進行研究,從耕地供需關系角度分析喀斯特地區耕地保護、生態安全以及受不同等級石漠化強度和經濟發展現狀的影響狀況,對于維持喀斯特地區耕地生態服務的可持續性,促進喀斯特地區耕地資源合理開發利用,以及人與自然環境協調發展具有很好的指導意義。同時該研究可為畢節市農業產業結構調整、生態安全預警、區域經濟發展及土地利用總體規劃編制提供決策依據。

1 研究區概況

畢節市位于貴州省西北部,地處川、滇、黔三省結合部,東靠貴陽市、遵義市、南連安順市、六盤水市,西鄰云南省昭通市、曲靖市,北接四川省瀘州市,地跨105°36′—106°43′E 、26°21′—27°46′N之間,國土面積26853km2,其中耕地面積占46.36%。畢節市位于云貴高原向東部低山丘陵過渡的斜坡地帶,境內地層復雜多樣,既有溶蝕的石山、石丘、漏斗、暗河、溶洞和溶溝,又有侵蝕的山地和谷地,中山山地和丘陵占幅員面積90%。主要土壤類型有黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土、水稻土、沼澤土和潮土等,其中,石灰土和黃壤是全市分布面積最廣的土壤類型。全市地處北亞熱帶季風濕潤氣候,夏無酷暑,冬無嚴寒,季風氣候比較明顯,降雨量較為充沛,多年平均溫度在10—15℃,年均降水量在849—1399mm之間。根據2005年國家林業局《西南巖溶地區石漠化監測調查》統計,畢節市巖溶裸露面積21297.17 km2,占全市國土面積79.31%。全市石漠化面積1137.96 km2,潛在石漠化面積989.48 km2,分別占總土地面積的33.39%、29.03%[25]。全市幅員面積2.69萬km2,現轄8縣區,2014年全市總人口為880.79萬人,其中農業人口815.21 萬人,占總人口比重92.55%,人均純收入6223元。

2 研究方法、數據來源及處理

2.1 模型構建

2.1.1 需求模型

耕地是生態足跡模型中的六大生產性用地之一,按照生態足跡定義及計算方法,耕地生態足跡指的是生產糧食、蔬菜、油料等作物和吸納這些作物被消費產生的廢棄物所需要的耕地面積。通過測度一定區域內人類對耕地生態服務的需求,與耕地所能夠提供生態服務之間的差距,比較分析人類對耕地資源的利用強度及耕地本身的承載力。計算公式如下：

EF=N×ef

(1)

(2)

式中,EF為研究區耕地總的生態足跡；N為研究區人口總數；ef為研究區人均耕地生態足跡；i為消費項目；r為研究區耕地均衡因子；Ai為研究區人均第i種消費項目,經過折算的生產性耕地面積。由于畢節市耕地主要種植的作物有玉米、稻谷、小麥、薯類、油菜籽、烤煙和蔬菜,因此在耕地生態足跡和生態承載力的計算分析中涉及的生物產品主要有這7種作物。研究表明耕地均衡因子在長期時間段內發生的變化很微妙,目前國內外比較認可的是Wackernagel等于2004年修正后的耕地均衡因子2.17[26],所以本研究在計算中引用了該因子。

2.1.2 供給模型

耕地生態承載力指的是研究區域內擁有生物生產性能力的耕地面積,其能夠反映耕地生態系統對人類需求的供給程度。計算公式為：

EC=N×ec

(3)

ec=a×r×y

(4)

式中,EC為研究區域內總的生態承載力；ec為研究區域內人均耕地生態承載力；a為研究區域內人均生物生產性土地面積；y為研究區耕地產量因子。多數學者計算引用的耕地產量因子是Wackernagel等在計算中國生態足跡時所采用的產量因子1.66[27]。由于畢節市屬于喀斯特地區,生態環境脆弱,水土流失嚴重,土壤貧瘠,因此有必要對耕地產量因子進行修正。農作物的產量因子是指該作物平均產量與全球平均產量的比值[28],本研究以畢節市2014年相關數據為基礎,對喀斯特地區耕地產量因子進行了修正(表1)。此外,按照原生態足跡模型在計算生態承載力時,需要扣除12%的總生產性土地面積作為生物多樣性保護區域[29]。

表1 畢節市2014年耕地產量因子計算結果

2.1.3 供需平衡模型

本研究在分析畢節市耕地生態供需的基礎上,選用耕地生態承載力供需平衡指數(EI)來分析研究區耕地生態供需平衡關系。EI指的是研究區人均耕地生態足跡與人均耕地生態承載力兩者之間的比值,其結果反映了研究區耕地生態資源需求與供給之間的關系：

(5)

當EI等于1時,表明區域耕地生態服務平衡；EI大于1時,表明區域耕地生態赤字；EI小于1時,表明區域耕地生態服務盈余。在理論上EI等于1時,說明區域內耕地生態服務平衡,但現實中出現這種情況的概率較小,因此,本研究結合喀斯特地區的實際情況,將比值上下浮動0.15作為生態服務平衡區,即EI介于0.85—1.15為喀斯特地區耕地生態服務平衡區,EI小于或等于0.85為生態盈余區,EI大于或等于1.15為生態赤字區。最后,根據研究區耕地生態平衡區域、盈余區域、赤字區域的EI范圍,并結合其與平均值的關系將研究區耕地生態供給狀況再細分為5個級別,具體劃分標準如表2所示。

表2基于EI的畢節市耕地生態承載力供需平衡評價標準劃分

Table2Theevaluationcriteriabasedonindexofecologicalcarryingcapacityofcultivatedlandforecologicalcarryingcapacityofcultivatedlandsupplyanddemandbalance

類型Type承載狀況BearingcapacitystatusEI生態赤字區Theareaofecologicaldeficit嚴重超載1.45≤EI超載1.15≤EI<1.45生態平衡區Theareaofecologicalbalance平衡0.85

EI ：耕地生態承載力供需平衡指數The balance index of between supply and demand of the cultivated land ecological carrying capacity

2.2 數據來源

畢節市玉米、稻谷、小麥、薯類、油菜籽、烤煙、蔬菜、人口、GDP及其他地理現狀數據來源于《貴州省統計年鑒2015》、《畢節市統計年鑒2015》、《2014年畢節市國民經濟和社會發展統計公報》；各區縣耕地生態足跡計算中農作物的消費量選用的是全市人均消費量數據；全球玉米、稻谷、小麥等相關數據來源于《國際統計年鑒2015》；遙感影像及解譯輔助數據資料包括：研究區2014年Landsat TM 影像數據,來源于中科院對地觀測與數字地球科學中心“對地觀測數據共享計劃網”,畢節市1∶5萬地形圖(1977年),1∶5萬土地利用現狀圖(2014年),1∶20萬水文地質圖(1978年)及行政區劃圖件均來源于畢節市國土資源局,畢節市1∶5萬土壤圖(1991年)來源于畢節市農業局。

圖1 2014年畢節市不同強度石漠化等級分布圖Fig.1 Distribution map of rocky desertification of Bijie in 2014

2.3 數據處理

2.3.1 喀斯特地區石漠化強度等級劃分標準

考慮的角度不同,石漠化強度等級劃分的標準也不同,本研究參考熊康寧等人的研究成果,根據喀斯特地區基巖裸露率及植被覆蓋度進行分級,按照坡度、土壤厚度、基巖裸露率、植被和土被覆蓋度等多項指標,劃分為無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強度石漠化和極強度石漠化6個等級[30]。

2.3.2 石漠化信息獲取

石漠化信息的獲取,應用了ENVI5.0自帶的決策樹分析模塊。首先,對遙感影像進行校正、配準、鑲嵌及信息增強；其次,以預處理后的數據源作為基礎進行波段運算,計算歸一化裸土指數BI和植被指數NDVI,生成植被覆蓋度及裸露率[31]；然后,借助土地利用現狀圖及水土地質圖獲取石漠化及非石漠化區域；最后,應用ENVI5.0自帶的決策樹分析模塊及等級劃分標準,并根據實地調查驗證和修改圖斑信息,得到研究區不同強度石漠化等級分布圖(圖1)。

3 結果與分析

3.1 畢節市耕地生態足跡評價

畢節市2014年總的耕地生態足跡1726869.17 hm2,人均0.2 hm2。依據各縣(區)耕地生態足跡與全市縣(區)平均耕地生態足跡的比值,各縣(區)人均耕地生態足跡與全市人均耕地生態足跡的比值,根據其與平均值的關系,本研究將該比值分為3類。研究結果表明,這兩組比值均以中值區占主導,各縣(區)耕地生態足跡與全市縣(區)平均耕地生態足跡比值的高值區為西部的威寧縣和南部的織金縣(圖2),各縣(區)人均耕地生態足跡與全市人均耕地生態足跡比值的高值區為南部的納雍縣和織金縣(圖3)。總體來看,畢節市各縣(區)耕地生態足跡與全市縣(區)平均耕地生態足跡的比值及各縣(區)人均耕地生態足跡與全市人均耕地生態足跡的比值分布區域具有較好的一致性,這是因為生態足跡的大小與區域人口總數具有直接關系,人口總數多的縣(區)耕地生態足跡大。

圖2 各縣(區)耕地生態足跡與全市縣(區)平均耕地生態足跡的比值Fig.2 The ration of ecological footprint of of county-level and the average of ecological footprint of cultivated land of Bijie city

圖3 各縣(區)人均耕地生態足跡與全市人均耕地生態足跡的比值Fig.3 The ration of the per capita ecological footprint of cultivated land of county-level and the per capita of ecological footprint of cultivated land of Bijie city

3.2 畢節市耕地生態承載力評價

畢節市2014年縣(區)平均耕地生態承載力247917.69 hm2,人均0.23 hm2。依據各縣(區)耕地生態承載力與全市縣(區)平均耕地生態承載力的比值,各縣(區)人均耕地生態承載力與全市人均耕地生態承載力的比值,同樣將該比值分為3類。畢節市各縣(區)耕地生態承載力與全市縣(區)平均耕地生態承載力的比值以低值區和中值區占主導,低值區域的分布比較分散,而中值區域的分布相對集中(圖4)；各縣(區)人均耕地生態承載力與全市人均耕地生態承載力的比值以中值區和高值區占主導,分布比較集中(圖5)。各縣(區)耕地面積的差異性是造成人均耕地生態承載力和總耕地生態承載力空間不相匹配的主要原因。

圖4 各縣(區)耕地生態承載力與全市縣(區)平均耕地生態承載力的比值Fig.4 The ration of ecological carrying capacity of cultivated land of county-level and the average of ecological carrying capacity of cultivated land of Bijie city

圖5 各縣(區)人均耕地生態承載力與全市人均耕地生態承載力的比值Fig.5 The ration of ecological carrying capacity of cultivated land per capita of county-level and the per capita of ecological carrying capacity of cultivated land of Bijie city

3.3 畢節市耕地生態承載力供需平衡評價及影響因素分析

本文在分析畢節市耕地生態供需平衡的基礎上,結合耕地生態承載力供需平衡指數(EI)及分級標準,對各縣(區)耕地生態承載狀況進行分析,如表3所示。畢節市耕地生態盈余的縣(區)最多,共有4個,占全市總縣(區)數的50%；生態平衡區和赤字區各包括2個縣(區)。從所容納的人口數量來看,耕地生態盈余區容納的人口最多,4個縣(區)共容納人口480.13萬人,約占全市總人口的55.09%；耕地生態赤字區次之,兩個縣共容納人口215.41萬人,約占全市總人口的24.72%；耕地生態平衡區人口最少,容納人口176.02萬人,約占全市人口的20.2%。從土地面積來看,耕地生態盈余區的面積最大,約597662.5 hm2,約占全市耕地總面積的60.03%；耕地生態赤字區次之,約199979.6 hm2,約占全市耕地總面積的20.09%；耕地生態平衡區最少,約197981.3 hm2,約占全市耕地總面積的19.89%。總體而言,畢節市耕地生態承載力供需在空間分布上存在較為明顯的差異性,表現為北部盈余而南部超載的態勢(圖4)。耕地生態盈余區和平衡區人口約占全市總人口的75.28%,而耕地面積占全市總耕地面積的79.91%；生態赤字區有著20.09%的全市耕地面積,卻承載著全市24.72%的人口。

表3 畢節市基于EI的耕地生態承載力供需平衡評價

圖6 畢節市耕地生態承載力供需平衡空間分布格局 Fig.6 Spatial patterns of cultivated land ecological carrying capacity supply and demand balance of Bijie City

圖7 各縣(區)耕地生態承載力供需平衡指數與國內生產總值的關系Fig.7 The relationship between the ecological carrying capacity balance index of cultivated land and gross domestic product at county-level

為了分析研究區耕地生態承載力供需平衡現狀與不同等級石漠化強度及經濟發展的關系,本文選取2014年各縣(區)國內生產總值及不同等級石漠化強度面積所占比例與EI進行相關性分析。因為研究區各縣(區)極強度石漠化面積很小,所以在計算中對極強度和強度石漠化面積進行了合并。結果發現各縣(區)EI與國內生產總值、潛在石漠化、輕度石漠化及中度石漠化面積所占比例之間存在明顯的負相關關系,與強度石漠化面積所占比例存在正相關關系(圖7、圖8),即國內生產總值較高的縣(區)耕地生態承載力供需平衡狀況良好,而國內生產總值低的縣(區)呈現出超載或嚴重超載的趨勢,這是因為國內生產總值高的區縣三大產業中第三產業所占比重較高,在一定程度上緩解了人地矛盾,人類活動對耕地及生態環境的破壞減少,而國內生產總值低的區縣一、二產業所占比重很高,如納雍縣一、二產業占71%,產業發展以農業和工業為主,對耕地及礦產資源的依賴性很強,人地矛盾突出,耕地生態承載力呈現超載的趨勢；在一定程度上潛在石漠化、輕度石漠化和中度石漠化面積所占石漠化總面積比例高的縣(區)耕地生態承載力狀況良好,在喀斯特地區潛在、輕度、中度石漠化區域依然可以用于農業生產,而強度石漠化區域,水土流失嚴重,土壤退化和肥力耗竭,已經完全失去了耕作的條件,人地矛盾突出,農民墾荒嚴重,所以強度石漠化面積占比高的縣(區)耕地生態承載力呈現超載的趨勢。

圖8 各縣(區)不同等級石漠化占比與耕地生態承載力平衡指數之間關系Fig.8 The relationship between the proportion of rocky desertification and ecological carrying capacity balance index of cultivated land at county-level

4 結論與討論

喀斯特地區生態環境脆弱,人地矛盾突出,水土流失和石漠化嚴重,關于該地區生態服務功能提升以及民生改善成為當前學術界關注的熱點問題,而對喀斯特地區耕地生態供需平衡狀況與不同等級石漠化強度及經濟發展水平之間的相互關系研究較少。因此,本研究以喀斯特地區耕地生態承載力供需關系為切入點,同時借助耕地生態足跡模型,對畢節市2014年耕地生態承載力供需平衡進行研究,結論如下：(1)畢節市耕地生態承載力供需在空間分布上存在較為明顯的不平衡性,總體上呈現出北部盈余而南部超載的態勢；(2)各縣(區)國內生產總值與耕地生態承載力供需平衡指數之間存在負相關關系,施開放等[1]、劉東等[9]研究結果顯示非喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡指數與經濟發展水平之間存在正相關關系,而這也是喀斯特地區有別于其他區域的特點；(3)各縣(區)耕地生態承載力供需平衡指數與潛在石漠化、輕度石漠化及中度石漠化面積占比之間存在負相關關系,與強度石漠化面積占比存在正相關關系；(4)全市8縣(區)中, 4個縣(區)耕地生態盈余,2個縣耕地生態平衡,2個縣耕地生態赤字,全市約75.28%的人口生活在耕地生態盈余區和平衡區,24.72%的人口生活在耕地生態赤字區。近年來隨著工業強省戰略的實施和城鎮化進程的加快,耕地被占用時有發生,勢必會加劇該地區耕地生態赤字的程度。畢節市是貴州省石漠化最嚴重的地區,其耕地生態承載力供需平衡狀況的改善對于全省生態環境的改善起到決定性的作用。因此,畢節市在制定土地利用總體規劃的過程中,要協調好經濟建設與耕地保護之間的關系,金沙、威寧、赫章、七星關區、大方、黔西6區縣耕地生態承載力處于平衡以上狀態,在土規調整過程中應堅守原有的耕地面積指標不變,即可實現人地和諧；納雍縣、織金縣耕地生態承載力處于超載區,因此在土規調整過程中要預留出5%的其他用地作為后備耕地進行整治開發,嚴格限制現有耕地轉為其他用地。

喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡是一個動態過程,與當地的經濟發展水平、人口數量及不同等級石漠化強度面積變化有很大關系,已有的研究結果表明我國西南喀斯特地區石漠化擴張趨勢初步遏制,但局部地區仍在惡化,防治形勢很嚴峻[32],另外國家已全面放開二胎計劃生育政策,這勢必會加劇喀斯特地區耕地生態供需矛盾,將會成為后續研究所關注的問題。

5 扶貧工作建議

科學實施土地綜合分區整治。綜合考慮畢節市貧困現狀和規劃要求,注重土地整治規劃與各類規劃相銜接,將農業產業發展與土地整治、新農村建設捆綁布局。加大農村閑置和低效利用耕地整治,開展田、水、路、人、村綜合整治,改善村民的人居環境和生產條件。

積極推進農村集體土地流轉。通過媒體宣傳和實地調研引導農戶積極開展集體土地流轉,鼓勵當地種田能手、引進龍頭企業開展農業規模化種養,倡導村民就近就業務工,促進貧困農戶脫貧致富。

做好貧困人口每人1畝優質農田整治工作。依托貴州省國土資源廳《土地整治服務精準脫貧2016年為10萬就地脫貧人口每人整治1畝優質農田實施方案》,積極爭取中央、省、市級土地整治項目資金,做好耕地整治和質量提升工作。

分批次實施生態搬遷。研究表明喀斯特地區生態環境惡化的區域往往屬于經濟發展落后的地區,畢節市耕地生態承載力總體上表現為北部盈余而南部超載的趨勢,尤其南部的織金縣超載極其嚴重,生態環境極度惡化。因此,有計劃分批次實施移民搬遷,改善村民的居住環境和出行條件。

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EcosystemcarryingcapacitybalanceoftheKarstregioninChina,basedonthesupplyanddemandofcultivatedland

WANG Yajing1,2, XIE Binggeng1,*, LI Xiaoqing1, ZHAO Weiquan3,WANG Jinyan2, LUO Haibo2

1DepartmentofResourcesandEnvironmentalScience,HunanNormalUniversity,Changsha410080,China2TongrenMunicipalBureauofLandandResources,Tongren554300,China3InstituteofMountainResource,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang550004,China

The present study investigated the ecological carrying capacity of the Karst region in China, with regard to the relationship between the supply and demand of cultivated land. The study was performed by applying GIS software and the cultivated land ecological footprint method, and the ecological carrying capacity balance index of cultivated land was calculated using the corrected cultivated land production factor of Bijie City in 2014. The results indicated that (1) there is a surplus and deficit in the balance of cultivated land in northern and southern Bijie, respectively; (2) there is a negative correlation between gross domestic product and the cultivated land balance index; (3) there is a negative correlation between the cultivated land balance index and slightly and moderately rocky desertification but a positive correlation between the cultivated land balance index and intense rocky desertification; (4) and, of the eight counties in Bijie City, four possess an ecological surplus, two possess an ecological balance, and two possess an ecological deficit of cultivated land, with 75.28% of the city′s population living in areas of ecological balance and surplus and 24.72% living in areas of ecological deficit. The results of the present study provide a basis for decision-making with regard to the adjustment of agricultural structure, early detection of ecological security issues, regional economic development, and land-use planning in Bijie City.

Karst; cultivated land; ecological carrying capacity; supply-demand balance; Bijie City

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502406)；教育部人文社科重點研究基地重大項目(14JJD720016)；2014年度“西部之光”人才培養計劃項目“基于LUCC的貴州赤水河流域生態風險監測與評估”

2016- 09- 03; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xbgyb@sina.com

10.5846/stxb201609031797

王雅敬,謝炳庚,李曉青,趙衛權,王金艷,羅海波.喀斯特地區耕地生態承載力供需平衡.生態學報,2017,37(21):7030- 7038.

Wang Y J, Xie B G, Li X Q, Zhao W Q,Wang J Y, Luo H B.Ecosystem carrying capacity balance of the Karst region in China, based on the supply and demand of cultivated land.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7030- 7038.