青海省耕地生態承載力評價

蔣如琦，王 衛，2，任向寧，胡月明

（1.華南農業大學資源環境學院/廣東省土地利用與整治重點實驗室/廣東省土地信息工程技術研究中心，廣東 廣州 510640；2.韶關學院英東生物與農業學院/韶關學院粵北土壤土地研究中心，廣東 韶關 512005）

【研究意義】耕地是農作物生產中不可缺少的土地資源［1-2］，也是一切生產工作和糧食供給的最基本保障［3-4］。耕地數量銳減及其生態環境質量惡化，將對我國糧食安全和農業現代化建設以及經濟與環境的協調發展構成嚴重威脅［5-6］。在此背景下，學者們將“生態承載力”引入耕地研究，提出耕地生態承載力的概念，主要分析在人類和自然等多方面的影響下，耕地生態環境所能夠承載的程度［7］。對地區耕地生態承載力的研究，對保障該地區糧食安全、促進可持續發展以及因地制宜制定土地保護措施等均具有重大現實意義［8］。

【前人研究進展】外國學者Wackernagel提出生態足跡模型［9-10］。國內學者根據不同地區的區域特色，對生態足跡模型進行改進并應用到各層面尺度的研究中［11］。施開放等［12］在GIS空間分析的支持下，對重慶市的耕地生態承載力供需平衡狀況進行了系統評價，發現在空間分布上，重慶市耕地生態承載力供需已經失衡；王雅敬等［13］對喀斯特地區的耕地生態承載力進行調查，并分析了其經濟水平和石漠化狀態，結果發現，三者之間的關系不只是單純的正相關，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，這是喀斯特地區有別于其他區域的特點之一；羅海平等［14］從多個方面出發，分析了國內糧食主要產區的多種數據，如其生態承載力、生態足跡以及糧食作物種植結構特點，發現兩種主要糧食作物（玉米和稻谷）對其生態承載力的提升發揮了極大作用；韋燕飛等［15］認為貧困地區的耕地生態狀況是實現該地區經濟健康發展的重要保障，是農民得以實現富裕的關鍵。目前我國區域經濟發展不平衡，學者對生態環境區域研究也體現出不平衡，不少學者對生態承載力的研究都集中在我國東部及中部較發達地區，而對西北部經濟欠發達地區，尤其是針對青海省的相關研究較少。

【本研究切入點】青海省是青藏高原東北部的生態屏障保護區［16］，受多方面因素影響致使生態環境十分脆弱，在遭到人為破壞后經漫長時間都不能恢復原貌。由于地理環境獨特，青海省耕地數量較少且質量較低，在農業上所能用到的水源匱乏，加上一系列生態問題，導致原有耕地面積不斷縮小［17］。以上特殊的地域因素對青海省耕地生態狀況產生較大影響。耕地生態承載力體現區域耕地生態狀況的好壞，但青海省相關研究較少。因此，本研究以青海省為研究區域，對其耕地生態承載力進行研究。【擬解決的關鍵問題】運用GIS空間分析與生態足跡模型，測算青海省的耕地生態足跡、耕地生態承載力和耕地生態承載力供需平衡指數，對其耕地生態承載力狀況進行評價，并定性分析耕地生態承載力供需平衡的驅動因素，以期為青海省制定耕地保護政策、優化農業生產方式以及人與自然和諧發展等方面提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青海省地處我國西部，位于世界屋脊青藏高原的東北部。全省東西長1 200多km，南北寬800多km，總面積72.23萬km2，占全國總面積的1/13，列全國各省、市、自治區的第四位。青海省土地廣闊，地理特征也較為復雜，大多數區域為高原，也有山地和盆地等，境內交錯復雜的山體構成了青海省的地貌骨架。作為青藏高原與黃土高原的交匯地，區域內同時有農業區和牧區，也具備了兩種高原和盆地的地貌特征。青海省深居內陸，遠離海洋，地處青藏高原，屬于高原大陸性氣候，氣候特征為：日照時間長、輻射強；冬季漫長、夏季涼爽；氣溫日較差大，年較差小；降水量少，地域差異大，東部雨水較多，西部干燥多風，缺氧、寒冷。2018年末，青海省常住人口為603.23萬人，實現地區生產總值2 865.23億元，人均生產總值47 498元。耕地總面積為59.01萬hm2，占全省土地總面積的0.82%，人均耕地約0.10 hm2，區域人地分配問題比較嚴重。

1.2 數據來源

青海省糧食作物（小麥，雜糧，薯類）、經濟作物（油料）、蔬菜和食用菌以及人口、GDP、其他自然地理狀況數據來源于《青海統計年鑒2018》和《青海省2017年國民經濟和社會發展統計公報》；全球小麥、雜糧、薯類、油料、蔬菜等相關數據來源于《國際統計年鑒2018》；2017年青海省耕地資源數據和行政區劃圖等相關數據均來源于青海省自然資源廳。

1.3 研究方法

1.3.1 需求模型：耕地生態足跡 生態足跡代表的不僅是地區內能提供人類生產耗費資源時所需的土地面積，還包括自然消化人類生產活動過程中產生污染的土地面積。而耕地生態足跡的概念相對簡單，它代表地區內每年從生態系統中獲取必要資源時所需的生物生產性土地面積，是人類對生態資源的需求［18］。公式為：

式中，EF為地區耕地總的生態足跡；N為地區內人口總數；ef為地區內耕地的人均生態足跡；i為不同種類損耗的項目；r為耕地所表示的均衡因子，取值2.17；Ai為地區內人均第i種消費項目所需的耕地；Ci為地區內人均第i種消費項目的消費量；Pi為世界范圍內人均第i種消費項目的生產力。

1.3.2 供給模型：耕地生態承載力 耕地生態承載力代表的是耕地生態系統對人類活動干擾的承受能力，即耕地生態系統的供給能力，研究對象為地區內耕地生態系統能夠供給的生物生產性土地面積。公式為：

式中，EC為某地區內耕地總的生態承載力；N為總人口數；ec為地區內耕地的人均生態承載力；a為人均耕地面積；r為耕地均衡因子；y為耕地產量因子，取值1.66。同時，根據世界環境與發展委員會的建議，將總生物生產性面積中的12%劃分為生物多樣性保護地。

1.3.3 供需平衡模型：耕地生態承載力供需平衡指數 對青海省內耕地的需求與供給基本情況進行充分分析后，對青海省不同區域的耕地生態承載力供需平衡指數（EI）進行對比研究。將區域內耕地的人均生態足跡與人均生態承載力相比，所得到的比值就是區域供需平衡指數。公式為：

式中，EI為區域內耕地生態承載力供需平衡指數；ef為區域內耕地的人均生態足跡；ec為區域內耕地的人均生態承載力。若EI＞1，表明區域內耕地的生態供給不能滿足需求，耕地生態處于赤字狀況；若EI=1，則區域內的耕地生態供給恰好能滿足需求，耕地生態處于平衡狀況；若EI＜1，則區域內耕地的生態供給超出所需的范圍，耕地生態處于盈余狀況。本研究采用的是施開放等［12］于2013年提出的評價標準，據此將青海省耕地生態承載力供需平衡分為3種類型（表1）。

2 結果與分析

2.1 青海省耕地生態足跡評價

2017年青海省總耕地生態足跡為465 647.52 hm2，區域人口總數為584.69萬人，區域人均耕地生態足跡為0.08 hm2。依據各市（州）耕地生態足跡與青海省平均總耕地生態足跡的比值（圖1A）、各市（州）人均耕地生態足跡與青海省人均耕地生態足跡的比值（圖1B）評價耕地生態足跡，結果表明，各市（州）耕地生態足跡與青海省平均總耕地生態足跡比值的高值區為東部的海東市，低值區為西部的玉樹州、南部的果洛州和黃南州；各市（州）人均耕地生態足跡與青海省人均耕地生態足跡比值的高值區為中部的海南州、北部的海北州，低值區為玉樹州、果洛州、黃南州和西寧市。總體來看，圖1A比值結果與各區域人口總數有較好的一致性，人口總數多的市（州）耕地生態足跡大；圖1B比值結果中低值區分布較為廣泛，西寧市人口相對集中，但與青海省內人口較為分散的區域相比呈現出低值。

表1 青海省耕地生態承載力供需平衡分級評價標準Table 1 Grading evaluation criteria for supply and demand balance of ecological carrying capacity of cultivated land in Qinghai Province

圖1 青海省各市（州）總耕地生態足跡和人均耕地生態足跡Fig.1 Total and per capita ecological footprint of cultivated land in various cities（states）of Qinghai Province

2.2 青海省耕地生態承載力評價

2017年青海省總耕地生態承載力為520 606.22 hm2，區域人均耕地生態承載力為0.09 hm2。依據各市（州）耕地生態承載力與青海省平均總耕地生態承載力的比值（圖2A）、各市（州）人均耕地生態承載力與青海省人均耕地生態承載力的比值（圖2B）評價耕地生態承載力，結果表明，各市（州）耕地生態承載力與青海省平均總耕地生態承載力的比值主導部分為低值區和中值區，低值區包括玉樹州、果洛州和黃南州，分布相對集中；各市（州）人均耕地生態承載力與青海省人均耕地生態承載力的比值主導部分為中值區和高值區，高值區包括海北州和海南州，分布也較為聚集。造成以上兩種耕地生態承載力相關比值在青海省空間分布上不匹配的原因，主要為各市（州）耕地總面積存在差異性，果洛州是省內耕地面積最小的市（州），而海東市是擁有最多耕地的市（州）。

2.3 青海省耕地生態承載力供需平衡評價

圖2 青海省各市（州）總耕地生態承載力和人均耕地生態承載力Fig.2 Total and per capita ecological carrying capacity of cultivated land in various cities（states）of Qinghai Province

表2 基于EI的青海省耕地生態承載力供需平衡評價Table 2 Evaluation on supply and demand balance of cultivated land ecological carrying capacity in Qinghai Province based on EI

對青海省各市（州）生態承載力狀況進行分析，結果（表2、圖3）顯示，2017年，該省各市（州）的耕地生態狀況包括耕地生態盈余區和耕地生態平衡區，并無耕地生態赤字區。耕地生態盈余區的市（州）有4個，包括海西州、果洛州、西寧市和黃南州；耕地生態平衡區的市（州）有4個，包括海北州、海南州、海東市和玉樹州。從人口數量方面來看，耕地生態盈余區容納人口294.79萬人，占青海省總人口的50.42%；耕地生態平衡區容納人口289.90萬人，占青海省總人口的49.58%，兩者相差不大。從土地面積方面來看，耕地生態盈余區的面積較大，為400 934.09 km2，占青海省土地總面積的57.55%；耕地生態平衡區的面積相對較小，為295 712.68 km2，占青海省土地總面積的42.45%。總的來說，青海省耕地生態承載力供需平衡狀況在空間分布上存在差異性，西部主要為耕地生態盈余區，而東部主要為耕地生態平衡區。耕地生態平衡區中臨界超載的3個市（州）土地面積僅占研究區的13.04 %，卻承載著研究區42.58 %的人口，換言之，耕地生態承載力供需平衡指數越大的區域一般擁有較大的人口密度。

圖3 青海省耕地生態承載力供需平衡空間格局Fig.3 Spatial pattern of balance between supply and demand of cultivated land ecological carrying capacity in Qinghai Province

2.4 青海省耕地生態承載力供需平衡驅動因素定性分析

2.4.1 人口因素 區域內的人口與糧食的生產和消費有很大關聯，且直接影響本地區的經濟發展水平，而這些因素也是評估耕地生態承載力供需平衡的標準。青海省東部地區的人口比西部多，常住人口與城鎮人口數也相對較多，因此對耕地的需求量較大；而且人口數量較多會使得人均耕地面積變小，人均耕地面積越小則耕地生態的供給能力越弱，人均耕地生態承載力越小。海東市、海北州和海南州都屬于青海省人口數量較多的市（州），而黃南州人口數量相對較少。

2.4.2 種植結構因素 區域耕地種植結構指的是各種農作物的播種面積大小。農作物的播種面積會影響耕地生態足跡，一般來說農作物播種面積越大，區域耕地生態足跡越大。青海省可利用草地面積約為3 885.57萬hm2，占全省土地總面積的55.77%，遠大于耕地總面積，主要分布于玉樹州、果洛州和海西州，這3個地區的可利用草地面積分別占全省的38.34%、15.61%和25.28%。可利用草地面積較大的市（州）農業類型以畜牧業為主，因此農作物的播種面積相對較小，對耕地生態的需求較弱，耕地生態足跡比其他市（州）稍小些。

2.4.3 政策因素 “十二五”期間，青海省安排了“青海東部黃河谷地百萬畝土地開發整理重大項目”和124個高標準農田建設項目，投資來源涉及中央投資、地方配套資金和社會投資。在此期間青海省通過實施高標準農田建設項目共補充耕地面積1.70萬hm2，農民人均耕地面積增加460 m2，新增耕地所能供養人數達166 963人；項目實施后耕地質量等級平均提高0.70個利用等，新增糧食產能7.71萬t/年，受益人口達369 988人，實現了8 288名農村貧困人口的脫貧。各項目在增加耕地面積、提高耕地質量、改善農村生產生活條件、增加農民收入和保護生態等方面取得了顯著效果，也使耕地生態承載力供需平衡狀況得到進一步好轉，因此青海省并未出現耕地生態赤字區。

3 討論

西寧市作為青海省內社會經濟發展迅速的市（州），人口密度較大，城鎮化程度較高［19］。通常情況下城鎮化率較高的城市常住人口和城鎮人口數量較多，建設用地占用耕地的情況也相對較多，這會導致該城市的耕地生態承載壓力變大，耕地生態安全面臨較大威脅［20］。但本研究結果顯示，西寧市的耕地生態承載力供需平衡指數（EI）比海北州、海南州和海東市要小，表明西寧市的耕地生態承載力供需平衡狀況要好于其周邊的3個市（州），主要原因有以下3點：一是西寧市的農業區位條件較好。作為省會城市，其國內生產總值和國民收入均占全省的1/3，且可利用土地資源總量相對充足，在土地整治方面的投入較多；二是西寧市的水熱條件較好。相對于其他市（州）而言，西寧市的水資源相對充裕，區域內山谷風明顯，夏季溫度不高，屬于青海省內生態條件宜人的地區；三是西寧市的耕地質量相對較好。其耕地主要分布在河谷地帶及支流的灌溉區，耕地質量較其周邊3個市（州）高，區域內耕地生態承載能力較強。

此外，青海省生態環境脆弱，對其耕地生態承載力供需平衡狀況的分析與評價，可以作為衡量青海省耕地可持續發展狀況與耕地生態安全狀況的重要依據，也能為該地區制定土地利用與耕地保護措施提供參考。但從目前全國相關耕地生態承載力的研究來看，針對青海省的研究不多。并且青海省耕地生態承載力供需平衡在未來將會處于動態變化中，省內人口數量、經濟發展以及自然環境等諸多因素都會對其造成影響，相關的治理形勢并不樂觀。因此，對于青海省土地的總體規劃要格外慎重，要做好生態和經濟兩方面工作，不能只顧眼前效益，應為長久的發展考慮；同時在耕地資源方面要堅守原則，為生態的可持續發展提供保障。

本研究采用的模型中耕地均衡因子和產量因子的選取為前人研究成果，而部分較為特殊的地區缺少這方面信息，相關數據還有待收集；耕地生態足跡模型是基于現狀靜態數據的分析方法，結果雖有參考價值，但不能真正代表未來的變化趨勢。

4 結論

本研究以青海省2017年耕地生態承載力為出發點，運用GIS空間分析和生態足跡模型進行分析，結果表明：（1）耕地生態足跡高值區主要集中在青海省東部地區，低值區則主要集中在西部，測算結果與各市（州）人口總數有較好的一致性，人口總數多的市（州）耕地生態足跡較大；（2）各市（州）耕地生態承載力與青海省平均總耕地生態承載力的比值，以及各市（州）與青海省在人均耕地生態承載力方面的比值，兩者在青海省空間分布上不匹配，原因主要為各市（州）的耕地總面積存在差異性；（3）從整體上看，根據各市（州）耕地生態承載力供需平衡指數的值，青海省都屬于耕地生態盈余區與耕地生態平衡區，并未出現耕地生態赤字區；（4）青海省耕地生態承載力供需空間分布依然存在不平衡性，西部地區的耕地生態承載力供需平衡狀況較東部地區好，東北部的海北州、海南州以及海東市已經處于臨界超載狀態，且臨界超載區與經濟發展速度較快區域有著很高的契合度。