基于生態足跡模型的湖南省耕地可持續利用研究

劉鴻娟

(湖南師范大學地理科學學院，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，更是最重要的農業生產資料，還是構建良好穩定的生態系統的基礎。近年來，國家快速的城鎮化建設進程致使用地需求持續加大，嚴重影響經濟、耕地和生態的關系，使得三者之間的矛盾愈演愈烈。因此，能否科學地評估耕地開發利用，協調好發展經濟與保護耕地的關系，對實現可持續發展戰略有著深遠的意義。

1992年，國外學者Rees[1]和Wackernagel等[2]提出了一種分析自然資源可持續狀況的定量評估方法，并由Wackernagel完善，后續在土地資源可持續利用、區域生態安全與資源承載力、生態足跡與經濟發展相關性等領域都可見此類方法。國內學者也從不同角度就該內容展開了大量研究。關于研究尺度，從國家[3]、省[4]、市[5]到局部區域[6]的研究應有盡有，多尺度探索可為地區的建設和可持續發展提供思路和方向。在生態足跡模型改進方面，劉欽普等[7]先用改進的生態足跡模型來計算耕地的生態足跡，再用改進后模型的結果與傳統模型的結果進行對比分析；還可以改變模型中均衡因子和產量因子的取值方法，得到新的“國家公頃”[8]、“省公頃”[9]等計算公式來建立生態足跡模型，以準確反映不同尺度研究區域的生態足跡狀況與特征。基于上述已有的研究成果，筆者對湖南省2011—2020年耕地可持續利用進行評價分析，并預測2021—2025年耕地利用狀況，針對在開發利用耕地及模型測算的過程中發現的問題提出相應對策，為區域耕地資源可持續利用提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區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。自古就被譽為“九州糧倉”“魚米之鄉”的湖南，土地資源總量豐富，類型多樣。作為一個農業大省，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，全年生產總值41 781.49億元，人均生產總值為62 900元。

1.2 數據來源該研究所涉及的統計數據來源于湖南省統計局的《湖南省統計年鑒》(2012—2021年)、國家統計局的《中國統計年鑒》(2012—2021年)、《湖南省國民經濟與社會發展公報》(2012—2021年)等。

1.3 研究方法

1.3.1耕地生態足跡。區域人口在一定條件下消耗的全部資源與產生的全部廢棄物所需要占用耕地的面積稱為耕地生態足跡。計算公式如下：

EF=N×ef

(1)

(2)

式中，EF是研究區耕地總生態足跡，N為研究區人口數，ef為研究區人均生態足跡，i為研究區消費品的類型，ri為均衡因子，Ai為研究區人均i種類型的消費品折算成的生物生產性面積，Ci為區域第i種消費品的人均年消費量；Pi為全國i種消費品平均生產能力。

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

1.3.2耕地生態承載力。生物生產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承載力，其用來表示在一定環境條件下的生態容量。計算公式如下：

EC=N×ec

(3)

(4)

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

1.3.3生態盈余、生態赤字。生態盈余表示區域內人類對生物資源的消耗力小于其自身生產力，區域呈發展可持續狀態，可以通過比較區域內的生態承載力是否大于生態足跡得出[10]。反之，生態赤字則表明該地區人類發展超出生態容量且呈不可持續狀態，其值為生態承載力與生態足跡兩者之差。計算公式如下：

ED=EC-EF

(5)

式中，ED為生態赤字；EC、EF代表的含義同公式(1)和公式(3)。

1.3.4生產力可持續指數。基于生態足跡理論來探究區域土地可持續利用的常用方法之一是對生態盈余或生態赤字的具體值進行判斷。在該方法中，絕對數值只能簡單地評價某一時點某區域的土地利用是否可持續，未能及時地體現某區域土地可持續利用情況。因此，為了了解不同年份的土地生產力發展水平是否可持續，提出了生產力可持續指數(PSI)[11]，其計算公式如下：

(6)

式中，PSI取值為0～1，越趨近于1，說明研究區的土地可持續利用程度愈高；反之，說明研究區的土地可持續利用程度愈低。根據環境質量評價的分級方法，運用相對指標法將湖南省的耕地生產力可持續指數(PSI)分為5級：強可持續(PSI≥0.6)、中等可持續(0.3≤PSI<0.6)、弱等可持續(0≤PSI<0.3)、不可持續(-0.3≤PSI<0)、極不可持續(PSI<-0.3)[12]。

1.3.5均衡因子、產量因子。生態足跡模型在被運用過程中，許多學者對均衡因子和產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域細節特征的有效反映。該研究將結合湖南省的實際數據來計算該省耕地的均衡因子和產量因子。均衡因子的取值要牽涉各種類型的生物生產性土地，該研究的區域和對象是湖南省的耕地，則生物生產性土地只涉及耕地，不必再根據生產性作物的種類來計算均衡因子，因此均衡因子的取值為1。受地形、生態環境及社會因素等的影響，同類土地的生產力不盡相同。為了方便比較，同類土地中區域與全國的平均生產力之比為產量因子，即湖南省糧食的年均產量與全國糧食的年均產量之比。

1.3.6耕地可持續利用狀況預測。在已有的生態足跡預測的研究成果中，常見的方法是用GM模型來預測耕地可持續利用。而該研究借用數理統計方法，以湖南省2011—2020年人均耕地生態足跡和人均耕地生態承載力的變化率對該省2021—2025年的相關情況進行預測，預測公式如下：

Zn=(1+t)n

(7)

Yn=(1+q)n

(8)

Pn=Zn-Yn

(9)

式中，Zn為預測的人均生態足跡，Yn為預測的人均耕地生態承載力，Pn為預測的人均耕地生態赤字/盈余，t為人均耕地生態足跡的年變化率，q為人均耕地生態承載力的年變化率。

2 結果與分析

2.1 耕地生態足跡通過對湖南省歷年耕地生態足跡的計算(表1)，2011年湖南省耕地總生態足跡為67 256 455.328 9 hm2，2020年耕地總生態足跡為36 904 849.326 1 hm2，10年來耕地總生態足跡下降了45.13%。同時，2011—2020年湖南省人均耕地生態足跡也從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足跡、總生態承載力、總生態赤字

2.2 耕地生態承載力從表1～2可以看出，2011—2020年湖南省耕地總生態承載力從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 生態赤字對2011—2020年湖南省耕地生態足跡及耕地生態承載力的結果(表1)進行分析，10年來該省的生態赤字從63 306 665.401 7 hm2降至33 740 805.394 1 hm2，人均生態赤字從0.887 1 hm2減少至0.462 5 hm2，這說明湖南省的耕地正逐步實現可持續發展，經濟朝集約型發展方向邁進。

2.4 耕地生產力可持續指數根據2011—2020年湖南省耕地生產力可持續計算結果(表2)，2011—2020年湖南省耕地生產力可持續指數從0.055 5波動上升至0.079 0，根據耕地生產力可持續指數分級，該省耕地處于弱等可持續狀態，但是隨著時間的推移，耕地不可持續利用現象稍有好轉。

表2 2011—2020年湖南省人均耕地生態足跡、人均耕地生態承載力、人均生態赤字、生產力可持續指數

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

2.6 湖南省耕地可持續利用預測根據湖南省統計年鑒數據可知，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利用。同時將2011—2020年湖南省人均耕地生態足跡和人均耕地生態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)，計算得到該地區2021—2025年人均耕地生態足跡和人均耕地生態承載力(表5)。

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

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

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

3 耕地可持續利用對策

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

3.1 基于農業精細化管理來提高耕地利用效率問題當下湖南省對耕地的監測及其統計數據的收集工作不夠完善，耕地的主要產出品(水稻)的生長過程得不到有效監控和適宜的生長環境，例如“3S”技術在耕地管理中運用不充分，未能實時掌控農作物生產態勢。發展精準農業是大勢所趨，也是鄉村振興的必然走向。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 基于綠色循環農業來改善耕地生態環境問題大量實踐表明土地利用與生態保護之間需要相輔相成而不是相互制約，這關鍵是認識和協調好兩者之間的關系。2020年湖南省的糧食總產量為3 015.1萬t，高產的同時也伴隨著高污染。由重金屬引起的耕地污染，濫用農藥化肥，得到的結果卻是高產量低質量。第一要務是推廣綠色循環農業，增加人們對其的認識，要將綠色農業化于心、踐于行。例如，作物種植時盡量避免施加農藥化肥，可利用秸稈還田技術來增加農田肥力。同時政府要提供政策和技術支持，全方位鼓勵農戶開展綠色農產品種植，監督農戶從育種到豐收的全過程，農戶也應及時反饋作物狀態，安排農業科技員來和農戶合作經營，保證生產過程高效、產品高質、資源節約。

表5 2021—2025年湖南省人均耕地生態足跡和人均耕地生態承載力預測結果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 基于耕地管護來彌補耕保制度缺失問題保護耕地資源關乎國計民生，福澤千秋萬代。當上級政府頒布有關法律政策時，地方政府還需因地制宜地制定針對性更強的機制，強化管控。耕地用途審批流程嚴格化，務必修復任何隨意更改耕地用途的缺口，違背相關規劃來改變耕地用途的單位和個人須追究法律責任。實行耕地損失補償，根據實際情況合法占用耕地的用地者需要進行合理補償，補償的費用直接用于開墾新的耕地。處在新時代，“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大新發展理念要落到實處，經濟發展不能過分地唯GDP論，各級單位需樹立正確的耕地保護觀念，績效考核中可納入耕地保護相關內容，以起到監督約束作用。

3.4 基于增加執法來杜絕監察不到位問題若要突出執法的權威和監管的長效，上級土地管理部門與基層組織需協調聯動來連通層級巡查監管的“最后一公里”，實現地區、職位、人員三方密切配合，保證區域、時段、項目的實時監測。執法監察部門需形成簡化辦事流程，透明工作力度，自覺接受監督的作風。鄉鎮土地管理部門在處理農村危房空心房拆除、美麗鄉村建設項目等特殊工作時，要將監管貫穿選址、劃線、驗收全過程，同時與遷建村民簽訂還耕合同，確保還耕土地的面積與質量。

4 結論

綜合分析生態足跡理論并運用生態足跡模型研究了湖南省耕地的可持續利用狀態。再根據湖南省2011—2020年人均耕地生態足跡與人均耕地生態承載力的具體變化情況，預測出該省2021—2025年相關變化情況。通過分析得出以下結論：

(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利用。

(2)2011—2020年湖南省耕地生態足跡在逐年減少，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；耕地生態赤字呈現逐年減少的趨勢，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利用的情況有所緩解。

(3)根據3種預測方案，方案1預測的人均耕地處于生態赤字狀態，方案2與方案3預測的人均耕地處于生態盈余狀態。到2025年，方案1的人均耕地生態赤字量為0.059 1 hm2，方案2的人均耕地生態盈余量為0.493 8 hm2，方案3的人均耕地生態盈余量為0.142 1 hm2。如果要實現湖南省耕地的可持續利用狀態，首選方案2最佳。