基于三維生態足跡的河北省耕地可持續利用研究

摘 要：利用擴展的三維生態足跡模型，研究耕地生物資源足跡和碳足跡，測算2010—2021年河北省各地級市的耕地生態足跡和生態承載力，利用足跡深度體現耕地資源的利用情況，結合可持續指數分析耕地可持續利用程度。結果表明：在作物產量、碳排放和固碳等因素的作用下，2010—2021年河北省地級市生態足跡、生態承載力和足跡深度總體呈下降趨勢，2021年滄州市和衡水市足跡深度均小于1，生態盈余，生態承載狀態良好；2010—2021年除滄州市和衡水市實現了從生態不可持續狀態到可持續狀態的轉變外，其余地級市均整體呈不可持續狀態，但總體有所改善。據此提出如下建議，推進農業科技進步，推動綠色農業發展；提高耕地利用效率，增強耕地保護意識；建立合理的耕地生態補償機制。

關鍵詞：生態足跡；生態承載力；足跡深度；耕地；河北省

中圖分類號：F323.211 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

耕地作為糧食生產的載體，是保障國家糧食安全的根本所在。生態足跡模型從生態視角評估人類活動對自然資本占用與地球承載能力之間的關系，綜合考量了資源利用，能夠直觀呈現生態盈虧，并區分自然資本存量與流量，經過多年發展和廣泛應用，已成為一種較為成熟的可持續評估方法。有學者引入足跡廣度與深度，以衡量人類活動對自然資本流量和存量的占用；劉某承等[1]完善了生態足跡的均衡因子指標；方愷[2]引入資本流量占用率和存量流量利用比兩個指標；靳相木等[3]將生態盈余納入三維生態足跡框架；靳亞亞等[4]用貿易因子和平衡因子修正生物資源足跡和碳足跡；魯鈺等[5]細化均衡因子和產量因子，以定量估算三維生態足跡。以河北省11個地級市為研究對象，考慮農業生產對耕地生態的影響，基于三維生態足跡，引入平衡因子、均衡因子、產量因子和足跡深度，并結合可持續指數對耕地可持續利用的程度進行分析。

1 研究區概況

河北省位于36°05′～42°40′N、113°27′～119°50′E，

環抱北京市，東與天津市相鄰，緊靠渤海，西倚太行山，與山西省為鄰，南鄰山東省和河南省，西北部與內蒙古自治區交界，東北部與遼寧省接壤，地勢西北高東南低，為溫帶大陸性季風氣候且四季分明。根據河北省統計局官網的數據，截至2021年，全省生產總值為40 391.3億元，第一產業增加值為4 030.3億元，全省常住人口7 448萬人，常住人口城鎮化率為61.14%。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

涉及的指標有小麥、玉米、豆類、棉花、花生、油菜籽和蔬菜的產量、播種面積和全國平均產量；化肥、柴油、地膜、農藥的使用量與灌溉、農作物播種面積及常住人口等。指標數據來自2011年、2017年和2022年《河北統計年鑒》《河北農村統計年鑒》《全國農產品成本收益資料匯編》及各地級市統計年鑒。

2.2 耕地生態足跡模型

2.2.1 耕地生態足跡

耕地生態足跡分為生物資源足跡和碳足跡，引入平衡因子進行修正，得到式（1）、（2）、（3）：

EF=EF1+δEF2（1）

EF1=N×r×ci/pi（2）

EF2=（3）

式（1）、（2）、（3）中，EF表示耕地生態足跡（萬hm2）；EF1表示生物資源足跡；δ表示平衡因子，取值0.5；EF2表示碳足跡；N表示常住人口數（人）；r表示均衡因子；ci表示第i種作物人均消費量（kg/人）；pi表示第i種作物全國平均產量（kg/hm2）；εi表示第i類項目碳排放系數；Bi表示第i類項目投入量（kg）；α表示校正系數，取值0.05；β表示生物量和固碳量間的轉化因子，取值0.45；44/12表示碳與二氧化碳間的換算系數；mi表示第i種作物產量（kg）；θi表示第i種作物經濟系數；S表示耕地面積。

2.2.2 耕地生態承載力

耕地生態承載力反映了耕地生態系統對人類活動的供給程度，用式（4）表示：

EC=N×αi×r×y（4）

式（4）中，EC表示耕地生態承載力；αi表示第i種作物的人均生產面積（hm2/人）；y表示產量因子。

2.2.3 耕地足跡深度

擴展的三維生態足跡模型采用足跡深度統一表征人類活動對自然資本存量的利用程度，用式（5）表示：

EFdepth=（5）

式（5）中，EFdepth表示耕地足跡深度。

2.3 耕地可持續利用

耕地生態可持續指數表示區域內生態承載力滿足生態足跡的程度，用式（6）表示：

ESI=（6）

式（6）中，ESI表示耕地生態可持續指數。

3 結果分析

3.1 耕地生態足跡分析

3.1.1 耕地生態足跡與耕地生態承載力分析

根據式（2）、（3）得出，在研究期間河北省各市的耕地生物資源足跡大于碳足跡，說明雖然在農作物種植過程中使用了化肥、農用柴油、地膜和農藥等，但碳排放量低于農作物碳吸收量。利用ArcGIS的自然斷點法，將耕地生態足跡和承載力水平劃分為5個級別（圖1），耕地生態足跡南高北低，整體呈現西南向東北遞減趨勢，生態承載力與生態足跡空間分布整體較為均衡，生態足跡和生態承載力強的地級市相對集中，在研究期間除張家口市整體增加外，其他市均整體減少，南部地區的作物產量高，生物資源足跡和碳足跡較高，承擔較多的農業生產任務，耕地資源開發利用程度較高；北部地區地勢起伏大，秦皇島市、承德市和張家口市農作物產量低，第一產業發展受限，且張家口市化肥、地膜使用量整體增加，碳排放量也隨之增加，生態足跡增加[6]。

3.1.2 耕地足跡深度分析

擴展的三維生態足跡模型能反映生態赤字狀態下對耕地資源存量和生態盈余狀態下對耕地資源流量的占用。河北省耕地足跡深度分布西北高中南低（圖2），在研究期間張家口市足跡深度整體呈上升趨勢，生態壓力較大，其他地級市農業碳排放量和生態足跡減少，使足跡深度呈下降趨勢。2010—2016年，河北省11個地級市的足跡深度都大于1，生態處于超載狀態，耕地資源流量無法滿足當地實際消費需求，耕地資源存量被占用。2021年滄州市和衡水市足跡深度小于1，分別為0.911和0.999，處于生態盈余狀態，只占用了耕地資源流量，足跡深度減小，說明當地耕地使用在自身的生態承載能力范疇內，不需要額外的耕地支撐，足跡深度值越小對耕地資源流量占用度越低，有利于生態系統的穩定和可持續發展。

3.2 耕地生態可持續利用分析

ESI取值為0～1，該值越接近1表示耕地可持續利用程度越高，0.5是可持續利用與不可持續利用的臨界點。河北省耕地生態可持續利用程度南高北低（圖3），中南部較高，西北部和東北部較低，生態足跡超過生態承載力，人類從耕地獲取的可再生資源量超過耕地資源的可再生能力，耕地利用處于不可持續狀態。在研究期間，張家口市生態可持續指數先減后增，其他市雖然總體呈上升趨勢，但始終處于不可持續狀態。只有滄州市和衡水市出現可持續狀態，實現了從生態不可持續狀態到可持續狀態的轉變。意識到生態壓力和耕地可持續利用的重要性，河北省及其地級市制定了有力的調控政策，采取保護耕地生態的措施，旨在改變耕地生態不可持續的狀態。

4 結論與建議

4.1 結論

隨著社會和經濟的發展，耕地資源日趨緊張，實現耕地可持續利用顯得尤為關鍵，擴展的生態足跡模型綜合考量了碳足跡、生物資源足跡等因素，在時間維度上區分了耕地資本的流量和存量，利用此方法評估河北省各地級市2010—2021年耕地可持續利用程度，得到的結論如下。

（1）在研究期間，河北省各地級市耕地生物資源足跡大于碳足跡，南部農作物產量高，北部地勢起伏大，生態足跡和生態承載力都減弱，整體南高北低；足跡深度西北部高、中南部低，整體下降，2021年滄州市和衡水市均小于1，不需要占用額外的耕地。

（2）在研究期間河北省除張家口市外耕地生態可持續指數總體呈上升趨勢，但仍處于不可持續利用的狀態，2021年滄州市和衡水市實現了從生態不可持續狀態到可持續狀態的轉變。

4.2 建議

（1）推動農業技術進步，促進綠色農業發展。創新農業技術，實現以依賴化肥、農藥和農膜為主的耕地利用方式向減量化的方向轉變。

（2）提高耕地利用效率，增強耕地保護意識。建立耕地保護規劃和社會監督機制，并加強宣傳，盤活存量耕地，確保耕地占補平衡，最大限度地維持耕地的可持續性。

（3）建立合理的耕地生態補償機制。制定多元化的耕地生態補償方式，多渠道籌集補償資金，確保補償到位，實現耕地可持續利用和協調發展。

參考文獻

[1] 劉某承，李文華.基于凈初級生產力的中國各地生態足跡均衡因子測算[J].生態與農村環境學報，2010，26（5）：401-406.

[2] 方愷.生態足跡深度和廣度：構建三維模型的新指標[J].生態學報，2013，33（1）：267-274.

[3] 靳相木，柳乾坤.基于三維生態足跡模型擴展的土地承載力指數研究：以溫州市為例[J].生態學報，2017，37（9）：2982-2993.

[4] 靳亞亞，柳乾坤，李陳.基于改進三維生態足跡模型的耕地承載力評價：以江蘇省為例[J].中國土地科學，2020，34 （9）：96-104.

[5] 魯鈺，趙銀娣，董霽紅.西北地區三維生態足跡生態安全評價及驅動力分析[J].生態學報，2022，42（4）：1354-1367.

[6] 田云，張俊飚，李波.中國農業碳排放研究：測算、時空比較及脫鉤效應[J].資源科學，2012，34（11）：2097-2105.

收稿日期：2024-09-14

作者簡介：賈輝鵬（2000—），女，河北石家莊人，研究方向為土地資源管理。