王靜怡，劉淑英，王 平，張麗霞

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

耕地是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存的物質(zhì)和生產(chǎn)資料，是糧食安全的基礎(chǔ)保障。耕地承載力是研究一個(gè)國(guó)家或地區(qū)耕地、糧食、人口、環(huán)境與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，是制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的重要依據(jù)[1]，對(duì)制定區(qū)域規(guī)劃和區(qū)域發(fā)展具有重要意義[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用定量評(píng)價(jià)方法對(duì)耕地承載力進(jìn)行了研究，提出了生態(tài)足跡模型[3]、土地承載力方程[2]、IPAT核算[4]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)[5]等方法和模型。其中，生態(tài)足跡模型直觀簡(jiǎn)潔[6]，是評(píng)價(jià)耕地承載力的重要方法。

生態(tài)足跡是指特定人群維持一定物質(zhì)消耗水平所必需的生態(tài)生產(chǎn)用地面積。它代表目前的經(jīng)濟(jì)和生活條件下，能夠滿(mǎn)足人類(lèi)現(xiàn)在和未來(lái)生存的生態(tài)環(huán)境要求[7]?？商峁┑纳锷a(chǎn)用地總面積定義為生態(tài)承載力[4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，生態(tài)足跡模型從一維模型擴(kuò)展至三維模型。在一維模型中，僅引入生態(tài)足跡模型，以生態(tài)生產(chǎn)用地面積來(lái)量化人類(lèi)自然資源消費(fèi)負(fù)擔(dān)。在一維模型的基礎(chǔ)上，二維模型引入生態(tài)承載力來(lái)判斷區(qū)域生態(tài)赤字或生態(tài)盈余，評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源的占用[8]；三維模型將資源供給模型分為流量模型和存量模型，并提出足跡深度和廣度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)自然資源消費(fèi)的代際分布[9-10]。

黑龍江作為我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，是我國(guó)重要的商品糧基地，黑土地分布廣，耕地面積廣，是我國(guó)糧食安全保障的重要地區(qū)，是東北黑土地的核心區(qū)域，在全國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。通過(guò)分析黑龍江省耕地承載力，對(duì)評(píng)價(jià)土地資源和保障糧食生產(chǎn)具有重要意義。以往對(duì)黑龍江生態(tài)承載力的研究，很少?gòu)母氐慕嵌冗M(jìn)行研究與分析，尤其是通過(guò)生態(tài)足跡深度和廣度來(lái)分析其耕地的存量和流量。本文以黑龍江省為研究區(qū)，運(yùn)用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型計(jì)算人均耕地生態(tài)足跡和生態(tài)承載力；采用三維生態(tài)足跡模型計(jì)算深度、廣度、三維生態(tài)足跡和生態(tài)赤字/盈余，構(gòu)建耕地承載力指標(biāo)體系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文對(duì)黑龍江省耕地利用的可持續(xù)性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，為黑龍江省耕地規(guī)劃、科學(xué)利用和環(huán)境保護(hù)決策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國(guó)東北部，總面積47.3萬(wàn)km2，約占全國(guó)的4.9%。全省山地面積約占58%，平原面積約占28%。其中，耕地1187.1萬(wàn) hm2，約占總面積的25.1%。2019年，全省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值5624.3 億元[11]，主要農(nóng)作物有玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯、蔬菜、食用菌、油料、瓜果類(lèi)、甜菜、高粱、烤煙、谷子、大麻等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文對(duì)黑龍江省2010—2019年耕地生態(tài)承載力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，主要數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。耕地生產(chǎn)項(xiàng)目主要包括玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯、蔬菜、食用菌、油料等14種。同時(shí)，在數(shù)據(jù)可得性原則下，因?yàn)椤叭蚬暋彼玫臄?shù)據(jù)跨度時(shí)間長(zhǎng)，各年份產(chǎn)量變化缺乏時(shí)效性，無(wú)法反映黑龍江省的實(shí)際情況，故本文以“國(guó)家公頃”為單位計(jì)算產(chǎn)量因子和均衡因子。

表1 黑龍江省耕地承載力分析主要數(shù)據(jù)來(lái)源

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)生態(tài)足跡及模型

2.1.1 生態(tài)足跡計(jì)算

人類(lèi)占用耕地可分為兩方面。一方面，人類(lèi)可以通過(guò)糧食和其他農(nóng)作物來(lái)滿(mǎn)足基本的生活需要，它是耕地生態(tài)足跡模型的重點(diǎn)核算對(duì)象；另一方面，人類(lèi)在獲取農(nóng)作物的過(guò)程中，對(duì)土地產(chǎn)生負(fù)面影響，比如化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品的不合理使用，本質(zhì)上就是對(duì)耕地的污染[14]，因此也應(yīng)將其作為耕地生態(tài)足跡的核算項(xiàng)目。在計(jì)算生態(tài)足跡的過(guò)程中，生態(tài)足跡核算分為生物資源足跡核算和碳足跡核算。

2.1.1.1 生物資源足跡計(jì)算

生物資源賬戶(hù)的生態(tài)足跡計(jì)算公式為：

式（1）～（3）中，EF1為總生態(tài)足跡，N為年末總?cè)丝?，ef1為人均生態(tài)足跡，r為“國(guó)家公頃”下耕地的土地利用均衡因子，i為農(nóng)作物類(lèi)型，aai為農(nóng)作物生產(chǎn)面積，Ci為i種農(nóng)作物人均生產(chǎn)量，Hi為i種農(nóng)作物的全國(guó)平均年生產(chǎn)能力，p為耕地的全省總產(chǎn)量，A為耕地的全省總面積，為耕地土地的平均產(chǎn)量，°為6類(lèi)土地的平均產(chǎn)量。

2.1.1.2 碳足跡計(jì)算

碳排放量計(jì)算公式如下：

式（4）中，CB1為耕地生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的碳總量，j為農(nóng)作物生產(chǎn)中投入的各類(lèi)生產(chǎn)資料，εj為第j類(lèi)項(xiàng)目的排放因子（表2），Bj為第j類(lèi)項(xiàng)目的單位面積的投入量。

表2 排放因子

固碳能力計(jì)算公式如下：

式（5）～（6）中，CB2為耕地總固碳量；α為校正系數(shù)，α=0.05；β為生物量與固碳量之間的轉(zhuǎn)換因子，β=0.45；44/12為碳與二氧化碳之間的換算系數(shù)；Di/θ為第i種農(nóng)作物的生物產(chǎn)量（Di為第i種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，θ為經(jīng)濟(jì)系數(shù)）；cb2為地均固碳量；L為耕地面積。

碳足跡測(cè)算公式如下：

式（7）～（8）中，EF2和ef2分別表示碳足跡和人均碳足跡。

2.1.1.3 生態(tài)足跡測(cè)算公式如下：

式（9）～（10）中，Δ為平衡因子，Δ1=0.5；EF和ef分別表示生態(tài)足跡和人均生態(tài)足跡。

2.1.2 耕地生態(tài)承載力計(jì)算

式（11）～（13）中，EC為耕地生態(tài)承載力，ec為人均耕地生態(tài)承載力，ai為實(shí)際占有i類(lèi)農(nóng)作物生產(chǎn)面積，y為“國(guó)家公頃”下耕地的產(chǎn)量因子，P為全省平均生產(chǎn)力，Q為全國(guó)平均生產(chǎn)力。

2.1.3 生態(tài)赤字/盈余

生態(tài)赤字是指人類(lèi)對(duì)生態(tài)資源的消耗超過(guò)其生態(tài)能力的區(qū)域，這表明該地區(qū)的發(fā)展模式處于相對(duì)不可持續(xù)的狀態(tài)[18]。其不可持續(xù)的程度由生態(tài)赤字表示，反之亦然。

當(dāng)EF＜EC，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)生態(tài)盈余；當(dāng)EF＞EC，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)生態(tài)赤字。因此，生態(tài)盈余/赤字的公式如下：

式（14）～（15）中，ER為生態(tài)盈余，ED為生態(tài) 赤字。

2.1.4 三維生態(tài)足跡模型的計(jì)算

足跡深度是指維持一個(gè)地區(qū)當(dāng)前資源消耗水平所需土地面積的倍數(shù)[19]，它反映了自然資本存量的消耗。其值越大，需求越大，資本存量的消耗越大。足跡廣度是指地區(qū)耕地承載力范圍內(nèi)實(shí)際占有的農(nóng)作物生產(chǎn)面積[19]。它代表了人類(lèi)占有的自然資本流動(dòng)水平。足跡廣度越大，土地承載壓力越小。

足跡深度、足跡廣度計(jì)算公式為：

式（16）～（18）中，EFdepth為足跡深度；EFsize為足跡廣度，EF3D為三維生態(tài)足跡。

2.2 耕地承載力指數(shù)

本文基于三維生態(tài)足跡模型，構(gòu)建耕地承載力指數(shù)，評(píng)價(jià)區(qū)域耕地對(duì)區(qū)域生產(chǎn)的承載力。耕地承載力指數(shù)用地區(qū)耕地需求除以耕地生產(chǎn)能力來(lái)表示[20-21]，公式如下：

式（19）～（21）中，Pa為耕地單位面積產(chǎn)量，A為耕地總面積，Ga為糧食生產(chǎn)力能力，GP為耕地承載力，Icropland為耕地承載力指數(shù)。

參照柳乾坤構(gòu)建的土地承載力指標(biāo)體系[22]，構(gòu)建耕地承載力指數(shù)等級(jí)分類(lèi)（表3）。

表3 耕地承載力指數(shù)等級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 傳統(tǒng)耕地生態(tài)足跡分析

運(yùn)用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型，將數(shù)據(jù)代入式（1）～（10）中計(jì)算，得到2010—2019年黑龍江省的生物資源足跡、碳足跡、生態(tài)足跡（表4），人均耕地生態(tài)足跡的組成內(nèi)容和結(jié)構(gòu)比例見(jiàn)圖1。

表4 黑龍江省2010—2019年生態(tài)足跡核算項(xiàng)目及變幅

根據(jù)式（1）～（3），黑龍江省2010—2019年人均耕地生物資源足跡（ef1）為0.054～0.065 hm2/人，黑龍江省2010—2019年耕地生物資源足跡（EF1）為206.493×104～244.766×104hm2，波動(dòng)小，總體無(wú)明顯變化。據(jù)圖1可知，黑龍江省生物資源人均消費(fèi)量2010—2015年呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的狀態(tài)，2016年出現(xiàn)小幅下降；由《國(guó)家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2016年糧食產(chǎn)量的公告》可知，高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物播種面積減少，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害較上年嚴(yán)重，影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)。以上結(jié)果說(shuō)明，2010—2019年黑龍江省農(nóng)作物產(chǎn)量雖然有小幅變化，但對(duì)耕地生物資源足跡影響小，不能反映黑龍江省居民對(duì)耕地的生態(tài)占用情況。

圖1 黑龍江省2010—2019年消費(fèi)量與生態(tài)足跡關(guān)系圖

根據(jù)式（4）～（5），黑龍江省2010—2019年耕地碳排放總量為340.600×104t～350.343×104t，平均固碳量由0.480 t/hm2降至0.435 t/hm2（表5），人均碳足跡由0.185 hm2/人升至0.215 hm2/人，全省碳足跡由708.991 hm2升至805.222 hm2，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)兩類(lèi)生態(tài)足跡的比較發(fā)現(xiàn)，黑龍江省居民的生物資源足跡始終低于同期的碳足跡。由圖2可知，農(nóng)藥、農(nóng)膜和農(nóng)用柴油使用量各年變化不大，化肥的用量在2010—2015年逐年增加，2016年開(kāi)始逐漸下降但總體呈上升趨勢(shì)。2010—2014年碳排放總量逐年上升，2014年以后碳排放總量趨于穩(wěn)定且有下降的趨勢(shì)，這得益于黑龍江省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)和管理?xiàng)l例的有效實(shí)施，以及良好的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)督管理。

表5 黑龍江省2010—2019年碳排放變化情況

圖2 黑龍江省2010—2019年耕地碳排放源構(gòu)成

由表4和圖3可知，2010—2019年，黑龍江省人均耕地生態(tài)足跡由0.146 hm2/人增至0.173 hm2/人；生態(tài)足跡由560.988×104hm2增至647.378×104hm2，增長(zhǎng)15.3%，年均增長(zhǎng)1.53%，總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，2013年生態(tài)足跡上升最快為19.43%，2017年最高達(dá)到694.581×104hm2；但2011年、2015年、2018年、2019年為負(fù)增長(zhǎng)。由圖3可知，2010—2019年黑龍江省耕地生態(tài)足跡與碳足跡基本呈正相關(guān)的趨勢(shì)，因此生態(tài)足跡的變化主要是碳足跡的 變化。

圖3 黑龍江省2010—2019年生態(tài)足跡變化趨勢(shì)

如表6所示，根據(jù)式（11）～（13），得到黑龍江省2010—2019年耕地產(chǎn)量因子y，2012年及以后均大于1，表明2012年及以后黑龍江省耕地產(chǎn)量高于全國(guó)平均水平。黑龍江省耕地生態(tài)承載力變化如圖4所示，2010—2014年，黑龍江省人均耕地生態(tài)承載力迅速提高，平均漲幅為8.61%。2014年以后波動(dòng)不大，呈小幅下降趨勢(shì)，維持在0.144～0.131 hm2/人之間。

圖4 黑龍江省2010—2019年人均耕地承載力對(duì)比圖

表6 黑龍江省2010—2019年耕地生態(tài)承載力變化情況

根據(jù) 式（14）～（15），已知2010—2019年EF＞EC，所以處于始終生態(tài)赤字狀態(tài)，生態(tài)赤字在103.411×104hm2～191.566×104hm2之間，累計(jì)生態(tài)赤字1498.898×104hm2，是2019年耕地面積的1.02倍。

3.2 基于三維生態(tài)足跡的耕地承載力分析

根據(jù)式（16）～（18），采用三維生態(tài)足跡模型計(jì)算，2010—2019年黑龍江省人均耕地足跡廣度、足跡深度、三維生態(tài)足跡見(jiàn)表7。

表7 黑龍江省2010—2019年三維生態(tài)足跡變化情況

據(jù)表7，2010—2019年耕地足跡深度均大于1，平均深度為1.311，說(shuō)明黑龍江省這十年需要1.311倍自身耕地面積才可以滿(mǎn)足自身的資源消耗，其中2010年的存量資本消耗較高。2010—2019年足跡深度平均下降了0.21%，說(shuō)明總體呈下降的趨勢(shì)。（雖然目前供需不足，生態(tài)環(huán)境壓力大，但總體向好的方面發(fā)展）足跡廣度反映的是全省的流量資本，可知2010—2019年黑龍江省耕地足跡廣度為0.103～0.144 hm2/人，其中2010—2014年足跡廣度始終呈增長(zhǎng)狀態(tài)，2015—2019年開(kāi)始緩慢下降。

通過(guò)核算發(fā)現(xiàn)，2010—2019年的各年足跡深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各年足跡廣度。表明2010—2019年黑龍江省的自然資本流動(dòng)已被充分占用。為了滿(mǎn)足現(xiàn)有的自然資本需求，理論上所需要的耕地面積是現(xiàn)有耕地面積的1.377倍。各種資源的消耗對(duì)土地的壓力在逐漸減少，黑龍江省自然資源的流量開(kāi)始不足以應(yīng)對(duì)自然資源的消耗。

根據(jù)式（19）～（21），可以得出2010—2019年黑龍江省耕地承載力指數(shù)；通過(guò)表8可知耕地承載力指數(shù)均維持在1.37上下，均在1.3～1.5之間，即耕地均屬于一般超載的水平。黑龍江省耕地的生產(chǎn)壓力已經(jīng)超過(guò)了原有耕地的生態(tài)生產(chǎn)能力，而目前耕地的承載力無(wú)法支撐其發(fā)展，因此有必要利用其他地區(qū)的承載力來(lái)支撐本地區(qū)耕地的 發(fā)展。

表8 黑龍江省2010—2019年耕地承載力指數(shù)表

4 討論與結(jié)論

本文采用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型和三維生態(tài)足跡模型計(jì)算了2010—2019年黑龍江省耕地生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、足跡深度、足跡廣度、三維生態(tài)足跡和生態(tài)盈余/赤字，并計(jì)算了耕地承載力指數(shù)。

4.1 討論

（1）從總體看，與中國(guó)其他地區(qū)相比，黑龍江省耕地承載力資本流量占用率低，耕地承載力水平較好[23]。2010—2019年，黑龍江省人均耕地生態(tài)足跡增長(zhǎng)8.61%，且存在生態(tài)赤字，耕地壓力明顯，土地所能提供的資源不能滿(mǎn)足當(dāng)前對(duì)耕地的使用。黑龍江省雖然自身有著良好的耕地稟賦，但在耕地中農(nóng)藥化肥的不合理使用以及農(nóng)膜的過(guò)度使用，其耕地生產(chǎn)質(zhì)量不斷下降。尤其是在2015年以前，由于農(nóng)作物種植面積不斷加大，農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)增加，土壤肥力不斷下降，導(dǎo)致施用更多的肥料以彌補(bǔ)土壤肥力缺失的問(wèn)題；2015年以后，由于提倡綠色有機(jī)、天然無(wú)公害的栽培方法，大力發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，同時(shí)農(nóng)藥和化肥的使用量也逐漸減少，因此農(nóng)藥和化肥的碳排放量在2010—2019年間呈先增加后減少的趨勢(shì)。黑龍江省可以通過(guò)推廣測(cè)土配方施肥和滴灌技術(shù)，控制農(nóng)膜的使用，以降低碳足跡。

（2）從全國(guó)格局來(lái)看，黑龍江省是我國(guó)最大的糧食生產(chǎn)基地，提高糧食綜合產(chǎn)能，在確保國(guó)家糧食安全中發(fā)揮著重要的作用。黑龍江省耕地后備資源充足，通過(guò)合理的方式增加有效耕地面積，可以更好地保護(hù)和滿(mǎn)足黑龍江省的耕地需求[24]。

（3）從驅(qū)動(dòng)因素來(lái)看，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境因素，以及國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略是黑龍江省耕地生態(tài)足跡和足跡深度的重要驅(qū)動(dòng)因素。黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，且有著珍貴的黑土資源，耕作方式、耕作面積、能源消費(fèi)是影響生態(tài)足跡最大的3個(gè)因素。作為中國(guó)重要的商品糧基地，農(nóng)藥化肥以及耕作機(jī)器的不合理使用是導(dǎo)致耕地生態(tài)足跡增加的重要 因素。

（4）從政策來(lái)看，黑龍江省耕地可持續(xù)利用在全省整體可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的作用。雖然2010—2019年黑龍江省耕地生態(tài)承載力總體呈上升趨勢(shì)，但2014年以來(lái)一直處于下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)槿藗儗?duì)肉類(lèi)、水產(chǎn)品、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的需求量增加，新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體開(kāi)始改變土地用途，耕地面積開(kāi)始減少。雖然與全國(guó)其他糧食主產(chǎn)區(qū)相比，黑龍江省耕地“非糧化”問(wèn)題處于中等偏下，但仍呈逐年上升的趨勢(shì)[25]。黑龍江省耕地的合理利用需要重點(diǎn)關(guān)注，在發(fā)展的過(guò)程中應(yīng)該更加傾向于防止耕地“非糧化”，持續(xù)鞏固維護(hù)糧食安全，加強(qiáng)耕地保護(hù)修復(fù)工作，加大黑土地保護(hù)力度，擴(kuò)大高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田規(guī)模。

4.2 結(jié)論

（1）基于傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型，2010—2019年黑龍江省生態(tài)足跡總體呈上升的趨勢(shì)，平均年漲幅為1%，其中生物資源生態(tài)足跡幾乎無(wú)明顯變化，碳足跡變化較為明顯，耕地面積基本保持不變，生態(tài)赤字總體上呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，平均漲幅為2%，且在2018年達(dá)到最高191.566×104hm2。

（2）基于三維生態(tài)足跡模型，2010—2019年的足跡深度普遍呈上升趨勢(shì)，平均變幅為-0.21%，2010—2014年足跡廣度始終呈增長(zhǎng)狀態(tài)，2015—2019年開(kāi)始緩慢下降，且始終小于足跡深度。由此表明，盡管自然資源流動(dòng)基本滿(mǎn)足了該地區(qū)的自然資源需求，但仍需要消耗少量的自然資源存量，以支持當(dāng)前耕地的開(kāi)發(fā)和消耗。

（3）在三維生態(tài)足跡的基礎(chǔ)上，建立耕地承載力指數(shù)得出，2010—2019年黑龍江省耕地承載力在1.3～1.5之間，處于一般超載的狀態(tài)，不利于耕地的發(fā)展。