基于生態足跡模型的耕地脆弱性分布差異研究——以德陽市為例

曹文亞， 潘洪義*， 巫澤倩， 黃 佩

（1.四川師范大學 西南土地評價與監測教育部重點實驗室，四川 成都610066；2.四川師范大學 地理與資源科學學院，四川 成都610066）

經濟快速發展、地區經濟結構和環境結構快速變化導致部分地區自然資源消耗過快，引發的生態問題、環境問題日趨嚴重.因此，探索資源的可持續發展模式、構建資源可持續發展評價體系成為當今社會研究的熱點［1］.耕地作為人類生存發展中最重要的生產資料，是人類賴以生存和發展的物質基礎［2］.同時，耕地又因其面積固定性、易受人類擾動性，及其不可再生性等特點，成為目前最應該受到保護的自然資源之一.生態足跡模型作為定量測度區域可持續發展狀態的模型之一，最早由生態經濟學家Rees 等［3］提出，生態足跡的動態變化與區域社會經濟發展緊密相關，是定量測度人類對自然資源開發利用程度以及資源可持續發展的重要模型［4-7］.1999 年，國內學者開始引進生態足跡理論，應用該模型研究不同尺度和不同領域的生態足跡狀況［8-10］，將生態足跡理論引入到單項土地利用類型（耕地）的研究上，有助于深入發現人類足跡對某種土地類型的占用情況.在耕地資源的研究方面，王興華等［11］基于生態足跡理論的基礎，測算了建設用地和耕地之間轉化的潛力.何如海等［12］在耕地的生態補償中引入生態足跡理論，用來研究耕地的生態補償問題.張寅玲等［13］引入生態足跡理論對蘭州市耕地利用度通過數理分析進行了預測.文獻［14 -15］則是分別借助生態足跡模型對西藏地區和整個中國耕地的生態承載力進行了動態分析和評價.根據上述多位學者的研究成果，本文通過引入耕地脆弱性概念，在生態足跡理論的基礎上，引入生態占用指數和生態壓力指數來評價區域耕地的可持續發展，方法較為新穎.脆弱性是事物易受不利影響的傾向或習性，包括對危害的敏感性以及抗干擾和適應能力的薄弱［16］.耕地脆弱性是將脆弱性概念引入到耕地狀態的評價上，指耕地在一定時空條件下在面臨人類耕作及調整擾動時所表現出的可能性響應.脆弱性越大，說明耕地承受的外界環境壓力和擾動越大，可持續性越差.基于生態足跡理論和GIS 工具，對耕地脆弱性的評價以及對區域耕地脆弱性空間分布進行可視化表達分析，是一種研究區域耕地可持續發展利用的可行方法.

1 研究區概況

德陽市位于成都平原北部，地處103°45′～105°15′E，30°31′ ～31°42′N 之間.地勢西北高東南低，北鄰茂縣、安縣，東接三臺縣、大英縣，南鄰樂至縣、金堂縣，西與彭州市、汶川縣接壤.德陽市境內現有土地共59.3 萬hm2，其中，耕地面積占總土地面積的3%左右，共有1.8 萬hm2.下轄旌陽區、中江縣、羅江縣3 個區縣，代管廣漢市、什邡市和綿竹市三市.2016 年全市共有人口387.7 萬人，人口耕地密度為31.336 人／km2.德陽市是工業城市，工業是三大產業中為社會經濟發展貢獻力最多的產業.

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源 根據數據的可獲得性和現實性等條件，本研究所需用核算耕地生態足跡的數據均取自《德陽市統計年鑒》（2007—2017），行政區劃矢量數據來源于四川省矢量數據庫.特別說明：在計算消費量時，復雜的貿易會使數據產生很大的偏差［17］，為了統一計算口徑，本文將生物資源賬戶內各產品的消費量用產量來近似代替［18］.

2.2 研究方法

2.2.1 生態足跡模型 生態足跡的計算主要基于2 個假設：一是人類能夠計算出自身所消費的資源和產生的廢氣物數量；二是這些被消費的資源和產生的廢棄物能夠轉化成相應的生物生產性土地面積［19］.生態足跡的方法主要是將人類消費轉化成土地的產出量，再與土地的生態承載力進行對比.如果生態承載力與生態足跡之差為負數，則此區域耕地出現生態赤字，說明此地區生產負荷壓力大，耕地呈現不可持續的利用方式.反之，如果生態足跡需求小于生態承載力，則此地區的耕地呈現生態盈余狀態，耕地呈現出可持續利用的狀態［19］.生態足跡的計算公式為

耕地生態承載力是指一個地區的耕地能夠提供給地表的具有生產性能的土地面積，耕地生態承載力公式為

生態盈虧計算公式為

其中，EL表示區域耕地總的生態足跡（hm2）、CL表示區域耕地總的生態承載力（hm2）、cl表示區域耕地人均生態承載力（hm2／人）、el表示區域耕地人均生態足跡（hm2／人）. ER表示耕地生態盈余總量，ED表示耕地生態赤字總量，ed表示人均生態赤字，er表示人均生態盈余，N 表示區域人口數量，i代表生產或者消費掉的某一種作物的種類，ci代表某一區域內對某一種作物i 的人均消耗量，pi則表示第i種作物在全球范圍內的平均產量，ai為人均第i項消費項目折算的耕地的產出面積（hm2／人），rj表示耕地的均衡因子，yj表示產量因子.

結合德陽市的具體生產及消費情況，計算德陽市耕地的生態足跡所采用的數據有：稻谷、小麥、玉米、花生、油菜籽、棉花、甘蔗、煙葉、藥材、蔬菜（含菜用瓜）、瓜果11 類作物.本文計算所采用的均衡因子和產量因子在利用文獻［20 -22］均衡因子、產量因子平均值的基礎之上，結合四川省農用地評價結果，德陽市耕地的均衡因子確定為2.8，產量因子為1.04.

2.2.2 耕地脆弱性算法 在生態足跡理論的基礎上，引入生態壓力指數和生態占用指數來表征耕地的脆弱性的狀態.生態壓力指數（ETI）定義為某一定地區可更新資源的人均生態足跡和生態承載力的比值，用來表示該區域所承受的環境壓力及外界擾動情況，其原本是一個評價可持續發展的指標，本文用它來表征耕地的穩定性和脆弱性.耕地的生態壓力指數越大，則說明該地區耕地呈現出越脆弱狀態.生態占用指數（EOI）被定義為某一地區的人均生態足跡與同期全球人均生態足跡的比值，可以反映出該地區的經濟發展程度和人均消費水平占全球的份額［23］，生態占用指數則是可以表征一個地區的經濟發展水平，生態占用指數越大，則說明該地的經濟水平越發達，其計算公式為

其中，ETI表示生態壓力指數，e′l表示區域可更新資源人均生態足跡.用它來反映區域生態環境的承壓程度，其數值越大，代表當地生態承壓越大，脆弱性越大［23］.

其中，EOI表示生態占用指數表示同期全球人均生態足跡.用它來反映當地人民生活水平高低，其值越大，人民生活水平越高.

根據世界自然基金會（WWF）2004 年提供的2001 年全球147 個國家的生態足跡和生態承載力數據，利用模型計算出生態壓力指數、生態占用指數，再通過對所獲得的數據進行聚類分析，結合考慮世界各國的生態環境和社會經濟發展狀況，制定了耕地脆弱性評價等級劃分標準［23］，如表1 所示.分析計算出的生態足跡表，選取典型的2 年作為節點，其中，2009 年是發生在汶川大地震之后，德陽市作為重災區其生態足跡發生了明顯的變化.經過幾年的重建，德陽市生態足跡逐漸恢復.

表1 評價指標等級劃分標準Tab. 1 Evaluation index classification criteria

但由表2 可看出，2013 年之后德陽市耕地生態足跡又趨下降趨勢.故分別選取2006、2009、2013和2016 年等4 年作為代表年份，對德陽市各區縣的生態足跡、生態承載力、生態赤字及耕地脆弱性空間分布變化情況進行分析.首先，將德陽市各區縣耕地的生態足跡、生態承載力、生態赤字及耕地脆弱性在ArcGIS 里進行可視化表達，使用自然斷裂點法將德陽市各區縣耕地的生態足跡、生態承載力、生態盈虧、生態壓力指數由低到高分成5 到6類，進行直觀可視化表達.德陽市耕地總體生態足跡、生態承載力、生態赤字見表2，德陽市耕地各區縣生態足跡、生態承載力、生態盈虧數據見表3，表征耕地脆弱性的耕地生態壓力指數和生態占用指數見表4.

3 結果與分析

在2006—2016 年近10 年來的時間段內，通過

表2 德陽市耕地N、el、EL、cl、CL、ed、ED 結果變化Tab. 2 Changes in N，el，EL，cl，CL，ed and Ed results of cultivated land in Deyang City

表3 德陽市各區縣耕地2006—2016 年el、cl、ed、er 計算結果變化Tab. 3 Changes in calculation results of el，cl，ed，and er from 2006 to 2016 of cultivated land in various districts and counties of Deyang City ／（hm2／人）

表4 德陽市2006—2016 年各區縣耕地脆弱性響應指數Tab. 4 Cultivated land vulnerability response index of Deyang City from 2006 to 2016

3.1 德陽市各區縣耕地人均生態足跡時空變化分析 德陽市各區縣生態足跡采用自然斷裂點法的間斷點分別為：0.000 600、0. 298 100、0.553 200、0.966 700和2.107 900.由德陽市各區縣生態足跡空間分布圖（圖1）可以看出，德陽市各區縣生態足跡在空間存在差異性，其中，旌陽區和中江縣一直屬于生態足跡較低的區縣，且10 年來變化較為穩定.旌陽區生態足跡從2006 年的0.002 7 hm2／人變化到2016 年的0.003 6 hm2／人，變化率很小，這期間經歷了一個先逐漸上升后面又逐漸下降又逐漸保持平穩值，由2006 年的0. 002 7 hm2／人到2008 年的0.017 8 hm2／人，再從2009 年的0.002 9 hm2／人到2012 年 的0. 006 2 hm2／人，2013 年0.000 6 hm2／人之后就趨于穩定狀態.中江縣從2006 年的0.006 3 hm2／人 到2016 年的0. 049 6 hm2／人，呈現一個緩慢上升的趨勢.旌陽區和中江縣生態足跡之所以一直處在低水平的原因可能是，旌陽區作為德陽市的主城區，主要職能在于承擔行政職責及發展一些中輕產業，中江縣的農業用地面積占用比在土地利用中較小，所以其生態足跡相對較小.廣漢市生態足跡逐漸出現下降趨勢，由2006年0.966 7 hm2／人到2016 年0.391 2 hm2／人，年均降幅為5.8%.近些年來，隨著很多歷史文化名跡的開發，廣漢市的角色發生了變化，逐漸由第一產業轉型發展旅游業、服務業，故其生態足跡逐漸下降，跟它的經濟發展、產業轉型等密不可分.羅江縣從2006 年的生態足跡高水平階段2.107 9 hm2／人直接下降到2009 年生態足跡低水平階段0. 524 9 hm2／人，是因為羅江縣在2008 年汶川地震中屬于重災區，耕地損壞嚴重，耕作能力急劇下降.自2009年之后羅江縣的生態足跡又逐漸上升到一個高水平階段，屬于德陽市糧食大縣.什邡市生態足跡一直保持在一個穩定狀態，10 年來變化率不大.綿竹市的生態足跡經歷了一個由高到低再到高的階段，從2006 年的較高水平0.538 9 hm2／人到2009 年的低水平0. 259 6 hm2／人，也是因為汶川地震的影響，之后逐漸升高，2013 年達到0.511 2 hm2／人，再下降是因為隨著經濟的發展，綿竹市確立了一批風景區，逐漸從農業大縣向旅游縣城轉型.總之，在空間結構上，德陽市各區縣的生態足跡呈現西南、西北、東北部高，東部、南部低的局面，10 年來各區縣生態足跡空間變化上不大，呈現一個穩定狀態.

圖1 德陽市各區縣生態足跡空間分布Fig. 1 Spatial distribution of ecological footprints in various districts and counties of Deyang City

3.2 德陽市各區縣耕地的生態承載力時空變化分析 使用ArcGIS 工具里的自然斷裂點法對德陽市各區縣耕地生態承載力進行分類，劃分節點分別為：0.098 000、0.134 000、0.141 600、0.153 900 和0.201 600.在2006 年到2016 年10 年來的時間段內，德陽市耕地的承載力呈現下降的趨勢，其中旌陽區的變化最為劇烈，主要表現為大幅下降，從2006 年 的0. 114 5 hm2／人 下 降 到2016 年 的0.098 0 hm2／人.廣漢市經歷了生態承載力先升后降再升再降的變化趨勢，由2006 年的0. 146 4 hm2／人上升到2008 年的0. 143 8 hm2／人，再由2009 年的0.139 4 hm2／人之后逐年呈現一個緩慢下降趨勢，總體在緩慢下降.什邡市、綿竹市、羅江縣、中江縣的變化趨勢也大致一致，呈現出整體下降，偶爾上升趨勢.總體來講，德陽市各區縣耕地的生態承載力在合理的范圍內呈現緩慢下降趨勢.生態承載力的上升下降跟耕地的面積變化有關，之所以德陽市的生態承載力沒有出現不可抑制的下降狀態，是因為國家近年大力保護耕地，力保基本農田的面積而做出的努力有關.

由德陽市各區縣耕地的生態承載力空間分布圖（圖2）可以看出，耕地的生態承載力在空間分布上有一定的差異，生態承載力總體呈現西部、東部、北部高，南部低的局面.2006—2016 年10 年內，中部旌陽區表現為持續下降，這主要是因為旌陽區耕地功能逐年向其他區縣轉移導致耕地面積下降所致.從2016 年生態承載力分布圖可以看出，什邡市和廣漢市生態承載力也在持續下降，由2013 年的中高水平的生態承載力下降為2016 年較低水平的生態承載力，主要原因是什邡市和廣漢市在近幾年來產業轉型，大力發展旅游業和其他服務業所致.總體來說，德陽市耕地生態承載力的下降趨勢較為穩定，空間分布結構也較為穩定.

圖2 德陽市各區縣生態承載力空間變化Fig. 2 Spatial variation of ecological carrying capacity in various districts and counties of Deyang City

3.3 德陽市各區縣耕地的生態盈虧狀態時空變化分析 德陽市生態盈虧在ArcGIS 中使用自然斷裂法分類時采用的分類節點分別為：-0.135 600、-0.944 00、- 0. 920 00、- 0. 235 00、0. 000 00、0.258 700和0.563 500.從時間序列來看，德陽市各區縣的生態盈余表現為，旌陽區在2006—2016 年以來10 年內耕地一直呈現生態赤字狀態，但生態赤字逐年降低，由2006 年的-0.111 8 hm2／人到2016 年的-0.094 4 hm2／人，向好性明顯.中江縣近10 年內耕地一直呈現生態赤字，生態赤字變化不大，由2006 年的-0.135 6 hm2／人到2016 年的-0.92 0 hm2／人，呈轉良趨勢.廣漢市耕地在近10年來都處于生態盈余狀態，但是盈余程度由2006年的0.820 3 hm2／人到2016 年的0.258 7 hm2／人，一直保持下降狀態，年均降幅為5.6%.什邡市除了在2015 年出現了生態赤字之外，其余年份都呈現生態盈余，但是生態盈余表現為持續下降，下降趨勢與生態承載力的下降趨勢一致.羅江縣的耕地則是都呈現出生態盈余狀態.綿竹市的耕地生態盈虧變化較大，2006—2016 年以來，2006—2009 年這個時間段內，綿竹市的生態盈余呈下降趨勢，由2006年的0. 372 7 hm2／人下降到2009 年的0. 108 9 hm2／人；在2010—2015 年這個時間段內，綿竹市的耕地生態盈余呈現上升趨勢，由0.281 2 hm2／人上升到0.440 1 hm2／人.但是，在2016 年，綿竹市突然出現了生態赤字年，這是因為在2016 年，綿竹市的生態足跡下降降幅較大所致.什邡市的耕地近10年內都處于生態盈余狀態，并呈現出增加趨勢.在近10 年的時間段內，德陽市各區縣除了什邡市耕地一直向良好的生態盈余方向發展，其余各區縣耕地的生態赤字情況向好性不明顯，甚至出現赤字擴大跡象.

由德陽市各區縣耕地的生態盈虧分布圖（圖3）可以看出，德陽市的耕地在空間分布上差異較大，在2006 年，德陽市耕地的西北、西南部呈現生態盈余，中部和東南部則呈現生態赤字，總體表現為西部盈余，中東部虧的局面.隨著時間的推移，到2016年時，德陽市耕地的西北部也呈現出生態赤字狀態，耕地生態赤字重心的分布范圍呈現出西部盈余狀態向生態赤字發展的局面.導致這種變化的原因可能是，近幾年來德陽市經濟發展的需求，中部綿竹市、旌陽區、中江縣大力發展經濟，涌入大量人口，產業類型由第一產業向第二三產業逐漸轉型，耕地面積減小，生態承載力減小所致.

圖3 德陽市各區縣生態盈虧空間變化Fig. 3 Changes of ecological profit and loss space in various districts and counties of Deyang City

3.4 德陽市各區縣耕地脆弱性分布時空變化分析對2006—2016 年各區市縣生態壓力指數，在Arc-GIS中使用自然斷裂點法分為6 類，劃分標準為：0.5、0.8、1.0、2.0 和5.2 hm2／人，并將耕地生態壓力指數進行空間可視化表達后得到德陽市耕地脆弱性空間分布圖（圖4）.

在時間序列上可知，旌陽區耕地ETI從2006 年的0.023 6 hm2／人到2016 年的0.037 0 hm2／人，表現為逐漸增加趨勢.這說明旌陽區耕地的脆弱性有所增加.旌陽區耕地EOI在2012 年之前逐年增加，2013 年出現下降趨勢，之后又逐漸增加，這說明旌陽區近10 年來經濟發展水平呈持續增長狀態.中江縣耕地的ETI也是呈逐年增加趨勢，由2006 年的0.044 1 hm2／人增加到2016 年的0.526 3 hm2／人.中江縣的EOI在2009 年出現了一個近10 年來的最大值，達到3.514 5 hm2／人，這有可能是因為2008年地震之后國家大力重建災區所致.廣漢市的耕地ETI、EOI呈逐年上升趨勢，這與廣漢市經濟逐年增加趨勢一致，符合現實社會發展情況.什邡市、綿竹市、羅江縣三區縣近10 年來，ETI、EOI都是呈現一個先下降后上升的趨勢.

從空間演變上而言，德陽市耕地的脆弱性主要呈現出西南部極脆弱，東南部較脆弱，中部耕地低脆弱的空間分布規律，其中，什邡市、廣漢市、羅江縣的耕地都呈現出較強的脆弱性，這與當地耕地的使用強度有極大的關系.隨著耕地的使用強度不斷增加，生態足跡增加，生態承載力持續下降，從而耕地的脆弱性逐年增加，不可持續性利用的趨勢明顯.其中，旌陽區、中江縣耕地的脆弱性較小，耕地呈穩定狀態.這一方面是因為這2 個縣的功能與其他縣有所區別，擁有的耕地面積較那些脆弱性較強的區縣少，另外一方面，這2 個區縣耕地的農作物種植面積也較小，大部分耕地承擔著綠化等其他職能.綿竹市的耕地脆弱性水平呈現出一個穩定狀態，10 年沒有發生較大變化，一直處于一個較良性的局面，這與綿竹市政府這些年對耕地的重視與保護密不可分.

圖4 2006—2016 年德陽市各區縣生態壓力指數空間分布Fig. 4 Spatial distribution of ecological stress index in various districts and counties of Deyang City from 2006 to 2016

4 結論與討論

4.1 結論 通過計算德陽市近10 年來各區縣耕地的生態足跡、生態承載力、生態盈虧、生態壓力指數，可以得出以下結論.

1）德陽市耕地的整體生態足跡和生態承載力在時間層面上均呈現出一個緩慢下降的趨勢，其中，生態足跡由2006 年的1.870 7 hm2／人下降到2016 年的1.209 1 hm2／人，生態足跡總體下降幅度為35.36%，平均每年下降量為0.187 0 hm2／人.德陽市耕地生態承載力從2006 年的0.145 1 hm2／人下降到2016 年的0.136 5 hm2／人，降幅為5.8%.這與德陽市近些年來經濟發展密不可分，耕地轉換成建設用地等其他用地類型，使得德陽市耕地面積減小，對耕地的利用強度增加的結果.生態盈虧情況則表現為，除了綿竹市的生態盈余狀態有所上升之外，其他各區縣生態赤字在逐漸增大，生態盈余情況在逐漸下降.如果不遏制當前這種情況，德陽市耕地的生態承載力將繼續較小，耕地的生態盈余將慢慢轉化為耕地生態赤字狀態，耕地脆弱性將持續上升，這很不利于耕地的可持續發展要求.

2）在空間演化層面上，德陽市耕地脆弱性呈現出西南部（什邡市和廣漢市）很脆弱甚至極度脆弱的狀態，東北部耕地也是呈現出連續脆弱的狀態，德陽市耕地脆弱性空間分布整體特征為“兩翼極脆弱，中間較穩定”的狀態.

3）德陽市目前耕地的脆弱性狀態變化幅度很小，這與政府這些年對耕地的重視與保護有關.但還是能明顯看出耕地目前利用狀態的一些不合理性.耕地作為一種寶貴的不可再生資源之一，其生產效力具有有限性，耕地自身的調節能力和恢復能力需要時間，德陽市“兩翼”的耕地在近10 年來一直處于脆弱狀態，不利于此處耕地的恢復以及自我調節，相對于“兩翼”，中江縣作為德陽市面積最大的區縣，其耕地的狀態一直都較穩定.因此，德陽市在今后的土地利用方面可以稍微加大對中江縣的耕作產出，來緩解“兩翼”這種極度脆弱的狀態.

4.2 討論 基于數據的可獲得性及數據有效性考慮，同時基于其他學者的研究經驗，計算生態足跡時使用生產量代替消費量，導致計算出的生態足跡的結果呈略微下降趨勢.在對德陽市耕地的脆弱性進行評價的時候，基于生態足跡模型，引用生態壓力指數作為評價標準，這與傳統意義上脆弱性在其他領域應用時的評價體系相比，稍顯單一.因此，在以后的研究中，如果數據可獲得，計算生態足跡的時候還是要使用人均消費量來計算.在對耕地的脆弱性進行研究時，可通過使用“人類擾動-政策變化-自然條件”的評價體系對耕地脆弱性進行系統全面的多指標評價.