基于三維生態足跡的黑龍江省耕地承載力研究

王靜怡，劉淑英，王 平，張麗霞

（甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

耕地是人類社會賴以生存的物質和生產資料，是糧食安全的基礎保障。耕地承載力是研究一個國家或地區耕地、糧食、人口、環境與社會發展的關系，是制定區域發展戰略和長遠規劃的重要依據[1]，對制定區域規劃和區域發展具有重要意義[2]。國內外學者采用定量評價方法對耕地承載力進行了研究，提出了生態足跡模型[3]、土地承載力方程[2]、IPAT核算[4]、生態系統服務價值評價[5]等方法和模型。其中，生態足跡模型直觀簡潔[6]，是評價耕地承載力的重要方法。

生態足跡是指特定人群維持一定物質消耗水平所必需的生態生產用地面積。它代表目前的經濟和生活條件下，能夠滿足人類現在和未來生存的生態環境要求[7]。可提供的生物生產用地總面積定義為生態承載力[4]。隨著經濟社會的發展，生態足跡模型從一維模型擴展至三維模型。在一維模型中，僅引入生態足跡模型，以生態生產用地面積來量化人類自然資源消費負擔。在一維模型的基礎上，二維模型引入生態承載力來判斷區域生態赤字或生態盈余，評價人類活動對自然資源的占用[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指標來評價自然資源消費的代際分布[9-10]。

黑龍江作為我國的農業大省，是我國重要的商品糧基地，黑土地分布廣，耕地面積廣，是我國糧食安全保障的重要地區，是東北黑土地的核心區域，在全國農業生產中占據重要地位。通過分析黑龍江省耕地承載力，對評價土地資源和保障糧食生產具有重要意義。以往對黑龍江生態承載力的研究，很少從耕地的角度進行研究與分析，尤其是通過生態足跡深度和廣度來分析其耕地的存量和流量。本文以黑龍江省為研究區，運用傳統生態足跡模型計算人均耕地生態足跡和生態承載力；采用三維生態足跡模型計算深度、廣度、三維生態足跡和生態赤字/盈余，構建耕地承載力指標體系。根據計算結果，本文對黑龍江省耕地利用的可持續性進行了分析和評價，為黑龍江省耕地規劃、科學利用和環境保護決策提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黑龍江省位于中國東北部，總面積47.3萬km2，約占全國的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 hm2，約占總面積的25.1%。2019年，全省農業總產值5624.3 億元[11]，主要農作物有玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯、蔬菜、食用菌、油料、瓜果類、甜菜、高粱、烤煙、谷子、大麻等。

1.2 數據來源

本文對黑龍江省2010—2019年耕地生態承載力進行了分析評價，主要數據來源見表1。耕地生產項目主要包括玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯、蔬菜、食用菌、油料等14種。同時，在數據可得性原則下，因為“全球公頃”所用的數據跨度時間長，各年份產量變化缺乏時效性，無法反映黑龍江省的實際情況，故本文以“國家公頃”為單位計算產量因子和均衡因子。

表1 黑龍江省耕地承載力分析主要數據來源

2 研究方法

2.1 傳統生態足跡及模型

2.1.1 生態足跡計算

人類占用耕地可分為兩方面。一方面，人類可以通過糧食和其他農作物來滿足基本的生活需要，它是耕地生態足跡模型的重點核算對象；另一方面，人類在獲取農作物的過程中，對土地產生負面影響，比如化肥、農膜、農藥等農用化學品的不合理使用，本質上就是對耕地的污染[14]，因此也應將其作為耕地生態足跡的核算項目。在計算生態足跡的過程中，生態足跡核算分為生物資源足跡核算和碳足跡核算。

2.1.1.1 生物資源足跡計算

生物資源賬戶的生態足跡計算公式為：

式（1）～（3）中，EF1為總生態足跡，N為年末總人口，ef1為人均生態足跡，r為“國家公頃”下耕地的土地利用均衡因子，i為農作物類型，aai為農作物生產面積，Ci為i種農作物人均生產量，Hi為i種農作物的全國平均年生產能力，p為耕地的全省總產量，A為耕地的全省總面積，為耕地土地的平均產量，°為6類土地的平均產量。

2.1.1.2 碳足跡計算

碳排放量計算公式如下：

式（4）中，CB1為耕地生產活動中產生的碳總量，j為農作物生產中投入的各類生產資料，εj為第j類項目的排放因子（表2），Bj為第j類項目的單位面積的投入量。

表2 排放因子

固碳能力計算公式如下：

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

碳足跡測算公式如下：

式（7）～（8）中，EF2和ef2分別表示碳足跡和人均碳足跡。

2.1.1.3 生態足跡測算公式如下：

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

2.1.2 耕地生態承載力計算

式（11）～（13）中，EC為耕地生態承載力，ec為人均耕地生態承載力，ai為實際占有i類農作物生產面積，y為“國家公頃”下耕地的產量因子，P為全省平均生產力，Q為全國平均生產力。

2.1.3 生態赤字/盈余

生態赤字是指人類對生態資源的消耗超過其生態能力的區域，這表明該地區的發展模式處于相對不可持續的狀態[18]。其不可持續的程度由生態赤字表示，反之亦然。

當EF＜EC，農業生態環境呈現生態盈余；當EF＞EC，農業生態環境呈現生態赤字。因此，生態盈余/赤字的公式如下：

式（14）～（15）中，ER為生態盈余，ED為生態 赤字。

2.1.4 三維生態足跡模型的計算

足跡深度是指維持一個地區當前資源消耗水平所需土地面積的倍數[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。足跡廣度是指地區耕地承載力范圍內實際占有的農作物生產面積[19]。它代表了人類占有的自然資本流動水平。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為三維生態足跡。

2.2 耕地承載力指數

本文基于三維生態足跡模型，構建耕地承載力指數，評價區域耕地對區域生產的承載力。耕地承載力指數用地區耕地需求除以耕地生產能力來表示[20-21]，公式如下：

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

參照柳乾坤構建的土地承載力指標體系[22]，構建耕地承載力指數等級分類（表3）。

表3 耕地承載力指數等級

3 結果與分析

3.1 傳統耕地生態足跡分析

運用傳統生態足跡模型，將數據代入式（1）～（10）中計算，得到2010—2019年黑龍江省的生物資源足跡、碳足跡、生態足跡（表4），人均耕地生態足跡的組成內容和結構比例見圖1。

表4 黑龍江省2010—2019年生態足跡核算項目及變幅

根據式（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，波動小，總體無明顯變化。據圖1可知，黑龍江省生物資源人均消費量2010—2015年呈穩定增長的狀態，2016年出現小幅下降；由《國家統計局關于2016年糧食產量的公告》可知，高產經濟作物播種面積減少，農業氣象災害較上年嚴重，影響了農作物的生長。以上結果說明，2010—2019年黑龍江省農作物產量雖然有小幅變化，但對耕地生物資源足跡影響小，不能反映黑龍江省居民對耕地的生態占用情況。

圖1 黑龍江省2010—2019年消費量與生態足跡關系圖

根據式（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，呈現先升后降的趨勢。通過對兩類生態足跡的比較發現，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，農藥、農膜和農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年開始逐漸下降但總體呈上升趨勢。2010—2014年碳排放總量逐年上升，2014年以后碳排放總量趨于穩定且有下降的趨勢，這得益于黑龍江省農業環境保護和管理條例的有效實施，以及良好的農業環境監督管理。

表5 黑龍江省2010—2019年碳排放變化情況

圖2 黑龍江省2010—2019年耕地碳排放源構成

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

圖3 黑龍江省2010—2019年生態足跡變化趨勢

如表6所示，根據式（11）～（13），得到黑龍江省2010—2019年耕地產量因子y，2012年及以后均大于1，表明2012年及以后黑龍江省耕地產量高于全國平均水平。黑龍江省耕地生態承載力變化如圖4所示，2010—2014年，黑龍江省人均耕地生態承載力迅速提高，平均漲幅為8.61%。2014年以后波動不大，呈小幅下降趨勢，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比圖

表6 黑龍江省2010—2019年耕地生態承載力變化情況

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

3.2 基于三維生態足跡的耕地承載力分析

根據式（16）～（18），采用三維生態足跡模型計算，2010—2019年黑龍江省人均耕地足跡廣度、足跡深度、三維生態足跡見表7。

表7 黑龍江省2010—2019年三維生態足跡變化情況

據表7，2010—2019年耕地足跡深度均大于1，平均深度為1.311，說明黑龍江省這十年需要1.311倍自身耕地面積才可以滿足自身的資源消耗，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%，說明總體呈下降的趨勢。（雖然目前供需不足，生態環境壓力大，但總體向好的方面發展）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狀態，2015—2019年開始緩慢下降。

通過核算發現，2010—2019年的各年足跡深度都遠遠大于各年足跡廣度。表明2010—2019年黑龍江省的自然資本流動已被充分占用。為了滿足現有的自然資本需求，理論上所需要的耕地面積是現有耕地面積的1.377倍。各種資源的消耗對土地的壓力在逐漸減少，黑龍江省自然資源的流量開始不足以應對自然資源的消耗。

根據式（19）～（21），可以得出2010—2019年黑龍江省耕地承載力指數；通過表8可知耕地承載力指數均維持在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壓力已經超過了原有耕地的生態生產能力，而目前耕地的承載力無法支撐其發展，因此有必要利用其他地區的承載力來支撐本地區耕地的 發展。

表8 黑龍江省2010—2019年耕地承載力指數表

4 討論與結論

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

4.1 討論

（1）從總體看，與中國其他地區相比，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足跡增長8.61%，且存在生態赤字，耕地壓力明顯，土地所能提供的資源不能滿足當前對耕地的使用。黑龍江省雖然自身有著良好的耕地稟賦，但在耕地中農藥化肥的不合理使用以及農膜的過度使用，其耕地生產質量不斷下降。尤其是在2015年以前，由于農作物種植面積不斷加大，農作物產量持續增加，土壤肥力不斷下降，導致施用更多的肥料以彌補土壤肥力缺失的問題；2015年以后，由于提倡綠色有機、天然無公害的栽培方法，大力發展有機農業，同時農藥和化肥的使用量也逐漸減少，因此農藥和化肥的碳排放量在2010—2019年間呈先增加后減少的趨勢。黑龍江省可以通過推廣測土配方施肥和滴灌技術，控制農膜的使用，以降低碳足跡。

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

（3）從驅動因素來看，經濟發展、環境因素，以及國家發展戰略是黑龍江省耕地生態足跡和足跡深度的重要驅動因素。黑龍江省是農業大省，且有著珍貴的黑土資源，耕作方式、耕作面積、能源消費是影響生態足跡最大的3個因素。作為中國重要的商品糧基地，農藥化肥以及耕作機器的不合理使用是導致耕地生態足跡增加的重要 因素。

（4）從政策來看，黑龍江省耕地可持續利用在全省整體可持續發展中具有不可替代的作用。雖然2010—2019年黑龍江省耕地生態承載力總體呈上升趨勢，但2014年以來一直處于下降趨勢，主要是因為人們對肉類、水產品、蔬菜等農產品的需求量增加，新型農業經營主體開始改變土地用途，耕地面積開始減少。雖然與全國其他糧食主產區相比，黑龍江省耕地“非糧化”問題處于中等偏下，但仍呈逐年上升的趨勢[25]。黑龍江省耕地的合理利用需要重點關注，在發展的過程中應該更加傾向于防止耕地“非糧化”，持續鞏固維護糧食安全，加強耕地保護修復工作，加大黑土地保護力度，擴大高標準農田規模。

4.2 結論

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

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

（3）在三維生態足跡的基礎上，建立耕地承載力指數得出，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，不利于耕地的發展。