廣西農業生態經濟系統安全評價與預警研究*

張云蘭

(1.廣西財經學院經濟與貿易學院,廣西南寧 530003;2.廣西財經學院廣西金融與經濟研究院,廣西南寧 530003;3.中國-東盟數字經濟學院,廣西南寧 530003)

農業生態經濟系統是農業生態系統與農業經濟系統相互融合的生態經濟復合系統,內部種植業、林業、畜牧業和漁業4個農業生態子系統之間,以及4個農業生態子系統與工業、服務業之間不斷發生著經濟聯系[1]。農業生態經濟系統安全是區域生態安全和可持續發展的重要保障。廣西地處西南喀斯特地區,是世界上最大的喀斯特連續帶,生態環境脆弱,人地矛盾突出,極易陷入“生態脆弱-貧困-掠奪式發展-生態經濟系統退化-進一步貧困”的惡性循環[2],是我國農業資源與生態環境保護的重點區域,同時也是我國重要的生態安全屏障。近年來,我國全面推進鄉村振興戰略,曾多次強調要加快推行農業綠色生產方式,促進農業高質量發展,促進農業生態經濟系統安全。因此,在生態安全和鄉村振興視域下,建立廣西農業生態經濟系統安全評價與預警體系,定量分析系統安全狀況和影響因素,動態預測系統安全警情演變趨勢,可為廣西農業生態經濟系統安全調控提供依據,進而推進廣西石漠化防治、農業資源與生態環境保護、農業可持續發展,以及鄉村振興和生態文明建設。

1992年,加拿大生態經濟學家Rees[3]提出采用生態足跡(Ecological Footprint,EF)模型來衡量區域、自然資源的可持續發展,并與其學生Wackernagel于1996年進一步完善了該方法[4]。生態足跡模型是通過計算一定區域內人口消費的各種生物資源和能源數量,并按照相應的換算系數折算成生物生產性土地面積,再將土地面積加和之后得到該區域總的生態足跡[5]。同時,根據區域內耕地、林地、草地、水域、化石能源地、建設用地等6種類型的土地面積計算區域總的生態承載力[6]。通過比較生態足跡與生態承載力的大小,可判斷區域發展是否處于安全、可持續狀態。生態足跡模型作為生態安全評價和可持續發展研究的有效方法,得到國內外學者的廣泛關注和運用。中國于1999年引入生態足跡模型,學者將其廣泛用于區域生態經濟系統的定量研究。隨著研究區域的不斷擴展,徐中民等[7]計算了1995年張掖地區的生態足跡;翁伯琦等[8]動態分析了1999-2003年福建生態足跡和生態承載力,提出減少福建生態赤字的對策;潘洪義等[9]測算了2009-2014年成都生態足跡時空演變規律,發現最嚴重的生態赤字發生在浦江縣;符正平等[10]研究了中國29個省在2004-2017年的可持續發展能力,發現生態省試點可以抑制人均生態足跡的增加,有效促進區域可持續發展。隨著研究的不斷深入,一些學者還將生態足跡模型應用到資源可持續利用[11]、水生態安全[12]、土地安全[13]和農業生態安全[14]等方面。目前,利用生態足跡模型開展生態安全評價的研究較多,而基于生態安全評價結果進一步開展安全預警的研究鮮見,未見有利用生態足跡模型深入開展農業生態經濟系統安全評價的研究,尤其是針對生態脆弱區農業生態經濟系統安全的長時間序列動態評價和預警還有待進一步研究。因此,本研究采用生態足跡模型測算2000-2021年廣西農業生態經濟系統生態足跡和生態承載力,定量評價系統的安全狀況,在此基礎上采用偏最小二乘(PLS)模型分析系統安全的影響因素,并基于灰色GM(1,1)模型開展系統安全預測和預警研究,以期為系統安全調控和可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣西地處云貴高原東南邊緣,東鄰廣東省、南鄰北部灣、西南與越南毗鄰,屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫17.60-23.80 ℃,年平均降水量723.90-2 983.80 mm。行政區域土地面積2.376×105km2,其中山地和丘陵面積分別占62.05%和14.49%。根據第三次全國國土調查結果,廣西耕地、林地、園地、草地、水域及水利設施用地面積分別為3.307 6×106、1.609 53×107、1.670 3×106、2.762×105、7.49×105hm2,分別占土地總面積的13.97%、68.00%、7.06%、1.17%和3.16%,人均耕地面積僅0.07 hm2。2022年末,廣西常住人口5 047萬人,其中鄉村人口占44.35%。2022年廣西GDP達26 300.87億元,其中第一產業增加值4 269.81億元,占比16.2%,糧食、豬牛羊禽肉和水產品產量分別為1.393 1×107、4.46×106、3.638×106t[15-17]。

1.2 數據來源

參考文獻[18-20],結合研究區概況,本研究以2000-2021年為研究時段,開展基于生態足跡模型的廣西農業生態經濟系統安全評價與預警,并將得出的結果與貴州、云南進行比較分析。研究數據主要包括生物資源消費量、生物資源全球平均產量、人口、均衡因子、各類土地面積、產量因子等。其中,生物資源消費量、生物資源全球平均產量、人口、各類土地面積等數據來源于經濟預測系統(EPS)數據庫、聯合國糧食及農業組織(FAO)數據庫和2001-2022年的《中國統計年鑒》[21]、《中國農村統計年鑒》[22]、《廣西統計年鑒》[23]、《云南統計年鑒》[24]、《貴州統計年鑒》[25];均衡因子和產量因子采用Wackernagel等[26]提出的取值方法。

1.3 方法

1.3.1 生態足跡模型

(1)生態足跡

根據國際通用的生態足跡模型[7],農業生態經濟系統的生態足跡計算涉及耕地、草地、林地和水域所對應的生物資源賬戶,即引用均衡因子將4類生物資源賬戶的生物資源消費量轉化成生物生產性土地[27],其計算公式如下:

式中,EF為總生態足跡;N為總人口數;ef為人均生態足跡;j代表4種土地類型,分別是耕地、草地、林地和水域;aaj為各類生物生產性土地面積;rj為均衡因子,無量綱,均衡處理后的4類土地面積即為可以相加的世界平均生物生產性土地面積;i為消費的生物資源賬戶項目類別;ai為第i種生物資源賬戶項目的人均年消費量所折算的生物生產性土地面積;pi為第i種生物資源賬戶項目的全球平均產量;ci為第i種生物資源賬戶項目的人均年消費量,n為消費的生物資源賬戶項目的數量。

本研究的生物資源賬戶包括34個生物資源項目,即耕地對應的谷物、豆類、薯類、棉花、油料、麻類、甘蔗、蔬菜、煙葉等9個項目,林地對應的茶葉、水果、木材、橡膠、松脂、油桐籽、油茶籽、核桃、板栗、白果、八角、桂皮、茴油、桂油、竹筍干、毛竹采伐量等16個項目,草地對應的豬肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶類、禽蛋、蜂蜜、蠶繭等8個項目,以及水域對應的水產品。

(2)生態承載力

農業生態經濟系統的生態承載力是指耕地、草地、林地、水域等4種類型土地所能提供給人類的生物生產性土地的面積總和[27]。生態承載力計算公式如下:

式中,EC為總生態承載力;N為總人口數;ec為人均生態承載力;aj為人均占有的j類生物生產性土地面積,通常指耕地、林地、草地、水域4類;rj為均衡因子;Yj為j類生物生產性土地的產量因子。由于生態足跡模型將水果納入林產品,因此本研究中廣西林地面積由統計數據中林地和果園面積相加所得。為了保護生物多樣性,需在生物生產性土地面積中扣除12%。

1.3.2 農業生態經濟系統安全評價

(1)資源利用效率指數

農業生態經濟系統的資源利用效率指數是指萬元農業GDP生態足跡[28],反映農業生態經濟系統發展對資源的利用效率,是生態足跡與農業GDP(第一產業增加值)的比值,計算公式如下:

式中,REI為資源利用效率指數;EF為總生態足跡;GDP為農業GDP,單位為萬元;REI的值越大,說明系統資源的利用效率越低,反之則說明利用效率越高[29]。

(2)生態盈虧

農業生態經濟系統的生態盈虧是指人均生態足跡和人均生態承載力之差[27],計算公式為

ed=ec-ef,式中,ed為生態盈虧,當ed>0時為生態盈余,表明系統是安全、可持續的;當ed<0時為生態赤字,表明系統超載,是不安全、不可持續的。

(3)生態壓力指數

農業生態經濟系統的生態壓力指數是農業生態經濟系統安全評價的重要指標,是人均生態足跡和人均生態承載力的比值,表示系統承受的壓力程度[26,27],計算公式為

式中,EPI為生態壓力指數,其值越大,表示系統的壓力越大,越不安全。EPI可劃分為5個等級,分別代表系統安全的5個級別,EPI<1.0為安全,1.0≤EPI<1.5為輕度不安全,1.5≤EPI<2.0為中度不安全,2.0≤EPI<3.0為重度不安全,EPI≥3.0為極度不安全[20,30,31]。

1.3.3 農業生態經濟系統安全影響因素

農業生態經濟系統屬于“自然-社會-經濟”復合系統,是受人類控制、以農業生產為主要目標的綜合體[1]。農業生態經濟系統安全影響因素分析的指標可分為農業資源指標、農業經濟指標和農業社會指標。依據科學性、代表性、可操作性和通行性原則,結合廣西的實際情況,選取20個相關指標構建備選指標集。通過理論分析、部門調研、專家咨詢,最終確定8個指標作為廣西農業生態經濟系統安全影響分析指標體系,即人口密度和城鎮化率代表農業社會指標,人均農業GDP、農業經濟密度(農業GDP除以農業用地面積)、化肥施用量和農業機械總動力代表農業經濟指標,人均耕地面積和耕墾指數(耕地面積除以農業用地面積)代表農業資源指標。

參考徐智超等[32]和高艷珍等[33]的研究,在廣西農業生態經濟系統安全影響因素分析中選擇最典型的生態壓力指數代表系統安全狀況。因此,以2000-2021年廣西農業生態經濟系統的生態壓力指數(Y)為因變量,2000-2021年人口密度(X1)、人均農業GDP(X2)、人均耕地面積(X3)、耕墾指數(X4)、農業經濟密度(X5)、城鎮化率(X6)、化肥施用量(X7)、農業機械總動力(X8)等8個指標為自變量,量化分析廣西農業生態經濟系統安全影響因素。首先對農業GDP進行平減處理,再利用PLS模型進行回歸分析。在PLS模型分析中,自變量的回歸系數標準化值的絕對值越大說明這個自變量對因變量的影響越大。

1.3.4 農業生態經濟系統安全預警

(1)生態壓力指數預測

通過預測2022-2033年廣西農業生態經濟系統人均生態足跡和人均生態承載力,計算出2022-2033年系統生態壓力指數,以生態壓力指數作為警情指數開展廣西農業生態經濟系統安全預警研究?；疑A測模型是趨勢預測的有效方法,是對在一定范圍內變化且變化與時間有關的灰色過程進行動態預測,該模型的優點是對樣本量和概率分布沒有嚴格要求,運算簡便、精度較高、易于檢驗,也不用考慮分布規律或變化趨勢等,且對不規律的數據預測效果更好[34]。GM(1,1)模型是最常用、最有效的灰色預測模型[35]。因此,本研究中采用GM(1,1)模型預測廣西農業生態經濟系統生態壓力指數,分析系統安全警情演變趨勢,并與同屬石漠化片區的云南、貴州相比較。

(2)警情標準劃分

參照農業生態經濟系統安全等級劃分標準,根據農業生態經濟系統的實際情況,結合相關研究成果[35]和專家意見,以生態壓力指數預測值來劃分警度。本研究將廣西農業生態經濟系統安全警情劃分為巨警、重警、中警、輕警、無警5個等級,并確定相應的警度和指示燈,如表1所示。

表1 農業生態經濟系統安全警情標準

2 結果與分析

2.1 生態足跡與生態承載力

2.1.1 人均生態足跡動態分析

可以發現，過境免簽政策的實施產生了一定的效果，但是并沒有達到政策制定者所設想的規模。為此，本文以2013年至2016年北京72小時過境免簽政策為案例，選取京津冀城市群作為研究樣本，驗證過境免簽政策的實際效果。選擇京津冀地區作為研究樣本，一是因為此地區是我國入境旅游經濟一體化的樣板地區之一（厲新建、宋昌耀、張飛飛，2015），案例地本身具有一定的代表性；二是由于包括西城、東城、海淀、朝陽等16區在內的北京市是實施過境免簽政策的地區，而天津市以及河北省11個城市并沒有實施該項政策，這便于在比較中檢驗過境免簽政策實施對入境旅游的提升作用。

2000-2021年廣西農業生態經濟系統人均生態足跡為0.990-1.884 hm2/人,在時間序列上呈波浪式上升趨勢,2021年較2000年總體上增長90.30%(圖1)。其中,2000-2021年林地人均生態足跡增長最快,且變化趨勢與系統較為一致,增長了8.64倍,主要是由于木材和水果消費快速增加,促使其人均生態足跡分別增加7.17倍和12.62倍;耕地、草地和水域的人均生態足跡增長相對緩慢,分別增長32.53%、24.74%和39.53%。2021年,4類土地人均生態足跡占系統比重排序為林地>耕地>草地>水域,分別為36.84%、34.82%、25.16%和3.18%。

2.1.2 人均生態承載力動態分析

2000-2021年廣西農業生態經濟系統人均生態承載力變化較小,在0.592-0.718 hm2/人之間波動(表2),平均值為0.659 hm2/人,2021年較2000年總體下降0.67%。2000-2021年林地人均生態承載力增加36.44%;耕地和草地人均生態承載力分別減少0.088、0.001 hm2/人,水域人均生態承載力穩定。耕地和林地的人均生態承載力占系統比重較大,2021年占比分別為45.10%、54.39%。

表2 2000-2021年廣西農業生態經濟系統人均生態承載力

2.2 系統安全評價

2.2.1 資源利用效率指數分析

2000-2021年廣西農業GDP從538.69億元增加到4 015.5億元,增長6.45倍;廣西農業生態經濟系統生態足跡從4 702.51萬公頃增加到9 490.07萬公頃,增長1.02倍;系統資源利用效率指數從8.73 hm2/萬元波動下降到2.36 hm2/萬元(圖2),下降72.97%,表明系統資源利用效率提高72.97%,2011年以來,系統資源利用效率提升速度明顯放緩。2000-2021年林地資源利用效率指數波動較大,總體下降25.97%,平均值為8.31 hm2/萬元,大于耕地、草地和水域。綜上表明林地資源利用效率在4類土地類型中最低,盡管2021年林地資源利用效率較2000年提高25.97%,但漲幅低于耕地、草地和水域,后三者的資源利用效率分別提高83.99%、74.70%和74.18%。

圖2 2000-2021年廣西農業生態經濟系統資源利用效率指數

2.2.2 生態盈虧分析

2000-2021年廣西農業生態經濟系統處于生態赤字狀態,且從-0.395 hm2/人不斷加劇到-1.292 hm2/人(圖3),表明系統因資源過度消耗出現超負荷運行。其中,林地由2000年生態盈余(0.164 hm2/人)到2021年生態赤字(-0.373 hm2/人);耕地、草地和水域一直處于生態赤字狀態,并逐漸加劇;生態赤字嚴重程度為草地>耕地>水域,2021年分別為-0.473、-0.389、-0.057 hm2/人。耕地、林地、草地、水域和系統總體均處于不安全狀態,且有不斷加劇的趨勢。

圖3 2000-2021年廣西農業生態經濟系統生態盈虧

2.2.3 生態壓力指數分析

表3 2000-2021年廣西農業生態經濟系統生態壓力指數

續表

2.3 系統安全影響因素分析

廣西農業生態經濟系統安全影響因素分析的自變量和因變量變化情況如表4所示。2000-2021年因變量Y增長91.57%,自變量X中增長率排前3的分別是人均農業GDP(X2)、農業機械總動力(X8)和農業經濟密度(X5)。8個自變量和因變量之間的Pearson相關系數均呈現出0.01水平的顯著性(表5),表明指標選擇較為合理;部分自變量之間具有顯著的相關性,說明存在多重共線性情況。因此,回歸分析采用PLS模型較為合適,可以有效解決多重共線性問題[31,33]。

表4 廣西農業生態經濟系統安全影響因素分析指標的變化

續表

如表6所示,X3、X4的回歸系數標準化值為負數,表明人均耕地面積和耕墾指數對生態壓力指數具有逆向影響,有利于廣西農業生態經濟系統安全。另外6個自變量的回歸系數標準化值為正數,表明其值增加會使生態壓力指數同步升高,不利于廣西農業生態經濟系統安全,其影響程度的大小為人均農業GDP>城鎮化率>農業機械總動力>化肥施用量>人口密度>農業經濟密度?；赑LS模型的回歸方程如下:Y=0.125×X1+0.229×X2-0.118×X3-0.108×X4+0.047×X5+0.226×X6+0.155×X7+0.219×X8。

表5 指標之間的Pearson相關系數矩陣

表6 基于PLS模型的回歸系數標準化值

農業經濟增長是影響廣西農業生態經濟系統安全的主要因素。農業機械的推廣應用提高了農業生產效率,但也給農田水土保持造成一定的破壞;化肥施用量大幅增加,提高了農產品產量,但也造成農業生態環境污染。隨著城鎮化進程加快,大量農業人口轉為非農人口,農業自然資源和生態環境壓力逐漸增加。

2.4 系統安全警情分析

根據廣西農業生態經濟系統生態壓力指數(系統安全警情指數)預測結果(表7)可知,2022-2033年系統從重度不安全狀態轉變為極度不安全狀態,且不斷加劇,安全警情也從重警演變為巨警,指示燈由橙色變為紅色。將廣西農業生態經濟系統安全警情與云南、貴州作橫向比較,可知2022-2033年云南、貴州的農業生態經濟系統安全警情不斷惡化,這與廣西的情況一致;貴州農業生態經濟系統均處于中度不安全狀態,警度為中警,指示燈為黃色;云南農業生態經濟系統從中度不安全狀態逐漸轉變為重度不安全狀態,警度由中警演變為重警,指示燈由黃色轉變為橙色。總體來說,2022-2033年廣西農業生態經濟系統安全警情較云南、貴州更為嚴重。

表7 2022-2033年農業生態經濟系統安全警情

3 討論

廣西農業生態經濟系統人均生態承載力總體上較為平穩,人均生態足跡不斷增加且大于人均生態承載力,即系統發展對自然資本的需求和消耗超過系統供給能力,導致生態赤字,系統處于不安全狀態,生態壓力指數呈上升趨勢,這與劉璐瑤等[11]和楊屹等[36]的研究結果相似。由于生態足跡模型中的均衡因子、產量因子取值方法不同,以及生物資源賬戶選取的項目數量不同,生態壓力指數大小與楊屹等[36]的研究結果存在一定差異,但差異較小且總體趨勢一致。本研究的生物資源賬戶項目數量達34個,且研究時序長達22年,能更全面、更準確地反映廣西農業生態經濟系統的生態足跡和安全狀況。

2000-2021年廣西農業生態經濟系統中耕地的人均生態足跡占比最大,且人均耕地面積、耕墾指數對系統安全具有較強的正向影響,而人均農業GDP和城鎮化率對系統安全具有較強的逆向影響。廣西素有“八山一水一分田”之稱,因此在城鎮化進程中,要加快土地整理,擴大耕地面積,加大耕地保護力度,積極落實田長制,優化耕地利用模式,協調人地關系。林地人均生態足跡快速增加,導致系統不安全狀態進一步加劇,應堅持“兩山”理念,優化林業產業結構,提升林業生態產品價值。草地和水域人均生態足跡占比較小,但生態壓力指數排前2,主要是因為人民生活水平提高,主要消費結構發生改變,從糧食轉變為肉、蛋、奶類,這與柯志成等[37]的研究結果一致。因此,要堅持草牧平衡規律,積極恢復受損草地的生態功能,改良畜禽品種,發展有特色、高品質和高效益的畜牧業;積極推廣生態健康養殖模式,強化養殖尾水治理技術,提高水產養殖業綠色轉型升級。

2023-2033年廣西農業生態經濟系統安全警情等級為巨警,且高于云南[20]、貴州,表明廣西農業可持續發展狀況不容樂觀[38],系統安全調控迫在眉睫。從廣西農業生態經濟系統安全影響因素分析可以看出,系統安全影響因素是多元的。近年來廣西人均耕地面積和耕墾指數均低于云南和貴州,而城鎮化率、農業機械總動力、化肥施用量、農業經濟密度等均高于云南和貴州;廣西人均農業GDP高于貴州,人口密度高于云南。這些是引起廣西農業生態經濟系統安全狀態不如云南和貴州的具體原因。因此,廣西要堅持生態優先、綠色發展,從多個方面采取措施,例如積極實施鄉村振興戰略,嚴守耕地紅線,推進新型城鎮化和農業現代化協同發展;擴大生態移民工程,培養農業新型經營主體;加強水土流失、石漠化治理,推廣保護性耕作、水肥一體化和高效節水農業。今后應針對廣西農業生態經濟系統安全調控模式和路徑開展深入研究。

4 結論

本研究基于生態足跡模型開展廣西農業生態經濟系統安全評價、安全影響因素和安全預警研究,主要結論如下。

①2000-2021年廣西農業生態經濟系統人均生態足跡逐年增加,人均生態承載力波動較小;資源利用效率不斷提升,但2011年以來增速明顯放緩;系統處于生態赤字狀態,且生態壓力指數逐漸升高,系統從中度不安全狀態轉變為重度不安全狀態,2021年進入極度不安全狀態。

②人均耕地面積和耕墾指數對廣西農業生態經濟系統安全具有正向影響,影響程度大小為人均耕地面積>耕墾指數;人口密度、人均農業GDP、農業經濟密度、城鎮化率、化肥施用量、農業機械總動力對系統安全具有逆向影響,影響程度排前2的是人均農業GDP和城鎮化率。

③安全預警結果顯示,2023-2033年廣西農業生態經濟系統在極度不安全狀態中不斷加劇,安全警情為巨警,指示燈變為紅色;廣西農業生態經濟系統安全警情等級高于貴州和云南。

致謝

本文得到了全國哲學社會科學工作辦公室的支持,是“農業生態經濟系統安全評價與預警研究”系列論文之四。