基于三維生態(tài)足跡的河北省耕地可持續(xù)利用研究

摘 要：利用擴(kuò)展的三維生態(tài)足跡模型，研究耕地生物資源足跡和碳足跡，測(cè)算2010—2021年河北省各地級(jí)市的耕地生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，利用足跡深度體現(xiàn)耕地資源的利用情況，結(jié)合可持續(xù)指數(shù)分析耕地可持續(xù)利用程度。結(jié)果表明：在作物產(chǎn)量、碳排放和固碳等因素的作用下，2010—2021年河北省地級(jí)市生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和足跡深度總體呈下降趨勢(shì)，2021年滄州市和衡水市足跡深度均小于1，生態(tài)盈余，生態(tài)承載狀態(tài)良好；2010—2021年除滄州市和衡水市實(shí)現(xiàn)了從生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài)到可持續(xù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變外，其余地級(jí)市均整體呈不可持續(xù)狀態(tài)，但總體有所改善。據(jù)此提出如下建議，推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展；提高耕地利用效率，增強(qiáng)耕地保護(hù)意識(shí)；建立合理的耕地生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

關(guān)鍵詞：生態(tài)足跡；生態(tài)承載力；足跡深度；耕地；河北省

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

耕地作為糧食生產(chǎn)的載體，是保障國(guó)家糧食安全的根本所在。生態(tài)足跡模型從生態(tài)視角評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)自然資本占用與地球承載能力之間的關(guān)系，綜合考量了資源利用，能夠直觀呈現(xiàn)生態(tài)盈虧，并區(qū)分自然資本存量與流量，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已成為一種較為成熟的可持續(xù)評(píng)估方法。有學(xué)者引入足跡廣度與深度，以衡量人類活動(dòng)對(duì)自然資本流量和存量的占用；劉某承等[1]完善了生態(tài)足跡的均衡因子指標(biāo)；方愷[2]引入資本流量占用率和存量流量利用比兩個(gè)指標(biāo)；靳相木等[3]將生態(tài)盈余納入三維生態(tài)足跡框架；靳亞亞等[4]用貿(mào)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(xì)化均衡因子和產(chǎn)量因子，以定量估算三維生態(tài)足跡。以河北省11個(gè)地級(jí)市為研究對(duì)象，考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)耕地生態(tài)的影響，基于三維生態(tài)足跡，引入平衡因子、均衡因子、產(chǎn)量因子和足跡深度，并結(jié)合可持續(xù)指數(shù)對(duì)耕地可持續(xù)利用的程度進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

河北省位于36°05′～42°40′N、113°27′～119°50′E，

環(huán)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(nèi)蒙古自治區(qū)交界，東北部與遼寧省接壤，地勢(shì)西北高東南低，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候且四季分明。根據(jù)河北省統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，截至2021年，全省生產(chǎn)總值為40 391.3億元，第一產(chǎn)業(yè)增加值為4 030.3億元，全省常住人口7 448萬(wàn)人，常住人口城鎮(zhèn)化率為61.14%。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

涉及的指標(biāo)有小麥、玉米、豆類、棉花、花生、油菜籽和蔬菜的產(chǎn)量、播種面積和全國(guó)平均產(chǎn)量；化肥、柴油、地膜、農(nóng)藥的使用量與灌溉、農(nóng)作物播種面積及常住人口等。指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自2011年、2017年和2022年《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》及各地級(jí)市統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 耕地生態(tài)足跡模型

2.2.1 耕地生態(tài)足跡

耕地生態(tài)足跡分為生物資源足跡和碳足跡，引入平衡因子進(jìn)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(tài)足跡（萬(wàn)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(shù)（人）；r表示均衡因子；ci表示第i種作物人均消費(fèi)量（kg/人）；pi表示第i種作物全國(guó)平均產(chǎn)量（kg/hm2）；εi表示第i類項(xiàng)目碳排放系數(shù)；Bi表示第i類項(xiàng)目投入量（kg）；α表示校正系數(shù)，取值0.05；β表示生物量和固碳量間的轉(zhuǎn)化因子，取值0.45；44/12表示碳與二氧化碳間的換算系數(shù)；mi表示第i種作物產(chǎn)量（kg）；θi表示第i種作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)；S表示耕地面積。

2.2.2 耕地生態(tài)承載力

耕地生態(tài)承載力反映了耕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)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(tài)承載力；αi表示第i種作物的人均生產(chǎn)面積（hm2/人）；y表示產(chǎn)量因子。

2.2.3 耕地足跡深度

擴(kuò)展的三維生態(tài)足跡模型采用足跡深度統(tǒng)一表征人類活動(dòng)對(duì)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(xù)利用

耕地生態(tài)可持續(xù)指數(shù)表示區(qū)域內(nèi)生態(tài)承載力滿足生態(tài)足跡的程度，用式（6）表示：

ESI=（6）

式（6）中，ESI表示耕地生態(tài)可持續(xù)指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 耕地生態(tài)足跡分析

3.1.1 耕地生態(tài)足跡與耕地生態(tài)承載力分析

根據(jù)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(shuō)明雖然在農(nóng)作物種植過(guò)程中使用了化肥、農(nóng)用柴油、地膜和農(nóng)藥等，但碳排放量低于農(nóng)作物碳吸收量。利用ArcGIS的自然斷點(diǎn)法，將耕地生態(tài)足跡和承載力水平劃分為5個(gè)級(jí)別（圖1），耕地生態(tài)足跡南高北低，整體呈現(xiàn)西南向東北遞減趨勢(shì)，生態(tài)承載力與生態(tài)足跡空間分布整體較為均衡，生態(tài)足跡和生態(tài)承載力強(qiáng)的地級(jí)市相對(duì)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(qū)的作物產(chǎn)量高，生物資源足跡和碳足跡較高，承擔(dān)較多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，耕地資源開(kāi)發(fā)利用程度較高；北部地區(qū)地勢(shì)起伏大，秦皇島市、承德市和張家口市農(nóng)作物產(chǎn)量低，第一產(chǎn)業(yè)發(fā)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(tài)足跡增加[6]。

3.1.2 耕地足跡深度分析

擴(kuò)展的三維生態(tài)足跡模型能反映生態(tài)赤字狀態(tài)下對(duì)耕地資源存量和生態(tài)盈余狀態(tài)下對(duì)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(shì)，生態(tài)壓力較大，其他地級(jí)市農(nóng)業(yè)碳排放量和生態(tài)足跡減少，使足跡深度呈下降趨勢(shì)。2010—2016年，河北省11個(gè)地級(jí)市的足跡深度都大于1，生態(tài)處于超載狀態(tài)，耕地資源流量無(wú)法滿足當(dāng)?shù)貙?shí)際消費(fèi)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(tài)盈余狀態(tài)，只占用了耕地資源流量，足跡深度減小，說(shuō)明當(dāng)?shù)馗厥褂迷谧陨淼纳鷳B(tài)承載能力范疇內(nèi)，不需要額外的耕地支撐，足跡深度值越小對(duì)耕地資源流量占用度越低，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

3.2 耕地生態(tài)可持續(xù)利用分析

ESI取值為0～1，該值越接近1表示耕地可持續(xù)利用程度越高，0.5是可持續(xù)利用與不可持續(xù)利用的臨界點(diǎn)。河北省耕地生態(tài)可持續(xù)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(tài)足跡超過(guò)生態(tài)承載力，人類從耕地獲取的可再生資源量超過(guò)耕地資源的可再生能力，耕地利用處于不可持續(xù)狀態(tài)。在研究期間，張家口市生態(tài)可持續(xù)指數(shù)先減后增，其他市雖然總體呈上升趨勢(shì)，但始終處于不可持續(xù)狀態(tài)。只有滄州市和衡水市出現(xiàn)可持續(xù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了從生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài)到可持續(xù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。意識(shí)到生態(tài)壓力和耕地可持續(xù)利用的重要性，河北省及其地級(jí)市制定了有力的調(diào)控政策，采取保護(hù)耕地生態(tài)的措施，旨在改變耕地生態(tài)不可持續(xù)的狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，耕地資源日趨緊張，實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用顯得尤為關(guān)鍵，擴(kuò)展的生態(tài)足跡模型綜合考量了碳足跡、生物資源足跡等因素，在時(shí)間維度上區(qū)分了耕地資本的流量和存量，利用此方法評(píng)估河北省各地級(jí)市2010—2021年耕地可持續(xù)利用程度，得到的結(jié)論如下。

（1）在研究期間，河北省各地級(jí)市耕地生物資源足跡大于碳足跡，南部農(nóng)作物產(chǎn)量高，北部地勢(shì)起伏大，生態(tài)足跡和生態(tài)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(tài)可持續(xù)指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，但仍處于不可持續(xù)利用的狀態(tài)，2021年滄州市和衡水市實(shí)現(xiàn)了從生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài)到可持續(xù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

4.2 建議

（1）推動(dòng)農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。創(chuàng)新農(nóng)業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以依賴化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜為主的耕地利用方式向減量化的方向轉(zhuǎn)變。

（2）提高耕地利用效率，增強(qiáng)耕地保護(hù)意識(shí)。建立耕地保護(hù)規(guī)劃和社會(huì)監(jiān)督機(jī)制，并加強(qiáng)宣傳，盤活存量耕地，確保耕地占補(bǔ)平衡，最大限度地維持耕地的可持續(xù)性。

（3）建立合理的耕地生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。制定多元化的耕地生態(tài)補(bǔ)償方式，多渠道籌集補(bǔ)償資金，確保補(bǔ)償?shù)轿唬瑢?shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用和協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉某承，李文華.基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的中國(guó)各地生態(tài)足跡均衡因子測(cè)算[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26（5）：401-406.

[2] 方愷.生態(tài)足跡深度和廣度：構(gòu)建三維模型的新指標(biāo)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：267-274.

[3] 靳相木，柳乾坤.基于三維生態(tài)足跡模型擴(kuò)展的土地承載力指數(shù)研究：以溫州市為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（9）：2982-2993.

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

[5] 魯鈺，趙銀娣，董霽紅.西北地區(qū)三維生態(tài)足跡生態(tài)安全評(píng)價(jià)及驅(qū)動(dòng)力分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2022，42（4）：1354-1367.

[6] 田云，張俊飚，李波.中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放研究：測(cè)算、時(shí)空比較及脫鉤效應(yīng)[J].資源科學(xué)，2012，34（11）：2097-2105.

收稿日期：2024-09-14

作者簡(jiǎn)介：賈輝鵬（2000—），女，河北石家莊人，研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。