基于能值生态足迹法的耕地利用可持续性评价

孙建树　吕晓　梁爽

摘要：本文基于能值生态足迹法（Emergy Ecological Footprint，EEF）对日照市单位面积耕地的利用的可持续性进行研究。结果表明：在研究时段内，日照市单位面积耕地的能值生态承载力一直处于较低水平，且变化不大；能值生态足迹总体增长；生态赤字总体增大，但近两年有下降趋势；对可持续发展指数变化的研究结果表明，日照市耕地利用的可持续性先降低，近年来又有所升高。为了实现日照市耕地可持续发展，应进一步保护耕地资源，提高耕地质量，加强农业基础设施建设，优化农业生态环境，合理控制人口增长，提高单位面积粮食产量。

关键词：耕地；能值生态足迹；可持续性；粮食生产；日照市

中图分类号：F301.21

文献标识号：A

文章编号：1001-4942（2015）10-0070-05

耕地是农业生产乃至国民经济可持续发展的根本。但是，经济社会发展中各项非农建设项目难免占用耕地。由于耕地大量被占用及农业生产中的利用不当，各地区，特别是快速发展的沿海地区，人地矛盾日益突出。因此，针对耕地资源开展可持续性研究，对科学制定耕地保护政策和规划目标、防治农业面源污染等均具有重要意义。然而，由于耕地系统结构复杂，影响因素众多，传统的货币和能量等衡量手段无法对其中的能量流、物质流和信息流进行统一核算。鉴于此，加拿大生态学家William Rees及其博士生Maths Wackemagel提出了生态足迹模型，具有计算简单、易于比较等优点，在耕地可持续性研究中不断被改进，且被广泛应用。其中，通过整合生态足迹模型和能值分析理论改进而来的能值生态足迹（Emergy Ecological Footprint，EEF）整合模型，可利用“能值密度”，将土地供给的能值和人类消费的能值全部转化为土地面积，再进行分析与比较，由此评价土地的可持续发展状况；该模型在评价持续性方面具有系统、全面、客观以及可定量化的特点，从空间大尺度系统到小尺度系统都具有很好的适用性，评价结果在系统性和全面性等方面优势明显。

本文即采用能值生态足迹法，计算并比较日照市2000～2012年的能值生态足迹和能值生态承载力，对能值生态足迹进行动态分析，为保护耕地资源，提高耕地质量，优化农业生态环境，实现耕地可持续发展提供理论依据。

1研究区域概况

日照市位于中国大陆沿海中部、山东半岛东南部，东临黄海，西接临沂市，南与江苏省连云港市毗邻，北与青岛市、潍坊市接壤，隔海与日本、韩国相望。位于东经118°25′～119°39′、北纬35°04′～36°04′之间，南北长约82千米，东西宽约90千米，辖区总面积5359平方千米。属暖温带半湿润季风区大陆性气候，年平均气温为12.7℃，年均降水量870mm。日照市是山东省新兴旅游城市，并被誉为“水上运动之都”。

2012年，日照市总人口283.43万人，其中农村人口184.88万人，占总人口的65.23%；地区生产总值实现1352.57亿元，人均地区生产总值74621元；第一产业、第二产业和第三产业所占比例分别为8.7%、53.5%、37.8%；全市农用地面积43.20万公顷，其中耕地面积22.96万公顷，人均耕地0.081公顷，低于全国平均水平。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

研究所需的日照市耕地面积、耕地生产物品的产量，化肥、农药施用量及农机消耗的柴油等农资投人数据，以及占用耕地面积等数据来源于相应年份的《山东省统计年鉴》、《山东省国土资源综合统计年报》。用以计算自然可更新资源的日照时数、降水量、平均气温等数据来源于山东省统计信息网和日照市气象局。

2.2能值生态足迹法

能值生态足迹法是将能值等价成空间面积需求，为生态足迹的计算提供新的途径。首先，需要把系统消费的不同类型、不同等级的能量流通过能值转换率换算成可以直接进行加减的太阳能值；然后，引入能值密度，将各消费项的太阳能值换算成土地面积；最终，计算出研究区域的能值生态承载力和能值生态足迹，由此评价其可持续发展状况。

根据能值生态足迹法，首先绘制出耕地生态系统的能值分析简图（图1），并依据简图中所涉及的物质、能量的投入和产出情况进行调查及数据、资料的收集。

然后利用能值生态足迹整合模型进行研究，主要计算内容与方法如下：

（1）能值

Emergy=energy（mass）×transformity式中，Emergy是能值，energy为能量，mass为质量，transformity是能值转换率。本研究采用Odum提出的能值转化率，且忽略能值转化率的地区差异。

（2）能值生态足迹

EEF=ST+∑I_i/GED

式中，EEF为能值生态足迹，ST为污水治理消耗的能值，I_i为粮食生产投入的各种农资对应的能值。GED为全球能值密度（Global Empower Density），本研究参考Zhao等研究的全球能值密度，取3.1×10¹⁰sej/m²。

为了更加科学地计算能值生态足迹，借鉴赵桂慎等的研究思路，将耕地利用过程中造成的水体污染治理所需要的能耗计算在内，水体污染治理能耗的估算主要考虑治理由于氮磷钾流失、农药残留等带来的水体污染所消耗的能量，采用相关研究得出的估计值进行估算。

（3）能值生态承载力（Emergy Carrying Capacity，ECC）

将一个地区所有提供给人类的生产性生物土地面积综合称之为该地区生态系统的承载力。自然资源分为可更新资源和不可更新资源两类，其中不可更新资源由于人类的不断开发与利用，会日益枯竭，因此本文认为，能值生态承载力的计算应基于可更新资源，并将能值生态承载力定义为可再生自然资源总量对应的等效面积，选取耕地作物生长所需的太阳能、雨水势能、雨水化学能和地球旋转能作为计算能值生态承载力的来源。计算公式如下：endprint

ECC=∑（RE_i/GED）

式中，ECC为能值生态承载力，RE_i为计算ECC所需的各可更新自然资源所包含的能值，GED为全球能值密度。

（4）能值产出容量（Emergy Output Capacity，EOC）

能值产出容量是衡量耕地生态系统生产力的重要指标，能够体现研究对象的产出水平。根据单位耕地面积的粮食产量，可估算出能值产出容量。计算公式如下：

EOC=∑（G_i-GED）

式中，EOC为能值产出容量，G_i为产出的粮食所包含的能值，GED为全球能值密度。

（5）生态赤字或盈余

通过对某一地区的能值生态足迹与能值生态承载力比较，得到生态赤字（Ecological Deficit，ED）或生态盈余（Ecological Surplus，ES）。一个地区的能值生态承载力小于能值生态足迹时，出现生态赤字，表征地区的不可持续程度；能值生态承载力大于能值生态足迹时，则产生生态盈余，表征地区的可持续程度。

（6）可持续发展指数（Sustainability Index，SI）

为更好地研究能值生态足迹各组成成分的功能及可持续发展状况，本文选取可持续发展指数SI，根据能值产出容量和能值生态足迹，定量化表示耕地可持续利用的程度。SI由系统的投入产出水平来衡量，表征研究对象的可持续发展状况，其表达式为：

SI=∑（EOC/EEF）

3结果与分析

3.1水体污染治理能耗

首先，对水体污染治理所需要的能耗进行估算，结果如表1所示。由于农药的用量每年变化幅度不大，无较大增多或减少，不具有明显的规律性，暂不研究。

由表1可以看出，由于氮肥施用量很大，且易溶于水，流失率较高，对其污染治理的能耗最高；磷肥的施用量较小，且难溶于水，在土壤中移动性较差，因此流失量较少，污染治理的能耗较低。为了避免重复计算，水体污染治理能耗的计算取两者中的最大值。水体污染治理能耗在2000、2005、2010、2012年分别达到了9839、12182、6249、4914MJ/hm²。相比之下，2012年比2005年减少了7268MJ/hm²，削减率达到了59.7%；比2000年减少了4925MJ/hm²，削减率达50%。由此可见，近年来通过科学施用配方肥、优化施肥方法以及使用缓控释肥，有效控制了氮素对水体的污染，提高了利用率，降低了对外部环境的影响，有助于日照市耕地资源的可持续利用。

3.2能值投入量

根据统计数据及农户调查，计算得出日照市耕地生态系统投入能值结果，见表2。可以看出，耕地生态系统2000、2005、2012年总能值投入分别为5.91×10¹⁵、7.22×10¹⁵、6.41×10¹⁵sej/hm²，2012年比2005年减少了8.1×10¹⁴sej/hm²，削减率达11.2%。其中，能值投入较高的是柴油、水体污染治理能耗、氮肥和磷肥，其他资源投入较少。从农资投入情况来看，2012年与2005年相比，氮肥的能值投入减少了59.72%，磷肥的能值投入减少了30.90%，水体污染治理能耗的能值投入减少了59.74%，农药的能值投入增加了3.19%，灌溉电能的能值投入增加了23.76%，而柴油的能值投入增加了71.78%，增幅较大。氮肥投入的减少降低了其对土壤环境的污染，进而影响了水体污染治理能耗的能值投入情况。柴油用量的大幅增加是因为农村的各种农作行为近年来基本实现现代化、机械化，农用机械的使用增加了柴油的用量。而灌溉电能能值投入的增加与耕地的灌溉次数和用水量有关。通过2000～2012年的数据总体上看，能值总投入总体呈先升高后下降的趋势。

3.3能值生态承载力

依据文献[13]的能值计算方法，得出2000、2005、2012年的能值生态承载力，见表3。可见，表中4种可更新资源中，太阳辐射能、雨水化学能、雨水势能三者来源相同，因此本文取三者中能值最大的太阳辐射能进行计算、比较，以避免重复计算。全球能值密度仍取3.1×10¹⁰sej/m²，并需要留出12%的生物生产土地面积以保护生物多样性。经过计算，2000、2005、2012年单位面积的ECC分别为0.99、0.98、0.98hm²/hm²，变化不大。太阳辐射和降水量等气候条件的变化，是ECC小幅度减少的主要原因。

3.4能值产出容量

作为衡量耕地利用过程中生态系统生产力的重要指标，近年来日照市单位面积能值产出容量总体呈增加趋势，2012年与2001年相比，EOC从12.16hm²/hm²增加到14.16hm²/hm²，与单位面积粮食产量提高的趋势基本相同；2000～2003年呈下降趋势，2004～2010年逐渐增加；2000～2012年间，单位面积能值产出容量最大值为2010年的15.06hm²/hm²，最小值为2003年的11.00hm²/hm²。

3.5生态赤字与能值生态足迹

从图3可以看出，日照市耕地单位面积能值生态足迹与生态赤字的变化趋势大致相同，13年间呈波动变化，2000～2005年总体呈上升趋势，2009年出现一个低谷，2010年达到峰值，2011～2012年呈下降趋势。与2010年的最高值相比，2012年生态赤字由22.946hm²/hm²下降到19.699hm²/hm²，减少14.15%，表明日照市耕地可持续利用存在一定压力，但数值相对较小，且呈下降趋势。因此，在未来的发展中，日照市要开发利用与保护并重，优化农业生态环境，着力提高能值生态承载能力，逐步减少生态赤字，力求实现耕地的可持续发展。

3.6可持续发展指数评价

本文选取可持续发展指数表示耕地可持续利用的程度，见图4。总体上看，2000～2012年日照市耕地生态系统的可持续性呈现出一定的波动变化。2000～2003年呈下降趋势，但从2005年以后逐渐升高，2009年后又有所降低；2012年较2005年可持续性指数提高了20.6%。由此可见，近几年农业面源污染防治效果初步显现，系统效率有所提高，但区域耕地的可持续性仍然不高，因此必须增加耕地的保护与合理利用，保持耕地面积的动态平衡。

4结论

本文采用能值生态足迹法，综合评价了日照市的耕地生态系统，并构造可持续发展指数对该市耕地利用的可持续发展趋势进行分析。

2000～2012年间，日照市单位面积耕地生态系统的能值生态足迹有所起伏，整体上2012年比2000年增长了8.5%；能值生态承载力变化不大，但一直处于较低水平；生态赤字与能值生态足迹呈大体相同的波动变化趋势，整体增长了9.0%；能值生态足迹与能值生态承载力差距较大，可持续发展指数近年来有一定的上升趋势，但较2000年有所减小，说明农业面源污染的防治初现效果；分析投入产出情况，在能值产出容量增加的情况下，能值总投入减少了11.2%，表明耕地利用的系统效率有所提高。

随着被纳入山东省蓝色海洋经济带，日照市必将凭借其自身的区位和政策优势，进入新一轮的经济增长时期，城市化水平也将进一步提高。因此为了实现日照城市化进程中的耕地利用可持续发展，应从减小生态足迹与生态赤字、提高生态承载力、优化外源投入等方面人手，注重保护耕地资源，提高耕地质量；加强农业基础设施建设，不断加大农业面源污染防治力度，优化农业生态环境；合理控制人口增长，提高单位面积粮食产量。endprint