基于生态足迹模型的耕地脆弱性分布差异研究——以德阳市为例

曹文亚， 潘洪义*， 巫泽倩， 黄 佩

（1.四川师范大学 西南土地评价与监测教育部重点实验室，四川 成都610066；2.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都610066）

经济快速发展、地区经济结构和环境结构快速变化导致部分地区自然资源消耗过快，引发的生态问题、环境问题日趋严重.因此，探索资源的可持续发展模式、构建资源可持续发展评价体系成为当今社会研究的热点［1］.耕地作为人类生存发展中最重要的生产资料，是人类赖以生存和发展的物质基础［2］.同时，耕地又因其面积固定性、易受人类扰动性，及其不可再生性等特点，成为目前最应该受到保护的自然资源之一.生态足迹模型作为定量测度区域可持续发展状态的模型之一，最早由生态经济学家Rees 等［3］提出，生态足迹的动态变化与区域社会经济发展紧密相关，是定量测度人类对自然资源开发利用程度以及资源可持续发展的重要模型［4-7］.1999 年，国内学者开始引进生态足迹理论，应用该模型研究不同尺度和不同领域的生态足迹状况［8-10］，将生态足迹理论引入到单项土地利用类型（耕地）的研究上，有助于深入发现人类足迹对某种土地类型的占用情况.在耕地资源的研究方面，王兴华等［11］基于生态足迹理论的基础，测算了建设用地和耕地之间转化的潜力.何如海等［12］在耕地的生态补偿中引入生态足迹理论，用来研究耕地的生态补偿问题.张寅玲等［13］引入生态足迹理论对兰州市耕地利用度通过数理分析进行了预测.文献［14 -15］则是分别借助生态足迹模型对西藏地区和整个中国耕地的生态承载力进行了动态分析和评价.根据上述多位学者的研究成果，本文通过引入耕地脆弱性概念，在生态足迹理论的基础上，引入生态占用指数和生态压力指数来评价区域耕地的可持续发展，方法较为新颖.脆弱性是事物易受不利影响的倾向或习性，包括对危害的敏感性以及抗干扰和适应能力的薄弱［16］.耕地脆弱性是将脆弱性概念引入到耕地状态的评价上，指耕地在一定时空条件下在面临人类耕作及调整扰动时所表现出的可能性响应.脆弱性越大，说明耕地承受的外界环境压力和扰动越大，可持续性越差.基于生态足迹理论和GIS 工具，对耕地脆弱性的评价以及对区域耕地脆弱性空间分布进行可视化表达分析，是一种研究区域耕地可持续发展利用的可行方法.

1 研究区概况

德阳市位于成都平原北部，地处103°45′～105°15′E，30°31′ ～31°42′N 之间.地势西北高东南低，北邻茂县、安县，东接三台县、大英县，南邻乐至县、金堂县，西与彭州市、汶川县接壤.德阳市境内现有土地共59.3 万hm2，其中，耕地面积占总土地面积的3%左右，共有1.8 万hm2.下辖旌阳区、中江县、罗江县3 个区县，代管广汉市、什邡市和绵竹市三市.2016 年全市共有人口387.7 万人，人口耕地密度为31.336 人／km2.德阳市是工业城市，工业是三大产业中为社会经济发展贡献力最多的产业.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源 根据数据的可获得性和现实性等条件，本研究所需用核算耕地生态足迹的数据均取自《德阳市统计年鉴》（2007—2017），行政区划矢量数据来源于四川省矢量数据库.特别说明：在计算消费量时，复杂的贸易会使数据产生很大的偏差［17］，为了统一计算口径，本文将生物资源账户内各产品的消费量用产量来近似代替［18］.

2.2 研究方法

2.2.1 生态足迹模型 生态足迹的计算主要基于2 个假设：一是人类能够计算出自身所消费的资源和产生的废气物数量；二是这些被消费的资源和产生的废弃物能够转化成相应的生物生产性土地面积［19］.生态足迹的方法主要是将人类消费转化成土地的产出量，再与土地的生态承载力进行对比.如果生态承载力与生态足迹之差为负数，则此区域耕地出现生态赤字，说明此地区生产负荷压力大，耕地呈现不可持续的利用方式.反之，如果生态足迹需求小于生态承载力，则此地区的耕地呈现生态盈余状态，耕地呈现出可持续利用的状态［19］.生态足迹的计算公式为

耕地生态承载力是指一个地区的耕地能够提供给地表的具有生产性能的土地面积，耕地生态承载力公式为

生态盈亏计算公式为

其中，EL表示区域耕地总的生态足迹（hm2）、CL表示区域耕地总的生态承载力（hm2）、cl表示区域耕地人均生态承载力（hm2／人）、el表示区域耕地人均生态足迹（hm2／人）. ER表示耕地生态盈余总量，ED表示耕地生态赤字总量，ed表示人均生态赤字，er表示人均生态盈余，N 表示区域人口数量，i代表生产或者消费掉的某一种作物的种类，ci代表某一区域内对某一种作物i 的人均消耗量，pi则表示第i种作物在全球范围内的平均产量，ai为人均第i项消费项目折算的耕地的产出面积（hm2／人），rj表示耕地的均衡因子，yj表示产量因子.

结合德阳市的具体生产及消费情况，计算德阳市耕地的生态足迹所采用的数据有：稻谷、小麦、玉米、花生、油菜籽、棉花、甘蔗、烟叶、药材、蔬菜（含菜用瓜）、瓜果11 类作物.本文计算所采用的均衡因子和产量因子在利用文献［20 -22］均衡因子、产量因子平均值的基础之上，结合四川省农用地评价结果，德阳市耕地的均衡因子确定为2.8，产量因子为1.04.

2.2.2 耕地脆弱性算法 在生态足迹理论的基础上，引入生态压力指数和生态占用指数来表征耕地的脆弱性的状态.生态压力指数（ETI）定义为某一定地区可更新资源的人均生态足迹和生态承载力的比值，用来表示该区域所承受的环境压力及外界扰动情况，其原本是一个评价可持续发展的指标，本文用它来表征耕地的稳定性和脆弱性.耕地的生态压力指数越大，则说明该地区耕地呈现出越脆弱状态.生态占用指数（EOI）被定义为某一地区的人均生态足迹与同期全球人均生态足迹的比值，可以反映出该地区的经济发展程度和人均消费水平占全球的份额［23］，生态占用指数则是可以表征一个地区的经济发展水平，生态占用指数越大，则说明该地的经济水平越发达，其计算公式为

其中，ETI表示生态压力指数，e′l表示区域可更新资源人均生态足迹.用它来反映区域生态环境的承压程度，其数值越大，代表当地生态承压越大，脆弱性越大［23］.

其中，EOI表示生态占用指数表示同期全球人均生态足迹.用它来反映当地人民生活水平高低，其值越大，人民生活水平越高.

根据世界自然基金会（WWF）2004 年提供的2001 年全球147 个国家的生态足迹和生态承载力数据，利用模型计算出生态压力指数、生态占用指数，再通过对所获得的数据进行聚类分析，结合考虑世界各国的生态环境和社会经济发展状况，制定了耕地脆弱性评价等级划分标准［23］，如表1 所示.分析计算出的生态足迹表，选取典型的2 年作为节点，其中，2009 年是发生在汶川大地震之后，德阳市作为重灾区其生态足迹发生了明显的变化.经过几年的重建，德阳市生态足迹逐渐恢复.

表1 评价指标等级划分标准Tab. 1 Evaluation index classification criteria

但由表2 可看出，2013 年之后德阳市耕地生态足迹又趋下降趋势.故分别选取2006、2009、2013和2016 年等4 年作为代表年份，对德阳市各区县的生态足迹、生态承载力、生态赤字及耕地脆弱性空间分布变化情况进行分析.首先，将德阳市各区县耕地的生态足迹、生态承载力、生态赤字及耕地脆弱性在ArcGIS 里进行可视化表达，使用自然断裂点法将德阳市各区县耕地的生态足迹、生态承载力、生态盈亏、生态压力指数由低到高分成5 到6类，进行直观可视化表达.德阳市耕地总体生态足迹、生态承载力、生态赤字见表2，德阳市耕地各区县生态足迹、生态承载力、生态盈亏数据见表3，表征耕地脆弱性的耕地生态压力指数和生态占用指数见表4.

3 结果与分析

在2006—2016 年近10 年来的时间段内，通过

表2 德阳市耕地N、el、EL、cl、CL、ed、ED 结果变化Tab. 2 Changes in N，el，EL，cl，CL，ed and Ed results of cultivated land in Deyang City

表3 德阳市各区县耕地2006—2016 年el、cl、ed、er 计算结果变化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 德阳市2006—2016 年各区县耕地脆弱性响应指数Tab. 4 Cultivated land vulnerability response index of Deyang City from 2006 to 2016

3.1 德阳市各区县耕地人均生态足迹时空变化分析 德阳市各区县生态足迹采用自然断裂点法的间断点分别为：0.000 600、0. 298 100、0.553 200、0.966 700和2.107 900.由德阳市各区县生态足迹空间分布图（图1）可以看出，德阳市各区县生态足迹在空间存在差异性，其中，旌阳区和中江县一直属于生态足迹较低的区县，且10 年来变化较为稳定.旌阳区生态足迹从2006 年的0.002 7 hm2／人变化到2016 年的0.003 6 hm2／人，变化率很小，这期间经历了一个先逐渐上升后面又逐渐下降又逐渐保持平稳值，由2006 年的0. 002 7 hm2／人到2008 年的0.017 8 hm2／人，再从2009 年的0.002 9 hm2／人到2012 年 的0. 006 2 hm2／人，2013 年0.000 6 hm2／人之后就趋于稳定状态.中江县从2006 年的0.006 3 hm2／人 到2016 年的0. 049 6 hm2／人，呈现一个缓慢上升的趋势.旌阳区和中江县生态足迹之所以一直处在低水平的原因可能是，旌阳区作为德阳市的主城区，主要职能在于承担行政职责及发展一些中轻产业，中江县的农业用地面积占用比在土地利用中较小，所以其生态足迹相对较小.广汉市生态足迹逐渐出现下降趋势，由2006年0.966 7 hm2／人到2016 年0.391 2 hm2／人，年均降幅为5.8%.近些年来，随着很多历史文化名迹的开发，广汉市的角色发生了变化，逐渐由第一产业转型发展旅游业、服务业，故其生态足迹逐渐下降，跟它的经济发展、产业转型等密不可分.罗江县从2006 年的生态足迹高水平阶段2.107 9 hm2／人直接下降到2009 年生态足迹低水平阶段0. 524 9 hm2／人，是因为罗江县在2008 年汶川地震中属于重灾区，耕地损坏严重，耕作能力急剧下降.自2009年之后罗江县的生态足迹又逐渐上升到一个高水平阶段，属于德阳市粮食大县.什邡市生态足迹一直保持在一个稳定状态，10 年来变化率不大.绵竹市的生态足迹经历了一个由高到低再到高的阶段，从2006 年的较高水平0.538 9 hm2／人到2009 年的低水平0. 259 6 hm2／人，也是因为汶川地震的影响，之后逐渐升高，2013 年达到0.511 2 hm2／人，再下降是因为随着经济的发展，绵竹市确立了一批风景区，逐渐从农业大县向旅游县城转型.总之，在空间结构上，德阳市各区县的生态足迹呈现西南、西北、东北部高，东部、南部低的局面，10 年来各区县生态足迹空间变化上不大，呈现一个稳定状态.

图1 德阳市各区县生态足迹空间分布Fig. 1 Spatial distribution of ecological footprints in various districts and counties of Deyang City

3.2 德阳市各区县耕地的生态承载力时空变化分析 使用ArcGIS 工具里的自然断裂点法对德阳市各区县耕地生态承载力进行分类，划分节点分别为：0.098 000、0.134 000、0.141 600、0.153 900 和0.201 600.在2006 年到2016 年10 年来的时间段内，德阳市耕地的承载力呈现下降的趋势，其中旌阳区的变化最为剧烈，主要表现为大幅下降，从2006 年 的0. 114 5 hm2／人 下 降 到2016 年 的0.098 0 hm2／人.广汉市经历了生态承载力先升后降再升再降的变化趋势，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／人之后逐年呈现一个缓慢下降趋势，总体在缓慢下降.什邡市、绵竹市、罗江县、中江县的变化趋势也大致一致，呈现出整体下降，偶尔上升趋势.总体来讲，德阳市各区县耕地的生态承载力在合理的范围内呈现缓慢下降趋势.生态承载力的上升下降跟耕地的面积变化有关，之所以德阳市的生态承载力没有出现不可抑制的下降状态，是因为国家近年大力保护耕地，力保基本农田的面积而做出的努力有关.

由德阳市各区县耕地的生态承载力空间分布图（图2）可以看出，耕地的生态承载力在空间分布上有一定的差异，生态承载力总体呈现西部、东部、北部高，南部低的局面.2006—2016 年10 年内，中部旌阳区表现为持续下降，这主要是因为旌阳区耕地功能逐年向其他区县转移导致耕地面积下降所致.从2016 年生态承载力分布图可以看出，什邡市和广汉市生态承载力也在持续下降，由2013 年的中高水平的生态承载力下降为2016 年较低水平的生态承载力，主要原因是什邡市和广汉市在近几年来产业转型，大力发展旅游业和其他服务业所致.总体来说，德阳市耕地生态承载力的下降趋势较为稳定，空间分布结构也较为稳定.

图2 德阳市各区县生态承载力空间变化Fig. 2 Spatial variation of ecological carrying capacity in various districts and counties of Deyang City

3.3 德阳市各区县耕地的生态盈亏状态时空变化分析 德阳市生态盈亏在ArcGIS 中使用自然断裂法分类时采用的分类节点分别为：-0.135 600、-0.944 00、- 0. 920 00、- 0. 235 00、0. 000 00、0.258 700和0.563 500.从时间序列来看，德阳市各区县的生态盈余表现为，旌阳区在2006—2016 年以来10 年内耕地一直呈现生态赤字状态，但生态赤字逐年降低，由2006 年的-0.111 8 hm2／人到2016 年的-0.094 4 hm2／人，向好性明显.中江县近10 年内耕地一直呈现生态赤字，生态赤字变化不大，由2006 年的-0.135 6 hm2／人到2016 年的-0.92 0 hm2／人，呈转良趋势.广汉市耕地在近10年来都处于生态盈余状态，但是盈余程度由2006年的0.820 3 hm2／人到2016 年的0.258 7 hm2／人，一直保持下降状态，年均降幅为5.6%.什邡市除了在2015 年出现了生态赤字之外，其余年份都呈现生态盈余，但是生态盈余表现为持续下降，下降趋势与生态承载力的下降趋势一致.罗江县的耕地则是都呈现出生态盈余状态.绵竹市的耕地生态盈亏变化较大，2006—2016 年以来，2006—2009 年这个时间段内，绵竹市的生态盈余呈下降趋势，由2006年的0. 372 7 hm2／人下降到2009 年的0. 108 9 hm2／人；在2010—2015 年这个时间段内，绵竹市的耕地生态盈余呈现上升趋势，由0.281 2 hm2／人上升到0.440 1 hm2／人.但是，在2016 年，绵竹市突然出现了生态赤字年，这是因为在2016 年，绵竹市的生态足迹下降降幅较大所致.什邡市的耕地近10年内都处于生态盈余状态，并呈现出增加趋势.在近10 年的时间段内，德阳市各区县除了什邡市耕地一直向良好的生态盈余方向发展，其余各区县耕地的生态赤字情况向好性不明显，甚至出现赤字扩大迹象.

由德阳市各区县耕地的生态盈亏分布图（图3）可以看出，德阳市的耕地在空间分布上差异较大，在2006 年，德阳市耕地的西北、西南部呈现生态盈余，中部和东南部则呈现生态赤字，总体表现为西部盈余，中东部亏的局面.随着时间的推移，到2016年时，德阳市耕地的西北部也呈现出生态赤字状态，耕地生态赤字重心的分布范围呈现出西部盈余状态向生态赤字发展的局面.导致这种变化的原因可能是，近几年来德阳市经济发展的需求，中部绵竹市、旌阳区、中江县大力发展经济，涌入大量人口，产业类型由第一产业向第二三产业逐渐转型，耕地面积减小，生态承载力减小所致.

图3 德阳市各区县生态盈亏空间变化Fig. 3 Changes of ecological profit and loss space in various districts and counties of Deyang City

3.4 德阳市各区县耕地脆弱性分布时空变化分析对2006—2016 年各区市县生态压力指数，在Arc-GIS中使用自然断裂点法分为6 类，划分标准为：0.5、0.8、1.0、2.0 和5.2 hm2／人，并将耕地生态压力指数进行空间可视化表达后得到德阳市耕地脆弱性空间分布图（图4）.

在时间序列上可知，旌阳区耕地ETI从2006 年的0.023 6 hm2／人到2016 年的0.037 0 hm2／人，表现为逐渐增加趋势.这说明旌阳区耕地的脆弱性有所增加.旌阳区耕地EOI在2012 年之前逐年增加，2013 年出现下降趋势，之后又逐渐增加，这说明旌阳区近10 年来经济发展水平呈持续增长状态.中江县耕地的ETI也是呈逐年增加趋势，由2006 年的0.044 1 hm2／人增加到2016 年的0.526 3 hm2／人.中江县的EOI在2009 年出现了一个近10 年来的最大值，达到3.514 5 hm2／人，这有可能是因为2008年地震之后国家大力重建灾区所致.广汉市的耕地ETI、EOI呈逐年上升趋势，这与广汉市经济逐年增加趋势一致，符合现实社会发展情况.什邡市、绵竹市、罗江县三区县近10 年来，ETI、EOI都是呈现一个先下降后上升的趋势.

从空间演变上而言，德阳市耕地的脆弱性主要呈现出西南部极脆弱，东南部较脆弱，中部耕地低脆弱的空间分布规律，其中，什邡市、广汉市、罗江县的耕地都呈现出较强的脆弱性，这与当地耕地的使用强度有极大的关系.随着耕地的使用强度不断增加，生态足迹增加，生态承载力持续下降，从而耕地的脆弱性逐年增加，不可持续性利用的趋势明显.其中，旌阳区、中江县耕地的脆弱性较小，耕地呈稳定状态.这一方面是因为这2 个县的功能与其他县有所区别，拥有的耕地面积较那些脆弱性较强的区县少，另外一方面，这2 个区县耕地的农作物种植面积也较小，大部分耕地承担着绿化等其他职能.绵竹市的耕地脆弱性水平呈现出一个稳定状态，10 年没有发生较大变化，一直处于一个较良性的局面，这与绵竹市政府这些年对耕地的重视与保护密不可分.

图4 2006—2016 年德阳市各区县生态压力指数空间分布Fig. 4 Spatial distribution of ecological stress index in various districts and counties of Deyang City from 2006 to 2016

4 结论与讨论

4.1 结论 通过计算德阳市近10 年来各区县耕地的生态足迹、生态承载力、生态盈亏、生态压力指数，可以得出以下结论.

1）德阳市耕地的整体生态足迹和生态承载力在时间层面上均呈现出一个缓慢下降的趋势，其中，生态足迹由2006 年的1.870 7 hm2／人下降到2016 年的1.209 1 hm2／人，生态足迹总体下降幅度为35.36%，平均每年下降量为0.187 0 hm2／人.德阳市耕地生态承载力从2006 年的0.145 1 hm2／人下降到2016 年的0.136 5 hm2／人，降幅为5.8%.这与德阳市近些年来经济发展密不可分，耕地转换成建设用地等其他用地类型，使得德阳市耕地面积减小，对耕地的利用强度增加的结果.生态盈亏情况则表现为，除了绵竹市的生态盈余状态有所上升之外，其他各区县生态赤字在逐渐增大，生态盈余情况在逐渐下降.如果不遏制当前这种情况，德阳市耕地的生态承载力将继续较小，耕地的生态盈余将慢慢转化为耕地生态赤字状态，耕地脆弱性将持续上升，这很不利于耕地的可持续发展要求.

2）在空间演化层面上，德阳市耕地脆弱性呈现出西南部（什邡市和广汉市）很脆弱甚至极度脆弱的状态，东北部耕地也是呈现出连续脆弱的状态，德阳市耕地脆弱性空间分布整体特征为“两翼极脆弱，中间较稳定”的状态.

3）德阳市目前耕地的脆弱性状态变化幅度很小，这与政府这些年对耕地的重视与保护有关.但还是能明显看出耕地目前利用状态的一些不合理性.耕地作为一种宝贵的不可再生资源之一，其生产效力具有有限性，耕地自身的调节能力和恢复能力需要时间，德阳市“两翼”的耕地在近10 年来一直处于脆弱状态，不利于此处耕地的恢复以及自我调节，相对于“两翼”，中江县作为德阳市面积最大的区县，其耕地的状态一直都较稳定.因此，德阳市在今后的土地利用方面可以稍微加大对中江县的耕作产出，来缓解“两翼”这种极度脆弱的状态.

4.2 讨论 基于数据的可获得性及数据有效性考虑，同时基于其他学者的研究经验，计算生态足迹时使用生产量代替消费量，导致计算出的生态足迹的结果呈略微下降趋势.在对德阳市耕地的脆弱性进行评价的时候，基于生态足迹模型，引用生态压力指数作为评价标准，这与传统意义上脆弱性在其他领域应用时的评价体系相比，稍显单一.因此，在以后的研究中，如果数据可获得，计算生态足迹的时候还是要使用人均消费量来计算.在对耕地的脆弱性进行研究时，可通过使用“人类扰动-政策变化-自然条件”的评价体系对耕地脆弱性进行系统全面的多指标评价.