基于生态足迹模型的湖南省耕地可持续利用研究

刘鸿娟

(湖南师范大学地理科学学院，湖南长沙 410081)

我国幅员辽阔，资源丰富，土地类型多样，耕地作为众多土地类型中的一种，不仅是不可再生的稀缺资源，更是最重要的农业生产资料，还是构建良好稳定的生态系统的基础。近年来，国家快速的城镇化建设进程致使用地需求持续加大，严重影响经济、耕地和生态的关系，使得三者之间的矛盾愈演愈烈。因此，能否科学地评估耕地开发利用，协调好发展经济与保护耕地的关系，对实现可持续发展战略有着深远的意义。

1992年，国外学者Rees[1]和Wackernagel等[2]提出了一种分析自然资源可持续状况的定量评估方法，并由Wackernagel完善，后续在土地资源可持续利用、区域生态安全与资源承载力、生态足迹与经济发展相关性等领域都可见此类方法。国内学者也从不同角度就该内容展开了大量研究。关于研究尺度，从国家[3]、省[4]、市[5]到局部区域[6]的研究应有尽有，多尺度探索可为地区的建设和可持续发展提供思路和方向。在生态足迹模型改进方面，刘钦普等[7]先用改进的生态足迹模型来计算耕地的生态足迹，再用改进后模型的结果与传统模型的结果进行对比分析；还可以改变模型中均衡因子和产量因子的取值方法，得到新的“国家公顷”[8]、“省公顷”[9]等计算公式来建立生态足迹模型，以准确反映不同尺度研究区域的生态足迹状况与特征。基于上述已有的研究成果，笔者对湖南省2011—2020年耕地可持续利用进行评价分析，并预测2021—2025年耕地利用状况，针对在开发利用耕地及模型测算的过程中发现的问题提出相应对策，为区域耕地资源可持续利用提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况湖南位于长江中游、洞庭以南，地理位置为108°47′～114°15′E、24°38′～30°08′N，东靠江西、西连贵州重庆、南邻广西广东、北依湖北(图1)。该省总面积为21.18万km2，年内温度差别大，光热水资源丰富，地貌类型多样，山地、丘陵与平原交错相间。自古就被誉为“九州粮仓”“鱼米之乡”的湖南，土地资源总量丰富，类型多样。作为一个农业大省，2020年湖南省耕地面积为414.88万hm2，约占全国耕地总面积的3.1%，人均耕地面积为0.057 hm2。截至2020年底，全省户籍人口7 295.58万，全年生产总值41 781.49亿元，人均生产总值为62 900元。

1.2 数据来源该研究所涉及的统计数据来源于湖南省统计局的《湖南省统计年鉴》(2012—2021年)、国家统计局的《中国统计年鉴》(2012—2021年)、《湖南省国民经济与社会发展公报》(2012—2021年)等。

1.3 研究方法

1.3.1耕地生态足迹。区域人口在一定条件下消耗的全部资源与产生的全部废弃物所需要占用耕地的面积称为耕地生态足迹。计算公式如下：

EF=N×ef

(1)

(2)

式中，EF是研究区耕地总生态足迹，N为研究区人口数，ef为研究区人均生态足迹，i为研究区消费品的类型，ri为均衡因子，Ai为研究区人均i种类型的消费品折算成的生物生产性面积，Ci为区域第i种消费品的人均年消费量；Pi为全国i种消费品平均生产能力。

图1 湖南省地理位置示意图Fig.1 Geographical location of Hunan Province

1.3.2耕地生态承载力。生物生产性耕地能够提供给一定范围的人口生存且可再生的具体面积称为耕地生态承载力，其用来表示在一定环境条件下的生态容量。计算公式如下：

EC=N×ec

(3)

(4)

式中，EC为耕地总生态承载力(hm2)，N、i、ri的含义与公式(3)和公式(4)一致，ec为人均耕地生态承载力(hm2)，ai为人均生物生产性土地面积，yi为产量因子。

1.3.3生态盈余、生态赤字。生态盈余表示区域内人类对生物资源的消耗力小于其自身生产力，区域呈发展可持续状态，可以通过比较区域内的生态承载力是否大于生态足迹得出[10]。反之，生态赤字则表明该地区人类发展超出生态容量且呈不可持续状态，其值为生态承载力与生态足迹两者之差。计算公式如下：

ED=EC-EF

(5)

式中，ED为生态赤字；EC、EF代表的含义同公式(1)和公式(3)。

1.3.4生产力可持续指数。基于生态足迹理论来探究区域土地可持续利用的常用方法之一是对生态盈余或生态赤字的具体值进行判断。在该方法中，绝对数值只能简单地评价某一时点某区域的土地利用是否可持续，未能及时地体现某区域土地可持续利用情况。因此，为了了解不同年份的土地生产力发展水平是否可持续，提出了生产力可持续指数(PSI)[11]，其计算公式如下：

(6)

式中，PSI取值为0～1，越趋近于1，说明研究区的土地可持续利用程度愈高；反之，说明研究区的土地可持续利用程度愈低。根据环境质量评价的分级方法，运用相对指标法将湖南省的耕地生产力可持续指数(PSI)分为5级：强可持续(PSI≥0.6)、中等可持续(0.3≤PSI<0.6)、弱等可持续(0≤PSI<0.3)、不可持续(-0.3≤PSI<0)、极不可持续(PSI<-0.3)[12]。

1.3.5均衡因子、产量因子。生态足迹模型在被运用过程中，许多学者对均衡因子和产量因子的取值参考世界自然基金会(WWF)的《地球生命力报告》，但其给出的参考值缺乏对区域细节特征的有效反映。该研究将结合湖南省的实际数据来计算该省耕地的均衡因子和产量因子。均衡因子的取值要牵涉各种类型的生物生产性土地，该研究的区域和对象是湖南省的耕地，则生物生产性土地只涉及耕地，不必再根据生产性作物的种类来计算均衡因子，因此均衡因子的取值为1。受地形、生态环境及社会因素等的影响，同类土地的生产力不尽相同。为了方便比较，同类土地中区域与全国的平均生产力之比为产量因子，即湖南省粮食的年均产量与全国粮食的年均产量之比。

1.3.6耕地可持续利用状况预测。在已有的生态足迹预测的研究成果中，常见的方法是用GM模型来预测耕地可持续利用。而该研究借用数理统计方法，以湖南省2011—2020年人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力的变化率对该省2021—2025年的相关情况进行预测，预测公式如下：

Zn=(1+t)n

(7)

Yn=(1+q)n

(8)

Pn=Zn-Yn

(9)

式中，Zn为预测的人均生态足迹，Yn为预测的人均耕地生态承载力，Pn为预测的人均耕地生态赤字/盈余，t为人均耕地生态足迹的年变化率，q为人均耕地生态承载力的年变化率。

2 结果与分析

2.1 耕地生态足迹通过对湖南省历年耕地生态足迹的计算(表1)，2011年湖南省耕地总生态足迹为67 256 455.328 9 hm2，2020年耕地总生态足迹为36 904 849.326 1 hm2，10年来耕地总生态足迹下降了45.13%。同时，2011—2020年湖南省人均耕地生态足迹也从0.942 5 hm2下降至0.505 9 hm2，减少了0.436 6 hm2(表2)。此研究结果表明湖南省人口对耕地的依赖程度逐年降低。

表1 2011—2020年湖南省耕地总生态足迹、总生态承载力、总生态赤字

2.2 耕地生态承载力从表1～2可以看出，2011—2020年湖南省耕地总生态承载力从3 949 789.927 2 hm2下降至3 164 043.932 0 hm2，减少了19.89%；人均生态承载力从0.055 4 hm2降低至0.043 4 hm2，减少了0.012 0 hm2。这10年间湖南省的人口增加了1 599 800人，耕地面积却没有相应增加，这使得该省的耕地承载力逐年下降，但下降幅度小于耕地生态足迹的下降幅度，所以该省的耕地压力得到了一定程度的缓解。

2.3 生态赤字对2011—2020年湖南省耕地生态足迹及耕地生态承载力的结果(表1)进行分析，10年来该省的生态赤字从63 306 665.401 7 hm2降至33 740 805.394 1 hm2，人均生态赤字从0.887 1 hm2减少至0.462 5 hm2，这说明湖南省的耕地正逐步实现可持续发展，经济朝集约型发展方向迈进。

2.4 耕地生产力可持续指数根据2011—2020年湖南省耕地生产力可持续计算结果(表2)，2011—2020年湖南省耕地生产力可持续指数从0.055 5波动上升至0.079 0，根据耕地生产力可持续指数分级，该省耕地处于弱等可持续状态，但是随着时间的推移，耕地不可持续利用现象稍有好转。

表2 2011—2020年湖南省人均耕地生态足迹、人均耕地生态承载力、人均生态赤字、生产力可持续指数

2.5 均衡因子及产量因子该研究所涉及的均衡因子取值为1。产量因子的取值为湖南省粮食年平均产量与全国粮食年平均产量的比值。对收集到的数据资料进行整理分析，计算得到2011—2020年湖南省耕地的均衡因子与产量因子(表3)。

2.6 湖南省耕地可持续利用预测根据湖南省统计年鉴数据可知，2011—2020年湖南省耕地面积逐年减少，人均耕地面积从2011年的0.058 0 hm2减少至2020年的0.049 7 hm2，耕地面积减少不利于耕地的可持续利用。同时将2011—2020年湖南省人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力的年变化率的平均值、最大值和最小值(表4)作为基本变化率带入公式(7)～(9)，计算得到该地区2021—2025年人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力(表5)。

表3 2011—2020年湖南省耕地均衡因子及产量因子Table 3 Balance factor and yield factor of cultivated land in Hunan Province from 2011 to 2020

根据3个方案和公式(9)，计算出湖南省2021—2025年人均耕地生态盈余/赤字变化(表5)。由表5可知，在2021—2025年，方案1预测的人均耕地处于生态赤字状态，方案2与方案3预测的人均耕地处于生态盈余状态。到2025年，方案1的人均耕地生态赤字量为0.059 1 hm2，方案2的人均耕地生态盈余量为0.493 8 hm2，方案3的人均耕地生态盈余量为0.142 1 hm2。

表4 2011—2020年湖南省人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力的年变化率

3 耕地可持续利用对策

通过上述对湖南省耕地利用的理论分析以及实际工作中的了解与认识，笔者认为提升耕地资源可持续利用能力可主要抓好以下几点。

3.1 基于农业精细化管理来提高耕地利用效率问题当下湖南省对耕地的监测及其统计数据的收集工作不够完善，耕地的主要产出品(水稻)的生长过程得不到有效监控和适宜的生长环境，例如“3S”技术在耕地管理中运用不充分，未能实时掌控农作物生产态势。发展精准农业是大势所趋，也是乡村振兴的必然走向。只有提高耕地利用效率，才可能缓解人口增加对粮食产出的需求及耕地自身承载力有限等压力。

3.2 基于绿色循环农业来改善耕地生态环境问题大量实践表明土地利用与生态保护之间需要相辅相成而不是相互制约，这关键是认识和协调好两者之间的关系。2020年湖南省的粮食总产量为3 015.1万t，高产的同时也伴随着高污染。由重金属引起的耕地污染，滥用农药化肥，得到的结果却是高产量低质量。第一要务是推广绿色循环农业，增加人们对其的认识，要将绿色农业化于心、践于行。例如，作物种植时尽量避免施加农药化肥，可利用秸秆还田技术来增加农田肥力。同时政府要提供政策和技术支持，全方位鼓励农户开展绿色农产品种植，监督农户从育种到丰收的全过程，农户也应及时反馈作物状态，安排农业科技员来和农户合作经营，保证生产过程高效、产品高质、资源节约。

表5 2021—2025年湖南省人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力预测结果Table 5 Prediction results of per capita cultivated land ecological footprint and per capita cultivated land ecological carrying capacity in Hunan Province from 2021 to 2025 hm2

3.3 基于耕地管护来弥补耕保制度缺失问题保护耕地资源关乎国计民生，福泽千秋万代。当上级政府颁布有关法律政策时，地方政府还需因地制宜地制定针对性更强的机制，强化管控。耕地用途审批流程严格化，务必修复任何随意更改耕地用途的缺口，违背相关规划来改变耕地用途的单位和个人须追究法律责任。实行耕地损失补偿，根据实际情况合法占用耕地的用地者需要进行合理补偿，补偿的费用直接用于开垦新的耕地。处在新时代，“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大新发展理念要落到实处，经济发展不能过分地唯GDP论，各级单位需树立正确的耕地保护观念，绩效考核中可纳入耕地保护相关内容，以起到监督约束作用。

3.4 基于增加执法来杜绝监察不到位问题若要突出执法的权威和监管的长效，上级土地管理部门与基层组织需协调联动来连通层级巡查监管的“最后一公里”，实现地区、职位、人员三方密切配合，保证区域、时段、项目的实时监测。执法监察部门需形成简化办事流程，透明工作力度，自觉接受监督的作风。乡镇土地管理部门在处理农村危房空心房拆除、美丽乡村建设项目等特殊工作时，要将监管贯穿选址、划线、验收全过程，同时与迁建村民签订还耕合同，确保还耕土地的面积与质量。

4 结论

综合分析生态足迹理论并运用生态足迹模型研究了湖南省耕地的可持续利用状态。再根据湖南省2011—2020年人均耕地生态足迹与人均耕地生态承载力的具体变化情况，预测出该省2021—2025年相关变化情况。通过分析得出以下结论：

(1)2011—2020年湖南省耕地面积逐年减少，人均耕地面积从2011年的0.058 0 hm2减少至2020年的0.049 7 hm2。耕地面积减少不利于耕地的可持续利用。

(2)2011—2020年湖南省耕地生态足迹在逐年减少，从67 256 455.328 9 hm2减少至36 904 849.326 1 hm2；耕地生态承载力逐年减少，从3 949 789.927 2 hm2减少至3 164 043.932 0 hm2；耕地生态赤字呈现逐年减少的趋势，从63 306 665.401 7 hm2减少至33 740 805.394 1 hm2。说明湖南省耕地不可持续利用的情况有所缓解。

(3)根据3种预测方案，方案1预测的人均耕地处于生态赤字状态，方案2与方案3预测的人均耕地处于生态盈余状态。到2025年，方案1的人均耕地生态赤字量为0.059 1 hm2，方案2的人均耕地生态盈余量为0.493 8 hm2，方案3的人均耕地生态盈余量为0.142 1 hm2。如果要实现湖南省耕地的可持续利用状态，首选方案2最佳。