无定河流域农田与草地生态承载力变化及其限制因素分析

李佳慧，黄 麟，祝 萍，王世豪

（1. 中国科学院地理科学与资源研究所 / 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室, 北京 100101；

2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 中国科学院地理科学与资源研究所 / 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101；4. 中国科学院地理科学与资源研究所 / 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101）

长期以来人们对自然环境的污染、生态资源的过度消耗，导致生态系统退化，威胁到区域生态安全与人类的健康[1]；生态环境、资源利用和可持续发展问题正在成为人类面临的重大挑战[2]。人地系统耦合研究，特别是人地耦合系统承载力评价、预警与调控，可以明晰地球生命承载能力的极限和临界点，指导人们合理利用生态资源、实现人地关系的和谐发展，使之成为自然资源利用、生态环境保护的重要手段[3]。“未来地球”研究计划更是将资源环境承载力研究与全球变化、可持续发展研究紧密结合，作为重要的战略研究议程[4]。

生态承载力以“生态-经济-社会”复合生态系统为研究对象，探讨生态系统和经济社会系统之间的耦合关系，反映人地关系协调发展程度[5]，以及资源合理开发利用和环境良性循环的条件下生态系统的承载能力与压力[5]。生态承载力评估方法有净初级生产力人类占用分析法[6-7]、生态足迹法[8-9]、生态系统服务法[10-11]、能值法[12-13]等，广泛应用于区域发展[14-15]、国土空间布局[11,16]、保护地规划[17-18]、流域水资源调控[19-20]等实践中。然而，生态系统内部结构与功能的复杂性以及生态承载力的动态性、空间异质性与相对性，使得目前关于生态承载力还没有科学统一的评价体系和核算模型[10]；难以定量化表征生态系统的供给容纳能力、区间贸易流动影响、人类活动与生态系统的相互作用关系[5]；识别影响区域发展的限制性生态供给并应用于协适策略研究仍然是难点所在[10]。

无定河流域作为典型的农牧交错区域，生态系统结构复杂，生态环境相对脆弱，同时，煤、盐、油、气开采及加工的产业链迅速发展给流域带来诸多水资源问题，水污染尤为突出，近年来随着流域治理力度加大，水质有所好转，但形势依然严峻，使流域的县域面临更为严峻的生态问题与发展问题[21]，水资源成为流域发展的核心约束之一。因此，本研究基于食物膳食营养供给与消耗、牧草供给与消耗，在厘清无定河流域各县域农田与草地生态承载力变化基础上，评估综合承载状况变化并根据“短板效应”识别生态承载限制因素，通过水资源生态承载状态分析进一步研究水资源对流域农田、草地生态系统承载力的制约影响，为制定流域农牧业发展与资源分配策略、实现山水林田湖草沙的生态保护修复空间耦合提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

无定河流域位于黄土高原北部、毛乌素沙漠南源，处于黄河流域中游地区，跨陕西省和内蒙古自治区两个省(区)，涉及两省(区)15个县(旗、区) (图1)。流域地处内陆，属温带干旱、半干旱大陆季风性气候。无定河流域生态系统以草地为主，面积约占流域总面积的64.66%，主要分布在流域中部内蒙古自治区所辖区域，其次为农田，面积约占18.69%，主要分布在流域南部陕西省部分县域。从流域内各县域生态系统类型结构来看，绥德县、米脂县、清涧县、子洲县的生态系统以农田为主。鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗、伊金霍洛旗、子长市与榆阳区的生态系统以草地为主，延川、定边县以草地与农田为主；杭锦旗荒漠与草地占比较大。

图1 无定河流域地理位置与生态系统类型空间分布Figure 1 Geographical location and spatial distribution of ecosystem types in the Wuding River Basin

1.2 数据来源

生态系统类型数据：来源于2020年GlobeLand30数据集，空间分辨率30 m，包括农田、草地、森林、湿地与荒漠。

净初级生产力数据：来源于MOD17A3H产品数据集，时间分辨率为2000-2020年，空间分辨率1 km。

统计年鉴数据：农业、畜牧业生产、居民消费数据、人口数据来源于2000-2020年《陕西省统计年鉴》、《内蒙古统计年鉴》、《鄂尔多斯统计年鉴》、《乌审旗统计年鉴》。水资源可利用量、消耗量数据来源于《陕西省水资源公报》、《内蒙古自治区水资源公报》及各县域年度国民经济和社会发展统计公报。

1.3 研究方法

1.3.1农田生态承载力

1)食物热量与蛋白质供给

本研究基于农田生态系统产出的谷物类、薯类等粮食作物、油料作物以及肉蛋奶产品的供给能力，分县域统计谷薯类作物、油料、肉蛋奶类、蔬菜水果的产量，为统一量纲，按《中国食物成分表》中主要食物营养含量标准，将食物折合成能提供的热量及蛋白质总和[22]。

2)人均营养消耗量

由于当地居民对不同食物的消费可以直接反映其多样化的膳食结构需求，本研究以无定河流域县域城镇及农村居民人均实物量消费为基础，结合城镇农村人口结构比例，同时通过《中国食物成分表》中主要食物营养含量标准进行折算，确定各县域人均营养消耗量。计算公式如下：

3)农田生态承载力计算

根据“短板效应”，农田生态承载力用一定食物消费水平下，区域食物蛋白质与热量生产力所能供养的人口规模的较小值来度量。计算公式如下[23]：

4)农田生态承载状态评估

为明确区域现实人口数量与承载力之间的关系，构建了农田生态承载指数，以表征县域尺度下人口及承载能力之间的相互关系，计算公式如下:

表1 无定河流域生态承载力分级评价标准Table 1 Classification of ecological carrying capacity in the Wuding River Basin

1.3.2草地生态承载力

草地生物性生产供给量通过草地牧草供给量反映。

1)草地生产供给计算

1.3.3综合生态承载状态及其限制因素

1)综合生态承载状态

依据“短板效应”，取各县域草地与农田生态承载状态最差即承载指数最高的作为该县域生态承载限制因素，选取其对应的承载状态指数作为该县域综合承载指数(It) ，并根据It的大小细分为7种承载状态。

2)水资源生态承载状态

通过水资源生态承载状态进一步分析水资源对农田与草地生态承载力的限制性影响。水资源消耗量通过加总生产、生活与生态用水量，生产与生活用水通过统计数据计算，生态用水量通过天然植被生态需水模型计算[30]：

2 结果与分析

2.1 草地生态承载力及承载状态变化

无定河流域草地牧草供给总量为1 117.5万t(图2)，空间分布呈现由北至南递减的特征，鄂托克旗、乌审旗与鄂托克前旗供给量较大，超过了140万t；米脂县和绥德县牧草供给量最少，不足10万t。2000-2020年，流域内草地牧草供给总量由541.26万t增加了576.24万t，增幅106%。增加明显的县域为延川县、子长市、子洲县和横山县等南部县域，增幅超过150%；鄂托克旗、鄂托克前旗与杭锦旗则增幅较小。各县域总畜牧产品消耗量为1 188.86万羊单位(图2)。延川县、子长市等南部县域畜牧产品消耗量较少，不足25万羊单位。鄂托克旗和杭锦旗畜牧产品消耗量最大，超过150万羊单位。近20年，流域内畜牧产品消耗总量增长了7.02万羊单位，增幅仅0.6%。15个县域中10个县域消耗量增长，鄂托克旗、杭锦旗与子洲县增加较显著，增幅超过80%；乌审旗与鄂托克前旗减少较多，超过180万t。

图2 2000和2020年无定河流域各县域草地牧草供给量、畜牧消耗量变化Figure 2 Evolution of grassland forage supply and animal husbandry consumption of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

无定河流域各县域平均草地生态承载力为74.5万羊单位(图3、表2)。米脂县、绥德县等南部县域草地生态承载力较低，不足20万羊单位。北部牧县域域草地生态承载力较大，超过100万羊单位。2000-2020年，流域总草地生态承载力由710.4万羊单位增加到1 466.73万羊单位，增幅106.47%。增加最多的县域为鄂托克旗、鄂托克前旗和乌审旗，平均每年增加超过4万羊单位。无定河流域各县域平均生态承载指数为1.1，子洲县生态承载指数最大，其次是米脂县，子长市最小。近20年，流域平均生态承载指数由1.76下降到1.11，减少36.9%。子洲县、鄂托克旗和杭锦旗生态承载指数有所增加，子长市与乌审旗减小明显。

图3 2000和2020年无定河流域各县域草地生态承载状态变化Figure 3 Evolution of grassland ecological carrying capacity of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

表2 2000和2020年无定河流域各县域草地生态承载力、承载状态变化统计Table 2 Changes in grassland ecological carrying capacity and carrying index of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

草地生态承载状态较重的县域集中在流域西南部(图3)，其中，子洲县与米脂县为过载，横山县与绥德县为超载；定边县、伊金霍洛旗等县域为富裕状态。近20年，流域80%的县域生态承载状态减轻，定边县、子长市、鄂托克前旗与乌审旗明显减轻，鄂托克前旗与乌审旗由过载变为盈余，定边县由超载变为富裕状态；而鄂托克旗、杭锦旗承载状态轻微加重，子洲县由超载变为过载，承载指数增幅超过100%。

2.2 农田生态承载力及承载状态变化

无定河流域农田食物蛋白质供给总量为32.87万t，热量供给总量为5.61×1016J。其中，榆阳区食物蛋白质供给总量最高，为4.97万t，子长市与延川县最低，不足0.6万t；杭锦旗与定边县食物热量供给总量最高，分别为8.21×1015和6.57×1015J。农田单位面积营养供给量空间分异较大(图4)，榆阳区、鄂托克前旗、鄂托克旗、杭锦旗等县域蛋白质与热量供给较高；伊金霍洛旗、定边县与东南部县域则较低。2000-2020年，无定河流域农田供给量呈增长态势(图4)，其中，食物蛋白质单位面积供给量增长了11.31 g·m-2，增幅为222.86%；热量单位面积供给量增长了1.87×106J·m-2，增幅为2.27%。除子长市以外，其他县域食物蛋白质单位面积供给量均呈增长趋势；热量供给除子长市以外，其他县域总体上略有增加，其中，定边县增幅最大。

图4 2000和2020年无定河流域各县域农田食物热量单位面积供给量、消耗量变化Figure 4 Evolution of food heat supply and consumption in farmlands in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

无定河流域食物蛋白质消耗总量为4.96万t(图5)，热量消耗总量为7.33×1015J (图4)。其中，榆阳区食物蛋白质与热量消耗总量均最高，分别为0.67万t与1×1015J。人均每日对农产品蛋白质消耗量较高的县域主要位于流域北部；而子长市与子洲县较低，不足30 g。乌审旗与鄂托克旗人均每日热量消耗最高，为7.9×106J；子长市、子洲县与米脂县较低。近20年，无定河流域人均农产品消耗总体呈降低态势，其中，人均食物蛋白质消耗量降低了17.94 g，降幅为31.52%；热量消耗量降低了3.76×106J，降幅为39.95%。除鄂托克旗蛋白质人均消耗量轻微增长以外，其他县域均有所降低，特别是米脂县、清涧县与子长市降幅较大。各县域食物热量人均消耗均呈降低趋势，子洲县降幅最大，为50.78%。

图5 2000和2020年无定河流域各县域农田食物蛋白质单位面积供给量、消耗量变化Figure 5 Evolution of food protein supply and consumption in farmlands in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

根据“短板效应”，无定河流域农田能供养的人口总数为2 515.46万人，其中榆阳区最高，超过400万人；伊金霍洛旗、延川县与子长市较低，不足50万人(表3)。2000-2020年，流域农田生态承载力增长显著，增幅为436.29%；各县域中，榆阳区农田生态承载力增长352.02万人，其次是定边县、靖边县、绥德县、横山区，增长均超过200万人，而伊金霍洛旗、延川县与子长市增幅较低。

表3 2000和2020年无定河流域农田承载力与承载指数变化统计Table 3 Changes in farmland ecological carrying capacity and carrying index of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

流域农田生态承载指数变化显示(表3)，近20年各县域农田生态承载力均呈不同程度降低趋势，定边县、绥德县与横山区降幅较大，超过85%；子长市降幅最小，约15.63%。流域农田生态承载状态显示(图6)，80%的县域处于富富有余状态，延川县、伊金霍洛旗与子长市为富裕、盈余状态。近20年，各县域农田生态承载状态减轻，绥德县、子洲县由超载状态变为富富有余状态，延川县由超载变为富裕状态。近20年，子洲县主要限制性因素由食物热量供给变为蛋白质供给，横山区则反之；绥德县以食物蛋白质供给为主要限制因素不变。

图6 2000和2020年无定河流域各县域农田生态承载状态变化Figure 6 Evolution of farmland ecological carrying capacity of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

2.3 综合生态承载状态变化及其限制因素

近20年，鄂托克旗与杭锦旗综合承载状态指数略有增加(图7)，子洲县增长近120%，其余县域均呈不同程度降低趋势，乌审旗与鄂托克前旗降低最多，降幅近80%。从综合生态承载状态县域分布来看(图7)，约50%县域综合承载状态有余，其中，定边县为富富有余状态，伊金霍洛旗与延川县为富裕状态，其余县域表现为盈余状态；米脂县、子洲县为过载，横山区与绥德县为超载状态。近20年，子洲县与杭锦旗综合承载状态变差，伊金霍洛旗、鄂托克旗与子长市维持盈余状态，米脂县维持过载状态；其余县域承载状态均有所减轻，特别是乌审旗、鄂托克前旗、延川县与定边县明显减轻。总体上，20年间流域生态承载状态呈现轻微转好的态势。

从县域生态承载限制因素来看(图7)，延川县与子长市主要限制因素为农田供给，且主要为热量供给(图4)，其余县域主要限制因素均为草地供给，特别是米脂县与子洲县草地生态承载指数远大于农田，表明牧草供给对其承载力制约作用较大。2000-2020年，子洲县生态承载主要限制因素由农田供给变为草地供给，而子长市由草地供给逐渐变为农田供给，其余各县域均维持草地供给为主要限制因素不变。从流域水资源对生态承载力限制作用看，无定河流域多年平均水资源可利用总量约为每年64.07亿m3；2020年，流域可利用水资源量较多年平均水资源可利用量减少了10.4%。流域水生态承载状态由北至南逐渐减轻(图8)，杭锦旗、鄂托克旗和鄂托克前旗处于超载状态，其余县域均呈盈余状态，仍具承载潜力，由此表明水资源对流域北部县域特别是杭锦旗草地生态承载力限制作用较强。

图7 2000和2020年无定河流域各县域综合生态承载状态变化量统计Figure 7 Statistics of changes in comprehensive ecological carrying capacity of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

图8 2000和2020年无定河流域各县域水资源生态承载状态变化Figure 8 Evolution of water ecological carrying capacity of each county in the Wuding River Basin in 2000 and 2020

3 讨论与结论

3.1 讨论

由于土地面积较大、人口密度较低，无定河流域农田生态系统承载压力较小，处于粮食盈余状态。而流域内的区域差异极明显，北部风沙区降水量少、蒸发量大，人均、地均天然水资源量均低于全国平均水平，面临风沙威胁、水资源约束等极大生态压力，在干旱和不合理产业开发的共同影响下，地下水和出水量均逐渐下降，造成土壤沙化、草地退化、土地荒漠化等，成为社会经济和自然环境发展的主要限制因素[31]。同时，北部牧区的杭锦旗与南部农区的部分县域牧草供给无法满足畜牧生产消耗，反映畜牧业存在发展失衡的问题，应实施种草、封禁等措施，进一步遏制土地退化与荒漠化；同时采取减畜、外调饲草等措施降低天然草地放牧压力[21,26]。综上所述，流域可持续发展与生态安全一方面应聚焦保护性开发，将生态保护修复作为县域发展的重要约束性指标；控制流域水资源承载力的总量，遵循“以水定规模、以水定发展”原则，制定合理的水资源规划，确保未来发展对区域水资源的需求；另一方面，流域生态保护修复需要做好省区间、地市间衔接，合理配置种植业与牧业资源，协调好空间布局和水资源分配上的矛盾，“山水林田湖草沙”的空间耦合是关键。

本研究通过食物膳食营养供给与消耗量估算农田供给承载状态，考虑居民食物消费结构的多元化，相对基于粮食单一指标土地承载力评价[29]更准确；通过NPP量化牧草供给可以更好掌握供给动态变化与空间分布，根据“短板效应”识别区域生态承载主要限制性因素，可为区域制定产业发展、异地资源补给策略提供参考[21]。但是由于数据来源限制，本研究未考虑区域贸易产生的资源流动对生态承载状态的影响，在核算草地与农田生态承载力时未考虑舍饲与补饲情况，今后研究将进一步细化生态承载力评价指标，考虑生态系统服务权衡与协同、区域贸易流动影响，对自然因素与社会经济因素对生态承载状态变化的影响进行量化分析，以作为可持续发展协适策略制定的关键指示器。此外，多源异构即不同时空分辨率数据的整合使用使评估结果具有一定的不确定性，且目前评估在县域尺度，需进一步深入在栅格尺度、探索县域内部差异。

3.2 结论

本研究基于农田与草地生态系统供给与消耗平衡关系，分析了无定河流域2000-2020年生态承载力与承载指数变化，评估了畜牧生产、居民生活消耗对生态系统供给的压力，揭示了各县域生态承载限制类型以及水资源对其影响。研究结果表明：

1)近20年，无定河流域草地生态供给总量由541.26万t增加到1 117.5万t，南部县域增幅超过150%，北部县域增长较缓；流域畜牧消耗总量轻微减少了7万t。流域草地生态承载力由710.4万羊单位增加到1 466.73万羊单位，平均承载指数由1.76下降到1.11，80%县域生态承载状态指数减轻，定边县、子长市、鄂托克前旗与乌审旗明显减轻。

2)近20年，流域农田生态系统的食物蛋白质供给与热量供给分别增加11.31 g·m-2与1.87×106J·m-2，除子长市以外其余县域农田供给均呈增长态势；而各县域人均食物蛋白质与热量消耗轻微降低。农田生态承载力由469.05万人增长至2 515.46万人；承载状态指数降低了0.66，南部的子洲县、绥德县等县域承载状态明显转好，由超载转为富富有余状态。

3)近20年，流域内80%的县域综合生态承载指数减轻，其中乌审旗、鄂托克前旗显著减轻，鄂托克旗、杭锦旗略有增加，子洲县明显增加；约70%的县域综合承载状态转好，仅子洲县与杭锦旗承载状态变差，米脂县维持过载状态；总体上流域主要生态承载限制因素为牧草供给，水资源对北部县域生态承载力限制影响较大。