基于地理可视化的耕地承载力评价

王静怡 刘淑英 王平

摘   要：目前研究承载力多是研究一个区域整体的情况，而缺少对一个区域承载力的专项分析，所以难以对一个区域提出针对性的建议。因此，基于生态足迹模型，在ArcGIS的技术支持下，结合人口格网，利用空间可视化的方法对齐齐哈尔市辖区耕地承载力进行了分析与评价。结果表明，空间可视化方法下的耕地承载力评价方法与区域耕地承载力评价方法更加具有针对性。齐齐哈尔市辖区耕地生态足迹、耕地承载力皆呈离散状分布，市辖区的生态足迹和承载力因为人口聚集的原因要高于其他地区；生态赤字呈“西盈东赤”的分布特点，且盈余的地区也处于生态赤字的临界状态，耕地亟须得到合理保护。

关键词：生态足迹；GIS；地理空间可视化；齐齐哈尔市

中图分类号：F323.211        文献标志码：A       文章編号：1673-291X（2023）02-0021-05

耕地承载力是研究一个国家或地区耕地、粮食、人口、环境与社会发展的关系，是制定区域发展战略和长远规划的重要依据[1]。这个概念同时体现了耕地不同于其他的产业，既有对耕地活动投入品进行的消费，也有耕地所产生的污染物和废弃物。对此，国内研究者结合实际情况进行了大量研究。研究重点主要有如下三个方面：（1）对不同类型的生态足迹进行了标准化的研究。根据生态足迹的特点，对生态足迹的产量因子、均衡因子等参数加以改进与调整[2]，提出了“国家公顷”[3]“省公顷”等计量单位[3]，使其参数更适用于实际生态承载力评价情况。（2）耕地生态足迹指标体系的不断完善。将生命周期法[4]、能值理论[5]等生态足迹指标方法与农业生态足迹研究相结合[6]，从多个不同的方面把其融入到衡量农业社会、经济和生态的指标体系当中。（3）生态足迹可持续发展的分析、预测。从环境生态的角度进行研究，测算当地的耕地生态足迹以及评估其发展情况[6]，同时开始关注其与社会经济、文化、科技等相结合的可持续发展情况。

本文基于地理空间可视化的方法对耕地承载力进行评价。打破以行政单元作为最小单元的空间分布分析方法，运用人口格网对生态足迹的空间结构进行深入的研究，并对其耕地承载力进行评价，为日后城市体检评估中底线管控分析和国土空间规划提供借鉴和参考。

一、研究区概况与数据来源

（一）研究区概况

齐齐哈尔市地处黑龙江省西北部，经度为122o 24'E—126o41'E，纬度为46o13'N—48o56'N，是连接黑龙江、吉林和内蒙古三省（区）的重要枢纽。齐齐哈尔市为黑龙江省第二个特大城市，共下辖16个县市行政村，总面积为42 255km2，总人口为4 067 489人[7]。齐齐哈尔市是我国重要的商品粮基地、绿色生态产业发展基地以及重要畜牧基地，黑土地分布广，是黑龙江省黑土地的核心区域。近10年来，随着粮食产量不断提高，大量耕地资源被过度消耗，耕地不合理使用的问题日益突出，耕地生态系统的服务功能日益下降。因此，测定并且评价齐齐哈尔市耕地生态资源的环境效率及空间分布格局，对齐齐哈尔市耕地可持续发展有着重要意义。

（二）数据来源

本文统计数据主要来自《齐齐哈尔市国民经济统计资料年鉴》、《黑龙江省国民经济统计资料年鉴》、《齐齐哈尔市国民经济统计资料年鉴》、《中国统计资料年鉴》；各种热量资料数据来自《农业技术经济手册（修订本）》；国家公里格网下中国人口数据取自中科院数据资源环境科学研究数据中心，基于数据的高可获得性，选择了1995—2015年每五期间的人口格网数据开展了耕地承载力的空间可视化研究。

二、研究方法

（一）生态足迹理论模型

1.耕地生态足迹计算模型

人类占用耕地可分为两个方面。一方面，人们利用谷物或者其他粮食作物来解决最基本的生存需求，因此作为耕地生态足迹模型的重要核算对象；另一方面，人们在获取农产品的过程中，农药、肥料、农膜等农业化学物质的不合理利用，对耕地环境形成了负面影响，因此在计算耕地生态足迹的过程中将生态足迹核算分为生物资源足迹核算和碳足迹核算。

（1）生物资源足迹

齐齐哈尔市生物资源账户的生态足迹计算公式为：

式（1）中，EF1为总生态足迹，N为年末总人口，rj为均衡因子，i为用地类型，aai为生物生产面积，Ci为i种商品人均消费量，Hi为i种消费商品的全国平均年生产能力。

（2）碳足迹计算

碳排放量计算公式如下：

式（2）中，CB1为耕地生产活动中产生的碳总量，j为农作物生产中投入的各类生产资料，εj为第j类项目的排放因子（表1），Bj为第j类项目的投入总量。

式（3）和式（4）中，CB2为耕地总固碳量；α为校正系数，α=0.05；β为生物量与固碳量之间的转换因子，β=0.45；44/12为碳与二氧化碳之间的换算系数；Di /θ：第i种农作物的生物产量（Di为第i种农作物的经济产量；θ为经济系数）；Cb2为地均固碳量；L为耕地总面积。

碳足迹测算公式如下：

EF2=CB1 / cb2（5）

式（5）中，EF2表示碳足迹。

生态足迹测算公式如下：

EF=EF1+△1EF2（6）

△1为平衡因子，△1=0.5；EF表示生态足迹。

2.生态承载力计算模型

式（7）中，EC为耕地生态承载力，ai为实际占有i类农作物生产面积，r为均衡因子，y为产量因子，P为全省平均生产力，Q为全国平均生产力，生态承载力应该在均衡生态承载力的基础上扣除12%用以保护生物多样性。

3.生态赤字/盈余

EF-EC>0时，为生态赤字；EF-EC<0时，为生态盈余[8]。公式如下：

其中，ER为生态盈余，ED为生态赤字。

4.参数因子的计算

“省公顷”下的均衡因子和参数因子计算式为：

式（10）和（11）中，rj为均衡因子，pj为第j类土地的全省总产量，Aj为第j类土地的全省总面积，■j为第i类土地的平均产量，■为4类土地的平均产量，yj为产量因子，■j为全国第j种土地类型的平均生产力，Qj全国第j种土地类型的总热值，Sj全国第j类土地类型的总面积。

（二）生态足迹的空间可视化方法

本文主要选用土地利用数据、行政区界限等图层数据，对其进行校准、叠加、转换等。在栅格数据的转换上通过创建渔网要素，形成一个基本的栅格，再将生成的栅格进行叠加分析[9，10]。本文采用统一的栅格大小以避免不同栅格大小参数对研究结果产生误差，保证结果的准确性。

通过式6和式7中计算得到的耕地生态足迹和耕地承载力除以齐齐哈尔市的土地面积，得到齐齐哈尔市各土地类型每平方米的生态足迹与生态承载力，公式如下：

EF*j（EC*j）=efj（ecj）/S（12）

其中，j为不同的土地类型，EF*j=（EC*j）为各土地类型每平方米的生态足迹（生态承载力），efj（ecj）为各地类的人均生态足迹（生态承载力），S为土地面积。

三、耕地承载力空间可视化构建

（一）参数因子的选取

将“国家公顷”下的产量因子和均衡因子改为“省公顷”下的均衡因子和产量因子，使得所得结果更加贴近实际情况（见表2）。

（二）生态足迹消费账户的选取

采用生产生态足迹代替消费生态足迹，构建生态足迹消费账户。选取当地主要耕地消费项目见表3。

（三）计算可视化下的耕地承载力

根据传统生态足迹模型计算得到结果（见表4）。

结合国内外的研究，在栅格大小参数的选取上目前没有统一的标准[11，12]。因此，根据齐齐哈尔市土地利用数据的特点，将本次研究栅格的大小参数确定为1km×1km[13]。通过Arcgis字段计算器，将式12所得结果与各地类图斑人口相乘，计算得出每公里下的生态足迹和耕地承载力。根据式8和式9得到栅格结果下的生态赤字（盈余）。

将栅格结果通过Arcgis重分类，将齐齐哈尔市耕地生态足迹与耕地承载力划分为7类，来反映每公里人口下齐齐哈尔市耕地生态足迹与耕地承载力的差异。

利用ArcGIS軟件对原始图像经过数据分析运算后，再根据原始数据经过多重采集，在1km的基础上经过栅格数据解析后，绘出1995—2015年耕地承载力、生态足迹空间和生态赤字（盈余）分布图。

四、结果与分析

（一）齐齐哈尔市耕地生态足迹和耕地承载力评价

通过可视化方法对耕地生态足迹进行构建得到图2，可知耕地生态足迹最高的地区主要分布在齐齐哈尔市东南部地区。此地区主要为齐齐哈尔市辖区，人口多、耕地少，资源消耗供不应求；其次分布在齐齐哈尔市东北部，其耕地较为集中的是黑龙江省农垦局的主要所在地，耕地占用率高，资源消耗相比其他地区更快。2010年后生态足迹明显增加，一是黑土形成的难度比较大，黑土层变薄，土地本身的供营养能力下降，不断靠施用化肥养分来供给；二是黑龙江省21世纪以来过度追求产量和效益，从依赖种植大豆转向种植玉米，使生物资源足迹的主要消费项目发生变化。

（二）齐齐哈尔市耕地生态赤字（盈余）评价

通过可视化方法对耕地承载力进行构建得到图3。由图3可知，除2000年齐齐哈尔市通过栅格计算结果表现出有部分地区生态盈余外，其他年份皆表现为不同程度的生态赤字，在2010年前呈逐年增大的趋势，2015年有所缓解。同时可以看出，齐齐哈尔市生态赤字较为严重的地区主要集中在东南部，总体上在耕作的过程中应该更加注意耕地的分配。通过图3可见，东南部市辖区相对其他地区耕地消耗的更多，主要与各地区人口分布以及土壤肥力不同有关，同时也是造成区域间耕地不平衡的原因。

五、结论与讨论

（一）结论

本文结合了人口格网空间化的方法，对齐齐哈尔市的耕地承载力进行了评价，并得出了以下结论：1995—2015年间，齐齐哈尔市耕地生态足迹在市辖区始终高于其他地区。2010年开始，齐齐哈尔市东部生态足迹开始逐年增大，齐齐哈尔市耕地面临巨大的压力。耕地承载力空间上呈“东高西低”，地区耕地发展不均衡。生态赤字（盈余）在空间格局上总体为“西盈东赤”，西部经济发展速度相对较慢，由于人口稀少，使部分地区环境仍处于盈余以及平衡状态；东北以及东南部部分区域赤字巨大，有生态恶化的风险。

（二）讨论

齐齐哈尔市西部荒漠化、风蚀化的趋势在加强，并不断向东边扩展，土壤肥力逐年下降。建国以来，齐齐哈尔市大规模开垦耕地，使水土流失严重，而施用农家肥少，土壤中的有机酸逐年减少，土壤有效利用率下降，大量农药化肥的使用进一步导致耕地用养失调[14]。齐齐哈尔市目前农业投入多，但对于提升耕地质量方面的投入几乎没有。所以，齐齐哈尔市现在不能盲目追求高产，应该重视保护耕地，保护土壤肥力。

参考文献：

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[4]   Thapat silalertruksa，Shabbir h. gheewala. Land-water-energy Nexus of Sugarcane Production in Thailand[J].Journal of Cleaner Production，2018，182.

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[12]   何亚芬.基于格网的南昌市土地生态承载力评价[D].南昌：江西农业大学，2015.

[13]   王龙龙.基于GIS和生态足迹模型的耕地生态安全评价研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2018.

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