黑龙江省耕地利用生态可持续性研究

杨凤海，赵烨荣，赫轩，李玉琢

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨　150030）

黑龙江省耕地利用生态可持续性研究

杨凤海，赵烨荣，赫轩，李玉琢

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030）

以黑龙江省耕地利用生态可持续为目标，生态足迹模型和GIS技术为方法，采用生态可持续指数评价分析2013年13个地市耕地利用生态可持续性。结果表明，黑龙江省耕地资源总体呈现生态盈余；总体上由北向南呈现耕地利用可持续状态逐渐减弱的空间分布态势，临界可持续地区与弱可持续地区的生态安全得到重视；修正可持续状态分析得出，哈尔滨、大兴安岭地区、黑河的耕地生态可持续程度下降或改善不明显；耕地生态可持续指数预警值为0.449。该研究可为黑龙江省耕地利用生态可持续发展、耕地生态安全预警和政府部门土地利用总体规划提供科学依据和决策支持。

生态可持续性；耕地利用；能值分析

杨凤海，赵烨荣，赫轩，等.黑龙江省耕地利用生态可持续性研究［J］.东北农业大学学报，2016，47（9）：77-84.

Yang Fenghai，Zhao Yerong，He Xuan，et al.Study on ecological sustainability of cultivated land usein Heilongjiang Province［J］.Journal of Northeast Agricultural University，2016，47（9）：77-84.（in Chinese with English abstract）

耕地可持续利用是实现环境与社会经济和谐发展必然途径。耕地资源生态可持续是农业发展基础与重要保障，也是实现耕地利用可持续和社会可持续必要前提［1］。研究耕地资源利用生态可持续程度对于区域内耕地资源整治与保护、耕地资源高效可持续利用及区域粮食生产安全具有重要意义［2］。

目前，国内关于耕地资源利用可持续性研究多集中于可持续性评价、生态足迹动态预测及驱动力分析等方面［3-6］。刘宗强采用PSR模型，选取评价指标、划分不同评价单元，对哈尔滨耕地利用可持续性进行评价［7］。刘钦普把能值分析理论引入生态足迹模型中，提出“可持续发展指数”概念并构建区域耕地生态足迹动态模型［5］。刘秀丽采用ARIMA模型对甘肃省耕地可持续发展容量预测［8］。考虑理论模型与实际情况间复杂关系，以研究区实际情况为基础对耕地生态可持续性结果修正及改进研究较为少见。基于能值分析生态足迹模型是一种定量研究区域可持续发展状态方法，在国内外相关研究中应用广泛，学者通过修正及完善相关模型参数增强模型应用普遍性［9-13］。黑龙江省是我国重要商品粮基地。耕地资源质量相对较高，但耕地集约利用和建设占用带来耕地生态压力不容忽视，以黑龙江省作为研究区具有重要现实意义。

本研究采用基于能值分析生态足迹模型，分析耕地资源禀赋、耕地生态足迹和生态承载力，以生态可持续指数评价耕地利用生态可持续性，并借助GIS空间分析功能进行生态可持续指数空间展布，借助耕地生态可持续状态修正体现其动态变化过程，建立相应预警区间，研究对实现区域耕地利用生态可持续性具有借鉴意义，并为黑龙江省耕地资源生态系统安全保障提供理论依据。

1　研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

黑龙江省位于我国东北部，地理位置为43° 26'N～53°33'N，121°11'E～135°05'E。气候为温带大陆性季风气候。全省横跨第一到第六积温带，年均太阳辐射量约为4.7×109J·m-2，年平均日照时数2 300～2 800 h，年平均降水400～650 mm，无霜冻期全省平均100～150 d。

土壤类型主要有黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土等。区域内地形地貌复杂，平原、山地、丘陵交错分布，主要种植水稻、玉米、小麦、大豆等农作物。2013年土地面积47.3万km2，全省人口3 835万人，GDP总值达14 454.9亿元。全省耕地面积1 586.6万hm2，占土地总面积33.5%。中低产田面积比重大，耕地数量与质量发展不协调，耕地利用效率总体上处于较低水平，实现耕地资源可持续利用具有重要意义。

1.2数据来源

黑龙江省各地市稻谷、玉米、豆类、蔬菜、食用菌播种面积、单产以及各地市人口、降雨量、粮食播种面积等相关数据源自《黑龙江统计年鉴》，各地市耕地面积、农机总动力、化肥施用量源自《中国区域经济年鉴》，其他数据来源于各地市相关部门统计资料。

2　研究方法

2.1基于能值耕地生态足迹计算

基于能值分析耕地生态足迹研究是将生态经济系统中不同种类、不可比较能量通过能值转换率换成统一标准、可比较太阳能用于研究和分析［5］。

关于生态足迹计算，以研究区内不同种类消费项目总能量，即粮食、棉花、油料、蔬菜等人均消费项目所含能值除以全球地表能值密度，折合成生态生产性土地面积，选取黑龙江省稻谷、玉米、豆类、蔬菜、食用菌等具有代表性农作物计算人均耕地生态足迹，一般公式［5］如下：

其中，ef为人均耕地生态足迹（hm2·人-1）；Ei为第i种消费项目含有有效能（J）；Mi为第i种消费项目太阳能值转换率（sej·J-1）；N为区域人口总数；D为全球地表能值密度，根据刘钦普［2，5］、蓝盛芳［3］等研究，D值为3.1×1015sej·hm-2。

2.2基于能值耕地生态承载力计算

关于生态承载力计算，需要考虑粮棉油蔬等农作物生产所需可更新能源能值，亦即耕地地表可更新三大类资源：太阳辐射能、3%表层土壤能和降水化学能，分别根据黑龙江省各地市耕地面积、太阳辐射量、年降雨量计算出三大基本能源有效能，再通过能值转换成统一太阳能值。人均耕地承载力一般计算公式［5］如下：

式中，ec为人均耕地生态承载力（hm2·人-1）；E为耕地地表可更新资源能值（sej）；N为区域人口总数；D为全球地表能值密度（sej·hm-2）；Y为耕地产量因子为1.66［14］。

2.3生态可持续指数计算

仅用生态足迹和生态承载力结果值不能客观反映研究区耕地利用程度，因此引入相对指标，即生态可持续指数。生态可持续指数（Ecological sustainable index，ESI）是一定区域生态可持续供给满足人类生态需求程度。该指数与耕地生态足迹和耕地生态承载力结合，可合理反映研究区耕地可持续发展状况［3］。

可用下式表示：

ESI值为0～1，理论上值越大，表明耕地利用可持续性越强。当ESI=0.5时，ef和ec相等，两者平衡状态，供需平衡，为可持续发展与不可持续发展阈值；＜0.5，该区域耕地利用处于不可持续状态；＞0.5，耕地利用处于可持续发展状态［15-17］。在刘钦普等［2，5］划分可持续发展指数等级基础上，结合黑龙江省耕地生态可持续发展指数计算情况，把耕地利用可持续发展程度划分为4个等级，以0.1为变化范围，见表1。

表1　耕地生态可持续指数分级Table 1Classification based on ecological sustainability index of cultivated land

2.4“3σ法则”

“3σ法则”是应用数学方法中小概率事件原理划分某些区间的简易操作法则［18］。经计算得出某一系列指标平均值与标准差后，可以利用偏离期望值1倍标准差区间作为正常范围区间，偏离1～2倍区间作为基本正常范围区间，偏离2倍以上区间则作为异常区间［19］，以此划分预警区间，达到预警功能。

3　耕地生态可持续性评价

3.1黑龙江省耕地资源条件

耕地资源禀赋研究是耕地生态可持续性评价重要前提，良好耕地资源禀赋有利于耕地生态可持续发展。黑龙江省是中国主要黑土分布区，土壤肥沃，降水充沛，日照时数较充足，但热量条件稍不足，无霜期较长，积温较低。

耕地数量上，整体而言，黑龙江省耕地资源数量较多，其中，齐齐哈尔明显占据优势地位，哈尔滨、绥化、佳木斯及黑河其次；耕地质量上，尤其是位于松嫩平原和三江平原地区的耕地平坦而肥沃，耕地资源禀赋水平较高，具有较好耕地资源优势度。而大兴安岭地区及黑河地区由于纬度较高受热量条件限制，自然条件优势不明显。

3.2黑龙江省耕地生态足迹和耕地生态承载力评价

根据公式（1）（2），计算黑龙江省各地市人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力，结果见表2。

由表2可知，2013年黑龙江省人均耕地生态足迹平均值为0.8179 hm2·人-1，人均耕地生态承载力平均值为1.0541 hm2·人-1，耕地生态承载力均值大于耕地生态足迹，总体上处于生态盈余。哈尔滨、齐齐哈尔人均耕地生态足迹（需求）大于该地区人均耕地承载力（供给），处于生态赤字，其中以哈尔滨生态赤字最大，不利于耕地资源利用生态可持续发展；大庆、牡丹江以及绥化耕地生态足迹与耕地承载力接近，处于生态平衡；其余8个地市处于生态盈余，其中以鸡西生态盈余最大。生态赤字区与生态平衡区多为经济较为发达地市，人口较多，消耗产品能值较大，耕地生态足迹越大；同时，这些地区人口密度较大，对耕地资源产生较大压力，其承载力相对较弱；生态平衡区处于临界区间，若耕地资源利用不当，供求失衡，同样面临生态安全问题。鸡西、鹤岗、双鸭山、伊春、七台河与大兴安岭地区人口相对较少，人均耕地资源相对丰富，人均耕地生态足迹较小，人均耕地生态承载力较大，出现生态盈余。分别以0.2和0.15为浮动值对人均耕地生态足迹和人均耕地生态承载力划分等级，用Arc GIS 10.0空间分析功能反映全省耕地生态足迹和人均耕地生态承载力区域差异见图1。

3.3黑龙江耕地生态可持续性评价

根据耕地生态足迹和耕地生态承载力可以进一步由公式（3）计算生态可持续发展指数，并且按照分级表可以判断各地市不同耕地资源利用生态可持续发展状态，见表3。

表2　2013年黑龙江省耕地生态足迹和耕地生态承载力Table 2Cultivated land ecological footprint and ecological carrying capacity of cultivated land in Heilongjiang Province in 2013

图2　黑龙江省人均耕地生态足迹（左）与人均耕地承载力（右）分级Fig.2Classification based onef（left），ec（right）in Heilongjiang Province

表3　耕地生态可持续指数Table 3ESI of the sustainability of cultivated land

对照表1等级划分，由计算结果可以得出，黑龙江省耕地生态可持续程度有三个等级，分别是临界可持续、弱可持续和中等可持续，生态可持续指数从小到大依次是：哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、牡丹江、绥化、佳木斯、黑河、双鸭山、伊春、鹤岗、大兴安岭、七台河、鸡西，与当年黑龙江省GDP数值有较高吻合度，说明经济活动产生耕地压力对生态可持续性有直接影响。黑龙江省耕地利用临界可持续与弱可持续地区多集中于经济较发达南部地区，主要有哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、绥化、牡丹江等城市，其中哈尔滨和齐齐哈尔是生态赤字区，其余为生态平衡区，这5个地市占全省耕地面积62%，土地总面积42%。主要由于人口密度较大，经济发展较快，对耕地资源需求较大，耕地承载生态压力过高，相对不利于耕地可持续利用。哈尔滨作为省会城市，是全省人口数最多城市，人口压力最大，同时GDP值全省最高，经济发展对耕地资源压力巨大，处于生态可持续性最弱底端；黑龙江省北部城市耕地利用基本处于可持续状态，这部分地区人口密度相对较小，经济不如南部地区发达，供求基本平衡，耕地利用可持续性较好地市有大兴安岭、伊春、鹤岗、双鸭山、鸡西、七台河。七台河是全省土地面积最小地市，人口数、地区总产值均较低，对耕地资源压力、扰动程度较小，承载力较大，可持续性最优。利用Arc GIS10.0空间分析功能展现全省耕地可持续程度区域差异见图3。

图3　黑龙江省耕地利用可持续程度分级Fig.3Classification based on ESI in Heilongjiang Province

3.4耕地生态可持续状态修正

基于能值分析生态可持续指数的不足是仅考虑稻谷、玉米、豆类、蔬菜、食用菌等消耗能值及所需可更新资源能值，并未考虑影响耕地资源利用生态可持续性驱动因素以及动态变化。影响耕地生态可持续利用因素较多，本文将选取具有代表性13个影响因素构建评价指标体系，分别是油料总产、油料播种面积、耕地面积、人均耕地、农业机械总动力、猪牛羊肉产量、人口数、人口密度、化肥施用量、农林牧渔业总产值、粮食作物播种面积、农业产值、农作物播种总面积等指标，以期更好地分析动态因素对耕地利用可持续性影响。

结合黑龙江省实际情况，利用SPSS22.0对黑龙江省2009～2013年间上述指标数据矩阵作统计处理分析，求取每项指标权重值，如表4所示，负向指标含义即该指标与耕地利用可持续性呈负相关关系，正向指标含义即该指标与耕地利用可持续性呈正相关关系。

表4　耕地利用可持续性评价体系Table 4Appraisal system of sustainability of cultivated land use

考虑到上述13个影响因素动态变化，为使评价结果更加合理，修正耕地生态可持续指数做出，构建如下耕地生态可持续状态浮动百分比计算模型：

式中，p为耕地生态可持续指数浮动百分比，R （xi）为某市第i个指标较上一年百分比变化浮动值，Wi为第i个指标权重。若该项为负向指标，相对上一年增加若干值，则不利于耕地利用可持续性，该项指标修正值符号为负；若相对上一年减少若干值，则有利于耕地利用可持续，符号为正。最后得出耕地生态可持续指数修正值，如表5所示，修正后指数值在一定程度上反映耕地生态可持续性动态性，结果更加客观。

3.5修正后耕地利用可持续性评价

修正后黑龙江省耕地利用可持续状态有五种程度：哈尔滨和大兴安岭地区耕地生态可持续性下降，黑河耕地生态可持续性无明显变化，鸡西和绥化耕地生态可持续性轻微改善，齐齐哈尔、双鸭山、大庆、七台河和牡丹江耕地生态可持续性改善，而鹤岗、伊春、佳木斯耕地生态可持续性明显改善。其中大兴安岭地区下降幅度最大，佳木斯改善程度最为明显。

表5　修正前耕地生态可持续指数与修正后耕地生态可持续状态Table 5Original ESI and revise status of the sustainability of cultivated land

哈尔滨市承载省会职能，耕地生态可持续性相对较弱，相比2012年，农林牧渔业产值及农业产值增加，油料产量增产幅度大，而油料作物作为资源消耗作物，播种面积与产量越多，对耕地生态压力越大，不利于耕地利用可持续发展，导致哈尔滨耕地生态可持续性降低；大兴安岭地区对比其他12个地市，农业机械总动力及油料作物播种面积增幅明显成为耕地生态可持续降低主要原因，而该地区耕地资源禀赋值较低，应重视耕地生态安全，提高耕地生态可持续发展程度；佳木斯耕地生态可持续性显著改善得益于油料作物播种面积及油料作物产量大幅度减少，该地区耕地资源禀赋值较好，具有耕地可持续利用优势；七台河耕地利用中化肥施用量减少约一倍，可持续性状态为改善；黑河耕地资源禀赋处于劣势，修正后耕地生态可持续状态不明显，耕地利用方式急需合理化与科学化；大部分地市耕地生态可持续性改善源自油料作物产量明显减少。牡丹江、绥化、大庆、齐齐哈尔修正后可持续状态有所改善。

3.6耕地生态可持续指数预警区间划分

生态可持续指数可为耕地生态可持续发展提供预警功能。根据2013年黑龙江省13个地市耕地生态可持续指数计算，得出该年ESI平均值μ以及标准差σ，利用“3σ法则”划分耕地生态可持续性预警区间，根据实际情况，划分出偏低、基本正常和完全正常、较高四个预警区间。理论上，生态可持续指数越高越有优势，因而对高于0.623范围不再细分，而对低于0.507范围区间进一步划分：生态可持续指数若低于0.449则将面临生态安全隐患，以0.449作为预警值，0.449～0.507为基本正常范围，但ESI略低，需要重视耕地生态系统安全问题。如表6所示，可将耕地利用可持续状况作为决策制定与实施重要依据，促进社会经济与耕地利用协调发展。

表6　黑龙江省耕地生态可持续指数预警区间Table 6Warnigng zone of ESI in Heilongjiang Province

由表6可知，低于0.449时，该地区耕地生态安全不容乐观，需要及时制定改良措施保证耕地利用可持续发展。黑龙江省整体上ESI值处于正常范围内，处于无警区间，但哈尔滨、齐齐哈尔ESI略低。该预警区间可为黑龙江省耕地生态可持续发展状态判断提供警示。

4　讨论

a.评价结果与刘钦普等［1，5］针对江苏省研究具有相似性：研究区人口越多、经济发展水平越高，耕地生态承载力越小，越不利于耕地资源利用可持续发展。刘钦普等还针对耕地生态利用可持续性时空序列进行分析和预测，但缺少对多情景因素分析［5］；本文2013年哈尔滨人均耕地生态足迹计算结果1.0299 hm2·人-1与林增等哈尔滨2013年人均耕地生态足迹计算结果0.9459 hm2·人-1较接近，生态赤字状态一致。林增等通过耕地因子修正进一步完善生态足迹模型，但缺少对动态变化因素考虑［20］。本文选取影响耕地生态可持续利用驱动因子，修正ESI，使结果更具动态性和合理性，并采用ESI划分耕地生态可持续指数预警区间，对耕地资源利用生态安全有借鉴意义。

b.在耕地资源数量有限情况下，随着人口以及社会经济发展对耕地压力增加，耕地生态可持续指数降低，需要进一步研究更科学预测、预警模型，利用3S等技术手段加强耕地生态系统实时监管力度，提高耕地投入产出效率，实现耕地可持续发展是必然趋势［21-24］。

c.研究存在不足：数据获得简易性和局限性；研究区选取范围较大，未来可针对某一区域具体分析，并考虑时间动态变化；耕地资源禀赋分析和生态可持续指数预警较简单，今后需采用更加精准模型方法研究分析。研究计算结果准确度有待提高。

5　结论

研究结果表明，①2013年黑龙江省人均耕地生态足迹平均值为0.8179 hm2·人-1，人均耕地生态承载力平均值为1.0541 hm2·人-1，耕地资源供给大于需求，属于生态盈余状态；②耕地利用生态可持续程度在空间分布上表现出不平衡性，黑龙江省总体上由北到南呈现耕地利用生态可持续性逐渐减弱态势，且临界可持续地区、弱可持续地区与经济发达地区具有较高吻合性。哈尔滨、牡丹江、绥化、大庆、齐齐哈尔等地区应兼顾经济发展和耕地生态利用协调性；③修正后哈尔滨、大兴安岭地区、黑河耕地利用生态可持续性较其他地市处于劣势，亟待提高耕地利用生态可持续水平，保证经济社会可持续协调发展；④ESI预警值为0.449，生态可持续指数过低将影响耕地生态利用发展水平，目前黑龙江省ESI处于无警区间范围。因此，协调人地关系、加大耕地保护监管制度、监测耕地利用生态可持续程度动态变化、预防耕地生态可持续指数恶化尤为必要。

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Study on ecological sustainability of cultivated land use in Heilongjiang Province

YANG Fenghai，ZHAO Yerong，HE Xuan，LI Yuzhuo
（School of Resources and Environmental Sciences，NortheastAgricultural University，Harbin，150030，China）

Sustainable use of Cultivated land resource is the basis of social economic sustainable development and food production security.In order to achieve sustainability of cropland use in Heilongjiang Province，applying the Ecological Footprint Model and the GIS method，taking the data of the 2013 as an example，and made a systematic evaluation of sustainability of cultivated land use in Heilongjiang Province's 13 cities.The results indicated that：cultivated land resource in Heilongjiang Province showed ecological surplus on the whole；at the aspect of space，sustainability of cropland use range from high to low from north to south，the area in weak sustainability and critical sustainability should be paid attention to；the revised status of sustainability of cropland use in Harbin，Daxinganling and Heihe was reduced and no obvious change.The warning value of ecological sustainability index in Heilongjiang Province was 0.449.All in all，the research could provide the ecological security of the area cultivated land，the overall plan of land use and sustainable development of the regional land with scientific evidence and decision support.

ecological sustainability；cultivated land use；energy analysis

X22

A

1005-9369（2016）09-0077-08

2016-06-16

黑龙江省自然科学基金（D201401）；东北农业大学博士启动基金（2012RCB67）

杨凤海（1967-），男，教授，博士，研究方向为国土/气候资源信息化。E-mail：yfhneau@163.com