基于生物量的土地整治生态承载力分析

曹莹琦 许立言 李芬 彭锐

摘要：当前，土地整治工程多以最小化工程造价、最大化出地为目标，忽视场地生态承载力。对场地生态承载力进行定量分析，可促进土地整治工程考虑经济效益的同时兼顾生态保护。本研究基于河北省保定市阜平县某待整治荒山区域的植被群落调研、卫星影像和已有生物量數据，对比土地整治方案与荒山区域生物量，判断方案可行性。结果表明：NDVI植被指数的二次曲线回归模型为生物量最优拟合模？型，可用于反演场地生物量；待整治荒山区域可稳定维持的生物量为2.366kg/m2，低于土地整治方案作物种植周期内需维持的生物量2.574？kg/m2，这将导致环境进一步恶化和生态系统不可持续。

关键词：土地整治；荒山改造；生态承载力；生物量；阜平县doi：10.3969/j.issn.1009-1483.2019.03.013？中图分类号：X37文章编号：1009-1483（2019）03-0091-07？文献标识码：A？？？？

Analysis of Ecological Carrying Capacity of Land Remediation Based on Biomass： Taking

the Barren Hill Reconstruction Project in Fuping County as an Example

CAO Yingqi， XU Liyan， LI Fen， PENG Rui

[Abstract] At present， local land remediation is mostly aimed at minimizing project cost and maximizing land excavation， ignoring the ecological carrying capacity of the site. Quantitative analysis of the ecological carrying capacity of land remediation sites will be carried out to promote the economic benefits of land remediation while paying more attention to ecological protection. Based on the vegetation community identification， satellite imagery and existing biomass data of barren hill area in Hebei Province， comparing the biomass of land remediation plan with that of the barren mountain area to judge the feasibility of the plan. The results show that the quadratic curve regression model of NDVI index is the best biomass fitting model， which can be used to invert the site biomass. The biomass that can be stably maintained in the barren hill area is 2.366kg/m2， which is lower than the biomass to be maintained during the cycle of the remediation plan 2.574 kg/m2， which will lead to further deterioration of the environment and unsustainable local ecosystems.

[Keywords] land remediation； barren mountain transformation； ecological carrying capacity； biomass； Fuping County

引言

20世纪90年代Willian E.Rees提出生态足迹理论，即人类系统的所有消费行为都可以折算成相应的生态生产性土地面积[1]。生态足迹既反映了一定技术条件和消费水平下人口对环境的影响，又代表了既定技术条件和消费水平下人口的持续生存对环境提出的要求。从计算方法上看，Huijbregts等[2]运用基于生命周期法的生态足迹分析，对不同产品的生态足迹进行计算，从而对国家进出口产品的种类提出建议；李坦等[3]突破了生态足迹的静态特性，计算了2000—2014 年间合肥省人均生态足迹和人均生态承载力，并建立灰色模型对2015—2020年合肥市的生态足迹进行预测；郑德凤[4]等进一步从消费视角对2006—2015年中国30个省和地区的足迹深度、广度进行三维生态足迹动态评估，并对其空间差异性进行详细研究；谭德明[5]等运用基于能值理论的生态足迹模型对我国能源消费进行可持续性评价；刘淼等[6]在此基础上进一步发展出区域生态足迹模型。从应用上看，生态足迹不仅局限于评价地理意义上的区域可持续性，也被广泛应用于产品、产业、项目等，如Sundarakani等[7]研究了产品供应链各个环节的碳足迹，提出了相应的绿色供应链管理方案。从研究尺度上看，生态足迹的研究包括全球、国家、省、市、县尺度，这些区域内土地类型齐全、居民消费活动完整，因此在宏观和中观尺度下进行生态足迹计算是可行的，但微观尺度下由于区域面积小、土地类型单一，难以建立生态足迹模型[8]，因此对微观尺度场地的生态足迹研究始终处于探索阶段。

当前，在农林地矿调查、环境监测等领域广泛应用Landsat 系列卫星数据进行微观尺度场地生物量的定量计算与分析研究[9]。DONG等[10]在高分辨率遥感数据采集数量有限的情况下，融合了MODIS数据的时间分辨率和OLI数据的空间分辨率，對加拿大安大略省的农田进行生物量估算；杨伟志等[11]基于Landsat 8遥感影像结合同期的野外调查样地数据，通过分析遥感信息与生物量的相关性，运用逐步回归方法建立青海省西宁市某森林生物量估测模型，反演得到西宁市单位面积森林生物量；张雅等[12]利用Landsat 8 OLI遥感数据获得6种植被指数，利用统计分析方法分别建立天山阴坡和阳坡的草原生物量遥感估算模型，并进行生物量空间反演和验证。现有研究多集中于基于波段关系或已有植被指数建立生物量估算模型，比较各植被指数的回归精度并进行生物量反演的空间验证，而将反演得到的场地生物量应用于生态承载力的计算研究较少。

我国的贫困人口多生活在生态脆弱带，此类地区生态退化与经济落后互为因果， 其贫困多为生态型贫困。在生态型贫困地区进行经济开发时往往只追求经济效益，过度开发，导致生态环境恶化。目前关于生态足迹的研究，多在某地区已出现稳定的人类活动后，通过计算生产该地区内特定人口所需要的生物生产土地的总面积（即生态足迹），将其与实际该地区能供给人类的生物生产土地面积总和（即生态承载力）相比较，进而确定生态赤字。但地区出现人类活动前，却缺乏相应的计算方式以确定在生态承载力约束下，地区所能维持的生物量上限。

对此，本研究选取河北省保定市阜平县某待整治荒山为案例地，针对此微观尺度、相关统计数据有限且尚未出现人类活动的场地，提出生态承载力生物量计算法，将荒山能维持的生物量与已完成土地整治区域按种植方案需维持的生物量数值进行对比，判断该区域实行土地整治改造方案是否会造成生态赤字，进而判断改造方案的可行性和可持续性。本文侧重解决以下问题：（1）如何在场地面积较小、相关统计数据有限的情况下，使用遥感数据对场地生物量进行估算；（2）如何计算尚未出现人类活动的场地的生态承载力，从而避免在场地改造过程中出现生态赤字。

1 基于生物量的土地整治生态承载力分析方法框架

生态系统承载力上限计算主要应用Landsat遥感影像生成植被指数反演场地生物量，具体计算方式如下：用ENVI 5.1提取遥感影像中的植被信息，生成各类植被指数分布图；用ArcGIS10.2进行坡向分析，区分阴阳坡，根据调研照片中的植被群落类型和所处位置（阴阳坡），结合文献资料确定各点的生物量。将植被指数作为自变量，生物量作为因变量，建立回归模型，选取拟合精度最高的植被指数模型反演场地目前的生态系统生物量。

已有种植方案生物量计算方式如下：根据方案计划书中确定的种植方案，采用传统生物量计算法，计算把场地改造成期望得到的生产量对应需要消耗的生物量。将分别计算出的生物量进行对比，进而分析项目的可行性和出现生态赤字的可能性（见图1）。

2 案例研究：河北省阜平县荒山改造项目

2.1研究区概况

保定市阜平县地处河北省西部、太行山片麻岩山区，该区域山体稳定性差，山体崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生频繁，是典型的生态型贫困县。自2013年被列为国家扶贫攻坚试点县，土地整治项目在阜平县大面积开展，整治后全县耕地面积总计可达34171.9hm2[13]。由于宜耕后备土地资源是土地整治增加耕地面积的主要来源，因此本研究选择开发宜耕后备土地资源过程中的两个典型项目——大道村和辛庄村作为研究场地。

大道土地整治项目位于阜平县城关镇东南部，场地面积约1km2，海拔高度约350～500m，是阜平县首个土地整治项目，目前已完成土方工程和植被种植。

辛庄土地整治项目位于阜平县史家寨乡和王林口乡之间，场地面积约1.28km2，海拔高度约300～500m。辛庄场地是典型的小流域场地，目前辛庄场地仅东南区域进入土地整治土方工程阶段（见图2）。

大道土地整治项目作为已完工的典型场地，根据该场地的种植方案可以计算出阜平土地整治工程生态系统改造后需维持的生物量；辛庄土地整治项目是待施工的典型场地，计算其场地生态系统承载力上限，并与大道项目对比，可判断辛庄场地在土地整治完工后是否会出现生态赤字现象。

2.2辛庄场地本底生物量计算——基于Landsat影像的生物量计算

2.2.1数据来源

研究采用Landsat系列卫星数据，数据来自地理空间数据云平台，为2017年6月15日的Landsat 8 OLI Level 1T地形矫正影像，条带号124/33，云量7.18%且大部分云量集中于研究区边界外；地面高程数据（DEM）来自地理空间数据云平台，空间分辨率为30m，坐标系统为UTM投影，主要用于坡向等地理环境因子的提取。

2.2.2数据预处理

（1）采样数据预处理

2017年9月24日，笔者在研究区调研期间拍摄场地各点植被照片共计89张，提取调研照片经纬度信息后将照片定位在遥感影像图上（见图3）。

（2）遥感数据预处理

L1T文件已经过系统辐射校正和几何校正，为了利用其丰富的波段光谱信息，笔者对其进行大气校正处理，并根据研究区范围对影像进行裁剪。

根据研究区特点，参考国内外生物量相关研究，选取归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、差值植被指数DVI、垂直植被指数PVI和土壤调节植被指数SAVI共5种植被指数。利用校正处理后的图像计算各植被指数图。用ArcGIS将研究区分为阴坡和阳坡（见图4）。

（3）确定各采样点生物量

根据太行山低山片麻岩区乔灌草的生物量，确定调研照片各点的生物量（见表1）。

由于遥感影像精度为30m，为避免较大误差，实地调研时在每个栅格内均拍摄多张照片，该栅格的生物量取栅格内各照片对应生物量的均值。将有照片拍摄点的栅格依次编号，便于计算，得出各栅格生物量（见表2）。

2.2.3模型建立与拟合度分析

（1）相关性分析

选取各植被指数与生物量分别进行相关性分析，从而判断是否可以根据所测样本值来推断场地生物量[12]。从选取的5种植被指数与生物量的Pearson相关系数可见从遥感影像中提取的5种植被指数都与生物量显著相关（P<0.01），说明生物量与植被指数存在较好的相关性，基于植被指数建立生物量回归模型是可行的（见表3）。其中EVI的相关性最高，相关系数达到0.837，其次为NDVI和SAVI，相关系数为0.816。

（2）回归建模分析

利用SPSS将上述5种植被指数分别与生物量构建回归模型，得到包括指数模型、线性模型、对数模型、多项式模型和幂指模型的共计23个模型，所有模型均通过显著性检验（P<0.01）。通过对比分析，NDVI植被指数的二次曲线回归模型拟合程度最好，为研究的最优拟合模型（见表4）。R方是拟合优度，用来衡量模型的拟合程度，本模型的拟合优度为0.964表明模型拟合效果较好；F是对回归模型整体的方差检验，Sig.是F检验的概率值，也叫P值，该模型的Sig.值为0.000小于显著性水平0.01，表明差异性极显著；b1为回归方程中二次项的系数，b2为一次项的系数，常数即为方程常数项，即该回归方程为y=–13087.304x2+20348.479x+2393.974。用最优二次多项式模型对场地生物量空间分布进行反演，可得场地总生物量为3028745kg，约为2.366kg/m2。

2.3大道场地种植方案的生物量计算——基于传统生物量计算法

大道土地整治项目场地中种植了幼树苹果、幼树梨、成树梨各500亩，借鉴已有的测量和计算方法可知[15-17]：假设每亩种植150棵幼树苹果，每棵幼树苹果的干重生物量为0.108kg，在成活率约为95%的情况下，幼树苹果的总生物量约为0.023kg/m2；假设每亩种植幼树梨177棵，每棵幼树梨的干重生物量为0.154kg，在成活率约为5%的情况下，幼树梨的总生物量约为0.002kg/m2；假设每亩种植成树梨177棵，每棵成树梨的干重生物量为10.757kg，成树梨的总生物量约为2.858 kg/m2。得到大道土地整治项目场地总生物量为961048kg，约为0.961kg/m2（见表5）。

苹果幼树约3年后长成成年树，盛果期约25年；梨幼树约5年后长成成年树，盛果期约20年。当苹果树与梨树均进入稳定的成年树阶段后，每棵成树苹果的干重生物量为10.213kg，成树苹果的总生物量约为2.30kg/m2；成树梨树的总生物量约为2.858kg/m2。得到此时大道土地整治项目场地总生物量为2672133kg，约为2.672kg/m2。

2.4分析

由计算可知，目前计划施工的场地可提供的生物量为2.366kg/m2，按照已有的土地整治种植方案，初期种植幼树苹果、幼树梨、成树梨约3年，场地需要的生物量为0.961kg/m2，中后期幼树苹果、幼树梨进入成年期后，场地需要的生物量为2.672kg/m2。假设苹果树和梨树的种植周期为23年，则平均每年需要的生物量为2.574 kg/m2，大于场地能够提供的生物量。按照《阜平县土地整治规划（2011—2020年）》，预计通过土地整治项目新增为耕地的面积为19598.5hm2，则平均每年的生态赤字将达40764t。可见已有的土地整治方案超越了场地的生态承载力，若要长期实行该方案，场地必将出现生态赤字，故不具有可持续性。

从生态承载力的角度，建议适当降低项目开发强度，鉴于某一区域的作物生物总量=单位面积生物量×场地面积，单位面积生物量取决于种植密度，若降低种植密度将减少单位面积经济效益，与改造方案、村民的诉求相悖，因此建议适当减少项目施工面积，并在土方施工的过程中注重对场地生态基底的保护，避免破坏场地原有的生态系统。

3 结论与讨论

本文以河北省阜平县为研究区域，建立基于植被指数的场地生物量反演模型，计算场地生态承载力上限；针对整治工程已完工的大道区域，计算当前经济作物种植方案需维持的生物量。通过对比，为荒山土地整治项目的开发强度提供参考依据。

（1）研究区域场地生物量与所选植被指数均存在显著相关性，其中NDVI指数的二次曲线回归模型拟合精度最高，可用于建立生物量—植被指数估算模型。但由于遥感卫星影像分辨率较低，对场地生物量的反演不能精确体现场地特征，因此在以后的研究中考虑应用无人机遥感影像[18-19]，其空间分辨率可达分米或厘米级，结合可见光植被指数能够更好地对场地生物量进行估算。

（2）研究得到土地整治項目刚起步的辛庄荒山区域实际可提供的生物量为2.366kg/m2，小于大道场地种植方案作物种植周期内需维持的生物量2.574 kg/m2，若为追求高经济产出长期实行该方案，将导致场地出现生态赤字、环境进一步恶化、生态系统不可持续。由于生态资源匮乏本就是阜平地区贫困的一大主因，因此试图依靠土地整治解决地区贫困问题，却忽视生态系统脆弱的场地特征，将导致当地陷入生态脆弱—贫困—开发—生态环境破坏—加剧贫困的恶性循环。笔者认为要解决阜平等生态资源贫乏地区人民贫困问题，从长远来看，进行土地生态补偿或生态移民搬迁更具有可持续性。

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