基于三维生态足迹的黑龙江省耕地承载力研究

王静怡，刘淑英，王 平，张丽霞

（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

耕地是人类社会赖以生存的物质和生产资料，是粮食安全的基础保障。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]，对制定区域规划和区域发展具有重要意义[2]。国内外学者采用定量评价方法对耕地承载力进行了研究，提出了生态足迹模型[3]、土地承载力方程[2]、IPAT核算[4]、生态系统服务价值评价[5]等方法和模型。其中，生态足迹模型直观简洁[6]，是评价耕地承载力的重要方法。

生态足迹是指特定人群维持一定物质消耗水平所必需的生态生产用地面积。它代表目前的经济和生活条件下，能够满足人类现在和未来生存的生态环境要求[7]。可提供的生物生产用地总面积定义为生态承载力[4]。随着经济社会的发展，生态足迹模型从一维模型扩展至三维模型。在一维模型中，仅引入生态足迹模型，以生态生产用地面积来量化人类自然资源消费负担。在一维模型的基础上，二维模型引入生态承载力来判断区域生态赤字或生态盈余，评价人类活动对自然资源的占用[8]；三维模型将资源供给模型分为流量模型和存量模型，并提出足迹深度和广度两个指标来评价自然资源消费的代际分布[9-10]。

黑龙江作为我国的农业大省，是我国重要的商品粮基地，黑土地分布广，耕地面积广，是我国粮食安全保障的重要地区，是东北黑土地的核心区域，在全国农业生产中占据重要地位。通过分析黑龙江省耕地承载力，对评价土地资源和保障粮食生产具有重要意义。以往对黑龙江生态承载力的研究，很少从耕地的角度进行研究与分析，尤其是通过生态足迹深度和广度来分析其耕地的存量和流量。本文以黑龙江省为研究区，运用传统生态足迹模型计算人均耕地生态足迹和生态承载力；采用三维生态足迹模型计算深度、广度、三维生态足迹和生态赤字/盈余，构建耕地承载力指标体系。根据计算结果，本文对黑龙江省耕地利用的可持续性进行了分析和评价，为黑龙江省耕地规划、科学利用和环境保护决策提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黑龙江省位于中国东北部，总面积47.3万km2，约占全国的4.9%。全省山地面积约占58%，平原面积约占28%。其中，耕地1187.1万 hm2，约占总面积的25.1%。2019年，全省农业总产值5624.3 亿元[11]，主要农作物有玉米、大豆、水稻、小麦、马铃薯、蔬菜、食用菌、油料、瓜果类、甜菜、高粱、烤烟、谷子、大麻等。

1.2 数据来源

本文对黑龙江省2010—2019年耕地生态承载力进行了分析评价，主要数据来源见表1。耕地生产项目主要包括玉米、大豆、水稻、小麦、马铃薯、蔬菜、食用菌、油料等14种。同时，在数据可得性原则下，因为“全球公顷”所用的数据跨度时间长，各年份产量变化缺乏时效性，无法反映黑龙江省的实际情况，故本文以“国家公顷”为单位计算产量因子和均衡因子。

表1 黑龙江省耕地承载力分析主要数据来源

2 研究方法

2.1 传统生态足迹及模型

2.1.1 生态足迹计算

人类占用耕地可分为两方面。一方面，人类可以通过粮食和其他农作物来满足基本的生活需要，它是耕地生态足迹模型的重点核算对象；另一方面，人类在获取农作物的过程中，对土地产生负面影响，比如化肥、农膜、农药等农用化学品的不合理使用，本质上就是对耕地的污染[14]，因此也应将其作为耕地生态足迹的核算项目。在计算生态足迹的过程中，生态足迹核算分为生物资源足迹核算和碳足迹核算。

2.1.1.1 生物资源足迹计算

生物资源账户的生态足迹计算公式为：

式（1）～（3）中，EF1为总生态足迹，N为年末总人口，ef1为人均生态足迹，r为“国家公顷”下耕地的土地利用均衡因子，i为农作物类型，aai为农作物生产面积，Ci为i种农作物人均生产量，Hi为i种农作物的全国平均年生产能力，p为耕地的全省总产量，A为耕地的全省总面积，为耕地土地的平均产量，°为6类土地的平均产量。

2.1.1.2 碳足迹计算

碳排放量计算公式如下：

式（4）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2），Bj为第j类项目的单位面积的投入量。

表2 排放因子

固碳能力计算公式如下：

式（5）～（6）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为第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为耕地面积。

碳足迹测算公式如下：

式（7）～（8）中，EF2和ef2分别表示碳足迹和人均碳足迹。

2.1.1.3 生态足迹测算公式如下：

式（9）～（10）中，Δ为平衡因子，Δ1=0.5；EF和ef分别表示生态足迹和人均生态足迹。

2.1.2 耕地生态承载力计算

式（11）～（13）中，EC为耕地生态承载力，ec为人均耕地生态承载力，ai为实际占有i类农作物生产面积，y为“国家公顷”下耕地的产量因子，P为全省平均生产力，Q为全国平均生产力。

2.1.3 生态赤字/盈余

生态赤字是指人类对生态资源的消耗超过其生态能力的区域，这表明该地区的发展模式处于相对不可持续的状态[18]。其不可持续的程度由生态赤字表示，反之亦然。

当EF＜EC，农业生态环境呈现生态盈余；当EF＞EC，农业生态环境呈现生态赤字。因此，生态盈余/赤字的公式如下：

式（14）～（15）中，ER为生态盈余，ED为生态 赤字。

2.1.4 三维生态足迹模型的计算

足迹深度是指维持一个地区当前资源消耗水平所需土地面积的倍数[19]，它反映了自然资本存量的消耗。其值越大，需求越大，资本存量的消耗越大。足迹广度是指地区耕地承载力范围内实际占有的农作物生产面积[19]。它代表了人类占有的自然资本流动水平。足迹广度越大，土地承载压力越小。

足迹深度、足迹广度计算公式为：

式（16）～（18）中，EFdepth为足迹深度；EFsize为足迹广度，EF3D为三维生态足迹。

2.2 耕地承载力指数

本文基于三维生态足迹模型，构建耕地承载力指数，评价区域耕地对区域生产的承载力。耕地承载力指数用地区耕地需求除以耕地生产能力来表示[20-21]，公式如下：

式（19）～（21）中，Pa为耕地单位面积产量，A为耕地总面积，Ga为粮食生产力能力，GP为耕地承载力，Icropland为耕地承载力指数。

参照柳乾坤构建的土地承载力指标体系[22]，构建耕地承载力指数等级分类（表3）。

表3 耕地承载力指数等级

3 结果与分析

3.1 传统耕地生态足迹分析

运用传统生态足迹模型，将数据代入式（1）～（10）中计算，得到2010—2019年黑龙江省的生物资源足迹、碳足迹、生态足迹（表4），人均耕地生态足迹的组成内容和结构比例见图1。

表4 黑龙江省2010—2019年生态足迹核算项目及变幅

根据式（1）～（3），黑龙江省2010—2019年人均耕地生物资源足迹（ef1）为0.054～0.065 hm2/人，黑龙江省2010—2019年耕地生物资源足迹（EF1）为206.493×104～244.766×104hm2，波动小，总体无明显变化。据图1可知，黑龙江省生物资源人均消费量2010—2015年呈稳定增长的状态，2016年出现小幅下降；由《国家统计局关于2016年粮食产量的公告》可知，高产经济作物播种面积减少，农业气象灾害较上年严重，影响了农作物的生长。以上结果说明，2010—2019年黑龙江省农作物产量虽然有小幅变化，但对耕地生物资源足迹影响小，不能反映黑龙江省居民对耕地的生态占用情况。

图1 黑龙江省2010—2019年消费量与生态足迹关系图

根据式（4）～（5），黑龙江省2010—2019年耕地碳排放总量为340.600×104t～350.343×104t，平均固碳量由0.480 t/hm2降至0.435 t/hm2（表5），人均碳足迹由0.185 hm2/人升至0.215 hm2/人，全省碳足迹由708.991 hm2升至805.222 hm2，呈现先升后降的趋势。通过对两类生态足迹的比较发现，黑龙江省居民的生物资源足迹始终低于同期的碳足迹。由图2可知，农药、农膜和农用柴油使用量各年变化不大，化肥的用量在2010—2015年逐年增加，2016年开始逐渐下降但总体呈上升趋势。2010—2014年碳排放总量逐年上升，2014年以后碳排放总量趋于稳定且有下降的趋势，这得益于黑龙江省农业环境保护和管理条例的有效实施，以及良好的农业环境监督管理。

表5 黑龙江省2010—2019年碳排放变化情况

图2 黑龙江省2010—2019年耕地碳排放源构成

由表4和图3可知，2010—2019年，黑龙江省人均耕地生态足迹由0.146 hm2/人增至0.173 hm2/人；生态足迹由560.988×104hm2增至647.378×104hm2，增长15.3%，年均增长1.53%，总体上呈增长趋势。其中，2013年生态足迹上升最快为19.43%，2017年最高达到694.581×104hm2；但2011年、2015年、2018年、2019年为负增长。由图3可知，2010—2019年黑龙江省耕地生态足迹与碳足迹基本呈正相关的趋势，因此生态足迹的变化主要是碳足迹的 变化。

图3 黑龙江省2010—2019年生态足迹变化趋势

如表6所示，根据式（11）～（13），得到黑龙江省2010—2019年耕地产量因子y，2012年及以后均大于1，表明2012年及以后黑龙江省耕地产量高于全国平均水平。黑龙江省耕地生态承载力变化如图4所示，2010—2014年，黑龙江省人均耕地生态承载力迅速提高，平均涨幅为8.61%。2014年以后波动不大，呈小幅下降趋势，维持在0.144～0.131 hm2/人之间。

图4 黑龙江省2010—2019年人均耕地承载力对比图

表6 黑龙江省2010—2019年耕地生态承载力变化情况

根据 式（14）～（15），已知2010—2019年EF＞EC，所以处于始终生态赤字状态，生态赤字在103.411×104hm2～191.566×104hm2之间，累计生态赤字1498.898×104hm2，是2019年耕地面积的1.02倍。

3.2 基于三维生态足迹的耕地承载力分析

根据式（16）～（18），采用三维生态足迹模型计算，2010—2019年黑龙江省人均耕地足迹广度、足迹深度、三维生态足迹见表7。

表7 黑龙江省2010—2019年三维生态足迹变化情况

据表7，2010—2019年耕地足迹深度均大于1，平均深度为1.311，说明黑龙江省这十年需要1.311倍自身耕地面积才可以满足自身的资源消耗，其中2010年的存量资本消耗较高。2010—2019年足迹深度平均下降了0.21%，说明总体呈下降的趋势。（虽然目前供需不足，生态环境压力大，但总体向好的方面发展）足迹广度反映的是全省的流量资本，可知2010—2019年黑龙江省耕地足迹广度为0.103～0.144 hm2/人，其中2010—2014年足迹广度始终呈增长状态，2015—2019年开始缓慢下降。

通过核算发现，2010—2019年的各年足迹深度都远远大于各年足迹广度。表明2010—2019年黑龙江省的自然资本流动已被充分占用。为了满足现有的自然资本需求，理论上所需要的耕地面积是现有耕地面积的1.377倍。各种资源的消耗对土地的压力在逐渐减少，黑龙江省自然资源的流量开始不足以应对自然资源的消耗。

根据式（19）～（21），可以得出2010—2019年黑龙江省耕地承载力指数；通过表8可知耕地承载力指数均维持在1.37上下，均在1.3～1.5之间，即耕地均属于一般超载的水平。黑龙江省耕地的生产压力已经超过了原有耕地的生态生产能力，而目前耕地的承载力无法支撑其发展，因此有必要利用其他地区的承载力来支撑本地区耕地的 发展。

表8 黑龙江省2010—2019年耕地承载力指数表

4 讨论与结论

本文采用传统生态足迹模型和三维生态足迹模型计算了2010—2019年黑龙江省耕地生态足迹、生态承载力、足迹深度、足迹广度、三维生态足迹和生态盈余/赤字，并计算了耕地承载力指数。

4.1 讨论

（1）从总体看，与中国其他地区相比，黑龙江省耕地承载力资本流量占用率低，耕地承载力水平较好[23]。2010—2019年，黑龙江省人均耕地生态足迹增长8.61%，且存在生态赤字，耕地压力明显，土地所能提供的资源不能满足当前对耕地的使用。黑龙江省虽然自身有着良好的耕地禀赋，但在耕地中农药化肥的不合理使用以及农膜的过度使用，其耕地生产质量不断下降。尤其是在2015年以前，由于农作物种植面积不断加大，农作物产量持续增加，土壤肥力不断下降，导致施用更多的肥料以弥补土壤肥力缺失的问题；2015年以后，由于提倡绿色有机、天然无公害的栽培方法，大力发展有机农业，同时农药和化肥的使用量也逐渐减少，因此农药和化肥的碳排放量在2010—2019年间呈先增加后减少的趋势。黑龙江省可以通过推广测土配方施肥和滴灌技术，控制农膜的使用，以降低碳足迹。

（2）从全国格局来看，黑龙江省是我国最大的粮食生产基地，提高粮食综合产能，在确保国家粮食安全中发挥着重要的作用。黑龙江省耕地后备资源充足，通过合理的方式增加有效耕地面积，可以更好地保护和满足黑龙江省的耕地需求[24]。

（3）从驱动因素来看，经济发展、环境因素，以及国家发展战略是黑龙江省耕地生态足迹和足迹深度的重要驱动因素。黑龙江省是农业大省，且有着珍贵的黑土资源，耕作方式、耕作面积、能源消费是影响生态足迹最大的3个因素。作为中国重要的商品粮基地，农药化肥以及耕作机器的不合理使用是导致耕地生态足迹增加的重要 因素。

（4）从政策来看，黑龙江省耕地可持续利用在全省整体可持续发展中具有不可替代的作用。虽然2010—2019年黑龙江省耕地生态承载力总体呈上升趋势，但2014年以来一直处于下降趋势，主要是因为人们对肉类、水产品、蔬菜等农产品的需求量增加，新型农业经营主体开始改变土地用途，耕地面积开始减少。虽然与全国其他粮食主产区相比，黑龙江省耕地“非粮化”问题处于中等偏下，但仍呈逐年上升的趋势[25]。黑龙江省耕地的合理利用需要重点关注，在发展的过程中应该更加倾向于防止耕地“非粮化”，持续巩固维护粮食安全，加强耕地保护修复工作，加大黑土地保护力度，扩大高标准农田规模。

4.2 结论

（1）基于传统的生态足迹模型，2010—2019年黑龙江省生态足迹总体呈上升的趋势，平均年涨幅为1%，其中生物资源生态足迹几乎无明显变化，碳足迹变化较为明显，耕地面积基本保持不变，生态赤字总体上呈增长的趋势，平均涨幅为2%，且在2018年达到最高191.566×104hm2。

（2）基于三维生态足迹模型，2010—2019年的足迹深度普遍呈上升趋势，平均变幅为-0.21%，2010—2014年足迹广度始终呈增长状态，2015—2019年开始缓慢下降，且始终小于足迹深度。由此表明，尽管自然资源流动基本满足了该地区的自然资源需求，但仍需要消耗少量的自然资源存量，以支持当前耕地的开发和消耗。

（3）在三维生态足迹的基础上，建立耕地承载力指数得出，2010—2019年黑龙江省耕地承载力在1.3～1.5之间，处于一般超载的状态，不利于耕地的发展。