蔣如琦,王 衛(wèi),2,任向?qū)?,胡月?/p>
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省土地信息工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510640;2.韶關(guān)學(xué)院英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院/韶關(guān)學(xué)院粵北土壤土地研究中心,廣東 韶關(guān) 512005)
【研究意義】耕地是農(nóng)作物生產(chǎn)中不可缺少的土地資源[1-2],也是一切生產(chǎn)工作和糧食供給的最基本保障[3-4]。耕地?cái)?shù)量銳減及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化,將對(duì)我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[5-6]。在此背景下,學(xué)者們將“生態(tài)承載力”引入耕地研究,提出耕地生態(tài)承載力的概念,主要分析在人類和自然等多方面的影響下,耕地生態(tài)環(huán)境所能夠承載的程度[7]。對(duì)地區(qū)耕地生態(tài)承載力的研究,對(duì)保障該地區(qū)糧食安全、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展以及因地制宜制定土地保護(hù)措施等均具有重大現(xiàn)實(shí)意義[8]。
【前人研究進(jìn)展】外國(guó)學(xué)者Wackernagel提出生態(tài)足跡模型[9-10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)不同地區(qū)的區(qū)域特色,對(duì)生態(tài)足跡模型進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用到各層面尺度的研究中[11]。施開(kāi)放等[12]在GIS空間分析的支持下,對(duì)重慶市的耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)在空間分布上,重慶市耕地生態(tài)承載力供需已經(jīng)失衡;王雅敬等[13]對(duì)喀斯特地區(qū)的耕地生態(tài)承載力進(jìn)行調(diào)查,并分析了其經(jīng)濟(jì)水平和石漠化狀態(tài),結(jié)果發(fā)現(xiàn),三者之間的關(guān)系不只是單純的正相關(guān),非喀斯特地區(qū)耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平之間存在正相關(guān)關(guān)系,這是喀斯特地區(qū)有別于其他區(qū)域的特點(diǎn)之一;羅海平等[14]從多個(gè)方面出發(fā),分析了國(guó)內(nèi)糧食主要產(chǎn)區(qū)的多種數(shù)據(jù),如其生態(tài)承載力、生態(tài)足跡以及糧食作物種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)兩種主要糧食作物(玉米和稻谷)對(duì)其生態(tài)承載力的提升發(fā)揮了極大作用;韋燕飛等[15]認(rèn)為貧困地區(qū)的耕地生態(tài)狀況是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要保障,是農(nóng)民得以實(shí)現(xiàn)富裕的關(guān)鍵。目前我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡,學(xué)者對(duì)生態(tài)環(huán)境區(qū)域研究也體現(xiàn)出不平衡,不少學(xué)者對(duì)生態(tài)承載力的研究都集中在我國(guó)東部及中部較發(fā)達(dá)地區(qū),而對(duì)西北部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),尤其是針對(duì)青海省的相關(guān)研究較少。
【本研究切入點(diǎn)】青海省是青藏高原東北部的生態(tài)屏障保護(hù)區(qū)[16],受多方面因素影響致使生態(tài)環(huán)境十分脆弱,在遭到人為破壞后經(jīng)漫長(zhǎng)時(shí)間都不能恢復(fù)原貌。由于地理環(huán)境獨(dú)特,青海省耕地?cái)?shù)量較少且質(zhì)量較低,在農(nóng)業(yè)上所能用到的水源匱乏,加上一系列生態(tài)問(wèn)題,導(dǎo)致原有耕地面積不斷縮?。?7]。以上特殊的地域因素對(duì)青海省耕地生態(tài)狀況產(chǎn)生較大影響。耕地生態(tài)承載力體現(xiàn)區(qū)域耕地生態(tài)狀況的好壞,但青海省相關(guān)研究較少。因此,本研究以青海省為研究區(qū)域,對(duì)其耕地生態(tài)承載力進(jìn)行研究?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】運(yùn)用GIS空間分析與生態(tài)足跡模型,測(cè)算青海省的耕地生態(tài)足跡、耕地生態(tài)承載力和耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù),對(duì)其耕地生態(tài)承載力狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),并定性分析耕地生態(tài)承載力供需平衡的驅(qū)動(dòng)因素,以期為青海省制定耕地保護(hù)政策、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以及人與自然和諧發(fā)展等方面提供科學(xué)參考。
青海省地處我國(guó)西部,位于世界屋脊青藏高原的東北部。全省東西長(zhǎng)1 200多km,南北寬800多km,總面積72.23萬(wàn)km2,占全國(guó)總面積的1/13,列全國(guó)各省、市、自治區(qū)的第四位。青海省土地廣闊,地理特征也較為復(fù)雜,大多數(shù)區(qū)域?yàn)楦咴?,也有山地和盆地等,境?nèi)交錯(cuò)復(fù)雜的山體構(gòu)成了青海省的地貌骨架。作為青藏高原與黃土高原的交匯地,區(qū)域內(nèi)同時(shí)有農(nóng)業(yè)區(qū)和牧區(qū),也具備了兩種高原和盆地的地貌特征。青海省深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,地處青藏高原,屬于高原大陸性氣候,氣候特征為:日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng);冬季漫長(zhǎng)、夏季涼爽;氣溫日較差大,年較差??;降水量少,地域差異大,東部雨水較多,西部干燥多風(fēng),缺氧、寒冷。2018年末,青海省常住人口為603.23萬(wàn)人,實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值2 865.23億元,人均生產(chǎn)總值47 498元。耕地總面積為59.01萬(wàn)hm2,占全省土地總面積的0.82%,人均耕地約0.10 hm2,區(qū)域人地分配問(wèn)題比較嚴(yán)重。
青海省糧食作物(小麥,雜糧,薯類)、經(jīng)濟(jì)作物(油料)、蔬菜和食用菌以及人口、GDP、其他自然地理狀況數(shù)據(jù)來(lái)源于《青海統(tǒng)計(jì)年鑒2018》和《青海省2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》;全球小麥、雜糧、薯類、油料、蔬菜等相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《國(guó)際統(tǒng)計(jì)年鑒2018》;2017年青海省耕地資源數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃圖等相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)源于青海省自然資源廳。
1.3.1 需求模型:耕地生態(tài)足跡 生態(tài)足跡代表的不僅是地區(qū)內(nèi)能提供人類生產(chǎn)耗費(fèi)資源時(shí)所需的土地面積,還包括自然消化人類生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生污染的土地面積。而耕地生態(tài)足跡的概念相對(duì)簡(jiǎn)單,它代表地區(qū)內(nèi)每年從生態(tài)系統(tǒng)中獲取必要資源時(shí)所需的生物生產(chǎn)性土地面積,是人類對(duì)生態(tài)資源的需求[18]。公式為:
式中,EF為地區(qū)耕地總的生態(tài)足跡;N為地區(qū)內(nèi)人口總數(shù);ef為地區(qū)內(nèi)耕地的人均生態(tài)足跡;i為不同種類損耗的項(xiàng)目;r為耕地所表示的均衡因子,取值2.17;Ai為地區(qū)內(nèi)人均第i種消費(fèi)項(xiàng)目所需的耕地;Ci為地區(qū)內(nèi)人均第i種消費(fèi)項(xiàng)目的消費(fèi)量;Pi為世界范圍內(nèi)人均第i種消費(fèi)項(xiàng)目的生產(chǎn)力。
1.3.2 供給模型:耕地生態(tài)承載力 耕地生態(tài)承載力代表的是耕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)干擾的承受能力,即耕地生態(tài)系統(tǒng)的供給能力,研究對(duì)象為地區(qū)內(nèi)耕地生態(tài)系統(tǒng)能夠供給的生物生產(chǎn)性土地面積。公式為:
式中,EC為某地區(qū)內(nèi)耕地總的生態(tài)承載力;N為總?cè)丝跀?shù);ec為地區(qū)內(nèi)耕地的人均生態(tài)承載力;a為人均耕地面積;r為耕地均衡因子;y為耕地產(chǎn)量因子,取值1.66。同時(shí),根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)的建議,將總生物生產(chǎn)性面積中的12%劃分為生物多樣性保護(hù)地。
1.3.3 供需平衡模型:耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù) 對(duì)青海省內(nèi)耕地的需求與供給基本情況進(jìn)行充分分析后,對(duì)青海省不同區(qū)域的耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)(EI)進(jìn)行對(duì)比研究。將區(qū)域內(nèi)耕地的人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力相比,所得到的比值就是區(qū)域供需平衡指數(shù)。公式為:
式中,EI為區(qū)域內(nèi)耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù);ef為區(qū)域內(nèi)耕地的人均生態(tài)足跡;ec為區(qū)域內(nèi)耕地的人均生態(tài)承載力。若EI>1,表明區(qū)域內(nèi)耕地的生態(tài)供給不能滿足需求,耕地生態(tài)處于赤字狀況;若EI=1,則區(qū)域內(nèi)的耕地生態(tài)供給恰好能滿足需求,耕地生態(tài)處于平衡狀況;若EI<1,則區(qū)域內(nèi)耕地的生態(tài)供給超出所需的范圍,耕地生態(tài)處于盈余狀況。本研究采用的是施開(kāi)放等[12]于2013年提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),據(jù)此將青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡分為3種類型(表1)。
2017年青海省總耕地生態(tài)足跡為465 647.52 hm2,區(qū)域人口總數(shù)為584.69萬(wàn)人,區(qū)域人均耕地生態(tài)足跡為0.08 hm2。依據(jù)各市(州)耕地生態(tài)足跡與青海省平均總耕地生態(tài)足跡的比值(圖1A)、各市(州)人均耕地生態(tài)足跡與青海省人均耕地生態(tài)足跡的比值(圖1B)評(píng)價(jià)耕地生態(tài)足跡,結(jié)果表明,各市(州)耕地生態(tài)足跡與青海省平均總耕地生態(tài)足跡比值的高值區(qū)為東部的海東市,低值區(qū)為西部的玉樹(shù)州、南部的果洛州和黃南州;各市(州)人均耕地生態(tài)足跡與青海省人均耕地生態(tài)足跡比值的高值區(qū)為中部的海南州、北部的海北州,低值區(qū)為玉樹(shù)州、果洛州、黃南州和西寧市??傮w來(lái)看,圖1A比值結(jié)果與各區(qū)域人口總數(shù)有較好的一致性,人口總數(shù)多的市(州)耕地生態(tài)足跡大;圖1B比值結(jié)果中低值區(qū)分布較為廣泛,西寧市人口相對(duì)集中,但與青海省內(nèi)人口較為分散的區(qū)域相比呈現(xiàn)出低值。
表1 青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading evaluation criteria for supply and demand balance of ecological carrying capacity of cultivated land in Qinghai Province
圖1 青海省各市(州)總耕地生態(tài)足跡和人均耕地生態(tài)足跡Fig.1 Total and per capita ecological footprint of cultivated land in various cities(states)of Qinghai Province
2017年青海省總耕地生態(tài)承載力為520 606.22 hm2,區(qū)域人均耕地生態(tài)承載力為0.09 hm2。依據(jù)各市(州)耕地生態(tài)承載力與青海省平均總耕地生態(tài)承載力的比值(圖2A)、各市(州)人均耕地生態(tài)承載力與青海省人均耕地生態(tài)承載力的比值(圖2B)評(píng)價(jià)耕地生態(tài)承載力,結(jié)果表明,各市(州)耕地生態(tài)承載力與青海省平均總耕地生態(tài)承載力的比值主導(dǎo)部分為低值區(qū)和中值區(qū),低值區(qū)包括玉樹(shù)州、果洛州和黃南州,分布相對(duì)集中;各市(州)人均耕地生態(tài)承載力與青海省人均耕地生態(tài)承載力的比值主導(dǎo)部分為中值區(qū)和高值區(qū),高值區(qū)包括海北州和海南州,分布也較為聚集。造成以上兩種耕地生態(tài)承載力相關(guān)比值在青海省空間分布上不匹配的原因,主要為各市(州)耕地總面積存在差異性,果洛州是省內(nèi)耕地面積最小的市(州),而海東市是擁有最多耕地的市(州)。
圖2 青海省各市(州)總耕地生態(tài)承載力和人均耕地生態(tài)承載力Fig.2 Total and per capita ecological carrying capacity of cultivated land in various cities(states)of Qinghai Province
表2 基于EI的青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation on supply and demand balance of cultivated land ecological carrying capacity in Qinghai Province based on EI
對(duì)青海省各市(州)生態(tài)承載力狀況進(jìn)行分析,結(jié)果(表2、圖3)顯示,2017年,該省各市(州)的耕地生態(tài)狀況包括耕地生態(tài)盈余區(qū)和耕地生態(tài)平衡區(qū),并無(wú)耕地生態(tài)赤字區(qū)。耕地生態(tài)盈余區(qū)的市(州)有4個(gè),包括海西州、果洛州、西寧市和黃南州;耕地生態(tài)平衡區(qū)的市(州)有4個(gè),包括海北州、海南州、海東市和玉樹(shù)州。從人口數(shù)量方面來(lái)看,耕地生態(tài)盈余區(qū)容納人口294.79萬(wàn)人,占青海省總?cè)丝诘?0.42%;耕地生態(tài)平衡區(qū)容納人口289.90萬(wàn)人,占青海省總?cè)丝诘?9.58%,兩者相差不大。從土地面積方面來(lái)看,耕地生態(tài)盈余區(qū)的面積較大,為400 934.09 km2,占青海省土地總面積的57.55%;耕地生態(tài)平衡區(qū)的面積相對(duì)較小,為295 712.68 km2,占青海省土地總面積的42.45%??偟膩?lái)說(shuō),青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況在空間分布上存在差異性,西部主要為耕地生態(tài)盈余區(qū),而東部主要為耕地生態(tài)平衡區(qū)。耕地生態(tài)平衡區(qū)中臨界超載的3個(gè)市(州)土地面積僅占研究區(qū)的13.04 %,卻承載著研究區(qū)42.58 %的人口,換言之,耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)越大的區(qū)域一般擁有較大的人口密度。
圖3 青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡空間格局Fig.3 Spatial pattern of balance between supply and demand of cultivated land ecological carrying capacity in Qinghai Province
2.4.1 人口因素 區(qū)域內(nèi)的人口與糧食的生產(chǎn)和消費(fèi)有很大關(guān)聯(lián),且直接影響本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,而這些因素也是評(píng)估耕地生態(tài)承載力供需平衡的標(biāo)準(zhǔn)。青海省東部地區(qū)的人口比西部多,常住人口與城鎮(zhèn)人口數(shù)也相對(duì)較多,因此對(duì)耕地的需求量較大;而且人口數(shù)量較多會(huì)使得人均耕地面積變小,人均耕地面積越小則耕地生態(tài)的供給能力越弱,人均耕地生態(tài)承載力越小。海東市、海北州和海南州都屬于青海省人口數(shù)量較多的市(州),而黃南州人口數(shù)量相對(duì)較少。
2.4.2 種植結(jié)構(gòu)因素 區(qū)域耕地種植結(jié)構(gòu)指的是各種農(nóng)作物的播種面積大小。農(nóng)作物的播種面積會(huì)影響耕地生態(tài)足跡,一般來(lái)說(shuō)農(nóng)作物播種面積越大,區(qū)域耕地生態(tài)足跡越大。青海省可利用草地面積約為3 885.57萬(wàn)hm2,占全省土地總面積的55.77%,遠(yuǎn)大于耕地總面積,主要分布于玉樹(shù)州、果洛州和海西州,這3個(gè)地區(qū)的可利用草地面積分別占全省的38.34%、15.61%和25.28%??衫貌莸孛娣e較大的市(州)農(nóng)業(yè)類型以畜牧業(yè)為主,因此農(nóng)作物的播種面積相對(duì)較小,對(duì)耕地生態(tài)的需求較弱,耕地生態(tài)足跡比其他市(州)稍小些。
2.4.3 政策因素 “十二五”期間,青海省安排了“青海東部黃河谷地百萬(wàn)畝土地開(kāi)發(fā)整理重大項(xiàng)目”和124個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目,投資來(lái)源涉及中央投資、地方配套資金和社會(huì)投資。在此期間青海省通過(guò)實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目共補(bǔ)充耕地面積1.70萬(wàn)hm2,農(nóng)民人均耕地面積增加460 m2,新增耕地所能供養(yǎng)人數(shù)達(dá)166 963人;項(xiàng)目實(shí)施后耕地質(zhì)量等級(jí)平均提高0.70個(gè)利用等,新增糧食產(chǎn)能7.71萬(wàn)t/年,受益人口達(dá)369 988人,實(shí)現(xiàn)了8 288名農(nóng)村貧困人口的脫貧。各項(xiàng)目在增加耕地面積、提高耕地質(zhì)量、改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件、增加農(nóng)民收入和保護(hù)生態(tài)等方面取得了顯著效果,也使耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況得到進(jìn)一步好轉(zhuǎn),因此青海省并未出現(xiàn)耕地生態(tài)赤字區(qū)。
西寧市作為青海省內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的市(州),人口密度較大,城鎮(zhèn)化程度較高[19]。通常情況下城鎮(zhèn)化率較高的城市常住人口和城鎮(zhèn)人口數(shù)量較多,建設(shè)用地占用耕地的情況也相對(duì)較多,這會(huì)導(dǎo)致該城市的耕地生態(tài)承載壓力變大,耕地生態(tài)安全面臨較大威脅[20]。但本研究結(jié)果顯示,西寧市的耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)(EI)比海北州、海南州和海東市要小,表明西寧市的耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況要好于其周邊的3個(gè)市(州),主要原因有以下3點(diǎn):一是西寧市的農(nóng)業(yè)區(qū)位條件較好。作為省會(huì)城市,其國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和國(guó)民收入均占全省的1/3,且可利用土地資源總量相對(duì)充足,在土地整治方面的投入較多;二是西寧市的水熱條件較好。相對(duì)于其他市(州)而言,西寧市的水資源相對(duì)充裕,區(qū)域內(nèi)山谷風(fēng)明顯,夏季溫度不高,屬于青海省內(nèi)生態(tài)條件宜人的地區(qū);三是西寧市的耕地質(zhì)量相對(duì)較好。其耕地主要分布在河谷地帶及支流的灌溉區(qū),耕地質(zhì)量較其周邊3個(gè)市(州)高,區(qū)域內(nèi)耕地生態(tài)承載能力較強(qiáng)。
此外,青海省生態(tài)環(huán)境脆弱,對(duì)其耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況的分析與評(píng)價(jià),可以作為衡量青海省耕地可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r與耕地生態(tài)安全狀況的重要依據(jù),也能為該地區(qū)制定土地利用與耕地保護(hù)措施提供參考。但從目前全國(guó)相關(guān)耕地生態(tài)承載力的研究來(lái)看,針對(duì)青海省的研究不多。并且青海省耕地生態(tài)承載力供需平衡在未來(lái)將會(huì)處于動(dòng)態(tài)變化中,省內(nèi)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及自然環(huán)境等諸多因素都會(huì)對(duì)其造成影響,相關(guān)的治理形勢(shì)并不樂(lè)觀。因此,對(duì)于青海省土地的總體規(guī)劃要格外慎重,要做好生態(tài)和經(jīng)濟(jì)兩方面工作,不能只顧眼前效益,應(yīng)為長(zhǎng)久的發(fā)展考慮;同時(shí)在耕地資源方面要堅(jiān)守原則,為生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。
本研究采用的模型中耕地均衡因子和產(chǎn)量因子的選取為前人研究成果,而部分較為特殊的地區(qū)缺少這方面信息,相關(guān)數(shù)據(jù)還有待收集;耕地生態(tài)足跡模型是基于現(xiàn)狀靜態(tài)數(shù)據(jù)的分析方法,結(jié)果雖有參考價(jià)值,但不能真正代表未來(lái)的變化趨勢(shì)。
本研究以青海省2017年耕地生態(tài)承載力為出發(fā)點(diǎn),運(yùn)用GIS空間分析和生態(tài)足跡模型進(jìn)行分析,結(jié)果表明:(1)耕地生態(tài)足跡高值區(qū)主要集中在青海省東部地區(qū),低值區(qū)則主要集中在西部,測(cè)算結(jié)果與各市(州)人口總數(shù)有較好的一致性,人口總數(shù)多的市(州)耕地生態(tài)足跡較大;(2)各市(州)耕地生態(tài)承載力與青海省平均總耕地生態(tài)承載力的比值,以及各市(州)與青海省在人均耕地生態(tài)承載力方面的比值,兩者在青海省空間分布上不匹配,原因主要為各市(州)的耕地總面積存在差異性;(3)從整體上看,根據(jù)各市(州)耕地生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)的值,青海省都屬于耕地生態(tài)盈余區(qū)與耕地生態(tài)平衡區(qū),并未出現(xiàn)耕地生態(tài)赤字區(qū);(4)青海省耕地生態(tài)承載力供需空間分布依然存在不平衡性,西部地區(qū)的耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況較東部地區(qū)好,東北部的海北州、海南州以及海東市已經(jīng)處于臨界超載狀態(tài),且臨界超載區(qū)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快區(qū)域有著很高的契合度。