湖北省耕地生态环境时空分异

摘要：基于生态足迹模型分析了湖北省1991-2011年耕地生态足迹、生态承载力及生态赤字，并且使用ArcGIS软件分析了2011年湖北省17个市（州）耕地生态足迹的空间分异规律，在此基础上，基于生态可持续指数（ESI）对湖北省耕地利用状况进行了评价。结果表明，湖北省耕地生态足迹不断增加，而生态承载力逐年下降，耕地的生态赤字呈波动增大趋势，全省耕地属于弱不可持续类型；湖北省耕地生态足迹可持续状况的空间分异表现在东西两端好于中部，神农架林区和恩施自治州生态盈余分别为0.289 0 hm2/人和0.096 0 hm2/人，耕地属于强可持续和弱可持续类型；西部的宜昌和十堰，东部的黄石和咸宁都较好；中部地区的荆门、天门、仙桃生态赤字最大，分别为0.652 0 hm2/人、0.492 hm2/人和0.486 hm2/人，而荆门和仙桃属于强不可持续类型。因此，运用生态足迹模型分析与评价耕地的利用状况具有广阔的应用前景。

　　关键词：耕地生态足迹；时空分异；湖北省

　　中图分类号：F323.211 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-1017-04

　　生态足迹（Ecological footprint，EF）是20世纪90年代加拿大生态经济学家Rees和他的博士生Wackernagel[1]提出的一种定量测度可持续发展程度的方法。由于该方法具有直观综合、操作简单、指标明确、可比性强等优点，很快在世界各国得到了广泛应用与深入研究[2-4]。1999年徐中民等[4，5]将该理论引入我国后，有学者使用该方法对各自所关注的省市生态可持续状况进行了评价[6]，之后又有学者将生态足迹模型运用于旅游、城市、能源、区域贸易、校园生态足迹、水生态足迹及交通等方面[7]，拓宽了其研究的领域。由于生态足迹的面积通常根据消费品的数量进行推算，因此生态足迹可以反映消费结构与土地需求之间的关系，成为分析土地利用结构和粮食安全的有效工具[8]。作者通过计算1991-2011年湖北省耕地生态足迹及2011年该省17个市（州）的耕地生态足迹，对湖北省耕地可持续利用进行时空分析与影响评价研究。

　　1 研究区概况

　　湖北省地处长江中游，洞庭湖以北，承接东西贯通南北，素有“九省通衢”之称。面积约18.59万km2，占全国总面积的1.94%。地势西高东低，呈东西北三面环山、中间低平、向南敞开的不完整盆地，有山地、丘陵、台地、平原多种地貌形态，山地占52%，丘陵占13%，台地和平原分别占14%和21%，分为鄂西山地、江汉平原、鄂东北低山丘陵和鄂东南低山丘陵[9]。湖北省的平原海拔多在50 m以下，地势平坦、土壤肥沃，其农业发展历史悠久，是我国重要的商品粮基地，也是中部地区的农业大省， 有“湖广熟，天下足”之美誉。湖北省重要的农业地位需要更好地协调耕地资源保护与社会经济发展的关系，然而目前耕地保护的形势较为严峻。湖北省耕地面积从1991年的3 458 460 hm2减少到2011年的3 361 860 hm2，21年间耕地共减少了96 600 hm2，从图1看出，耕地面积1991-2003年在逐年减少，在2003年后又有所回升，变化趋势特征呈“V”形。城镇化建设用地的占用成为耕地流失的最主要原因，渔粮争地现象、农业结构的调整、生态退耕还林和灾害毁田也是重要因素[9]。

　　2 耕地生态足迹模型的建立

　　生态足迹是指不断地生产人们消费所需要的资源和不断地吸纳产生的废弃物所需要的生物生产性土地总面积，是一种基于土地空间面积占用来度量可持续发展程度的自然资产综合核算工具。生物生产性土地分为化石能源地、耕地、草地、林地、建设用地和水域六大类。耕地生态足迹核算只涉及耕地生物资源，因此在计算湖北省耕地生态足迹时，只需选取耕地生物资源项目。 生态足迹的计量基于一个假设和两个事实。一个假设：假设各类土地的使用属性在空间上是互相排斥的；两个事实：①人类能够估计自身消费的大多数资源、能源及其所产生的废弃物数量。②这些资源和废弃物能折算成生产这些资源和吸纳这些废弃物的生物生产性土地面积[5]。对区域生态足迹和生态承载力（Ecological capacity，EC）进行比较，如果EF大于EC，称为生态赤字（Ecological deficit，ED）；反之为生态盈余（Ecological reserve，ER）。相关计算公式如下：

　　EF=N×EFP=N■（ai×r）=N■（■×r）

　　i=1，2，…，n（1）

　　EC=N×ECP=N×S×r×y（2）

　　式中，EF为区域耕地生态足迹（hm2），N为总人口；EFP为人均耕地生态足迹（hm2），ai为第i种生物产品人均占用的面积（hm2），r为耕地的均衡因子，ci为第i种生物产品人均消费量（kg），pi第i种生物产品的平均生产能力（kg/ hm2）；

　　EC为区域耕地生态承载力（hm2），ECP为人均耕地生态承载力（hm2），S为可提供的人均耕地面积（hm2）；y为耕地的产量因子。

　　3 湖北省耕地生态足迹时空动态分析

　　3.1 湖北省人均耕地生态足迹时间动态分析

　　研究数据出自研究时段的《湖北省统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《湖北省农村统计年鉴》及湖北各市（州）统计年鉴，所涉及耕地的生物产品主要有稻谷、小麦、玉米、薯类、大豆、棉花、花生、油菜、芝麻、麻类、甜菜、烟叶、水果、蔬菜等。利用前述公式计算出湖北省1991-2011年人均耕地生态足迹（EFP）、人均耕地生态承载力（ECP）及耕地的人均生态赤字或人均生态盈余（EDP或EDR）。此次研究耕地均衡因子、产量因子分别为2.80、1.66。

　　根据计算结果值绘制趋势变化曲线图（图2）。由图2可知，1991-2011年湖北省人均耕地生态足迹呈波动增加趋势，从1991年的0.484 1 hm2增加到2011年的0.581 9 hm2，增加了0.097 8 hm2，2004年以后增长速度有所减慢，反映了2004年后湖北省土地利用方式有所转型；人均耕地生态承载力始终低于人均生态足迹且总体下降，21年间减少了0.038 1 hm2；耕地人均生态赤字1991-1997年增长速度较快，其后速度减缓，2010年后又有所回升。人均耕地生态足迹的扩大，人均耕地生态承载力减小是人均生态赤字扩大的直接原因，人均耕地生态赤字从1991年的0.192 5 hm2增加至2011年0.328 4 hm2。人均耕地生态足迹不断增大， 人均生态承载力的减少，也说明了湖北省耕地生态系统的不稳定性在不断增加；人均耕地生态足迹的增加说明对耕地资源利用强度在不断加大；人均耕地生态承载力的减少，主要由于湖北省经济发展速度的加快和人口规模的扩大引起土地利用结构的变化和消费方式的改变。由以上分析得出，湖北省耕地整体处于不可持续状态，耕地超载现象严重。

　　3.2 湖北省耕地生态足迹区域空间差异分析

　　基于ArcGIS空间统计分析功能分析2011年湖北省各市（州）的数据，得出湖北省 17个市（州）2011年人均耕地生态足迹、人均耕地生态承载力及人均耕地生态赤字的空间分布情况（图3、图4、图5）。

　　由图3可知，湖北省人均耕地生态足迹中部最大，从西部、东北、东南向中部增加，而中部处于江汉平原，人口稠密、耕地广阔，是重要的农产品生产基地，故人均耕地生态足迹较大；湖北省西部地区的十堰、神农架林区及恩施自治州人均耕地生态足迹较小，分别为0.242 2、0.084 3、0.267 1 hm2，该区域主要为山地，人口相对较少、耕地面积较少且农产品产量小，故人均耕地生态足迹较小；武汉市、黄石市人均耕地生态足迹也较小，分别为0.247 9和0.283 1 hm2，该区域经济相对发达，居民饮食消费结构变化迅速，对农产品的依赖性降低且农产品主要依靠其他区域的供给，故人均耕地生态足迹较小。

　　由图4可知，在湖北省人均耕地生态承载力的空间分布上，西部地区总体要大于鄂东地区，东部地区人口密集、耕地流失现象最为严重，故人均耕地生态承载力较低。具体分布上，武汉市、鄂州市及黄石市人均耕地生态承载力较低，分别为0.095 0、0.179 3、0.171 9 hm2，该区域人口密度大，耕地面积有限且耕地面积不断减少，因而降低了人均耕地生态承载力；天门市的人均耕地生态承载力最大，为0.536 6 hm2，表明该区域生态状况良好；恩施自治州（人均耕地生态承载力0.363 4 hm2）及神农架林区（人均耕地生态承载力0.372 2 hm2）仍有较大的人均生态承载力，主要为该区域经济落后、人口密度不大、城镇水平低所导致的耕地资源变化缓慢。

　　由图5人均耕地生态赤字的空间分布可知，只有神农架林区和恩施自治州耕地处于可持续状态，人均耕地生态盈余分别为0.287 9和0.096 3 hm2，其余地区都为生态赤字，耕地生态状况不容乐观。武汉市、咸宁市、黄石市、十堰市、宜昌市人均耕地生态赤字较小，均在0.152 9 hm2以内，荆门市人均耕地生态赤字最大，为0.652 0 hm2，但荆门市耕地面积总量减少不明显，该区域后备耕地资源较丰富，开垦、复垦、整理等新增加的耕地较多，较大的人均耕地生态赤字归因于该区域农耕地面积广、农产品产量大、人口密度不大，而此次研究未考虑农产品的区域进出口贸易部分，所以导致人均耕地生态足迹计算结果偏大。

　　3.3 湖北省耕地可持续利用评价

　　刘钦普等[10 ]提出的生态可持续指数（ESI）表示一定区域的生态可持续供给（生态承载力）满足人类生态需求（生态足迹）的程度，可以较好地反映区域生态超载的严重程度。根据生态可持续指数远离0.5的程度，把耕地可持续利用程度从强可持续到强不可持续分为4个等级（表1）。生态可持续指数计算公式为：

　　ESI=■（3）

　　根据生态可持续指数，只有神农架林区属于强可持续类型；恩施和十堰为弱可持续类型；武汉市耕地生态足迹虽不大，较小的耕地生态承载力影响生态可持续指数偏小，耕地利用属于强不可持续类型；荆门、随州和仙桃较大的生态赤字和较小的生态可持续指数，耕地利用也属于强不可持续类型。全省生态可持续指数从1991年的0.38下降至2011年的0.30，耕地利用属于弱不可持续类型。

　　4 小结与讨论

　　湖北省人均耕地生态足迹的不断增加，人均耕地生态承载力又总体下降，人均耕地生态赤字呈现波动增加的趋势，全省耕地利用属于弱不可持续类型；各市（州）中，只有神农架林区耕地利用属强可持续类型，恩施和十堰为弱可持续类型，耕地可持续状况的区域差异为东西两端好于中部，西部的宜昌和十堰，东部的黄石和咸宁都较好；处于中部的荆门、天门、仙桃较差，人均耕地生态赤字分别为0.652 0、0.492 0、0.486 0 hm2，天门较大的耕地生态承载力平衡了生态可持续指数，耕地利用属于弱不可持续类型。

　　湖北省耕地生态足迹较大，提高耕地单位面积产量，减少人口以及减少人均消费，改变居民的饮食消费结构，加大对外农产品的进口都能起到减小区域耕地生态足迹的计算结果。提高耕地生态承载力，则需要制定切实保护耕地的措施，严格实施土地用途管理制度，提高耕地质量及利用效率，还可以应用现代信息技术如3S技术，建立耕地资源动态监测管理系统，加强对耕地资源生态演变动态监测，促进耕地资源可持续利用。

　　耕地生态足迹可以反映食物消费结构与土地需求之间的关系，成为分析土地利用结构和生态安全及粮食安全的有效工具，能准确反映耕地利用变化与经济发展的关系，为判断耕地的可持续性状况提供依据，同时也为区域的土地利用规划提供决策支持。但如能将区域内贸易调整部分引入，则更能客观反映区域耕地生态状况，今后需要进行更为细致和深入的研究。

　　参考文献：

　　[1] WACKERNAGEL M， REES W E. Our Ecological Footprint： Reducing Human Impact on the Earth[M]. Philadelphia，PA： New Society Publishers，1996.35-50.

　　[2] WACKERNAGEL M， ONISTO L， BELLO P. National natural capital accounting with the ecological footprint concept[J].Ecological Economics，1999，29：375-390.

　　[3] REES W E. Ecological footprint and appropriated carrying capacity： what urban economics leaves out[J]. Environment and Urbanization，1992，4（2）：121-130.

　　[4] 徐中民，张志强，程国栋.甘肃省1998年生态足迹计算与分析[J].地理学报，2000，55（5）：607-616.

　　[5] 徐中民，程国栋，张志强.生态足迹方法的理论解析[J].中国人口·资源与环境，2006，16（6）：69-76.

　　[6] 龙爱华，张志强，苏志勇.生态足迹评价及国际研究前沿[J].地球科学进展，2004，19（6）：971-981.

　　[7] 桑 秋，苏 菲，张平宇.辽宁省耕地生态足迹动态分析[J].安徽农业科学，2008，36（3）：1142-1143，1173.

　　[8] 高 练，周 勇，李 清.基于生态足迹理论的湖北省耕地可持续利用分析[J].国土与自然资源研究，2008（4）：45-46.

　　[9] 邓 帆，李仁东，王海芳.2000～2007年湖北省耕地变化的遥感调查与分析[J].长江流域资源与环境，2010，19（10）：1171-1176.

　　[10] 刘钦普，林振山，冯年华.生态足迹改进模型及在江苏省耕地利用评价中的应用[J].生态学杂志，2007，26（10）：1685-1689.