基于能值生態(tài)足跡法的耕地利用可持續(xù)性評價(jià)

孫建樹　呂曉　梁爽

摘要：本文基于能值生態(tài)足跡法（Emergy Ecological Footprint，EEF）對日照市單位面積耕地的利用的可持續(xù)性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在研究時(shí)段內(nèi)，日照市單位面積耕地的能值生態(tài)承載力一直處于較低水平，且變化不大；能值生態(tài)足跡總體增長；生態(tài)赤字總體增大，但近兩年有下降趨勢；對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)變化的研究結(jié)果表明，日照市耕地利用的可持續(xù)性先降低，近年來又有所升高。為了實(shí)現(xiàn)日照市耕地可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步保護(hù)耕地資源，提高耕地質(zhì)量，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，合理控制人口增長，提高單位面積糧食產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：耕地；能值生態(tài)足跡；可持續(xù)性；糧食生產(chǎn)；日照市

中圖分類號(hào)：F301.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A

文章編號(hào)：1001-4942（2015）10-0070-05

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本。但是，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中各項(xiàng)非農(nóng)建設(shè)項(xiàng)目難免占用耕地。由于耕地大量被占用及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用不當(dāng)，各地區(qū)，特別是快速發(fā)展的沿海地區(qū)，人地矛盾日益突出。因此，針對耕地資源開展可持續(xù)性研究，對科學(xué)制定耕地保護(hù)政策和規(guī)劃目標(biāo)、防治農(nóng)業(yè)面源污染等均具有重要意義。然而，由于耕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，傳統(tǒng)的貨幣和能量等衡量手段無法對其中的能量流、物質(zhì)流和信息流進(jìn)行統(tǒng)一核算。鑒于此，加拿大生態(tài)學(xué)家William Rees及其博士生Maths Wackemagel提出了生態(tài)足跡模型，具有計(jì)算簡單、易于比較等優(yōu)點(diǎn)，在耕地可持續(xù)性研究中不斷被改進(jìn)，且被廣泛應(yīng)用。其中，通過整合生態(tài)足跡模型和能值分析理論改進(jìn)而來的能值生態(tài)足跡（Emergy Ecological Footprint，EEF）整合模型，可利用“能值密度”，將土地供給的能值和人類消費(fèi)的能值全部轉(zhuǎn)化為土地面積，再進(jìn)行分析與比較，由此評價(jià)土地的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r；該模型在評價(jià)持續(xù)性方面具有系統(tǒng)、全面、客觀以及可定量化的特點(diǎn)，從空間大尺度系統(tǒng)到小尺度系統(tǒng)都具有很好的適用性，評價(jià)結(jié)果在系統(tǒng)性和全面性等方面優(yōu)勢明顯。

本文即采用能值生態(tài)足跡法，計(jì)算并比較日照市2000～2012年的能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力，對能值生態(tài)足跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為保護(hù)耕地資源，提高耕地質(zhì)量，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

日照市位于中國大陸沿海中部、山東半島東南部，東臨黃海，西接臨沂市，南與江蘇省連云港市毗鄰，北與青島市、濰坊市接壤，隔海與日本、韓國相望。位于東經(jīng)118°25′～119°39′、北緯35°04′～36°04′之間，南北長約82千米，東西寬約90千米，轄區(qū)總面積5359平方千米。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年平均氣溫為12.7℃，年均降水量870mm。日照市是山東省新興旅游城市，并被譽(yù)為“水上運(yùn)動(dòng)之都”。

2012年，日照市總?cè)丝?83.43萬人，其中農(nóng)村人口184.88萬人，占總?cè)丝诘?5.23%；地區(qū)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)1352.57億元，人均地區(qū)生產(chǎn)總值74621元；第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)所占比例分別為8.7%、53.5%、37.8%；全市農(nóng)用地面積43.20萬公頃，其中耕地面積22.96萬公頃，人均耕地0.081公頃，低于全國平均水平。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

研究所需的日照市耕地面積、耕地生產(chǎn)物品的產(chǎn)量，化肥、農(nóng)藥施用量及農(nóng)機(jī)消耗的柴油等農(nóng)資投人數(shù)據(jù)，以及占用耕地面積等數(shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《山東省國土資源綜合統(tǒng)計(jì)年報(bào)》。用以計(jì)算自然可更新資源的日照時(shí)數(shù)、降水量、平均氣溫等數(shù)據(jù)來源于山東省統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)和日照市氣象局。

2.2能值生態(tài)足跡法

能值生態(tài)足跡法是將能值等價(jià)成空間面積需求，為生態(tài)足跡的計(jì)算提供新的途徑。首先，需要把系統(tǒng)消費(fèi)的不同類型、不同等級(jí)的能量流通過能值轉(zhuǎn)換率換算成可以直接進(jìn)行加減的太陽能值；然后，引入能值密度，將各消費(fèi)項(xiàng)的太陽能值換算成土地面積；最終，計(jì)算出研究區(qū)域的能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡，由此評價(jià)其可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。

根據(jù)能值生態(tài)足跡法，首先繪制出耕地生態(tài)系統(tǒng)的能值分析簡圖（圖1），并依據(jù)簡圖中所涉及的物質(zhì)、能量的投入和產(chǎn)出情況進(jìn)行調(diào)查及數(shù)據(jù)、資料的收集。

然后利用能值生態(tài)足跡整合模型進(jìn)行研究，主要計(jì)算內(nèi)容與方法如下：

（1）能值

Emergy=energy（mass）×transformity式中，Emergy是能值，energy為能量，mass為質(zhì)量，transformity是能值轉(zhuǎn)換率。本研究采用Odum提出的能值轉(zhuǎn)化率，且忽略能值轉(zhuǎn)化率的地區(qū)差異。

（2）能值生態(tài)足跡

EEF=ST+∑I_i/GED

式中，EEF為能值生態(tài)足跡，ST為污水治理消耗的能值，I_i為糧食生產(chǎn)投入的各種農(nóng)資對應(yīng)的能值。GED為全球能值密度（Global Empower Density），本研究參考Zhao等研究的全球能值密度，取3.1×10¹⁰sej/m²。

為了更加科學(xué)地計(jì)算能值生態(tài)足跡，借鑒趙桂慎等的研究思路，將耕地利用過程中造成的水體污染治理所需要的能耗計(jì)算在內(nèi)，水體污染治理能耗的估算主要考慮治理由于氮磷鉀流失、農(nóng)藥殘留等帶來的水體污染所消耗的能量，采用相關(guān)研究得出的估計(jì)值進(jìn)行估算。

（3）能值生態(tài)承載力（Emergy Carrying Capacity，ECC）

將一個(gè)地區(qū)所有提供給人類的生產(chǎn)性生物土地面積綜合稱之為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的承載力。自然資源分為可更新資源和不可更新資源兩類，其中不可更新資源由于人類的不斷開發(fā)與利用，會(huì)日益枯竭，因此本文認(rèn)為，能值生態(tài)承載力的計(jì)算應(yīng)基于可更新資源，并將能值生態(tài)承載力定義為可再生自然資源總量對應(yīng)的等效面積，選取耕地作物生長所需的太陽能、雨水勢能、雨水化學(xué)能和地球旋轉(zhuǎn)能作為計(jì)算能值生態(tài)承載力的來源。計(jì)算公式如下：endprint

ECC=∑（RE_i/GED）

式中，ECC為能值生態(tài)承載力，RE_i為計(jì)算ECC所需的各可更新自然資源所包含的能值，GED為全球能值密度。

（4）能值產(chǎn)出容量（Emergy Output Capacity，EOC）

能值產(chǎn)出容量是衡量耕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，能夠體現(xiàn)研究對象的產(chǎn)出水平。根據(jù)單位耕地面積的糧食產(chǎn)量，可估算出能值產(chǎn)出容量。計(jì)算公式如下：

EOC=∑（G_i-GED）

式中，EOC為能值產(chǎn)出容量，G_i為產(chǎn)出的糧食所包含的能值，GED為全球能值密度。

（5）生態(tài)赤字或盈余

通過對某一地區(qū)的能值生態(tài)足跡與能值生態(tài)承載力比較，得到生態(tài)赤字（Ecological Deficit，ED）或生態(tài)盈余（Ecological Surplus，ES）。一個(gè)地區(qū)的能值生態(tài)承載力小于能值生態(tài)足跡時(shí)，出現(xiàn)生態(tài)赤字，表征地區(qū)的不可持續(xù)程度；能值生態(tài)承載力大于能值生態(tài)足跡時(shí)，則產(chǎn)生生態(tài)盈余，表征地區(qū)的可持續(xù)程度。

（6）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（Sustainability Index，SI）

為更好地研究能值生態(tài)足跡各組成成分的功能及可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，本文選取可持續(xù)發(fā)展指數(shù)SI，根據(jù)能值產(chǎn)出容量和能值生態(tài)足跡，定量化表示耕地可持續(xù)利用的程度。SI由系統(tǒng)的投入產(chǎn)出水平來衡量，表征研究對象的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，其表達(dá)式為：

SI=∑（EOC/EEF）

3結(jié)果與分析

3.1水體污染治理能耗

首先，對水體污染治理所需要的能耗進(jìn)行估算，結(jié)果如表1所示。由于農(nóng)藥的用量每年變化幅度不大，無較大增多或減少，不具有明顯的規(guī)律性，暫不研究。

由表1可以看出，由于氮肥施用量很大，且易溶于水，流失率較高，對其污染治理的能耗最高；磷肥的施用量較小，且難溶于水，在土壤中移動(dòng)性較差，因此流失量較少，污染治理的能耗較低。為了避免重復(fù)計(jì)算，水體污染治理能耗的計(jì)算取兩者中的最大值。水體污染治理能耗在2000、2005、2010、2012年分別達(dá)到了9839、12182、6249、4914MJ/hm²。相比之下，2012年比2005年減少了7268MJ/hm²，削減率達(dá)到了59.7%；比2000年減少了4925MJ/hm²，削減率達(dá)50%。由此可見，近年來通過科學(xué)施用配方肥、優(yōu)化施肥方法以及使用緩控釋肥，有效控制了氮素對水體的污染，提高了利用率，降低了對外部環(huán)境的影響，有助于日照市耕地資源的可持續(xù)利用。

3.2能值投入量

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及農(nóng)戶調(diào)查，計(jì)算得出日照市耕地生態(tài)系統(tǒng)投入能值結(jié)果，見表2。可以看出，耕地生態(tài)系統(tǒng)2000、2005、2012年總能值投入分別為5.91×10¹⁵、7.22×10¹⁵、6.41×10¹⁵sej/hm²，2012年比2005年減少了8.1×10¹⁴sej/hm²，削減率達(dá)11.2%。其中，能值投入較高的是柴油、水體污染治理能耗、氮肥和磷肥，其他資源投入較少。從農(nóng)資投入情況來看，2012年與2005年相比，氮肥的能值投入減少了59.72%，磷肥的能值投入減少了30.90%，水體污染治理能耗的能值投入減少了59.74%，農(nóng)藥的能值投入增加了3.19%，灌溉電能的能值投入增加了23.76%，而柴油的能值投入增加了71.78%，增幅較大。氮肥投入的減少降低了其對土壤環(huán)境的污染，進(jìn)而影響了水體污染治理能耗的能值投入情況。柴油用量的大幅增加是因?yàn)檗r(nóng)村的各種農(nóng)作行為近年來基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、機(jī)械化，農(nóng)用機(jī)械的使用增加了柴油的用量。而灌溉電能能值投入的增加與耕地的灌溉次數(shù)和用水量有關(guān)。通過2000～2012年的數(shù)據(jù)總體上看，能值總投入總體呈先升高后下降的趨勢。

3.3能值生態(tài)承載力

依據(jù)文獻(xiàn)[13]的能值計(jì)算方法，得出2000、2005、2012年的能值生態(tài)承載力，見表3?？梢?，表中4種可更新資源中，太陽輻射能、雨水化學(xué)能、雨水勢能三者來源相同，因此本文取三者中能值最大的太陽輻射能進(jìn)行計(jì)算、比較，以避免重復(fù)計(jì)算。全球能值密度仍取3.1×10¹⁰sej/m²，并需要留出12%的生物生產(chǎn)土地面積以保護(hù)生物多樣性。經(jīng)過計(jì)算，2000、2005、2012年單位面積的ECC分別為0.99、0.98、0.98hm²/hm²，變化不大。太陽輻射和降水量等氣候條件的變化，是ECC小幅度減少的主要原因。

3.4能值產(chǎn)出容量

作為衡量耕地利用過程中生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，近年來日照市單位面積能值產(chǎn)出容量總體呈增加趨勢，2012年與2001年相比，EOC從12.16hm²/hm²增加到14.16hm²/hm²，與單位面積糧食產(chǎn)量提高的趨勢基本相同；2000～2003年呈下降趨勢，2004～2010年逐漸增加；2000～2012年間，單位面積能值產(chǎn)出容量最大值為2010年的15.06hm²/hm²，最小值為2003年的11.00hm²/hm²。

3.5生態(tài)赤字與能值生態(tài)足跡

從圖3可以看出，日照市耕地單位面積能值生態(tài)足跡與生態(tài)赤字的變化趨勢大致相同，13年間呈波動(dòng)變化，2000～2005年總體呈上升趨勢，2009年出現(xiàn)一個(gè)低谷，2010年達(dá)到峰值，2011～2012年呈下降趨勢。與2010年的最高值相比，2012年生態(tài)赤字由22.946hm²/hm²下降到19.699hm²/hm²，減少14.15%，表明日照市耕地可持續(xù)利用存在一定壓力，但數(shù)值相對較小，且呈下降趨勢。因此，在未來的發(fā)展中，日照市要開發(fā)利用與保護(hù)并重，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，著力提高能值生態(tài)承載能力，逐步減少生態(tài)赤字，力求實(shí)現(xiàn)耕地的可持續(xù)發(fā)展。

3.6可持續(xù)發(fā)展指數(shù)評價(jià)

本文選取可持續(xù)發(fā)展指數(shù)表示耕地可持續(xù)利用的程度，見圖4?？傮w上看，2000～2012年日照市耕地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化。2000～2003年呈下降趨勢，但從2005年以后逐漸升高，2009年后又有所降低；2012年較2005年可持續(xù)性指數(shù)提高了20.6%。由此可見，近幾年農(nóng)業(yè)面源污染防治效果初步顯現(xiàn)，系統(tǒng)效率有所提高，但區(qū)域耕地的可持續(xù)性仍然不高，因此必須增加耕地的保護(hù)與合理利用，保持耕地面積的動(dòng)態(tài)平衡。

4結(jié)論

本文采用能值生態(tài)足跡法，綜合評價(jià)了日照市的耕地生態(tài)系統(tǒng)，并構(gòu)造可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對該市耕地利用的可持續(xù)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

2000～2012年間，日照市單位面積耕地生態(tài)系統(tǒng)的能值生態(tài)足跡有所起伏，整體上2012年比2000年增長了8.5%；能值生態(tài)承載力變化不大，但一直處于較低水平；生態(tài)赤字與能值生態(tài)足跡呈大體相同的波動(dòng)變化趨勢，整體增長了9.0%；能值生態(tài)足跡與能值生態(tài)承載力差距較大，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)近年來有一定的上升趨勢，但較2000年有所減小，說明農(nóng)業(yè)面源污染的防治初現(xiàn)效果；分析投入產(chǎn)出情況，在能值產(chǎn)出容量增加的情況下，能值總投入減少了11.2%，表明耕地利用的系統(tǒng)效率有所提高。

隨著被納入山東省藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)帶，日照市必將憑借其自身的區(qū)位和政策優(yōu)勢，進(jìn)入新一輪的經(jīng)濟(jì)增長時(shí)期，城市化水平也將進(jìn)一步提高。因此為了實(shí)現(xiàn)日照城市化進(jìn)程中的耕地利用可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)從減小生態(tài)足跡與生態(tài)赤字、提高生態(tài)承載力、優(yōu)化外源投入等方面人手，注重保護(hù)耕地資源，提高耕地質(zhì)量；加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不斷加大農(nóng)業(yè)面源污染防治力度，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境；合理控制人口增長，提高單位面積糧食產(chǎn)量。endprint