石 飛,楊慶媛,王 成,江娟麗,胡 蓉

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715 2 西南山地生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)國(guó)家級(jí)培育基地, 重慶 400715 3 重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 重慶 400715 4 西南大學(xué)綠色低碳發(fā)展研究所, 重慶 400715

隨著中國(guó)耕地休耕試點(diǎn)工作的深入推進(jìn),休耕試點(diǎn)規(guī)模從2016年的7.73×104hm2擴(kuò)大到2018年的22.67×104hm2,據(jù)估計(jì),2020年休耕規(guī)模將比2018年翻一番。當(dāng)前,中國(guó)已經(jīng)形成了“中央統(tǒng)籌、省級(jí)負(fù)責(zé)、縣級(jí)實(shí)施”的耕地休耕試點(diǎn)工作機(jī)制,而休耕規(guī)模則采用“自上而下”的方式將國(guó)家指標(biāo)逐級(jí)分解至縣級(jí)。下達(dá)的縣級(jí)休耕規(guī)模指標(biāo)的合理性以及縣級(jí)休耕規(guī)模如何在鄉(xiāng)鎮(zhèn)落實(shí)還有待從不同角度進(jìn)一步研究。美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等實(shí)施休耕制度較早的國(guó)家及地區(qū)重視休耕規(guī)模的調(diào)控,歐盟和日本根據(jù)國(guó)內(nèi)外糧食市場(chǎng)狀況來(lái)調(diào)整休耕規(guī)模,從而應(yīng)對(duì)國(guó)際糧食市場(chǎng)波動(dòng)帶來(lái)的沖擊,歐美制定了休耕規(guī)模上限,這有利于糧食安全、生態(tài)保護(hù)和土地資源有效利用,中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)休耕地面積過(guò)大,加之對(duì)休耕地的管護(hù)和利用不合理,造成大批良田閑置、耕地生產(chǎn)力下降和生態(tài)環(huán)境惡化等負(fù)面影響[1]。然而,中國(guó)幅員遼闊,地理空間差異大,并且中國(guó)屬于小規(guī)模農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體,具有耕地細(xì)碎化和小農(nóng)經(jīng)濟(jì)突出的特征[2],顯然,中國(guó)的“自上而下”的休耕規(guī)模指標(biāo)分配方式無(wú)法客觀反映縣級(jí)休耕實(shí)際情況。因此,縣級(jí)休耕規(guī)模測(cè)算或研究就顯得尤為迫切,這不僅是理論問(wèn)題也是技術(shù)問(wèn)題。

目前,主要從糧食安全視角測(cè)算大尺度(國(guó)家、區(qū)域、省域等)休耕規(guī)模較多,例如,羅婷婷等[3]通過(guò)分析“二調(diào)”、退耕還林等數(shù)據(jù)資料,認(rèn)為“二調(diào)”新增的0.13×108hm2耕地應(yīng)主要納入休耕系統(tǒng)；李凡凡等[4]采用GM(1,1)灰色模型、馬爾薩斯模型以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)法等,定量地預(yù)測(cè)出2015年中國(guó)可休耕規(guī)模為97.49×104hm2；龍玉琴等[5]借鑒增量城鎮(zhèn)用地區(qū)域配置的方法和原理,運(yùn)用最小人均耕地面積模型、趨勢(shì)預(yù)測(cè)法及熵權(quán)法,測(cè)算出中國(guó)31個(gè)省份可休耕耕地規(guī)模為1690.3×104hm2；Lu等[6]基于耕地糧食生產(chǎn)潛力測(cè)算出2016年可拿6.28%—9.54%比例的耕地用于休耕,即休耕面積為(850.22×104—1291.57×104)hm2,并預(yù)測(cè)出在經(jīng)濟(jì)低速增長(zhǎng)情景和經(jīng)濟(jì)中高速增長(zhǎng)下,2030年中國(guó)可分別將5.69%和0.53%的耕地用于休耕。也有少量學(xué)者從糧食安全視角測(cè)算市域和縣域等尺度的休耕規(guī)模[7-8]。但現(xiàn)有成果存在以下不足：一是糧食安全一般指國(guó)家層面的糧食調(diào)控戰(zhàn)略,國(guó)家下達(dá)給市縣級(jí)的耕地保有量指標(biāo)是國(guó)家基于國(guó)際糧食市場(chǎng)狀況、區(qū)域糧食生產(chǎn)能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多角度綜合考量的結(jié)果；二是糧食安全視角主要考慮耕地?cái)?shù)量,一定程度上忽略了耕地質(zhì)量的保障,尤其是忽略了造成耕地質(zhì)量下降的諸如重金屬污染、土壤退化和地下水超采等問(wèn)題的生態(tài)環(huán)境脅迫因素,比如石漠化和水土流失造成的表土層損失以及農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜的過(guò)量使用導(dǎo)致的地力下降和作物減產(chǎn)等；三是農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,以及糧食作物種植面積下降而經(jīng)濟(jì)作物種植面積上升的變化過(guò)程中,僅考慮糧食作物測(cè)算的耕地保有量不一定符合需求。因此,亟需拓展新的研究視角,從耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)整體出發(fā),研究縣域休耕規(guī)模范圍值,更加符合休耕“縣級(jí)實(shí)施”的需要。

區(qū)域耕地休耕規(guī)模測(cè)算是耕地休耕空間配置的重要組成部分,是休耕地優(yōu)選和空間布局的前提。對(duì)于石漠化等導(dǎo)致耕地退化區(qū)域,休耕規(guī)模確定需要充分考慮耕地資源承載力,即將耕地資源承載力不足或耕地資源超載區(qū)域進(jìn)行休耕。在當(dāng)前土地資源承載力研究中,利用土地生態(tài)承載力對(duì)區(qū)域土地可持續(xù)狀態(tài)進(jìn)行研判成為重要的方法之一。土地生態(tài)承載力指以人口計(jì)量為基礎(chǔ),反映一個(gè)區(qū)域在穩(wěn)定的生產(chǎn)力基礎(chǔ)上,有限的資源能夠供養(yǎng)的最大人口數(shù),而生態(tài)足跡理論是將一個(gè)區(qū)域提供給人類(lèi)的生物生產(chǎn)性面積總和作為該區(qū)域的生態(tài)承載力,用來(lái)表征區(qū)域生態(tài)容量[9-10],因而可以采用生態(tài)足跡模型測(cè)算耕地休耕規(guī)模。針對(duì)傳統(tǒng)的生態(tài)足跡基本模型存在的一些缺陷或者具有爭(zhēng)議的地方,許多學(xué)者根據(jù)各自研究領(lǐng)域需要不斷修正基本模型和改進(jìn)方法[11],隨著Odum[12]提出能值分析理論,Zhao等[13]將能值分析引入到生態(tài)足跡中,能值生態(tài)足跡法不僅采用的能值轉(zhuǎn)換率、能值密度等參數(shù)更加穩(wěn)定,而且還考慮了區(qū)域?qū)嶋H情況和技術(shù)進(jìn)步[14],目前已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)狀況評(píng)價(jià)[15- 17]、區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)[18-19]、人地關(guān)系分析[20]、重大工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)[21]和耕地可持續(xù)利用評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)[22-23]等研究領(lǐng)域。但改進(jìn)的耕地能值生態(tài)足跡模型只考慮了可更新環(huán)境資源能值投入和農(nóng)產(chǎn)品能值產(chǎn)出之間的關(guān)系,忽略了表土損失能、農(nóng)用機(jī)械、農(nóng)藥、化肥和勞動(dòng)力等其他的能值投入,無(wú)法全面反映整個(gè)耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)狀態(tài),因此,需要將耕地能值生態(tài)足跡方法和能值分析相關(guān)指標(biāo)(如環(huán)境貢獻(xiàn)率、環(huán)境負(fù)載率等)相結(jié)合,以便測(cè)算出的耕地休耕規(guī)模更具實(shí)際意義。貴州省松桃縣屬于中國(guó)休耕試點(diǎn)三大類(lèi)型區(qū)之一的生態(tài)嚴(yán)重退化地區(qū),是2016年國(guó)家第一批休耕試點(diǎn)縣。本文運(yùn)用能值分析方法和生態(tài)足跡方法,解析該縣2016年耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)狀況,進(jìn)而測(cè)算該縣耕地休耕規(guī)模范圍值,以期為松桃縣休耕試點(diǎn)政策提供科學(xué)依據(jù)和決策支持,也為生態(tài)嚴(yán)重退化地區(qū)及其他類(lèi)似區(qū)域“縣級(jí)實(shí)施”休耕提供理論和方法借鑒。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

松桃苗族自治縣(簡(jiǎn)稱“松桃縣”)地處貴州省東北部、銅仁市東北角,地理坐標(biāo)介于108°35′42″E—109°23′30″E,27°49′40″N—28°30′20″N,北與重慶市秀山土家族苗族自治縣交界,東與湖南省湘西土家族苗族自治州的花垣縣、鳳凰縣接壤,素有“黔東門(mén)戶”之稱。全縣國(guó)土面積2858.94km2,耕地面積742.59km2；喀斯特面積1556.49km2,占國(guó)土面積的54.4%,廣泛發(fā)育的喀斯特地貌成為了該縣石漠化及生態(tài)退化的重要基礎(chǔ)地理?xiàng)l件；石漠化面積444.81km2,占國(guó)土面積的15.56%；水土流失面積1043.44km2,占國(guó)土面積的36.5%。該縣屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,平均降水量1366mm,平均氣溫15.43℃,年太陽(yáng)輻射量3.46×109J/m2,地貌類(lèi)型多樣,有中山、中低山、低山丘陵和河谷與壩子等多種組合形式,平均海拔730m(圖1)。

圖1 松桃縣地形圖Fig.1 Topographic map of Songtao County

全縣轄5個(gè)街道、17個(gè)鎮(zhèn)和6個(gè)鄉(xiāng),2018年末,全縣總?cè)丝?4萬(wàn)人,其中,以苗族為主的少數(shù)民族占總?cè)丝诘?8.1%,屬于國(guó)家級(jí)貧困縣。松桃縣主要種植水稻、玉米、薯類(lèi)等糧食作物和花生、油菜、煙葉等經(jīng)濟(jì)作物,2016年,松桃縣種植業(yè)產(chǎn)值29.39×104元,農(nóng)作物播種面積763.47km2,其中,糧食播種面積505.4km2,糧食產(chǎn)量24.22×104t,人均糧食產(chǎn)量493.1kg。2016年秋—2019年夏,松桃縣按照“縣級(jí)統(tǒng)籌、鄉(xiāng)鎮(zhèn)落實(shí)、新型經(jīng)營(yíng)主體實(shí)施”的工作機(jī)制,在8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的34個(gè)行政村推行休耕試點(diǎn)政策,27個(gè)新型經(jīng)營(yíng)主體共完成了28.7km2的休耕任務(wù)。

1.2 研究思路

本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為基本研究單元,以2016年主要數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),測(cè)算松桃縣2016年休耕面積范圍值。由于部分能值投入-產(chǎn)出要素(如海拔、降水量、有機(jī)質(zhì)含量等)的原始數(shù)據(jù)在全縣或各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都取其平均值,所以研究結(jié)果將得到“全縣平均統(tǒng)計(jì)(statistic of county average level,SCAL)”和“分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)(statistic of township level,STL)”2種計(jì)算方式的休耕面積范圍值。此外,文中所涉及指標(biāo)的面積等級(jí)空間分布,均采用arcgis10.2的自然裂點(diǎn)法(Natural Break)劃分為5級(jí),從低到高依次為低、較低、中、較高和高。具體思路如下：(1)繪制松桃縣耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)能量圖和編制松桃縣能值投入-產(chǎn)出分析表,作為下文模型或指數(shù)分析的基礎(chǔ)指標(biāo)。(2)通過(guò)修正耕地能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型(能值EC和能值EF,以下簡(jiǎn)稱“修正模型”),判定應(yīng)該休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn),基于此測(cè)算最大休耕面積。(3)針對(duì)應(yīng)該休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn),通過(guò)修正耕地能值可持續(xù)指數(shù)(ESIcl),安排休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)時(shí)序(優(yōu)先休耕、適度休耕和暫不休耕),將優(yōu)先休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)的休耕面積之和作為最小休耕面積,最終得到2種計(jì)算方式(SCAL和STL)的休耕面積范圍值。

1.3 研究方法

1.3.1繪制耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能量圖

耕地是一個(gè)開(kāi)放的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),其土壤是大氣圈、水圈、生物圈巖石圈和人類(lèi)圈不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的場(chǎng)所。由于任何形式的能量均來(lái)源于太陽(yáng)能,在實(shí)際應(yīng)用中可以用“太陽(yáng)能值”來(lái)衡量各種能量的能值,即任何資源、產(chǎn)品或勞務(wù)形成過(guò)程中直接或間接消耗的太陽(yáng)能之量,就是其所具有的太陽(yáng)能值,單位為太陽(yáng)能焦耳 (sej)[24]。因此,可以從能量流的角度,結(jié)合松桃縣休耕實(shí)地調(diào)研,利用能值分析理論,選取能量投入-產(chǎn)出要素,繪制出松桃縣耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能量圖(圖2)。

圖2 松桃縣耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能量圖Fig.2 Energy map of the cultivated land eco-economic system in Songtao County

能值投入-產(chǎn)出要素分類(lèi)說(shuō)明：(1)能值投入包括環(huán)境投入和人工投入。①環(huán)境投入包括可更新環(huán)境資源和不可更新環(huán)境資源?？筛颅h(huán)境資源包括太陽(yáng)輻射能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能、農(nóng)田灌溉用水和3%部分表土能5種,將3%表層土壤能值視為可再生環(huán)境資源[22],農(nóng)田灌溉用水是耕地外源性的雨水能,也應(yīng)作為可更新環(huán)境資源；不可更新環(huán)境資源只有表土損失能1種,松桃縣作為生態(tài)退化區(qū),水土流失嚴(yán)重,因而應(yīng)該考慮表土損失能。②人工投入包括不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能。不可更新工業(yè)輔助能包括農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)用柴油、農(nóng)用化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜5種,農(nóng)業(yè)機(jī)械用農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力表征,農(nóng)藥包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥4種,農(nóng)膜即農(nóng)用塑料薄膜,地膜是其主要部分；可更新有機(jī)能包括農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力和種子2種,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力用農(nóng)業(yè)從業(yè)人員表征,種子用畝均種子量表征。(2)能值產(chǎn)出包括糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。①糧食作物包括水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯和甘薯6種,松桃縣豆類(lèi)幾乎來(lái)自于主要是大豆,薯類(lèi)包括了馬鈴薯和甘薯。②經(jīng)濟(jì)作物包括花生、油菜籽、蔬菜、煙葉和中藥材5種,其中,蔬菜包括葉菜類(lèi)、白菜類(lèi)和根莖類(lèi)等11類(lèi),近年來(lái)松桃縣中藥材種植規(guī)模不斷擴(kuò)大,包括太子參、百合和白術(shù)等一年或多年生草本植物,不同品種隨市場(chǎng)需求變化而及時(shí)調(diào)整,種植周期短、見(jiàn)效快。

1.3.2編制能值分析表

首先,根據(jù)圖2將松桃縣耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各項(xiàng)投入-產(chǎn)出要素轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)：一是通過(guò)折算系數(shù)將某些要素折算成能量,如稻谷、玉米和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品,折算系數(shù)可以通過(guò)查閱有關(guān)資料文獻(xiàn)獲??；二是某些要素的質(zhì)量可以直接作為原始數(shù)據(jù),如農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)投入。再次,將全部要素的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能值(sej),計(jì)算公式為：能值=原始數(shù)據(jù)×(太陽(yáng))能值轉(zhuǎn)換率,每種要素的能值轉(zhuǎn)換率通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)或者計(jì)算獲取。最后,將各類(lèi)能值投入-產(chǎn)出要素的折算系數(shù)、能值轉(zhuǎn)換率、原始數(shù)據(jù)、能值和數(shù)據(jù)來(lái)源等進(jìn)行匯總(表1),作為能值分析各項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)。原始數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下：

表1 松桃縣耕地能值投入-產(chǎn)出匯總

(1)環(huán)境資源投入：①太陽(yáng)輻射能=耕地面積(hm2)×年太陽(yáng)輻射量(J m-2a-1)；②雨水化學(xué)能=耕地面積(hm2)×多年平均降雨量(mm)×雨水密度(106g/m3)×雨水吉布斯自由能；③雨水勢(shì)能值=耕地面積(hm2)×平均海拔(m)×平均降水量(mm)×雨水密度(106g/m3)×重力加速度(9.8m/s2)；④農(nóng)田灌溉用水能=農(nóng)田灌溉用水量(m3/a)×水密度(106g/m3)×河水吉布斯自由能；⑤表土能=耕地面積(hm2)×有效土層厚度(mm)×土壤容重(g/cm)×有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)×表土吉布斯自由能；⑥表土損失能=耕地面積(hm2)×表土侵蝕速率(t km-2a-1)-植被演替面積(hm2)×表土形成速率(t km-2a-1)。

(2)人工投入：①農(nóng)用機(jī)械能和農(nóng)用柴油能=實(shí)物量(t)×折算系數(shù)；②農(nóng)用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜=實(shí)物量(t)；③農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力能量=農(nóng)業(yè)從業(yè)人員(人)×折算系數(shù)；④某種子能量=某農(nóng)產(chǎn)品畝均種子量(kg/hm2)×某農(nóng)產(chǎn)品播種面積(hm2)×種子折算系數(shù)(J/g)。

(3)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出：某農(nóng)產(chǎn)品能量=某農(nóng)產(chǎn)品實(shí)物量(t)×種子折算系數(shù)(J/g)。

1.3.3修正耕地能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型與判定休耕區(qū)域

借鑒已有能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型研究成果,結(jié)合本區(qū)域耕地利用與農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)際,本文修正了耕地能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型即“修正模型”,以便適用于松桃縣休耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),修正模型包括耕地能值生態(tài)承載力模型(EC)和耕地能值生態(tài)足跡模型(EF)。

(1)耕地能值生態(tài)承載力模型(EC)

在傳統(tǒng)的生態(tài)足跡理論中,認(rèn)為耕地生態(tài)承載力是研究區(qū)域內(nèi)擁有的生物生產(chǎn)性耕地面積,是一種真實(shí)的耕地面積,反映了耕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的供給程度。本文從能值理論視角,把耕地能值生態(tài)承載力定義為：為某區(qū)域人類(lèi)提供可再生環(huán)境資源(太陽(yáng)輻射能、雨水能和風(fēng)能等)消費(fèi)的生物生產(chǎn)性耕地面積。由于能值生態(tài)足跡不能完全反映生物物質(zhì)的投入產(chǎn)出與流轉(zhuǎn)情況,應(yīng)當(dāng)與基于生物生產(chǎn)的生態(tài)足跡相互補(bǔ)充從不同側(cè)面評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)功能[11],所以本文加入了產(chǎn)量因子進(jìn)行修正。公式如下：

EC=N×e

(1)

(2)

式中,EC為研究區(qū)域耕地生態(tài)承載力(hm2)；ec為耕地人均生態(tài)承載力(hm2/人)；N為總?cè)丝?人)；e為可再生環(huán)境資源的人均能值(sej/人),主要有太陽(yáng)輻射能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能、農(nóng)田灌溉用水和3%表土能,其中,太陽(yáng)輻射能和雨水化學(xué)能由太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的,為避免重復(fù)計(jì)算,取其中最大值,其余加總計(jì)算；P為全球地表能值密度(sej/hm2),本文采用劉欽普等[22]計(jì)算出的全球陸地表層能值密度,取值為3.11×1015(sej/hm2)；y為耕地產(chǎn)量因子,為研究區(qū)域產(chǎn)量與全球平均產(chǎn)量的比率,反映研究區(qū)域內(nèi)部的耕地利用效率；按照世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)《我們共同的未來(lái)》建議,在總生物生產(chǎn)性面積中扣除12%作為生物多樣性保護(hù)地,因而用常數(shù)0.88進(jìn)行修正。

本文以2016年松桃縣和全球相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)松桃縣耕地產(chǎn)量因子進(jìn)行了修正(表2),計(jì)算結(jié)果為0.88。公式如下：

表2 松桃縣耕地產(chǎn)量因子

(3)

式中,y為耕地產(chǎn)量因子；Ci為松桃縣第i種農(nóng)作物的年平均產(chǎn)量(kg/hm2)；Gi為全球第i種農(nóng)作物的年平均產(chǎn)量(kg/hm2)；Ci/Gi為第i種農(nóng)作物產(chǎn)量因子；pi為第i種農(nóng)作物的播種面積占全縣總播種面積的比例(%)。

(2)耕地能值生態(tài)足跡模型(EF)

傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論中,耕地生態(tài)足跡是指生產(chǎn)其消費(fèi)的資源和吸納其消費(fèi)引起的廢棄物所需要的耕地面積[31-32]。與此不同的是,基于能值理論的耕地生態(tài)足跡計(jì)算模型無(wú)需考慮均衡因子,而是將研究區(qū)域內(nèi)耕地生產(chǎn)的人類(lèi)消費(fèi)農(nóng)產(chǎn)品(如稻谷、玉米和蔬菜等)轉(zhuǎn)換成能量流,并通過(guò)太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率,從而轉(zhuǎn)換成可以相加減的太陽(yáng)能值。此外,本文結(jié)合王書(shū)玉等[33]的研究結(jié)果,用復(fù)種指數(shù)(CI)對(duì)模型進(jìn)行修正,以便得到真實(shí)的耕地生態(tài)足跡。公式如下：

EF=N×ef

(5)

(6)

式中,EF為研究區(qū)域耕地能值生態(tài)足跡；ef為人均耕地能值生態(tài)足跡；i為農(nóng)產(chǎn)品能值消費(fèi)類(lèi)型,主要包括水稻、小麥、玉米、大豆、花生、油菜籽、蔬菜、煙葉、馬鈴薯、甘薯、中藥材共11種；Eefi為第i種農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)類(lèi)型的人均能值(sej/人)；CI為2016年復(fù)種指數(shù)。

(3)耕地生態(tài)盈虧(Ep)與休耕區(qū)域判定

通過(guò)修正模型的生態(tài)盈余或生態(tài)赤字可以判定研究區(qū)域是否應(yīng)該休耕,如果出現(xiàn)生態(tài)盈余,則不應(yīng)該休耕,如果出現(xiàn)生態(tài)赤字,則應(yīng)該休耕。公式如下：

Ep=ec-ef

(7)

式中,Ep為區(qū)域耕地生態(tài)盈虧；當(dāng)Ep>0時(shí),為生態(tài)盈余,表明人均生態(tài)足跡小于人均生態(tài)承載力,有利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,該區(qū)域不應(yīng)該休耕；當(dāng)Ep<0時(shí),為生態(tài)赤字,表明人均生態(tài)足跡大于人均生態(tài)承載力,不利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,該區(qū)域應(yīng)該休耕。

1.3.4測(cè)算最大休耕面積

(1)生態(tài)耕地面積(Se)

在耕地生態(tài)承載力范圍內(nèi),按照一定人均生態(tài)足跡計(jì)算的耕地面積,可以理解為一個(gè)區(qū)域的生態(tài)耕地面積,或者能夠滿足區(qū)域人類(lèi)消費(fèi)所有農(nóng)產(chǎn)品的可更新、可持續(xù)的具有生物生產(chǎn)性能力的真實(shí)耕地面積。公式如下：

Se=S×ec/ef

(8)

式中,Se為區(qū)域生態(tài)耕地規(guī)模(hm2)；S為區(qū)域耕地面積(hm2)。

(2)最大休耕面積(Smax)

通過(guò)式(7)判定休耕區(qū)域和式(8)計(jì)算出生態(tài)耕地面積,進(jìn)而得到區(qū)域最大休耕面積(Smax)。區(qū)域最大休耕面積實(shí)質(zhì)就是耕地面積與生態(tài)耕地面積之間的差值,其差值的耕地面積可以理解可更新環(huán)境資源無(wú)法提供的非生態(tài)耕地面積,是不可持續(xù)發(fā)展的,應(yīng)該通過(guò)休耕措施緩解耕地生態(tài)壓力,修正模型則可以測(cè)算出生態(tài)耕地面積。公式如下：

Smax=S-Se

(9)

1.3.5確定最小休耕面積與休耕面積范圍值

(1)確定休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)時(shí)序。修正模型測(cè)算的休耕面積僅僅是休耕最大極限面積,然而,生態(tài)退化區(qū)的休耕主要針對(duì)生態(tài)退化嚴(yán)重的耕地,需要根據(jù)休耕區(qū)域迫切性程度安排各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的休耕順序,亦即確定休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)時(shí)序以及2種計(jì)算方式(SCAL和STL)的全縣最大休耕面積。本文借鑒能值可持續(xù)指數(shù)(ESI)(emergy sustainable index,ESI)[34],采用耕地能值可持續(xù)指數(shù)(emergy sustainable index of cultivated land,ESIcl),從耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)狀態(tài)整體去診斷區(qū)域休耕迫切性程度,即凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值。與ESI相比,修正的ESIcl在環(huán)境負(fù)載率中可更新資源既考慮了可更新環(huán)境資源(EmR),也考慮了可更新有機(jī)能(EmT)。公式如下：

ESIcl=EYR/ELR

(10)

式中,ESIcl為區(qū)域耕地能值可持續(xù)指數(shù),一般而言,其值越高表明耕地可持續(xù)狀態(tài)越高,休耕迫切性程度越低；EYR為凈能值產(chǎn)出率,等于EmY/(EmF+ EmT),其值越高表明耕地越能獲得經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的回報(bào)效率越高,農(nóng)業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)力水平越高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng),可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)越高；ELR為環(huán)境負(fù)載率,等于(EmF+ EmN)/(EmR+ EmT),其值越高表明耕地生態(tài)環(huán)境壓力越大,可持續(xù)狀態(tài)越低。標(biāo)準(zhǔn)劃分如下(表3)：當(dāng)ESIcl<1時(shí),為消費(fèi)型生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),表明系統(tǒng)不可更新資源能值投入較大而環(huán)境負(fù)載率也較高,系統(tǒng)處于不可持續(xù)狀態(tài),此時(shí),休耕迫切程度高,應(yīng)該優(yōu)先休耕(priority fallow,PF)；當(dāng)1≤ESIcl<10時(shí),表明系統(tǒng)富有活力和發(fā)展?jié)摿?處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),此時(shí),休耕迫切程度中等,應(yīng)該適度休耕(moderate fallow,MF)；并非ESIcl值越大,可持續(xù)性越高,當(dāng)ESIcl>10時(shí),說(shuō)明耕地資源的開(kāi)發(fā)利用程度不夠,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平落后,不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,此時(shí),休耕迫切程度低,應(yīng)該暫不休耕(temporary non-fallow,TNF)。

表3 耕地能值可持續(xù)指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)

(2)確定最小休耕面積和休耕面積范圍值。優(yōu)先休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)的休耕面積之和便是最小休耕面積(Smin),再結(jié)合休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最大休耕面積(Smax),可得到2種計(jì)算方式(SCAL和STL)的全縣休耕面積范圍值。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

(1)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)(FAOSTAT)：2016年全球水稻、小麥、玉米等10種農(nóng)產(chǎn)品(不包括中藥材)的平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)；2016年中國(guó)中藥材種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源：http://www.chyxx.com/industry/201803/615570.html；

(2)縣氣象局：因全縣年太陽(yáng)輻射量空間差異小,故各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年太陽(yáng)輻射量相同；

(3)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局：土壤容重?cái)?shù)據(jù)；休耕狀況、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、耕地地力狀況和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r等資料來(lái)自《松桃縣休耕制度試點(diǎn)方案》(2016、2017和2018年)、《松桃縣耕地地力評(píng)價(jià)》、《松桃縣33.33hm2以上壩區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)施方案》等；

(4)縣水務(wù)局：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雨量、平均高程、土壤侵蝕速率和表土形成速率等數(shù)據(jù)來(lái)自《銅仁市水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》和《松桃縣水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》,因全縣降水主要來(lái)自降雨,故用多年平均降水量代替多年平均降雨量；農(nóng)田灌溉用水量數(shù)據(jù)根據(jù)《松桃縣水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報(bào)告》估算得到,具體估算過(guò)程為：按80%的保證率下,水田凈灌溉定額為5550m3/hm2,水澆地2850m3/hm2,農(nóng)田有效灌溉系數(shù)按0.5計(jì)算,即各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田灌溉用水量=各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水田面積(hm2)×5550m3/hm2×0.5+各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水澆地面積(hm2)×2850m3/hm2×0.5；

(5)縣自然資源局：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的有效土層厚度和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)均來(lái)自《2016年松桃縣耕地質(zhì)量更新評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)》成果,并求取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地地塊的平均值；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)自《松桃縣土地利用變更調(diào)查》(2016年)成果；

(6)縣統(tǒng)計(jì)局：農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)用柴油、農(nóng)用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員以及11種農(nóng)產(chǎn)品播種面積和產(chǎn)量均來(lái)自于《松桃縣2017年統(tǒng)計(jì)年鑒》；由于只有全縣農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力數(shù)據(jù),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力根據(jù)耕播收平均機(jī)械化率進(jìn)行估算,機(jī)耕面積、機(jī)播面積和機(jī)收面積數(shù)據(jù)均來(lái)自《松桃縣2017年統(tǒng)計(jì)年鑒》,具體估算過(guò)程如下：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)用機(jī)械化總動(dòng)力=全縣農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力×各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕播收平均機(jī)械化率,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕播收平均機(jī)械化率=(機(jī)耕面積/耕地面積+機(jī)播面積/耕地面積+機(jī)收面積/耕地面積)/3。

(7)實(shí)地調(diào)研：筆者于2019年7月18日—9月30日實(shí)地走訪調(diào)研了松桃縣5個(gè)休耕試點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(黃板鎮(zhèn)、甘龍鎮(zhèn)、長(zhǎng)興堡鎮(zhèn)、木樹(shù)鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn))的18個(gè)行政村,一是充分了解休耕試點(diǎn)區(qū)域的試點(diǎn)實(shí)施過(guò)程、自然環(huán)境、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和精準(zhǔn)扶貧等情況；二是獲取種子用量,每個(gè)村咨詢3—5個(gè)農(nóng)戶,記錄11種主要農(nóng)作物的種子用量,并求取平均值(表4)。

表4 松桃縣主要農(nóng)作物平均種子用量/(kg/hm2)

2 結(jié)果分析

2.1 松桃縣休耕區(qū)域判定

表5顯示,2016年松桃縣平均耕地生態(tài)承載力121842.57hm2,人均0.17hm2,平均耕地生態(tài)足跡165408.49hm2,人均0.23hm2；松桃縣耕地能值生態(tài)赤字,應(yīng)該休耕,但耕地能值生態(tài)赤字非常小,僅為0.06,表明松桃縣可更新環(huán)境資源供給基本可以滿足全縣對(duì)耕地生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求,但依然有休耕的潛力空間。耕地能值生態(tài)盈余的鄉(xiāng)鎮(zhèn)只有烏羅鎮(zhèn)、盤(pán)石鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn),這3個(gè)鎮(zhèn)可以不休耕：烏羅鎮(zhèn)分布有梵凈山自然保護(hù)區(qū)和天馬寺國(guó)有林場(chǎng),自然環(huán)境得天獨(dú)厚,水土流失較輕,耕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,生態(tài)盈余最高(0.029)；盤(pán)石鎮(zhèn)地形平坦,光照充足,農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)較早,生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展良好；冷水溪鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平落后,耕地利用粗放,農(nóng)業(yè)發(fā)展滯后,對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞小。其余25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都呈現(xiàn)出不同程度的耕地能值生態(tài)赤字,應(yīng)該休耕。黃板鎮(zhèn)的耕地能值生態(tài)赤字最大(0.156),該鎮(zhèn)以壩區(qū)農(nóng)業(yè)為主,近年來(lái)大力發(fā)展現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè),如太子參、百合和油菜等,但由于耕地利用不合理,造成耕地利用效率低下和耕地質(zhì)量下降。

表5 松桃縣休耕區(qū)域判定

2.2 松桃縣休耕面積測(cè)算

2.2.1松桃縣最大休耕面積測(cè)算

表6顯示,按照全縣平均統(tǒng)計(jì)(SCAL),全縣最大休耕面積(Smax)為19558.62hm2,占總耕地面積的26.34%,按照分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)(STL),全縣最大休耕面積(Smax)為17673.83hm2,占總耕地面積的23.8%,全縣平均最大休耕面積為631.21hm2,有11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過(guò)了平均值；黃板鎮(zhèn)最大休耕面積最大,為1743.61hm2,占該鎮(zhèn)耕地面積的48.21%,接近于耕地面積的一半,休耕潛力空間非常大；長(zhǎng)興堡鎮(zhèn)最大休耕面積最小,為209.17hm2,僅占耕地面積的7.05%。從空間分布來(lái)看(圖3),最大休耕面積中等及以上等級(jí)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)散布于4個(gè)區(qū)域的8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)：一是東北部的黃板鎮(zhèn)、迓駕鎮(zhèn)和世昌街道；二是中部的孟溪鎮(zhèn)；三是西部的甘龍鎮(zhèn)；四是東南部的盤(pán)信鎮(zhèn)、牛郎鎮(zhèn)和大興街道。

表6 松桃縣生態(tài)耕地面積和最大休耕面積/hm2

圖3 松桃縣最大休耕面積等級(jí)空間分布 Fig.3 Spatial distribution of the largest fallow area in Songtao County

2.2.2松桃縣最小休耕面積測(cè)算和休耕面積范圍值確定

(1)耕地能值可持續(xù)指數(shù)(ESIcl)分析

表7顯示,按照全縣平均統(tǒng)計(jì),松桃縣ESIcl為3.21,表明全縣耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),休耕迫切程度中等,但可持續(xù)指數(shù)偏低,應(yīng)該適度休耕。世昌街道ESIcl最高(10.95),太平營(yíng)街道ESIcl最低(0.88)。ESIcl較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn),一般凈能值產(chǎn)出率較低、環(huán)境負(fù)載率較高。全縣的能值產(chǎn)投比(EROI=EmY/EmU)都低于0.7,表明全縣種植業(yè)利用程度不高,較為粗放,但是存在空間差異：以環(huán)境能值貢獻(xiàn)率(EEY=(EmR+EmN)/EmU)和購(gòu)買(mǎi)能值貢獻(xiàn)率(EBY=(EmF+EmT)/EmU)分析為例,全縣兩個(gè)指標(biāo)平均值分別為48.77%和51.23%,兩者幾乎各占一半,反映出全縣種植業(yè)商品率不高,但是,ESIcl越低的鄉(xiāng)鎮(zhèn),環(huán)境能值貢獻(xiàn)率偏低和購(gòu)買(mǎi)能值貢獻(xiàn)率偏高：一方面,環(huán)境能值貢獻(xiàn)率低導(dǎo)致環(huán)境負(fù)載率高,主要在于可更新環(huán)境資源利用率低而不可更新工業(yè)輔助能值投入過(guò)高；另一方面,雖然購(gòu)買(mǎi)能值貢獻(xiàn)率高,但是凈能值產(chǎn)出率低,表明技術(shù)和管理的投入利用效率低和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出低。

表7 松桃縣ESIcl及其相關(guān)指標(biāo)值

(2)最小休耕面積(Smin)和休耕面積范圍值(St)分析

根據(jù)表3和表7統(tǒng)計(jì)制圖，得到全縣休耕時(shí)序空間分布狀況(圖4)：迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道應(yīng)該優(yōu)先休耕(PF)；蓼皋街道、黃板鎮(zhèn)和甘龍鎮(zhèn)等23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)應(yīng)該適度休耕(MF)；世昌街道、牛郎鎮(zhèn)和永安鄉(xiāng)應(yīng)該暫不休耕(TNF)。根據(jù)表7統(tǒng)計(jì)得到全縣休耕面積時(shí)序(表8)：優(yōu)先休耕面積為1396.10hm2,占總耕地面積的1.88%；適度休耕面積為13838.71hm2,占總耕地面積的18.64%；暫不休耕面積為2439.02hm2,占總耕地面積的3.28%。因此,全縣最小休耕面積(Smin)為1396.10hm2,占耕地總面積的1.88%；按照全縣平均統(tǒng)計(jì)(SCAL),全縣休耕面積范圍值(St)為1396.10—19558.62hm2,占全縣耕地面積的1.88%—26.34%；按照分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)(STL),全縣休耕面積范圍值(St)為1396.10—17673.83hm2,占全縣耕地面積的1.88%—23.8%。

表8 松桃縣休耕面積范圍值/hm2

圖4 松桃縣休耕迫切程度與休耕時(shí)序的空間分布 Fig.4 Spatial distribution of fallow urgency and fallow time sequence in Songtao County

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

(1)與傳統(tǒng)模型和其他模型比較

部分學(xué)者[31-32]采用傳統(tǒng)模型,評(píng)價(jià)了區(qū)域耕地生態(tài)承載力供需平衡狀況,為區(qū)域耕地生態(tài)安全預(yù)警和國(guó)土空間規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。由于該方法操作簡(jiǎn)單,因而應(yīng)用較為廣泛。公式如下：

ec=a×r×y×0.88

(11)

(12)

式中,ec為人均耕地生態(tài)承載力,單位：hm2/人；a為人均耕地面積,單位：hm2/人；y為耕地產(chǎn)量因子,與本文公式(3)計(jì)算結(jié)果相同,取值0.88,單位：無(wú)量綱；常數(shù)0.88為扣除12%作為生物多樣性保護(hù)地。式(12)中,ef為人均耕地生態(tài)足跡,單位：hm2/人；i為農(nóng)作物消費(fèi)項(xiàng)目；r為耕地均衡因子,單位：ghm2/hm2；Ai為人均第i種農(nóng)作物消費(fèi)項(xiàng)目經(jīng)折算后的生物生產(chǎn)性耕地面積,單位：hm2/人；Ci為人均第i種農(nóng)作物消費(fèi)項(xiàng)目的研究區(qū)人均消費(fèi)量,單位：kg/人；Pi為第i種農(nóng)作物消費(fèi)項(xiàng)目的全球平均生產(chǎn)量,單位：kg/hm2。耕地均衡因子在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的變化較小,本文采用全球生態(tài)足跡網(wǎng)絡(luò)(Global Footprint Network,GFN)于2016年公布的耕地均衡因子：2.52。

根據(jù)傳統(tǒng)模型(11)和(12),計(jì)算出2016年松桃縣耕地生態(tài)盈虧(Ep=ec-ef),并得到休耕區(qū)域判定結(jié)果(表9)。傳統(tǒng)模型與修正模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比：從全縣來(lái)看,都是耕地能值生態(tài)赤字,但兩者的生態(tài)赤字大小不同,前者為0.06,后者為0.0146；從分鄉(xiāng)鎮(zhèn)來(lái)看,傳統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果為可以不休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)11個(gè),而修正模型計(jì)算結(jié)果為可以不休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn)僅為3個(gè),兩者相同的不應(yīng)該休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)為盤(pán)石鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn)。然而,從走訪調(diào)研來(lái)看,傳統(tǒng)模型的結(jié)果顯然不太符合實(shí)際情況：一是較多的可以不休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)(或耕地能值生態(tài)盈余鄉(xiāng)鎮(zhèn))不符合實(shí)際,實(shí)際上其中許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)都應(yīng)該休耕,例如木樹(shù)鎮(zhèn)的石漠化程度在全縣居于前列,石漠化面積及其占比分別達(dá)3113hm2和41.75%,很有必要休耕；二是耕地能值生態(tài)赤字的烏羅鎮(zhèn)不符合實(shí)際,梵凈山自然保護(hù)區(qū)分布鎮(zhèn)內(nèi),生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好,耕地生態(tài)系統(tǒng)退化相對(duì)較弱,可以不休耕。

表9 基于傳統(tǒng)模型的松桃縣休耕區(qū)域判定

造成研究結(jié)果差異的主要原因在于,相較于傳統(tǒng)模型,修正模型具有如下優(yōu)勢(shì)：一是主要運(yùn)用能值轉(zhuǎn)換系數(shù)、能值轉(zhuǎn)換率等參數(shù),比傳統(tǒng)模型中的均衡因子和產(chǎn)量因子更加穩(wěn)定；二是傳統(tǒng)模型沒(méi)有考慮復(fù)種指數(shù),其結(jié)果實(shí)際是播種面積,而修正的生態(tài)承載力模型測(cè)算結(jié)果才是所需要的真實(shí)生物生產(chǎn)性面積；三是傳統(tǒng)模型中均衡因子和產(chǎn)量因子無(wú)法體現(xiàn)區(qū)域物質(zhì)供給源,修正模型則可以根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H靈活調(diào)整指標(biāo),如本文考慮了雨水勢(shì)能。此外,與其他的耕地能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型(簡(jiǎn)稱“其他模型”)相比：修正模型的可更新環(huán)境資源既考慮了3%表土能也考慮了農(nóng)田灌溉用水,這樣指標(biāo)體系更加完善；為便于比較,修正模型的耕地能值生態(tài)承載力模型和耕地能值生態(tài)足跡模型都采用統(tǒng)一的全球能值密度。因此,與傳統(tǒng)模型和其他模型相比,修正模型更加合理,具有參數(shù)穩(wěn)定、考慮復(fù)種指數(shù)和指標(biāo)調(diào)整靈活等諸多優(yōu)勢(shì)。

(2)與休耕試點(diǎn)情況比較

松桃縣在8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)施休耕試點(diǎn),包括黃板鎮(zhèn)、甘龍鎮(zhèn)、長(zhǎng)興堡鎮(zhèn)、木樹(shù)鎮(zhèn)、烏羅鎮(zhèn)、冷水溪鎮(zhèn)、瓦溪鄉(xiāng)和永安鄉(xiāng),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)休耕試點(diǎn)面積在133—200hm2之間,其中甘龍鎮(zhèn)和黃板鎮(zhèn)最先休耕,并且試點(diǎn)面積相對(duì)較大。本文測(cè)算出來(lái)應(yīng)該休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)與實(shí)際休耕試點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)有5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)不一致：永安鄉(xiāng)、迓駕鎮(zhèn)、太平營(yíng)街道、烏羅鎮(zhèn)、冷水溪鎮(zhèn)。應(yīng)用修正模型測(cè)算,烏羅鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn)的耕地能值生態(tài)盈余,可以不休耕；永安鄉(xiāng)、迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道的耕地能值生態(tài)赤字,應(yīng)該休耕。應(yīng)用ESIcl測(cè)算：迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道應(yīng)優(yōu)先休耕；烏羅鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn)應(yīng)適度休耕；永安鄉(xiāng)可暫不休耕。然而,烏羅鎮(zhèn)、冷水溪鎮(zhèn)和永安鄉(xiāng)卻是休耕試點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。休耕試點(diǎn)的實(shí)際情況與本文研究結(jié)果存在差異,主要受到以下兩個(gè)方面的因素影響：

第一,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。一方面,受精準(zhǔn)扶貧政策影響。松桃縣休耕試點(diǎn)期間正是全面脫貧攻堅(jiān)的關(guān)鍵時(shí)期,產(chǎn)業(yè)扶貧是重要的扶貧措施之一。地方政府將休耕視為一項(xiàng)扶貧產(chǎn)業(yè),通過(guò)下?lián)車(chē)?guó)家休耕補(bǔ)助和收獲休耕產(chǎn)品可以提高農(nóng)民收入,于是選擇貧困發(fā)生率較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村實(shí)施休耕試點(diǎn),并優(yōu)先考慮貧困戶。以甘龍鎮(zhèn)為例,休耕試點(diǎn)主要在渾泉村、坪上村、官墳村、平會(huì)村和石板村等,休耕試點(diǎn)面積200hm2,與黃板鎮(zhèn)一樣全縣最多,實(shí)際上除了渾泉村石漠化較嚴(yán)重應(yīng)該休耕以外,其余行政村不應(yīng)該休耕,這些村落山高坡陡、交通不便、勞動(dòng)力匱乏、撂荒嚴(yán)重,大部分耕地應(yīng)該自然退耕而不是休耕,顯然,甘龍鎮(zhèn)不應(yīng)該優(yōu)先休耕而應(yīng)該適度休耕,與本文研究結(jié)果一致。另一方面,受壩區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃影響。按照《松桃縣33.33hm2以上壩區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)施方案》,優(yōu)先發(fā)展壩區(qū)現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),通過(guò)實(shí)施休耕試點(diǎn),提升耕地地力,為復(fù)耕對(duì)接農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)打好基礎(chǔ)。比如,黃板鎮(zhèn)、長(zhǎng)興堡鎮(zhèn)和木樹(shù)鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)緊鄰且都處于壩區(qū),耕地集中連片。但是,盡管迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道也都處于壩區(qū),但是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿ο鄬?duì)較小,并未成為休耕試點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn),實(shí)際上這兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地生態(tài)退化嚴(yán)重,迓駕鎮(zhèn)石漠化面積高達(dá)31.17hm2,占本鎮(zhèn)國(guó)土面積比例為43.02%,占比居全縣最高,該鎮(zhèn)近一半土地存在石漠化現(xiàn)象,應(yīng)該安排優(yōu)先休耕,太平營(yíng)街道緊鄰縣城,是重要的蔬菜種植基地,農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)達(dá)1.35,指數(shù)居全縣最高,也應(yīng)該安排優(yōu)先休耕,也與本文研究結(jié)果一致。

第二,農(nóng)機(jī)、化肥和農(nóng)藥等總輔助能投入(即為EmF+EmT)。①永安鄉(xiāng)?？傒o助能在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中投入最少,僅為7.41×1018sej,凈能值產(chǎn)出率(EYR)太高和環(huán)境負(fù)載率(ELR)太低,ESIcl≥10,即耕地資源開(kāi)發(fā)程度不夠,耕地系統(tǒng)不可持續(xù),反映了總輔助能投入太少不利于耕地生態(tài)平衡。②迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道?？傒o助能投入太大,分別為2.94×1018sej和2.71×1019sej,在全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)排名中分別為第1和第3,EYR較低和ELR太高,ESIcl<1,即耕地系統(tǒng)不可持續(xù),反映了總輔助能投入太多也不利于耕地生態(tài)平衡。③烏羅鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn)?？傒o助能投入都適中,分別為1.95×1019sej和1.59×1019sej,在全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)排名中分別為第14和第16,EYR和ELR都較低,ESIcl在1—5之間,即耕地系統(tǒng)可持續(xù),反映了適中的總輔助能投入有利于耕地系統(tǒng)生態(tài)平衡。值得注意的是,全縣應(yīng)該適度休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn)均呈現(xiàn)耕地能值生態(tài)赤字,但是耕地系統(tǒng)卻處于可持續(xù)狀態(tài),原因在于總輔助能投入較適中,使得生產(chǎn)可以持續(xù)維持下去?？梢?jiàn),適量的總輔助能投入,即使耕地能值呈現(xiàn)生態(tài)赤字,仍然可以使生產(chǎn)持續(xù)維持下去,即通過(guò)適量的外部能量輸入,可以維持耕地系統(tǒng)某種程度的生態(tài)平衡?；诖?永安鄉(xiāng)應(yīng)該加大耕地利用程度以增加總輔助能投入,而不是休耕；迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道應(yīng)該優(yōu)先休耕以減少總輔助能投入；烏羅鎮(zhèn)和冷水溪鎮(zhèn)總輔助能投入適量且耕地能值生態(tài)盈余,可以不休耕。

綜上,本文研究結(jié)果不僅符合國(guó)家休耕目標(biāo)的初衷,而且真實(shí)地反映區(qū)域耕地生態(tài)環(huán)境狀況,可以較好地為當(dāng)?shù)氐男莞麑?shí)踐提供指導(dǎo)。修正模型具有參數(shù)穩(wěn)定、考慮復(fù)種指數(shù)和指標(biāo)調(diào)整靈活等諸多優(yōu)勢(shì),ESIcl可以準(zhǔn)確地刻畫(huà)區(qū)域耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)狀態(tài)。

3.2 結(jié)論

本文運(yùn)用能值分析方法和生態(tài)足跡方法,修正了耕地能值生態(tài)足跡改進(jìn)模型(EC和EF)(簡(jiǎn)稱“修正模型”)和耕地能值可持續(xù)指數(shù)(ESIcl),在此基礎(chǔ)上,分別測(cè)算了松桃縣2016年全縣及28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最大休耕面積和全縣休耕面積范圍值。主要結(jié)論如下：

(1)耕地能值生態(tài)盈虧可以作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)是否應(yīng)該休耕的判定標(biāo)準(zhǔn),基于此測(cè)算的最大休耕面積關(guān)鍵在于測(cè)算生態(tài)耕地面積。總體來(lái)看,松桃縣耕地能值生態(tài)赤字,應(yīng)該安排耕地休耕：平均耕地能值生態(tài)承載力121842.57hm2,人均0.17hm2,平均耕地生態(tài)足跡165408.49hm2,人均0.23hm2。從分鄉(xiāng)鎮(zhèn)來(lái)看,有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地能值生態(tài)盈余,可以不休耕；有25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地能值生態(tài)赤字,應(yīng)該休耕。按照全縣平均統(tǒng)計(jì)(SCAL),全縣最大休耕面積19558.62hm2,占總耕地面積的26.34%；按照分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)(STL),全縣最大休耕面積17673.83hm2,占總耕地面積的23.8%。從空間分布來(lái)看,最大休耕面積中等及以上等級(jí)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)散布于4個(gè)區(qū)域的8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)：東北部的黃板鎮(zhèn)、迓駕鎮(zhèn)和世昌街道；中部的孟溪鎮(zhèn)；西部的甘龍鎮(zhèn)和東南部的盤(pán)信鎮(zhèn)、牛郎鎮(zhèn)和大興街道。

(2)ESIcl可以作為休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)時(shí)序的判定標(biāo)準(zhǔn),其優(yōu)先休耕鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最大休耕面積之和即為全縣最小休耕面積。全縣ESIcl偏低,應(yīng)該適度休耕。優(yōu)先休耕、適度休耕和暫不休耕的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別有2個(gè)(迓駕鎮(zhèn)和太平營(yíng)街道)、23個(gè)(蓼皋街道、黃板鎮(zhèn)和甘龍鎮(zhèn)等)和3個(gè)(世昌街道、牛郎鎮(zhèn)和永安鄉(xiāng))。全縣最小休耕面積1396.10hm2,占耕地總面積的1.88%。按照全縣平均統(tǒng)計(jì)(SCAL),全縣休耕面積范圍值1396.10—19558.62hm2,占總耕地面積的1.88%—26.34%；按照分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)(STL),全縣休耕面積1396.10—17673.83hm2,占總耕地面積的1.88%—23.8%。