全 文 ：中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 175−179


* 国家自然科学基金项目(70673104)和新疆生产建设兵团科技计划项目 (2008YD22) 资助
郑重(1973~), 男, 博士, 副教授, 主要从事水土资源开发与管理的教学与科研工作。E-mail: zhenglxx@gmail.com
收稿日期: 2008-12-27 接受日期: 2009-04-08
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00175
基于生产力可持续指数的耕地利用动态分析*
——以新疆生产建设兵团农三师 45团绿洲灌区为例
郑 重 1,2 张凤荣 1 朱战强 1
(1. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193; 2. 石河子大学农学院 石河子 832003)
摘 要 由于生态足迹、生态承载力和生态赤字都是绝对数字, 不能真正反映一个地区耕地利用的程度, 且不
能进行不同地区的比较。本文在总结以往生态足迹分析方法的基础上, 提出“生产力可持续指数(PSI)”以定
量评价耕地的可持续利用程度。PSI指一定区域的耕地生态承载力占生态足迹与生态承载力总额的比值, 它描
述了该区域的耕地生产能力(生态承载力)满足人类对耕地供需矛盾总体(生态足迹+生态承载力)的可持续程
度。PSI 介于 0~1 之间, 当 PSI 趋近于 1 时, 耕地利用可持续程度很高; 当 PSI 趋近于 0 时, 属于极度不可持
续状态; 当 PSI 为 0.5 时, 是可持续发展与不可持续发展的临界点。根据 PSI 远离 0.5 的程度, 可划分可持续
程度的不同等级。采用此指数对新疆生产建设兵团农三师 45团绿洲灌区 1995~2005年时间序列上的耕地 PSI
计算结果表明: 1998~2003 年间该区耕地利用为弱可持续状态, 其他时段为弱不可持续, 灌区可持续发展状况
不容乐观。可见, 与传统的“生态赤字”绝对数值相比 PSI指标表示可持续发展程度更具合理性。
关键词 耕地利用 生产力可持续指数 生态足迹 动态分析
中图分类号: S273, X24 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0175-05
Dynamic analysis of arable land use via productivity sustainable index
— A case study of Farm 45 Irrigation Area of the Xinjiang Production
and Construction Corps
ZHENG Zhong1,2, ZHANG Feng-Rong1, ZHU Zhan-Qiang1
(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
2. College of Agriculture, Shihezi University, Shihezi 832003, China)
Abstract Due to the nature of absolute data, ecological footprint, capacity and deficit cannot be used to reflect and compare re-
gional sustainable use level of arable lands. Based on the theory and method of ecological footprint (EF), productivity sustainability
index (PSI) is developed as a new indicator for quantitative evaluation of sustainable use of arable lands. The index is the ratio of
ecological capacity to the total of ecological capacity and footprint of arable lands in a region. This describes the level of regional
land productivity supply meeting ecological contradictions between arable land supply and human demand. PSI is in the range of 0 to
1. A high index indicates high sustainable development of land use in a region and vice versa. A PSI of 0.5 implies marginal
sustainable development. Hence the level of sustainability of a region can be evaluated based on the distance of PSI to 0.5. In this
paper therefore, the results of a case study of Farm 45 Irrigation Area of the Xinjiang Production and Construction Corps for
1995~2005 show a weak sustainable level of arable land use for 1998~2003. The other years are simply not sustainable. This growth
direction is not what we expect for ecological equilibrium. This shows that PSI is a more reasonable indicator than the absolute
indicator of traditional sustainable level via ecological deficit.
Key words Arable land use, Productivity sustainability index, Ecological footprint, Dynamic analysis
(Received Dec 27, 2008; accepted April 8, 2009)
176 中国生态农业学报 2010 第 18卷


为合理、准确地评价人类社会可持续发展程度,
国内外学者提出了诸多可持续发展指标体系及定量
评价的计算方法 , 如“可持续经济福利指数”
(ISEW)[1]、“真实发展指标”(GPI)以及“可持续性晴
雨表”(Barometer of sustainability)模型[2]等。在众多
可持续发展评价指标体系中, 由加拿大生态经济学
家William于 1992年提出, 并由Wackernagel于 1996
年加以完善的生态足迹分析方法 (Ecological foot-
print analysis approach, 简称 EFAA)[3−5], 以其模型
直观、综合、操作简单等优点, 很快成为当前广为
流行的方法, 生态足迹理论也不断改进和完善[6−8]。
由于土地资源自身数量有限性、质量可变性和
空间不可移动性, 决定了对土地的开发利用应严格
遵守可持续发展原则。在传统生态足迹研究中, 通
常是把生态足迹的 6个组分(耕地、林地、草地、建
筑用地、水产用地、能源用地)放在一起进行研究, 通
过比较加总的生态足迹(Ecological footprint, EF)和
生态承载力(Ecological capacity, EC), 得出是否有生
态赢余或生态赤字(Ecological deficit, ED)。由于生态
足迹和生态承载力中各组分不是成比例的分配和变
化, 故总加和的结果显示不出哪个组分的赢余或赤
字状况。况且, 生态赤字/盈余是绝对数字, 不能真
正反映一个地区土地利用的程度和进行比较[7]。本
研究把生态足迹的组分——耕地作为单独研究对象,
计算了新疆生产建设兵团农三师 45 团绿洲灌区(以
下简称 45团灌区)1995~2005年耕地生态足迹, 同时
引入了生产力可持续指数(Productivity sustainability
index, PSI)的概念模型 , 以期为灌区耕地利用可持
续性评价提供依据。
1 生产力可持续指数分析方法简介
1.1 问题的提出
传统的生态足迹分析是用生态承载力与生态足
迹的差额——生态赤字(或盈余)来评估某区域的可
持续发展程度, 当差额小于 0 时称为生态赤字, 处
于不可持续发展状态; 当差额大于 0 时称为生态赢
余, 处于可持续发展状态。生态赤字与盈余用来判
断一个国家或地区的可持续发展状态合适与否, 有
一个尺度问题。在全球尺度上, 自给自足和可持续
是同义语, 在其他尺度上生态赤字/盈余是人口密度
的函数。国家或地区尺度的生态足迹信息对我们来
说利用的程度有限, 因为不能确定一个面积辽阔、
人口稀少、能自给自足、并有很大人均足迹的国家
或地区是否比一个面积小、人口密度大、但人均生
态足迹小的国家或地区更可持续[6]。
由于生态赤字/盈余是绝对数字, 不能真正反映
一个地区土地利用的程度和进行比较, 因此, 需要
寻找一种能科学反映、可进行区域比较的可持续性
定量评估方法。此前也有人针对生态赤字这个绝对
指标表示不可持续发展状况的局限性, 提出用相对
指标来表示生态足迹和生态承载力的关系。如吴隆
杰[9]提出用生态足迹指数(Ecological footprint index,
EFI)表示可持续发展程度。EFI是区域生态承载力与
生态足迹的差额占生态承载力的百分比, EFI 越大,
则可持续发展能力越强。该方法虽然根据 EFI 值可
定量评估可持续发展程度, 并用 20%作为强可持续
与弱可持续的分界, 但对于强可持续性和弱可持续
性的边沿划分原则还未加解决, 尤其对 EFI<0 的不
可持续程度由于没有下限而无法划分等级。与生态
足迹指数相反, 任志远等[10]提出用生态足迹压力指
数(Ecological footprint pressure index, EFPI)表示生
态压力程度。EFPI的大小表示生态足迹为生态承载
力的倍数, 生态足迹越大则 EFPI值越大, 其生态压
力亦越大, 并根据 EFPI值的大小划分出生态安全等
级。由于 EFPI为正数, 此方法仅对生态足迹压力指
数小于 1 的情况作了等级划分, 而对大于 1 的情况
由于没有上限而无能为力。孟晓军等[11]也提出用生
态安全度(Ecological security, ES)表征生态可持续程
度, 生态安全度是生态足迹供给、生态足迹消费以
及人文响应指数耦合而成的非线性系统。虽然该方
法用人均人文响应指数调整了人均生态承载力与人
均生态足迹的比值, 一定程度上化解了生态足迹压
力指数大于 1 或生态足迹指数小于 0 的缺陷, 但遗
憾的是作者没有给出该指标的分级标准, 且在理论
解释上存在一定纰漏。
在对国内外生态足迹分析方法研究的基础上 ,
结合耕地利用实际情况, 本文引入了生产力可持续
指数(Productivity sustainability index, PSI)方法来定
量化评价某区域的耕地利用可持续性, 以弥补上述
方法的不足之处。该方法首先计算耕地生态足迹和
生态承载力, 再计算生产力可持续指数(PSI)。
1.2 生态足迹与生态承载力的计算
1.2.1 生态足迹的计算
生态足迹的计算方法为:
( / )i i i i iEF N ef N r a N r C P= × = × × = × ×∑ ∑ (1)
式中, EF、ef分别为总生态足迹和人均生态足迹, 其单
位为全球公顷(Global hectare, ghm2)或人均全球公顷
(Global hectare/population, ghm2·人−1), 有的研究仅用
hm2或 hm2·人−1表示; N为人口数; i为消费项目的类
型; ai 为第 i 种产品折算的人均生物生产性土地面积
(hm2·人−1); Ci为第 i种产品的人均消费量(kg·人−1); Pi
为第 i种产品的全球单位面积平均生产能力(kg·hm−2);
第 1期 郑 重等: 基于生产力可持续指数的耕地利用动态分析 177


ri为均衡因子, 其取值采用国际标准。
由于均衡因子(Equivalence factor)在长时间序
列中只发生轻微调整 [12], 因此 , 结合有关资料 , 本
研究计算中耕地的均衡因子取值为 2.8[13−14]。
1.2.2 生态承载力的计算
生态承载力的计算方法为:
0.88 0.88 ( )j j jEC N ec N A y r= × = × × ×∑ (2)
式中, EC、ec分别为区域总生态承载力(ghm2)和人均
生态承载力(ghm2·人−1); N为人口数; Aj为第 j种土
地类型的人均生物生产性土地面积(ghm2·人−1); rj
为均衡因子; yj为产量因子。根据世界环境与发展委
员会(WCED)的建议报告, 人类将 12%的生物生产
性土地面积用于生物多样性保护, 因此在计算生态
承载力时 , 应从总数中扣除这一部分 , 公式中的
0.88 就表示扣除 12%生物多样性保护面积后的生态
承载力。
产量因子(Yield factor)表示给定国家或地区某
一类土地面积的生产力与世界平均水平的差异, 它
捕获了当地与全球平均生产能力之间的差异, 主要
反映土地管理和技术方面的差异。每年的产量因子
都要重新计算, 采用这一公共标准主要是使计算结
果可以进行国与国、地区与地区之间的比较[15]。
1.2.3 生产力可持续指数的定义与分级
为定量评价区域耕地可持续利用的程度, 本研
究引入“生产力可持续指数 (Productivity sustain-
ability index, PSI)”的概念, 其定义为: 一定区域的
土地生态承载力占生态足迹与生态承载力总额的比
值, 它描述了该区域的土地生产能力(生态承载力)
满足人类生态供需矛盾总体(生态足迹+生态承载力)
的可持续程度。因此, 耕地生产力可持续指数(PSI)
与生态足迹(EF)、生态承载力(EC)的关系可用下式
表示:
ECPSI
EC EF
= + (3)
式中, PSI 介于 0~1 之间, 当 PSI 趋近于 1 时, 生态
承载力远远超过生态足迹, 即土地生产力大大超过
人类从土地获取的资源消耗量, 土地利用可持续发
展程度很高; 当 PSI趋近于 0时, 生态赤字大大超过
生态承载力, 土地利用属于极度不可持续状态; 当
PSI = 0.5时, 则 EF和 EC二者相等, 说明土地生产
力与人类从土地中实际获取的资源消耗量相等, 二
者处于平衡状态, 是可持续发展与不可持续发展的
临界点。根据生产力可持续指数 PSI远离 0.5的程度,
可把土地利用可持续程度从强可持续到强不可持续
分为 6个不同的等级类型(表 1)。当然也可根据需要
或实际情况, 对可持续发展或不可持续程度按照偏
表 1 耕地生产力可持续指数分级
Tab. 1 Classification of PSI for arable land
等级
Grade
生产力可持续指数
PSI
可持续程度划分
Sustainable level
1 ≥0.80 强可持续
Strong sustainable
2 0.65~0.80 中等可持续
Medium sustainable
3 0.50~0.65 弱可持续
Weak sustainable
4 0.35~0.50 弱不可持续
Weak unsustainable
5 0.20~0.35 中等不可持续
Medium unsustainable
6 ＜0.20 强不可持续
Strong unsustainable

离 0.5 的程度进行等级细分, 这一定程度上克服了
上述几个指标的局限性[7]。因此, 生产力可持续指数
可作为耕地可持续利用程度的定量测评标准。
2 数据来源
本文以新疆叶尔羌河流域新疆生产建设兵团农
三师 45团绿洲灌区为例, 对该灌区 1995~2005年的
人均耕地生态足迹(ef)、生态承载力(ec)、生态赤字
(ed)及生产力可持续指数(PSI)进行计算。文中涉及
该灌区耕地的生物生产性产品主要包括纤维作物
(棉花, 占耕地总面积的 83.73%)和粮食作物(主要为
小麦和玉米 , 占 8.59%), 其他作物种植面积仅占
7.68%。因此, 耕地足迹中的组成部分主要考虑了棉
花和粮食作物, 其他作物如蔬菜、油料等由于种植
面积太小, 且资料收集困难, 故本研究中忽略不计。
数据主要来源于《新疆兵团农三师 45团统计年
鉴》、《中国农业统计年鉴》和《全国农产品成本收
益资料汇编(1980~2006)》。本研究中产量因子是根据
45团灌区棉花平均产量与全国棉花平均产量比值得
出。经无量纲化后的产量因子见表 2。

表 2 1995~2005年新疆生产建设兵团农三师 45团
绿洲灌区耕地产量因子
Tab. 2 Yield factors of cultivated land in Farm 45 Irrigation
Area of the Xinjiang Production and Construction Corps during
1995~2005
年份
Year
产量因子
Yield
factor
年份
Year
产量因子
Yield
factor
年份
Year
产量因子
Yield
factor
1995 1.424 1999 1.541 2003 1.580
1996 1.434 2000 1.449 2004 1.262
1997 1.409 2001 1.267 2005 1.528
1998 1.829 2002 1.396

3 耕地可持续利用动态分析
3.1 耕地生态足迹的变化趋势分析
45团灌区 1995~2005年人均生态足迹、人均生
态承载力、人均生态赤字和生产力持续指数的时间
178 中国生态农业学报 2010 第 18卷


序列计算结果见表 3。其中, 人均耕地生态足迹是人
均粮、棉生态足迹之和, 由历年人均粮、棉产量分
别除以中国粮、棉平均产量, 再乘以均衡因子得到。
人均生态承载力是各年人均耕地面积乘以均衡因子
和各年产量因子所得。
由表 3可知, 1995~2005年灌区人均耕地生态足
迹经历了“增加-降低-波动”3个阶段, 即 1995~1998
年缓慢增加, 1999~2002 年缓慢降低, 2003~2005 年
增减波动较大。但灌区人均耕地生态足迹总体上呈
现增加趋势, 即由 1995 年的 1.184 ghm2·人−1增加
到 2005年的 1.802 ghm2·人−1, 年均提高 5.22%, 这
主要是因为灌区农业物化投入及科技投入以及土地
开发整理工程使得主要农产品产量增长幅度较大 ,
说明灌区对耕地资源集约化利用强度加大。在研究
时段内人均耕地生态承载力也呈现逐年增加趋势。
灌区耕地生态赤字 /盈余出现一定程度的波动 ,
1998~2003 年间耕地生态承载力大于耕地生态足迹,
出现了生态盈余, 这主要是土地开发速度加快使耕
地面积增加; 1995~1997年间及 2004年以后, 耕地生
态承载力小于耕地生态足迹, 出现了生态赤字, 可
能是因为水资源不足、撂荒, 或者是经济上不划算、
投入下降等问题所致。

表 3 1995~2005年新疆生产建设兵团农三师 45团绿洲灌区人均耕地足迹、生态承载力、生态赤字和生产力可持续指数
Tab. 3 Ecological footprint, ecological capacity, ecological deficit per cap. for arable land and PSI in Farm 45
Irrigation Area of the Xinjiang Production and Construction Corps during 1995~2005
年份
Year
人均耕地足迹
Ecological footprint for arable land per cap.
(ghm2·人−1)
人均生态承载力
Ecological capacity per cap.
(ghm2·人−1)
人均生态赤字
Ecological deficit per cap.
(ghm2·人−1)
生产力可持续指数
PSI
1995 1.184 1.033 −0.151 0.466
1996 1.212 1.055 −0.157 0.465
1997 1.179 1.141 −0.038 0.492
1998 1.362 1.728 +0.365 0.559
1999 1.270 1.628 +0.358 0.562
2000 1.217 1.518 +0.301 0.555
2001 1.199 1.365 +0.165 0.532
2002 1.211 1.587 +0.376 0.567
2003 1.663 1.712 +0.048 0.507
2004 1.425 1.405 −0.019 0.497
2005 1.802 1.762 −0.040 0.494
“−”表示生态赤字, “+”表示生态盈余。 “− “ and “+” refer to ecological deficit and ecological remainder, respectively.

3.2 耕地生产力可持续指数的变化趋势分析
由表 3可知, 1998~2003年灌区耕地 PSI大于 0.5,
但未超过 0.65, 说明耕地利用为弱可持续阶段, 耕
地利用较为科学合理, 这主要得益于科技投入和集
约化管理技术水平提高使作物产量增加的结果; 其
他阶段 PSI 均小于 0.5, 但大于 0.35, 为弱不可持续
阶段, 表明灌区耕地利用虽未到达严重不可持续程
度, 但必须加强耕地的合理利用与保护, 防止耕地
退化。必须引起注意的是, 2004年后 PSI出现下降趋
势, 虽然灌区多年来不断提高耕地生产力和管理技
术水平, 但由于灌区在耕地利用过程中大量使用化
肥和地膜覆盖造成土壤污染, 以及棉花多年连作和
种植模式单一, 造成病虫害加剧而使耕地生产力有
所降低, 也出现了土地“三化”现象, 因此, 耕地利
用长时段有可能处于不可持续状态。
3.3 不同尺度耕地可持续利用程度对比分析
为比较 45 团灌区与全国其他省市的耕地可持
续利用程度, 按照本文公式(3)所给出的生产力可持
续指数 PSI 的计算方法 , 并参照徐中民等研究成
果[6], 计算了部分省(区市)1999 年的 PSI, 计算结果
见表 4。
由表 4可知, 45团灌区人均生态足迹除比云南、
江西、陕西高外, 比其他省区均低, 其中比人均生态
足迹最高的北京市低 1.412 ghm2·人−1, 人均生态承
载力在所有参比省区中为最高, 生态赤字最少。如
以 1997 年全球人均 2 ghm2的生态承载力为生态阈
值[14], 则所有参比对象的资源消费状况均已超过全
球尺度承载力的范围, 因此, 45 团灌区属于全球尺
度不可持续而地方尺度可持续发展的发展地区。
根据表 1对生产力可持续指数 PSI等级的划分,
对比 45团灌区与中国及其他省区的 PSI, 发现 45团
灌区与江西、云南的 PSI 处于 0.5 和 0.65 之间, 属
于弱可持续发展地区。而同期新疆处于中等不可持
续阶段, 陕西处于弱不可持续阶段。
第 1期 郑 重等: 基于生产力可持续指数的耕地利用动态分析 179


表 4 1999年新疆生产建设兵团农三师 45团绿洲灌区人
均生态足迹及生产力持续指数与全国其他省市比较
Tab. 4 The contrast of ecological footprint per cap. and PSI in
Farm 45 Irrigation Area of the Xinjiang Production and Con-
struction Corps and other areas in 1999
国家或
地区
Country or
province
人均生态足迹
Ecological
footprint per
cap.
(ghm2·人−1)
人均生态承
载力
Ecological
capacity per
cap.
(ghm2·人−1)
人均生态
赤字
Ecological
deficit per
cap.
(ghm2·人−1)
生产力
持续指
数
PSI
全国
China
1.325 0.681 −0.644 0.339
北京
Beijing
2.682 0.943 −1.739 0.260
河南
Henan
1.478 0.481 −0.997 0.246
广东
Guangdong
1.332 0.462 −0.870 0.258
上海
Shanghai
2.242 0.256 −1.986 0.102
江西
Jiangxi
1.058 1.288 0.230 0.549
陕西
Shaanxi
1.086 0.752 −0.334 0.409
山西
Shanxi
2.555 0.741 −1.814 0.225
云南
Yunnan
0.477 0.755 0.278 0.613
湖北
Hubei
1.595 0.395 −1.200 0.198
新疆
Xinjiang
2.413 1.152 −1.261 0.323
45团
Farm 45
1.270 1.628 0.358 0.562
4 结论与讨论
1995~2005年 45团灌区人均耕地生态足迹经历
了“增加-降低-急变”3个阶段, 与生态承载力均呈
现出不断增加的趋势, 两者发展基本协调, 人均耕
地生态赤字呈现波动状态。
本文提出的“生产力可持续指数 (Productivity
sustainability index, PSI)”的概念和计算模型, 比传
统生态足迹研究中用“生态赤字”绝对数值指标表
示可持续发展程度更具合理性。这些指标和方法的
提出及运用, 对生态足迹理论研究及耕地利用可持
续性评价有着重要的理论价值和现实指导意义。
本文对 PSI 的计算基于生态足迹和生态承载力
的计算基础之上, 但由于后两者在计算过程中只是
对耕地作为单独研究对象, 且在耕地生态足迹计算
中忽略了灌区其他作物种植面积, 这对 PSI 的结果
对比分析可能产生一定影响。
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