陳 浮，曾思燕，葛小平，于昊辰，楊永均，卞正富

?土地保障與生態(tài)安全?

資源環(huán)境硬約束下中國(guó)耕地休耕優(yōu)先區(qū)識(shí)別

陳 浮1，曾思燕2※，葛小平3，于昊辰4，楊永均4，卞正富4

（1. 河海大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 211110；2. 西湖大學(xué)工學(xué)院，杭州 310024；3. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，徐州 221008）

為厘清全國(guó)耕地資源環(huán)境本底并識(shí)別中國(guó)休耕優(yōu)先區(qū)，該研究從生態(tài)保護(hù)紅線、土壤污染狀況、地下水超采和耕地質(zhì)量等級(jí)等4個(gè)維度，運(yùn)用生態(tài)保護(hù)紅線劃定、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、地下水水位變幅等方法系統(tǒng)分析中國(guó)耕地資源環(huán)境脅迫因子空間格局及分異特征，并構(gòu)建多準(zhǔn)則休耕規(guī)則識(shí)別不同情景下中國(guó)休耕規(guī)模及優(yōu)先區(qū)的空間分布。結(jié)果表明：1）中國(guó)北方劃入生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)耕地面積遠(yuǎn)高于南方，劃入一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)耕地占3.57%；2）中國(guó)耕地重、中度污染面積分別占1.23%和2.31%，南方整體污染高于北方且南方呈局部分散、北方呈點(diǎn)狀集聚格局；3）地下水超采區(qū)集中于河北、河南、吉林和江蘇，重度超采區(qū)僅占0.68%；4）耕地質(zhì)量總體一般，劣等、低等耕地面積分別占3.69%和14.0%，北方明顯高于南方且大范圍分散分布。依據(jù)多準(zhǔn)則休耕規(guī)則綜合評(píng)判，劃入休耕優(yōu)先區(qū)占全部耕地的23.70%，比食品安全優(yōu)先、產(chǎn)能損失最小和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先3種情景分別高8.40%、4.18%和3.12%，其中禁植必休區(qū)、限植休耕區(qū)和重點(diǎn)輪休區(qū)分別為1.95%、4.71%和6.18%。因此，必須從源頭治理視角厘清耕地資源環(huán)境本底，權(quán)衡休耕的迫切性，為國(guó)家層面上休耕規(guī)劃有效落地、污染休耕治理和耕地保護(hù)創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。

休耕；土壤污染；耕地保護(hù)；環(huán)境本底；休耕規(guī)則；空間權(quán)衡

0 引 言

近30年中國(guó)“先污染、后治理”的工業(yè)化模式導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化[1-2]，不僅占用了大量的優(yōu)質(zhì)耕地資源，還加劇了水土環(huán)境污染，威脅生態(tài)安全和公眾健康，影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的整體持續(xù)性[3]。2014年生態(tài)環(huán)境部公布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示：耕地土壤點(diǎn)位樣品中受到不同程度污染占比19.4%。其外，耕地質(zhì)量下降、地下水超采、生物多樣性銳減等嚴(yán)重影響農(nóng)田生態(tài)狀況，如何緩解耕地永續(xù)利用的硬約束已迫在眉睫。為踐行“青山綠水即是金山銀山”發(fā)展理念，逐步解決耕地污染、環(huán)境惡化等問題，中國(guó)已探索性開展耕地輪作休耕試點(diǎn)[4]，期望能有效調(diào)節(jié)土壤理化性狀，防治土壤污染，促進(jìn)耕地生態(tài)恢復(fù)，為實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”重大戰(zhàn)略目標(biāo)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展尋求基于自然的解決方案。

休耕是一個(gè)涉及多重因素多方利益的復(fù)雜體系。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家有關(guān)休耕研究主要與控制糧食生產(chǎn)有關(guān)，依據(jù)國(guó)際市場(chǎng)糧食供求狀況制定休耕規(guī)模，維持全球糧價(jià)高位波動(dòng)，并有利于自身農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)[5-6]。巴西、俄羅斯及中亞一些國(guó)家主要關(guān)注休耕對(duì)持續(xù)耕作土壤的恢復(fù)和環(huán)境效應(yīng)[7-8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者更多關(guān)注休耕對(duì)糧食安全的影響。如石飛等[9]采用耕地能值生態(tài)盈虧法判定貴州省松桃縣最大休耕面積，并估算保障糧食安全所需耕地的底線，建議輪作休耕面積不應(yīng)超過20.0%[10]。僅少數(shù)研究關(guān)注休耕布局，曾思燕等[11]構(gòu)建中國(guó)耕地土壤重金屬污染狀況數(shù)據(jù)庫，依據(jù)土壤污染和風(fēng)險(xiǎn)劃定4類休耕區(qū)占全部耕地的15.58%；趙雲(yún)泰等[12]、楊慶媛等[13]分別運(yùn)用耕地適宜性評(píng)價(jià)和VSD脆弱性評(píng)估劃定了江蘇省通州區(qū)和貴州省晴隆縣的可休耕規(guī)模與布局；Shi等[14]構(gòu)建耕地休耕綜合指數(shù)，繪制了中國(guó)西南石漠化地區(qū)休耕空間布局。這些研究從糧食安全、土壤污染、生態(tài)脆弱性或土地適宜性等單一角度闡述休耕規(guī)模和空間分區(qū)，但對(duì)中國(guó)耕地資源環(huán)境本底、休耕迫切性等關(guān)鍵性問題缺乏關(guān)注[10]，也無法滿足國(guó)家層面上從耕地生態(tài)環(huán)境本底出發(fā)“休多少”、“休哪里”以及“怎么休”等重大戰(zhàn)略需求。因此，亟需從休耕本質(zhì)出發(fā)，以土地利用問題為導(dǎo)向、耕地本底環(huán)境約束和實(shí)際利用條件為基準(zhǔn)，量化地塊休耕的迫切性，從國(guó)家宏觀尺度上識(shí)別耕地資源環(huán)境硬約束下休耕優(yōu)先區(qū)。

中國(guó)耕地空間分布廣，區(qū)域環(huán)境差異大，又面臨土壤污染、質(zhì)量退化、生物多樣性銳減少等多重挑戰(zhàn)，從國(guó)家層面上對(duì)不同生態(tài)要素脅迫下地塊開展休耕空間權(quán)衡顯得尤為重要。為此，本研究從耕地資源環(huán)境本底入手，評(píng)判生態(tài)保護(hù)紅線、土壤污染、地下水超采、耕地質(zhì)量等要素的空間差異和協(xié)同效應(yīng)，量化地塊的休耕迫切性，權(quán)衡食品安全—產(chǎn)能損失—生態(tài)保護(hù)之間的空間關(guān)聯(lián)，確定國(guó)家尺度上休耕優(yōu)先次序，為全國(guó)休耕規(guī)劃、糧食安全、土壤污染治理和耕地保護(hù)創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 耕地生態(tài)脅迫因子

空間權(quán)衡必須從源頭治理入手，評(píng)判耕地資源環(huán)境本底和利用條件，量化地塊的休耕迫切性，最終實(shí)現(xiàn)食品安全、糧食安全和生態(tài)安全的三統(tǒng)一。1）食品安全是關(guān)鍵。受污染耕地即使生產(chǎn)再多糧食，也無法安全食用，還嚴(yán)重危害公眾健康；2）糧食安全是基礎(chǔ)。休耕必須考慮耕地自身?xiàng)l件和資源稟賦，盡量休耕生產(chǎn)能力最差的，在“休”過程中養(yǎng)好地，為未來糧食安全打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；3）生態(tài)安全是根本。生態(tài)安全是耕地永續(xù)利用的根本保障，才能維護(hù)國(guó)家糧食安全和食品質(zhì)量。結(jié)合國(guó)家輪作休耕試點(diǎn)的要求，本研究將生態(tài)保護(hù)紅線范圍、土壤污染、地下水超采和耕地質(zhì)量作為休耕優(yōu)先區(qū)劃定的地塊生態(tài)脅迫因子。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究耕地?cái)?shù)據(jù)來源于GlobeLand30（www.globallandcover.com），利用Arcgis10.2軟件提取全國(guó)耕地2020年30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)，分類總體精度為88.90%±0.68%[15]；生態(tài)保護(hù)紅線范圍按生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)頒布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》劃定，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參見表1。并與已公布的20個(gè)省份生態(tài)保護(hù)紅線劃定成果[16]作比較，綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果形成全國(guó)生態(tài)保護(hù)紅線空間分布圖；土壤污染數(shù)據(jù)來源于2000—2018年發(fā)表的553 篇論文，包含樣品數(shù)據(jù)5 597個(gè)[17]，采用文獻(xiàn)計(jì)量法統(tǒng)計(jì)并檢驗(yàn)[18]；地下水超采數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心發(fā)布的2011年中國(guó)《淺層地下水水位等值線和埋深圖》，并依據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GBT34968—2017），參照水利部水資源司和南京水利科學(xué)研究院發(fā)布的中國(guó)地下水主要超采區(qū)分布示意圖[19]和《中國(guó)地下水資源與環(huán)境圖集》[20]對(duì)地下水超采范圍進(jìn)行修正；耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于2015年頒布的《中國(guó)耕地質(zhì)量等別評(píng)價(jià)成果》，它將全國(guó)耕地劃分為劣等地（15等）、低等地（13-14等）、中等地（9-12等）、高等地（5-8等）和優(yōu)等地（1-4等）5個(gè)等別。并按鄰近單元等對(duì)2016—2020年新增的耕地賦等別值。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)保護(hù)紅線與耕地疊置評(píng)價(jià)方法

2020年初僅20個(gè)省份公布了生態(tài)保護(hù)紅線，無法直接疊置。為此，依據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》要求，按生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性（www.ecosystem.csdb.cn）和生態(tài)環(huán)境敏感性（劉軍會(huì)等[21]）劃定了全國(guó)生態(tài)保護(hù)紅線范圍。并采用Arcgis10.6的疊加分析功能，將已公布20個(gè)省份生態(tài)保護(hù)紅線范圍與劃定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，精度大于90.0%。在柵格計(jì)算工具中，使用con語句，采用“并運(yùn)算”將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要且生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)內(nèi)耕地劃為一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)，其他生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)耕地劃為二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)，剩余耕地劃為非生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)。

表1 生態(tài)保護(hù)紅線劃定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型及來源

1.3.2 土壤污染評(píng)價(jià)方法

1.3.3 地下水超采評(píng)價(jià)方法

對(duì)比1979和2011年全國(guó)淺層地下水水位等值線及埋深圖集，采用地下水水位變幅法[19]劃定全國(guó)地下水超采區(qū)，并按年均地下水變化速率（）大小劃分地下水超采等級(jí)，計(jì)算公式如下

式中為年均地下水埋深變化速率（m/a），1為1979年地下水埋深（m），2為2011年地下水埋深（m），=33 a。依據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則（GBT34968—2017）》，按≥0.8 m/a、0.5≤<0.8 m/a、0.3<<0.5 m/a和<0.3 m/a分別劃為重度超采區(qū)、中度超采區(qū)、輕度超采區(qū)和采補(bǔ)平衡區(qū)。該方法與2021年水利部啟動(dòng)新一輪地下水超采區(qū)劃定工作規(guī)定的評(píng)價(jià)方法一致，可以有效地保證本研究劃定結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1.3.4 休耕優(yōu)先區(qū)識(shí)別方法

休耕作為治理、保護(hù)和恢復(fù)地力一種重要方式，維持耕地生態(tài)健康為前提，保障食品安全、推進(jìn)污染防治、促進(jìn)生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)。本研究兼顧土壤污染、耕地質(zhì)量、地下水超采及生態(tài)保護(hù)紅線退讓，評(píng)判不同地塊的資源環(huán)境硬約束條件，排序休耕的迫切性，識(shí)別不同情景下休耕優(yōu)先區(qū)。

1）耕地生態(tài)狀況表達(dá)

采用四維空間概念模型刻畫生態(tài)保護(hù)紅線退讓-污染-地下水超采-質(zhì)量的組合類型，地塊單元生態(tài)狀況表示為U（EPGQ）。、、和分別代表生態(tài)保護(hù)紅線退讓狀況、耕地污染狀況、地下水超采狀況和耕地質(zhì)量等別，、、和分別代表生態(tài)狀況的等級(jí)。其中，=0、1、2，分別表示一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、非生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)；=0、1、2、3、4，分別表示耕地重度污染、中度污染、輕度污染、尚清潔和清潔；=0、1、2、3，分別表示地下水重度超采區(qū)、中度超采區(qū)、輕度超采區(qū)和采補(bǔ)平衡區(qū)；=0、1、2、3、4，分別表示耕地質(zhì)量劣等、低等、中等、高等和優(yōu)等。

2）不同休耕情景設(shè)定

中國(guó)休耕主要為促進(jìn)休養(yǎng)生息，維護(hù)耕地永續(xù)利用和國(guó)家糧食長(zhǎng)久安全。為更好地促進(jìn)休耕落地和切實(shí)可行，考慮設(shè)置3種休耕情景：食品安全優(yōu)先（PFS）、產(chǎn)能損失最?。∕CL）和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先（PES），并分別設(shè)置低、中、高方案，以區(qū)分地塊休耕優(yōu)先順序。但依據(jù)木桶理論[25]，地塊休耕迫切性取決于對(duì)耕地資源環(huán)境硬約束最大的生態(tài)因子，即“短板”。當(dāng)耕地污染嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品往往無法食用，健康風(fēng)險(xiǎn)極大，是耕地休耕規(guī)劃約束最大的“限制因子”。此外，若繼續(xù)在地下水重度超采區(qū)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，易形成地下水漏斗，對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成不可逆的損傷。這兩類耕地必須休耕，劃入“禁植必休區(qū)”。因此，在進(jìn)行生態(tài)因子權(quán)衡時(shí)，將重度污染、地下水重度超采耕地（即地塊單元生態(tài)狀況表示為（EP0GQ）、（EPG0Q））單獨(dú)扣除，并全部納入3種休耕情景的低方案。同時(shí)，依據(jù)不同情景模擬下地塊的休耕迫切性差異，設(shè)定不同的休耕空間時(shí)序方案。

3）生態(tài)狀況評(píng)判規(guī)則

按照設(shè)定的3種不同情景，確定地塊休耕優(yōu)先順序及方案，各休耕情景的評(píng)判規(guī)則如下：

①食品安全優(yōu)先情景（PFS）。主要針對(duì)耕地重金屬和有機(jī)污染嚴(yán)重區(qū)優(yōu)先休耕，應(yīng)休盡休，休治協(xié)同（圖 1）。其中，1）低方案綜合考慮一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同時(shí)將土壤中度污染且耕地質(zhì)量劣等(EP1GQ0)的地塊也納入該方案，以重點(diǎn)剪斷土壤-食品之間污染傳遞；2）中方案在低方案的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步考慮全部土壤中度污染(EP1GQ)的耕地，以及地塊在二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)且土壤輕度污染且中度超采區(qū)且耕地質(zhì)量劣等或低等，即地塊單元為(1210)、(1211)；3）高方案在中方案的基礎(chǔ)上，再考慮土壤輕度污染且耕地質(zhì)量劣等或二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)或中度超采區(qū)，即地塊單元為(EP2GQ0)、(EP21Q)、(12GQ)，以切實(shí)保障糧食生產(chǎn)安全。

②產(chǎn)能損失最小情景（MCL）。主要針對(duì)耕地生產(chǎn)能力極差區(qū)優(yōu)先休耕，必休盡休，休養(yǎng)結(jié)合（圖2）。其中，1）低方案綜合考慮一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、土壤重度污染、地下水重度超采和耕地質(zhì)量劣等的全部耕地；2）中方案在低方案的基礎(chǔ)上，以耕地質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)先考慮要素，再進(jìn)一步考慮耕地質(zhì)量低等且二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)或土壤中度污染或地下水中度超采的耕地，即地塊單元為(1PGQ1) (EP1GQ1) (EPG11)；3）高方案在中方案的基礎(chǔ)上，再考慮全部耕地質(zhì)量低等(EPGQ1)的地塊單元，以重點(diǎn)維持最大的糧食生產(chǎn)能力。

③生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景（PES）。主要針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)以及地下水嚴(yán)重超采區(qū)優(yōu)先休耕，必休盡休，休退有序（圖3）。其中，1） 低方案綜合考慮一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同時(shí)將二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)且耕地質(zhì)量劣等(1PGQ0)的地塊也納入該方案；2）中方案在低方案的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步考慮二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)且地下水中度超采或中度土壤污染或耕地質(zhì)量低等，即地塊單元為(11GQ) (1PGQ1) (1PG1Q)；3）高方案考慮全部一級(jí)與二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)、地下水重度與中度超采、土壤重度污染和耕地質(zhì)量劣等，重點(diǎn)減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾。

4）優(yōu)先區(qū)識(shí)別方法

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)耕地資源環(huán)境硬約束的總體特征及空間分異

圖4顯示中國(guó)耕地不同生態(tài)脅迫因子的空間分布及分異特征，可以看出：1）中國(guó)位于一級(jí)、二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)耕地分別為3.57%、10.95%，北方遠(yuǎn)高于南方。從空間分布來看，一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)耕地主要集中于黃土高原丘陵溝壑區(qū)周邊和粵北丘陵，二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)耕地主要集中于長(zhǎng)白山、新疆內(nèi)陸河源區(qū)、湘北和豫中等地自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。2）中國(guó)耕地土壤污染占22.10%，輕度、中度和重度污染分別為18.56%、2.31%、1.23%。中國(guó)南方土壤污染相對(duì)嚴(yán)重，呈大面積分散分布格局，不同于北方的點(diǎn)狀分布。土壤中度、重度污染幾乎全部分布于胡煥庸線東邊，說明土壤污染與人為活動(dòng)密不可分。3）91.83%耕地地下水開采尚處于采補(bǔ)平衡狀況，輕度、中度和重度超采區(qū)耕地分別為3.66%、3.83%、0.68%，但中、重度超采區(qū)相對(duì)集中在甘肅、陜西、山西、河南、山東、河北和吉林，其中河北、河南已形成大范圍連片重度超采區(qū)，面積高達(dá)4 670 km2、3 950 km2。4）中國(guó)耕地質(zhì)量總體不高，優(yōu)等比例極小，分布于兩湖和廣東。高等26.53%、中等52.84%，主要分布于地勢(shì)相對(duì)平坦、水熱條件適宜的黃淮平原、三江平原、四川盆地和東南丘陵區(qū)。低等、劣等主要分布于內(nèi)蒙古、山西、河北、貴州等地，分別占14.00%、3.69%。

2.2 不同休耕情景下耕地資源環(huán)境硬約束因子評(píng)判

將全國(guó)地塊單元生態(tài)狀況按圖1～3規(guī)則進(jìn)行評(píng)判，可獲得三種情景不同方案下休耕地塊的空間分布（圖 5）。1）食品安全優(yōu)先（圖5a）。低方案休耕占耕地總面積4.94%，零星分布于江西、湖南、蒙東及河南、河北大片區(qū)域。中方案休耕占耕地總面積9.64%，集中于黃淮海平原東部、四川盆地中部、內(nèi)蒙中南部和長(zhǎng)江中游區(qū)域。高方案休耕占耕地總面積15.30%，主要分布于三江平原、黃土高原、西南丘陵山區(qū)及中東部區(qū)域；2）產(chǎn)能損失最?。▓D5b）。低方案休耕占耕地總面積6.65%，零星分布于中南部和相對(duì)集中分布于河南、河北和內(nèi)蒙中南部。中方案休耕占耕地總面積9.83%，主要分布于黃土高原丘陵溝壑區(qū)、陜中北部、內(nèi)蒙和黑龍江東部區(qū)域。高方案休耕占耕地總面積19.52%，主要分布于北方干旱半干旱區(qū)以及西南部、中部丘陵山區(qū)；3）生態(tài)安全優(yōu)先（圖5c）。低方案休耕占耕地總面積5.70%，零星分布于豫北、冀西南部、陜中、蒙中以及湘川中東部區(qū)域。中方案休耕占耕地總面積10.01%，除了低方案外，多集中于甘東南、黑龍江東部以及烏魯木齊周邊。高方案休耕占耕地總面積20.58%，除了中方案外，多集中分布于新疆荒漠邊緣帶、南方石漠化丘陵山區(qū)和長(zhǎng)白山周邊區(qū)域。

2.3 耕地資源環(huán)境硬約束下中國(guó)休耕優(yōu)先區(qū)識(shí)別

將全國(guó)耕地地塊按公式（2）有序加權(quán)平均算子進(jìn)行空間權(quán)衡，識(shí)別中國(guó)耕地生態(tài)因子全要素脅迫下休耕優(yōu)先區(qū)的空間分布（圖6）。1）從數(shù)量來看，休耕面積占耕地總面積23.70%。一般輪休區(qū)（IV）面積最大，為1.46×107hm2。重點(diǎn)輪休區(qū)（III）次之，為8.33×106hm2。限植休耕區(qū)（II）和禁植必休區(qū)（I）分別為6.35×106hm2和2.63×106hm2，它們是中國(guó)休耕行動(dòng)計(jì)劃的最核心區(qū)，占全國(guó)耕地總面積6.66%。2）從分布來看，禁植必休區(qū)（I）集中分布于河南、河北、湖南、云南、安徽，其余省份有零星分布。河南新鄉(xiāng)I級(jí)最為集中，與該區(qū)繼續(xù)數(shù)十年化工、冶煉、電池產(chǎn)業(yè)造成的土壤重度污染密切相關(guān)。河北邢臺(tái)、邯鄲、保定、滄州等地下水嚴(yán)重超采，已形成巨大的地下水漏斗區(qū)，也急切必休，維護(hù)農(nóng)田生態(tài)安全。限植休耕區(qū)（II）內(nèi)蒙中南部及河北接壤處分布最廣，川東北、陜北和陜南也十分集中，與當(dāng)?shù)刈匀粭l件、土地退化與土壤侵蝕密切相關(guān)。重點(diǎn)輪休區(qū)（III）甘東南近黃土高原丘陵溝壑區(qū)分布最廣，與當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)環(huán)境及不合理農(nóng)牧變換導(dǎo)致土地退化密不可分。此外，魯東北也也有一定規(guī)模的嚴(yán)控輪休區(qū)，與當(dāng)?shù)夭捎蜔捰驮斐傻腜AHs污染密不可分。一般輪休區(qū)（IV）分布廣泛，幾乎涉及全國(guó)。3）總體來看，休耕優(yōu)先區(qū)集中分布于河南、湖南和河北，川東北、贛南、遼西、魯東北、云南等一些地區(qū)采礦、工業(yè)、污水灌溉以及農(nóng)藥和肥料過度區(qū)也呈散點(diǎn)式分布。

3 討 論

3.1 中國(guó)耕地資源環(huán)境硬約束的總體態(tài)勢(shì)

本文采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及劃分等級(jí)綜合評(píng)價(jià)耕地土壤重金屬和有機(jī)物污染狀況，全國(guó)耕地土壤污染面積占耕地總面積22.10%，輕度、中度和重度污染分別為18.56%、2.31%和1.23%（圖4b）。中度和重度污染占比略高于《中國(guó)耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》報(bào)道的2.5%，可能與該報(bào)告只調(diào)查了全國(guó)68.0%耕地有關(guān)。本文土壤輕度、中度、重度污染占比略高于2014年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，分別為16.50%、1.80%、1.10%，但公報(bào)采用污染物濃度倍數(shù)法劃分污染等級(jí)，事實(shí)上提高了中、重度污染等級(jí)的門檻值。此外，本文耕地污染總面積高于宋偉等[26]（16.67%）、曾思燕等[11]（15.87%）估算結(jié)果，這可能與先前研究?jī)H考慮重金屬，并未將PAHs、DDT和HCH等有機(jī)污染物納入評(píng)價(jià)有關(guān)。從8種單一元素評(píng)價(jià)結(jié)果來看，Cd點(diǎn)位超標(biāo)率最高，為18.03%，是導(dǎo)致耕地土壤污染主因。這個(gè)結(jié)果與尚二萍等[27]等研究結(jié)論相似，但遠(yuǎn)低于Yuan等[28]研究結(jié)果；其次是PAHs（17.02%）和DDT（3.75%），又高于《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》公布的1.4%和1.9%，與張俊葉等[29]研究結(jié)果相似；Cr、Zn、Pb點(diǎn)位超標(biāo)率分別為0.1%、1.42%和1.34%，與《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》、Niu等[30]和Zhang等[31]的研究結(jié)果相似；但本研究Cu點(diǎn)位超標(biāo)率僅0.49%，低于公報(bào)公布值（2.1%）、Niu等[30]公布值（9.16%）和Zhang等[31]公布值（3.01%），這可能與不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和背景值取值有關(guān)。

中國(guó)耕地范圍內(nèi)地下水開采狀況總體上處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)，但中國(guó)諸多省份均存在地下水超采區(qū)問題（8.17%）。重度超采區(qū)（0.68%）零散的分布于新疆、甘肅、山西等地，其中河北（4 670 km2）、河南（3 950 km2）兩省的重度超采區(qū)面積最大。此外，疊加土壤污染與地下水超采空間分布圖發(fā)現(xiàn)，耕地單元（EP00Q）即重度污染與地下水重度超采疊加區(qū)域，主要出現(xiàn)在河南省新鄉(xiāng)市，與之前的研究結(jié)果一致[32-33]，應(yīng)對(duì)其采取禁止種植農(nóng)作物并采取休耕治理，防止在受污染土壤從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致地下水污染，對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境安全造成極大威脅。應(yīng)當(dāng)注意，土壤有機(jī)質(zhì)減少、耕地質(zhì)量下降、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等與土壤健康密切相關(guān)，若在一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線退讓區(qū)且劣等耕地（0PGQ0）內(nèi)開展農(nóng)業(yè)活動(dòng)，如黃土高原丘陵溝壑區(qū)周邊，不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)功能下降，更會(huì)引發(fā)其他生態(tài)脅迫作用，如養(yǎng)分失衡、土壤生物多樣性減少等，應(yīng)將該區(qū)域納入限植休耕區(qū)（II）以逐步恢復(fù)地力。

3.2 休耕規(guī)模探析及其對(duì)應(yīng)的休耕分區(qū)

中國(guó)耕地資源稟賦，對(duì)土壤資源的管護(hù)應(yīng)該是補(bǔ)短板與漏洞-改善土壤生態(tài)環(huán)境，提下限-保育以不退化。休耕空間權(quán)衡不僅僅需要考慮單項(xiàng)“短板”生態(tài)環(huán)境脅迫因素，也要考慮多指標(biāo)的綜合特點(diǎn)。本研究結(jié)合“木桶效應(yīng)理論”與思維空間概念模型，綜合考慮耕地生態(tài)脅迫全要素優(yōu)先的休耕面積占比為23.70%（圖3），分別較基于食品安全優(yōu)先、產(chǎn)能損失優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%（圖2）。這個(gè)結(jié)果略高于石飛等[10]、羅婷婷和鄒學(xué)榮[34]估算的中國(guó)休耕極限20%。但本研究基于食品安全優(yōu)先、產(chǎn)能損失優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下的休耕低方案面積分別為4.94%、6.65%和5.70%，趨近于張慧芳等[35]認(rèn)為的中國(guó)每年休耕規(guī)模上限為國(guó)家耕地總面積的5%和Lu等[36]認(rèn)為理論休耕規(guī)模為6.28%～9.54%?？紤]到休耕實(shí)施的可行性，時(shí)序安排上應(yīng)兼顧糧食安全、地方財(cái)政壓力、休耕迫切性等要素，建議按等級(jí)實(shí)施差異化的休耕模式[13]：1）禁植必休區(qū)的土壤生態(tài)環(huán)境脅迫程度極高，已不適宜耕作，應(yīng)采取強(qiáng)制性的長(zhǎng)期休耕模式，針對(duì)重度污染區(qū)，配套“休治培”三融合技術(shù)治理土壤，待土壤污染強(qiáng)度降低至符合農(nóng)業(yè)種植標(biāo)準(zhǔn)后，再酌情調(diào)整休耕方式；針對(duì)重度超采區(qū)，將原先種植蔬菜和糧食的耕地改種豆科牧草，以控制地下水超采，減少水土流失。2）限植休耕區(qū)應(yīng)采取季休或年休的休耕模式，限制作物種植種類，可在休耕區(qū)域?qū)嵤┒麜褊遗c冬種綠肥模式，以有效解決區(qū)域內(nèi)普遍存在的耕地耕層淺、土壤有機(jī)質(zhì)含量下降等問題，以改善土壤生態(tài)環(huán)境。3）重點(diǎn)輪休區(qū)與一般輪休區(qū)采取季節(jié)性輪作休耕，由于區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)環(huán)境脅迫程度較低，可實(shí)施用養(yǎng)結(jié)合模式，在種植水稻、棉花等耗地作物的同時(shí)，通過秸稈還田，間套綠肥、豆類等養(yǎng)地作物，合理輪耕，實(shí)現(xiàn)耕地生態(tài)-環(huán)境-社會(huì)“三效”并舉。

3.3 休耕對(duì)國(guó)家糧食安全影響

糧食關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資，休耕的最終目標(biāo)是為了平衡區(qū)域糧食生產(chǎn)與資源環(huán)境保護(hù)之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用，切實(shí)保障國(guó)家糧食安全。但在宏觀尺度上糧食安全必須以耕地質(zhì)量提升和地力保護(hù)為基石，對(duì)污染已嚴(yán)重威脅食品安全的土壤、質(zhì)量急劇下降及生態(tài)破壞嚴(yán)重的耕地開始優(yōu)先休耕，達(dá)成糧食質(zhì)量供給安全。此外，為避免休耕對(duì)糧食數(shù)量安全造成影響，本研究基于2015年原國(guó)土資源部發(fā)布的《中國(guó)耕地質(zhì)量等別評(píng)價(jià)成果》，對(duì)中國(guó)糧食生產(chǎn)水平進(jìn)行分析，以測(cè)算休耕對(duì)中國(guó)糧食生產(chǎn)水平的影響，為國(guó)家休耕空間分區(qū)提供基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)耕地質(zhì)量等別與糧食生產(chǎn)能力的關(guān)系，1等地的標(biāo)準(zhǔn)糧平均生產(chǎn)能力在2.1×104～2.25×104kg/hm2之間[37]，在此取中間值，即2.175×104kg/hm2，并以此類推，采用每降低一個(gè)耕地等別，標(biāo)準(zhǔn)糧的生產(chǎn)能力降低1 500 kg/hm2，計(jì)算因休耕導(dǎo)致的全國(guó)耕地糧食減產(chǎn)量。結(jié)果顯示，綜合考慮耕地生態(tài)脅迫全要素優(yōu)先確定休耕23.70%的耕地面積造成糧食減產(chǎn)17 653.82萬噸，約占全國(guó)耕地總產(chǎn)能的15.71%。其中，在I級(jí)、II級(jí)“休耕”情景下造成全國(guó)耕地產(chǎn)能減少1.74%、2.75%；在III級(jí)、IV級(jí)“輪休”情景下造成全國(guó)耕地產(chǎn)能減少3.41%、7.81%。這表明若將此23.70%的耕地一次性進(jìn)行休耕將危及國(guó)家糧食安全，休耕方案無法實(shí)施落地。因此，各地區(qū)可因地制宜選擇不同的休耕情景確定地塊休耕優(yōu)先順序。

中國(guó)選擇重金屬污染區(qū)、地下水漏斗區(qū)、生態(tài)退化區(qū)、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)和東北冷涼區(qū)實(shí)行休耕制度試點(diǎn)這一做法[4]，表明國(guó)家在實(shí)行休耕制度過程中注重土地利用目標(biāo)導(dǎo)向與問題導(dǎo)向相結(jié)合，通過將土地利用問題嚴(yán)重區(qū)域作為優(yōu)先休耕區(qū)域，并在保障國(guó)家糧食安全的前提下促進(jìn)休耕制度的順利實(shí)施。因此，有必要在輪休區(qū)建議休耕實(shí)施模式為季休（只栽種一季或兩季）、年輪休（一年以上休耕）或長(zhǎng)休（10～15年休耕），以降低休耕導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)量，避免因休耕影響國(guó)家糧食安全。在此，假設(shè)在III級(jí)重點(diǎn)輪休區(qū)、IV級(jí)一般輪休區(qū)按照每年輪休1/3的耕地面積，則三年內(nèi)可對(duì)中國(guó)因耕地生態(tài)環(huán)境脅迫確定休耕23.70%的耕地面積進(jìn)行全部休耕，且每年因休耕導(dǎo)致的耕地產(chǎn)能僅為8.23%。依據(jù)封志明[38]、于昊辰等[39]的研究表明，在此糧食減產(chǎn)比例下，結(jié)合適度依托國(guó)際市場(chǎng)，可確保實(shí)現(xiàn)適度自給或高度自給，鞏固與保障國(guó)家糧食安全。當(dāng)前中央輪作休耕制度試點(diǎn)面積2021年增至2.67×106hm2（4 000萬畝）[7]，僅占中國(guó)耕地總面積的1.98%。這表明國(guó)家可在切實(shí)保障國(guó)家糧食安全的前提下，可依據(jù)地方財(cái)政壓力、農(nóng)戶意愿等進(jìn)一步擴(kuò)大休耕規(guī)模。

4 結(jié) 論

中國(guó)采取自愿申報(bào)和總量控制的辦法至下而上落實(shí)全國(guó)的休耕計(jì)劃，但中國(guó)耕地面積大、分布散、耕地資源狀況不一，一直缺乏從源頭基于摸清耕地資源環(huán)境本底導(dǎo)向的視角，厘清耕地地塊休耕迫切性排序的必要性方面的研究。為此，本研究構(gòu)建基于土壤污染-耕地質(zhì)量-地下水超采-生態(tài)保護(hù)紅線劃定的耕地生態(tài)環(huán)境脅迫因素空間數(shù)據(jù)庫，從源頭厘清耕地資源環(huán)境本底導(dǎo)向視角，在國(guó)家宏觀尺度下權(quán)衡休耕的規(guī)模與空間布局。結(jié)論如下：1）中國(guó)北方的生態(tài)保護(hù)紅線劃定的耕地?cái)?shù)量高于南方，且一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線劃定內(nèi)的耕地占中國(guó)耕地總面積的3.57%；中國(guó)耕地土壤重度污染面積占比1.23%，且南方較北方污染嚴(yán)重；就地下水超采評(píng)價(jià)而言，重度超采區(qū)僅占0.68%，且大范圍重度超采區(qū)主要集中于河北、河南兩??；就耕地質(zhì)量而言，中國(guó)耕地質(zhì)量總體上處于中等和高等狀態(tài)，劣等耕地僅占3.69%。2）結(jié)合“木桶效應(yīng)理論”與四維空間概念模型，綜合考慮耕地資源環(huán)境硬約束下優(yōu)先休耕面積占比為23.70%，較基于食品安全優(yōu)先、產(chǎn)能損失優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%。其中禁植必休區(qū)（I）主要集中于河南、河北、湖南、云南、安徽等5個(gè)省。同時(shí)，建議實(shí)施差異化的休耕模式，并對(duì)“輪休”區(qū)耕地實(shí)施1/3輪休方案，以切實(shí)保障國(guó)家糧食安全與保育土壤生態(tài)環(huán)境。本研究通過反映耕地地塊生態(tài)環(huán)境脅迫程度，可為國(guó)家層面休耕迫切性診斷與空間權(quán)衡提供技術(shù)思路及空間參考，對(duì)精準(zhǔn)實(shí)施休耕以治理土壤污染、提升耕地生境質(zhì)量、保障國(guó)家糧食安全意義重大。

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Identifying the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints in China

Chen Fu1, Zeng Siyan2※, Ge Xiaoping3, Yu Haochen4, Yang Yongjun4, Bian Zhengfu4

(1.,,211110,; 2.,,310024,; 3.,,210098,;4.,,221008,)

This study aims to identify the priority areas of fallow under the resources and environmental background of cultivated land in China. The spatial pattern and differentiation characteristics of ecological stress factors were systematically determined using the Nemerow integrated pollution index, the variation of groundwater level, the service function of the ecosystem, and the sensitivity of the ecological environment. Four dimensions were also considered, including ecological protection red line, soil pollution, over-exploited groundwater, and arable land quality. Subsequently, a multi-criteria and multi-objective optimization of fallow was constructed to identify the scale of fallow, and the spatial distribution of priority areas. Three scenarios were also selected, including the priority to food safety (PFS), the minimum production capacity loss (MCL), and the priority to ecological security (PES). Especially, each scenario was set as the low, medium, and high level for better prioritizing fallow units. A spatial weighing of all factors was also carried out to delineate the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints. As such, an optimal matching was achieved for the correlation between ecological security, food production, and quality. The results showed that: 1) There were much larger areas of arable land within the delineation of ecological protection red line in northern China than those in the south. Specifically, the area of arable land within the first- and the second-class ecological protection red line delineation accounted for 3.57%, and 10.95%, respectively. 2) The area ratios of farmland with slight, moderate, and severe pollution were 18.56%, 2.31%, and 1.23%, respectively. The overall pollution in the south was higher than that in the north. There was a partially scattered distribution of pollution in the south, whereas, the north showed a pattern of spot-like agglomeration. 3) The areas of over-exploited groundwater were mainly concentrated in the provinces of Hebei, Henan, Jilin, and Jiangsu, where the severe over-exploited areas accounted for only 0.68% of the whole of China. The severe over-exploited areas with the large-scale contiguous patterns were 4 670 km2and 3 950 km2in Hebei and Henan, respectively. 4) The total proportions of arable land quality accounted for 3.69% and 14.0%, respectively, for the grade of the inferior and poor grade in northern China, particularly with the widely dispersed pattern, compared with the south. The priority fallow areas accounted for 23.70% of the total study area, according to the comprehensive evaluation of cultivated land and multi-criteria fallow. Specifically, the proportions of the prohibited-planting-fallow area (I), restricted-planting-fallow area (II), key-rotation area (III), and general-rotation area (IV) were 1.95%, 4.71%, 6.18%, and 10.86%, respectively. Furthermore, the priority fallow areas were 8.40%, 4.18%, and 3.12% higher than those of the PFS, MCL, and PES, respectively. Consequently, this finding can provide strong technical support to effectively implement the fallow planning, thereby protecting the cultivated land from soil pollution in modern agriculture.

fallow; soil pollution; cultivated land protection; environmental background; fallow rules; space tradeoff

陳浮，曾思燕，葛小平，等. 資源環(huán)境硬約束下中國(guó)耕地休耕優(yōu)先區(qū)識(shí)別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(22)：226-235.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026 http://www.tcsae.org

Chen Fu, Zeng Siyan, Ge Xiaoping, et al. Identifying the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 226-235. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026 http://www.tcsae.org

2021-08-05

2021-11-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD06B02)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51974313）；中國(guó)工程院重大咨詢研究項(xiàng)目(2021NXZD3)

陳浮，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閲?guó)土空間生態(tài)修復(fù)。Email：chenfu@cumt.edu.cn

曾思燕，博士，研究方向?yàn)楦卦u(píng)價(jià)與生態(tài)權(quán)衡。Email：zengsiyan@westlake.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026

F321.1

A

1002-6819(2021)-22-0226-10