畢 瑋，黨小虎，馬 慧，鄧銘江，李 鵬，曹小曙，時(shí) 鵬

·土地保障與生態(tài)安全·

“藏糧于地”視角下西北地區(qū)耕地適宜性及開發(fā)潛力評價(jià)

畢 瑋1，黨小虎2※，馬 慧3，鄧銘江4，李 鵬5,6，曹小曙7，時(shí) 鵬5,6

（1. 西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710055； 2. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710055； 3. 延長縣森林防火指揮部，延安 717199； 4. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000； 5. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055； 6. 旱區(qū)生態(tài)水文與侵蝕災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055； 7. 陜西師范大學(xué)自然資源與國土空間研究院/西北城鎮(zhèn)化與國土環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710062）

中國耕地資源匱乏，人均耕地不足世界平均水平的40%。西北“水三線”地區(qū)是中國耕地后備資源的關(guān)鍵區(qū)域，識別潛在耕地資源中適宜開發(fā)的土地?cái)?shù)量及空間分布，對確保極端情況下國家耕地紅線和糧食安全、推動(dòng)西部大開發(fā)進(jìn)入新格局具有重大現(xiàn)實(shí)意義。基于多源柵格數(shù)據(jù)，采用綜合指數(shù)法與極限條件法評價(jià)潛在耕地資源的自然適宜性潛力；同時(shí)考慮土地利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)、土地荒漠化風(fēng)險(xiǎn)限制，構(gòu)建潛在耕地開發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型；將自然適宜性潛力和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊置分級，評估潛在耕地資源的綜合開發(fā)潛力。結(jié)果表明：旱地農(nóng)業(yè)情景下，西北“水三線”地區(qū)具備耕地開發(fā)潛力的土地面積約0.2萬km2，主要分布在內(nèi)蒙古半干旱草原區(qū)；灌溉農(nóng)業(yè)情景下，西北“水三線”地區(qū)具備耕地開發(fā)潛力的土地面積約9.5×104km2，這些土地需要通過引水灌溉和土壤改良等措施才能實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)，主要集中在天山北麓、塔里木河流域、疏勒河流域和內(nèi)蒙古東部等內(nèi)陸干旱區(qū)，未來如果具備灌溉水源條件，實(shí)施適宜的土壤改良措施，有較大可開發(fā)潛力。

模型；適宜性評價(jià)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；西北；“水三線”；潛在耕地資源；藏糧于地

0 引 言

耕地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心資源，也是保障糧食安全的戰(zhàn)略資源。近年來，中國由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)退耕、自然災(zāi)害和城市化建設(shè)等影響，耕地資源逐年減少與人口增長對耕地需求日益增大之間的矛盾越來越突出，外部國際社會不穩(wěn)定因素越來越明顯[1-2]。西北地區(qū)耕地資源豐富，是未來國家保障耕地安全與糧食安全的重要區(qū)域，同時(shí)又是“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的核心地帶。耕地資源的合理開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)糧食安全，維持西北部地區(qū)和諧及民族穩(wěn)定的必要途徑。2018年西北地區(qū)現(xiàn)有耕地面積2 600萬hm2，占地區(qū)土地總面積的7.5%，人均0.3 hm2。同時(shí)，耕地后備資源充足，具備農(nóng)業(yè)開發(fā)潛力較大[3]，其中緩坡低蓋度草地和荒地是西北地區(qū)主要的后備耕地來源[4-5]，在后備耕地潛力評價(jià)方面也有很多實(shí)證研究，如何英彬等[6]評價(jià)了中國荒漠化地區(qū)在保障糧食安全情景下的土地耕作適宜性，表明該地區(qū)具備28.6萬km2耕地的可挖掘潛力；方月等[7]利用地貌數(shù)據(jù)作為評價(jià)分級的參考依據(jù)對新疆全區(qū)進(jìn)行土地耕作適宜性評價(jià)，發(fā)現(xiàn)新疆土地耕作適宜面積約為24.9萬km2。這些工作除了耕地潛力的評價(jià)，更加重視評價(jià)方法方面的創(chuàng)新[8-9]，如綜合指數(shù)法[10]、模糊證據(jù)權(quán)法[11]、正態(tài)云模型[12]、最小限制因子法[13]等。鑒于西北地區(qū)水-土資源匹配極不平衡，且部分區(qū)域水土流失、次生鹽漬化問題嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱[14-15]，但很少有工作研究不同農(nóng)業(yè)情景下西北地區(qū)的耕地潛力及其潛在的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，對土地資源開發(fā)中的水土流失與荒漠化以及次生鹽漬化等缺少必要的預(yù)判，影響土地開發(fā)的可持續(xù)性，引發(fā)生態(tài)問題。隨著中國人地矛盾、生態(tài)環(huán)境問題日益加劇，土地開發(fā)的生態(tài)安全性越來越受到重視[16-18]。因此，如何既科學(xué)開發(fā)“水三線”地區(qū)土地資源又不誘發(fā)次生環(huán)境災(zāi)害，是開發(fā)西北地區(qū)后備耕地資源、提高國家抵御糧食安全風(fēng)險(xiǎn)的能力、實(shí)現(xiàn)地區(qū)農(nóng)業(yè)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是形成西北大開發(fā)戰(zhàn)略新格局中所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

本文以西北“水三線”地區(qū)為例，基于柵格數(shù)據(jù)并借助GIS技術(shù)，選擇立地條件、水熱條件、土壤條件、生態(tài)約束4類指標(biāo)，構(gòu)建耕地適宜性評價(jià)模型，并結(jié)合潛在耕地資源開發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，分析在旱地農(nóng)業(yè)與灌溉農(nóng)業(yè)2種情景下西北“水三線”地區(qū)潛在的耕地資源量及其開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)程度。

1 研究區(qū)概況

西北“水三線”地區(qū)有別于傳統(tǒng)的西北地區(qū)，是中國工程院鄧銘江院士于2018年提出[14]，北部和西部以國境線為界，東部以大興安嶺為界，南以昆侖山、巴顏喀拉山、秦嶺為界，面積約345萬km2，包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古六?。ㄗ灾螀^(qū)），按照自然地理分異特征可進(jìn)一步劃分為黃河流域片、內(nèi)陸干旱區(qū)、和半干旱草原區(qū)。所謂“水三線”實(shí)質(zhì)是三條差異較大的等降水量線，從東到西分別是“胡煥庸線”“陽關(guān)線”和“奇策線”，三條線從降水、水文和水資源的視角分割，共同構(gòu)成了西北“水三線”空間格局（圖1）。

西北“水三線”地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失、土地荒漠化問題嚴(yán)重，荒漠化土地面積218.3萬km2，占全國荒漠化土地的81.6%。自然環(huán)境呈現(xiàn)山原起伏、荒漠廣布、干旱缺水、生態(tài)脆弱、環(huán)境退化等特征[14]。該區(qū)域土地資源、光熱資源豐富但干旱缺水。除山地外，降水量小于250 mm的區(qū)域面積為240.72萬 km2，占比69.8%，屬于綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)；250～400 mm的區(qū)域面積為54.41萬km2，占比15.8%，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；400～600 mm的區(qū)域面積為28.34萬km2，占比8.2%，屬于半旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均水資源總量只有1 592.5億m3，水資源量僅占全國的5.7%，水資源的開發(fā)利用率為59.8%，遠(yuǎn)超全國的22.6%。耕地主要分布在關(guān)中平原、寧夏平原、河西走廊、天山南北麓及沿塔里木綠洲等農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)用水量占此區(qū)域全部用水量的87.3%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括：1）SRTM-DEM數(shù)據(jù)，為美國“航天飛機(jī)雷達(dá)地形測量計(jì)劃”獲得的全球高精度高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)，本文利用該數(shù)據(jù)提取坡度、起伏度數(shù)據(jù)；2）西北地區(qū)2000、2005、2010、2015、2018年30 m精度土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫（http://www.resdc.cn）；3）土壤數(shù)據(jù)來源于中國1：100萬土壤數(shù)據(jù)庫（http://vdb3.soil.csdb.cn），空間分辨率為1 kmí1 km，該數(shù)據(jù)提取有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH等數(shù)據(jù)；4）西北地區(qū)氣象背景數(shù)據(jù)（年均降水量、≥10 ℃積溫），來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心經(jīng)DEM校正的中國氣象背景數(shù)據(jù)集（http://www.resdc.cn），空間分辨率為500 mí500 m；5）灌溉密度數(shù)據(jù)來源于世界灌溉地圖(http://www.fao.org/ag/AGL/aglw/aquastat/irrigationmap/index.stm)，空間分辨率為10kmí10km；6）西北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源于“國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://data.tpdc.ac.cn)，空間分辨率為1 kmí1 km；7）全國生態(tài)功能保護(hù)區(qū)矢量數(shù)據(jù)、全國年度植被指數(shù)（NDVI）分布數(shù)據(jù)集，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）；8）各市糧食總產(chǎn)、總播種面積及糧食單產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來源于2018年各?。ㄗ灾螀^(qū)）、市（地、州）統(tǒng)計(jì)年鑒。將以上所有空間數(shù)據(jù)重采樣為統(tǒng)一空間分辨率，即30 mí30 m。

2.2 研究方法

“水三線”地區(qū)屬干旱半干旱區(qū)，降水少且分布不均，是典型的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)大、產(chǎn)量不穩(wěn)定。因此本文設(shè)計(jì)2種評價(jià)情景：一是旱地農(nóng)業(yè)情景（A），即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴自然降水，屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)；二是灌溉農(nóng)業(yè)情景（B），即降水無法滿足作物的自然生長需求，必須依靠引水灌溉等人工干預(yù)下才能實(shí)現(xiàn)的一種農(nóng)業(yè)模式，與現(xiàn)有的綠洲農(nóng)業(yè)類似。以柵格數(shù)據(jù)作為評價(jià)單元，基于立地條件、土壤條件、水熱條件、生態(tài)條件4個(gè)方面的評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建適宜性評價(jià)指標(biāo)體系；選取地表起伏度、坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、≥10 ℃有效積溫、灌溉密度、年均降水量、生態(tài)約束因子10個(gè)指標(biāo)，根據(jù)層次分析法確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)加權(quán)指數(shù)和法得出耕地適宜性評價(jià)綜合得分并分級，得到適宜性結(jié)果。

為了評估研究區(qū)潛在耕地資源開發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，本文利用土地利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)、土地荒漠化風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算潛在耕地資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，進(jìn)而識別西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源中適宜土地耕作的數(shù)量、質(zhì)量及空間格局?？紤]到研究區(qū)實(shí)際情況及數(shù)據(jù)獲取難度，本文只考慮將低覆蓋草地和除沙地戈壁、沼澤及裸巖石礫地等地類之外的未利用地作為評價(jià)范圍。

2.2.1 西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源適宜性評價(jià)

旱地農(nóng)業(yè)沒有灌溉設(shè)施，單靠自然降水維持農(nóng)作物生長的水需求，而灌溉農(nóng)業(yè)有一定的灌溉保證率，可以保障農(nóng)作物全生育期灌溉用水需求[19]。中國西北內(nèi)陸區(qū)大部分地區(qū)年均降水小于350 mm，水分是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素[20]，在自然條件下無法滿足作物的生長需求（即旱地農(nóng)業(yè)情景）?？紤]到降水的制約，并且黃土高原地區(qū)大部分旱地已經(jīng)退耕，事實(shí)上這部分土地開發(fā)空間已經(jīng)很少。因此認(rèn)為，除了年均降水量，如果所選指標(biāo)中的其他8個(gè)指標(biāo)（即起伏度、坡度、有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、有效積溫、生態(tài)約束因子）能滿足土地耕作需求，則可考慮引水灌溉解決降水不足的制約，這部分土地面積仍然具有土地耕作的潛力（即灌溉農(nóng)業(yè)情景）。因此，在灌溉農(nóng)業(yè)情景（B）評價(jià)中增加了灌溉密度這一指標(biāo)。

本文采用綜合指數(shù)法和極限條件法相結(jié)合，建立西北“水三線”地區(qū)耕地自然適宜性評價(jià)模型。通過層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和專家打分法來確定評價(jià)因子權(quán)重并建立層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析西北“水三線”地區(qū)潛在耕地土地資源的自然適宜性；鑒于該地區(qū)氣候干燥，降水較少，伴隨著強(qiáng)烈的土地荒漠化和水土流失過程，利用極限條件法，將起伏度、坡度、年均降水量、≥10 ℃有效積溫、土層厚度、土壤質(zhì)地作為重要的自然限制條件，并將承擔(dān)重要生態(tài)功能區(qū)域（生態(tài)紅線）作為生態(tài)約束因素[7]。

1）評價(jià)因子選擇及其權(quán)重確立

耕地適宜性是指土地本身所提供的各種條件對耕地利用的適宜程度。遵循主導(dǎo)因素原則、差異性原則、穩(wěn)定性原則，參考已有工作[7,21]并充分咨詢專家意見，本文選取了立地條件、水熱條件、土壤條件、生態(tài)條件4個(gè)方面共10個(gè)指標(biāo)：①立地條件，包括起伏度、坡度2個(gè)指標(biāo)；②水熱條件，包括年均降水量、≥10℃積溫、灌溉密度3個(gè)指標(biāo)；③土壤條件，包括有效土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)4個(gè)指標(biāo)；④生態(tài)約束，即以生態(tài)紅線作為開發(fā)限制因子，并根據(jù)情景設(shè)置分別建立旱地農(nóng)業(yè)與灌溉農(nóng)業(yè)兩套指標(biāo)體系。

通過郵件的形式向從事土地整理與土地評價(jià)、土地利用管理、生態(tài)水利及土壤侵蝕研究領(lǐng)域的專家發(fā)送問卷（總共發(fā)送問卷19份，收回有效問卷15份）。按指標(biāo)體系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，對條件層和因子層中指標(biāo)的相對重要性及貢獻(xiàn)程度的判斷，按1～9標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算各單層次評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，均通過一致性檢驗(yàn)。綜合權(quán)重計(jì)算方法為條件層權(quán)重與其對應(yīng)的因子層指標(biāo)的權(quán)重相乘得到（表1）。

表1 西北“水三線”地區(qū)耕地適宜性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

注：表內(nèi)權(quán)重為空值表示當(dāng)前情景下不考慮該因子。

Note: A null weight indicates that the factor is not considered in the current scenario.

2）評價(jià)因子量化處理

由于耕地適宜性評價(jià)中選取的指標(biāo)因子值、單位及其對自然適宜性評價(jià)結(jié)果的影響程度各不相同，因此需根據(jù)各參評因子對耕地適宜性的影響程度將其進(jìn)行分級量化，以便于定量的比較和計(jì)算各因子對自然適宜性程度影響的大小。根據(jù)已有文獻(xiàn)[22]，旱地農(nóng)業(yè)區(qū)可以分為干旱區(qū)、半干旱偏旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤偏旱區(qū)、半濕潤區(qū)5個(gè)亞區(qū)，因此本文的年均降雨與≥10 ℃積溫2個(gè)指標(biāo)量化分級參照該分區(qū)進(jìn)行。評價(jià)因子的量化采用1～10分的閉區(qū)間，按照土地適宜性評價(jià)的原則、方法和相關(guān)農(nóng)業(yè)資料，參考國家《農(nóng)用地分等規(guī)程》[23]《全國耕地后備資源調(diào)查評價(jià)技術(shù)方案》等相關(guān)規(guī)程，結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整確定各評價(jià)指標(biāo)的分級量化標(biāo)準(zhǔn)及限制（表2）。

表2 耕地適宜性影響指標(biāo)分級及相應(yīng)分值

注：()內(nèi)數(shù)字為相應(yīng)分值。

Note: Numbers in () are corresponding values.

首先根據(jù)限制條件，去除掉評價(jià)范圍內(nèi)不宜耕的土地，再按照表2中各評價(jià)因子的量化等級和分值為標(biāo)準(zhǔn)，分別將起伏度、坡度、年均降雨、灌溉密度、積溫、土層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值、土壤質(zhì)地和生態(tài)約束共10類柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣并分級處理，轉(zhuǎn)為30m×30m的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)各因子的權(quán)重系數(shù)采用加權(quán)指數(shù)和法計(jì)算西北“水三線”地區(qū)耕地自然適宜性得分，每個(gè)柵格的值為該柵格的自然適宜性得分。公式如下：

式中為綜合得分，w為第因子的權(quán)重；a為第因子的分值；為參評因子數(shù)。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）頒布的《土地評價(jià)綱要》中耕地對評價(jià)用途的適宜性和限制程度分為高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜、不適宜4個(gè)等級，對2種情景按同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分，并結(jié)合現(xiàn)有耕地分布數(shù)據(jù)資料進(jìn)行驗(yàn)證，得到西北“水三線”地區(qū)耕地自然適宜性評價(jià)結(jié)果。

2.2.2 西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源的開發(fā)需在適宜性基礎(chǔ)上考慮其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，即生態(tài)適宜性。自然質(zhì)量較好的潛在耕地資源并不意味著這些土地開發(fā)的低風(fēng)險(xiǎn)性，因此需要考慮開發(fā)的生態(tài)安全問題。西北“水三線”地區(qū)干旱少雨，耕地資源開發(fā)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展不僅要考慮土壤侵蝕、荒漠化對生態(tài)環(huán)境的影響[24-25]，還要考慮土地生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)異質(zhì)性而產(chǎn)生對外界干擾抵抗能力的差異[26-27]。由此，本文基于土地利用結(jié)構(gòu)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)和土地荒漠化風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)方面對“水三線”地區(qū)潛在耕地資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

土地利用類型的形狀、比例和空間配置是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果，是土地生態(tài)系統(tǒng)自身安全性的風(fēng)向標(biāo)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)即土地利用空間結(jié)構(gòu)中所蘊(yùn)涵的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的度量[28-29]。基于此，采用基于土地利用結(jié)構(gòu)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，采用與自然適宜性評價(jià)中相似的方法，對各地類的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重進(jìn)行問卷調(diào)查，利用層次分析法對每種土地利用類型開發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重進(jìn)行賦值（表3）。計(jì)算公式如下：

式中ERI為土地利用結(jié)構(gòu)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；A為第種土地利用類型面積，km2；為總面積，km2；W為第種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)權(quán)重（表3）。

表3 不同土地利用類型生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

土地荒漠化風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)現(xiàn)有西北“水三線”地區(qū)2015年NDVI分布數(shù)據(jù)，基于像元二分模型，采用[5%,95%]作為置信區(qū)間，選取最大值和最小值用式（3）估算其植被蓋度，并由植被蓋度按式（4）計(jì)算表征荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度的荒漠化指數(shù)[30-31]。土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)由土壤侵蝕模數(shù)表示，土壤侵蝕模數(shù)越大，表示該區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)越大。

式中VCI為植被覆蓋度，NDVIsoil為裸土NDVI值，NDVIveg為純植被NDVI值，由于沒有實(shí)測植被蓋度數(shù)據(jù)，本文用研究區(qū)NDVI最小值代替NDVIsoil，最大值代表NDVIveg，DI為荒漠化指數(shù)。

采用六邊形格網(wǎng)分別對土地利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、荒漠化風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)3類風(fēng)險(xiǎn)的空間分布進(jìn)行采樣，并將各類風(fēng)險(xiǎn)采樣值按照極值法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，各單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重由熵權(quán)法賦權(quán)。對各類風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算各采樣點(diǎn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)；P為歸一化處理后的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

利用ArcGIS工具對潛在耕地資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)按照克里金插值法進(jìn)行空間連續(xù)化處理，并按自然間斷點(diǎn)法將插值結(jié)果分為4個(gè)等級（安全<0.061、較安全0.061～0.073、較不安全0.073～0.098、不安全>0.098），并結(jié)合生態(tài)紅線表示潛在耕地資源的開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 西北“水三線”地區(qū)耕地現(xiàn)狀

西北“水三線”地區(qū)2000、2005、2010、2015、2018年耕地面積分別為23.16萬、23.67萬、25.15萬、25.96萬、26.02萬km2，呈上升趨勢。耕地面積占整個(gè)研究區(qū)面積的7.5%，遠(yuǎn)低于同年14.9%的全國平均耕地面積比重，因此，仍西北地區(qū)仍存在很大的開發(fā)潛力。2005－2010年耕地面積增長最為明顯，增加1.48萬km2。西北“水三線”地區(qū)耕地的分布與耕地的空間變化均呈明顯的東西分異特征，耕地面積增多的地區(qū)主要沿環(huán)準(zhǔn)噶爾盆地和環(huán)塔里木盆地分布；河西走廊西部地區(qū)和河套平原邊緣地區(qū)也有少量分布。耕地面積減少的地區(qū)主要在黃土高原地區(qū)、河套地區(qū)中西部和內(nèi)蒙古前套地區(qū)，呈離散分布（圖2）。

3.2 不同情景下潛在耕地資源適宜性等級及空間分布

旱地農(nóng)業(yè)情景下（即考慮降雨的限制，以降雨和積溫作為水熱條件），“水三線”地區(qū)適宜的（勉強(qiáng)適宜及以上）的地區(qū)集中分布在350 mm等降水量線以東的河套平原的前套地區(qū)且面積極少，僅0.21萬km2，約占整個(gè)“水三線”地區(qū)總面積的0.06%。高度適宜的潛在耕地資源主要分布在河套平原的前套地區(qū)，中度、勉強(qiáng)適宜的潛在耕地資源在其周圍零散分布（圖3）。

灌溉農(nóng)業(yè)情景下（即以灌溉密度和積溫作為水熱條件），“水三線”地區(qū)適宜的（勉強(qiáng)適宜及以上）的范圍向該地區(qū)中、西部延伸，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地及塔里木盆地四周、河西走廊及內(nèi)蒙古半干旱草原區(qū)，約10.6萬km2，約占“水三線”地區(qū)總面積的3.1%。在此情景下，高度適宜的潛在耕地資源主要在新疆，多分布在陽關(guān)線以西的地區(qū)，沿塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地呈環(huán)狀分布，約3.0萬km2；中度適宜的潛在耕地資源分布較為廣泛，主要分布在新疆、甘肅的河流及綠洲兩側(cè)及內(nèi)蒙古半干旱草原，約4.8萬km2；勉強(qiáng)適宜的潛在耕地資源主要分布在青海的柴達(dá)木盆地及內(nèi)蒙半干旱草原，約2.8萬km2（圖3）。

3.3 西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源開發(fā)的綜合潛力

通過對土地利用結(jié)構(gòu)、土壤侵蝕、土地荒漠化3個(gè)方面分析西北地區(qū)潛在耕地資源的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（圖4），“水三線”地區(qū)開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低的安全區(qū)域主要分布在奇策線以西及陽關(guān)線以東的地區(qū)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為較安全及較不安全區(qū)域主要分布在甘肅、青海及新疆地區(qū)的綠洲與荒漠交錯(cuò)帶及外圍區(qū)域；潛在耕地資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高的不安全區(qū)域主要分布在新疆阿爾泰山、天山地區(qū)，塔里木河、黑河流域，青海黃河源區(qū)、陰山北麓及陜甘黃土高原丘陵溝壑區(qū)，這些地區(qū)是生態(tài)脆弱區(qū)以及重要生態(tài)功能區(qū)，土壤侵蝕問題嚴(yán)重，需要承擔(dān)水土保持、防風(fēng)固沙和水源涵養(yǎng)等生態(tài)功能，也屬于全國主體功能區(qū)中的限制開發(fā)區(qū)。

為綜合分析“水三線”地區(qū)潛在耕地資源開發(fā)的適宜性程度和開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。本文將研究區(qū)潛在耕地資源的適宜性分級結(jié)果和開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分布進(jìn)行疊置并分級（表4），得到“水三線”地區(qū)2種情景下潛在耕地資源開發(fā)的綜合開發(fā)潛力結(jié)果。

3.3.1 旱地農(nóng)業(yè)情景下的潛在耕地資源綜合潛力

在旱地農(nóng)業(yè)情景下，“水三線”地區(qū)具備耕地開發(fā)潛力的面積約0.2×104km2，潛力一級的地區(qū)零散分布河套平原前套地區(qū)，約0.05×104km2；潛力二級的地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古半干旱草原區(qū)，約0.11×104km2；潛力三級的地區(qū)零散分布在潛力二級土地周圍（圖5）。總體來看，潛在耕地資源中具備開發(fā)潛力（潛力一、二、三級）的土地面積主要分布在350 mm等降水量線以東的河套平原前套地區(qū)，而不具備開發(fā)潛力的潛在耕地資源在其他地區(qū)廣泛分布，說明“水三線”地區(qū)在自然條件下滿足糧食生產(chǎn)的潛力空間較小。旱地農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量波動(dòng)問題是由于降水波動(dòng)造成的，如果要達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，同樣需要旱地補(bǔ)灌和土壤改良等措施。

表4 “水三線”地區(qū)潛在耕地資源開發(fā)綜合潛力分級

注：I：潛力一級；II：潛力二級；III：潛力三級；IV：潛力四級（無開發(fā)潛力）。

Note: I:Potential level 1; II: Potential level 2; III: Potential level 3; IV: Potential level 4 (No development potential).

3.3.2 灌溉農(nóng)業(yè)情景下的潛在耕地資源綜合潛力

在灌溉農(nóng)業(yè)情景下，“水三線”地區(qū)潛在耕地資源中具備開發(fā)潛力的面積約9.5萬km2。綜合潛力為一級的土地有1.2萬km2，主要分布在新疆天山北麓、克拉瑪依市南部及額敏盆地和塔里木河沿岸。這些地區(qū)坡度較為平緩，沒有明顯的障礙因素。綜合潛力為二級的土地有4.5萬km2，其中在新疆農(nóng)牧林區(qū)所占比例較大，主要呈環(huán)狀沿準(zhǔn)格爾盆地和塔里木盆地分布，哈密地區(qū)也有少量分布；其他潛力二級的土地主要分布在甘肅的疏勒河流域及民勤地區(qū)，內(nèi)蒙古東部、鄂爾多斯北部黃河沖積平原、陰山以北及大興安嶺以西的草原地區(qū)。這些地區(qū)主要分布在中、高階平原和丘陵坡地中，受地形影響較大，這部分土地土質(zhì)較好，但有效灌溉條件一般，土層厚度較差、絕大部分地區(qū)存在一定的沙化、水土流失問題。綜合潛力為三級的土地主要分布在內(nèi)蒙古陰山山脈以北的草原地區(qū)、甘肅疏勒河流域外圍和新疆北疆的北部，約3.8萬km2，可作為補(bǔ)充耕地資源。

從潛在耕地資源開發(fā)的綜合潛力面積比重來看，最適合進(jìn)行耕地開發(fā)的綜合潛力一級面積僅占“水三線”地區(qū)總面積的0.3%，且多分布在天山北側(cè)和塔里木河兩側(cè)水熱條件較好的綠洲和平原上。綜合潛力較低，開發(fā)具有一定難度的潛力二級、三級土地占“水三線”地區(qū)總面積的2.4%，不適合開發(fā)（禁止）的潛力四級的面積占“水三線”地區(qū)總面積的14.5%，多分布在生態(tài)脆弱、水資源匱乏的山區(qū)和荒漠地帶。潛在耕地資源開發(fā)綜合潛力評價(jià)結(jié)果表明，綜合潛力一級的潛在耕地資源主要分布在新疆，占整個(gè)潛力一級面積的75.5%，另外西北5?。▍^(qū)）的潛力一級土地面積較少且分散；綜合潛力二級的潛在耕地資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙、甘肅3省（區(qū)），比例分別為55.2%、23.7%、10.7%，青海、寧夏和陜西分布較少；綜合潛力三級的潛在耕地資源主要分布在新疆和內(nèi)蒙；綜合潛力四級不適宜（禁止）開發(fā)的土地資源面積各?。▍^(qū)）均有分布，主要分布新疆、青海、內(nèi)蒙和甘肅4?。▍^(qū)），比例分別為44.5%、25.8%、13.7%、12.0%，寧夏和陜西分布較少（表5、圖5）?？臻g上可以看出，西北各?。▍^(qū)）的適合進(jìn)行耕地開發(fā)的潛在耕地資源數(shù)量與不適合開發(fā)的土地資源數(shù)量的分布趨勢幾乎一致，均是由西向東逐漸減少。

表5 灌溉農(nóng)業(yè)情景下潛在耕地資源綜合潛力分級面積

4 討 論

實(shí)施“藏糧于地”，關(guān)鍵在“地”，核心在“藏”。數(shù)量充足和高質(zhì)量的耕地是基礎(chǔ)。其中長期目標(biāo)是提升土地糧食綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力，確保糧食穩(wěn)定供給。在中國耕地?cái)?shù)量剛性減少，糧食需求不斷增加的前提下，實(shí)施“藏糧于地”戰(zhàn)略，不僅要做到高產(chǎn)田的穩(wěn)產(chǎn)保育和中低產(chǎn)田的地力提升，還要做到后備耕地資源的補(bǔ)充，規(guī)劃后備耕地資源已成為增加耕地面積的一個(gè)重要途徑，是實(shí)現(xiàn)耕地動(dòng)態(tài)平衡的現(xiàn)實(shí)手段。同時(shí)必須充分分析土地的適宜性和對生態(tài)的影響，對補(bǔ)充耕地做到嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)。本研究中，陜西、寧夏的主要農(nóng)業(yè)區(qū)由于長久地耕作活動(dòng)，潛在耕地資源非常短缺，但新疆地區(qū)仍具備較高耕地可開發(fā)潛力，雖然該地區(qū)許多潛在耕地資源的地力與現(xiàn)有耕地地力仍有差距，若在水利設(shè)施建設(shè)和土地改良等方面做到長遠(yuǎn)規(guī)劃，在某些極端情況下（如1999－2003年中國糧食生產(chǎn)大萎縮、2007年世界糧食價(jià)格危機(jī)），通過采取工程或生物措施，提高易改良因子土地條件即可在短時(shí)間內(nèi)以較小的投入獲得較高的產(chǎn)出，從而保障中國的糧食安全。

根據(jù)評價(jià)結(jié)果，旱地農(nóng)業(yè)情景下的適宜耕地面積為0.2萬km2，并且90%的集中分布在水熱條件較好的前套地區(qū)，具備灌溉條件，因此這部分土地可以按照灌溉農(nóng)業(yè)考慮糧食生產(chǎn)估算。另外，西北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)情景綜合潛力較好的土地有機(jī)質(zhì)普遍較低，在未來?xiàng)l件具備的情況下，可以考慮土壤改良，增加有機(jī)質(zhì)，使其達(dá)到現(xiàn)有的灌溉農(nóng)業(yè)或者綠洲農(nóng)業(yè)耕地土壤條件。鑒于此，估算潛在耕地的糧食生產(chǎn)潛力按照現(xiàn)有灌溉農(nóng)業(yè)實(shí)際糧食單產(chǎn)進(jìn)行，西北“水三線”地區(qū)糧食生產(chǎn)潛力可達(dá)到6 089.6萬t，其中新疆糧食生產(chǎn)潛力3 473.0萬t，占比達(dá)57%，內(nèi)蒙古、甘肅、青海、寧夏、陜西糧食潛力分別為1 408.2萬、860.6萬、274.8萬、59.1萬、14.0萬t。陜西、寧夏農(nóng)業(yè)活動(dòng)歷史悠久，潛在耕地資源較少，可對現(xiàn)有耕地進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，提升耕地地力等措施提高糧食增產(chǎn)潛力。

通過對整個(gè)西北“水三線”地區(qū)進(jìn)行耕地適宜性評價(jià)，本文從全局上了解西北地區(qū)潛在耕地資源的潛力分布情況。但是沒有考慮到由于復(fù)雜的自然條件，不同地區(qū)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的差異。這一點(diǎn)應(yīng)在以后研究中細(xì)化，通過實(shí)現(xiàn)作土垂直關(guān)系的匹配，針對不同區(qū)域的作物類型及種植結(jié)構(gòu)的差異，將作物生長要求與當(dāng)?shù)赝寥滥芰ο嘟Y(jié)合，使大尺度空間耕地適宜性綜合評價(jià)細(xì)化為作物種植適宜性研究作為探索的方向，從而為當(dāng)?shù)貪撛诟刭Y源的開發(fā)提供更加具體和實(shí)際的指導(dǎo)。數(shù)據(jù)的可獲得性使影響大尺度大空間耕地適宜性綜合評價(jià)的重要因素。本研究為保證評價(jià)地類的范圍和空間分布盡量精確，以土地利用數(shù)據(jù)柵格單元為基準(zhǔn)，基本空間單元為30 m×30 m，本研究立地條件原始數(shù)據(jù)分辨率為90 m，且采用的世界灌溉地圖為10 km×10 km，在進(jìn)行疊加運(yùn)算前，將其重采樣成30m×30 m柵格，每個(gè)柵格數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度會降低，影響評價(jià)結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文分析了2000－2018年現(xiàn)有耕地時(shí)空變化，綜合西北“水三線”地區(qū)潛在耕地資源的適宜性與開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，評價(jià)了旱地農(nóng)業(yè)和灌溉農(nóng)業(yè)兩種情景下西北“水三線”地區(qū)的耕地開發(fā)綜合潛力，主要結(jié)論如下：

1）西北地區(qū)耕地面積僅占7.5%，遠(yuǎn)低于同年14.9%的全國平均耕地面積比例，因此，西北地區(qū)仍存在很大的開發(fā)潛力。

2）西北“水三線”地區(qū)在不同農(nóng)業(yè)情景下，潛在耕地資源在空間分布與面積上差異明顯。在僅靠天然降雨，沒有任何人工干預(yù)的情況下，即旱地農(nóng)業(yè)情景，“水三線”地區(qū)潛在耕地資源綜合潛力較高的面積約0.2萬km2，主要分布在水熱條件較好的河套平原的前套地區(qū)。灌溉農(nóng)業(yè)情景下，具備耕地開發(fā)潛力的面積約9.5萬km2，其中最適合進(jìn)行耕地開發(fā)利用（潛力一級）的面積為1.2萬km2，約占“水三線”地區(qū)總面積的0.3%，主要分布在天山北麓及塔里木河沿岸。潛力二級和潛力三級的潛在耕地資源面積分別為4.5萬和3.8萬km2，占“水三線”地區(qū)面積的1.3%和1.1%。這些土地的開發(fā)利用必須考慮引水灌溉、土壤改良和一些必要的工程措施才能實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)，主要分布在新疆地區(qū)的環(huán)準(zhǔn)噶爾盆地邊緣、環(huán)塔里木盆地邊緣的河流兩側(cè)的綠洲；甘肅疏勒河流域和民勤的農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)；河套平原的前套地區(qū)及陰山以北的半干旱草原?！八€”地區(qū)適宜開發(fā)潛在耕地資源多分布在人口密集、生態(tài)較為脆弱的河流兩側(cè)及平原、盆地地區(qū)，水資源是潛在耕地開發(fā)的主要的制約因素，并且需要注意潛在的土壤侵蝕和荒漠化風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。

總之，西北“水三線”地區(qū)人口與土地、資源和環(huán)境的矛盾一直存在，并且將長期影響該地區(qū)糧食安全戰(zhàn)略的實(shí)施。提升糧食綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力是“藏糧于地”戰(zhàn)略的核心。西北地區(qū)可開發(fā)耕地潛力巨大，為確保耕地紅線，有必要建設(shè)一批數(shù)量質(zhì)量并重的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，擴(kuò)大跨流域調(diào)水規(guī)模。潛在耕地資源要堅(jiān)持“以水定地”，合理有序、適當(dāng)規(guī)模、集約節(jié)約利用，避免開發(fā)對生態(tài)環(huán)境造成大的破壞，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，確保各種可能的不穩(wěn)定因素下的糧食安全，有助于進(jìn)一步科學(xué)規(guī)劃水資源利用方式和合理布局耕地資源。

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Evaluation of arable land suitability and potential from the perspective of “Food Crop Production Strategy based on Farmland Management” in northwest China

Bi Wei1, Dang Xiaohu2※, Ma Hui3, Deng Mingjiang4, Li Peng5,6, Cao Xiaoshu7, Shi Peng5,6

(1. College of Geomatics, Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710055, China; 2. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710055, China; 3. Yanchang County Forest Fire Prevention Headquarters Office, Yan'an 717199, China; 4. Xinjiang Ertix River Basin Development Engineering Construction Management Bureau, Urumqi 830000, China; 5. Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi'an 710055, China; 6. Key Laboratory of National Forestry Administration on Ecological Hydrology and Disaster Prevention in Arid Regions, Xi'an 710055, China; 7. Academy of Natural Resources and Territorial Space / Key Laboratory for Urbanization and Environment Simulator in Northwest China, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China)

Arable land in China is relatively scarce in terms of per capita, less than 40% of the world average. A large potential land area can be found for food production in Northwestern China, particularly with a low population density and relatively nice natural conditions. Therefore, it is necessary to identify the amount and spatial distribution of suitable land resources, thereby determining optimal cultivated land use for food production in China. In this study, a feasible model was established for the arable land resources to evaluate naturally suitable land potential for the cultivation, combining the comprehensive index method with limiting conditions and spatial analysis in geographic information system (GIS) from the standpoint of the suitability of land cultivation. 10 indicators were chosen from 4 factors in a multi-source raster dataset, including topography, hydrothermal, edaphic and ecological condition. The hydrothermal condition served as the baseline to distinguish the scenario of dryland and irrigated agriculture in different planting modes. An evaluation model of ecological risk was also established, including the risk of land use, soil erosion, and land desertification. The ecological security caused by land development was considered, where the potential arable land with better natural quality cannot partially assume the low risk of land development. Finally, the quantity, quality and spatial pattern of potential lands were assessed available for cropland, integrating the natural suitability with the ecological risk for cultivation. The results indicated that: 1) There was an obvious east-west differentiation in the distribution and spatial change of cultivated land in Northwest China. Specifically, the increasing area of arable land was distributed mainly in Xinjiang, whereas, the decreasing area was in Loess Plateau. 2) In dryland agriculture, the potential cultivated land was distributed mostly in the Tumochuan Plains on the south side of the Yinshan Mountains, where the specific area was about 0.2×104km2, accounting for 0.06% of the total area of Northwest China. In irrigated agriculture, the most suitable land resource for cultivation was distributed mainly at the northern foot of Tianshan Mountain and the oasis along the Tarim River Basin, where the area was about 9.5×104km2, accounting for 2.75% of the total area of Northwest China. Some land resources were required for the inevitable irrigation and soil improvement when planting crops, which were distributed mainly in arid inland areas, such as northern piedmont of the Tianshan Mountains, Tarim River basin, Shule River basin and eastern Inner Mongolia. There was a great potential for arable lands, if the irrigation water source was available, while the appropriate soil improvement measures were implemented in the future. The finding can facilitate the further scientific planning of water use and rational development layout of cultivated land resources, thereby relieving current land pressure for a better ecological environment.

models; suitability evaluation; ecological risk; northwest China; “Three Water Lines” strategy; potential arable land resources; Food Crop Production Strategy based on Farmland Management

2020-12-12

2021-03-07

中國工程院咨詢研究項(xiàng)目（2020-XZ-15）；十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0501707）

畢瑋，研究方向?yàn)橥恋乩迷u價(jià)與可持續(xù)研究。Email：biwei1995@126.com

黨小虎，博士，教授，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)恢復(fù)，水土保持與生態(tài)經(jīng)濟(jì)。Email：dangxh2018@xust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029

P964

A

1002-6819(2021)-07-0235-09

畢瑋，黨小虎，馬慧，等. “藏糧于地”視角下西北地區(qū)耕地適宜性及開發(fā)潛力評價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(7)：235-243. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029 http://www.tcsae.org

Bi Wei, Dang Xiaohu, Ma Hui, et al. Evaluation of arable land suitability and potential from the perspective of “Food Crop Production Strategy based on Farmland Management” in northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 235-243. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029 http://www.tcsae.org