張鑫彤，吳秀芹

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，北京 100083；3. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 100083）

0 引 言

邊際土地一般是指由于土壤障礙限制突出、水熱資源約束強、地形條件限制大等導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)能和經(jīng)濟效益低下、生態(tài)脆弱的土地，其具體定義因研究目的、研究尺度等的不同而有所差異。從生態(tài)學(xué)角度，學(xué)者們更加關(guān)注土地的生態(tài)脆弱性，將其等同于土地自身質(zhì)量相對較差、生態(tài)環(huán)境比較惡劣的土地，如Gelfand等提出“邊際土地是指因土地質(zhì)量差、氣候條件惡劣或易受侵蝕和生態(tài)威脅的不適宜種植農(nóng)作物的土地”；Gopalakrishnan等提出邊際土地是“基于經(jīng)濟、土壤和環(huán)境條件約束導(dǎo)致的種植農(nóng)作物收益邊際化而種植其他能源或功能作物效益非邊際化的土地”；國內(nèi)劉成武、李秀彬等學(xué)者提出“邊際土地是指土地在所考慮的用途的無租邊際或粗放邊際下，勞動力和資本最佳投入組合下的土地產(chǎn)出都不能補償成本”等。目前，國內(nèi)外對于邊際土地的研究主要集中在邊際土地分布范圍、分布面積評估以及利用邊際土地進(jìn)行能源作物種植可產(chǎn)生的生物能源生產(chǎn)潛力評估等方面，Milbrandt等將棄耕農(nóng)田、荒地、棕地等納入邊際土地進(jìn)行面積估算，Stoof等評估了美國東北部的7個州可以用于第二代纖維素類能源植物生產(chǎn)的土地的數(shù)量，Mithun等創(chuàng)建了一個基于GIS的模型框架，評估了波斯頓潛在的城市邊際土地并估算了其生物能源生產(chǎn)潛力。Zhuang等考慮了土地利用類型及植物生長習(xí)性，評估了全國范圍內(nèi)適于發(fā)展黃連木、木薯、菊芋、麻瘋樹、油桐五種能源植物的邊際土地分布情況；寇建平等考慮了溫度、水分、土壤、地形等條件，提取了全國范圍內(nèi)的一等、二等、三等宜能荒地；陳瑜琦等考慮了氣候、地形、土壤等方面，提取了中國物理層級、生物層級、生態(tài)環(huán)境層級邊際土地；劉奇頎等對前人關(guān)于宜能非糧地的評價指標(biāo)及評價方法合理性進(jìn)行了討論，并提出了更完善的指標(biāo)評價體系

20世紀(jì)90年代以來，隨著世界能源需求的增加以及全球?qū)夂蜃兓瘑栴}的關(guān)注度上升，各國開始嘗試種植能源作物生產(chǎn)生物質(zhì)能源以保持持續(xù)增長的能源需求與氣候環(huán)境變化間的平衡，本著“不與糧爭地”的基本原則，邊際土地逐漸成為能源作物種植的首選。本研究中邊際土地主要指存在一個或幾個對常規(guī)作物生長限制較大的因子，但又具備一定開發(fā)潛力，適宜油莎豆種植且具有較大的開發(fā)可行性的土地。中國人多地少、許多耕地長期處于高強度超負(fù)荷利用狀態(tài)，但在此條件下，仍有面積廣大、分布廣闊的邊際土地，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)等均存在大量邊際土地，其中，內(nèi)蒙古邊際荒地資源分布最廣。但由于這些地區(qū)所處的中國北方風(fēng)沙區(qū)存在嚴(yán)重的土地沙化、鹽堿化、干旱等問題，對于常規(guī)能源作物的生長存在較大限制，開發(fā)利用難度大。

油莎豆（L.）塊莖含油量極高，是一種具有食用、藥用、商用等利用價值的綜合性經(jīng)濟作物，其抗逆性強、對土壤要求低，尤其適宜在沙壤土和沙土中生長。目前，油莎豆已被作為新油源作物列入《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020年）》。中國科技部農(nóng)村科技司也于2018年提出加快油莎豆產(chǎn)業(yè)規(guī)模化高效健康發(fā)展的工作目標(biāo)；2021年，中央一號文件的支農(nóng)惠農(nóng)政策中也明確提到了拓展油莎豆等經(jīng)濟作物收獲機研發(fā)等。自2011年開始，烏蘭布和沙漠等已嘗試開展試驗并推廣油莎豆種植，其中巴彥淖爾磴口縣、鄂爾多斯杭錦旗已建立了333.33 hm油莎豆防風(fēng)固沙技術(shù)示范基地。綜上，為合理利用內(nèi)蒙古等中國典型北方風(fēng)沙區(qū)存在的大量邊際土地，科學(xué)、可持續(xù)推進(jìn)油莎豆在內(nèi)蒙古自治區(qū)種植及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，本研究在綜合考慮土地利用、物理生物因素后篩選出內(nèi)蒙古地區(qū)適宜種植油莎豆的邊際土地，并評估利用這些邊際土地種植油莎豆可產(chǎn)生的油料替代潛力和能源效益，以期為中國北方沙漠化地區(qū)油莎豆產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展提供一定參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國37°24′N～53°23′N，97°12′E～126°04′E之間，全區(qū)面積約1.183×10km，西部地區(qū)多沙漠，東部地區(qū)多平原，土壤類型眾多、土地荒漠化和沙化嚴(yán)重。據(jù)第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果，截至2014年，內(nèi)蒙古沙化土地面積有40.79萬km，占全國總量的23.7%，具有明顯沙化趨勢的土地面積17.40萬km，占全國總量的57.94%。其中，現(xiàn)有沙化耕地約0.2萬km，還有部分耕地由于風(fēng)蝕、鹽漬化等因素的影響，作物種植產(chǎn)量也較低，都屬于邊際土地，且呈集中連片分布，便于大面積機械化操作。近些年，內(nèi)蒙曾嘗試推廣種植向日葵、山杏、沙棘、沙柳等以提高耕地生產(chǎn)力水平和收益，也實施了草原生態(tài)建設(shè)與保護工程、天然林資源保護工程、退耕還林還草工程、京津風(fēng)沙源治理工程、重點防護林工程、水土保持工程和生態(tài)環(huán)境綜合治理工程等以推進(jìn)生態(tài)治理進(jìn)程，但邊際土地利用仍存在較高的可提升空間。

1.2 數(shù)據(jù)來源

邊際土地的劃分主要考慮土壤、溫度、水分、地形等條件，在較小區(qū)域范圍內(nèi)變化不明顯，且若采用過高精度的數(shù)據(jù)容易造成提取的邊際土地地塊小而破碎，考慮到油莎豆種植主要利用集中連片的邊際土地，故所用數(shù)據(jù)來源及分辨率見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源 Table 1 Data source

將以上數(shù)據(jù)統(tǒng)一在ArcGIS 10.6中進(jìn)行裁剪、重采樣、定義投影等預(yù)處理工作，分辨率統(tǒng)一為1 000 m，投影采用WGS1984_Albers。

1.3 研究方法

熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重，其確立的指標(biāo)系數(shù)具有較好的差異性且可避免人為因素干擾。由于對內(nèi)蒙地區(qū)油莎豆適生邊際土地的研究較少，各指標(biāo)權(quán)重難以直接用主觀方式確定，因此用熵權(quán)法計算得到基礎(chǔ)權(quán)重，再通過專家打分、文獻(xiàn)參考等主觀方法進(jìn)行調(diào)整，得到各評價因子的權(quán)重。熵權(quán)法計算原理如下：

① 首先對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與正向化處理，對于極大型、極小型、區(qū)間型、中間型指標(biāo)分別采取不同的正向化方式。

對于極大型指標(biāo)，其正向化公式為

對于極小型指標(biāo)，其正向化公式為

式中X為第個評價對象第個評價指標(biāo)無量綱處理后的值，x 為第個評價對象第個評價指標(biāo)下的值，max(x) 為第個指標(biāo)中出現(xiàn)的最大值，min(x) 為第個指標(biāo)中出現(xiàn)的最小值。

② 計算正向化后數(shù)據(jù)的信息熵E為

③ 確定各指標(biāo)權(quán)重：根據(jù)各指標(biāo)的信息熵計算其權(quán)重W為

綜合考慮對評價對象產(chǎn)生影響的多個參評因子的作用，以每個柵格像元作為最小評價單元，計算其在多因子綜合評價下的值，評價公式如下

其中為評價單元通過各個因子綜合疊加評價后的總分，指第個評價因子的權(quán)重，x為該評價單元在第個評價因子下的得分。

參考Jiang等提出的基于可持續(xù)性的分類框架，充分考慮土地利用因素、物理生物因素，將定性與定量方法相結(jié)合，綜合權(quán)衡疊加確定邊際土地，同時，參考農(nóng)用地分等定級規(guī)程及宜能荒地的確定方法。具體提取過程如下：首先，從土地利用層級初步篩選出可從中提取邊際土地的土地類型。完成土地利用類型層級邊際土地提取后，進(jìn)一步考慮油莎豆的適生生物學(xué)范圍及各區(qū)域土地的生物、物理條件，增加物理層級、生物層級相關(guān)指標(biāo)，加入分等分級模式，結(jié)合柵格計算、自然斷點法分級等篩選出3個不同等級的物理生物層級邊際土地。

2 結(jié)果分析

2.1 適宜油莎豆種植的邊際土地提取

綜合考慮研究區(qū)自然條件并參考邊際土地常規(guī)定義及劃分標(biāo)準(zhǔn)，初步確定并篩選可進(jìn)行邊際土地提取的土地覆被類型，包括：灌溉農(nóng)田、以農(nóng)田為主的農(nóng)田與自然植被混合土地、以自然植被為主的農(nóng)田與自然植被混合土地、裸地、松散裸地、疏植地。提取結(jié)果如圖1所示。另外，為避免占用良田及破壞生態(tài)脆弱區(qū)，去除其中包含的生態(tài)功能保護區(qū)（黑河流域防風(fēng)固沙生態(tài)功能保護區(qū)、科爾沁沙地生態(tài)功能保護區(qū)、毛烏素沙地生態(tài)功能保護區(qū)、渾善達(dá)克沙地生態(tài)功能保護區(qū)、大興安嶺水涵養(yǎng)生態(tài)功能保護區(qū)）及生產(chǎn)潛力較高的農(nóng)田（按自然斷點法分級，將農(nóng)田生產(chǎn)潛力>3 410 MJ/hm的劃為高生產(chǎn)潛力）。

圖1 內(nèi)蒙古土地利用層級邊際土地 Fig.1 Marginal land of land use level in Inner Mongolia

再結(jié)合油莎豆生物學(xué)特性及其他研究中邊際土地劃分標(biāo)準(zhǔn)、研究區(qū)實際生產(chǎn)條件，從地形、氣候、土壤、交通便利程度等方面確定了以下7個指標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn)，作為適宜油莎豆生長的邊際土地提取依據(jù)。將各指標(biāo)圖層按質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)完成重分類后，運用熵權(quán)法和德爾斐法相結(jié)合的方式計算各評價指標(biāo)權(quán)重（表2），得到內(nèi)蒙古土地在生物物理層級的綜合得分情況（圖2）。

圖2 內(nèi)蒙古地區(qū)邊際土地綜合得分 Fig.2 Comprehensive score of land in Inner Mongolia

表2 各評價指標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn) Tabal 2 Evaluation indicators and classification standards

綜合土地利用層級邊際土地篩選情況與生物物理層級土地得分情況，劃分出3個等級的邊際土地，一等邊際土地為自然條件下即可直接利用的土地；二等為條件較差，但經(jīng)改造即可使用的土地；三等為存在一個或多個極嚴(yán)重的限制因素，需經(jīng)過復(fù)雜的人工改造措施才可以使用的土地。

由于溫度過低的地區(qū)對作物生長限制過大，且無法通過簡單的人工條件改造打破這一限制，因此直接去除積溫條件屬于三等的地區(qū)，不參與邊際土地劃分。之后根據(jù)各類邊際土地受到限制因素的不同，將其劃分為水分限制區(qū)、土壤限制區(qū)、距離限制區(qū)及復(fù)合限制區(qū)，各類限制區(qū)可根據(jù)其存在的限制條件采取對應(yīng)的人工措施，如水分限制區(qū)降水量不足的問題可通過人工灌溉方式等解決；土壤限制區(qū)可經(jīng)過一定的施肥、整地等人工措施后進(jìn)行油莎豆種植等。根據(jù)各評價指標(biāo)權(quán)重及分等后的賦分情況，計算邊際土地的綜合得分情況按照自然斷點法對其分級，劃分出一等二等三等邊際土地。

最后得到各類限制區(qū)分布及各等級邊際土地分布如下圖3。

圖3 內(nèi)蒙古地區(qū)各類限制區(qū)及各等級邊際土地分布 Fig.3 Distribution of different kind of restricted area and different grades of marginal lands in Inner Mongolia

根據(jù)各等級邊際土地面積來看，內(nèi)蒙古地區(qū)約有一等邊際土地2.6萬 km，占邊際土地總面積的20.8 %，主要分布于中部及東部巴彥淖爾市、包頭市、錫林浩特市、通遼市等距離道路較近、交通便利且無生物物理層級明顯限制因子的區(qū)域；二等邊際土地分布范圍最廣，面積為6.4萬 km，占邊際土地總面積的51.2 %，主要分布在霍林郭勒市、烏海市等地的植被與農(nóng)田混合區(qū)。三等邊際土地面積最小，面積為3.5萬km，占邊際土地總面積的28%，主要限制因素為交通便利程度及降水，主要分布在西部阿拉善盟的一些沙漠邊緣地帶。三等邊際土地存在一個或多個作物生長限制條件，通常距離道路較遠(yuǎn)、開發(fā)難度較大，因極端條件的限制，作物生長難度較大。

2.2 邊際土地油莎豆種植及生產(chǎn)潛力

近年來，全球氣候變暖及化石燃料資源日趨枯竭的形勢逐漸加劇，運用生物質(zhì)資源發(fā)展可再生能源以替代化石能源逐漸成為新的發(fā)展趨勢。據(jù)農(nóng)業(yè)部檢測發(fā)現(xiàn)，油莎豆油脂含不飽和脂肪酸83.6%，其中，油酸71.6%，亞油酸11.2%，所含脂肪酸成分優(yōu)良，適合用作生物柴油的原料。油莎豆生產(chǎn)生物質(zhì)能源潛力的計算公式為

式中為可產(chǎn)生的總能量，MJ；為邊際土地等級數(shù)；P為邊際土地面積，hm；Y為邊際土地油莎豆單產(chǎn)量，kg；為油莎豆油能量含量，MJ/kg。

根據(jù)已有研究，油莎豆油能量含量約39.2 MJ/kg，通過對內(nèi)蒙古地區(qū)油莎豆種植基地、種植農(nóng)戶進(jìn)行實地走訪調(diào)研、問卷、訪談等形式，獲得了油莎豆產(chǎn)量的相關(guān)數(shù)據(jù)。以一等邊際土地上油莎豆產(chǎn)量4 500 kg/hm，二等邊際土地上產(chǎn)量4 000 kg/ hm，三等邊際土地上產(chǎn)量3 000 kg/ hm來計算，內(nèi)蒙古地區(qū)邊際土地上油莎豆種植可獲得的生物質(zhì)能量為1.87×10MJ，按照燃料油平均發(fā)熱量1×10kcal/kg計算，可替代4.47×10t燃料油。

中國食用油缺口大、油料安全問題突出。作為一種集糧、油、飼、藥于一體的新型經(jīng)濟作物，油莎豆塊莖含油量在20%～30%，有些油料豐產(chǎn)品種含油量可高達(dá)35%以上，出油率在30%～40%之間，產(chǎn)油量可達(dá)3 t/hm以上，是目前所有油料作物中單位面積產(chǎn)油量最高的。另外，油莎豆油含有豐富的營養(yǎng)成分，通過物理壓榨產(chǎn)生的油莎豆油，不飽和脂肪酸高達(dá)80%以上，維生素E含量約56.4 mg/100g。

由于當(dāng)前深加工技術(shù)還不夠成熟、深加工工廠規(guī)模較小，因此當(dāng)前國內(nèi)油莎豆主要用于果實直接銷售、塊莖榨油。若將獲得的油莎豆塊莖用于榨油，按照油莎豆出油率33.3%計算，用邊際土地上種植的油莎豆可獲得食用油約1.59×10t，大約相當(dāng)于1.06×10t大豆可獲得的食用油，2019年中國大豆產(chǎn)量約1.81×10t，進(jìn)口量約8.85×10t，油莎豆種植可在很大程度上緩解中國食用油短缺的壓力。

3 討 論

內(nèi)蒙古地區(qū)沙化土地廣布，風(fēng)沙嚴(yán)重。油莎豆根系發(fā)達(dá)、分蘗能力強，具有天然的防風(fēng)固沙作用，且生長周期短、產(chǎn)量高，對于推進(jìn)內(nèi)蒙古地區(qū)“山水林田湖草沙協(xié)同治理”，提高沙化土地資源價值具有重要意義。本文估算了內(nèi)蒙古地區(qū)適宜油莎豆種植的邊際土地面積，約12.5萬km，其中可直接利用的一等邊際土地和稍經(jīng)改造即可利用的二等邊際土地面積之和約9萬km。中國也有學(xué)者開展過全國范圍的邊際土地調(diào)查與研究，寇建平等曾估算了中國各地區(qū)宜能荒地面積，陳瑜琦等研究過中國可用于能源作物種植的邊際土地數(shù)量及分布范圍，2008年原農(nóng)業(yè)部也做過全國范圍的邊際土地調(diào)查。與上述已有研究相比，本文的研究結(jié)果中一等邊際土地與二等邊際土地的面積之和與寇建平等的研究結(jié)果大致相同，三個等級邊際土地分布范圍略小于陳瑜琦等的研究結(jié)果，主要原因在于本文結(jié)合了油莎豆實際生長條件，從土地利用層級、生物物理層級等多個層級綜合考慮，進(jìn)行了較為精細(xì)的指標(biāo)體系構(gòu)建，而前述邊際土地的提取多是基于遙感圖像或者基于物理生物等限制因子篩選得出的，主要考慮的是常規(guī)能源作物的種植，導(dǎo)致本文估算結(jié)果與其稍有偏差，但對油莎豆推廣種植過程中對邊際土地的選擇更具有針對性。本文限于研究條件，在社會經(jīng)濟層級因素方面僅考慮了道路距離指標(biāo)，后續(xù)還可考慮加入社會經(jīng)濟指標(biāo)，如土地租金、農(nóng)民種植意愿、接受程度等，并結(jié)合實際調(diào)研，確定邊際土地的可用性。文中所提取的邊際土地是理想中適宜油莎豆種植的邊際土地面積的最大值，真正推廣應(yīng)用時還應(yīng)考慮各地區(qū)的水分承載力等生產(chǎn)因素以確定各水文單元的種植面積，因地制宜地合理使用邊際土地。

油料和能源是國家發(fā)展和人民生活中必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，中國食用油供需矛盾突出，每年食用油消費量近4 000萬t，國內(nèi)食用油料僅能滿足三分之一。油莎豆塊莖含油率最高可達(dá)36%，可作為大豆等傳統(tǒng)油料作物的補充替代品，緩解大豆進(jìn)口比例過高等問題，保障糧油安全。在能源方面，中國汽柴油對外依存度已接近60%，且還有進(jìn)一步擴大的趨勢，調(diào)整能源發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展可再生和清潔生物質(zhì)能已成為能源規(guī)劃的重要組成部分。油莎豆油和柴油以1∶1或3∶1的比例混合，能產(chǎn)生比使用傳統(tǒng)燃料更高的十六烷值和更好的發(fā)動機性能，是一種良好的生物柴油。以節(jié)能減排效益明顯的生物質(zhì)燃料替代傳統(tǒng)化石能源對于中國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。綜合來看，油莎豆在食用油、生物柴油生產(chǎn)方面潛力巨大，利用邊際土地種植油莎豆將可以成為緩解能源危機、促進(jìn)碳中和目標(biāo)實現(xiàn)及緩解食用油短缺的重要途徑。邊際土地最大化利用也可以緩解日漸緊張的人地矛盾、提高土地生產(chǎn)力。油莎豆產(chǎn)業(yè)鏈目前還不完全成熟，隨著國內(nèi)油莎豆種植和產(chǎn)業(yè)的推廣，未來在評估邊際土地上油莎豆種植及油料生產(chǎn)、生物質(zhì)能源生產(chǎn)潛力時，還可增加相關(guān)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，以增加估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1）從數(shù)量上來看，內(nèi)蒙古地區(qū)共有邊際土地12.5萬km，其中一等邊際土地2.6萬 km，二等邊際土地6.4萬km，三等邊際土地3.5萬 km。

2）從空間分布上來看，一等邊際土地主要分布于中部及東部巴彥淖爾市、包頭市、錫林浩特市、通遼市等距離道路較近、交通便利且無生物物理層級明顯限制因子的區(qū)域，土地覆被類型主要以稀疏植被、農(nóng)田與植被混合區(qū)為主。二等邊際土地主要分布在霍林郭勒市、烏海市等地，土地利用類型以以植被為主的農(nóng)田與植被混合區(qū)為主。三等邊際土地主要分布在西部阿拉善盟的一些降水較少且交通便利程度低、開發(fā)難度大的沙漠邊緣地帶及一些各類條件均較差的復(fù)合限制區(qū)，因極端條件的限制，作物生長難度較大。

3）利用油莎豆塊莖可生產(chǎn)生物質(zhì)能源，若在篩選出的內(nèi)蒙古地區(qū)邊際土地上種植油莎豆，將可以獲得生物質(zhì)能量1.87×10MJ，可替代4.47×10t燃料油。

4）油莎豆種植可產(chǎn)生較高的經(jīng)濟收益，在內(nèi)蒙古邊際土地種植油莎豆并提取食用油，將可獲得食用油約1.59×10t，約可替代1.06×10t大豆。