黃土高原典型縣域耕地后備資源空間分布與宜耕性評價

許建偉 ，魏詠馨 ，劉 庚 ，張 朝

（1.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西 太原 030000；2.太原師范學(xué)院汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心，山西 太原 030012；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012）

黃土高原半干旱地區(qū)是我國典型的生態(tài)脆弱地帶，地形地貌特征復(fù)雜多樣，該地區(qū)由于自然環(huán)境和氣候條件的特殊性，導(dǎo)致現(xiàn)有耕地和農(nóng)業(yè)用地存在土壤養(yǎng)分貧瘠、土地干旱等諸多問題。在可耕土地與建設(shè)用地數(shù)量極不平衡的背景下，為保障區(qū)域糧食安全，實現(xiàn)耕地占補平衡、促進黃土高原區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、合理開發(fā)利用后備資源是補充有效耕地數(shù)量的重要途徑。

目前，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已從多種視角對耕地后備資源開展了廣泛研究。在研究尺度上，對縣域[1-3]、市域[4]等微觀尺度，省域[5-6]、流域[7]等中觀尺度以及全國[8-9]等宏觀尺度開展了耕地后備資源的評價研究；在研究內(nèi)容上，針對耕地后備資源調(diào)查評價成果分析[10-11]、開發(fā)適宜性及潛力評價[4，12-14]、空間分布特征[5-6]、開發(fā)組合序列及影響因素[13，15]、耕地后備資源生態(tài)安全[16-17]等方面取得了相關(guān)研究結(jié)論；研究方法體系也逐漸完善[12]，GIS和遙感技術(shù)等手段已被應(yīng)用于耕地后備資源評價過程中[18]，重心模型、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型等多種空間統(tǒng)計方法也被用于耕地后備資源空間分析及影響因素研究[19]。

本研究目標(biāo)研究區(qū)域地處黃土高原的山西省忻府區(qū)，該地區(qū)山地居多，同時大量耕地被建設(shè)用地所占用，耕地數(shù)量與質(zhì)量問題日益嚴重，開展目標(biāo)區(qū)域耕地后備資源的空間分布及宜耕性研究，能夠為該地區(qū)農(nóng)地開發(fā)利用提供基礎(chǔ)與依據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域耕地數(shù)量質(zhì)量一體化發(fā)展。

目前，耕地后備資源的研究已經(jīng)普遍成熟，但針對黃土高原半干旱地區(qū)耕地后備資源進行研究的案例還較少?；诖耍狙芯酷槍Φ靥廃S土高原半干旱區(qū)的忻府區(qū)開展耕地后備資源空間分布與宜耕性評價，通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系，并借助核密度指數(shù)分析宜耕后備資源的空間集聚特征，以期為當(dāng)?shù)馗睾髠滟Y源的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，同時為黃土高原半干旱地區(qū)耕地后備資源的可持續(xù)利用提供參考。

1 研究對象和方法

本研究對象是山西省忻州市忻府區(qū)未利用地，包括可開墾土地和可復(fù)墾采礦用地，兩大類共計3 335個圖斑。其中，其他草地圖斑數(shù)為2 696個，總面積為70 528.73 hm2，占耕地后備資源總面積的94.65%；裸地圖斑數(shù)為80個，總面積為1148.05hm2，占1.54%；沙地圖斑數(shù)為13個，總面積為29.65 hm2，占0.04%；鹽堿地圖斑數(shù)為8個，總面積為12.33hm2，占0.02%；內(nèi)陸灘涂圖斑數(shù)為357個，總面積為2 127.61hm2，占2.85%；采礦用地圖斑數(shù)為181個，總面積為673.53 hm2，占0.90%。

1.1 研究區(qū)概況

忻府區(qū)位于山西省北中部忻定盆地，介于北緯38°12′～38°42′，東經(jīng) 112°15′30″～112°57′55″，總面積為1 986.53 km2，總?cè)丝诩s50萬人。忻府區(qū)有3條主要的山脈，分別為云中、系舟和五臺山脈。地形西高東低，逐步傾斜，北、西、南三面環(huán)山，東部開闊平坦，為忻定盆地的主體部分。該區(qū)域年平均氣溫為-0.7～9℃，≥10℃ 年平均有效積溫為3 050～3 490℃，無霜期平均167.1 d，年平均降水量為462.5 mm，降水集中于7—9月，夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，冬長夏短，四季分明，光照充足，屬季風(fēng)型大陸性氣候。耕地面積4 193萬hm2，土壤類型主要為褐土性土、石灰性褐土、潮土、脫潮土和鹽化潮土5個亞類。

1.2 研究思路與方法

1.2.1 宜耕性評價研究思路 作為補充耕地的來源用地，耕地后備資源的宜耕性評價對于反映區(qū)域土地質(zhì)量、保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。本研究利用多源數(shù)據(jù)，根據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》全國標(biāo)準(zhǔn)耕作制度分區(qū)中確定的忻府區(qū)為黃土高原區(qū)，參照其評價標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H情況，選定評價指標(biāo)，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，以圖斑為評價單元，運用層次分析與專家咨詢相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重，對各評價指標(biāo)按照等級賦分，計算各評價單元綜合分值，以此為基礎(chǔ)分析研究區(qū)域耕地后備資源宜耕性情況。

1.2.2 核密度分析 核密度估計是一種非參數(shù)估計法，是熱點和冷區(qū)識別與分析的一種有益的探測性空間分析方法，適合于點分布模式的可視化表達[20-21]。核密度測算值越高，表明宜耕后備資源的集中程度越好。

式中，fn為宜耕后備資源圖斑分布核密度測算值；n為宜耕后備資源圖斑的數(shù)量；h為核密度測算帶塊的平滑參數(shù)；k為核密度函數(shù)；x－xi為測算宜耕后備資源圖斑x到樣本耕地后備資源圖斑xi處的距離。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理方法

本研究所需要的數(shù)據(jù)資料主要包括2012年忻府區(qū)耕地后備資源綜合數(shù)據(jù)庫、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)以及土壤普查資料等。運用ArcGIS中相關(guān)的空間分析軟件，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行疊加分析與計算，以得到所需的研究區(qū)域空間信息數(shù)據(jù)及耕地后備資源宜耕性情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 忻府區(qū)耕地后備資源空間分布

忻府區(qū)耕地后備資源主要分布在該區(qū)域中西部，南北方向也有較多分布，相較而言，東部地區(qū)分布極少，這與當(dāng)?shù)刈匀坏乩硖卣髅芮邢嚓P(guān)。該地區(qū)地形西高東低，北、西、南三面環(huán)山，東部開闊平坦，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟建設(shè)與城市發(fā)展主要集中于區(qū)域東部，北、西、南三面則不適宜開發(fā)建設(shè)，因此，該地區(qū)的耕地后備資源主要分布在西部、南部、北部3個方向。此外，耕地后備資源雖然在研究區(qū)域內(nèi)占比很大，但其實際可開發(fā)利用的面積極少。地形坡度是首要限制因素，區(qū)域未利用土地中山地所占比例大，其中可開發(fā)用于耕作的山地面積極少，多為平緩坡地；其次是耕作便利條件以及生態(tài)環(huán)境因素，主要考慮進行耕地后備資源開發(fā)利用后不會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生消極影響，防止出現(xiàn)土地退化等加劇當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱的問題；灌溉條件也對耕地后備資源的宜耕性產(chǎn)生較顯著影響，在黃土高原半干旱地區(qū)，水資源是影響耕地質(zhì)量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的關(guān)鍵要素。

從區(qū)域耕地后備資源的分布看（圖1），陽坡鄉(xiāng)、三交鎮(zhèn)、奇村鎮(zhèn)、合索鄉(xiāng)、莊磨鎮(zhèn)、蘭村鄉(xiāng)等受地形影響極大，耕地后備資源大多不能被開發(fā)用于耕作；從資源類型的分布看，其他草地分布最為廣泛且面積最大，是補充地區(qū)耕地的首要地類來源，裸地多分布于陽坡鄉(xiāng)、三交鎮(zhèn)、蘭村鄉(xiāng)、董村鎮(zhèn)、秦城鄉(xiāng)、高城鄉(xiāng)等地，面積占比較小，沙地僅在豆羅鎮(zhèn)、合索鄉(xiāng)、解原鄉(xiāng)有少量分布，鹽堿地僅在播明鎮(zhèn)、董村鎮(zhèn)有極少量分布，內(nèi)陸灘涂是除其他草地外分布最為廣泛且面積占比最大的資源類型，在紫巖鄉(xiāng)、莊磨鎮(zhèn)、陽坡鄉(xiāng)、西張鄉(xiāng)、三交鎮(zhèn)、合索鄉(xiāng)、豆羅鄉(xiāng)等地均有一定分布。

2.2 忻府區(qū)耕地后備資源宜耕性

2.2.1 宜耕性評價 遵循主導(dǎo)因素與綜合分析原則、因地制宜原則、生態(tài)保護與安全原則、耕作便利原則等，根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀患吧鐣?jīng)濟條件，參照已經(jīng)存在的宜耕性評價指標(biāo)體系，依據(jù)外業(yè)調(diào)查的結(jié)果，選取生態(tài)環(huán)境、立地條件、氣候條件、區(qū)位指標(biāo)4個方面的評價指標(biāo)，具體包括：生態(tài)條件、灌溉條件、土壤污染狀況、排水條件、土層厚度、地形坡度、鹽漬化程度、土壤質(zhì)地、土壤pH值、耕作便利度等。同時將調(diào)查的3 335塊圖斑中已經(jīng)進行開發(fā)或已計劃開發(fā)、地形坡度大于25°、土層厚度小于30 cm、面積小于1 500 m2以及在生態(tài)安全保護區(qū)內(nèi)的圖斑剔除。

表1 忻府區(qū)耕地后備資源宜耕性評價指標(biāo)權(quán)重與分級、分值

本研究采用專家咨詢和層次分析相結(jié)合的方法確定10個宜耕性評價指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是依據(jù)所研究問題的層次性，將該問題所包含的各個因素進行分析，劃分出相互間的有序?qū)哟?，再請專家對每一層次中的各因素進行客觀判斷并打分，在定量分析的基礎(chǔ)上運用數(shù)學(xué)模型計算出因素相對重要性的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上對指標(biāo)排序，最后根據(jù)排序結(jié)果進行規(guī)劃決策和選擇解決問題的措施[22]。同時，根據(jù)研究區(qū)域自然地理特征和外業(yè)調(diào)查結(jié)果，對選取的評價指標(biāo)按照其在耕地后備資源宜耕性評價中的作用大小進行分級、賦分，將每一指標(biāo)劃分為4個級別，級別越高表示該指標(biāo)反映的實際情況越好，分值也越高（1級賦1分，2級賦2分，3級賦3分，4級賦4分）。分析得到忻府區(qū)耕地后備資源宜耕性評價的各指標(biāo)權(quán)重值及其分級、分值列于表1。

依據(jù)每個評價指標(biāo)的權(quán)重值和指標(biāo)分級結(jié)果，按照研究區(qū)內(nèi)各圖斑的實際狀況，計算每個評價圖斑的綜合分值。

式中，Zi表示第i個評價單元的綜合分值；Mij表示第i個評價單元第j個評價指標(biāo)的分值；Wj表示第j個評價指標(biāo)的權(quán)重值；n為評價指標(biāo)的個數(shù)；i＝1，2，3，…。

在計算得到每個評價單元綜合分值的基礎(chǔ)上，通過專家咨詢和結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論的方法對忻府區(qū)耕地后備資源的宜耕性進行等級劃分，將其分為高度宜耕（3～4分），一般宜耕（2～3分），不宜耕（1～2分）。

2.2.2 宜耕性評價結(jié)果分析 應(yīng)用GIS對所調(diào)查的3 335個耕地后備資源圖斑進行分析，可以得到該區(qū)宜耕后備資源面積為1 799.67 hm2，占耕地后備資源總面積的2.41%；不宜耕面積為72 854.45 hm2，占總面積的97.59%。同時，可宜耕的耕地后備資源又有不同的宜耕程度，以區(qū)域耕地后備資源宜耕性等級劃分結(jié)果為基礎(chǔ)進行分析可知，忻府區(qū)耕地后備資源中高度宜耕等級面積為1 203.41 hm2，占總面積的1.61%；一般宜耕等級面積為596.26 hm2，占0.80%。

由表2可以得到，宜耕后備資源中，三交鎮(zhèn)的分布面積最大，為391.58 hm2，占總宜耕面積的21.76%；其次為秦城鄉(xiāng)，可宜耕面積為180.99 hm2，占10.06%；莊磨鎮(zhèn)、奇村鎮(zhèn)等宜耕面積也相對分布較多；而東部地形較平坦且位于研究區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)宜耕后備資源分布面積極少，該位置土地基本已被開發(fā)利用。

表2 忻府區(qū)耕地后備資源宜耕性等級分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計結(jié)果

由表3可以得到，宜耕后備資源的類型主要為其他草地和內(nèi)陸灘涂，其中，其他草地的高度宜耕面積為268.68 hm2，一般宜耕面積為503.94 hm2，在區(qū)域可宜耕總面積中占比42.93%，內(nèi)陸灘涂的高度宜耕面積為561.38hm2，一般宜耕面積為12.66hm2，占比31.90%；其他地類可宜耕的面積相對較少，裸地占12.54%，沙地占0.95%，鹽堿地占0.40%，采礦用地占11.28%。

表3 忻府區(qū)耕地后備資源等級分地類統(tǒng)計結(jié)果

2.3 忻府區(qū)宜耕后備資源集聚特征分析

運用ArcGIS中的Kernal Density工具對忻府區(qū)不同等級的可宜耕后備資源進行核密度測算，并采用Nature Break方法把核密度分析結(jié)果分為5個級別，即低、較低、中、較高、高，從而找出研究區(qū)域宜耕后備資源較為集中的地區(qū)。

忻府區(qū)宜耕后備資源的核密度測算結(jié)果表明，高度宜耕等級圖斑的空間分布“熱區(qū)”范圍比較廣泛，以“西北—東南”方向連線為分界線，在該線右側(cè)分布面積較大，但連片程度相對較低；大致位于西部的陽坡鄉(xiāng)、三交鎮(zhèn)，南部的莊磨鎮(zhèn)，東南部的西張鄉(xiāng)、紫巖鄉(xiāng)、董村鎮(zhèn)，中北部的奇村鎮(zhèn)、合索鄉(xiāng)、解原鄉(xiāng)以及東北部的高城鄉(xiāng)、曹張鄉(xiāng)（圖2）。一般宜耕等級圖斑的空間分布“熱區(qū)”相較而言范圍較小，在西南部的三交鎮(zhèn)，南部的莊磨鎮(zhèn)、豆羅鎮(zhèn)，中部的解原鄉(xiāng)，東北部的秦城鄉(xiāng)、曹張鄉(xiāng)，以及東南部的紫巖鄉(xiāng)均有分布，但數(shù)量較少，而西北部則沒有分布（圖 3）。

通過以上分析可知，在忻府區(qū)高度宜耕等級圖斑核密度分布圖中，陽坡鄉(xiāng)和三交鎮(zhèn)范圍內(nèi)高度宜耕后備資源的數(shù)量最多，為306.94 hm2，且集中連片程度屬區(qū)域內(nèi)最高，是當(dāng)?shù)貞?yīng)優(yōu)先考慮開發(fā)的后備資源；而中部和東北部地區(qū)耕地后備資源的數(shù)量較大，但相對分散，聚集程度低，一定程度上說明宜耕后備資源圖斑核密度測算結(jié)果受圖斑數(shù)量的影響。在一般宜耕等級圖斑核密度分布圖中，耕地后備資源數(shù)量較少且分布零散，適宜集中開發(fā)作為未來耕地的面積極少，該部分宜耕后備資源可作為儲備型后備資源。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，忻府區(qū)共有耕地后備資源74 654.12 hm2，其中，可宜耕面積占耕地后備資源總面積的2.41%，不宜耕面積占總面積的97.59%?？梢烁髠滟Y源又分為高度宜耕和一般宜耕2類，其中，高度宜耕等級為1 203.41 hm2，占耕地后備資源總面積的1.61%；一般宜耕等級為596.26 hm2，占0.80%。在宜耕后備資源中，其他草地和內(nèi)陸灘涂為主要類型，分別占比為42.93%，31.90%；忻府區(qū)耕地后備資源在三交鎮(zhèn)和秦城鄉(xiāng)分布面積相對最大，而東部區(qū)域由于地形較為平坦且多已開發(fā)建設(shè)，耕地后備資源存量極少。

高度宜耕等級圖斑的空間分布“熱區(qū)”范圍比較廣泛，以“西北—東南”方向連線為分界線，在該線右側(cè)分布面積較大，但連片程度相對較低；左側(cè)陽坡鄉(xiāng)和三交鎮(zhèn)范圍內(nèi)高度宜耕后備資源數(shù)量多，為306.94 hm2，且集中連片程度屬區(qū)域內(nèi)最高，是當(dāng)?shù)貞?yīng)優(yōu)先考慮開發(fā)的后備資源。一般宜耕等級圖斑核密度分布圖表明，該部分宜耕后備資源可作為儲備型后備資源。

耕地后備資源宜耕性受自然、社會、經(jīng)濟因素的多重影響，在開發(fā)利用時應(yīng)對其綜合考慮，從而選擇優(yōu)先開發(fā)后備資源作為區(qū)域耕地補充的主要來源，同時，需留有一定數(shù)量的儲備資源，為地區(qū)糧食安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供保障。