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.煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030000；2.太原師范學院汾河流域科學發展研究中心，山西 太原 030012；3.中國環境科學研究院環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012）

黃土高原半干旱地區是我國典型的生態脆弱地帶，地形地貌特征復雜多樣，該地區由于自然環境和氣候條件的特殊性，導致現有耕地和農業用地存在土壤養分貧瘠、土地干旱等諸多問題。在可耕土地與建設用地數量極不平衡的背景下，為保障區域糧食安全，實現耕地占補平衡、促進黃土高原區農業可持續發展、合理開發利用后備資源是補充有效耕地數量的重要途徑。

目前，國內相關學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；在研究內容上，針對耕地后備資源調查評價成果分析[10-11]、開發適宜性及潛力評價[4，12-14]、空間分布特征[5-6]、開發組合序列及影響因素[13，15]、耕地后備資源生態安全[16-17]等方面取得了相關研究結論；研究方法體系也逐漸完善[12]，GIS和遙感技術等手段已被應用于耕地后備資源評價過程中[18]，重心模型、標準差橢圓模型等多種空間統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]。

本研究目標研究區域地處黃土高原的山西省忻府區，該地區山地居多，同時大量耕地被建設用地所占用，耕地數量與質量問題日益嚴重，開展目標區域耕地后備資源的空間分布及宜耕性研究，能夠為該地區農地開發利用提供基礎與依據，實現區域耕地數量質量一體化發展。

目前，耕地后備資源的研究已經普遍成熟，但針對黃土高原半干旱地區耕地后備資源進行研究的案例還較少?；诖?，本研究針對地處黃土高原半干旱區的忻府區開展耕地后備資源空間分布與宜耕性評價，通過構建評價指標體系，并借助核密度指數分析宜耕后備資源的空間集聚特征，以期為當地耕地后備資源的開發利用提供科學依據，同時為黃土高原半干旱地區耕地后備資源的可持續利用提供參考。

1 研究對象和方法

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

1.1 研究區概況

忻府區位于山西省北中部忻定盆地，介于北緯38°12′～38°42′，東經 112°15′30″～112°57′55″，總面積為1 986.53 km2，總人口約50萬人。忻府區有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、南三面環山，東部開闊平坦，為忻定盆地的主體部分。該區域年平均氣溫為-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，冬季多西北風，冬長夏短，四季分明，光照充足，屬季風型大陸性氣候。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域土地質量、保護當地生態環境、促進農業可持續發展具有重要作用。本研究利用多源數據，根據《農用地分等規程》全國標準耕作制度分區中確定的忻府區為黃土高原區，參照其評價標準并結合該區域實際情況，選定評價指標，構建評價指標體系，以圖斑為評價單元，運用層次分析與專家咨詢相結合的方法確定指標權重，對各評價指標按照等級賦分，計算各評價單元綜合分值，以此為基礎分析研究區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估計法，是熱點和冷區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量；h為核密度測算帶塊的平滑參數；k為核密度函數；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 數據來源及處理方法

本研究所需要的數據資料主要包括2012年忻府區耕地后備資源綜合數據庫、土地利用現狀數據庫、當地氣象數據以及土壤普查資料等。運用ArcGIS中相關的空間分析軟件，對基礎數據進行疊加分析與計算，以得到所需的研究區域空間信息數據及耕地后備資源宜耕性情況。

2 結果與分析

2.1 忻府區耕地后備資源空間分布

忻府區耕地后備資源主要分布在該區域中西部，南北方向也有較多分布，相較而言，東部地區分布極少，這與當地自然地理特征密切相關。該地區地形西高東低，北、西、南三面環山，東部開闊平坦，當地經濟建設與城市發展主要集中于區域東部，北、西、南三面則不適宜開發建設，因此，該地區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域內占比很大，但其實際可開發利用的面積極少。地形坡度是首要限制因素，區域未利用土地中山地所占比例大，其中可開發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環境因素，主要考慮進行耕地后備資源開發利用后不會對區域生態系統產生消極影響，防止出現土地退化等加劇當地生態脆弱的問題；灌溉條件也對耕地后備資源的宜耕性產生較顯著影響，在黃土高原半干旱地區，水資源是影響耕地質量和農業產出的關鍵要素。

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

2.2 忻府區耕地后備資源宜耕性

2.2.1 宜耕性評價 遵循主導因素與綜合分析原則、因地制宜原則、生態保護與安全原則、耕作便利原則等，根據當地自然及社會經濟條件，參照已經存在的宜耕性評價指標體系，依據外業調查的結果，選取生態環境、立地條件、氣候條件、區位指標4個方面的評價指標，具體包括：生態條件、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、土壤質地、土壤pH值、耕作便利度等。同時將調查的3 335塊圖斑中已經進行開發或已計劃開發、地形坡度大于25°、土層厚度小于30 cm、面積小于1 500 m2以及在生態安全保護區內的圖斑剔除。

表1 忻府區耕地后備資源宜耕性評價指標權重與分級、分值

本研究采用專家咨詢和層次分析相結合的方法確定10個宜耕性評價指標的權重。層次分析法是依據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層次，再請專家對每一層次中的各因素進行客觀判斷并打分，在定量分析的基礎上運用數學模型計算出因素相對重要性的權重，在此基礎上對指標排序，最后根據排序結果進行規劃決策和選擇解決問題的措施[22]。同時，根據研究區域自然地理特征和外業調查結果，對選取的評價指標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，將每一指標劃分為4個級別，級別越高表示該指標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）。分析得到忻府區耕地后備資源宜耕性評價的各指標權重值及其分級、分值列于表1。

依據每個評價指標的權重值和指標分級結果，按照研究區內各圖斑的實際狀況，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個評價指標的分值；Wj表示第j個評價指標的權重值；n為評價指標的個數；i＝1，2，3，…。

在計算得到每個評價單元綜合分值的基礎上，通過專家咨詢和結合相關研究結論的方法對忻府區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 宜耕性評價結果分析 應用GIS對所調查的3 335個耕地后備資源圖斑進行分析，可以得到該區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，以區域耕地后備資源宜耕性等級劃分結果為基礎進行分析可知，忻府區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，可宜耕面積為180.99 hm2，占10.06%；莊磨鎮、奇村鎮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域經濟建設周邊的鄉鎮宜耕后備資源分布面積極少，該位置土地基本已被開發利用。

表2 忻府區耕地后備資源宜耕性等級分鄉鎮統計結果

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，在區域可宜耕總面積中占比42.93%，內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 忻府區耕地后備資源等級分地類統計結果

2.3 忻府區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果分為5個級別，即低、較低、中、較高、高，從而找出研究區域宜耕后備資源較為集中的地區。

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

通過以上分析可知，在忻府區高度宜耕等級圖斑核密度分布圖中，陽坡鄉和三交鎮范圍內高度宜耕后備資源的數量最多，為306.94 hm2，且集中連片程度屬區域內最高，是當地應優先考慮開發的后備資源；而中部和東北部地區耕地后備資源的數量較大，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果受圖斑數量的影響。在一般宜耕等級圖斑核密度分布圖中，耕地后備資源數量較少且分布零散，適宜集中開發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 結論

本研究結果表明，忻府區共有耕地后備資源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，其他草地和內陸灘涂為主要類型，分別占比為42.93%，31.90%；忻府區耕地后備資源在三交鎮和秦城鄉分布面積相對最大，而東部區域由于地形較為平坦且多已開發建設，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”范圍比較廣泛，以“西北—東南”方向連線為分界線，在該線右側分布面積較大，但連片程度相對較低；左側陽坡鄉和三交鎮范圍內高度宜耕后備資源數量多，為306.94 hm2，且集中連片程度屬區域內最高，是當地應優先考慮開發的后備資源。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、經濟因素的多重影響，在開發利用時應對其綜合考慮，從而選擇優先開發后備資源作為區域耕地補充的主要來源，同時，需留有一定數量的儲備資源，為地區糧食安全和經濟可持續發展提供保障。