黄土高原典型县域耕地后备资源空间分布与宜耕性评价

许建伟 ，魏咏馨 ，刘 庚 ，张 朝

（1.煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030000；2.太原师范学院汾河流域科学发展研究中心，山西 太原 030012；3.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012）

黄土高原半干旱地区是我国典型的生态脆弱地带，地形地貌特征复杂多样，该地区由于自然环境和气候条件的特殊性，导致现有耕地和农业用地存在土壤养分贫瘠、土地干旱等诸多问题。在可耕土地与建设用地数量极不平衡的背景下，为保障区域粮食安全，实现耕地占补平衡、促进黄土高原区农业可持续发展、合理开发利用后备资源是补充有效耕地数量的重要途径。

目前，国内相关学者已从多种视角对耕地后备资源开展了广泛研究。在研究尺度上，对县域[1-3]、市域[4]等微观尺度，省域[5-6]、流域[7]等中观尺度以及全国[8-9]等宏观尺度开展了耕地后备资源的评价研究；在研究内容上，针对耕地后备资源调查评价成果分析[10-11]、开发适宜性及潜力评价[4，12-14]、空间分布特征[5-6]、开发组合序列及影响因素[13，15]、耕地后备资源生态安全[16-17]等方面取得了相关研究结论；研究方法体系也逐渐完善[12]，GIS和遥感技术等手段已被应用于耕地后备资源评价过程中[18]，重心模型、标准差椭圆模型等多种空间统计方法也被用于耕地后备资源空间分析及影响因素研究[19]。

本研究目标研究区域地处黄土高原的山西省忻府区，该地区山地居多，同时大量耕地被建设用地所占用，耕地数量与质量问题日益严重，开展目标区域耕地后备资源的空间分布及宜耕性研究，能够为该地区农地开发利用提供基础与依据，实现区域耕地数量质量一体化发展。

目前，耕地后备资源的研究已经普遍成熟，但针对黄土高原半干旱地区耕地后备资源进行研究的案例还较少。基于此，本研究针对地处黄土高原半干旱区的忻府区开展耕地后备资源空间分布与宜耕性评价，通过构建评价指标体系，并借助核密度指数分析宜耕后备资源的空间集聚特征，以期为当地耕地后备资源的开发利用提供科学依据，同时为黄土高原半干旱地区耕地后备资源的可持续利用提供参考。

1 研究对象和方法

本研究对象是山西省忻州市忻府区未利用地，包括可开垦土地和可复垦采矿用地，两大类共计3 335个图斑。其中，其他草地图斑数为2 696个，总面积为70 528.73 hm2，占耕地后备资源总面积的94.65%；裸地图斑数为80个，总面积为1148.05hm2，占1.54%；沙地图斑数为13个，总面积为29.65 hm2，占0.04%；盐碱地图斑数为8个，总面积为12.33hm2，占0.02%；内陆滩涂图斑数为357个，总面积为2 127.61hm2，占2.85%；采矿用地图斑数为181个，总面积为673.53 hm2，占0.90%。

1.1 研究区概况

忻府区位于山西省北中部忻定盆地，介于北纬38°12′～38°42′，东经 112°15′30″～112°57′55″，总面积为1 986.53 km2，总人口约50万人。忻府区有3条主要的山脉，分别为云中、系舟和五台山脉。地形西高东低，逐步倾斜，北、西、南三面环山，东部开阔平坦，为忻定盆地的主体部分。该区域年平均气温为-0.7～9℃，≥10℃ 年平均有效积温为3 050～3 490℃，无霜期平均167.1 d，年平均降水量为462.5 mm，降水集中于7—9月，夏季多东南风，冬季多西北风，冬长夏短，四季分明，光照充足，属季风型大陆性气候。耕地面积4 193万hm2，土壤类型主要为褐土性土、石灰性褐土、潮土、脱潮土和盐化潮土5个亚类。

1.2 研究思路与方法

1.2.1 宜耕性评价研究思路 作为补充耕地的来源用地，耕地后备资源的宜耕性评价对于反映区域土地质量、保护当地生态环境、促进农业可持续发展具有重要作用。本研究利用多源数据，根据《农用地分等规程》全国标准耕作制度分区中确定的忻府区为黄土高原区，参照其评价标准并结合该区域实际情况，选定评价指标，构建评价指标体系，以图斑为评价单元，运用层次分析与专家咨询相结合的方法确定指标权重，对各评价指标按照等级赋分，计算各评价单元综合分值，以此为基础分析研究区域耕地后备资源宜耕性情况。

1.2.2 核密度分析 核密度估计是一种非参数估计法，是热点和冷区识别与分析的一种有益的探测性空间分析方法，适合于点分布模式的可视化表达[20-21]。核密度测算值越高，表明宜耕后备资源的集中程度越好。

式中，fn为宜耕后备资源图斑分布核密度测算值；n为宜耕后备资源图斑的数量；h为核密度测算带块的平滑参数；k为核密度函数；x－xi为测算宜耕后备资源图斑x到样本耕地后备资源图斑xi处的距离。

1.3 数据来源及处理方法

本研究所需要的数据资料主要包括2012年忻府区耕地后备资源综合数据库、土地利用现状数据库、当地气象数据以及土壤普查资料等。运用ArcGIS中相关的空间分析软件，对基础数据进行叠加分析与计算，以得到所需的研究区域空间信息数据及耕地后备资源宜耕性情况。

2 结果与分析

2.1 忻府区耕地后备资源空间分布

忻府区耕地后备资源主要分布在该区域中西部，南北方向也有较多分布，相较而言，东部地区分布极少，这与当地自然地理特征密切相关。该地区地形西高东低，北、西、南三面环山，东部开阔平坦，当地经济建设与城市发展主要集中于区域东部，北、西、南三面则不适宜开发建设，因此，该地区的耕地后备资源主要分布在西部、南部、北部3个方向。此外，耕地后备资源虽然在研究区域内占比很大，但其实际可开发利用的面积极少。地形坡度是首要限制因素，区域未利用土地中山地所占比例大，其中可开发用于耕作的山地面积极少，多为平缓坡地；其次是耕作便利条件以及生态环境因素，主要考虑进行耕地后备资源开发利用后不会对区域生态系统产生消极影响，防止出现土地退化等加剧当地生态脆弱的问题；灌溉条件也对耕地后备资源的宜耕性产生较显著影响，在黄土高原半干旱地区，水资源是影响耕地质量和农业产出的关键要素。

从区域耕地后备资源的分布看（图1），阳坡乡、三交镇、奇村镇、合索乡、庄磨镇、兰村乡等受地形影响极大，耕地后备资源大多不能被开发用于耕作；从资源类型的分布看，其他草地分布最为广泛且面积最大，是补充地区耕地的首要地类来源，裸地多分布于阳坡乡、三交镇、兰村乡、董村镇、秦城乡、高城乡等地，面积占比较小，沙地仅在豆罗镇、合索乡、解原乡有少量分布，盐碱地仅在播明镇、董村镇有极少量分布，内陆滩涂是除其他草地外分布最为广泛且面积占比最大的资源类型，在紫岩乡、庄磨镇、阳坡乡、西张乡、三交镇、合索乡、豆罗乡等地均有一定分布。

2.2 忻府区耕地后备资源宜耕性

2.2.1 宜耕性评价 遵循主导因素与综合分析原则、因地制宜原则、生态保护与安全原则、耕作便利原则等，根据当地自然及社会经济条件，参照已经存在的宜耕性评价指标体系，依据外业调查的结果，选取生态环境、立地条件、气候条件、区位指标4个方面的评价指标，具体包括：生态条件、灌溉条件、土壤污染状况、排水条件、土层厚度、地形坡度、盐渍化程度、土壤质地、土壤pH值、耕作便利度等。同时将调查的3 335块图斑中已经进行开发或已计划开发、地形坡度大于25°、土层厚度小于30 cm、面积小于1 500 m2以及在生态安全保护区内的图斑剔除。

表1 忻府区耕地后备资源宜耕性评价指标权重与分级、分值

本研究采用专家咨询和层次分析相结合的方法确定10个宜耕性评价指标的权重。层次分析法是依据所研究问题的层次性，将该问题所包含的各个因素进行分析，划分出相互间的有序层次，再请专家对每一层次中的各因素进行客观判断并打分，在定量分析的基础上运用数学模型计算出因素相对重要性的权重，在此基础上对指标排序，最后根据排序结果进行规划决策和选择解决问题的措施[22]。同时，根据研究区域自然地理特征和外业调查结果，对选取的评价指标按照其在耕地后备资源宜耕性评价中的作用大小进行分级、赋分，将每一指标划分为4个级别，级别越高表示该指标反映的实际情况越好，分值也越高（1级赋1分，2级赋2分，3级赋3分，4级赋4分）。分析得到忻府区耕地后备资源宜耕性评价的各指标权重值及其分级、分值列于表1。

依据每个评价指标的权重值和指标分级结果，按照研究区内各图斑的实际状况，计算每个评价图斑的综合分值。

式中，Zi表示第i个评价单元的综合分值；Mij表示第i个评价单元第j个评价指标的分值；Wj表示第j个评价指标的权重值；n为评价指标的个数；i＝1，2，3，…。

在计算得到每个评价单元综合分值的基础上，通过专家咨询和结合相关研究结论的方法对忻府区耕地后备资源的宜耕性进行等级划分，将其分为高度宜耕（3～4分），一般宜耕（2～3分），不宜耕（1～2分）。

2.2.2 宜耕性评价结果分析 应用GIS对所调查的3 335个耕地后备资源图斑进行分析，可以得到该区宜耕后备资源面积为1 799.67 hm2，占耕地后备资源总面积的2.41%；不宜耕面积为72 854.45 hm2，占总面积的97.59%。同时，可宜耕的耕地后备资源又有不同的宜耕程度，以区域耕地后备资源宜耕性等级划分结果为基础进行分析可知，忻府区耕地后备资源中高度宜耕等级面积为1 203.41 hm2，占总面积的1.61%；一般宜耕等级面积为596.26 hm2，占0.80%。

由表2可以得到，宜耕后备资源中，三交镇的分布面积最大，为391.58 hm2，占总宜耕面积的21.76%；其次为秦城乡，可宜耕面积为180.99 hm2，占10.06%；庄磨镇、奇村镇等宜耕面积也相对分布较多；而东部地形较平坦且位于研究区域经济建设周边的乡镇宜耕后备资源分布面积极少，该位置土地基本已被开发利用。

表2 忻府区耕地后备资源宜耕性等级分乡镇统计结果

由表3可以得到，宜耕后备资源的类型主要为其他草地和内陆滩涂，其中，其他草地的高度宜耕面积为268.68 hm2，一般宜耕面积为503.94 hm2，在区域可宜耕总面积中占比42.93%，内陆滩涂的高度宜耕面积为561.38hm2，一般宜耕面积为12.66hm2，占比31.90%；其他地类可宜耕的面积相对较少，裸地占12.54%，沙地占0.95%，盐碱地占0.40%，采矿用地占11.28%。

表3 忻府区耕地后备资源等级分地类统计结果

2.3 忻府区宜耕后备资源集聚特征分析

运用ArcGIS中的Kernal Density工具对忻府区不同等级的可宜耕后备资源进行核密度测算，并采用Nature Break方法把核密度分析结果分为5个级别，即低、较低、中、较高、高，从而找出研究区域宜耕后备资源较为集中的地区。

忻府区宜耕后备资源的核密度测算结果表明，高度宜耕等级图斑的空间分布“热区”范围比较广泛，以“西北—东南”方向连线为分界线，在该线右侧分布面积较大，但连片程度相对较低；大致位于西部的阳坡乡、三交镇，南部的庄磨镇，东南部的西张乡、紫岩乡、董村镇，中北部的奇村镇、合索乡、解原乡以及东北部的高城乡、曹张乡（图2）。一般宜耕等级图斑的空间分布“热区”相较而言范围较小，在西南部的三交镇，南部的庄磨镇、豆罗镇，中部的解原乡，东北部的秦城乡、曹张乡，以及东南部的紫岩乡均有分布，但数量较少，而西北部则没有分布（图 3）。

通过以上分析可知，在忻府区高度宜耕等级图斑核密度分布图中，阳坡乡和三交镇范围内高度宜耕后备资源的数量最多，为306.94 hm2，且集中连片程度属区域内最高，是当地应优先考虑开发的后备资源；而中部和东北部地区耕地后备资源的数量较大，但相对分散，聚集程度低，一定程度上说明宜耕后备资源图斑核密度测算结果受图斑数量的影响。在一般宜耕等级图斑核密度分布图中，耕地后备资源数量较少且分布零散，适宜集中开发作为未来耕地的面积极少，该部分宜耕后备资源可作为储备型后备资源。

3 结论

本研究结果表明，忻府区共有耕地后备资源74 654.12 hm2，其中，可宜耕面积占耕地后备资源总面积的2.41%，不宜耕面积占总面积的97.59%。可宜耕后备资源又分为高度宜耕和一般宜耕2类，其中，高度宜耕等级为1 203.41 hm2，占耕地后备资源总面积的1.61%；一般宜耕等级为596.26 hm2，占0.80%。在宜耕后备资源中，其他草地和内陆滩涂为主要类型，分别占比为42.93%，31.90%；忻府区耕地后备资源在三交镇和秦城乡分布面积相对最大，而东部区域由于地形较为平坦且多已开发建设，耕地后备资源存量极少。

高度宜耕等级图斑的空间分布“热区”范围比较广泛，以“西北—东南”方向连线为分界线，在该线右侧分布面积较大，但连片程度相对较低；左侧阳坡乡和三交镇范围内高度宜耕后备资源数量多，为306.94 hm2，且集中连片程度属区域内最高，是当地应优先考虑开发的后备资源。一般宜耕等级图斑核密度分布图表明，该部分宜耕后备资源可作为储备型后备资源。

耕地后备资源宜耕性受自然、社会、经济因素的多重影响，在开发利用时应对其综合考虑，从而选择优先开发后备资源作为区域耕地补充的主要来源，同时，需留有一定数量的储备资源，为地区粮食安全和经济可持续发展提供保障。