新疆耕地后备资源开发与生态环境耦合关系研究

孟 梅，杨雅薇，杨 磊

(新疆农业大学 管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

在我国城镇化的发展过程中，不可避免地存在着建设用地对耕地的占用情况。出于对粮食安全的考虑，我国施行最严格的耕地保护制度来维持耕地保有量。耕地后备资源是“占一补一”政策的重要补充来源，其与当地生态环境的协调程度，直接影响着区域的生态安全与土地可持续利用。总的来说，我国的后备耕地资源分布不均，主要集中在人口密度较低、经济不发达的中西部地区。其中，新疆拥有丰富的集中连片耕地和未利用地，是开发潜力最大的地区之一，但也存在着严重的水资源季节性短缺、地均水资源量低等问题，生态环境稳定性较差，若开发不慎，极易破坏当地的水土平衡，从而造成生态环境的进一步恶化。

整体来讲，土地开发的过程就是一个不断利用与改造环境的过程。同时，生态环境状况决定了区域耕地后备资源的质量状况，二者相互影响，存在一定的耦合关系。20世纪末，经济学家Boulding[1]首次在经济和生态环境的关系研究中尝试运用系统方法进行分析，为此类研究开辟了新的思路。早些年，学者们偏好于生态环境和经济发展的耦合协调分析，以探究两者的相互作用[2]。近年来，关于土地利用变化与生态耦合关系的研究不断深入，并从静态向动态转变，即在对两者进行系统耦合测度之后，分析其时空演化进程[3]。与此同时，关注对象也开始由“点”及“面”变化，开始关注不同土地利用类型之间效益协调的时空格局分布特征[4-5]。但各国学者在此类研究中，多研究土地的整体利用结构，或是偏好于研究城市建设用地，关于耕地后备资源开发与生态环境之间耦合关系的研究少之又少。现有的涉及耕地后备资源的研究主要集中在耕地适宜性评价[6-8]和资源潜力估算上[9-10]，而关于耕地后备资源与生态环境系统之间的耦合协调问题则鲜有关注。

新疆位于内陆干旱区，是我国耕地后备资源分布最集中的省份，也是我国最主要的绿洲农业分布区，战略地位显著。然而，受水资源和风沙作用等因素的制约，新疆降水量少，空气干燥，植被稀疏，沙漠化面积广大，耕地退化和生态环境问题日趋严重。生态系统一旦破坏，将受到难以逆转的伤害；因此，生态条件是决定新疆未利用地和可复垦土地是否适宜作为耕地后备资源的首要限制因素，也是判别某处耕地后备资源是否适宜开发的重要条件。从耦合和协调的角度，建立集区域耕地后备资源与生态环境于一体的系统耦合模型，并探究二者内在联系，是正确处理好耕地后备资源利用与生态保护协调性的关键所在。

1 材料与方法

1.1 区域概况

新疆地处亚欧大陆中部，与8个国家接壤，全区面积约166万km2，辖14个地级行政单位，是我国面积最大的省级行政区域。新疆地处内陆，远离海洋，再加上盆地与山脉相间排列，导致暖湿气流被高山阻挡，蒸发大而降水少，是典型的温带大陆性干旱气候。区内冰川储量占全国的42.7%，山脉融雪形成众多河流，绿洲分布于盆地边缘和河流流域，绿洲总面积约占全区面积的5%，具有典型的绿洲生态特点。水资源时空分布极不均衡，单位面积产水量远远低于全国平均值。境内植被稀疏，47%的土地受沙漠化影响，植物难以生长。新疆的耕地后备资源分布广泛，是我国重点开发区之一，但后备耕地的大量开发也导致新疆草原面积减少、地下水位降低，故现阶段对于耕地后备资源的开发，宜采取更加科学谨慎的态度。

1.2 数据来源

本研究数据主要来源于《2018年中国统计年鉴》《2018年新疆维吾尔自治区统计年鉴》，耕地后备资源面积数据来源于《新疆维吾尔自治区耕地后备资源调查评价分析报告》，生态环境数据采自《2018年新疆维吾尔自治区统计年鉴》和新疆各地州统计公报。

1.3 评价模型与指标体系构建

根据系统理论，假设2个特征相似但存在不同差异的系统同时具有静态相似性和动态交互性，则两者具有耦合关系。使用一定的方法来指引和加强2个系统之间的耦合关系，使得2个系统能够良性互动，从而激发两者的内在潜力实现相互促进，是耦合评价的意义所在[11]。本研究将协同理论引入系统研究，研究子系统的不同变化趋势，分析子系统之间的耦合机制。

1.3.1 模型构建

耦合度可以反映耕地后备资源开发与生态环境保护之间的协调关系，数值越高，表示二者越协调。也可以用离差系数作为衡量标准，但离差系数与协调度呈反向关系，即两者的离差系数越小，则其协调度越高[12]。

建立耕地后备资源的评价函数：

(1)

式(1)中：g(y)表示耕地后备指数，简记作G；i表示指标数量；bi为指数权重；yi是第i个指数的归一化值。G越高，表明可开发程度越高。

建立资源环境保护评价函数：

(2)

式(2)中：f(x)代表生态环境指数，简记作F；i为描述生态环境特征的指标数量；ai为指数权重；xi表示第i个指标的归一化值。F越大，说明生态环境越好，反之越差。

g(y)与f(x)的离差系数用Cv表示：

(3)

耕地后备资源与生态环境的耦合度为

(4)

式(4)中：C表示耦合度，值在0～1，值越大，表示耕地后备资源开发的生态环境越协调，值越小，指示协调性越差，说明系统在乱序或无序状况。k是调整系数，用于表示耕地后备资源条件和生态环境条件对耕地保护区资源开发和综合效益的影响，一般取2≤k≤5，本研究取耕地储备资源开发与生态环境相结合的定量水平为k=2。

构造耦合发展度公式，以进一步体现二者的整体协调水平：

(5)

式(5)中：D表示耦合发展度，值越大，表示耕地后备资源开发与生态环境的总体水平较高，二者关系越和谐。

1.3.2 概念界定与指标选择

耕地后备资源指的是在一定区域内，在现有自然条件允许、经济合理、技术可行的条件下，可以利用而尚未利用的适宜作为耕地的土地资源[13]。在评估耕地后备资源时，用生态条件、年积温、年降水量和灌溉条件、土壤污染状况、排水条件、土层厚度和母质条件、地形坡度、盐渍化程度、土壤质地、土壤pH值、耕作便利度等11个评价指标筛选出耕地后备资源，选取耕地后备资源面积作为耕地后备资源子系统的指标。

生态环境系统指生物群落与自然因素系统构成的整体，主要由自然因素组成，会对人类的可持续发展产生影响[14]。在生态环境子系统中，地均水资源拥有量、人均耕地面积代表了生态环境资源禀赋；人口密度代表了社会条件；单位耕地施肥量、节水灌溉面积代表了人类活动对生态环境的影响；水土流失面积代表生态环境受灾情况。

1.3.3 评价指标体系构建

以理论分析和实地调查为基础，将2个系统纳入评价指标体系，包括耕地后备资源子系统的1个指标和生态环境子系统的6个指标(表1)。因耕地后备资源面积已能在很大程度上反映后备资源的情况，且其他耕地后备资源具体数据难以获得，故只选取耕地后备资源面积1项指标作为研究对象。根据主要功能区规划，水源涵养区、生物多样性维护与特殊保护区(国家级部分)为生态红线区，是需要严格保护的区域，在其范围内的评价对象为不宜耕土地。本研究的耕地后备资源面积来源于《新疆维吾尔自治区耕地后备资源调查评价分析报告》中宜作为耕地后备资源的土地面积数据(不含新疆生产建设兵团)，生态环境数据来自《新疆统计年鉴》。

1.3.4 评判标准

随着人口增长，人们对粮食和农产品的需求量也日益增加。资源稀缺成为限制区域社会、经济发展的首要因素。但是，随着人们生态环境保护意识的提高，人们不断认识到土地开发活动对当地生态环境可能造成的影响，特别是在新疆这类本就气候干旱、生态环境脆弱的地区，该影响尤为明显。近年来，新疆加强了对后备耕地的开发限制。这是因为，开发不慎极易对当地的生态环境形成难以逆转的破坏，并进入生态和经济相互制约的恶性循环。

表1 耕地后备资源和生态环境综合指标体系

Table1Comprehensive index system of cultivated land reserve resources and ecological environment

系统类别System category指标Index单位Unit属性Attribute耕地后备资源子系统Y耕地后备资源面积Cultivated land reserve areahm2+Cultivated land reserve resource subsystem生态环境子系统X1地均水资源拥有量 Average water resourcesm3·hm-2+Ecological environment subsystemX2人均耕地面积Cultivated area per capitahm2+X3人口密度Population densityhm-2-X4单位耕地施肥量Cultivated land per unit areat·hm-2-X5节水灌溉面积Water saving irrigation area103 hm2+X6水土流失面积Soil erosion area103 hm2-

+表示正向指标，-表示负向指标。

+indicated positive index， - indicated negative index.

因此，在设定耦合发展评判标准时，既要考虑到耕地后备资源开发对于经济、社会产生的效应，还要兼顾生态环境的可持续性[15]。为了更准确地反映耕地后备资源和生态环境的耦合发展水平，依照均匀分布函数法拟定评判标准(表2)。

1.4 耦合度模型测算

1.4.1 数据标准化处理

使用极差化法对原始数据进行标准化计算。指标值与耕地后备资源开发和生态环境呈正相关时，用正向指标公式[式(6)]处理；指标值与耕地后备资源开发和生态环境呈负相关时，用负向指标公式[式(7)]计算。

(6)

(7)

式(6)、(7)中：xij表示i年j指标的原始值；Zij表示i年j指标的标准化值；max(xij)、min(xij)分别表示j指标的最大值和最小值。因北疆的乌鲁木齐市，南疆的和田、喀什、阿克苏地区，及克孜勒苏柯尔克孜自治州(以下简称克州)、巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)宜作为耕地后备资源的土地面积数据为0，故其标准化数值为0。

1.4.2 模型分析结果

为了把握好事物的主要矛盾，避免人工选择变量带有的主观意识，将大量变量转换为多个相互之间无关联、数量较少的独立变量(或主成分)，将这些综合指标用作耦合分析的新数据集。因耕地后备资源面积要素唯一，故不进行主成分分析，本研究主要对生态环境指数使用主成分分析进行计算。

分析作为主要组成部分的标准化数据，根据要素特征值≥0.8和累计贡献率≥85%的原则，提取出生态环境指标主成分(表3)。

以计算出的主成分累积贡献率为权重，以相应的得分为变量，构建生态环境综合评价函数：

f(x)=0.576z1+0.261z2+0.163z3。

(8)

式(8)中：f(x)表示生态环境指数；z1、z2、z3分别为生态环境第一、第二、第三主成分得分值。根据前述公式计算D(表4)。因乌鲁木齐、和田、喀什、阿克苏、克州、巴州可开发耕地后备资源面积为0，故不参与耦合发展度计算。

2 结果与分析

2.1 耕地后备资源分布具有空间差异性

中华人民共和国成立以来，新疆一直是耕地资源的潜在开发利用区之一。据全国耕地方面的调查与研究，自1990年以来，全国耕地面积的增加大多集中在北部和西部的干旱地区，耕地面积增加的省份集中在新疆、黑龙江、吉林等地，这些地区成为我国经济转型时期最为重要的荒地开垦区域。2016年新疆耕地后备资源面积为50余万hm2，主要集中在新疆北部和东部。如表5所示：新疆北部的昌吉回族自治州耕地后备资源占新疆后备总面积的39.83%，居新疆首位；其次为阿勒泰地区，占28.72%；塔城地区占17.38%，位居第三。除此之外，克拉玛依市、伊犁哈萨克自治州、博尔塔拉蒙古自治州、吐鲁番地区、哈密地区所占面积与比重较少。北疆的乌鲁木齐市和南疆的5个地州基本无宜耕耕地后备资源分布。

表2 耕地后备资源开发与生态耦合关系的评判标准和基本类型

Table2Evaluation criteria and basic types of coupling relationship between cultivated land reserve resources and ecological environment

D水平分类Horizontal classification协调度Coordination degree系统耦合发展的基本类型Basic type of system coupling development0.8≤D<1.0良好协调发展Good coordinated developmentg(y)/f(x)>1.2良好协调发展资源主导型Resource-led good coordinated development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2良好协调发展同步型Synchronous good coordinated developmentg(y)/f(x)<0.8良好协调发展生态主导型Ecology-led good coordinated development0.7≤D<0.8协调发展Coordinated developmentg(y)/f(x)>1.2协调发展资源主导型Resource-led coordinated development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2协调发展同步型Synchronous coordinated developmentg(y)/f(x)<0.8协调发展生态主导型Ecology-led coordinated development0.6≤D<0.7低水平协调发展Low level coordinated developmentg(y)/f(x)>1.2低水平协调发展生态滞后型Ecology-lag low level coordinated development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2低水平协调发展同步型Synchronous low level coordinated developmentg(y)/f(x)<0.8低水平协调发展资源滞后型Resource-lag low level coordinated development0.5≤D<0.6轻度失调发展Mild imbalance developmentg(y)/f(x)>1.2轻度失调发展生态损益型Ecology-damaged mild imbalance development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2轻度失调发展磨合型Ameliorating mild imbalance developmentg(y)/f(x)<0.8轻度失调发展资源损益型Resource-damaged mild imbalance development0.4≤D<0.5中度失调发展Moderate imbalance developmentg(y)/f(x)>1.2中度失调发展生态损益型Ecology-damaged moderate imbalance development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2中度失调发展拮抗型Antagonistic moderate imbalance developmentg(y)/f(x)<0.8中度失调发展资源损益型Resource-damaged moderate imbalance developmentD<0.4严重失调发展Severe imbalance developmentg(y)/f(x)>1.2严重失调发展生态损益型Ecology-damaged severe imbalance development0.8≤g(y)/f(x)≤1.2严重失调发展拮抗型Antagonistic severe imbalance developmentg(y)/f(x)<0.8严重失调发展资源损益型Resource-damaged severe imbalance development

以上资料来源于参考文献[11]。

The above information was cited from Ref. [11].

表3 生态环境指标主成分分析结果

Table3Principal component analysis of eco-environmental indicators

主成分Mainingredient特征值Eigenvalues贡献率Contributionrate/%累计贡献率Cumulativecontribution rate/%12.46341.05641.05621.89631.60472.66131.00316.71989.380

表4 新疆耕地后备资源与生态环境系统的耦合关系计算结果

Table4Calculation results of coupling relationship between cultivated land reserve resources and ecological environment system in Xinjiang

地区AreaGFDG/F基本类型Basic type克拉玛依Karamay0.000 60.152 60.004 60.004 1严重失调发展资源损益型Resource-damaged severe imbalance development昌吉Changji 1.000 00.693 60.890 11.441 7良好协调发展资源主导型Resource-led good coordinated development伊犁Yili0.086 90.246 10.314 80.353 1严重失调发展资源损益型Resource-damaged severe imbalance development塔城Tacheng0.436 30.867 90.719 10.502 7协调发展生态主导型Ecology-led coordinated development阿勒泰Altay0.721 10.395 10.683 31.825 3低水平协调发展生态滞后型Ecology-lag low level coordinated development博尔塔拉Bortala 0.026 10.385 00.107 70.067 7严重失调发展资源损益型Resource-damaged severe imbalance development吐鲁番Turpan0.152 80.273 10.424 70.559 6中度失调发展资源损益型Resource-damaged moderate imbalance development哈密Hami0.026 80.276 60.125 50.096 9严重失调发展资源损益型Resource-damaged severe imbalance development

表5 新疆各地州耕地后备资源分布

Table5Distribution of cultivated land reserve resources in Xinjiang

地区Area比例Proportion/%克拉玛依Karamay0.03 昌吉Changji39.83 伊犁Yili 3.46 塔城Tacheng17.38 阿勒泰Altay28.72 博尔塔拉Bortala1.04 吐鲁番Turpan6.09 哈密Hami 1.07 合计Total100

在以往的研究和调查中，耕地后备资源也被称为适宜的农业土地资源、宜农荒地等，这些皆是从自然条件角度来对具备开发条件的未利用土地下定义。随着人地矛盾的提出，还出现了保护性耕地资源的概念。在当今高度发达的社会经济中，对土地资源的需求无限增加，而有限的土地面积已成为不可逾越的障碍。

2.2 新疆生态环境质量整体水平较低

生态环境指数体现一地的生态环境水平。由表4可以看出，新疆各地州的生态环境水平差异大，生态环境指数整体较低，14个地州的生态环境指数平均值仅为0.365。生态环境指数最高的塔城地区为0.867 9，最低的乌鲁木齐市为-0.191 5(数据未给出)，生态环境综合指数在0.6～0.7的仅有昌吉回族自治区和巴音郭楞蒙古自治区2地，生态环境综合指数在0.4～0.5的只有阿克苏地区，有6个地区的生态环境综合指数在0.2～0.3，生态环境指数在0.2以下的有3个地区。

新疆生态环境指数不高的根本原因在于水资源的限制。新疆本身水资源禀赋较好，但地域广阔，地均水资源量低。水资源匮乏导致土地沙化，植物生长困难，但新疆的河流一旦开发过度将对流域下游生态形成不可逆的破坏。农业活动和人类生产生活都离不开水，人口的增加、农地大量开垦和劳作，使得流域原有的水资源平衡遭到破坏，这也是导致一些地区生态环境指数低的重要原因。以塔里木河流域为例，20世纪90年代到21世纪初，该流域开始大量造田，开荒放牧，塔里木河里的水大量引流，用于农业和生活，导致塔里木河流域生态环境严重恶化[16]。尽管后期出台了各类补救措施，但生态环境仍每况愈下。

2.3 耕地后备资源与生态环境耦合关系较弱，协调发展面临压力

将系列数据与各个地州的分布数据进行拟合，结果表明，2016年新疆各地州耕地后备资源系统与生态环境系统整体耦合关系水平较低，协调发展度呈现显著的地区差异。由表4可以看出，新疆耕地后备资源与生态环境系统的耦合水平呈现北疆优于东疆优于南疆的状况。比对表2的评判标准，新疆14个地州的耕地后备资源和生态环境耦合发展主要呈现5种类型。

昌吉回族自治州属于良好协调发展资源主导型，耕地后备资源综合指数最高，但生态环境综合水平低于平均值，仅高于克州和乌鲁木齐市。虽然其生态环境水平较差，但是由于水资源较为丰富，耕地后备资源面积远远大于其他地州，故属于资源主导型，两者关系良好。

塔城地区为协调发展生态主导型，其生态环境指数为全疆最高，耕地后备指数仅低于昌吉回族自治州和阿勒泰地区。塔城地区人均耕地面积小，土壤侵蚀面积小，单位面积土地施肥量小。近年来，塔城地区大力实施了一系列草原生态建设项目，如国家天然牧场的修复和建设、草原围栏的建设，以及天然牧场的草原回归。此外，塔城还在保护生态环境方面采用了固草牲畜、草地有偿承包、农村畜牧业限制、牲畜安置等草原保护项目，取得了一些成果，促使生态环境与耕地储备资源的关系相对协调。

阿勒泰地区为低水平协调发展生态滞后型。耕地后备指数较大，仅次于昌吉回族自治州，生态环境指数也达到了各地州的平均值，两者之间耦合关系较好，但在考虑开发时务必做好生态保护，否则生态环境会在一定程度上限制耕地后备资源的开发。

吐鲁番地区为中度失调发展资源损益型。该区生态环境指数和耕地后备资源指数较低，生态压力大，耕地储备资源开发与生态环境的关系比较紧张。克拉玛依市、博尔塔拉蒙古自治州、伊犁哈萨克自治州和哈密地区皆属于严重失调发展资源损益型，其耕地后备资源面积小，生态水平低，不良的生态条件严重制约耕地后备资源开发。

3 结论与建议

总体来说，新疆后备耕地资源开发面临着巨大的生态压力。因新疆地理环境的特殊性，在考虑其可开发性时应将以水定地、节水增地作为原则，严格考虑其水土平衡条件。土地是否适宜开发，很大程度上与当地的水资源条件和利用潜力息息相关。在此背景下，基于评价结果，将新疆耕地后备资源与新疆实际生态状况和资源禀赋相耦合，经分析，得出如下结论并提出相应建议。

(1)适宜适度开发的区域有：阿勒泰地区、昌吉回族自治州、塔城地区。阿勒泰地区应在确保乌伦古湖生态安全的前提下，结合水利工程建设，在额尔齐斯河流域适度开发土地，有效增加耕地面积。昌吉回族自治州、塔城地区要加大土地整治和基本农田保护力度，在提高耕地质量、提升土地利用率和产出率的基础上，可以适当增加耕地面积。除此之外，以上地区在考虑开发时，还应结合当地水资源情况进行水资源潜力估算，并对开发后的水资源需求进行科学预测，凡当地水资源情况不符合需求的，不应开发。

(2)不适宜开发的区域有：东疆吐鲁番地区、哈密地区。哈密地区是新疆重要的优质瓜果基地，吐鲁番地区是全疆著名的旅游文化胜地，且吐哈盆地是主要的石油天然气开采区域，对水资源需求较大。为保障经济建设，防止生态平衡被破坏，应严格限制土地开发。克拉玛依市是新疆重点工业城市，当地发展主要依托于石油资源，地均水资源拥有量居全疆14个地州末位，在沙漠地区需注意提高植被覆盖率，防止水土流失。伊犁地区水资源地均拥有量全疆第一，曾经一直是重要的后备耕地开发区域，但在其境内有多个国家级、自治区级自然保护区，生态地位十分重要，其后备耕地资源开发已达到生态环境承载的上限，在考虑其可开发性时，要充分评估当地的综合条件和生态价值，同时还应加大天然林保护力度，严格禁止在自然保护区实施土地开发。南疆的5个地州，因生态脆弱、水资源极其短缺，依据有关政策，应大力提倡节水退地，严厉打击非法开荒，保护生态环境。总之，新疆耕地后备资源开发要充分考虑当地水资源条件和国家的生态安全目标，谨慎开发土地。

(3)中央关于改进占补平衡的文件强调要着力加强耕地数量、质量、生态“三位一体”保护。我国实施耕地跨省域占补平衡政策，因经济发达地区耕地补充需求较大，新疆作为全国重要的耕地后备资源储备省，势必会成为耕地资源的重要补充区。但耕地占补平衡不仅是数量平衡，更要注重质量平衡和生态安全。根据研究结果，从微观来看，在实施跨省域占补平衡时，新疆的耕地补充区可优先选择后备资源与生态环境耦合程度较好的昌吉州、阿勒泰地区与塔城地区，这些地区在实现跨省“占一补一，占优补优”的前提下，并不致对当地生态环境造成过大压力。从宏观来看，无论是耕地跨省域占补平衡，或是省内占补平衡，都应该在数量、质量之前，优先考虑补充地区的生态环境水平和承载能力，只有在其环境承载力范围内科学合理地补充耕地，才能真正地实现长久、健康发展。