资源环境硬约束下中国耕地休耕优先区识别

陈 浮，曾思燕，葛小平，于昊辰，杨永均，卞正富

•土地保障与生态安全•

资源环境硬约束下中国耕地休耕优先区识别

陈 浮1，曾思燕2※，葛小平3，于昊辰4，杨永均4，卞正富4

（1. 河海大学公共管理学院，南京 211110；2. 西湖大学工学院，杭州 310024；3. 河海大学水文水资源学院，南京 210098；4. 中国矿业大学环境与测绘学院，徐州 221008）

为厘清全国耕地资源环境本底并识别中国休耕优先区，该研究从生态保护红线、土壤污染状况、地下水超采和耕地质量等级等4个维度，运用生态保护红线划定、内梅罗综合污染指数、地下水水位变幅等方法系统分析中国耕地资源环境胁迫因子空间格局及分异特征，并构建多准则休耕规则识别不同情景下中国休耕规模及优先区的空间分布。结果表明：1）中国北方划入生态保护红线范围内耕地面积远高于南方，划入一级生态保护红线范围内耕地占3.57%；2）中国耕地重、中度污染面积分别占1.23%和2.31%，南方整体污染高于北方且南方呈局部分散、北方呈点状集聚格局；3）地下水超采区集中于河北、河南、吉林和江苏，重度超采区仅占0.68%；4）耕地质量总体一般，劣等、低等耕地面积分别占3.69%和14.0%，北方明显高于南方且大范围分散分布。依据多准则休耕规则综合评判，划入休耕优先区占全部耕地的23.70%，比食品安全优先、产能损失最小和生态保护优先3种情景分别高8.40%、4.18%和3.12%，其中禁植必休区、限植休耕区和重点轮休区分别为1.95%、4.71%和6.18%。因此，必须从源头治理视角厘清耕地资源环境本底，权衡休耕的迫切性，为国家层面上休耕规划有效落地、污染休耕治理和耕地保护创新提供技术支撑。

休耕；土壤污染；耕地保护；环境本底；休耕规则；空间权衡

0 引 言

近30年中国“先污染、后治理”的工业化模式导致了生态环境持续恶化[1-2]，不仅占用了大量的优质耕地资源，还加剧了水土环境污染，威胁生态安全和公众健康，影响经济社会发展的整体持续性[3]。2014年生态环境部公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示：耕地土壤点位样品中受到不同程度污染占比19.4%。其外，耕地质量下降、地下水超采、生物多样性锐减等严重影响农田生态状况，如何缓解耕地永续利用的硬约束已迫在眉睫。为践行“青山绿水即是金山银山”发展理念，逐步解决耕地污染、环境恶化等问题，中国已探索性开展耕地轮作休耕试点[4]，期望能有效调节土壤理化性状，防治土壤污染，促进耕地生态恢复，为实现“藏粮于地、藏粮于技”重大战略目标和农业可持续发展寻求基于自然的解决方案。

休耕是一个涉及多重因素多方利益的复杂体系。欧美发达国家有关休耕研究主要与控制粮食生产有关，依据国际市场粮食供求状况制定休耕规模，维持全球粮价高位波动，并有利于自身农业环境保护[5-6]。巴西、俄罗斯及中亚一些国家主要关注休耕对持续耕作土壤的恢复和环境效应[7-8]。国内学者更多关注休耕对粮食安全的影响。如石飞等[9]采用耕地能值生态盈亏法判定贵州省松桃县最大休耕面积，并估算保障粮食安全所需耕地的底线，建议轮作休耕面积不应超过20.0%[10]。仅少数研究关注休耕布局，曾思燕等[11]构建中国耕地土壤重金属污染状况数据库，依据土壤污染和风险划定4类休耕区占全部耕地的15.58%；赵雲泰等[12]、杨庆媛等[13]分别运用耕地适宜性评价和VSD脆弱性评估划定了江苏省通州区和贵州省晴隆县的可休耕规模与布局；Shi等[14]构建耕地休耕综合指数，绘制了中国西南石漠化地区休耕空间布局。这些研究从粮食安全、土壤污染、生态脆弱性或土地适宜性等单一角度阐述休耕规模和空间分区，但对中国耕地资源环境本底、休耕迫切性等关键性问题缺乏关注[10]，也无法满足国家层面上从耕地生态环境本底出发“休多少”、“休哪里”以及“怎么休”等重大战略需求。因此，亟需从休耕本质出发，以土地利用问题为导向、耕地本底环境约束和实际利用条件为基准，量化地块休耕的迫切性，从国家宏观尺度上识别耕地资源环境硬约束下休耕优先区。

中国耕地空间分布广，区域环境差异大，又面临土壤污染、质量退化、生物多样性锐减少等多重挑战，从国家层面上对不同生态要素胁迫下地块开展休耕空间权衡显得尤为重要。为此，本研究从耕地资源环境本底入手，评判生态保护红线、土壤污染、地下水超采、耕地质量等要素的空间差异和协同效应，量化地块的休耕迫切性，权衡食品安全—产能损失—生态保护之间的空间关联，确定国家尺度上休耕优先次序，为全国休耕规划、粮食安全、土壤污染治理和耕地保护创新提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 耕地生态胁迫因子

空间权衡必须从源头治理入手，评判耕地资源环境本底和利用条件，量化地块的休耕迫切性，最终实现食品安全、粮食安全和生态安全的三统一。1）食品安全是关键。受污染耕地即使生产再多粮食，也无法安全食用，还严重危害公众健康；2）粮食安全是基础。休耕必须考虑耕地自身条件和资源禀赋，尽量休耕生产能力最差的，在“休”过程中养好地，为未来粮食安全打下坚实基础；3）生态安全是根本。生态安全是耕地永续利用的根本保障，才能维护国家粮食安全和食品质量。结合国家轮作休耕试点的要求，本研究将生态保护红线范围、土壤污染、地下水超采和耕地质量作为休耕优先区划定的地块生态胁迫因子。

1.2 数据来源与处理

本研究耕地数据来源于GlobeLand30（www.globallandcover.com），利用Arcgis10.2软件提取全国耕地2020年30 m×30 m栅格数据，分类总体精度为88.90%±0.68%[15]；生态保护红线范围按生态环境部和国家发展改革委员会颁布的《生态保护红线划定指南》划定，基础数据参见表1。并与已公布的20个省份生态保护红线划定成果[16]作比较，综合生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性评价结果形成全国生态保护红线空间分布图；土壤污染数据来源于2000—2018年发表的553 篇论文，包含样品数据5 597个[17]，采用文献计量法统计并检验[18]；地下水超采数据来源于中国地质调查局水文环境地质调查中心发布的2011年中国《浅层地下水水位等值线和埋深图》，并依据《地下水超采区评价导则》（GBT34968—2017），参照水利部水资源司和南京水利科学研究院发布的中国地下水主要超采区分布示意图[19]和《中国地下水资源与环境图集》[20]对地下水超采范围进行修正；耕地质量数据来源于2015年颁布的《中国耕地质量等别评价成果》，它将全国耕地划分为劣等地（15等）、低等地（13-14等）、中等地（9-12等）、高等地（5-8等）和优等地（1-4等）5个等别。并按邻近单元等对2016—2020年新增的耕地赋等别值。

1.3 研究方法

1.3.1 生态保护红线与耕地叠置评价方法

2020年初仅20个省份公布了生态保护红线，无法直接叠置。为此，依据《生态保护红线划定指南》要求，按生态系统服务功能重要性（www.ecosystem.csdb.cn）和生态环境敏感性（刘军会等[21]）划定了全国生态保护红线范围。并采用Arcgis10.6的叠加分析功能，将已公布20个省份生态保护红线范围与划定结果进行验证，精度大于90.0%。在栅格计算工具中，使用con语句，采用“并运算”将生态系统服务功能极重要且生态环境极敏感区内耕地划为一级生态保护红线退让区，其他生态保护红线范围内耕地划为二级生态保护红线退让区，剩余耕地划为非生态红线保护区。

表1 生态保护红线划定基础数据类型及来源

1.3.2 土壤污染评价方法

1.3.3 地下水超采评价方法

对比1979和2011年全国浅层地下水水位等值线及埋深图集，采用地下水水位变幅法[19]划定全国地下水超采区，并按年均地下水变化速率（）大小划分地下水超采等级，计算公式如下

式中为年均地下水埋深变化速率（m/a），1为1979年地下水埋深（m），2为2011年地下水埋深（m），=33 a。依据《地下水超采区评价导则（GBT34968—2017）》，按≥0.8 m/a、0.5≤<0.8 m/a、0.3<<0.5 m/a和<0.3 m/a分别划为重度超采区、中度超采区、轻度超采区和采补平衡区。该方法与2021年水利部启动新一轮地下水超采区划定工作规定的评价方法一致，可以有效地保证本研究划定结果的科学性和准确性。

1.3.4 休耕优先区识别方法

休耕作为治理、保护和恢复地力一种重要方式，维持耕地生态健康为前提，保障食品安全、推进污染防治、促进生态修复为目标。本研究兼顾土壤污染、耕地质量、地下水超采及生态保护红线退让，评判不同地块的资源环境硬约束条件，排序休耕的迫切性，识别不同情景下休耕优先区。

1）耕地生态状况表达

采用四维空间概念模型刻画生态保护红线退让-污染-地下水超采-质量的组合类型，地块单元生态状况表示为U（EPGQ）。、、和分别代表生态保护红线退让状况、耕地污染状况、地下水超采状况和耕地质量等别，、、和分别代表生态状况的等级。其中，=0、1、2，分别表示一级生态保护红线退让区、二级生态保护红线退让区、非生态红线保护区；=0、1、2、3、4，分别表示耕地重度污染、中度污染、轻度污染、尚清洁和清洁；=0、1、2、3，分别表示地下水重度超采区、中度超采区、轻度超采区和采补平衡区；=0、1、2、3、4，分别表示耕地质量劣等、低等、中等、高等和优等。

2）不同休耕情景设定

中国休耕主要为促进休养生息，维护耕地永续利用和国家粮食长久安全。为更好地促进休耕落地和切实可行，考虑设置3种休耕情景：食品安全优先（PFS）、产能损失最小（MCL）和生态保护优先（PES），并分别设置低、中、高方案，以区分地块休耕优先顺序。但依据木桶理论[25]，地块休耕迫切性取决于对耕地资源环境硬约束最大的生态因子，即“短板”。当耕地污染严重超标时，生产的农产品往往无法食用，健康风险极大，是耕地休耕规划约束最大的“限制因子”。此外，若继续在地下水重度超采区从事农业生产活动，易形成地下水漏斗，对土壤生态环境造成不可逆的损伤。这两类耕地必须休耕，划入“禁植必休区”。因此，在进行生态因子权衡时，将重度污染、地下水重度超采耕地（即地块单元生态状况表示为（EP0GQ）、（EPG0Q））单独扣除，并全部纳入3种休耕情景的低方案。同时，依据不同情景模拟下地块的休耕迫切性差异，设定不同的休耕空间时序方案。

3）生态状况评判规则

按照设定的3种不同情景，确定地块休耕优先顺序及方案，各休耕情景的评判规则如下：

①食品安全优先情景（PFS）。主要针对耕地重金属和有机污染严重区优先休耕，应休尽休，休治协同（图 1）。其中，1）低方案综合考虑一级生态保护红线退让区、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同时将土壤中度污染且耕地质量劣等(EP1GQ0)的地块也纳入该方案，以重点剪断土壤-食品之间污染传递；2）中方案在低方案的基础上，再进一步考虑全部土壤中度污染(EP1GQ)的耕地，以及地块在二级生态保护红线退让区且土壤轻度污染且中度超采区且耕地质量劣等或低等，即地块单元为(1210)、(1211)；3）高方案在中方案的基础上，再考虑土壤轻度污染且耕地质量劣等或二级生态保护红线退让区或中度超采区，即地块单元为(EP2GQ0)、(EP21Q)、(12GQ)，以切实保障粮食生产安全。

②产能损失最小情景（MCL）。主要针对耕地生产能力极差区优先休耕，必休尽休，休养结合（图2）。其中，1）低方案综合考虑一级生态保护红线退让区、土壤重度污染、地下水重度超采和耕地质量劣等的全部耕地；2）中方案在低方案的基础上，以耕地质量等级为优先考虑要素，再进一步考虑耕地质量低等且二级生态保护红线退让区或土壤中度污染或地下水中度超采的耕地，即地块单元为(1PGQ1) (EP1GQ1) (EPG11)；3）高方案在中方案的基础上，再考虑全部耕地质量低等(EPGQ1)的地块单元，以重点维持最大的粮食生产能力。

③生态保护优先情景（PES）。主要针对生态系统服务功能重要区、生态环境敏感区以及地下水严重超采区优先休耕，必休尽休，休退有序（图3）。其中，1） 低方案综合考虑一级生态保护红线退让区、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同时将二级生态保护红线退让区且耕地质量劣等(1PGQ0)的地块也纳入该方案；2）中方案在低方案的基础上，再进一步考虑二级生态保护红线退让区且地下水中度超采或中度土壤污染或耕地质量低等，即地块单元为(11GQ) (1PGQ1) (1PG1Q)；3）高方案考虑全部一级与二级生态保护红线退让区、地下水重度与中度超采、土壤重度污染和耕地质量劣等，重点减轻农业生产对生态系统的干扰。

4）优先区识别方法

2 结果与分析

2.1 中国耕地资源环境硬约束的总体特征及空间分异

图4显示中国耕地不同生态胁迫因子的空间分布及分异特征，可以看出：1）中国位于一级、二级生态保护红线退让区耕地分别为3.57%、10.95%，北方远高于南方。从空间分布来看，一级生态保护红线退让区耕地主要集中于黄土高原丘陵沟壑区周边和粤北丘陵，二级生态保护红线退让区耕地主要集中于长白山、新疆内陆河源区、湘北和豫中等地自然保护区范围内。2）中国耕地土壤污染占22.10%，轻度、中度和重度污染分别为18.56%、2.31%、1.23%。中国南方土壤污染相对严重，呈大面积分散分布格局，不同于北方的点状分布。土壤中度、重度污染几乎全部分布于胡焕庸线东边，说明土壤污染与人为活动密不可分。3）91.83%耕地地下水开采尚处于采补平衡状况，轻度、中度和重度超采区耕地分别为3.66%、3.83%、0.68%，但中、重度超采区相对集中在甘肃、陕西、山西、河南、山东、河北和吉林，其中河北、河南已形成大范围连片重度超采区，面积高达4 670 km2、3 950 km2。4）中国耕地质量总体不高，优等比例极小，分布于两湖和广东。高等26.53%、中等52.84%，主要分布于地势相对平坦、水热条件适宜的黄淮平原、三江平原、四川盆地和东南丘陵区。低等、劣等主要分布于内蒙古、山西、河北、贵州等地，分别占14.00%、3.69%。

2.2 不同休耕情景下耕地资源环境硬约束因子评判

将全国地块单元生态状况按图1～3规则进行评判，可获得三种情景不同方案下休耕地块的空间分布（图 5）。1）食品安全优先（图5a）。低方案休耕占耕地总面积4.94%，零星分布于江西、湖南、蒙东及河南、河北大片区域。中方案休耕占耕地总面积9.64%，集中于黄淮海平原东部、四川盆地中部、内蒙中南部和长江中游区域。高方案休耕占耕地总面积15.30%，主要分布于三江平原、黄土高原、西南丘陵山区及中东部区域；2）产能损失最小（图5b）。低方案休耕占耕地总面积6.65%，零星分布于中南部和相对集中分布于河南、河北和内蒙中南部。中方案休耕占耕地总面积9.83%，主要分布于黄土高原丘陵沟壑区、陕中北部、内蒙和黑龙江东部区域。高方案休耕占耕地总面积19.52%，主要分布于北方干旱半干旱区以及西南部、中部丘陵山区；3）生态安全优先（图5c）。低方案休耕占耕地总面积5.70%，零星分布于豫北、冀西南部、陕中、蒙中以及湘川中东部区域。中方案休耕占耕地总面积10.01%，除了低方案外，多集中于甘东南、黑龙江东部以及乌鲁木齐周边。高方案休耕占耕地总面积20.58%，除了中方案外，多集中分布于新疆荒漠边缘带、南方石漠化丘陵山区和长白山周边区域。

2.3 耕地资源环境硬约束下中国休耕优先区识别

将全国耕地地块按公式（2）有序加权平均算子进行空间权衡，识别中国耕地生态因子全要素胁迫下休耕优先区的空间分布（图6）。1）从数量来看，休耕面积占耕地总面积23.70%。一般轮休区（IV）面积最大，为1.46×107hm2。重点轮休区（III）次之，为8.33×106hm2。限植休耕区（II）和禁植必休区（I）分别为6.35×106hm2和2.63×106hm2，它们是中国休耕行动计划的最核心区，占全国耕地总面积6.66%。2）从分布来看，禁植必休区（I）集中分布于河南、河北、湖南、云南、安徽，其余省份有零星分布。河南新乡I级最为集中，与该区继续数十年化工、冶炼、电池产业造成的土壤重度污染密切相关。河北邢台、邯郸、保定、沧州等地下水严重超采，已形成巨大的地下水漏斗区，也急切必休，维护农田生态安全。限植休耕区（II）内蒙中南部及河北接壤处分布最广，川东北、陕北和陕南也十分集中，与当地自然条件、土地退化与土壤侵蚀密切相关。重点轮休区（III）甘东南近黄土高原丘陵沟壑区分布最广，与当地脆弱生态环境及不合理农牧变换导致土地退化密不可分。此外，鲁东北也也有一定规模的严控轮休区，与当地采油炼油造成的PAHs污染密不可分。一般轮休区（IV）分布广泛，几乎涉及全国。3）总体来看，休耕优先区集中分布于河南、湖南和河北，川东北、赣南、辽西、鲁东北、云南等一些地区采矿、工业、污水灌溉以及农药和肥料过度区也呈散点式分布。

3 讨 论

3.1 中国耕地资源环境硬约束的总体态势

本文采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数及划分等级综合评价耕地土壤重金属和有机物污染状况，全国耕地土壤污染面积占耕地总面积22.10%，轻度、中度和重度污染分别为18.56%、2.31%和1.23%（图4b）。中度和重度污染占比略高于《中国耕地地球化学调查报告》报道的2.5%，可能与该报告只调查了全国68.0%耕地有关。本文土壤轻度、中度、重度污染占比略高于2014年生态环境部发布的《全国土壤污染状况调查公报》，分别为16.50%、1.80%、1.10%，但公报采用污染物浓度倍数法划分污染等级，事实上提高了中、重度污染等级的门槛值。此外，本文耕地污染总面积高于宋伟等[26]（16.67%）、曾思燕等[11]（15.87%）估算结果，这可能与先前研究仅考虑重金属，并未将PAHs、DDT和HCH等有机污染物纳入评价有关。从8种单一元素评价结果来看，Cd点位超标率最高，为18.03%，是导致耕地土壤污染主因。这个结果与尚二萍等[27]等研究结论相似，但远低于Yuan等[28]研究结果；其次是PAHs（17.02%）和DDT（3.75%），又高于《全国土壤污染状况调查公报》公布的1.4%和1.9%，与张俊叶等[29]研究结果相似；Cr、Zn、Pb点位超标率分别为0.1%、1.42%和1.34%，与《全国土壤污染状况调查公报》、Niu等[30]和Zhang等[31]的研究结果相似；但本研究Cu点位超标率仅0.49%，低于公报公布值（2.1%）、Niu等[30]公布值（9.16%）和Zhang等[31]公布值（3.01%），这可能与不同评价标准和背景值取值有关。

中国耕地范围内地下水开采状况总体上处于采补平衡状态，但中国诸多省份均存在地下水超采区问题（8.17%）。重度超采区（0.68%）零散的分布于新疆、甘肃、山西等地，其中河北（4 670 km2）、河南（3 950 km2）两省的重度超采区面积最大。此外，叠加土壤污染与地下水超采空间分布图发现，耕地单元（EP00Q）即重度污染与地下水重度超采叠加区域，主要出现在河南省新乡市，与之前的研究结果一致[32-33]，应对其采取禁止种植农作物并采取休耕治理，防止在受污染土壤从事农业生产活动导致地下水污染，对土壤生态环境安全造成极大威胁。应当注意，土壤有机质减少、耕地质量下降、土壤生态系统服务等与土壤健康密切相关，若在一级生态保护红线退让区且劣等耕地（0PGQ0）内开展农业活动，如黄土高原丘陵沟壑区周边，不仅会导致生产功能下降，更会引发其他生态胁迫作用，如养分失衡、土壤生物多样性减少等，应将该区域纳入限植休耕区（II）以逐步恢复地力。

3.2 休耕规模探析及其对应的休耕分区

中国耕地资源禀赋，对土壤资源的管护应该是补短板与漏洞-改善土壤生态环境，提下限-保育以不退化。休耕空间权衡不仅仅需要考虑单项“短板”生态环境胁迫因素，也要考虑多指标的综合特点。本研究结合“木桶效应理论”与思维空间概念模型，综合考虑耕地生态胁迫全要素优先的休耕面积占比为23.70%（图3），分别较基于食品安全优先、产能损失优先和生态保护优先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%（图2）。这个结果略高于石飞等[10]、罗婷婷和邹学荣[34]估算的中国休耕极限20%。但本研究基于食品安全优先、产能损失优先和生态保护优先情景下的休耕低方案面积分别为4.94%、6.65%和5.70%，趋近于张慧芳等[35]认为的中国每年休耕规模上限为国家耕地总面积的5%和Lu等[36]认为理论休耕规模为6.28%～9.54%。考虑到休耕实施的可行性，时序安排上应兼顾粮食安全、地方财政压力、休耕迫切性等要素，建议按等级实施差异化的休耕模式[13]：1）禁植必休区的土壤生态环境胁迫程度极高，已不适宜耕作，应采取强制性的长期休耕模式，针对重度污染区，配套“休治培”三融合技术治理土壤，待土壤污染强度降低至符合农业种植标准后，再酌情调整休耕方式；针对重度超采区，将原先种植蔬菜和粮食的耕地改种豆科牧草，以控制地下水超采，减少水土流失。2）限植休耕区应采取季休或年休的休耕模式，限制作物种植种类，可在休耕区域实施冬耕晒垡与冬种绿肥模式，以有效解决区域内普遍存在的耕地耕层浅、土壤有机质含量下降等问题，以改善土壤生态环境。3）重点轮休区与一般轮休区采取季节性轮作休耕，由于区域内土壤生态环境胁迫程度较低，可实施用养结合模式，在种植水稻、棉花等耗地作物的同时，通过秸秆还田，间套绿肥、豆类等养地作物，合理轮耕，实现耕地生态-环境-社会“三效”并举。

3.3 休耕对国家粮食安全影响

粮食关乎国计民生的重要战略物资，休耕的最终目标是为了平衡区域粮食生产与资源环境保护之间关系，实现耕地可持续利用，切实保障国家粮食安全。但在宏观尺度上粮食安全必须以耕地质量提升和地力保护为基石，对污染已严重威胁食品安全的土壤、质量急剧下降及生态破坏严重的耕地开始优先休耕，达成粮食质量供给安全。此外，为避免休耕对粮食数量安全造成影响，本研究基于2015年原国土资源部发布的《中国耕地质量等别评价成果》，对中国粮食生产水平进行分析，以测算休耕对中国粮食生产水平的影响，为国家休耕空间分区提供基础依据。根据耕地质量等别与粮食生产能力的关系，1等地的标准粮平均生产能力在2.1×104～2.25×104kg/hm2之间[37]，在此取中间值，即2.175×104kg/hm2，并以此类推，采用每降低一个耕地等别，标准粮的生产能力降低1 500 kg/hm2，计算因休耕导致的全国耕地粮食减产量。结果显示，综合考虑耕地生态胁迫全要素优先确定休耕23.70%的耕地面积造成粮食减产17 653.82万吨，约占全国耕地总产能的15.71%。其中，在I级、II级“休耕”情景下造成全国耕地产能减少1.74%、2.75%；在III级、IV级“轮休”情景下造成全国耕地产能减少3.41%、7.81%。这表明若将此23.70%的耕地一次性进行休耕将危及国家粮食安全，休耕方案无法实施落地。因此，各地区可因地制宜选择不同的休耕情景确定地块休耕优先顺序。

中国选择重金属污染区、地下水漏斗区、生态退化区、农牧交错区和东北冷凉区实行休耕制度试点这一做法[4]，表明国家在实行休耕制度过程中注重土地利用目标导向与问题导向相结合，通过将土地利用问题严重区域作为优先休耕区域，并在保障国家粮食安全的前提下促进休耕制度的顺利实施。因此，有必要在轮休区建议休耕实施模式为季休（只栽种一季或两季）、年轮休（一年以上休耕）或长休（10～15年休耕），以降低休耕导致的粮食减产量，避免因休耕影响国家粮食安全。在此，假设在III级重点轮休区、IV级一般轮休区按照每年轮休1/3的耕地面积，则三年内可对中国因耕地生态环境胁迫确定休耕23.70%的耕地面积进行全部休耕，且每年因休耕导致的耕地产能仅为8.23%。依据封志明[38]、于昊辰等[39]的研究表明，在此粮食减产比例下，结合适度依托国际市场，可确保实现适度自给或高度自给，巩固与保障国家粮食安全。当前中央轮作休耕制度试点面积2021年增至2.67×106hm2（4 000万亩）[7]，仅占中国耕地总面积的1.98%。这表明国家可在切实保障国家粮食安全的前提下，可依据地方财政压力、农户意愿等进一步扩大休耕规模。

4 结 论

中国采取自愿申报和总量控制的办法至下而上落实全国的休耕计划，但中国耕地面积大、分布散、耕地资源状况不一，一直缺乏从源头基于摸清耕地资源环境本底导向的视角，厘清耕地地块休耕迫切性排序的必要性方面的研究。为此，本研究构建基于土壤污染-耕地质量-地下水超采-生态保护红线划定的耕地生态环境胁迫因素空间数据库，从源头厘清耕地资源环境本底导向视角，在国家宏观尺度下权衡休耕的规模与空间布局。结论如下：1）中国北方的生态保护红线划定的耕地数量高于南方，且一级生态保护红线划定内的耕地占中国耕地总面积的3.57%；中国耕地土壤重度污染面积占比1.23%，且南方较北方污染严重；就地下水超采评价而言，重度超采区仅占0.68%，且大范围重度超采区主要集中于河北、河南两省；就耕地质量而言，中国耕地质量总体上处于中等和高等状态，劣等耕地仅占3.69%。2）结合“木桶效应理论”与四维空间概念模型，综合考虑耕地资源环境硬约束下优先休耕面积占比为23.70%，较基于食品安全优先、产能损失优先和生态保护优先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%。其中禁植必休区（I）主要集中于河南、河北、湖南、云南、安徽等5个省。同时，建议实施差异化的休耕模式，并对“轮休”区耕地实施1/3轮休方案，以切实保障国家粮食安全与保育土壤生态环境。本研究通过反映耕地地块生态环境胁迫程度，可为国家层面休耕迫切性诊断与空间权衡提供技术思路及空间参考，对精准实施休耕以治理土壤污染、提升耕地生境质量、保障国家粮食安全意义重大。

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Identifying the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints in China

Chen Fu1, Zeng Siyan2※, Ge Xiaoping3, Yu Haochen4, Yang Yongjun4, Bian Zhengfu4

(1.,,211110,; 2.,,310024,; 3.,,210098,;4.,,221008,)

This study aims to identify the priority areas of fallow under the resources and environmental background of cultivated land in China. The spatial pattern and differentiation characteristics of ecological stress factors were systematically determined using the Nemerow integrated pollution index, the variation of groundwater level, the service function of the ecosystem, and the sensitivity of the ecological environment. Four dimensions were also considered, including ecological protection red line, soil pollution, over-exploited groundwater, and arable land quality. Subsequently, a multi-criteria and multi-objective optimization of fallow was constructed to identify the scale of fallow, and the spatial distribution of priority areas. Three scenarios were also selected, including the priority to food safety (PFS), the minimum production capacity loss (MCL), and the priority to ecological security (PES). Especially, each scenario was set as the low, medium, and high level for better prioritizing fallow units. A spatial weighing of all factors was also carried out to delineate the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints. As such, an optimal matching was achieved for the correlation between ecological security, food production, and quality. The results showed that: 1) There were much larger areas of arable land within the delineation of ecological protection red line in northern China than those in the south. Specifically, the area of arable land within the first- and the second-class ecological protection red line delineation accounted for 3.57%, and 10.95%, respectively. 2) The area ratios of farmland with slight, moderate, and severe pollution were 18.56%, 2.31%, and 1.23%, respectively. The overall pollution in the south was higher than that in the north. There was a partially scattered distribution of pollution in the south, whereas, the north showed a pattern of spot-like agglomeration. 3) The areas of over-exploited groundwater were mainly concentrated in the provinces of Hebei, Henan, Jilin, and Jiangsu, where the severe over-exploited areas accounted for only 0.68% of the whole of China. The severe over-exploited areas with the large-scale contiguous patterns were 4 670 km2and 3 950 km2in Hebei and Henan, respectively. 4) The total proportions of arable land quality accounted for 3.69% and 14.0%, respectively, for the grade of the inferior and poor grade in northern China, particularly with the widely dispersed pattern, compared with the south. The priority fallow areas accounted for 23.70% of the total study area, according to the comprehensive evaluation of cultivated land and multi-criteria fallow. Specifically, the proportions of the prohibited-planting-fallow area (I), restricted-planting-fallow area (II), key-rotation area (III), and general-rotation area (IV) were 1.95%, 4.71%, 6.18%, and 10.86%, respectively. Furthermore, the priority fallow areas were 8.40%, 4.18%, and 3.12% higher than those of the PFS, MCL, and PES, respectively. Consequently, this finding can provide strong technical support to effectively implement the fallow planning, thereby protecting the cultivated land from soil pollution in modern agriculture.

fallow; soil pollution; cultivated land protection; environmental background; fallow rules; space tradeoff

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Chen Fu, Zeng Siyan, Ge Xiaoping, et al. Identifying the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 226-235. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026 http://www.tcsae.org

2021-08-05

2021-11-05

国家科技支撑计划项目(2015BAD06B02)；国家自然科学基金面上项目（51974313）；中国工程院重大咨询研究项目(2021NXZD3)

陈浮，博士，教授，博士生导师。研究方向为国土空间生态修复。Email：chenfu@cumt.edu.cn

曾思燕，博士，研究方向为耕地评价与生态权衡。Email：zengsiyan@westlake.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026

F321.1

A

1002-6819(2021)-22-0226-10