“藏粮于地”视角下西北地区耕地适宜性及开发潜力评价

毕 玮，党小虎，马 慧，邓铭江，李 鹏，曹小曙，时 鹏

·土地保障与生态安全·

“藏粮于地”视角下西北地区耕地适宜性及开发潜力评价

毕 玮1，党小虎2※，马 慧3，邓铭江4，李 鹏5,6，曹小曙7，时 鹏5,6

（1. 西安科技大学测绘科学与技术学院，西安 710055； 2. 西安科技大学地质与环境学院，西安 710055； 3. 延长县森林防火指挥部，延安 717199； 4. 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000； 5. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710055； 6. 旱区生态水文与侵蚀灾害防治国家林业局重点实验室，西安 710055； 7. 陕西师范大学自然资源与国土空间研究院/西北城镇化与国土环境空间模拟重点实验室，西安 710062）

中国耕地资源匮乏，人均耕地不足世界平均水平的40%。西北“水三线”地区是中国耕地后备资源的关键区域，识别潜在耕地资源中适宜开发的土地数量及空间分布，对确保极端情况下国家耕地红线和粮食安全、推动西部大开发进入新格局具有重大现实意义。基于多源栅格数据，采用综合指数法与极限条件法评价潜在耕地资源的自然适宜性潜力；同时考虑土地利用结构风险、土壤侵蚀风险、土地荒漠化风险限制，构建潜在耕地开发的生态风险模型；将自然适宜性潜力和生态风险评价结果进行叠置分级，评估潜在耕地资源的综合开发潜力。结果表明：旱地农业情景下，西北“水三线”地区具备耕地开发潜力的土地面积约0.2万km2，主要分布在内蒙古半干旱草原区；灌溉农业情景下，西北“水三线”地区具备耕地开发潜力的土地面积约9.5×104km2，这些土地需要通过引水灌溉和土壤改良等措施才能实现粮食生产，主要集中在天山北麓、塔里木河流域、疏勒河流域和内蒙古东部等内陆干旱区，未来如果具备灌溉水源条件，实施适宜的土壤改良措施，有较大可开发潜力。

模型；适宜性评价；生态风险；西北；“水三线”；潜在耕地资源；藏粮于地

0 引 言

耕地资源是农业生产的核心资源，也是保障粮食安全的战略资源。近年来，中国由于农业结构调整、生态退耕、自然灾害和城市化建设等影响，耕地资源逐年减少与人口增长对耕地需求日益增大之间的矛盾越来越突出，外部国际社会不稳定因素越来越明显[1-2]。西北地区耕地资源丰富，是未来国家保障耕地安全与粮食安全的重要区域，同时又是“丝绸之路经济带”的核心地带。耕地资源的合理开发利用是实现粮食安全，维持西北部地区和谐及民族稳定的必要途径。2018年西北地区现有耕地面积2 600万hm2，占地区土地总面积的7.5%，人均0.3 hm2。同时，耕地后备资源充足，具备农业开发潜力较大[3]，其中缓坡低盖度草地和荒地是西北地区主要的后备耕地来源[4-5]，在后备耕地潜力评价方面也有很多实证研究，如何英彬等[6]评价了中国荒漠化地区在保障粮食安全情景下的土地耕作适宜性，表明该地区具备28.6万km2耕地的可挖掘潜力；方月等[7]利用地貌数据作为评价分级的参考依据对新疆全区进行土地耕作适宜性评价，发现新疆土地耕作适宜面积约为24.9万km2。这些工作除了耕地潜力的评价，更加重视评价方法方面的创新[8-9]，如综合指数法[10]、模糊证据权法[11]、正态云模型[12]、最小限制因子法[13]等。鉴于西北地区水-土资源匹配极不平衡，且部分区域水土流失、次生盐渍化问题严重，农业生态环境脆弱[14-15]，但很少有工作研究不同农业情景下西北地区的耕地潜力及其潜在的开发风险，对土地资源开发中的水土流失与荒漠化以及次生盐渍化等缺少必要的预判，影响土地开发的可持续性，引发生态问题。随着中国人地矛盾、生态环境问题日益加剧，土地开发的生态安全性越来越受到重视[16-18]。因此，如何既科学开发“水三线”地区土地资源又不诱发次生环境灾害，是开发西北地区后备耕地资源、提高国家抵御粮食安全风险的能力、实现地区农业与环境可持续发展的基础，也是形成西北大开发战略新格局中所面临的一个重要挑战。

本文以西北“水三线”地区为例，基于栅格数据并借助GIS技术，选择立地条件、水热条件、土壤条件、生态约束4类指标，构建耕地适宜性评价模型，并结合潜在耕地资源开发的生态风险指标，分析在旱地农业与灌溉农业2种情景下西北“水三线”地区潜在的耕地资源量及其开发风险程度。

1 研究区概况

西北“水三线”地区有别于传统的西北地区，是中国工程院邓铭江院士于2018年提出[14]，北部和西部以国境线为界，东部以大兴安岭为界，南以昆仑山、巴颜喀拉山、秦岭为界，面积约345万km2，包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古六省（自治区），按照自然地理分异特征可进一步划分为黄河流域片、内陆干旱区、和半干旱草原区。所谓“水三线”实质是三条差异较大的等降水量线，从东到西分别是“胡焕庸线”“阳关线”和“奇策线”，三条线从降水、水文和水资源的视角分割，共同构成了西北“水三线”空间格局（图1）。

西北“水三线”地区生态环境脆弱，水土流失、土地荒漠化问题严重，荒漠化土地面积218.3万km2，占全国荒漠化土地的81.6%。自然环境呈现山原起伏、荒漠广布、干旱缺水、生态脆弱、环境退化等特征[14]。该区域土地资源、光热资源丰富但干旱缺水。除山地外，降水量小于250 mm的区域面积为240.72万 km2，占比69.8%，属于绿洲农业区；250～400 mm的区域面积为54.41万km2，占比15.8%，属于典型的旱作农业区；400～600 mm的区域面积为28.34万km2，占比8.2%，属于半旱作农业区。多年平均水资源总量只有1 592.5亿m3，水资源量仅占全国的5.7%，水资源的开发利用率为59.8%，远超全国的22.6%。耕地主要分布在关中平原、宁夏平原、河西走廊、天山南北麓及沿塔里木绿洲等农业区，农业用水量占此区域全部用水量的87.3%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据包括：1）SRTM-DEM数据，为美国“航天飞机雷达地形测量计划”获得的全球高精度高程格网数据，本文利用该数据提取坡度、起伏度数据；2）西北地区2000、2005、2010、2015、2018年30 m精度土地利用数据，来源于中国土地利用现状遥感监测数据库（http://www.resdc.cn）；3）土壤数据来源于中国1：100万土壤数据库（http://vdb3.soil.csdb.cn），空间分辨率为1 kmÍ1 km，该数据提取有效土层厚度、土壤质地、土壤有机质含量、土壤pH等数据；4）西北地区气象背景数据（年均降水量、≥10 ℃积温），来源于中国科学院资源环境科学与数据中心经DEM校正的中国气象背景数据集（http://www.resdc.cn），空间分辨率为500 mÍ500 m；5）灌溉密度数据来源于世界灌溉地图(http://www.fao.org/ag/AGL/aglw/aquastat/irrigationmap/index.stm)，空间分辨率为10kmÍ10km；6）西北地区土壤侵蚀强度数据来源于“国家青藏高原科学数据中心”(http://data.tpdc.ac.cn)，空间分辨率为1 kmÍ1 km；7）全国生态功能保护区矢量数据、全国年度植被指数（NDVI）分布数据集，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn）；8）各市粮食总产、总播种面积及粮食单产统计数据，来源于2018年各省（自治区）、市（地、州）统计年鉴。将以上所有空间数据重采样为统一空间分辨率，即30 mÍ30 m。

2.2 研究方法

“水三线”地区属干旱半干旱区，降水少且分布不均，是典型的旱地农业区，农业生产风险大、产量不稳定。因此本文设计2种评价情景：一是旱地农业情景（A），即农业生产主要依赖自然降水，属于雨养农业；二是灌溉农业情景（B），即降水无法满足作物的自然生长需求，必须依靠引水灌溉等人工干预下才能实现的一种农业模式，与现有的绿洲农业类似。以栅格数据作为评价单元，基于立地条件、土壤条件、水热条件、生态条件4个方面的评价指标构建适宜性评价指标体系；选取地表起伏度、坡度、有效土层厚度、土壤质地、土壤有机质、土壤pH、≥10 ℃有效积温、灌溉密度、年均降水量、生态约束因子10个指标，根据层次分析法确定各评价指标的权重，根据加权指数和法得出耕地适宜性评价综合得分并分级，得到适宜性结果。

为了评估研究区潜在耕地资源开发的生态风险，本文利用土地利用结构风险、土壤侵蚀风险、土地荒漠化风险，计算潜在耕地资源开发生态风险指数，进而识别西北“水三线”地区潜在耕地资源中适宜土地耕作的数量、质量及空间格局。考虑到研究区实际情况及数据获取难度，本文只考虑将低覆盖草地和除沙地戈壁、沼泽及裸岩石砾地等地类之外的未利用地作为评价范围。

2.2.1 西北“水三线”地区潜在耕地资源适宜性评价

旱地农业没有灌溉设施，单靠自然降水维持农作物生长的水需求，而灌溉农业有一定的灌溉保证率，可以保障农作物全生育期灌溉用水需求[19]。中国西北内陆区大部分地区年均降水小于350 mm，水分是农业发展的主要限制因素[20]，在自然条件下无法满足作物的生长需求（即旱地农业情景）。考虑到降水的制约，并且黄土高原地区大部分旱地已经退耕，事实上这部分土地开发空间已经很少。因此认为，除了年均降水量，如果所选指标中的其他8个指标（即起伏度、坡度、有效土层厚度、土壤质地、土壤有机质、土壤pH、有效积温、生态约束因子）能满足土地耕作需求，则可考虑引水灌溉解决降水不足的制约，这部分土地面积仍然具有土地耕作的潜力（即灌溉农业情景）。因此，在灌溉农业情景（B）评价中增加了灌溉密度这一指标。

本文采用综合指数法和极限条件法相结合，建立西北“水三线”地区耕地自然适宜性评价模型。通过层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和专家打分法来确定评价因子权重并建立层次结构，系统分析西北“水三线”地区潜在耕地土地资源的自然适宜性；鉴于该地区气候干燥，降水较少，伴随着强烈的土地荒漠化和水土流失过程，利用极限条件法，将起伏度、坡度、年均降水量、≥10 ℃有效积温、土层厚度、土壤质地作为重要的自然限制条件，并将承担重要生态功能区域（生态红线）作为生态约束因素[7]。

1）评价因子选择及其权重确立

耕地适宜性是指土地本身所提供的各种条件对耕地利用的适宜程度。遵循主导因素原则、差异性原则、稳定性原则，参考已有工作[7,21]并充分咨询专家意见，本文选取了立地条件、水热条件、土壤条件、生态条件4个方面共10个指标：①立地条件，包括起伏度、坡度2个指标；②水热条件，包括年均降水量、≥10℃积温、灌溉密度3个指标；③土壤条件，包括有效土层厚度、土壤质地、土壤pH、土壤有机质4个指标；④生态约束，即以生态红线作为开发限制因子，并根据情景设置分别建立旱地农业与灌溉农业两套指标体系。

通过邮件的形式向从事土地整理与土地评价、土地利用管理、生态水利及土壤侵蚀研究领域的专家发送问卷（总共发送问卷19份，收回有效问卷15份）。按指标体系构建层次结构模型，对条件层和因子层中指标的相对重要性及贡献程度的判断，按1～9标度法构建判断矩阵，计算各单层次评价指标的权重，均通过一致性检验。综合权重计算方法为条件层权重与其对应的因子层指标的权重相乘得到（表1）。

表1 西北“水三线”地区耕地适宜性评价指标权重

注：表内权重为空值表示当前情景下不考虑该因子。

Note: A null weight indicates that the factor is not considered in the current scenario.

2）评价因子量化处理

由于耕地适宜性评价中选取的指标因子值、单位及其对自然适宜性评价结果的影响程度各不相同，因此需根据各参评因子对耕地适宜性的影响程度将其进行分级量化，以便于定量的比较和计算各因子对自然适宜性程度影响的大小。根据已有文献[22]，旱地农业区可以分为干旱区、半干旱偏旱区、半干旱区、半湿润偏旱区、半湿润区5个亚区，因此本文的年均降雨与≥10 ℃积温2个指标量化分级参照该分区进行。评价因子的量化采用1～10分的闭区间，按照土地适宜性评价的原则、方法和相关农业资料，参考国家《农用地分等规程》[23]《全国耕地后备资源调查评价技术方案》等相关规程，结合实际情况调整确定各评价指标的分级量化标准及限制（表2）。

表2 耕地适宜性影响指标分级及相应分值

注：()内数字为相应分值。

Note: Numbers in () are corresponding values.

首先根据限制条件，去除掉评价范围内不宜耕的土地，再按照表2中各评价因子的量化等级和分值为标准，分别将起伏度、坡度、年均降雨、灌溉密度、积温、土层厚度、土壤有机质、土壤pH值、土壤质地和生态约束共10类栅格数据进行重采样并分级处理，转为30m×30m的栅格数据，根据各因子的权重系数采用加权指数和法计算西北“水三线”地区耕地自然适宜性得分，每个栅格的值为该栅格的自然适宜性得分。公式如下：

式中为综合得分，w为第因子的权重；a为第因子的分值；为参评因子数。

根据联合国粮农组织（FAO）颁布的《土地评价纲要》中耕地对评价用途的适宜性和限制程度分为高度适宜、中度适宜、勉强适宜、不适宜4个等级，对2种情景按同一标准进行等级划分，并结合现有耕地分布数据资料进行验证，得到西北“水三线”地区耕地自然适宜性评价结果。

2.2.2 西北“水三线”地区潜在耕地资源开发生态风险评价

西北“水三线”地区潜在耕地资源的开发需在适宜性基础上考虑其生态风险，即生态适宜性。自然质量较好的潜在耕地资源并不意味着这些土地开发的低风险性，因此需要考虑开发的生态安全问题。西北“水三线”地区干旱少雨，耕地资源开发利用和农业可持续发展不仅要考虑土壤侵蚀、荒漠化对生态环境的影响[24-25]，还要考虑土地生态系统本身结构异质性而产生对外界干扰抵抗能力的差异[26-27]。由此，本文基于土地利用结构的生态风险、土壤侵蚀风险和土地荒漠化风险3个方面对“水三线”地区潜在耕地资源开发生态风险进行评估。

土地利用类型的形状、比例和空间配置是各种生态过程在不同尺度上作用的结果，是土地生态系统自身安全性的风向标。生态风险强度指数即土地利用空间结构中所蕴涵的生态风险的度量[28-29]。基于此，采用基于土地利用结构的生态风险指数模型，采用与自然适宜性评价中相似的方法，对各地类的生态风险权重进行问卷调查，利用层次分析法对每种土地利用类型开发的生态风险权重进行赋值（表3）。计算公式如下：

式中ERI为土地利用结构生态风险指数；A为第种土地利用类型面积，km2；为总面积，km2；W为第种土地利用类型所反映的生态风险指数权重（表3）。

表3 不同土地利用类型生态风险权重

土地荒漠化风险根据现有西北“水三线”地区2015年NDVI分布数据，基于像元二分模型，采用[5%,95%]作为置信区间，选取最大值和最小值用式（3）估算其植被盖度，并由植被盖度按式（4）计算表征荒漠化风险程度的荒漠化指数[30-31]。土壤侵蚀风险由土壤侵蚀模数表示，土壤侵蚀模数越大，表示该区域土壤侵蚀风险越大。

式中VCI为植被覆盖度，NDVIsoil为裸土NDVI值，NDVIveg为纯植被NDVI值，由于没有实测植被盖度数据，本文用研究区NDVI最小值代替NDVIsoil，最大值代表NDVIveg，DI为荒漠化指数。

采用六边形格网分别对土地利用结构风险、荒漠化风险、土壤侵蚀风险3类风险的空间分布进行采样，并将各类风险采样值按照极值法进行标准化处理，各单项风险权重由熵权法赋权。对各类风险指数进行加权求和，计算各采样点生态风险综合指数。计算公式如下：

式中为区域生态风险综合指数；P为归一化处理后的单项生态风险指数。

利用ArcGIS工具对潜在耕地资源开发生态风险指数按照克里金插值法进行空间连续化处理，并按自然间断点法将插值结果分为4个等级（安全<0.061、较安全0.061～0.073、较不安全0.073～0.098、不安全>0.098），并结合生态红线表示潜在耕地资源的开发生态风险程度。

3 结果与分析

3.1 西北“水三线”地区耕地现状

西北“水三线”地区2000、2005、2010、2015、2018年耕地面积分别为23.16万、23.67万、25.15万、25.96万、26.02万km2，呈上升趋势。耕地面积占整个研究区面积的7.5%，远低于同年14.9%的全国平均耕地面积比重，因此，仍西北地区仍存在很大的开发潜力。2005－2010年耕地面积增长最为明显，增加1.48万km2。西北“水三线”地区耕地的分布与耕地的空间变化均呈明显的东西分异特征，耕地面积增多的地区主要沿环准噶尔盆地和环塔里木盆地分布；河西走廊西部地区和河套平原边缘地区也有少量分布。耕地面积减少的地区主要在黄土高原地区、河套地区中西部和内蒙古前套地区，呈离散分布（图2）。

3.2 不同情景下潜在耕地资源适宜性等级及空间分布

旱地农业情景下（即考虑降雨的限制，以降雨和积温作为水热条件），“水三线”地区适宜的（勉强适宜及以上）的地区集中分布在350 mm等降水量线以东的河套平原的前套地区且面积极少，仅0.21万km2，约占整个“水三线”地区总面积的0.06%。高度适宜的潜在耕地资源主要分布在河套平原的前套地区，中度、勉强适宜的潜在耕地资源在其周围零散分布（图3）。

灌溉农业情景下（即以灌溉密度和积温作为水热条件），“水三线”地区适宜的（勉强适宜及以上）的范围向该地区中、西部延伸，主要分布在准噶尔盆地及塔里木盆地四周、河西走廊及内蒙古半干旱草原区，约10.6万km2，约占“水三线”地区总面积的3.1%。在此情景下，高度适宜的潜在耕地资源主要在新疆，多分布在阳关线以西的地区，沿塔里木盆地、准噶尔盆地呈环状分布，约3.0万km2；中度适宜的潜在耕地资源分布较为广泛，主要分布在新疆、甘肃的河流及绿洲两侧及内蒙古半干旱草原，约4.8万km2；勉强适宜的潜在耕地资源主要分布在青海的柴达木盆地及内蒙半干旱草原，约2.8万km2（图3）。

3.3 西北“水三线”地区潜在耕地资源开发的综合潜力

通过对土地利用结构、土壤侵蚀、土地荒漠化3个方面分析西北地区潜在耕地资源的生态风险（图4），“水三线”地区开发生态风险指数较低的安全区域主要分布在奇策线以西及阳关线以东的地区；生态风险等级为较安全及较不安全区域主要分布在甘肃、青海及新疆地区的绿洲与荒漠交错带及外围区域；潜在耕地资源开发生态风险指数较高的不安全区域主要分布在新疆阿尔泰山、天山地区，塔里木河、黑河流域，青海黄河源区、阴山北麓及陕甘黄土高原丘陵沟壑区，这些地区是生态脆弱区以及重要生态功能区，土壤侵蚀问题严重，需要承担水土保持、防风固沙和水源涵养等生态功能，也属于全国主体功能区中的限制开发区。

为综合分析“水三线”地区潜在耕地资源开发的适宜性程度和开发生态风险。本文将研究区潜在耕地资源的适宜性分级结果和开发生态风险等级分布进行叠置并分级（表4），得到“水三线”地区2种情景下潜在耕地资源开发的综合开发潜力结果。

3.3.1 旱地农业情景下的潜在耕地资源综合潜力

在旱地农业情景下，“水三线”地区具备耕地开发潜力的面积约0.2×104km2，潜力一级的地区零散分布河套平原前套地区，约0.05×104km2；潜力二级的地区主要分布在内蒙古半干旱草原区，约0.11×104km2；潜力三级的地区零散分布在潜力二级土地周围（图5）。总体来看，潜在耕地资源中具备开发潜力（潜力一、二、三级）的土地面积主要分布在350 mm等降水量线以东的河套平原前套地区，而不具备开发潜力的潜在耕地资源在其他地区广泛分布，说明“水三线”地区在自然条件下满足粮食生产的潜力空间较小。旱地农业的产量波动问题是由于降水波动造成的，如果要达到稳产高产，同样需要旱地补灌和土壤改良等措施。

表4 “水三线”地区潜在耕地资源开发综合潜力分级

注：I：潜力一级；II：潜力二级；III：潜力三级；IV：潜力四级（无开发潜力）。

Note: I:Potential level 1; II: Potential level 2; III: Potential level 3; IV: Potential level 4 (No development potential).

3.3.2 灌溉农业情景下的潜在耕地资源综合潜力

在灌溉农业情景下，“水三线”地区潜在耕地资源中具备开发潜力的面积约9.5万km2。综合潜力为一级的土地有1.2万km2，主要分布在新疆天山北麓、克拉玛依市南部及额敏盆地和塔里木河沿岸。这些地区坡度较为平缓，没有明显的障碍因素。综合潜力为二级的土地有4.5万km2，其中在新疆农牧林区所占比例较大，主要呈环状沿准格尔盆地和塔里木盆地分布，哈密地区也有少量分布；其他潜力二级的土地主要分布在甘肃的疏勒河流域及民勤地区，内蒙古东部、鄂尔多斯北部黄河冲积平原、阴山以北及大兴安岭以西的草原地区。这些地区主要分布在中、高阶平原和丘陵坡地中，受地形影响较大，这部分土地土质较好，但有效灌溉条件一般，土层厚度较差、绝大部分地区存在一定的沙化、水土流失问题。综合潜力为三级的土地主要分布在内蒙古阴山山脉以北的草原地区、甘肃疏勒河流域外围和新疆北疆的北部，约3.8万km2，可作为补充耕地资源。

从潜在耕地资源开发的综合潜力面积比重来看，最适合进行耕地开发的综合潜力一级面积仅占“水三线”地区总面积的0.3%，且多分布在天山北侧和塔里木河两侧水热条件较好的绿洲和平原上。综合潜力较低，开发具有一定难度的潜力二级、三级土地占“水三线”地区总面积的2.4%，不适合开发（禁止）的潜力四级的面积占“水三线”地区总面积的14.5%，多分布在生态脆弱、水资源匮乏的山区和荒漠地带。潜在耕地资源开发综合潜力评价结果表明，综合潜力一级的潜在耕地资源主要分布在新疆，占整个潜力一级面积的75.5%，另外西北5省（区）的潜力一级土地面积较少且分散；综合潜力二级的潜在耕地资源主要分布在新疆、内蒙、甘肃3省（区），比例分别为55.2%、23.7%、10.7%，青海、宁夏和陕西分布较少；综合潜力三级的潜在耕地资源主要分布在新疆和内蒙；综合潜力四级不适宜（禁止）开发的土地资源面积各省（区）均有分布，主要分布新疆、青海、内蒙和甘肃4省（区），比例分别为44.5%、25.8%、13.7%、12.0%，宁夏和陕西分布较少（表5、图5）。空间上可以看出，西北各省（区）的适合进行耕地开发的潜在耕地资源数量与不适合开发的土地资源数量的分布趋势几乎一致，均是由西向东逐渐减少。

表5 灌溉农业情景下潜在耕地资源综合潜力分级面积

4 讨 论

实施“藏粮于地”，关键在“地”，核心在“藏”。数量充足和高质量的耕地是基础。其中长期目标是提升土地粮食综合生产能力和农业可持续发展能力，确保粮食稳定供给。在中国耕地数量刚性减少，粮食需求不断增加的前提下，实施“藏粮于地”战略，不仅要做到高产田的稳产保育和中低产田的地力提升，还要做到后备耕地资源的补充，规划后备耕地资源已成为增加耕地面积的一个重要途径，是实现耕地动态平衡的现实手段。同时必须充分分析土地的适宜性和对生态的影响，对补充耕地做到严格的质量把关。本研究中，陕西、宁夏的主要农业区由于长久地耕作活动，潜在耕地资源非常短缺，但新疆地区仍具备较高耕地可开发潜力，虽然该地区许多潜在耕地资源的地力与现有耕地地力仍有差距，若在水利设施建设和土地改良等方面做到长远规划，在某些极端情况下（如1999－2003年中国粮食生产大萎缩、2007年世界粮食价格危机），通过采取工程或生物措施，提高易改良因子土地条件即可在短时间内以较小的投入获得较高的产出，从而保障中国的粮食安全。

根据评价结果，旱地农业情景下的适宜耕地面积为0.2万km2，并且90%的集中分布在水热条件较好的前套地区，具备灌溉条件，因此这部分土地可以按照灌溉农业考虑粮食生产估算。另外，西北地区灌溉农业情景综合潜力较好的土地有机质普遍较低，在未来条件具备的情况下，可以考虑土壤改良，增加有机质，使其达到现有的灌溉农业或者绿洲农业耕地土壤条件。鉴于此，估算潜在耕地的粮食生产潜力按照现有灌溉农业实际粮食单产进行，西北“水三线”地区粮食生产潜力可达到6 089.6万t，其中新疆粮食生产潜力3 473.0万t，占比达57%，内蒙古、甘肃、青海、宁夏、陕西粮食潜力分别为1 408.2万、860.6万、274.8万、59.1万、14.0万t。陕西、宁夏农业活动历史悠久，潜在耕地资源较少，可对现有耕地进行高标准农田建设，提升耕地地力等措施提高粮食增产潜力。

通过对整个西北“水三线”地区进行耕地适宜性评价，本文从全局上了解西北地区潜在耕地资源的潜力分布情况。但是没有考虑到由于复杂的自然条件，不同地区实际农业生产方式的差异。这一点应在以后研究中细化，通过实现作土垂直关系的匹配，针对不同区域的作物类型及种植结构的差异，将作物生长要求与当地土壤能力相结合，使大尺度空间耕地适宜性综合评价细化为作物种植适宜性研究作为探索的方向，从而为当地潜在耕地资源的开发提供更加具体和实际的指导。数据的可获得性使影响大尺度大空间耕地适宜性综合评价的重要因素。本研究为保证评价地类的范围和空间分布尽量精确，以土地利用数据栅格单元为基准，基本空间单元为30 m×30 m，本研究立地条件原始数据分辨率为90 m，且采用的世界灌溉地图为10 km×10 km，在进行叠加运算前，将其重采样成30m×30 m栅格，每个栅格数据的准确度会降低，影响评价结果。

5 结 论

本文分析了2000－2018年现有耕地时空变化，综合西北“水三线”地区潜在耕地资源的适宜性与开发生态风险，评价了旱地农业和灌溉农业两种情景下西北“水三线”地区的耕地开发综合潜力，主要结论如下：

1）西北地区耕地面积仅占7.5%，远低于同年14.9%的全国平均耕地面积比例，因此，西北地区仍存在很大的开发潜力。

2）西北“水三线”地区在不同农业情景下，潜在耕地资源在空间分布与面积上差异明显。在仅靠天然降雨，没有任何人工干预的情况下，即旱地农业情景，“水三线”地区潜在耕地资源综合潜力较高的面积约0.2万km2，主要分布在水热条件较好的河套平原的前套地区。灌溉农业情景下，具备耕地开发潜力的面积约9.5万km2，其中最适合进行耕地开发利用（潜力一级）的面积为1.2万km2，约占“水三线”地区总面积的0.3%，主要分布在天山北麓及塔里木河沿岸。潜力二级和潜力三级的潜在耕地资源面积分别为4.5万和3.8万km2，占“水三线”地区面积的1.3%和1.1%。这些土地的开发利用必须考虑引水灌溉、土壤改良和一些必要的工程措施才能实现作物生产，主要分布在新疆地区的环准噶尔盆地边缘、环塔里木盆地边缘的河流两侧的绿洲；甘肃疏勒河流域和民勤的农业绿洲区；河套平原的前套地区及阴山以北的半干旱草原。“水三线”地区适宜开发潜在耕地资源多分布在人口密集、生态较为脆弱的河流两侧及平原、盆地地区，水资源是潜在耕地开发的主要的制约因素，并且需要注意潜在的土壤侵蚀和荒漠化风险，优化土地利用结构。

总之，西北“水三线”地区人口与土地、资源和环境的矛盾一直存在，并且将长期影响该地区粮食安全战略的实施。提升粮食综合生产能力和农业可持续发展能力是“藏粮于地”战略的核心。西北地区可开发耕地潜力巨大，为确保耕地红线，有必要建设一批数量质量并重的高标准农田，扩大跨流域调水规模。潜在耕地资源要坚持“以水定地”，合理有序、适当规模、集约节约利用，避免开发对生态环境造成大的破坏，加强环境保护和生态风险预警，确保各种可能的不稳定因素下的粮食安全，有助于进一步科学规划水资源利用方式和合理布局耕地资源。

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Evaluation of arable land suitability and potential from the perspective of “Food Crop Production Strategy based on Farmland Management” in northwest China

Bi Wei1, Dang Xiaohu2※, Ma Hui3, Deng Mingjiang4, Li Peng5,6, Cao Xiaoshu7, Shi Peng5,6

(1. College of Geomatics, Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710055, China; 2. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710055, China; 3. Yanchang County Forest Fire Prevention Headquarters Office, Yan'an 717199, China; 4. Xinjiang Ertix River Basin Development Engineering Construction Management Bureau, Urumqi 830000, China; 5. Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi'an 710055, China; 6. Key Laboratory of National Forestry Administration on Ecological Hydrology and Disaster Prevention in Arid Regions, Xi'an 710055, China; 7. Academy of Natural Resources and Territorial Space / Key Laboratory for Urbanization and Environment Simulator in Northwest China, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China)

Arable land in China is relatively scarce in terms of per capita, less than 40% of the world average. A large potential land area can be found for food production in Northwestern China, particularly with a low population density and relatively nice natural conditions. Therefore, it is necessary to identify the amount and spatial distribution of suitable land resources, thereby determining optimal cultivated land use for food production in China. In this study, a feasible model was established for the arable land resources to evaluate naturally suitable land potential for the cultivation, combining the comprehensive index method with limiting conditions and spatial analysis in geographic information system (GIS) from the standpoint of the suitability of land cultivation. 10 indicators were chosen from 4 factors in a multi-source raster dataset, including topography, hydrothermal, edaphic and ecological condition. The hydrothermal condition served as the baseline to distinguish the scenario of dryland and irrigated agriculture in different planting modes. An evaluation model of ecological risk was also established, including the risk of land use, soil erosion, and land desertification. The ecological security caused by land development was considered, where the potential arable land with better natural quality cannot partially assume the low risk of land development. Finally, the quantity, quality and spatial pattern of potential lands were assessed available for cropland, integrating the natural suitability with the ecological risk for cultivation. The results indicated that: 1) There was an obvious east-west differentiation in the distribution and spatial change of cultivated land in Northwest China. Specifically, the increasing area of arable land was distributed mainly in Xinjiang, whereas, the decreasing area was in Loess Plateau. 2) In dryland agriculture, the potential cultivated land was distributed mostly in the Tumochuan Plains on the south side of the Yinshan Mountains, where the specific area was about 0.2×104km2, accounting for 0.06% of the total area of Northwest China. In irrigated agriculture, the most suitable land resource for cultivation was distributed mainly at the northern foot of Tianshan Mountain and the oasis along the Tarim River Basin, where the area was about 9.5×104km2, accounting for 2.75% of the total area of Northwest China. Some land resources were required for the inevitable irrigation and soil improvement when planting crops, which were distributed mainly in arid inland areas, such as northern piedmont of the Tianshan Mountains, Tarim River basin, Shule River basin and eastern Inner Mongolia. There was a great potential for arable lands, if the irrigation water source was available, while the appropriate soil improvement measures were implemented in the future. The finding can facilitate the further scientific planning of water use and rational development layout of cultivated land resources, thereby relieving current land pressure for a better ecological environment.

models; suitability evaluation; ecological risk; northwest China; “Three Water Lines” strategy; potential arable land resources; Food Crop Production Strategy based on Farmland Management

2020-12-12

2021-03-07

中国工程院咨询研究项目（2020-XZ-15）；十三五国家重点研发计划课题（2016YFC0501707）

毕玮，研究方向为土地利用评价与可持续研究。Email：biwei1995@126.com

党小虎，博士，教授，研究方向为生态恢复，水土保持与生态经济。Email：dangxh2018@xust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029

P964

A

1002-6819(2021)-07-0235-09

毕玮，党小虎，马慧，等. “藏粮于地”视角下西北地区耕地适宜性及开发潜力评价[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：235-243. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029 http://www.tcsae.org

Bi Wei, Dang Xiaohu, Ma Hui, et al. Evaluation of arable land suitability and potential from the perspective of “Food Crop Production Strategy based on Farmland Management” in northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 235-243. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.029 http://www.tcsae.org