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西北干旱区不稳定耕地概念与分类研究——以新疆昌吉州为例

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

张红旗,1, 李达净1,21.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室,北京100101
2.中国科学院大学,北京 100049

Concept and classification of unstable farmland in arid area ofNorthwest China: A case study of Changji Prefecture, Xinjiang

ZHANG Hongqi,1, LI Dajing1,21. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

收稿日期:2020-09-7接受日期:2021-01-11网络出版日期:2021-03-10
基金资助:国家自然科学基金项目.41561070


Received:2020-09-7Accepted:2021-01-11Online:2021-03-10
作者简介 About authors
张红旗(1963-),男,黑龙江佳木斯人,博士,研究员,博士生导师,研究方向为土地资源评价与土地资源空间优化配置、土地利用变化及其环境效应、土地利用可持续管理等。E-mail: zhanghq@igsnrr.ac.cn




摘要
厘清西北干旱区不稳定耕地的资源清单对于维持区域生态平衡至关重要。当前,全国对不稳定耕地的定义和分类比较笼统,难以突出西北干旱区不稳定耕地的特征。本文阐明了西北干旱区不稳定耕地的概念,并根据不稳定因素构建了分类体系。同时以昌吉州为例,分析不稳定耕地的数量、质量与空间分布。结果表明:① 昌吉州不稳定耕地面积为14.56万hm2,占耕地总面积的22.37%。生态不稳定型、生产不稳定型、混合不稳定型和社会经济不稳定型分别占不稳定耕地总面积的36.54%、34.03%、17.94%和11.49%。② 昌吉州不稳定耕地以低等地为主,四至六等地合计占不稳定耕地总面积的79.96%。研究结果可为西北干旱区不稳定耕地的深入理解提供参考,同时为案例地区耕地资源的有效管理提供科技支撑。
关键词: 不稳定耕地;概念;分类体系;西北干旱区

Abstract
It is essential to clarify the resource list of unstable cultivated land for maintaining ecological balance, ensuring regional food security and promoting the sustainable development of economy and society in the arid areas of Northwest China. At present, the definition and classification of unstable cultivated land in China is relatively general, and the resource endowment of different regions is quite different, so it is difficult to highlight the characteristics of unstable cultivated land in the arid areas of Northwest China with a national standard classification system. In this paper, the connotation and concept of the unstable cultivated land in the arid areas of Northwest China were expounded, and the classification system was constructed according to the unstable factors. Taking Changji Prefecture as a typical case, this paper analyzed the quantity, quality and spatial distribution of unstable cultivated land. The main results are as follows. (1) The definition of unstable cultivated land in the arid areas of Northwest China is as follows: limited by ecological factors (desertification, soil salinization, etc.), or production factors (water, soil, etc.), or socio-economic factors (location, farmland infrastructure, etc.), it is difficult to stabilize production, and continuous cultivation will threaten ecological security of cultivated land ecosystem and surrounding environment, and there is uncertainty in the follow-up land use types. Unstable cultivated land can be divided into four types: productive unstable type, ecological unstable type, socio-economic unstable type and mixed unstable type. (2) The area of unstable cultivated land was 14.56 ten thousand hm2 in Changji Prefecture, accounting for 22.37% of the total cultivated land area. Ecological unstable type, productive unstable type, mixed unstable type, and socio-economic unstable type accounted for 36.54%, 34.03%, 17.94% and 11.49% of the total area of unstable cultivated land, respectively. (3) The unstable cultivated land was mainly at low-grade level in Changji Prefecture, and the fourth to sixth grade cultivated land accounted for 79.96% of the total area of unstable cultivated land. Our results are of great significance for the deep understanding of the unstable cultivated land in the arid areas of Northwest China, and provide scientific support for the effective management of cultivated land resources in the case area.
Keywords:unstable farmland;concept;classification system;arid areas of Northwest China


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本文引用格式
张红旗, 李达净. 西北干旱区不稳定耕地概念与分类研究——以新疆昌吉州为例. 地理研究[J], 2021, 40(3): 597-612 doi:10.11821/dlyj020200846
ZHANG Hongqi, LI Dajing. Concept and classification of unstable farmland in arid area ofNorthwest China: A case study of Changji Prefecture, Xinjiang. Geographical Research[J], 2021, 40(3): 597-612 doi:10.11821/dlyj020200846


编者按: 干旱区绿洲生态环境脆弱,近年来随着耕地超限扩展与水资源过度利用,使得绿洲耕地的可持续利用与区域生态安全面临更多挑战。新疆昌吉州属典型的绿洲灌溉农业区,其耕地资源利用中的稳定性、质量变化和生产与生态的矛盾在干旱区具有代表性。本刊特邀中国科学院地理科学与资源研究所的张红旗研究员,组织 “绿洲耕地可持续利用”专栏。5篇文章以昌吉州为案例研究区,深入探讨了干旱区不稳定耕地的概念及分类体系、水资源约束下的耕地适宜规模、生态退耕空间优化及权衡、耕地土壤肥力时空变异与提升等问题,力争在绿洲耕地可持续利用的理论与实践研究上有所拓展。

1 引言

不稳定耕地一词最早在第二次全国土地调查中提出,其基本理念是由于自然或生态条件限制不能长期耕种的土地[1]。这类耕地生产的稳定性较低,且长期耕种可能对生态环境造成破坏,部分土地经营者会选择主动弃耕[2]。与以耕地修养生息为目的的休耕不同,不稳定耕地与弃耕地的相互转化存在时间与空间的不确定性。不稳定耕地的存在不仅使单位耕地的综合生产力降低,而且会干扰国家维护粮食安全与耕地红线保护政策的制定与实施,维持区域生态平衡的难度加大。

西北干旱区土地沙漠化和盐渍化问题严峻[3,4,5],耕地的稳定生产对于维持生态平衡意义重大。近年来,在全国耕地呈减少趋势的背景下,西北干旱区耕地呈增加趋势[6],新增耕地中即包括了相当比例的不稳定耕地。脆弱环境下不稳定耕地的长期耕种将对农田生态系统及周边生态环境造成威胁。如塔里木盆地南缘的策勒县大面积农田被风沙蚕食,县城曾3次因为被风沙侵袭而搬迁[7];天山北坡的奇台县地下水超采区面积占平原总面积的比例高达85.39%,且近八成的地下水用于农业灌溉,导致沙丘每年以2.5~2.8 m的速度向绿洲推进[8,9];甘肃民勤县石羊河尾闾青土湖一带,地下水超采咸化导致几十万亩耕地弃耕,大面积沙化,农民成为生态难民[10]。西北干旱区生态脆弱,不稳定耕地比例较其他区域高,厘清西北干旱区不稳定耕地的数量、类型及空间分布,对于保证农业正常生产与维护生态环境具有重要的实践意义。

当前,不稳定耕地尚未作为一种单独的地类提出,其概念也缺乏统一明确的定论。随着不稳定耕地调查工作的推进,已有少数****对不稳定耕地的内涵进行探讨[11],并对不稳定耕地展开进一步研究,如厘清不稳定耕地的空间分布、分析不稳定耕地退耕可行性[12]、评估不稳定耕地后续利用影响[13]、探讨不稳定耕地产生原因等[14,15]。在不稳定耕地的分类方面,全国土地利用二次调查将不稳定耕地分为5类:“位于河道防洪泄洪区内、位于湖泊防洪泄洪区内、林区内林业职工自行开垦、草原过度开垦以及受土地荒漠化、沙化及其他因素影响”,西北干旱区近70%的不稳定耕地归属于最后一类[12]。但是,全国的分类体系较为笼统,且不同地区的资源禀赋差异较大,不稳定耕地的分类体系应分区建立,尤其是生态脆弱区更应建立一套符合其地域特征的分类体系。在以往研究中,西北干旱区不稳定耕地的概念尚不明晰,且较少考虑社会经济因素对不稳定耕地的影响,以现有的全国分类标准不能准确掌握其不稳定耕地的数量、质量、分布及其成因,而此类耕地的长期存在将对原本脆弱的生态环境造成威胁。因此,阐明西北干旱区不稳定耕地的概念,建立一套可操作性强的不稳定耕地分类体系具有重要的科学意义。

本研究从确定西北干旱区不稳定耕地的概念与内涵出发,充分考虑影响耕地的生产、生态和社会经济因素,构建不稳定耕地的分类体系。同时,以具备西北干旱区典型特征的昌吉州为具体案例,依据大量地理环境信息和实测数据,分析区内不稳定耕地的数量、质量及其空间分布,旨在促进对西北干旱区不稳定耕地的认知,为类似区域制定耕地合理利用与生态环境保护政策提供参考。

2 西北干旱区不稳定耕地的概念与分类

2.1 西北干旱区不稳定耕地概念界定

近几十年来,西北干旱区在经济发展的驱动下耕地面积不断扩张,如新疆耕地面积从1990年的652万hm2增加至2018年的901万hm2。在当前现有耕地中,部分耕地因灌溉条件差、土壤盐渍化、交通不便利等问题难以稳定生产。在后续土地利用中,这些耕地可能会陆续弃耕或退耕转为其他地类,是介于耕地和非耕地的不稳定地类。《全国耕地后备资源调查评价技术方案》(简称《技术方案》)将“二次调查成果中,处于林区、草原以及河流湖泊最高洪水位控制范围内和受沙化、荒漠化等因素影响的耕地”界定为不稳定耕地[16]。由此可以看出,不稳定耕地当前以耕地形式存在,主要受自然、生态等因素限制,未来能否长期耕作存在不确定性。

事实上,造成耕地不稳定的因素不仅包括自然和生态因素,社会经济因素的影响仍然不容忽视。参考《技术方案》对不稳定耕地的宏观界定,本文根据西北干旱区的特点,将区内不稳定耕地定义为:西北干旱区内由于一定程度的土地沙漠化、土壤盐渍化、土壤侵蚀和地下水超采等生态因素,或水、土和坡度等生产因素,或区位、农田基础设施等社会经济因素限制不能进行稳定生产,继续耕种会威胁农田生态系统以及周边环境的生态安全,后续用地类型存在不确定性的耕地。该定义包含以下四方面内容:① 位于西北干旱区内当前以耕地形式存在,由于生产因素、生态因素或社会经济因素限制,或为维持区内生态安全后续可能被弃耕或退耕还草、还林、还水的土地。② 生态因素限制包括两个层面:一是当前耕地面临的生态问题严重到一定程度,已经威胁作物的正常生长,如土壤沙化或盐渍化是导致西北干旱区耕地弃耕或生产力低下的主要生态问题;二是耕地自身系统脆弱且周边非耕地类生态系统稳定性差,已经造成生态环境问题,或继续耕种可能造成生态环境问题,如沙漠边缘依靠打井灌溉的耕地难以长期维持并较易破坏生态平衡。③ 生产因素限制,指由于耕地本身的水分供给、宜耕性较差难以稳定生产,如灌溉难以保证、土层较薄的区域不宜耕种。④ 社会经济因素是撂荒的主要驱动力,如农田基础设施不配套、位置偏远的耕地撂荒现象频发。

2.2 西北干旱区不稳定耕地分类

2.2.1 分类原则

(1)根据造成耕地生产、生态或社会经济的不稳定因素进行分类。全国二次土地利用调查主要基于耕地的空间位置对不稳定耕地进行分类,如位于河道防洪泄洪区、湖泊防洪泄洪区、林区、草原等。本文基于影响耕地生产、生态或社会经济的不稳定因素进行分类,可直观展示不稳定耕地的成因。

(2)突出不稳定因素的主要限制性。生产限制是不稳定耕地的基础,所有不稳定耕地均不能稳定生产。但部分不稳定因子可从生产、生态和社会经济多方面共同制约作物生长,在分类时本文重点考虑主要限制因素,尽可能让各类不稳定因子隶属于生产、生态和社会经济三种限制之一。如土壤侵蚀可从生态环境和土壤肥力两方面限制作物生长,但生态因素是不稳定的主因,因此土壤侵蚀的分类应为生态不稳定型。再如排水能力可从土壤透气性(生产)和土壤盐渍化(生态)两方面影响农作物生产,但其对作物生长的主要制约为生产因素,因此排水能力划分为生产不稳定型。

(3)考虑多种不稳定因素的交叉性。尽管本文将不稳定因素归类为生产、生态或社会经济中的一种类型,但在空间制图过程中,本文充分考虑多种不稳定类型的空间叠加情况。例如,某一地块受灌溉能力(生产不稳定型)和坡度(生产不稳定型)共同影响,此类不稳定耕地的一级类仍为生产不稳定型;再如某一地块受灌溉能力(生产不稳定型)和沙化风险(生态不稳定型)共同制约,此类不稳定耕地的一级类应划分为混合不稳定型。

(4)突出西北干旱区特征。本文从区域尺度对不稳定耕地进行分类,类型划分时既包括坡度、有效土层厚度等全国尺度上影响耕地适宜性的因素,同时充分考虑西北干旱区降水稀少、对灌溉依赖大、毗邻沙漠、生态环境脆弱等特征划分不稳定类型。

2.2.2 分类体系 基于上述分类原则,本文从耕地的不稳定因素出发建立不稳定耕地的分类体系(见表1)。该分类体系共包括两级分类:第一级由生产不稳定型、生态不稳定型、社会经济不稳定型和混合不稳定型构成。第二级在第一级的基础上进一步细化,生产不稳定型包括灌溉能力不稳定型、排水能力不稳定型、坡度不稳定型、有效土层厚度不稳定型以及以上四种类型的多种组合;生态不稳定型包括地下水埋深不稳定型、沙化风险不稳定型、土壤盐渍化不稳定型、土壤侵蚀不稳定型以及上述四种类型的多种组合;社会经济不稳定型包括交通可达性不稳定型、产量期望不稳定型、农田基础设施不稳定型以及上述三种类型的多种组合;混合不稳定型则根据各地区的实际情况而定。

Tab. 1
表1
表1西北干旱区不稳定耕地分类及提取原则
Tab. 1Classification and extraction principle of unstable farmland in arid area of Northwest China
一级二级提取原则
生产不稳
定型
灌溉能力不稳定型灌溉能力=不满足且年均降水量<350 mm
排水能力不稳定型排水能力=不满足
坡度不稳定型坡度>6°
有效土层厚度不稳定型有效土层厚度<40 cm
生态不稳
定型
地下水埋深不稳定型地下水埋深<1.2 m;水源类型=地下水且埋深>200 m
沙化风险不稳定型
与沙漠距离<5 km且满足后面三个条件之一:① 土壤类型=风沙土;② 水源类型为地下水;③ 农田防护林体系不完善
土壤盐渍化不稳定型耕层含盐量>6 g/kg
土壤侵蚀不稳定型土壤侵蚀模数>2500 t/(km2·a)
社会经济
不稳定型
交通可达性不稳定型与村庄距离>5 km
产量期望不稳定型实收产量/目标产量<0.5
农田基础设施不稳定型农田基础设施=不满足
混合不稳
定型
通过对生产不稳定型、生态不稳定型和社会经济不稳定型的二级类进行空间叠加提取,如灌溉能力+交通可达性不稳定型
注:①本文将灌溉能力、排水能力和农田基础设施分为四个级别,分别为充分满足、满足、基本满足和不满足。在此基础上,将灌溉能力、排水能力和农田基础设施不满足农业生产需求的耕地纳入不稳定耕地。②目标产量为专家指导农户科学施肥过程中,根据作物品种产量潜力和土壤的生产能力为农民推荐的产量指标;实收产量为实际收获的产量。

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(1)生产不稳定型。灌溉能力不稳定型。一般来讲,降水量大于350 mm的地区天然降水已可满足旱作农业需求,而天然降水小于350 mm的地区无灌溉则无农业[1]。西北干旱区降水较少,灌溉农业是农业生产的主要方式,因此灌溉能力是西北干旱区耕地是否稳定的主要因素之一。以新疆为例,2018年耕地灌溉面积占全疆耕地总面积的93.16%[17],可见灌溉保证情况对于耕地的稳定性至关重要。在灌溉能力和天然降水均难以满足农业生产的地区,耕地难以进行稳定生产。参考《技术方案》中不宜耕评价指标表,本文将西北地区灌溉条件难以满足作物生长且年均降水量小于350 mm的耕地纳入不稳定耕地范畴。

排水能力不稳定型。灌溉能力从水分来源揭示耕地生产的稳定性,而排水能力从水分去路识别耕地能否稳定生产。西北干旱区农业生产需要灌溉用水补给,完善的排水体系对于淡水洗盐至关重要,有灌无排或排水不足将导致潜水位上升、地下水矿化度增高,引发土壤次生盐渍化[18],不仅制约耕地的稳定生产,同时使得本就脆弱的西北干旱区生态平衡受到干扰。同时,水分过多还将导致土壤呼吸作用减弱,最终造成耕地减产。因此,本文将排水能力难以满足农业生产的耕地归为不稳定耕地,其生产限制是作物正常生长的关键,本文将其归为生产不稳定型。

有效土层厚度不稳定型。作物根系随土层厚度的增加而逐步扎深,吸收养分和水分,有效土层越厚越适合作物生长。西北干旱区降水稀少、雨季短且主要集中在夏季,土层需达到一定厚度才能储备充足的水分,满足作物的生产需求。《技术方案》中认为北方土层小于60 cm且无客土土源的耕地不宜耕,课题组在新疆实地调研发现部分土层在40~60 cm的耕地仍有棉花耕种,且长势较好产量较稳定。因此,结合西北干旱区实际情况,本文将有效土层厚度小于40 cm的耕地归类为不稳定耕地。

坡度不稳定型。西北干旱区绿洲多分布在地势相对平坦的区域,本文虽将坡度纳入不稳定耕地的考量因素,但与其他类型相比影响相对较小。坡度越大,耕地的灌溉与排水设施较难铺设,耕地生产的稳定性越差。同时,坡度与水土流失相关性较大[19]。一般来讲,坡度大于6°即可发生中度水土流失。考虑到西北干旱区农业生产需要大量灌溉用水,为方便完善田间配套设施及避免水土流失,本文将坡度大于6°的耕地纳入不稳定耕地。需要指出的是,坡度从生产和生态两方面对作物生长产生影响,但生产方面限制较大,因此纳入生产不稳定型。

(2)生态不稳定型。地下水埋深不稳定型。地下水埋藏较浅时较易导致土壤积盐,作物生长受盐分胁迫较大。研究表明,土壤盐分累积速度随地下水深度的增加而减少,地下水埋深小于2~2.5 m时土壤积盐速度明显加快[20]。对于西北干旱区而言,地下水埋深大于1.2~1.5 m时,土壤盐渍化对作物生长影响较小[21]。因此,本文将地下水埋深小于1.2 m的耕地归为不稳定耕地。与此同时,西北干旱区地下水补给较少,对于无地表水源的耕地,长期抽取地下水进行灌溉将导致地下水超采,增加土壤盐渍化和沙化风险,能否继续耕种存在不确定性。根据西北干旱区实际情况,一般认为埋深大于200 m为深层地下水,小于200 m为浅层地下水[22]。因此,本文将水源为地下水且地下水位埋深大于200 m的耕地一并归为不稳定耕地。

沙化风险不稳定型。近些年来,随着人类活动面积的增加,绿洲规模逐渐扩张。一般来讲,距离沙漠越近,耕地沙化风险越大。沙漠边缘土壤类型多为风沙土,土层较薄,土壤含水量、有机质含量均较低。这部分耕地毗邻沙漠,生态脆弱,受风沙活动影响极易沙化,弃耕现象频发,对农业生产以及周边生态带来严重威胁,后续用地类型存在较大的不确定性。因此本文将沙漠边缘5 km内且土壤类型为风沙土的耕地归为不稳定耕地。与此同时,沙漠边缘也是水资源匮乏和地下水超采的重点区域,沙漠边缘耕地打井灌溉势必造成地下水位大幅下降,灌区内部和农田外围的天然植被因长期缺乏水分尤其是地下水的补给,必将出现退化、衰败趋势,导致沙漠扩张,严重威胁耕地稳定生产。因此本文将沙漠边缘5 km内且水源为地下水的耕地一并归为不稳定耕地。此外,农田防护林可削弱风速,具有较好的防风固沙功能,其有无与完善程度对于绿洲农业生产至关重要,故本文将沙漠边缘5 km内无农田防护林网的耕地以及仅一面有林的耕地提取为不稳定耕地。

土壤盐渍化不稳定型。西北干旱区气候干燥,大面积耕地受不同程度盐渍化侵扰。土壤盐渍化将导致肥力下降,不利于作物生长。研究表明,当耕层含盐量大于3 g/kg时,作物生长开始受到轻微抑制;当耕层含盐量为(6~10)g/kg、(10~20)g/kg和大于20 g/kg时作物生长状况分别为受到一般抑制、生长困难和不能生长[10],耕地不能进行稳定生产。因此,本文将土壤盐渍化中度及以上(耕层含盐量大于6 g/kg)的耕地纳入不稳定耕地。

土壤侵蚀不稳定型。根据《2018年中国水土保持公报》,新疆和内蒙古的风力侵蚀面积分别占土地总面积的46.22%和42.49%,陕西水力侵蚀面积占土地总面积的30.92%[23]。土壤侵蚀导致耕地表层土壤养分流失,耕地产量低而不稳定,严重威胁农业及周边生态环境的可持续发展。因此,本文将土壤侵蚀中度及以上(土壤侵蚀模数大于2500 t/(km2·a))的耕地归为不稳定耕地。

(3)社会经济不稳定型。交通可达性不稳定型。耕地所在的区位是决定耕种收益的主要因素,距离村庄较远的耕地,农户的通勤距离较长,农业生产过程中人力物力的运输成本、耕种的时间成本均将增加,农业生产成本随之增加;在作物市场价格不变的情况下,农业生产利润随之降低。同时,前人研究表明随着与村庄距离的增加,耕地质量逐渐下降[24]。在此情况下,农户倾向于将生产资料投入到生产成本低且质量高的地块,而偏远耕地在利润的驱动下往往会选择主动弃耕,故本文将距村庄距离5 km以上的耕地提取为不稳定耕地。

产量期望不稳定型。耕地产出是撂荒的主要影响因子[25],由于西北干旱区作物种类多样,不同作物之间产量差异较大且不具有可比性,故本文用同一地块上农户实收产量与目标产量的差距来量化产量对耕地稳定性的影响。一般来讲,专家指导农户施肥时会为农户预估当年的目标产量,若某一地块的实收产量达到或超过农户的目标产量,农户继续耕种的概率较高;反之,若实收产量难以满足农户预设的产量期望值时,农户从该地块获得的经济收益较少。课题组在西北干旱区的实地调研表明,当实收产量不足目标产量五成时,农户继续耕种的积极性降低,撂荒的可能性较大,因此本文将此类耕地归为不稳定耕地。

农田基础设施不稳定型。农田基础设施是对土地平整情况、田间道路配套情况、农田生态防护情况、电力设施、水利设施、农产品存放场所等多项指标的综合考量。若农田基础设施完全配套,有利于粮食的稳产高产。反之,若农田基础设施不完善或无设施,则耕地往往产量低且抵抗自然灾害的能力弱,因此我门将农田基础设施难以满足农业生产的耕地纳入不稳定耕地。

(4)混合不稳定型。前已述及,本研究不稳定耕地的分类原则中充分考虑多种不稳定因素的空间叠加情况,因此存在由上述三种不稳定型中的两种或两种以上类型共同制约的现象,即混合不稳定型,混合不稳定型可根据研究区的实际情况生成。在计算过程中,上述三种不稳定型的面积需减去相应混合不稳定型的面积,即四种一级不稳定型面积占比之和为百分之百。

3 案例研究

3.1 研究方法

3.1.1 案例区选择及数据来源与处理 本文以新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州为研究案例区,其北部毗邻古尔班通古特沙漠,区域内为绿洲灌溉农业。光热资源充足,多年平均≥10℃积温为2900℃,年日照时数为2700 h,是粮食、棉花和番茄的主要生产基地。全州气候干燥,年平均降水量为190 mm,水资源是农业生产的主要限制。可以看出,昌吉州具备西北干旱区的典型特征。

本研究所使用的2018年土地利用数据、DEM数据来自中国科学院资源环境数据中心(http://www.resdc.cn/),空间分辨率均为30 m。土壤侵蚀数据来自国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn/)。有效土层厚度、灌溉能力、排水能力、水源类型、地下水埋深、土壤盐渍化、与村庄距离、农户实收产量与目标产量、农田基础设施等数据均来自2018年昌吉州耕地质量调查数据集,该数据集由昌吉州农业技术推广中心土壤肥料站提供,共包括昌吉州境内941个土壤采样点。为方便数据分析,所有数据的空间分辨率统一处理为30 m×30 m。此外,遥感解译的耕地数据包含沟渠等细小地物,其面积大于昌吉州实际耕地面积。为此,本文在遥感影像中选取样方扣除非耕地部分,计算样方内净耕地面积占遥感统计面积的比例,进而求取全州的净耕地面积,最终得到昌吉州净耕地面积为65.11万hm2(不含新疆生产建设兵团)。

3.1.2 不稳定耕地的质量评估 基于昌吉州的资源禀赋特征,本文选取11个评价因子评估昌吉州耕地资源质量(见图1),并根据特尔菲法-层次分析法确定各因子权重,将各评价因子加权求和最终得到不稳定耕地的质量。

图1

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图1不稳定耕地质量评价指标体系

Fig. 1Quality evaluation system of unstable farmland



3.2 昌吉州不稳定耕地数量、质量与分布

3.2.1 不稳定耕地一级类数量与分布 昌吉州共有不稳定耕地14.56万hm2,占昌吉州耕地总面积的22.37%。生态不稳定型和生产不稳定型是昌吉州不稳定耕地的主要组成部分(见表2图2),面积分别为5.32万hm2和4.96万hm2,分别占不稳定耕地总面积的36.54%和34.03%;其中生态不稳定型主要分布在毗邻沙漠、受生态因素影响较大的玛纳斯县北部、呼图壁县北部和奇台县北部,生产不稳定型分布在玛纳斯县西南部、呼图壁县中部、奇台县中部以及木垒县。昌吉州另有2.61万hm2的耕地受多种因素共同制约,为混合不稳定型,该类型占不稳定耕地总面积的17.94%,集中在阜康市东北部和木垒县。社会经济不稳定型的面积最小,为1.67万hm2,分布在呼图壁县东南部、昌吉市西部和奇台县东部。

Tab. 2
表2
表2昌吉州不稳定耕地一级类面积及比例统计
Tab. 2The area and proportion of first class of unstable farmland in Changji Prefecture
一级类面积(hm2占比(%)
生产不稳定型49560.1934.03
生态不稳定型53206.8536.54
社会经济不稳定型16738.7411.49
混合不稳定型26130.9117.94

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图2

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图2昌吉州不稳定耕地一级类空间分布

注:此图基于新疆维吾尔自治区自然资源厅标准地图(审图号:新S(2019)060号)绘制,底图无修改。
Fig. 2Spatial distribution of the first class of unstable farmland in Changji Prefecture



3.2.2 不稳定耕地二级类数量与分布

(1)生产不稳定型。生产不稳定型耕地以灌溉能力不稳定型为主(见表3图3),其面积为3.24万hm2,分别占不稳定耕地总面积和生产不稳定型耕地总面积的22.23%和65.33%,主要分布在玛纳斯县西南部、呼图壁县和木垒县。其中玛纳斯县和呼图壁县灌溉能力不稳定型耕地以滴灌为主,而木垒县灌溉能力不稳定型耕地无灌溉条件,主要依赖天然降水以及旱作农业措施维持作物生长。坡度不稳定型的面积也相对较大,为0.86万hm2,集中在吉木萨尔县南部和奇台县南部,这部分耕地以丘陵为主,不利于农作物耕种。有效土层厚度不稳定型的面积为0.70万hm2,分别占不稳定耕地总面积和生产不稳定型耕地总面积的4.81%和14.13%,集中在奇台县中部,这部分耕地有效土层厚度小于40cm,土壤储水能力较低,在水分短缺的西北干旱区不利于作物的稳定生产。昌吉州排水能力相对完善,排水能力不稳定型的面积仅为554.11 hm2,集中在玛纳斯县东南部。

Tab. 3
表3
表3昌吉州不稳定耕地二级类面积及比例统计
Tab. 3The area and proportion of secondary class of unstable farmland in Changji Prefectu
一级类二级类面积
(hm2
占不稳定耕地
总面积比例(%)
占一级类总
面积比例(%)
生产不
稳定型
灌溉能力不稳定型32380.0022.2365.33
坡度不稳定型8588.365.9017.33
有效土层厚度不稳定型7001.374.8114.13
灌溉能力+坡度不稳定型977.130.671.97
排水能力不稳定型554.110.381.12
灌溉能力+有效土层厚度不稳定型59.230.040.12
生态不
稳定型
沙化风险不稳定型25675.9317.6348.26
地下水埋深不稳定型11882.718.1622.33
土壤盐渍化不稳定型5344.483.6710.04
地下水埋深+沙化风险不稳定型5240.603.609.85
沙化风险+土壤侵蚀不稳定型3341.422.296.28
土壤侵蚀不稳定型1403.020.962.64
地下水埋深+沙化风险+土壤侵蚀不稳定型276.750.190.52
土壤盐渍化+土壤侵蚀不稳定型41.930.030.08
社会经济
不稳定型
交通可达性不稳定型6811.804.6840.69
产量期望不稳定型6253.094.2937.36
农田基础设施不稳定型3455.962.3720.65
产量期望+交通可达性不稳定型216.690.151.29
产量期望+农田基础设施不稳定型0.830.000.00
交通可达性+农田基础设施不稳定型0.380.000.00
混合不
稳定型
灌溉能力+农田基础设施不稳定型8708.345.9833.33
灌溉能力+坡度+农田基础设施不稳定型3084.462.1211.80
灌溉能力+交通可达性不稳定型2156.591.488.25
有效土层厚度+沙化风险不稳定型1917.241.327.34
灌溉能力+产量期望+农田基础设施不稳定型1848.491.277.07
灌溉能力+交通可达性+农田基础设施不稳定型1191.320.824.56
有效土层厚度+沙化风险+交通可达性不稳定型895.460.613.43
其它不稳定型(31种)6329.024.3524.22

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图3

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图3昌吉州不稳定耕地二级类空间分布

注:此图基于新疆维吾尔自治区自然资源厅标准地图(审图号:新S(2019)060号)绘制,底图无修改。
Fig. 3Spatial distribution of the second class of unstable farmland in Changji Prefecture



昌吉州生产不稳定型耕地另有两种多因素组合类型,分别为灌溉能力+坡度不稳定型和灌溉能力+有效土层厚度不稳定型。其中灌溉能力+坡度不稳定型的面积为977.13 hm2,占生产不稳定型总面积的1.97%,坡度较高的区域水利设施往往不完善,由于这部分耕地是昌吉州降雨相对较高的地区,年均降雨量约为330 mm左右,正常年景可保证作物生产,万亩起伏坡耕地已成为昌吉州的特色景观,但枯水年则威胁耕地生产。灌溉能力+有效土层厚度不稳定型的面积较小,仅为59.23 hm2

(2)生态不稳定型。生态不稳定型耕地中,沙化风险不稳定型面积最大(见表3图3),为2.57万hm2,分别占不稳定耕地总面积和生态不稳定型耕地总面积的17.63%和48.26%,主要分布在玛纳斯县北部、奇台县北部和木垒县西北部。其中玛纳斯县北部沙化风险不稳定型耕地位于沙漠边缘5km内且土壤类型为风沙土、防护林体系不完善,这部分耕地毗邻古尔班通古特沙漠,受风沙活动影响弃耕现象频发。奇台县北部和木垒县西北部的耕地位于沙漠边缘5 km内且水源为地下水,课题组在昌吉州实地调研发现,目前沙漠边缘禁采区仍有大量机井运转,包括位置偏远的木垒县雀仁乡沙漠边缘的井仍在使用,以前60 m的机井可打水40~50 m3,现在仅能打几立方水,地下水位下降情况仍未遏止,此类耕地若长期耕种沙漠化风险较大。

地下水埋深不稳定型的面积为1.19万hm2,占生态不稳定型耕地总面积的22.33%,主要分布在呼图壁县北部、玛纳斯县东南部和昌吉市西南部。其中呼图壁县北部的耕地地下水埋藏较深且仅依靠地下水灌溉,是地下水超采风险较大的区域,为避免耕地沙化及加剧生态恶化,退耕是这部分耕地的首要选择;玛纳斯县东南部和昌吉市西南部地下水埋深小于1.2 m,土壤盐渍化风险较大。土壤盐渍化不稳定型的面积为0.53万hm2,集中分布在玛纳斯县西部,玛纳斯县大量耕地因土壤盐渍化被迫弃耕[26],20世纪80年代位于玛纳斯境内的农八师由于土壤次生盐渍化而弃耕的面积达3.5万~4万hm2 [27]。昌吉州土壤侵蚀不稳定型分布在玛纳斯县北部,面积为0.14万hm2,这与该区域毗邻古尔班通古特沙漠有关,沙漠边缘地区降雨稀少,植被相对稀疏,防风固沙功能较弱,土壤侵蚀以风蚀为主,使得土地生产力下降。

从多因素影响来看,地下水埋深+沙化风险不稳定型面积相对较大,为0.52万hm2,占生态不稳定型总面积的9.85%,集中在呼图壁县北部,这部分区域地下水超采和沙漠化风险均较大,耕地生产稳定性较差,退耕是缓解生态压力的必然选择。与此同时,沙化风险+土壤侵蚀不稳定型、地下水埋深+沙化风险+土壤侵蚀不稳定型和土壤盐渍化+土壤侵蚀不稳定型的面积较小,介于41.93~3341.42 hm2且面积依次减少,占生态不稳定型总面积的0.08%~6.28%。

(3)社会经济不稳定型。在社会经济不稳定型方面,交通可达性不稳定型和产量期望不稳定型的面积相当(见表3图3),分别为0.68万hm2和0.63万hm2,分别占社会经济不稳定型耕地总面积的40.69%和37.36%。其中交通可达性不稳定型分布在奇台县北部和木垒县,且木垒县西部部分耕地与村庄的距离大于10 km,人力物力的运输成本较高,弃耕风险较大。产量期望不稳定型集中在奇台县东部,该区域种植制度为小麦-玉米轮作或小麦-大豆轮作,农户实收产量不足目标产量的五成,难以满足经济需求,往往会选择主动撂荒。农田基础设施不稳定型多与其他因素混合出现,单一因素影响面积相对较小,为0.35万hm2,占社会经济不稳定型总面积的20.65%,主要分布在吉木萨尔县南部和木垒县南部,这部分区域由于坡度较高,农田基础设施不完善,耕地较为不稳定。

社会经济不稳定型共有三种多因素组合类型,分别为产量期望+交通可达性不稳定型、产量期望+农田基础设施不稳定型和交通可达性+农田基础设施不稳定型,这三种组合类型面积均较小,分别为216.69 hm2、0.83 hm2和0.38 hm2,合计占社会经济不稳定型总面积的1.30%。

(4)混合不稳定型。基于ArcGIS空间叠加分析,昌吉州共有38种混合不稳定型耕地,面积为2.61万hm2(见图3)。其中7种类型的面积相对较大,单项占比大于3%,合计占比大于75%。灌溉能力+农田基础设施不稳定型和灌溉能力+坡度+农田基础设施不稳定型的面积较大,分别为0.87万hm2和0.31万hm2,分别占混合不稳定型耕地总面积的33.33%和11.80%,集中分布在木垒县。灌溉能力+交通可达性不稳定型、有效土层厚度+沙化风险不稳定型、灌溉能力+产量期望+农田基础设施不稳定型、灌溉能力+交通可达性+农田基础设施不稳定型和有效土层厚度+沙化风险+交通可达性不稳定型的面积依次减小,占混合不稳定型耕地总面积的比例介于3.43%~8.25%。其余31种混合不稳定型的面积相对较小,均在800 hm2以下,占比均在3.00%以下。

3.2.3 不稳定耕地质量与分布 昌吉州不稳定以五等地为主(见表4,图4见第609页),面积为5.60万hm2,占不稳定耕地总面积的38.43%,占全州五等地总面积的52.43%。四等地面积位列第二位,为3.78万hm2,分别占不稳定耕地总面积和四等地总面积的25.96%和21.38%。六等地面积为2.24万hm2,昌吉州46.19%的六等地为不稳定耕地。

Tab. 4
表4
表4昌吉州不稳定质量统计
Tab. 4The quality of unstable farmland in Changji Prefecture
类型等级面积
(hm2
占不稳定耕地
总面积比例(%)
占一级类
总面积比例(%)
占全州同等级
耕地比例(%)
生产不稳定型
一等地942.450.651.901.39
二等地2237.061.544.512.23
三等地5173.053.5510.443.42
四等地14818.3310.1729.908.38
五等地22688.7815.5845.7821.25
六等地3700.522.547.477.64
生态不稳定型
一等地944.570.651.781.39
二等地3199.232.206.013.20
三等地6040.104.1511.353.99
四等地10928.857.5020.546.18
五等地16228.1511.1430.5015.20
六等地15865.9510.8929.8232.74
社会经济不稳定型
一等地356.460.242.130.53
二等地2768.571.9016.542.77
三等地5697.773.9134.043.77
四等地6329.624.3537.813.58
五等地1336.610.927.991.25
六等地249.700.171.490.52
混合不稳定型
一等地207.920.140.800.31
二等地470.700.321.800.47
三等地1434.760.995.490.95
四等地5731.393.9421.933.24
五等地15719.8310.7960.1614.73
六等地2566.321.769.825.30

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图4

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图4昌吉州不稳定耕地质量分布

注:此图基于新疆维吾尔自治区自然资源厅标准地图(审图号:新S(2019)060号)绘制,底图无修改。
Fig. 4Spatial distribution of unstable farmland quality in Changji Prefecture



生产不稳定型五等地的面积最大,为2.27万hm2,分别占不稳定耕地总面积和生产不稳定型耕地总面积的15.58%和45.78%,主要为木垒县的灌溉能力不稳定型耕地;四等地的面积也相对较大,为1.48万hm2,以吉木萨尔县南部的灌溉能力不稳定型为主。从生态不稳定型来看,五等地和六等地的面积基本相当,分别为1.62万hm2和1.59万hm2,分别占生态不稳定型耕地总面积的30.50%和29.82%,主要为玛纳斯县北部、呼图壁县北部和奇台县北部的沙化风险不稳定型及其与地下水埋深不稳定型、土壤侵蚀不稳定型的混合类型。社会经济不稳定型中,四等地和三等地的面积相对较大,分别为0.63万hm2和0.57万hm2,二者合计占该类型耕地总面积的71.85%。其中四等地主要为呼图壁县东南部的交通可达性不稳定型和奇台县东部的产量期望不稳定型;三等地主要为昌吉市西北部和奇台县东部的产量期望不稳定型、吉木萨尔县南部的农田基础设施不稳定型。在混合不稳定型方面,五等地的面积较大,占该类型不稳定耕地总面积的60.16%,主要为位于木垒县的灌溉能力与农田基础设施的混合类型。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文阐明了西北干旱区不稳定耕地的概念,并从耕地的不稳定因素出发,构建了不稳定耕地的分类体系,制定了各类不稳定耕地的提取规则,初步绘制了昌吉州不稳定耕地的空间分布图。主要结论如下:

(1)本文将西北干旱区的不稳定耕地定义为受生态、生产或社会经济因素限制不能进行稳定生产,继续耕种会威胁农田生态系统以及周边环境的生态安全,后续用地类型存在不确定性的耕地。该区的不稳定耕地可分为生产不稳定型、生态不稳定型、社会经济不稳定型和混合不稳定型共四种类型。其中生产不稳定型包括灌溉能力不稳定型、排水能力不稳定型、坡度不稳定型以及有效土层厚度不稳定型,生态不稳定型包括地下水埋深不稳定型、沙化风险不稳定型、土壤盐渍化不稳定型以及土壤侵蚀不稳定型,社会经济不稳定型包括交通可达性不稳定型、产量期望不稳定型和农田基础设施不稳定型。

(2)昌吉州共有不稳定耕地14.56万hm2,占耕地总面积的22.37%,表明不稳定耕地对于当地国土安全和粮食安全影响较大。从一级分类来看,生态不稳定型、生产不稳定型、混合不稳定型和社会经济不稳定型面积分别为5.32万hm2、4.96万hm2、2.61万hm2和1.67万hm2,分别占不稳定耕地总面积的36.54%、34.03%、17.94%和11.49%。生态不稳定型主要分布在玛纳斯县北部、呼图壁县北部和奇台县北部,生产不稳定型和混合不稳定型主要位于木垒县,社会经济不稳定型集中在奇台县和木垒县。从二级分类来看,昌吉州不稳定耕地中灌溉能力不稳定型和沙化风险不稳定型的比例较高,分别占不稳定耕地总面积的22.23%和17.63%。其中灌溉能力不稳定型主要位于木垒县,沙化风险不稳定型主要分布在玛纳斯县北部和奇台县北部。

(3)从昌吉州不稳定耕地的质量来看,五等地、四等地和六等地分别占昌吉州不稳定耕地总面积的38.43%、25.96%和15.37%。生产不稳定型的45.78%为五等地,主要为木垒县的灌溉能力不稳定型;生态不稳定型中五等地和六等地分别占比30.50%和29.82%,主要为昌吉州北部的沙化风险不稳定型;社会经济不稳定型以四等地和三等地为主,二者合计占比71.85%;混合不稳定型中四等地和五等地合计占比87.52%。

4.2 讨论

(1)由于不稳定耕地是新提出的名词,其需要研究的科学命题较为广泛,相关研究仍处于起步阶段。近年来,社会各界对不稳定耕地的重视度逐渐增加,但****对西北干旱区不稳定耕地的内涵尚无统一定论,分类体系尚未完善。本文仅对西北干旱区不稳定耕地的分类体系进行初步探讨,以不稳定因素为核心进行不稳定耕地类型划分,在未来的研究中仍需进一步完善。

(2)与本文的分类依据不同,全国第二次土地调查根据不稳定耕地位置进行分类,因此本文提取的不稳定耕地空间分布有别于全国不稳定耕地调查评价成果数据库,可为土地利用决策者提供更多的参考信息。由于不同地区的资源禀赋具有明显的空间异质性,全国尺度的不稳定耕地分类难以突出区域耕地资源管理与利用的现实问题,本文为区域尺度上不稳定耕地分类提供了思路,其他地区可参考本文的分类原则,建立一套符合各地区实际情况的不稳定耕地分类体系,为当地耕地资源的有效管理提供支撑。

(3)本文以昌吉州为具体案例揭示其不稳定耕地的数量、质量及空间分布。昌吉州不稳定耕地占全州耕地总面积的22.37%,加大了当地制定耕地红线和生态红线的难度。昌吉州既具备西北干旱区的典型性,同时也有其自身的特殊性。其东部的木垒县由于地形限制灌溉条件较差,使得灌溉能力不稳定型在不稳定耕地中占比高达22.23%,这部分耕地因降雨量相对较大仍可勉强维持生产,但生产力较低。西北干旱区地势相对平坦,因此与昌吉州相比,西北干旱区尺度上灌溉能力不稳定型的比例将减少,生产不稳定型比例也相应减少,生态不稳定型比例则增加。

(4)就昌吉州生产不稳定型耕地而言,灌溉能力不稳定型应逐步退耕,耕地地力等级较高的一、二和三等地可暂时继续耕种。在生态不稳定型方面,为维持生态平衡应有序退耕,特别是昌吉州北部的沙化风险不稳定型耕地地力等级较低,继续耕种生态风险较大,应优先退耕。此外,应严禁在沙漠边缘开荒,控制沙漠边缘不稳定耕地的增加,同时严禁在沙漠边缘打井,继续封井退地。从社会经济不稳定型来看,政府应对此类耕地实现精准补贴、健全农业基础设施配套,充分调动农户种地积极性以减缓撂荒。

(5)不稳定耕地的不当利用将引发生态环境问题,其正确管理对于生态脆弱的西北干旱区具有重要意义。为使不稳定耕地的理念尽快融入于西北干旱区耕地资源利用工作中,仍有以下议题急需展开,一是厘清整个西北干旱区不稳定耕地的清单,包括结构和空间分布;二是定量辨识不同地区不稳定耕地的质量,从而科学合理的制定退耕的先后顺序;三是结合不同地区的实际情况,分析不稳定耕地退耕后转化为何种地类最为适宜,仍是近期不稳定耕地研究的重点。

致谢

真诚感谢二位匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力。评审专家1建议增加不稳定耕地质量分析,使文章的内容更为完善;评审专家2建议在提取原则中增加社会经济维度,使不稳定耕地提取原则更为全面、结构更为清晰。两位专家的修改意见使本文获益匪浅,再次感谢!


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