譚曉宇，劉家福，張 柏，付研竹

(1.吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理與法學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

糧食安全是全球所面臨問題之一，也因此成為聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)的重要內(nèi)容之一[1-3]。耕地資源是維系國家糧食安全、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[4]。我國人均耕地?cái)?shù)量小，耕地總體質(zhì)量較差，后備耕地資源相當(dāng)有限，人口增長與耕地減少呈現(xiàn)逆向發(fā)展的趨勢[5-7]。解決糧食安全問題的核心之一就是保證耕地資源安全，而進(jìn)行后備耕地資源的開發(fā)與利用是保證糧食安全與耕地紅線的重要手段[8-10]。合理利用有限的耕地資源對于確保糧食安全至關(guān)重要，因此開展后備耕地資源研究對保障農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

目前對于后備耕地的相關(guān)研究主要集中在國內(nèi)的土地適宜性分析、驅(qū)動力研究、耕地的時(shí)空演變分析等方面[11-13]。例如：管栩等利用土地整治項(xiàng)目信息，基于中國縣域尺度上運(yùn)用空間自相關(guān)法對中國土地整治新增耕地?cái)?shù)量及來源結(jié)構(gòu)的空間差異進(jìn)行分析[14]。關(guān)小克等基于土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫，從區(qū)域規(guī)劃的角度對耕地后備資源開發(fā)進(jìn)行性分析[15]。黃廳廳等基于GIS平臺運(yùn)用模糊優(yōu)選模型，對貴州的耕地質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)及時(shí)空演變分析[16]。谷昌軍等對緬甸農(nóng)業(yè)土地構(gòu)建適宜性評價(jià)模型并對各分區(qū)提出了發(fā)展建議[17]。有關(guān)中國鄰近國家或地區(qū)耕地潛力方面涉及較少，而研究中國周邊國家或地區(qū)的后備耕地資源潛力對維護(hù)我國糧食安全問題同樣具有重要意義。

俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)與中國具有特殊地緣關(guān)系，在歷史上的長久依靠、在地輿上的毗鄰使得雙方形成了一種相互依賴、相互合作的緊密關(guān)系。本文選取俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)為研究區(qū)，從氣候、地形、土壤等方面構(gòu)建評價(jià)體系，利用ArcGIS軟件平臺分析耕地后備資源潛力。本研究結(jié)果對維護(hù)我國糧食安全問題具有重要意義，且對指導(dǎo)其周邊國家發(fā)展后備耕地資源具有科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)位于俄羅斯東部沿海地區(qū)，地理坐標(biāo)為42°N～67°N，119°E～169°W，行政區(qū)劃上共有7州、1區(qū)(圖1)。遠(yuǎn)東地區(qū)土地總面積約310.22萬km2，截至2015年末，遠(yuǎn)東地區(qū)人口總數(shù)達(dá)621.1萬人，人均土地面積占比較大。遠(yuǎn)東地區(qū)南北溫差大，南部7月氣溫平均可達(dá)20℃以上，北部則只在 0～4 ℃之間。遠(yuǎn)東地區(qū)的主要地貌類型為山地，面積占全區(qū)總面積的3/4，土地資源類型主要以林地、草地為主(圖1)，其中，林地占比達(dá)到了45.4%，草地占比13.3%。夏季適宜的溫度，較為肥沃的土壤和地廣人稀的優(yōu)勢為遠(yuǎn)東地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖1 遠(yuǎn)東地區(qū)土地覆被圖Fig.1 Land cover pattern of the Far Eastern Russia

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括：土地覆被數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源為歐空局發(fā)布的全球土地覆被現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；地形數(shù)據(jù)主要包含高程和坡度數(shù)據(jù)，獲取自東北亞資源環(huán)境大數(shù)據(jù)中心(www.igadc.cn/)；氣候數(shù)據(jù)包含年均氣溫和年均降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源為國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/site/index.html)；土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)包含有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH值和土壤類型，數(shù)據(jù)源為全球土壤數(shù)據(jù)(https://soilgrids.org /)。數(shù)據(jù)年份為2015年，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)格式為Grid。

1.3 研究方法

本研究采用綜合量化打分加權(quán)法[18-19]和極限條件相結(jié)合的方式，對后備耕地潛力進(jìn)行綜合評價(jià)。當(dāng)某評價(jià)單元的生態(tài)因子到達(dá)一定極限時(shí)則采納極限條件法，該評價(jià)單元的適宜性為不適宜，若所有生態(tài)因子都未到達(dá)極限，則采取量化打分加權(quán)法進(jìn)行潛力評級[20-21]。依據(jù)評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建原則與依據(jù)環(huán)境要素評價(jià)出適宜耕種的范圍，這樣既可以在開墾后保障耕地的質(zhì)量，也可以確保開發(fā)時(shí)的適宜性和適宜程度[22-23]。當(dāng)量化分值為0時(shí)，說明指標(biāo)處于不適宜耕種的范圍里。結(jié)合專家給出的權(quán)重值和加權(quán)指數(shù)方法，對遠(yuǎn)東地區(qū)耕地進(jìn)行適宜性評價(jià)及后備耕地資源進(jìn)行潛力分析，并計(jì)算分值，具體公式如下：

式中：S為評定單元的耕地適宜性綜合評分值；n為評價(jià)指數(shù)個(gè)數(shù)；Wk為第k個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重；Vk為第k個(gè)評價(jià)指標(biāo)的量化分值。

將計(jì)算出來的每個(gè)評價(jià)單元的分值作為適宜性等級劃分的依據(jù)，對各個(gè)評價(jià)單元的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過評價(jià)單元的分布情況劃分出耕地適宜性等級區(qū)間，分為非評價(jià)區(qū)、不適宜區(qū)、較不適宜區(qū)、一般適宜區(qū)和較高適宜區(qū)[24-25]。最終得出俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源的適宜性評價(jià)結(jié)果。

自然因素方面，選取影響遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源適宜性的評價(jià)因子，通過聽取專家意見、資料閱讀等，篩選以下因子作為后備耕地資源適宜性評價(jià)指標(biāo)，包括氣溫、降水、海拔、坡度、土壤類型、土壤有機(jī)質(zhì)和pH值[26-27]。遠(yuǎn)東地區(qū)土壤類型眾多，但并不是所有都適合進(jìn)行耕種。將不適宜耕種的土壤類型例如巖石露頭、礫質(zhì)土等，劃分為不適宜耕種區(qū)。將剩下的土壤類型按照適宜耕種程度劃分等級進(jìn)行打分，增加評價(jià)的準(zhǔn)確性(表1)。

表1 后備耕地資源的宜耕區(qū)域評價(jià)指標(biāo)Table 1 Evaluation index of suitable area for reserved cultivated land resources

權(quán)重確定是整個(gè)評價(jià)過程中最重要的部分，評價(jià)分值則反應(yīng)相同指標(biāo)對不同等級后備耕地適宜性適宜分?jǐn)?shù)[28]。結(jié)合實(shí)際情況與已有數(shù)據(jù)資料，依據(jù)評價(jià)指標(biāo)對耕地自然適宜程度的重要性采用經(jīng)驗(yàn)法確定權(quán)重系數(shù)[29]。運(yùn)用主觀賦權(quán)法，確定評價(jià)因子的分級指數(shù)[30]。將待確定的指標(biāo)和相關(guān)資料及統(tǒng)一的規(guī)則發(fā)給預(yù)先選定的10～20名專家，將他們給出的結(jié)果計(jì)算均值后確定指標(biāo)權(quán)重。

遠(yuǎn)東地區(qū)緯度跨度大，當(dāng)緯度超過55°N時(shí)，會出現(xiàn)多年凍土現(xiàn)象，且伴隨緯度的不斷升高，凍土層的埋藏深度將不停增加。此外，55°N以北地區(qū)年均溫低于-5 ℃，坡度也相對較高，不適宜作物生長，為不適宜區(qū)。在考慮俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源潛力分析時(shí)，將55°N以北區(qū)域直接劃為非評價(jià)區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 權(quán)重與評價(jià)分值的確定

依據(jù)評價(jià)因子對耕地自然適宜的影響度，對各個(gè)影響因子進(jìn)行分級，量化取用定量與定性相結(jié)合的方法。如地形坡度因子依據(jù)專家給出的意見，根據(jù)山區(qū)水土保持標(biāo)準(zhǔn)，耕地坡度大于25°為不適宜耕種的臨界值，0～25°之間劃分為<3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°和15°～25°的5個(gè)范圍，依據(jù)適宜耕種程度給予打分。在后備耕地等級適宜性評價(jià)過程中，將整個(gè)評價(jià)區(qū)依據(jù)各個(gè)評價(jià)單元的得分情況(表2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而劃分適宜性區(qū)間將整個(gè)評價(jià)區(qū)域劃分為非評價(jià)區(qū)(等于0)、不適宜區(qū)(<50)、較不適宜區(qū)(50～60)、一般適宜區(qū)(60～75)、較適宜區(qū)(75～90)。

表2 后備耕地適宜性評價(jià)因子權(quán)重、分值、分級指標(biāo)Table 2 The weights,scores and grading indicators of the suitability evaluation factors of the reserve cultivated land

2.2 評價(jià)指標(biāo)空間格局特征

遠(yuǎn)東地區(qū)降水有明顯的地帶性，海陸差異明顯，南部年降水量多，北部年降水量少，東部降水量大于西部。研究區(qū)北部年降水量集中在0～600 mm之間，南部是900 mm～1 200 mm之間。降水量較多的是南部臨近濱海地區(qū)的薩哈林州、濱海邊疆區(qū)和勘察加州。遠(yuǎn)東地區(qū)以夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥的季風(fēng)氣候?yàn)橹?。由圖2(a)遠(yuǎn)東地區(qū)的氣候圖中可以看出，遠(yuǎn)東地區(qū)北部年平均氣溫小于-5 ℃，年平均氣溫大于0 ℃的地區(qū)主要集中在55°N南部的一些地區(qū)，南北溫差較大年平均溫差相差15 ℃。

注：(a)氣候圖：年均降水量、年均氣溫；(b)地形圖：高程、坡度；(c)土壤性質(zhì)：pH值、有機(jī)質(zhì)含量、土壤類型。Note:(a) Climate map:annual average precipitation,annual average temperature; (b) Topographic map:elevation,slope; (c) Soil properties:pH value,organic matter content,soil types.圖2 遠(yuǎn)東地區(qū)影響耕地適宜性指標(biāo)Fig.2 Indicators for assessing the suitability of potential cultivated land in the Far East Russia

俄羅斯面積廣闊，從而形成了復(fù)雜的地形條件。圖2(b)遠(yuǎn)東地區(qū)地形圖中顯示，遠(yuǎn)東地區(qū)高程大部分位于400～1 200 m之間，海拔低于200 m的地區(qū)僅存在于東北部。相較于西伯利亞地區(qū)，遠(yuǎn)東地區(qū)坡度整體較高，坡度大于15°的地區(qū)占了遠(yuǎn)東地區(qū)面積的二分之一，小于5°的地區(qū)主要集中阿穆爾州、猶太自治州。

由圖2(c)遠(yuǎn)東地區(qū)土壤性質(zhì)圖中可知，俄羅斯土壤類型豐富，遠(yuǎn)東地區(qū)主要土壤類型中淋溶土、灰壤和始成土占整個(gè)遠(yuǎn)東地區(qū)的50%，有機(jī)土、灰化土、黑鈣土等占比也相對較多，其余類占比較少。有機(jī)質(zhì)是成土過程中重要的一環(huán)，含量影響土壤生態(tài)功能的每個(gè)過程，有機(jī)質(zhì)是土壤健康程度的體現(xiàn)，是否適合農(nóng)作物的生長是由肥沃程度決定的，而土壤的肥沃程度又是由有機(jī)質(zhì)決定的。遠(yuǎn)東地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量大部分地區(qū)小于6 g·kg-1，其次為6～10 g·kg-1之間，主要分布在北部地區(qū)。影響土壤肥力的另一個(gè)重要因素就是土壤pH值的高低，不同的氣候形成了土壤不同的酸堿度。pH值在6.0～8.0之間是適宜農(nóng)作物生長的正常范圍。在這個(gè)范圍之外，則需要制定科學(xué)合理的調(diào)節(jié)酸堿度的方案。如圖2(c)可知遠(yuǎn)東地區(qū)土壤pH值大部分在6.0～7.0之間。

2.3 后備耕地資源潛力總體格局

依據(jù)專家打分法的結(jié)果以及海拔高度、地形坡度、氣溫、降水量、土壤類型、有機(jī)質(zhì)、pH值的空間分布進(jìn)行分析可以看出：俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)大部分區(qū)域位于后備耕地適宜性非評價(jià)區(qū)內(nèi)，后備耕地資源適宜性評價(jià)區(qū)分布在55°N以南地區(qū)(圖3)。

圖3 俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)評價(jià)區(qū)分布Fig.3 The distribution of evaluation areas in the Far East Russia

通過對柵格計(jì)算得出：遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源適宜性評價(jià)區(qū)總面積為15.6萬km2，其中，后備耕地適宜區(qū)為8.0萬km2，占整個(gè)后備耕地資源的51.3%；后備耕地不適宜區(qū)面積為7.6萬km2，占整個(gè)后備耕地資源的48.7%。耕地適宜區(qū)中包含較高適宜區(qū)1.7萬km2，占比10.9%；一般適宜區(qū)6.3萬km2，占比40.4%；后備耕地不適宜區(qū)包含較不適宜區(qū)7.1萬km2，占比45.5%；不適宜區(qū)0.5萬km2，占比3.2%(圖4)。另外，從空間分布結(jié)果來看，俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源的適宜區(qū)主要分布在評價(jià)區(qū)的南部和西南部，東部有少量分布。雖然后備耕地適宜區(qū)面積所占比例不高，但其相對集中。與中國黑龍江省接壤的地方后備耕地適宜區(qū)面積斑塊最大，其主要原因是該區(qū)地勢相對平緩且有黑龍江流經(jīng)此地，水資源充足。一般適宜區(qū)分布在哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)、濱海邊疆區(qū)、堪察加州三處地勢稍低緩地區(qū)；較不適宜、不適宜區(qū)多分布在地勢較高地區(qū)，如堪察加州中、東部，哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)北部、西北部。

圖4 遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地適宜區(qū)分布圖Fig.4 Distribution map of suitable areas for reserve arable land in the Far Eastern Russia

從遠(yuǎn)東地區(qū)各行政區(qū)耕地適宜性來看，耕地適宜性較高的地區(qū)主要集中在哈巴羅夫斯克邊疆區(qū)的南部、中部和東部地區(qū)，面積為2.5萬km2；其次是濱海邊疆區(qū)的西北、西南部地區(qū)，面積為2.2萬km2。再者是阿穆爾州的南部、中部地區(qū)，面積為1.7萬km2。其余的堪察加州、薩哈林州、猶太自治州的分布面積均不到1萬km2，面積分別為0.8萬km2、0.6萬km2、0.2萬km2(表3)。因此，總體而言遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源適宜性整體較高。

表3 俄羅斯遠(yuǎn)東各行政單元后備耕地適宜區(qū)面積Table 3 Suitable area of reserved cultivated land in various administrative units in the Far Eastern Russia

3 討論與結(jié)論

后備耕地潛力是一個(gè)國家耕地資源與糧食安全的保障[31]，已有不少研究將生態(tài)因子作為土地評價(jià)分析的依據(jù)。本文依據(jù)氣溫、降水、高程、坡度數(shù)據(jù)的同時(shí)加入土壤pH值、有機(jī)質(zhì)土壤類型共7個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行了俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地面積分布的分析[10]。分析發(fā)現(xiàn)，后備耕地適宜區(qū)主要分布在降水量為600～1 200 mm、氣溫為5 ℃～10 ℃的地區(qū)，土壤屬性適合作物生長的主要適宜范圍。但這不是影響后備耕地分布范圍的主要原因，影響俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地面積分布的主要原因是下墊面因素，在復(fù)雜下墊面控制下氣溫、降水都會出現(xiàn)明顯差異，遠(yuǎn)東地區(qū)的海拔高度大部分位于400～1 200 m之間，坡度在25°以上，海拔升高使氣溫也隨之降低與同緯度地區(qū)相比溫差可達(dá)到5℃左右，坡度高不僅不利于進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕作，也會造成水土流失等一系列問題。通過遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地適宜區(qū)分布圖可以看出：較高適宜區(qū)的分布都位于海拔200～400 m之間，坡度0～5°之間，這也與早期學(xué)者的研究結(jié)論相匹配[32-33]。

綜合考慮自然環(huán)境與生態(tài)環(huán)境因素后，我們得出以下結(jié)論：

(1)遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源適宜區(qū)總面積為8.0萬km2，主要分布在遠(yuǎn)東地區(qū)南部的大部分地區(qū)包括6個(gè)行政區(qū)；(2)遠(yuǎn)東地區(qū)后備耕地資源適宜性整體較高，后備耕地適宜區(qū)相對集中，面積也較大，俄羅斯遠(yuǎn)東后備耕地適宜區(qū)主要分布在與我國黑龍江省接壤的地方。

我國東北地區(qū)與遠(yuǎn)東地區(qū)的農(nóng)業(yè)合作具有地理優(yōu)勢和互補(bǔ)性，對俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)可開發(fā)后備耕地資源與潛力進(jìn)行評價(jià)能夠?yàn)槲覈鼐o張問題提供對策，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略合作，達(dá)成共贏。

本研究僅綜合考慮了自然、生態(tài)因子，沒能考慮研究區(qū)的土地利用規(guī)劃政策和國家對于土地規(guī)劃的相關(guān)條例對后備耕地資源開發(fā)的影響，在后續(xù)的研究過程中應(yīng)將政策等外部因素加入到后備耕地的評價(jià)指標(biāo)當(dāng)中進(jìn)行完善，使進(jìn)行潛力評價(jià)時(shí)能夠更加的合理與科學(xué)。