陜西省能源植物黃連木種植土地資源分析與預測

周 熙，馬智民

（1.華中農業(yè)大學工學院，武漢 430070；2.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054）

化石能源日漸短缺是當今人類所面臨的危機之一，為了使經濟得到持續(xù)發(fā)展，能源危機得到緩解，生態(tài)環(huán)境得到保護，生物能源特別是能源植物被越來越多的國家開發(fā)并利用［1］。國內外已有一些學者對麻風樹（Jatropha curcasL.）、木薯（Manihot esculentaCrantz）、黃連木（Pistacia chinensisBunge）等能源植物進行了研究［2-4］。其中，黃連木作為具有代表性的能源植物之一，其種子和果實含油量較高，可被用于提煉黃連木柴油。因此，對可種植黃連木的土地資源進行研究，能夠在一定程度上為能源植物種植業(yè)的發(fā)展提供理論支撐，緩解當前化石能源短缺的緊張局勢，符合當前生態(tài)文明建設的發(fā)展主題。

當前對黃連木開展的研究集中于生長培育研究方面，少數學者對黃連木的適宜種植分布情況和節(jié)能減排效益進行了研究［5，6］，也有學者基于作物生長模型對能源植物的生長進行模擬從而對其產生的社會、經濟、生態(tài)效益進行預測。但是還沒有學者從土地利用變化模擬預測的角度入手，通過對未來的土地格局進行預測從而根據土地數量的變化來預測可種植能源植物的土地資源情況。因此，本研究在當前“一帶一路”建設背景下，對陜西省能源植物黃連木種植的土地資源進行分析和預測具有一定的研究意義，也符合當前生態(tài)文明建設的發(fā)展主題。本文擬在研究能源植物黃連木種植的土地資源利用問題時，將結合不同規(guī)劃中針對耕地、植被、能源、生態(tài)等方面提出的要求，分析陜西省黃連木種植的土地利用現狀，同時基于模型對2020 年陜西省土地利用格局進行預測，從而預測并分析未來陜西省可種植黃連木的土地資源分布。

1 材料與方法

1.1 “多規(guī)”綜合分析

《陜西省國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中提出要“打造新能源增長點，大力發(fā)展非化石能源，推進能源綠色低碳發(fā)展”，同時提出“生態(tài)環(huán)境質量顯著提升，綠色低碳循環(huán)發(fā)展成為主基調，單位生產總值能耗、主要污染物排放總量、單位二氧化碳排放量明顯下降，森林覆蓋率超過45%”的要求［7］，認為推廣能源植物種植在提高環(huán)境質量、發(fā)展新能源等方面滿足該規(guī)劃要求。

根據《陜西省土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》《陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃條例》和《陜西省“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》中提出的陜西省土地利用、城鄉(xiāng)建設和生態(tài)環(huán)境保護工作中存在的問題，如耕地減少、城鄉(xiāng)用地矛盾突出，同時提出生態(tài)資源是“十三五”生態(tài)文明建設的重點之一［8-10］，作為“不與人爭糧，不與糧爭地”的代表，能源植物的推廣種植可以緩解農業(yè)與工業(yè)、生態(tài)與經濟之間的用地矛盾，既保護了耕地的數量和質量，又提升了環(huán)境質量，促進經濟發(fā)展，提高了土地的綜合生產水平。符合《陜西省國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中對化石能源、耕地生態(tài)資源數量進行控制的要求，以達到保護資源總量的目的，并且滿足在提高能源利用效率的同時發(fā)展新能源的要求。

綜合以上幾項規(guī)劃，在確定發(fā)展能源植物種植以緩解化石能源危機的同時，明確了在研究能源植物種植的土地利用情況時，還應當遵循幾項規(guī)劃中對耕地、文物遺跡用地、生態(tài)環(huán)境保護區(qū)等用地進行保護且不得占用的要求。由此確定在對陜西省能源植物黃連木種植土地資源利用情況進行研究時，應剔除耕地、大部分林地、大部分水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和部分未利用土地，以及國家或地方所建立的自然生態(tài)保護區(qū)等，以上用地為受保護的土地或不適宜進行種植的土地。因此，確定用于能源植物種植的土地包括林地中的疏林地、草地、水域中的灘涂和灘地、未利用土地中的鹽堿地、沼澤地和裸土地。

1.2 黃連木生長條件分析

黃連木別名黃楝、楷木，漆樹科（Anacardiaceae）黃連木屬（Pistacia）落葉喬木，高達25～30 m，其種子和果實含油量較高，種子含油率在35.00%～42.46%，出油率在22.00%～30.00%，種仁含油率為56.50%，果殼含油率為3.28%，其油脂所提煉的生物柴油與化石柴油主成分的分子結構非常相似，因此黃連木所產的植物油脂非常適合用于提煉生物柴油。

黃連木生長的耐性極強，深根性，主根發(fā)達，抗風力強；耐干旱瘠薄，對土壤要求不嚴，土壤母巖以石灰?guī)r為主，土壤類型以褐土為主［11］，微酸性、中性和微堿性的沙質、黏質土均能適應，在肥沃、濕潤而排水良好的石灰?guī)r山地生長最好。由于中國不同類型土壤的有機質含量差異較大，本研究以1.5%的有機質含量作為可生長黃連木土壤的基本要求。根據中國相關環(huán)境保護政策規(guī)定，可用于耕種墾殖的土地，其坡度不宜超過25°，坡度大于25°的陡坡地，水土流失嚴重，不宜進行墾種［12］；其高程不宜超過2 000 m，海拔越高越不利于喬木的生長。由于黃連木極強的生長耐性，大于300 mm 的年平均降水量即可滿足其正常生長所需的水分供給。因此，在中國年平均降水量為400～4 000 mm 的地區(qū)均發(fā)現有黃連木生長，其中主要分布區(qū)年平均降水量為400.0～2 371.3 mm，集中分布區(qū)年均降水量為400.0～750.0 mm，次集中分布區(qū)年均降水量為694.5～1 864.7 mm［13］。

黃連木在溫帶、亞熱帶和熱帶地區(qū)均能正常生長，分布區(qū)內年平均氣溫11.5～21.0 ℃，1 月平均氣溫-4.2～17.2 ℃，7 月平均氣溫 20.8～28.8 ℃，絕對最高氣溫43.6 ℃，絕對最低氣溫-23.6 ℃［14］。資源調查結果顯示黃連木生長的地理分布界限與中國境內1 月均溫-8 ℃等溫線大體一致，廣泛分布于此線以南的地區(qū)。

綜合以上各項黃連木生長所需的自然條件，得到適宜黃連木生長的條件，如表1 所示。

表1 適宜黃連木生長的條件

1.3 CA-Markov 模型

當前對土地利用變化進行分析和模擬的模型有很多，部分學者［15，16］利用馬爾科夫模型基于市域或河流流域等小區(qū)域開展研究，認為人為因素影響了研究區(qū)的土地覆被情況；劉毅等［17］以元胞自動機模型對大連市新城區(qū)的土地利用格局進行預測，認為同心圓組團模式下的新增用地發(fā)展緊湊。但是，傳統(tǒng)馬爾科夫模型的空間預測能力較弱，無法得知各種類型土地在空間上的變化狀態(tài)［18］；元胞自動機模型具有模擬復雜空間系統(tǒng)的時空動態(tài)演變能力，但其預測結果是基于元胞間的局部相互作用而產生的，存在一定的局限性［19］，結合二者優(yōu)勢的CA-Markov 模型，具備了CA 模型對復雜系統(tǒng)空間變化的模擬能力和Markov 模型的長期預測能力，可在時間和空間上都較好地進行土地利用變化時空格局的模擬和預測。

1.4 研究區(qū)概況和數據來源

1.4.1 研究區(qū)概況 陜西省位于中國西北部，地處東經105°9′—111°15′和北緯31°42′—39°35′。地域南北長，東西窄，南北長約880 km，東西寬160～490 km。位于西北內陸腹地，自然區(qū)劃上因秦嶺-淮河一線而橫跨北方與南方。陜西省海拔段主要分布在500～2 000 m，面積約占全省的90%，平均海拔1 127 m；25°以上坡度段面積最大，占全省的38%，3°～8°坡度段面積最小，占8%，陜西省平均坡度為19.9°。北山和秦嶺將陜西省分為3 大自然區(qū)域：北部是陜北高原，中部是關中平原，南部是秦巴山區(qū)。陜西省土壤類型多樣，且地帶性分布規(guī)律明顯，陜北高原為栗鈣土-黑壚土地帶；關中盆地為棕壤-褐土地帶；陜南山地為黃棕壤-黃褐土地帶。陜西省境內氣候差異很大，由北向南漸次過度為溫帶、暖溫帶和北亞熱帶。年平均降水量576.9 mm，由南向北遞減，陜北400～600 mm，關中500～700 mm，陜南700～900 mm，降水量變化受山地地形影響比較顯著。年平均氣溫在 7～16 ℃，其中陜北 7～12 ℃，關中 12～14 ℃，陜南14～16 ℃；最冷月1 月平均氣溫，陜北-10～-4 ℃，關中-3～1 ℃，陜南0～3 ℃。最熱月7 月平均氣溫，陜北21～25 ℃，關中23～27 ℃，陜南24.0～27.5 ℃［20］。

綜合陜西省實際的自然條件和適宜黃連木生長的自然條件，可得到陜西省黃連木適宜生長條件及影響因子，如表2 所示。對已有的關于黃連木生長分布情況的研究成果進行整理分析可知，陜西省是適宜種植黃連木潛力較大的省份之一，并且其種植面積有望繼續(xù)擴大，因此本研究選擇陜西省作為研究區(qū)具有一定的實際意義。

表2 陜西省黃連木適宜生長條件及影響因子

1.4.2 數據來源 本研究所采用數據包括中國科學院資源環(huán)境科學數據中心（RESDC）提供的2010 年和 2015 年 1∶100 000 土地利用覆被數據集、1971—2000 年 30 年平均降水量 1 km×1 km 柵格數據和國家自然保護區(qū)分布矢量數據；高程數據為全國1∶250 000 數字高程模型；土壤數據為第二次全國土壤普查的資料《中國土壤》和《中國土種志》記錄的土種典型剖面，利用ArcGIS 軟件生成土壤有效厚度、土壤有機質含量等信息。

2 結果與分析

2.1 陜西省黃連木種植土地利用分析

根據各項規(guī)劃的明確要求，以能源植物黃連木為研究對象，研究其在陜西省可進行種植的土地利用情況。以2010 年和2015 年陜西省土地利用覆被數據為基礎，剔除耕地、大部分林地、大部分水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和部分未利用土地，以及國家或地方所建立的自然生態(tài)保護區(qū)等受保護土地，將林地中的疏林地、草地、水域中的灘涂和灘地、未利用土地中的鹽堿地、沼澤地和裸土地這幾類用地作為可進行黃連木種植用土地進行研究。由表3 可知，2010—2015 年陜西省可種植黃連木的土地面積有所減少，可用于種植黃連木的土地以草地為主，因此在進行黃連木的種植與開發(fā)過程中，應注意不能無限度地開發(fā)草地用于種植能源植物，應當結合陜西省當前進行的“雙退”工作，在發(fā)展能源植物的同時維護生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

表3 陜西省可種植黃連木各類土地面積統(tǒng)計

對已確定陜西省可用于種植黃連木的土地進行多因子土地適宜性評價，根據黃連木的生長條件和陜西省自然條件設定評價因子為積溫、土壤深度、土壤有機質含量、高程和坡度，結合相關數據在Arc-GIS 軟件中對其進行處理，得到陜西省適宜黃連木種植各類土地的空間分布情況，如表4 所示。

表4 陜西省適宜黃連木種植各類土地面積統(tǒng)計（單位：km2）

根據以上數據可知，在陜西省可用于種植黃連木的土地中，能夠滿足所有自然條件限制因子的最適宜種植黃連木的土地只有極小一部分，大多數土地為較適宜種植黃連木的土地，只能滿足黃連木生長的部分自然生長需求。盡管如此，陜西省仍是發(fā)展黃連木種植業(yè)極具潛力的省份之一，因此在當前國家大力發(fā)展新能源的局勢下，陜西省相關企業(yè)和部門應當把握機會，推廣能源植物黃連木的種植。

2.2 陜西省黃連木種植土地利用預測

在IDRISI 軟件中基于2010 年和2015 年陜西省土地利用覆被數據生成2010—2015 年陜西省土地利用面積轉移概率矩陣和土地適宜性圖集，以2010年數據為基期模擬2015 年的土地利用格局，將模擬結果和2015 年真實數據進行對比檢驗，Kappa 系數大于0.75，認為符合模擬的精度要求。再以2015 年數據為基期，預測2020 年陜西省土地利用格局，同時結合黃連木生長特性提取可種植的地類，得到2020 年陜西省可種植黃連木土地類型分布預測圖，如圖1 所示。

圖1 2020 年陜西省可種植黃連木土地類型分布預測圖

對數據進行統(tǒng)計得到表5，2015—2020 年陜西省可種植黃連木的土地數量依然有所減少，這種趨勢主要來自低覆蓋度草地數量的減少，裸土地數量有所增加，其他地類變化較小。

表5 2020 年陜西省可種植黃連木各類土地面積統(tǒng)計

對預測的2020 年陜西省可種植黃連木的土地進行多因子土地適宜性評價，得到2020 年陜西省黃連木種植適宜土地空間分布預測圖，如圖2 所示。

圖2 2020 年陜西省黃連木種植適宜土地空間分布預測圖

對數據進行統(tǒng)計得到表6，2020 年陜西省最適宜種植黃連木的土地依然只有極小一部分，且主要集中在疏林地和草地這2 種地類，大多數土地仍為較適宜種植黃連木的土地。

表6 2020 年陜西省適宜黃連木種植各類土地面積統(tǒng)計（單位：km2）

當前，為了加強陜西省耕地后備資源存量，陜西省在全省部署實施“雙退”工作?！半p退”即根據全省經濟社會發(fā)展對建設用地和生態(tài)建設的需要，通過調整土地利用總體規(guī)劃和林地保護利用規(guī)劃，將適宜開墾的可作為補充耕地后備資源的宜林地退出林地保護范圍，不再作為林地繼續(xù)保護；同時將不宜繼續(xù)耕種的耕地退出耕地保護范圍，不再納入耕地保護紅線，主要用于退耕還林種草，最終形成占補平衡有空間、退耕還林有條件的“雙退雙贏”局面，努力實現優(yōu)化陜西省國土空間開發(fā)利用的新突破。因此，在開展“雙退”工作的基礎上，基于退耕還林種草工程，結合國家政策和相關法規(guī)，推廣能源植物黃連木的種植，既達到土地的優(yōu)化利用，維持了生態(tài)平衡，又使新能源產業(yè)得以發(fā)展，緩解了化石能源短缺的危機，是一項利國利民的舉措。

3 小結

本研究基于“多規(guī)合一”思想，結合相關規(guī)劃要求，確定了對陜西省能源植物黃連木種植的土地優(yōu)化利用研究，并根據陜西省的自然條件、黃連木生長所需條件等建立土地適宜性評價影響因子，利用GIS 技術和空間數據對可利用土地的適宜程度進行了評價，并結合相關政策對推廣陜西省黃連木種植提出了建議。結果表明，陜西省可種植黃連木土地面積較大，約占全省面積的50%，以疏林地、草地、灘地、鹽堿地、沼澤地、裸土地為可種植用地，其中以疏林地和草地為最主要種植用地。最適宜種植土地較少，較適宜種植土地面積較大，但對疏林地和草地需要合理開發(fā)利用以保護生態(tài)環(huán)境，可結合陜西省“雙退”工作進行黃連木種植的推廣。