基于人糧關系的鄂爾多斯砒砂巖區土地資源承載力變化特征

王瑞杰, 吳林榮, 閆 峰

(1.東北大學秦皇島分校 資源與材料學院, 河北 秦皇島 066004;2.陜西省氣象局, 陜西 西安 710014; 3.中國林業科學研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

砒砂巖是屬古生代二疊紀(約2.5億年)和中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的巖石互層，其成巖程度低巖層松散，遇水如泥、遇風成砂，水土流失十分嚴重，因其治理難度大，被中外專家稱之為“世界水土流失之最”和“地球環境癌癥”。砒砂巖集中分布于黃土高原北部晉、陜、內蒙古接壤地區鄂爾多斯高原，主要分布在內蒙古鄂爾多斯市東勝區、準格爾旗、伊金霍洛旗、達拉特旗、杭錦旗，陜西神木、府谷縣以及山西河曲、保德和清水河等區域，總面積約1.67×104km2[1-2]。砒砂巖區是黃河粗泥沙的主要來源地，是我國水土流失和生態環境最脆弱地區之一，砒砂巖區環境保護和生態治理對于確保當地乃至全國的可持續發展具有重要意義。為了改善砒砂巖區生態環境質量，國家實施了一系列生態治理工程，如“沙棘治理砒砂巖千條溝工程”、“晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態減沙工程”、“晉陜蒙砒砂巖區窟野河沙棘生態減沙工程”和“晉陜蒙砒砂巖區十大孔兌沙棘生態減沙工程”等項目，為砒砂巖區水土流失治理起到了積極作用，但當地人地關系矛盾突出、生態環境問題依然嚴峻。在此背景下，從人地關系入手進行土地承載力研究具有重要的現實意義。

土地承載力是指一定地區的土地所能持續供養的人口數量，即土地資源人口承載量，其實質是研究人口消費與食物生產、人類需求與資源供給間的平衡關系問題[3]。關于土地承載力的研究，主要有基于人糧關系承載力研究[4-9]，基于多因素綜合的承載力[10-12]和基于生態足跡的承載力[13-15]等方法。糧食問題是關系國計民生的大事，也是國內外學者研究的熱點。在基于人糧關系的土地承載力方面，國內外學者做了一定的研究，1921年Park等[4]從種群數量角度出發，首次將“承載力”概念引入生態學領域，以土地可承載的人口數量為出發點，提出了土地承載力概念；1948年Vogot[5]首先提出土地資源人口承載力的定義及計算方法；Allan[6]于1965年提出以糧食為標志的土地資源承載力計算公式，使以糧食為主的土地承載力研究得以發展；1982年FAO開展的發展中國家土地的潛在人口支持能力研究[7]。我國土地資源承載力研究始于20世紀80年代，主要以中國科學院自然資源綜合考察委員會承擔的“中國土地資源生產能力及人口承載量研究”為代表[8]。2008年封志明等人[9]做了中國基于人糧關系的土地資源承載力研究，認為1949—2005年中國土地資源承載力逐漸增強和人糧關系趨于均衡。哈斯巴根等人[16]運用系統動力學原理與方法，在不同情景下模擬了土地資源人口承載力。劉欽普等[17]運用非線性科學理論，對人口—土地資源系統的演化方向和平衡態穩定性問題進行了探討。封志明等[9]對雄安地區的人口與水土資源承載力進行了研究，認為雄安地區土地資源承載力優于周邊區域且人糧關系協調。郝慶等[19]以西藏自治區為例，基于人體每日所需熱量、蛋白質和脂肪評價土地的現實承載力及其變化[18]。已有的研究主要集中于產糧區，對于土地資源承載力急劇衰退的干旱和半干旱地區研究則相對較少。在人地矛盾突出、生態環境脆弱地區雖然可以通過外輸方式解決糧食不足問題，但會導致全局性超載，生態脆弱區的發展應綜合考慮其自身的承載力。因此，本研究以生態脆弱的鄂爾多斯砒砂巖區為例，從人口與糧食關系為著眼點研究其土地資源承載力和承載指數的時空變化特征，為砒砂巖區糧食安全和區域可持續發展提供科學依據和決策支持。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

鄂爾多斯位于內蒙古自治區西南部，地處鄂爾多斯高原腹地，東部、北部和西部分別與呼和浩特市、山西、包頭、巴彥淖爾市、寧夏自治區、阿拉善盟隔河相望；南部與陜西省榆林市接壤。地理坐標為37°35′24″—40°51′40″N，106°42′40″—111°27′20″E，東西長約400 km，南北寬約340 km。該市轄7旗1區和康巴什新區，總面積8.69×104km2。氣候類型為北溫帶半干旱大陸性氣候區，受季風影響，冬季多西北風，漫長而寒冷，夏季受偏南暖濕氣流影響，短暫、炎熱、雨水集中，春季風多、少雨，多干旱；植被自東向西分別為溫暖型草原帶、暖溫型荒漠草原亞帶和暖溫型荒漠帶；土壤類型主要有栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、灰漠土和潮土等；2015年總人口157.32萬人。糧食作物主要有小麥、玉米、高粱、大豆和薯類，2015年糧食總產量為1.47×107kg，其中小麥1.31×105kg、玉米1.30×107kg、薯類6.78×106kg，其他糧食產量相對較少。

1.2 數據處理

為了反映砒砂巖區土地資源變化實況，通過USGS下載了2000，2005，2010和2015年共40幅Landsat TM/ETM+/OIL影像，影像主要成像于6—9月，此時地表植被生長相對茂盛，地物類型對比度明顯，所選影像成像天氣晴朗、天空無云或云量極少。對下載的Landsat數據以2015年遙感影像為基準對其他3期的遙感影像進行了幾何校正，使4期遙感影像統一到相同的投影類型。采用決策樹、非監督分類和專家知識相結合的方式進行地物遙感分類[20]。采用2010年鄂爾多斯市烏審旗283個和2017年準格爾旗68個野外地面覆被類型實測資料，分別對2010和2015年地物分類結果進行驗證，結果表明總分類精度分別為89.40%(253/283)和91.18%(62/68)。對2000和2005年地物遙感分類結果進行目視驗證也體現出了較高的總分類精度(>86.21%)。此外，研究中還選用了2000—2015年的土地面積、糧食產量和人口數據等社會經濟數據，數據主要來源于同期的《鄂爾多斯市統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地資源承載力模型

土地承載力主要反映區域人口與糧食之間的關系，用一定糧食消費水平下，區域糧食生產力所能供養的人口數量來度量。基于人糧關系的土地資源承載力模型能很好地反映出鄂爾多斯市不同旗區的土地資源承載力[9,18]，其計算公式為：

LCC=G/Gpc

(1)

式中：LCC——土地承載力(人)；G——糧食總產量(kg)；Gpc——人均糧食消費標準(kg/人)，根據封志明等[9]研究結果取人均糧食消費400 kg作為營養安全的標準。

2.2 土地資源承載指數

土地資源承載指數主要揭示區域實際人口數量與土地資源承載力之間的關系，其計算公式為：

LCCI=Pa/LCC

(2)

Rp=(Pa-LCC)/LCC×100%

=(LCCI-1)×100%

(3)

Rg=(LCC-Pa)/LCC×100%

=(1-LCCI)×100%

(4)

式中：LCCI——土地資源承載指數；Pa——實際人口數量(人)；Rp——人口超載率；Rg——糧食盈余率。根據封志明等[9]的分類標準，將土地資源承載指數的大小分為糧食盈余、人糧均衡和人口超載3種類型，并對3種類型按照LCCI，Rg，Rp和人均糧食大小差異進一步劃分8個級別，其分級評價標準詳見表1。

表1 土地資源承載力分級評價標準

3 土地資源承載力時空變化分析

3.1 土地資源承載力及承載指數

應用土地資源承載力模型〔公式(1)〕和承載指數模型〔公式(2)〕，計算2000—2015年鄂爾多斯市土地資源承載力(圖1—2)和土地資源承載指數(圖3)。由圖1可知，2000—2015年鄂爾多斯市土地資源承載力總體呈波動增加的趨勢，多年平均土地資源承載力按1.59×105/a人的速度遞增。其間多年平均土地資源承載力為2.97×106人，土地資源承載力正距平的年份為2006—2015年，其中以2013年、2014年和2015年相對較高，土地資源承載力分別為3.88×106人、3.74×106人和3.68×106人；土地資源承載力負距平的年份主要有2000—2005年，其中以2001年、2000年和2002年相對較低，土地資源承載力分別為1.47×106人、1.67×106人和1.89×106人。土地資源承載力最大年份(2013年)約為最小年份(2001年)的2.64倍，糧食增產明顯，土地資源承載力上升顯著。

由圖2可知，各旗區的土地資源承載力，伊金霍洛旗2002年最高，2000年最低。烏審旗、杭錦旗、鄂托克旗和達拉特旗在2013年達到最高值，而最低值所對應年份分別為2001，2003，2000和2003年。鄂托克前旗和準格爾旗分別在2011年和2004年達到最大值，在2001年出現最小值。東勝區以2003年最高，2012年最低。從2000—2015年各年份不同區旗的變換情況看，達拉特旗的土地資源承載力最大，而東勝區除了2003年略高于鄂托克前旗和鄂托克旗外，其他年份均最小。達拉特旗的土地資源承載力為遠高于東勝區，2012年達拉特旗的土地資源承載力是東勝區的148.68倍，而最小值出現在2002年，為東勝區的4.83倍。杭錦旗的土地資源承載力除了2000—2004年外，其他年份都位居第2位。準格爾旗、烏審旗和伊金霍洛旗的土地資源承載力也較高。

圖1 鄂爾多斯市2000-2015年土地資源承載力

圖2 鄂爾多斯市各旗區2000-2015年土地資源承載力

由圖3可知，2000—2015年鄂爾多斯市土地資源承載指數整體上呈波動下降的趨勢，多年平均土地承載指數以0.041/a速度下降。多年平均土地承載指數為0.527，土地承載指數正距平的年份為2000—2004年，其中2001，2000和2003年相對較高，分別為0.903，0.787和0.716。2005—2015年土地資源承載指數均為負距平，其中2013，2014和2012年較低，分別為0.398，0.417和0.419。土地資源承載力最大年份(2001年)為最小年份(2013年)的2.27倍，由于糧食產量的增加，土地承載力的增大使土地資源的承載指數逐漸下降。

圖3 鄂爾多斯市2000-2015年土地資源承載指數變化

由圖4可知，各旗區的土地資源承載指數，伊金霍洛旗2000年最高，2002年最低。烏審旗、杭錦旗、鄂托克旗和達拉特旗在2013年土地資源承載指數最低，最高值分別對應于2001，2003，2000和2003年。鄂托克前旗和準格爾旗在2001年最高，分別在2011和2004年最低。東勝區2012年值最高，而2003年最低。2000—2015年同年份土地資源承載指數的變化以東勝區最大；其次是準格爾旗，伊金霍洛旗除2002—2005年低于鄂托克旗外，其他年均高于鄂托克旗，鄂托克旗高于達拉特旗、鄂托克前旗、杭錦旗和烏審旗；杭錦旗除2000—2005年高于烏審旗和達拉特旗外，其他年都最小。

圖4 鄂爾多斯市2000-2015年各旗區土地資源承載指數變化

3.2 土地資源承載狀態

根據土地資源承載指數、土地資源承載力分級評價標準和各旗區人口數據，計算鄂爾多斯市及其旗區的土地資源承載狀況(表2)。

表2 鄂爾多斯市各旗區2000-2015年土地資源承載狀態

分析2000—2015年鄂爾多斯市各旗區土地資源承載狀況，可以發現各個旗區土地資源承載狀態存在較大的差異。具體來說，東勝區一直處于嚴重超載的狀況。達拉特旗、鄂托克前旗、杭錦旗和烏審旗的變化情況基本一致，2000—2015年一直處于糧食盈余狀態。準格爾旗的土地資源承載狀況波動性較大，人口超載所占的年份較多，2000—2002年處于人口超載的狀況，2003年轉為人糧平衡，2004年為糧食盈余，2005年為人糧平衡，2006年為人口超載，2007—2010年轉為人糧平衡，之后處于人口超載的狀況。鄂托克旗變化情況為2000—2002年一直為人糧平衡的狀態，2003年之后轉為糧食盈余狀態。伊金霍洛旗2000—2001年變化情況為由人口超載轉為人糧平衡，2002年之后一直處于糧食盈余的狀態。從鄂爾多斯全市情況來看，2000年處于糧食盈余狀態，到了2001年轉為人糧平衡，從2002—2015年的14 a間均處于糧食盈余的狀態。

3.3 土地資源承載力空間差異

3.3.1 土地利用變化 分析2000—2015年砒砂巖區土地利用狀況可知，2000年鄂爾多斯市耕地面積為4 517 km2，林地、草地、水體、建筑用地和未利用土地面積分別為1 669，53 012，2 144，802和24 632 km2；2005年耕地面積比2000年有所減少為4 499 km2，林地、草地、水體、建筑用地和未利用土地分別為1 978，51 929，1 982，907和25 480 km2；2010年耕地面積為4 509 km2，比2005年有所增加，林地、草地、建筑用地和未利用土地面積分別為1 969，52 044，1 995，922和25 336 km2；2015年耕地面積為4 423 km2，林地、草地、建筑用地和未利用土地面積分別為2 169，52 309，2 004，1 547和24 324 km2。不同時期空間轉移矩陣分析表明，2000—2015年耕地、草地之間轉換頻繁，林地、水體面積波動變化中呈增加趨勢，耕地呈現出下降、上升再下降的趨勢，草地表現為先下降后增加的趨勢，建筑用地持續增加，未利用土地表現為先增加后減少的趨勢。

3.3.2 土地資源承載力分區 在土地利用類型變化分析的基礎上，根據土地資源承載力指數可以將鄂爾多斯市各旗區分為高土地資源承載力、中土地資源承載力和低土地資源承載力3類(圖5)。第1類土地資源承載力相對較高區，包括東勝區和準格爾旗；第2類為土地資源承載力中等地區，包括鄂托克旗和伊金霍洛旗；第3類為土地資源承載力較低區，主要包括達拉特旗、鄂托克前旗、杭錦旗和烏審旗。① 高土地資源承載力區。高土地資源承載力區主要包括東勝區和準格爾旗。東勝區為鄂爾多斯市經濟、科技、文化、金融、交通和信息中心。在經濟技術、土地集約利用等方面相對較好，土地承載力水平相對較高。2000—2015年該區人口一直處于逐漸增加的趨勢，到2015年人口達到28.08萬人，人口密度從2000年的75人/km2增加到2015年的111人/km2。根據遙感數據解譯的結果， 2000—2005年、2010年和2015年，其耕地利用面積處于下降的趨勢，由380.74 km2變為338.50 km2，建筑面積和林地面積則處于逐漸增加的趨勢；糧食產量2000年為7.26×106kg，之后糧食產量呈現增加的趨勢，在2003年達到最大值(4.91×107kg)，之后產量波動性較大，2012年產量最低為3.80×106kg；此后開始略有上升，到2015年產量為1.00×107kg。同時此區是砒砂巖劇烈和強烈分布區，這在一定程度上制約了當地的糧食生產。人口數量相對較多但是糧食產量相對較低，使東勝區土地資源承載力相對較大。準格爾旗是鄂爾多斯市的經濟強旗，同時也是人口大旗，人口數量在鄂爾多斯市各旗區中最大，2015年人口數量(32.42萬人)約占鄂爾多斯市總人口的20.60%。2000—2015年人口密度逐漸增加，由2000年的35人/km2增加到2015年的43人/km2。準格爾旗土地利用類型主要以草地為主，耕地面積相對穩定，在鄂爾多斯市的各個旗中所占的比例是最大(約30.90%)。在糧食產量變化方面，2010年后處于逐漸下降的趨勢，在2015年為8.14×107kg，土地生產能力相對較低，此區有大面積的覆土砒砂巖分布，裸露砒砂巖區和覆沙砒砂巖分布分布也相對較多，這在一定程度上也降低了土地生產力。 ②中土地資源承載力區。中土地資源承載力區主要包括鄂托克旗和伊金霍洛旗。鄂托克旗是鄂爾多斯市面積最大、資源種類最全、以畜牧業為主、工業占主導的多元產業集中的旗，年耕地面積占總面積的比例相對較少，2015年該旗區耕地面積最大(159.50 km2)，但也僅占總面積的0.79%。人口數量和人口密度相應較低，2000—2015年人口密度為4～5人/km2，土地資源的壓力相對較小。伊金霍洛旗地處鄂爾多斯市的東南部，毛烏素沙漠的東北邊緣，是全國第三大產煤縣，耕地面積所占比重不大，從2000—2015年耕地面積逐漸減少。2015年耕地面占總面積的4.2%，糧食產量2002年達到最大值(1.20×108kg)，2015年糧食產量為8.97×107kg；人口密度2000年為26人/km2，2015年為32人/km2。 ③ 低土地資源承載力區。低土地資源承載力區主要包括達拉特旗、鄂托克前旗、杭錦旗和烏審旗。鄂托克前旗、杭錦旗和烏審旗都土地面積較大、人口相對較少、人口密度較低。鄂托克前旗從2000—2015年為6人/km2。杭錦旗2000—2007年為7人/km2，之后為8人/km2。烏審旗2000—2005年為8人/km2，之后為9人/km2，2015年為10人/km2。在耕地利用方面，2000—2015年杭錦旗和烏審旗都表現為先增加后減少的趨勢，耕地利用面積有所增加，鄂托克前旗耕地面積則是先下降后增加的趨勢，總體上面積略有減少。達拉特旗屬于農業大旗，是鄂爾多斯市的糧食主產區。2000—2015年除2003年所占比例較少外(31.19%)，其他年份都占32%～49%水平。耕地面積在所有旗區中所占比例僅次于準格爾旗，約占鄂爾多斯市耕地總面積的26.5%，耕地利用面積從2000—2015年呈逐漸增加的趨勢。達拉特旗的人口密度僅次于東勝區，2000—2015年人口密度在40～45人/km2之間變化。

圖5 鄂爾多斯市土地資源承載力類型

4 結 論

(1) 2000—2015年鄂爾多斯市土地資源承載力總體上呈波動增加的趨勢，而土地資源承載指數則相反，呈波動下降的趨勢。鄂爾多斯市糧食產量呈逐漸增加的趨勢，從2000—2015年基本都處于糧食盈余的狀態，還有一定的人口容納能力。鄂爾多斯市整體上雖然生態環境脆弱，但全區人口密度相對較低(15～18人/km2)，這應是鄂爾多斯基于人糧關系的土地資源承載力尚有一定盈余的主要原因。

(2) 鄂爾多斯市內部不同區旗土地資源承載力差異較大。高土地資源承載力區主要包括東勝區和準格爾旗，其中東勝區為嚴重超載的地區，需要一定的糧食調入，人糧矛盾比較突出；準格爾旗則處于人口超載和人糧平衡的狀態，也存在一定的人糧矛盾。鄂托克旗和伊金霍洛旗屬于中土地資源承載力區。此區從2000—2015年的16 a間，大部分年份處于糧食盈余狀態，只有少數年份處于人糧平衡或人口超載的狀態。而鄂托克前旗、杭錦旗、烏審旗和達拉特旗都屬于低土地資源承載力區，2000—2015年一直處于糧食盈余狀態，尚存一定的人口承載能力。對應到砒砂巖面積和人口分布方面，東勝區和準格爾旗由于砒砂巖廣布，生態環境比較脆弱，土地承載力從2000—2015年均處于人口超載的狀態。其他旗區由于土地面積較大、人口密度較低，生態環境破壞較輕，土地資源的承載壓力較小，土地承載力處于糧食盈余狀態。

本文以糧食做為其評價指標研究鄂爾多斯砒砂巖區土地資源承載力狀況，當地農業生產中除了糧食耕作外，畜牧業生產也占了一定的比重，僅通過糧食這個指標可能不能完全反映其真實的承載狀況[21]。另外，隨著人們生活水平的提高，膳食營養結構日益改善，以糧食為主的食物結構也會擴展到蔬菜水果類、肉蛋奶類等[22]。此外，研究中以人均400 kg的糧食指標作為營養安全指標在一定程度上可能會掩蓋所存在糧食安全問題，如何綜合考慮農業生產結構、多食物構成差異以及更合理的糧食指標以進一步提高土地資源承載力評價的精度將是本文需進一步深入研究的內容。