資源環境硬約束下中國耕地休耕優先區識別

陳 浮，曾思燕，葛小平，于昊辰，楊永均，卞正富

?土地保障與生態安全?

資源環境硬約束下中國耕地休耕優先區識別

陳 浮1，曾思燕2※，葛小平3，于昊辰4，楊永均4，卞正富4

（1. 河海大學公共管理學院，南京 211110；2. 西湖大學工學院，杭州 310024；3. 河海大學水文水資源學院，南京 210098；4. 中國礦業大學環境與測繪學院，徐州 221008）

為厘清全國耕地資源環境本底并識別中國休耕優先區，該研究從生態保護紅線、土壤污染狀況、地下水超采和耕地質量等級等4個維度，運用生態保護紅線劃定、內梅羅綜合污染指數、地下水水位變幅等方法系統分析中國耕地資源環境脅迫因子空間格局及分異特征，并構建多準則休耕規則識別不同情景下中國休耕規模及優先區的空間分布。結果表明：1）中國北方劃入生態保護紅線范圍內耕地面積遠高于南方，劃入一級生態保護紅線范圍內耕地占3.57%；2）中國耕地重、中度污染面積分別占1.23%和2.31%，南方整體污染高于北方且南方呈局部分散、北方呈點狀集聚格局；3）地下水超采區集中于河北、河南、吉林和江蘇，重度超采區僅占0.68%；4）耕地質量總體一般，劣等、低等耕地面積分別占3.69%和14.0%，北方明顯高于南方且大范圍分散分布。依據多準則休耕規則綜合評判，劃入休耕優先區占全部耕地的23.70%，比食品安全優先、產能損失最小和生態保護優先3種情景分別高8.40%、4.18%和3.12%，其中禁植必休區、限植休耕區和重點輪休區分別為1.95%、4.71%和6.18%。因此，必須從源頭治理視角厘清耕地資源環境本底，權衡休耕的迫切性，為國家層面上休耕規劃有效落地、污染休耕治理和耕地保護創新提供技術支撐。

休耕；土壤污染；耕地保護；環境本底；休耕規則；空間權衡

0 引 言

近30年中國“先污染、后治理”的工業化模式導致了生態環境持續惡化[1-2]，不僅占用了大量的優質耕地資源，還加劇了水土環境污染，威脅生態安全和公眾健康，影響經濟社會發展的整體持續性[3]。2014年生態環境部公布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示：耕地土壤點位樣品中受到不同程度污染占比19.4%。其外，耕地質量下降、地下水超采、生物多樣性銳減等嚴重影響農田生態狀況，如何緩解耕地永續利用的硬約束已迫在眉睫。為踐行“青山綠水即是金山銀山”發展理念，逐步解決耕地污染、環境惡化等問題，中國已探索性開展耕地輪作休耕試點[4]，期望能有效調節土壤理化性狀，防治土壤污染，促進耕地生態恢復，為實現“藏糧于地、藏糧于技”重大戰略目標和農業可持續發展尋求基于自然的解決方案。

休耕是一個涉及多重因素多方利益的復雜體系。歐美發達國家有關休耕研究主要與控制糧食生產有關，依據國際市場糧食供求狀況制定休耕規模，維持全球糧價高位波動，并有利于自身農業環境保護[5-6]。巴西、俄羅斯及中亞一些國家主要關注休耕對持續耕作土壤的恢復和環境效應[7-8]。國內學者更多關注休耕對糧食安全的影響。如石飛等[9]采用耕地能值生態盈虧法判定貴州省松桃縣最大休耕面積，并估算保障糧食安全所需耕地的底線，建議輪作休耕面積不應超過20.0%[10]。僅少數研究關注休耕布局，曾思燕等[11]構建中國耕地土壤重金屬污染狀況數據庫，依據土壤污染和風險劃定4類休耕區占全部耕地的15.58%；趙雲泰等[12]、楊慶媛等[13]分別運用耕地適宜性評價和VSD脆弱性評估劃定了江蘇省通州區和貴州省晴隆縣的可休耕規模與布局；Shi等[14]構建耕地休耕綜合指數，繪制了中國西南石漠化地區休耕空間布局。這些研究從糧食安全、土壤污染、生態脆弱性或土地適宜性等單一角度闡述休耕規模和空間分區，但對中國耕地資源環境本底、休耕迫切性等關鍵性問題缺乏關注[10]，也無法滿足國家層面上從耕地生態環境本底出發“休多少”、“休哪里”以及“怎么休”等重大戰略需求。因此，亟需從休耕本質出發，以土地利用問題為導向、耕地本底環境約束和實際利用條件為基準，量化地塊休耕的迫切性，從國家宏觀尺度上識別耕地資源環境硬約束下休耕優先區。

中國耕地空間分布廣，區域環境差異大，又面臨土壤污染、質量退化、生物多樣性銳減少等多重挑戰，從國家層面上對不同生態要素脅迫下地塊開展休耕空間權衡顯得尤為重要。為此，本研究從耕地資源環境本底入手，評判生態保護紅線、土壤污染、地下水超采、耕地質量等要素的空間差異和協同效應，量化地塊的休耕迫切性，權衡食品安全—產能損失—生態保護之間的空間關聯，確定國家尺度上休耕優先次序，為全國休耕規劃、糧食安全、土壤污染治理和耕地保護創新提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 耕地生態脅迫因子

空間權衡必須從源頭治理入手，評判耕地資源環境本底和利用條件，量化地塊的休耕迫切性，最終實現食品安全、糧食安全和生態安全的三統一。1）食品安全是關鍵。受污染耕地即使生產再多糧食，也無法安全食用，還嚴重危害公眾健康；2）糧食安全是基礎。休耕必須考慮耕地自身條件和資源稟賦，盡量休耕生產能力最差的，在“休”過程中養好地，為未來糧食安全打下堅實基礎；3）生態安全是根本。生態安全是耕地永續利用的根本保障，才能維護國家糧食安全和食品質量。結合國家輪作休耕試點的要求，本研究將生態保護紅線范圍、土壤污染、地下水超采和耕地質量作為休耕優先區劃定的地塊生態脅迫因子。

1.2 數據來源與處理

本研究耕地數據來源于GlobeLand30（www.globallandcover.com），利用Arcgis10.2軟件提取全國耕地2020年30 m×30 m柵格數據，分類總體精度為88.90%±0.68%[15]；生態保護紅線范圍按生態環境部和國家發展改革委員會頒布的《生態保護紅線劃定指南》劃定，基礎數據參見表1。并與已公布的20個省份生態保護紅線劃定成果[16]作比較，綜合生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性評價結果形成全國生態保護紅線空間分布圖；土壤污染數據來源于2000—2018年發表的553 篇論文，包含樣品數據5 597個[17]，采用文獻計量法統計并檢驗[18]；地下水超采數據來源于中國地質調查局水文環境地質調查中心發布的2011年中國《淺層地下水水位等值線和埋深圖》，并依據《地下水超采區評價導則》（GBT34968—2017），參照水利部水資源司和南京水利科學研究院發布的中國地下水主要超采區分布示意圖[19]和《中國地下水資源與環境圖集》[20]對地下水超采范圍進行修正；耕地質量數據來源于2015年頒布的《中國耕地質量等別評價成果》，它將全國耕地劃分為劣等地（15等）、低等地（13-14等）、中等地（9-12等）、高等地（5-8等）和優等地（1-4等）5個等別。并按鄰近單元等對2016—2020年新增的耕地賦等別值。

1.3 研究方法

1.3.1 生態保護紅線與耕地疊置評價方法

2020年初僅20個省份公布了生態保護紅線，無法直接疊置。為此，依據《生態保護紅線劃定指南》要求，按生態系統服務功能重要性（www.ecosystem.csdb.cn）和生態環境敏感性（劉軍會等[21]）劃定了全國生態保護紅線范圍。并采用Arcgis10.6的疊加分析功能，將已公布20個省份生態保護紅線范圍與劃定結果進行驗證，精度大于90.0%。在柵格計算工具中，使用con語句，采用“并運算”將生態系統服務功能極重要且生態環境極敏感區內耕地劃為一級生態保護紅線退讓區，其他生態保護紅線范圍內耕地劃為二級生態保護紅線退讓區，剩余耕地劃為非生態紅線保護區。

表1 生態保護紅線劃定基礎數據類型及來源

1.3.2 土壤污染評價方法

1.3.3 地下水超采評價方法

對比1979和2011年全國淺層地下水水位等值線及埋深圖集，采用地下水水位變幅法[19]劃定全國地下水超采區，并按年均地下水變化速率（）大小劃分地下水超采等級，計算公式如下

式中為年均地下水埋深變化速率（m/a），1為1979年地下水埋深（m），2為2011年地下水埋深（m），=33 a。依據《地下水超采區評價導則（GBT34968—2017）》，按≥0.8 m/a、0.5≤<0.8 m/a、0.3<<0.5 m/a和<0.3 m/a分別劃為重度超采區、中度超采區、輕度超采區和采補平衡區。該方法與2021年水利部啟動新一輪地下水超采區劃定工作規定的評價方法一致，可以有效地保證本研究劃定結果的科學性和準確性。

1.3.4 休耕優先區識別方法

休耕作為治理、保護和恢復地力一種重要方式，維持耕地生態健康為前提，保障食品安全、推進污染防治、促進生態修復為目標。本研究兼顧土壤污染、耕地質量、地下水超采及生態保護紅線退讓，評判不同地塊的資源環境硬約束條件，排序休耕的迫切性，識別不同情景下休耕優先區。

1）耕地生態狀況表達

采用四維空間概念模型刻畫生態保護紅線退讓-污染-地下水超采-質量的組合類型，地塊單元生態狀況表示為U（EPGQ）。、、和分別代表生態保護紅線退讓狀況、耕地污染狀況、地下水超采狀況和耕地質量等別，、、和分別代表生態狀況的等級。其中，=0、1、2，分別表示一級生態保護紅線退讓區、二級生態保護紅線退讓區、非生態紅線保護區；=0、1、2、3、4，分別表示耕地重度污染、中度污染、輕度污染、尚清潔和清潔；=0、1、2、3，分別表示地下水重度超采區、中度超采區、輕度超采區和采補平衡區；=0、1、2、3、4，分別表示耕地質量劣等、低等、中等、高等和優等。

2）不同休耕情景設定

中國休耕主要為促進休養生息，維護耕地永續利用和國家糧食長久安全。為更好地促進休耕落地和切實可行，考慮設置3種休耕情景：食品安全優先（PFS）、產能損失最小（MCL）和生態保護優先（PES），并分別設置低、中、高方案，以區分地塊休耕優先順序。但依據木桶理論[25]，地塊休耕迫切性取決于對耕地資源環境硬約束最大的生態因子，即“短板”。當耕地污染嚴重超標時，生產的農產品往往無法食用，健康風險極大，是耕地休耕規劃約束最大的“限制因子”。此外，若繼續在地下水重度超采區從事農業生產活動，易形成地下水漏斗，對土壤生態環境造成不可逆的損傷。這兩類耕地必須休耕，劃入“禁植必休區”。因此，在進行生態因子權衡時，將重度污染、地下水重度超采耕地（即地塊單元生態狀況表示為（EP0GQ）、（EPG0Q））單獨扣除，并全部納入3種休耕情景的低方案。同時，依據不同情景模擬下地塊的休耕迫切性差異，設定不同的休耕空間時序方案。

3）生態狀況評判規則

按照設定的3種不同情景，確定地塊休耕優先順序及方案，各休耕情景的評判規則如下：

①食品安全優先情景（PFS）。主要針對耕地重金屬和有機污染嚴重區優先休耕，應休盡休，休治協同（圖 1）。其中，1）低方案綜合考慮一級生態保護紅線退讓區、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同時將土壤中度污染且耕地質量劣等(EP1GQ0)的地塊也納入該方案，以重點剪斷土壤-食品之間污染傳遞；2）中方案在低方案的基礎上，再進一步考慮全部土壤中度污染(EP1GQ)的耕地，以及地塊在二級生態保護紅線退讓區且土壤輕度污染且中度超采區且耕地質量劣等或低等，即地塊單元為(1210)、(1211)；3）高方案在中方案的基礎上，再考慮土壤輕度污染且耕地質量劣等或二級生態保護紅線退讓區或中度超采區，即地塊單元為(EP2GQ0)、(EP21Q)、(12GQ)，以切實保障糧食生產安全。

②產能損失最小情景（MCL）。主要針對耕地生產能力極差區優先休耕，必休盡休，休養結合（圖2）。其中，1）低方案綜合考慮一級生態保護紅線退讓區、土壤重度污染、地下水重度超采和耕地質量劣等的全部耕地；2）中方案在低方案的基礎上，以耕地質量等級為優先考慮要素，再進一步考慮耕地質量低等且二級生態保護紅線退讓區或土壤中度污染或地下水中度超采的耕地，即地塊單元為(1PGQ1) (EP1GQ1) (EPG11)；3）高方案在中方案的基礎上，再考慮全部耕地質量低等(EPGQ1)的地塊單元，以重點維持最大的糧食生產能力。

③生態保護優先情景（PES）。主要針對生態系統服務功能重要區、生態環境敏感區以及地下水嚴重超采區優先休耕，必休盡休，休退有序（圖3）。其中，1） 低方案綜合考慮一級生態保護紅線退讓區、土壤重度污染、地下水重度超采的全部耕地，同時將二級生態保護紅線退讓區且耕地質量劣等(1PGQ0)的地塊也納入該方案；2）中方案在低方案的基礎上，再進一步考慮二級生態保護紅線退讓區且地下水中度超采或中度土壤污染或耕地質量低等，即地塊單元為(11GQ) (1PGQ1) (1PG1Q)；3）高方案考慮全部一級與二級生態保護紅線退讓區、地下水重度與中度超采、土壤重度污染和耕地質量劣等，重點減輕農業生產對生態系統的干擾。

4）優先區識別方法

2 結果與分析

2.1 中國耕地資源環境硬約束的總體特征及空間分異

圖4顯示中國耕地不同生態脅迫因子的空間分布及分異特征，可以看出：1）中國位于一級、二級生態保護紅線退讓區耕地分別為3.57%、10.95%，北方遠高于南方。從空間分布來看，一級生態保護紅線退讓區耕地主要集中于黃土高原丘陵溝壑區周邊和粵北丘陵，二級生態保護紅線退讓區耕地主要集中于長白山、新疆內陸河源區、湘北和豫中等地自然保護區范圍內。2）中國耕地土壤污染占22.10%，輕度、中度和重度污染分別為18.56%、2.31%、1.23%。中國南方土壤污染相對嚴重，呈大面積分散分布格局，不同于北方的點狀分布。土壤中度、重度污染幾乎全部分布于胡煥庸線東邊，說明土壤污染與人為活動密不可分。3）91.83%耕地地下水開采尚處于采補平衡狀況，輕度、中度和重度超采區耕地分別為3.66%、3.83%、0.68%，但中、重度超采區相對集中在甘肅、陜西、山西、河南、山東、河北和吉林，其中河北、河南已形成大范圍連片重度超采區，面積高達4 670 km2、3 950 km2。4）中國耕地質量總體不高，優等比例極小，分布于兩湖和廣東。高等26.53%、中等52.84%，主要分布于地勢相對平坦、水熱條件適宜的黃淮平原、三江平原、四川盆地和東南丘陵區。低等、劣等主要分布于內蒙古、山西、河北、貴州等地，分別占14.00%、3.69%。

2.2 不同休耕情景下耕地資源環境硬約束因子評判

將全國地塊單元生態狀況按圖1～3規則進行評判，可獲得三種情景不同方案下休耕地塊的空間分布（圖 5）。1）食品安全優先（圖5a）。低方案休耕占耕地總面積4.94%，零星分布于江西、湖南、蒙東及河南、河北大片區域。中方案休耕占耕地總面積9.64%，集中于黃淮海平原東部、四川盆地中部、內蒙中南部和長江中游區域。高方案休耕占耕地總面積15.30%，主要分布于三江平原、黃土高原、西南丘陵山區及中東部區域；2）產能損失最小（圖5b）。低方案休耕占耕地總面積6.65%，零星分布于中南部和相對集中分布于河南、河北和內蒙中南部。中方案休耕占耕地總面積9.83%，主要分布于黃土高原丘陵溝壑區、陜中北部、內蒙和黑龍江東部區域。高方案休耕占耕地總面積19.52%，主要分布于北方干旱半干旱區以及西南部、中部丘陵山區；3）生態安全優先（圖5c）。低方案休耕占耕地總面積5.70%，零星分布于豫北、冀西南部、陜中、蒙中以及湘川中東部區域。中方案休耕占耕地總面積10.01%，除了低方案外，多集中于甘東南、黑龍江東部以及烏魯木齊周邊。高方案休耕占耕地總面積20.58%，除了中方案外，多集中分布于新疆荒漠邊緣帶、南方石漠化丘陵山區和長白山周邊區域。

2.3 耕地資源環境硬約束下中國休耕優先區識別

將全國耕地地塊按公式（2）有序加權平均算子進行空間權衡，識別中國耕地生態因子全要素脅迫下休耕優先區的空間分布（圖6）。1）從數量來看，休耕面積占耕地總面積23.70%。一般輪休區（IV）面積最大，為1.46×107hm2。重點輪休區（III）次之，為8.33×106hm2。限植休耕區（II）和禁植必休區（I）分別為6.35×106hm2和2.63×106hm2，它們是中國休耕行動計劃的最核心區，占全國耕地總面積6.66%。2）從分布來看，禁植必休區（I）集中分布于河南、河北、湖南、云南、安徽，其余省份有零星分布。河南新鄉I級最為集中，與該區繼續數十年化工、冶煉、電池產業造成的土壤重度污染密切相關。河北邢臺、邯鄲、保定、滄州等地下水嚴重超采，已形成巨大的地下水漏斗區，也急切必休，維護農田生態安全。限植休耕區（II）內蒙中南部及河北接壤處分布最廣，川東北、陜北和陜南也十分集中，與當地自然條件、土地退化與土壤侵蝕密切相關。重點輪休區（III）甘東南近黃土高原丘陵溝壑區分布最廣，與當地脆弱生態環境及不合理農牧變換導致土地退化密不可分。此外，魯東北也也有一定規模的嚴控輪休區，與當地采油煉油造成的PAHs污染密不可分。一般輪休區（IV）分布廣泛，幾乎涉及全國。3）總體來看，休耕優先區集中分布于河南、湖南和河北，川東北、贛南、遼西、魯東北、云南等一些地區采礦、工業、污水灌溉以及農藥和肥料過度區也呈散點式分布。

3 討 論

3.1 中國耕地資源環境硬約束的總體態勢

本文采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數及劃分等級綜合評價耕地土壤重金屬和有機物污染狀況，全國耕地土壤污染面積占耕地總面積22.10%，輕度、中度和重度污染分別為18.56%、2.31%和1.23%（圖4b）。中度和重度污染占比略高于《中國耕地地球化學調查報告》報道的2.5%，可能與該報告只調查了全國68.0%耕地有關。本文土壤輕度、中度、重度污染占比略高于2014年生態環境部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》，分別為16.50%、1.80%、1.10%，但公報采用污染物濃度倍數法劃分污染等級，事實上提高了中、重度污染等級的門檻值。此外，本文耕地污染總面積高于宋偉等[26]（16.67%）、曾思燕等[11]（15.87%）估算結果，這可能與先前研究僅考慮重金屬，并未將PAHs、DDT和HCH等有機污染物納入評價有關。從8種單一元素評價結果來看，Cd點位超標率最高，為18.03%，是導致耕地土壤污染主因。這個結果與尚二萍等[27]等研究結論相似，但遠低于Yuan等[28]研究結果；其次是PAHs（17.02%）和DDT（3.75%），又高于《全國土壤污染狀況調查公報》公布的1.4%和1.9%，與張俊葉等[29]研究結果相似；Cr、Zn、Pb點位超標率分別為0.1%、1.42%和1.34%，與《全國土壤污染狀況調查公報》、Niu等[30]和Zhang等[31]的研究結果相似；但本研究Cu點位超標率僅0.49%，低于公報公布值（2.1%）、Niu等[30]公布值（9.16%）和Zhang等[31]公布值（3.01%），這可能與不同評價標準和背景值取值有關。

中國耕地范圍內地下水開采狀況總體上處于采補平衡狀態，但中國諸多省份均存在地下水超采區問題（8.17%）。重度超采區（0.68%）零散的分布于新疆、甘肅、山西等地，其中河北（4 670 km2）、河南（3 950 km2）兩省的重度超采區面積最大。此外，疊加土壤污染與地下水超采空間分布圖發現，耕地單元（EP00Q）即重度污染與地下水重度超采疊加區域，主要出現在河南省新鄉市，與之前的研究結果一致[32-33]，應對其采取禁止種植農作物并采取休耕治理，防止在受污染土壤從事農業生產活動導致地下水污染，對土壤生態環境安全造成極大威脅。應當注意，土壤有機質減少、耕地質量下降、土壤生態系統服務等與土壤健康密切相關，若在一級生態保護紅線退讓區且劣等耕地（0PGQ0）內開展農業活動，如黃土高原丘陵溝壑區周邊，不僅會導致生產功能下降，更會引發其他生態脅迫作用，如養分失衡、土壤生物多樣性減少等，應將該區域納入限植休耕區（II）以逐步恢復地力。

3.2 休耕規模探析及其對應的休耕分區

中國耕地資源稟賦，對土壤資源的管護應該是補短板與漏洞-改善土壤生態環境，提下限-保育以不退化。休耕空間權衡不僅僅需要考慮單項“短板”生態環境脅迫因素，也要考慮多指標的綜合特點。本研究結合“木桶效應理論”與思維空間概念模型，綜合考慮耕地生態脅迫全要素優先的休耕面積占比為23.70%（圖3），分別較基于食品安全優先、產能損失優先和生態保護優先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%（圖2）。這個結果略高于石飛等[10]、羅婷婷和鄒學榮[34]估算的中國休耕極限20%。但本研究基于食品安全優先、產能損失優先和生態保護優先情景下的休耕低方案面積分別為4.94%、6.65%和5.70%，趨近于張慧芳等[35]認為的中國每年休耕規模上限為國家耕地總面積的5%和Lu等[36]認為理論休耕規模為6.28%～9.54%?？紤]到休耕實施的可行性，時序安排上應兼顧糧食安全、地方財政壓力、休耕迫切性等要素，建議按等級實施差異化的休耕模式[13]：1）禁植必休區的土壤生態環境脅迫程度極高，已不適宜耕作，應采取強制性的長期休耕模式，針對重度污染區，配套“休治培”三融合技術治理土壤，待土壤污染強度降低至符合農業種植標準后，再酌情調整休耕方式；針對重度超采區，將原先種植蔬菜和糧食的耕地改種豆科牧草，以控制地下水超采，減少水土流失。2）限植休耕區應采取季休或年休的休耕模式，限制作物種植種類，可在休耕區域實施冬耕曬垡與冬種綠肥模式，以有效解決區域內普遍存在的耕地耕層淺、土壤有機質含量下降等問題，以改善土壤生態環境。3）重點輪休區與一般輪休區采取季節性輪作休耕，由于區域內土壤生態環境脅迫程度較低，可實施用養結合模式，在種植水稻、棉花等耗地作物的同時，通過秸稈還田，間套綠肥、豆類等養地作物，合理輪耕，實現耕地生態-環境-社會“三效”并舉。

3.3 休耕對國家糧食安全影響

糧食關乎國計民生的重要戰略物資，休耕的最終目標是為了平衡區域糧食生產與資源環境保護之間關系，實現耕地可持續利用，切實保障國家糧食安全。但在宏觀尺度上糧食安全必須以耕地質量提升和地力保護為基石，對污染已嚴重威脅食品安全的土壤、質量急劇下降及生態破壞嚴重的耕地開始優先休耕，達成糧食質量供給安全。此外，為避免休耕對糧食數量安全造成影響，本研究基于2015年原國土資源部發布的《中國耕地質量等別評價成果》，對中國糧食生產水平進行分析，以測算休耕對中國糧食生產水平的影響，為國家休耕空間分區提供基礎依據。根據耕地質量等別與糧食生產能力的關系，1等地的標準糧平均生產能力在2.1×104～2.25×104kg/hm2之間[37]，在此取中間值，即2.175×104kg/hm2，并以此類推，采用每降低一個耕地等別，標準糧的生產能力降低1 500 kg/hm2，計算因休耕導致的全國耕地糧食減產量。結果顯示，綜合考慮耕地生態脅迫全要素優先確定休耕23.70%的耕地面積造成糧食減產17 653.82萬噸，約占全國耕地總產能的15.71%。其中，在I級、II級“休耕”情景下造成全國耕地產能減少1.74%、2.75%；在III級、IV級“輪休”情景下造成全國耕地產能減少3.41%、7.81%。這表明若將此23.70%的耕地一次性進行休耕將危及國家糧食安全，休耕方案無法實施落地。因此，各地區可因地制宜選擇不同的休耕情景確定地塊休耕優先順序。

中國選擇重金屬污染區、地下水漏斗區、生態退化區、農牧交錯區和東北冷涼區實行休耕制度試點這一做法[4]，表明國家在實行休耕制度過程中注重土地利用目標導向與問題導向相結合，通過將土地利用問題嚴重區域作為優先休耕區域，并在保障國家糧食安全的前提下促進休耕制度的順利實施。因此，有必要在輪休區建議休耕實施模式為季休（只栽種一季或兩季）、年輪休（一年以上休耕）或長休（10～15年休耕），以降低休耕導致的糧食減產量，避免因休耕影響國家糧食安全。在此，假設在III級重點輪休區、IV級一般輪休區按照每年輪休1/3的耕地面積，則三年內可對中國因耕地生態環境脅迫確定休耕23.70%的耕地面積進行全部休耕，且每年因休耕導致的耕地產能僅為8.23%。依據封志明[38]、于昊辰等[39]的研究表明，在此糧食減產比例下，結合適度依托國際市場，可確保實現適度自給或高度自給，鞏固與保障國家糧食安全。當前中央輪作休耕制度試點面積2021年增至2.67×106hm2（4 000萬畝）[7]，僅占中國耕地總面積的1.98%。這表明國家可在切實保障國家糧食安全的前提下，可依據地方財政壓力、農戶意愿等進一步擴大休耕規模。

4 結 論

中國采取自愿申報和總量控制的辦法至下而上落實全國的休耕計劃，但中國耕地面積大、分布散、耕地資源狀況不一，一直缺乏從源頭基于摸清耕地資源環境本底導向的視角，厘清耕地地塊休耕迫切性排序的必要性方面的研究。為此，本研究構建基于土壤污染-耕地質量-地下水超采-生態保護紅線劃定的耕地生態環境脅迫因素空間數據庫，從源頭厘清耕地資源環境本底導向視角，在國家宏觀尺度下權衡休耕的規模與空間布局。結論如下：1）中國北方的生態保護紅線劃定的耕地數量高于南方，且一級生態保護紅線劃定內的耕地占中國耕地總面積的3.57%；中國耕地土壤重度污染面積占比1.23%，且南方較北方污染嚴重；就地下水超采評價而言，重度超采區僅占0.68%，且大范圍重度超采區主要集中于河北、河南兩?。痪透刭|量而言，中國耕地質量總體上處于中等和高等狀態，劣等耕地僅占3.69%。2）結合“木桶效應理論”與四維空間概念模型，綜合考慮耕地資源環境硬約束下優先休耕面積占比為23.70%，較基于食品安全優先、產能損失優先和生態保護優先情景下的休耕高方案增加8.40%、4.18%和3.12%。其中禁植必休區（I）主要集中于河南、河北、湖南、云南、安徽等5個省。同時，建議實施差異化的休耕模式，并對“輪休”區耕地實施1/3輪休方案，以切實保障國家糧食安全與保育土壤生態環境。本研究通過反映耕地地塊生態環境脅迫程度，可為國家層面休耕迫切性診斷與空間權衡提供技術思路及空間參考，對精準實施休耕以治理土壤污染、提升耕地生境質量、保障國家糧食安全意義重大。

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Identifying the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints in China

Chen Fu1, Zeng Siyan2※, Ge Xiaoping3, Yu Haochen4, Yang Yongjun4, Bian Zhengfu4

(1.,,211110,; 2.,,310024,; 3.,,210098,;4.,,221008,)

This study aims to identify the priority areas of fallow under the resources and environmental background of cultivated land in China. The spatial pattern and differentiation characteristics of ecological stress factors were systematically determined using the Nemerow integrated pollution index, the variation of groundwater level, the service function of the ecosystem, and the sensitivity of the ecological environment. Four dimensions were also considered, including ecological protection red line, soil pollution, over-exploited groundwater, and arable land quality. Subsequently, a multi-criteria and multi-objective optimization of fallow was constructed to identify the scale of fallow, and the spatial distribution of priority areas. Three scenarios were also selected, including the priority to food safety (PFS), the minimum production capacity loss (MCL), and the priority to ecological security (PES). Especially, each scenario was set as the low, medium, and high level for better prioritizing fallow units. A spatial weighing of all factors was also carried out to delineate the fallow priority areas of cultivated land under resources and environmental constraints. As such, an optimal matching was achieved for the correlation between ecological security, food production, and quality. The results showed that: 1) There were much larger areas of arable land within the delineation of ecological protection red line in northern China than those in the south. Specifically, the area of arable land within the first- and the second-class ecological protection red line delineation accounted for 3.57%, and 10.95%, respectively. 2) The area ratios of farmland with slight, moderate, and severe pollution were 18.56%, 2.31%, and 1.23%, respectively. The overall pollution in the south was higher than that in the north. There was a partially scattered distribution of pollution in the south, whereas, the north showed a pattern of spot-like agglomeration. 3) The areas of over-exploited groundwater were mainly concentrated in the provinces of Hebei, Henan, Jilin, and Jiangsu, where the severe over-exploited areas accounted for only 0.68% of the whole of China. The severe over-exploited areas with the large-scale contiguous patterns were 4 670 km2and 3 950 km2in Hebei and Henan, respectively. 4) The total proportions of arable land quality accounted for 3.69% and 14.0%, respectively, for the grade of the inferior and poor grade in northern China, particularly with the widely dispersed pattern, compared with the south. The priority fallow areas accounted for 23.70% of the total study area, according to the comprehensive evaluation of cultivated land and multi-criteria fallow. Specifically, the proportions of the prohibited-planting-fallow area (I), restricted-planting-fallow area (II), key-rotation area (III), and general-rotation area (IV) were 1.95%, 4.71%, 6.18%, and 10.86%, respectively. Furthermore, the priority fallow areas were 8.40%, 4.18%, and 3.12% higher than those of the PFS, MCL, and PES, respectively. Consequently, this finding can provide strong technical support to effectively implement the fallow planning, thereby protecting the cultivated land from soil pollution in modern agriculture.

fallow; soil pollution; cultivated land protection; environmental background; fallow rules; space tradeoff

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2021-08-05

2021-11-05

國家科技支撐計劃項目(2015BAD06B02)；國家自然科學基金面上項目（51974313）；中國工程院重大咨詢研究項目(2021NXZD3)

陳浮，博士，教授，博士生導師。研究方向為國土空間生態修復。Email：chenfu@cumt.edu.cn

曾思燕，博士，研究方向為耕地評價與生態權衡。Email：zengsiyan@westlake.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.026

F321.1

A

1002-6819(2021)-22-0226-10