基于不同降水年型玉米生长差异的半干旱沙区耕地稳定性分类

周 建，张凤荣，徐 艳，高 阳，邱孟龙，李 灿

0 引 言

半干旱沙区是指在干湿气候区划上为半干旱区且土壤质地以沙质为主的区域[1]。半干旱沙区气候类型为大陆性季风气候，降水具有较大的波动性。水分是制约半干旱沙区作物生长的关键因子[2-3]。根据相关研究，多年平均降水量在300～400 mm时，地带性植被类型为典型草原[4]；半干旱沙区玉米生长的需水量在500 mm左右[5-6]。因此，半干旱沙区降水量能够满足草地生长需水量但不能完全满足玉米生长需水量，使得半干旱沙区的农业生产为半农半牧。在半农半牧的生产方式下，种植业（以旱地玉米为主）一方面为农民提供粮食生产收入，另一方面玉米籽粒为牲畜提供饲料，再者玉米秸秆成为牲畜过冬的饲草[7-8]，加之农业机械化的快速发展[9-10]，农民有经济驱动也有能力尽可能多地增加耕地面积。但是，半干旱沙区的气候特点使得耕地利用不可持续，形成了开垦－撂荒－沙化－再开垦－再撂荒－严重沙化的土地利用方式[11-12]，该土地利用方式使半干旱沙区是中国不稳定耕地的主要分布区域之一[13]，也导致了该地区土地荒漠化问题突出[14-17]。因此，研究不同降水条件下半干旱沙区作物的生长状况，识别不稳定耕地，对半干旱沙区生态恢复具有重要意义。

既有的关于不稳定耕地的研究相对较少，王宏亮调查了内蒙古不适宜不稳定耕地状况并从自然条件方面分析了不适宜不稳定耕地产生的原因[18]。杜国明等基于第二次全国土地调查评价成果，将不稳定耕地划分为开垦草原地、开垦荒地等10种类型[19]。2014年4月国土资源部发布了《关于开展全国耕地后备资源调查评价工作的通知》（国土资厅发[2014]13号），启动了新一轮耕地后备资源调查评价工作，“不稳定耕地”调查评价是耕地后备资源调查评价工作的一项重要内容，要查清不稳定耕地的类型、位置、面积、利用状况等情况。刘星等基于新一轮耕地后备资源调查评价，对干旱区河湖防洪区内的不稳定耕地的判定进行了探讨[20]。王磊根据《耕地后备资源调查评价技术规定》，利用遥感影像对不稳定耕地进行调查分析[21]。赵爱栋等利用新一轮不稳定耕地调查评价结果，从粮食安全、农民收入、生态影响 3个方面对不稳定耕地进行评价，提出了不稳定耕地 “维持耕种用途”、“工程改造”、“逐步退耕”3种后续处理方式[22]，同时，以新疆尉犁县为例对不稳定耕地退耕的可行性进行了分析[13]。就半干旱沙区而言，不稳定耕地类型主要为“受土地荒漠化、沙化及其他因素影响的不稳定耕地”。以上相关研究主要从自然条件等方面选择评价指标对不稳定耕地进行调查评价，尽管受各种因素限制使得耕地质量存在各方面的问题，导致耕地利用不可持续，但是，不稳定耕地本质上是受各种因素限制导致耕地生产能力不可持续，具体表现为耕地作物生长状况较差。因此，利用耕地作物的生长状况识别不稳定耕地是一个重要途径。

基于以上分析，本研究利用遥感技术研究不同降水条件下耕地作物生长状况，基于耕地作物的生长状况识别不稳定耕地。通过本研究，一方面深化对半干旱沙区农业生产的认识，另一方面为不稳定耕地的识别提供新的思路。

1 研究区概况

科尔沁左翼后旗（科左后旗，121°30′～123°42′E，42°40′～43°42′N）位于内蒙古自治区科尔沁沙地的东南部（图1），属于半干旱沙区，面积为1.1×104km2。气候为温带大陆性季风气候，多年平均降水量415 mm，主要集中在6－8 月份。年平均风速3～4 m/s之间，且大风天气主要集中在冬、春季节。土壤类型以风沙土为主，占土壤总面积的 68.9%，沙性土壤使土地易荒漠化。50年代末期，荒漠化土地面积占土地总面积的22%，80年代末期增至48%[23]。海拔在88.5～208.4 m之间，地形平缓，固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘相结合，坨甸相间分布是其主要的地貌特点。坨甸相间的微地形使自然降水重新分布，土壤水分地形分异显著。农业生产为半农半牧型。耕地作物以旱地玉米为主，2016年全旗粮食作物播种面积1.89×105hm2，其中玉米播种面积 1.62×105hm2，占85.7%。2016牧业年度牲畜头数304.29 万头（只、口）。

图1 科左后旗位置Fig.1 Location of Horqin Left Back Banner

2 数据与研究方法

2.1 数据与处理

科左后旗2001年、2008年、2013年土地利用/覆被数据由ETM+、TM5、OLI陆地遥感影像解译得到[24]。2012年土地利用数据来源于土地利用变更调查数据库。NDVI数据为16 d合成的MOD13Q1_NDVI数据，包括2001年、2008年、2012年、2013年每年第145天、第161天、第177天、第193天、第209天、第225天、第241天、第257天的H26V4、H27V4的数据，空间分辨率为250 m。2001年、2008年、2013年土地利用/覆被的空间分辨率为30 m，MODIS_NDVI的空间分辨率为250 m，利用最近邻法将2001年、2008年、2012年、2013年的土地利用/覆被数据重采样为 250 m。气象数据为科左后旗气象站（图1）1980年1月1日至2013年12月31日的逐日降水数据。

2.2 研究方法

2.2.1 玉米生长期降水型划分

2012年旱地面积占耕地总面积的77%，2016年玉米播种面积占粮食总播种面积的比例为85.7%，旱地玉米是科左后旗最主要的作物类型。为分析不同降水条件下玉米的生长状况，对1980－2013年玉米生长期（5月5日－9月17日）的降水型进行划分[4-5,25]，丰水型、偏丰水型、平水型、偏欠水型、欠水型的划分标准如下：

式中R为玉米生长期降水量，mm；¯R为1980－2013年玉米生长期多年平均降水量，mm；σ为1980－2013年玉米生长期降水量的标准差。

2.2.2 玉米生长状况

遥感技术已被广泛应用于农作物种植面积监测和产量估算等方面[26-28]，植被指数与作物产量具有显著相关性[29-31]。本文利用玉米生长期内 NDVI指数的加和NDVIsum反映玉米生长状况（公式（1）），NDVIsum越大反映玉米生长越好。根据玉米生长期降水型的划分结果，选择偏丰水型（2008年、2012年）、平水型（2013年）、偏欠水型（2001年），研究不同降水型下玉米的生长状况，以分析半干旱沙区种植业生产的稳定性。

式中NDVIsum为玉米生长期NDVI之和；NDVIi表示各年玉米生长期内对应的8期16 d合成的NDVI值。

2.2.3 不稳定耕地分析

降水条件是影响半干旱沙区作物生长的关键因素，利用平水型（2013年）与偏欠水型（2001年）耕地作物的生长差异识别不稳定耕地。

式中NDVIsum1表示偏欠水型耕地的NDVIsum值；NDVIsum2表示平水型耕地的 NDVIsum值，△NDVIsum表示耕地NDVIsum的差值，△NDVIsum越小表示耕地作物在偏欠水型下生长状况较正常水型下越差。

3 结果与分析

3.1 1980－2013年玉米生长期降水型分析

科左后旗1980－2013年共34 a玉米生长期降水型划分中3 a属丰水型，占8.82%；11 a属偏丰水型，占32.35%；6 a属平水型，占17.65%；10 a为偏欠水型，占29.41%；4 a为欠水型，占11.77%（图2），表明科左后旗玉米生长期降水量具有很大的波动性，且丰水型与偏丰水型、欠水型与偏欠水型所占比例均较大，平水型年份所占比例不高。

图2 1980－2013年玉米生长期降水量及其降水型Fig.2 Precipitation and precipitation type of maize growth period from 1980 to 2013

3.2 偏欠水型年份与平水型年份玉米生长状况分析

2001年耕地的NDVIsum主要分布在[4，4.5)之间，分布在此范围内的耕地面积占2001年耕地总面积的比例为31.09%（表1）。2013年耕地的NDVIsum主要分布在[4.5，5.5)之间，分布在此范围内的耕地面积占 2013年耕地总面积的比例为68.94%。

其次，2013年NDVIsum值低于4.5的耕地面积占2013年耕地总面积的比例为23.87%，而2001年的相应比例为71.97%，远大于2013年的比例。2013年NDVIsum值大于4.5的耕地面积占2013年耕地总面积的比例为76.13%，而2001年的相应比例仅为28.03%，远小于2013年的比例。因此，偏欠水型年份玉米生长状况较平水型年份玉米生长状况差。

表1 2001年、2008年、2012年、2013年各NDVIsum分组的耕地面积比例Table 1 Area proportion of grouped NDVIsum cultivated land of 2001, 2008, 2012 and 2013 %

前文提到，科左后旗玉米正常生长需水量为500 mm左右[5-6]，而科左后旗多年平均降水量为415 mm，平水型年份玉米生长期的降水量本就不能充分满足玉米正常生长的水分需求，2013年玉米生长期降水量为346.1 mm。偏欠水型玉米生长期降水量较平水型更少，2001年玉米生长期降水量为239.6 mm，较2013年少107.5 mm，玉米生长受到水分胁迫的程度更加严重，偏欠水型下玉米生长状况差。

3.3 平水型年份与偏丰水型年份玉米生长状况分析

2008年耕地的NDVIsum主要分布在[4，5)之间，分布在此范围内的耕地面积占 2008年耕地面积的比例为60.81%（表1）。2012年耕地的NDVIsum也主要分布在[4，5)之间，在此范围内的耕地面积占2012年耕地总面积的比例为67.62%。然而，2013年耕地的NDVIsum主要分布在[4.5，5.5)之间，分布在此范围内的耕地面积占2013年耕地总面积的68.94%，且分布在[4.5，5)之间的耕地面积所占比例均大于2008年、2012年的相应比例。

其次，2008年、2012年NDVIsum小于4.5的耕地面积占2008年、2012年耕地总面积的比例分别为55.66%、40.80%，而2013年NDVIsum小于4.5的耕地面积占2013年耕地总面积的比例仅为 23.87%，小于 2008年、2012年的比例。2008年、2012年NDVIsum大于4.5的耕地面积占2008年、2012年耕地总面积的比例分别为44.34%、59.20%，而2013年NDVIsum大于4.5的耕地面积占2013年耕地总面积的比例为 76.13%，远大于 2008年、2012年的比例。因此，平水型年份玉米生长状况比偏丰水型年份玉米生长状况好。

偏丰水型下玉米生长状况比平水型下玉米生长状况差主要是由微地形引起水分重新分配进而影响玉米生长所致。科左后旗土壤以沙性土壤为主，风沙土占科左后旗总面积的 68%，沙性土壤保水性能差，自然降水极易汇集到地形低洼处。其次，科左后旗地下水埋深较浅，地下水平均埋深1980年为2.12 m，2008年为3.48 m，且地下水位变化受降水量影响显著，当降水量多时，地下水位会显著升高。再者，草甸沼泽土、泥炭土、草甸土是科左后旗相对优质且适宜进行农业生产的土壤类型[24]，草甸沼泽土、泥炭土、草甸土类型的耕地占耕地总面积的比例较大，2013年占比分别为 1.46%、0.07%、41.38%，总计42.91%，这些土壤类型的耕地分布在地形较低的区域[32]。最后，科左后旗为大陆性季风气候，降水集中度高，一次降水量可以达到100 mm以上。综合以上各因素，导致了地形较低处的耕地在降水较多时易于遭受涝灾，影响玉米生长，使得偏丰水型（2008年、2012年）玉米生长状况比平水型（2013年）玉米生长状况差。

3.4 偏丰水型年份与偏欠水型年份玉米生长状况分析

2008年、2012年耕地的NDVIsum主要分布在[4，5)之间，分布在此范围内的耕地面积占2008年、2012年耕地总面积的比例分别为60.81%、67.62%（表1）。而2001年耕地的NDVIsum主要分布在[4，4.5)之间，分布在此范围内的耕地面积占2001年耕地总面积的比例为31.09%，而且2001年耕地的NDVIsum在[4，4.5)范围内的比例均小于2008年、2012年的比例。

其次，2001年NDVIsum值低于4.5的耕地面积占2001年耕地总面积的比例为71.97%，2008年、2012年NDVIsum值小于4.5的耕地面积占2008年、2012年耕地总面积的比例分别为55.66%、40.80%，均小于2001年的比例。相反，2001年NDVIsum值大于4.5的耕地面积占2001年耕地总面积的比例仅为28.03%，2008年、2012年NDVIsum值大于4.5的耕地面积占2008年、2012年耕地总面积的比例分别为44.34%、59.20%，均远大于2001年的比例。因此，偏丰水型年份玉米生长状况优于偏欠水型年份玉米生长状况，偏丰水型年份玉米生长状况相对较好。

2013年风沙土类型的耕地占耕地总面积的比例为47.70%，草甸沼泽土、泥炭土、草甸土类型的耕地占耕地总面积的比例依次为1.46%、0.07%、41.38%。与周围地形相比，泥炭土、草甸沼泽土、草甸土分布在地形较低处，且相对高程依次升高，当降水量较多，地形低洼处形成洪涝时首先对草甸沼泽土和泥炭土上的玉米生长产生影响，当地下水位进一步抬升，才影响草甸土上耕地玉米的生长，即降水量较多时并未对所有的草甸土上的耕地玉米生长产生影响。但是，当降水量减少发生干旱时，却是对所有耕地，尤其是地形高处保水能力差的占耕地比例大的风沙土上的耕地玉米生长产生严重影响。因此，干旱对科左后旗玉米生长的影响大于沥涝对玉米生长产生的影响。

地形低洼处的耕地在降水量较多时受沥涝影响对耕地作物生长产生影响，即使作物受涝生长状况差，但由于水分丰富，草本植物也能生长茂盛，能够有效防止土地荒漠化，相反，地形较高处的风沙土上的耕地在干旱条件下作物生长状况差，植被覆盖度低，土地易于荒漠化。

3.5 耕地类型分析

平水型下农作物生长状况相对最好，偏欠水型下农作物生长相对最差，利用平水型与偏欠水型耕地作物生长差异识别不稳定耕地。2001年耕地面积为279 468.75 hm2，2013年耕地面积为299 912.5 hm2，2001为耕地且2013年也为耕地的土地面积为184 656.25 hm2，占2001年耕地面积的66.07%，占2013年耕地面积的61.57%。对2个时期土地利用类型均为耕地的作物的生长状况进行分析，耕地的△NDVIsum越小，表示偏欠水型作物生长状况较正常水型作物生长状况越差，耕地利用越不稳定；偏欠水型作物生长状况优于正常水型的，表明耕地利用稳定。根据作物生长差异，将2001年、2013年土地利用均为耕地的土地分为极不稳定、不稳定、相对稳定和稳定4种类型（图3、表2）。其中，极不稳定耕地面积为68.75 hm2，占2001年、2013年土地利用均为耕地的面积的0.037%；不稳定耕地面积为33 918.75 hm2，占18.369%；相对稳定的耕地面积为134 031.25 hm2，占72.584%；稳定的耕地面积16 637.5 hm2，占9.01%。

需要注意的是，由于在地形低洼处可以修建集雨、储水设施以收集降水量较多时地形低洼处的积水，以解决沥涝对作物生长的影响，并利用收集的雨水在发生干旱时进行农业灌溉，即集雨设施的修建可以保证地形低洼处耕地的可持续利用。因此，不稳定耕地分析中没有将受沥涝影响的耕地作为不稳定耕地。

图3 2001年、2013年土地利用均为耕地的耕地类型Fig.3 Cultivated land type of cultivated land both in 2001 and 2013

表2 2001年、2013年土地利用均为耕地的耕地类型Table 2 Cultivated land type of cultivated land both in 2001 and 2013

4 结 论

本文在对不稳定耕地进行分析时，并未对耕地利用类型发生变化的土地进行分析，主要是由于相关研究已经表明，发生类型变化的耕地主要分布在风沙土和草甸土上，风沙土土壤无结构，肥力水平低，作为耕地利用后土壤肥力下降速度快，耕地生产力下降迅速，进而产生耕地撂荒，形成不稳定耕地；尽管草甸土土壤肥力相对较好，但是，连续利用草甸土类型的耕地而不注重耕地地力的保持，也会造成耕地地力的下降，进而产生耕地的撂荒，形成不稳定耕地。因此，发生类型变化的耕地主要是不稳定耕地。通过本研究，得到结论主要是：

1）半干旱沙区玉米生长期降水量波动大，偏丰水型与丰水型、偏欠水型与欠水型年份所占比例均较大。1980－2013年，科左后旗玉米生长期偏丰水型与丰水型年份分别占32.35%、8.82%，偏欠水型与欠水型年份分别占29.41%、11.77%。

2）半干旱沙区不同降水型下种植业生产存在很大差异，且干旱对种植业的影响大于沥涝对种植业的影响，偏欠水型（2001年）、平水型（2013年）、偏丰水型（2008年、2012年）玉米生长期耕地NDVIsum分别主要分布在[4，4.5)、[4.5，5.5)、[4，5)，反映出半干旱沙区种植业生产具有很大的不稳定性。

3）基于半干旱沙区耕地作物生长的差异，将 2001年、2013年土地利用均为耕地的土地分为极不稳定、不稳定、相对稳定和稳定 4种类型。极不稳定耕地面积为68.75 hm2，占0.037%；不稳定耕地面积为33 918.75 hm2，占18.369%；相对稳定的耕地面积为134 031.25 hm2，占72.584%；稳定的耕地面积16 637.5 hm2，占9.01%。对极不稳定耕地与不稳定耕地应当进行土地退耕以恢复半干旱沙区生态。

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