陕西省能源植物黄连木种植土地资源分析与预测

周 熙，马智民

（1.华中农业大学工学院，武汉 430070；2.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054）

化石能源日渐短缺是当今人类所面临的危机之一，为了使经济得到持续发展，能源危机得到缓解，生态环境得到保护，生物能源特别是能源植物被越来越多的国家开发并利用［1］。国内外已有一些学者对麻风树（Jatropha curcasL.）、木薯（Manihot esculentaCrantz）、黄连木（Pistacia chinensisBunge）等能源植物进行了研究［2-4］。其中，黄连木作为具有代表性的能源植物之一，其种子和果实含油量较高，可被用于提炼黄连木柴油。因此，对可种植黄连木的土地资源进行研究，能够在一定程度上为能源植物种植业的发展提供理论支撑，缓解当前化石能源短缺的紧张局势，符合当前生态文明建设的发展主题。

当前对黄连木开展的研究集中于生长培育研究方面，少数学者对黄连木的适宜种植分布情况和节能减排效益进行了研究［5，6］，也有学者基于作物生长模型对能源植物的生长进行模拟从而对其产生的社会、经济、生态效益进行预测。但是还没有学者从土地利用变化模拟预测的角度入手，通过对未来的土地格局进行预测从而根据土地数量的变化来预测可种植能源植物的土地资源情况。因此，本研究在当前“一带一路”建设背景下，对陕西省能源植物黄连木种植的土地资源进行分析和预测具有一定的研究意义，也符合当前生态文明建设的发展主题。本文拟在研究能源植物黄连木种植的土地资源利用问题时，将结合不同规划中针对耕地、植被、能源、生态等方面提出的要求，分析陕西省黄连木种植的土地利用现状，同时基于模型对2020 年陕西省土地利用格局进行预测，从而预测并分析未来陕西省可种植黄连木的土地资源分布。

1 材料与方法

1.1 “多规”综合分析

《陕西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中提出要“打造新能源增长点，大力发展非化石能源，推进能源绿色低碳发展”，同时提出“生态环境质量显著提升，绿色低碳循环发展成为主基调，单位生产总值能耗、主要污染物排放总量、单位二氧化碳排放量明显下降，森林覆盖率超过45%”的要求［7］，认为推广能源植物种植在提高环境质量、发展新能源等方面满足该规划要求。

根据《陕西省土地利用总体规划（2006—2020年）》《陕西省城乡规划条例》和《陕西省“十三五”环境保护规划》中提出的陕西省土地利用、城乡建设和生态环境保护工作中存在的问题，如耕地减少、城乡用地矛盾突出，同时提出生态资源是“十三五”生态文明建设的重点之一［8-10］，作为“不与人争粮，不与粮争地”的代表，能源植物的推广种植可以缓解农业与工业、生态与经济之间的用地矛盾，既保护了耕地的数量和质量，又提升了环境质量，促进经济发展，提高了土地的综合生产水平。符合《陕西省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中对化石能源、耕地生态资源数量进行控制的要求，以达到保护资源总量的目的，并且满足在提高能源利用效率的同时发展新能源的要求。

综合以上几项规划，在确定发展能源植物种植以缓解化石能源危机的同时，明确了在研究能源植物种植的土地利用情况时，还应当遵循几项规划中对耕地、文物遗迹用地、生态环境保护区等用地进行保护且不得占用的要求。由此确定在对陕西省能源植物黄连木种植土地资源利用情况进行研究时，应剔除耕地、大部分林地、大部分水域、城乡工矿居民用地和部分未利用土地，以及国家或地方所建立的自然生态保护区等，以上用地为受保护的土地或不适宜进行种植的土地。因此，确定用于能源植物种植的土地包括林地中的疏林地、草地、水域中的滩涂和滩地、未利用土地中的盐碱地、沼泽地和裸土地。

1.2 黄连木生长条件分析

黄连木别名黄楝、楷木，漆树科（Anacardiaceae）黄连木属（Pistacia）落叶乔木，高达25～30 m，其种子和果实含油量较高，种子含油率在35.00%～42.46%，出油率在22.00%～30.00%，种仁含油率为56.50%，果壳含油率为3.28%，其油脂所提炼的生物柴油与化石柴油主成分的分子结构非常相似，因此黄连木所产的植物油脂非常适合用于提炼生物柴油。

黄连木生长的耐性极强，深根性，主根发达，抗风力强；耐干旱瘠薄，对土壤要求不严，土壤母岩以石灰岩为主，土壤类型以褐土为主［11］，微酸性、中性和微碱性的沙质、黏质土均能适应，在肥沃、湿润而排水良好的石灰岩山地生长最好。由于中国不同类型土壤的有机质含量差异较大，本研究以1.5%的有机质含量作为可生长黄连木土壤的基本要求。根据中国相关环境保护政策规定，可用于耕种垦殖的土地，其坡度不宜超过25°，坡度大于25°的陡坡地，水土流失严重，不宜进行垦种［12］；其高程不宜超过2 000 m，海拔越高越不利于乔木的生长。由于黄连木极强的生长耐性，大于300 mm 的年平均降水量即可满足其正常生长所需的水分供给。因此，在中国年平均降水量为400～4 000 mm 的地区均发现有黄连木生长，其中主要分布区年平均降水量为400.0～2 371.3 mm，集中分布区年均降水量为400.0～750.0 mm，次集中分布区年均降水量为694.5～1 864.7 mm［13］。

黄连木在温带、亚热带和热带地区均能正常生长，分布区内年平均气温11.5～21.0 ℃，1 月平均气温-4.2～17.2 ℃，7 月平均气温 20.8～28.8 ℃，绝对最高气温43.6 ℃，绝对最低气温-23.6 ℃［14］。资源调查结果显示黄连木生长的地理分布界限与中国境内1 月均温-8 ℃等温线大体一致，广泛分布于此线以南的地区。

综合以上各项黄连木生长所需的自然条件，得到适宜黄连木生长的条件，如表1 所示。

表1 适宜黄连木生长的条件

1.3 CA-Markov 模型

当前对土地利用变化进行分析和模拟的模型有很多，部分学者［15，16］利用马尔科夫模型基于市域或河流流域等小区域开展研究，认为人为因素影响了研究区的土地覆被情况；刘毅等［17］以元胞自动机模型对大连市新城区的土地利用格局进行预测，认为同心圆组团模式下的新增用地发展紧凑。但是，传统马尔科夫模型的空间预测能力较弱，无法得知各种类型土地在空间上的变化状态［18］；元胞自动机模型具有模拟复杂空间系统的时空动态演变能力，但其预测结果是基于元胞间的局部相互作用而产生的，存在一定的局限性［19］，结合二者优势的CA-Markov 模型，具备了CA 模型对复杂系统空间变化的模拟能力和Markov 模型的长期预测能力，可在时间和空间上都较好地进行土地利用变化时空格局的模拟和预测。

1.4 研究区概况和数据来源

1.4.1 研究区概况 陕西省位于中国西北部，地处东经105°9′—111°15′和北纬31°42′—39°35′。地域南北长，东西窄，南北长约880 km，东西宽160～490 km。位于西北内陆腹地，自然区划上因秦岭-淮河一线而横跨北方与南方。陕西省海拔段主要分布在500～2 000 m，面积约占全省的90%，平均海拔1 127 m；25°以上坡度段面积最大，占全省的38%，3°～8°坡度段面积最小，占8%，陕西省平均坡度为19.9°。北山和秦岭将陕西省分为3 大自然区域：北部是陕北高原，中部是关中平原，南部是秦巴山区。陕西省土壤类型多样，且地带性分布规律明显，陕北高原为栗钙土-黑垆土地带；关中盆地为棕壤-褐土地带；陕南山地为黄棕壤-黄褐土地带。陕西省境内气候差异很大，由北向南渐次过度为温带、暖温带和北亚热带。年平均降水量576.9 mm，由南向北递减，陕北400～600 mm，关中500～700 mm，陕南700～900 mm，降水量变化受山地地形影响比较显著。年平均气温在 7～16 ℃，其中陕北 7～12 ℃，关中 12～14 ℃，陕南14～16 ℃；最冷月1 月平均气温，陕北-10～-4 ℃，关中-3～1 ℃，陕南0～3 ℃。最热月7 月平均气温，陕北21～25 ℃，关中23～27 ℃，陕南24.0～27.5 ℃［20］。

综合陕西省实际的自然条件和适宜黄连木生长的自然条件，可得到陕西省黄连木适宜生长条件及影响因子，如表2 所示。对已有的关于黄连木生长分布情况的研究成果进行整理分析可知，陕西省是适宜种植黄连木潜力较大的省份之一，并且其种植面积有望继续扩大，因此本研究选择陕西省作为研究区具有一定的实际意义。

表2 陕西省黄连木适宜生长条件及影响因子

1.4.2 数据来源 本研究所采用数据包括中国科学院资源环境科学数据中心（RESDC）提供的2010 年和 2015 年 1∶100 000 土地利用覆被数据集、1971—2000 年 30 年平均降水量 1 km×1 km 栅格数据和国家自然保护区分布矢量数据；高程数据为全国1∶250 000 数字高程模型；土壤数据为第二次全国土壤普查的资料《中国土壤》和《中国土种志》记录的土种典型剖面，利用ArcGIS 软件生成土壤有效厚度、土壤有机质含量等信息。

2 结果与分析

2.1 陕西省黄连木种植土地利用分析

根据各项规划的明确要求，以能源植物黄连木为研究对象，研究其在陕西省可进行种植的土地利用情况。以2010 年和2015 年陕西省土地利用覆被数据为基础，剔除耕地、大部分林地、大部分水域、城乡工矿居民用地和部分未利用土地，以及国家或地方所建立的自然生态保护区等受保护土地，将林地中的疏林地、草地、水域中的滩涂和滩地、未利用土地中的盐碱地、沼泽地和裸土地这几类用地作为可进行黄连木种植用土地进行研究。由表3 可知，2010—2015 年陕西省可种植黄连木的土地面积有所减少，可用于种植黄连木的土地以草地为主，因此在进行黄连木的种植与开发过程中，应注意不能无限度地开发草地用于种植能源植物，应当结合陕西省当前进行的“双退”工作，在发展能源植物的同时维护生态系统的平衡。

表3 陕西省可种植黄连木各类土地面积统计

对已确定陕西省可用于种植黄连木的土地进行多因子土地适宜性评价，根据黄连木的生长条件和陕西省自然条件设定评价因子为积温、土壤深度、土壤有机质含量、高程和坡度，结合相关数据在Arc-GIS 软件中对其进行处理，得到陕西省适宜黄连木种植各类土地的空间分布情况，如表4 所示。

表4 陕西省适宜黄连木种植各类土地面积统计（单位：km2）

根据以上数据可知，在陕西省可用于种植黄连木的土地中，能够满足所有自然条件限制因子的最适宜种植黄连木的土地只有极小一部分，大多数土地为较适宜种植黄连木的土地，只能满足黄连木生长的部分自然生长需求。尽管如此，陕西省仍是发展黄连木种植业极具潜力的省份之一，因此在当前国家大力发展新能源的局势下，陕西省相关企业和部门应当把握机会，推广能源植物黄连木的种植。

2.2 陕西省黄连木种植土地利用预测

在IDRISI 软件中基于2010 年和2015 年陕西省土地利用覆被数据生成2010—2015 年陕西省土地利用面积转移概率矩阵和土地适宜性图集，以2010年数据为基期模拟2015 年的土地利用格局，将模拟结果和2015 年真实数据进行对比检验，Kappa 系数大于0.75，认为符合模拟的精度要求。再以2015 年数据为基期，预测2020 年陕西省土地利用格局，同时结合黄连木生长特性提取可种植的地类，得到2020 年陕西省可种植黄连木土地类型分布预测图，如图1 所示。

图1 2020 年陕西省可种植黄连木土地类型分布预测图

对数据进行统计得到表5，2015—2020 年陕西省可种植黄连木的土地数量依然有所减少，这种趋势主要来自低覆盖度草地数量的减少，裸土地数量有所增加，其他地类变化较小。

表5 2020 年陕西省可种植黄连木各类土地面积统计

对预测的2020 年陕西省可种植黄连木的土地进行多因子土地适宜性评价，得到2020 年陕西省黄连木种植适宜土地空间分布预测图，如图2 所示。

图2 2020 年陕西省黄连木种植适宜土地空间分布预测图

对数据进行统计得到表6，2020 年陕西省最适宜种植黄连木的土地依然只有极小一部分，且主要集中在疏林地和草地这2 种地类，大多数土地仍为较适宜种植黄连木的土地。

表6 2020 年陕西省适宜黄连木种植各类土地面积统计（单位：km2）

当前，为了加强陕西省耕地后备资源存量，陕西省在全省部署实施“双退”工作。“双退”即根据全省经济社会发展对建设用地和生态建设的需要，通过调整土地利用总体规划和林地保护利用规划，将适宜开垦的可作为补充耕地后备资源的宜林地退出林地保护范围，不再作为林地继续保护；同时将不宜继续耕种的耕地退出耕地保护范围，不再纳入耕地保护红线，主要用于退耕还林种草，最终形成占补平衡有空间、退耕还林有条件的“双退双赢”局面，努力实现优化陕西省国土空间开发利用的新突破。因此，在开展“双退”工作的基础上，基于退耕还林种草工程，结合国家政策和相关法规，推广能源植物黄连木的种植，既达到土地的优化利用，维持了生态平衡，又使新能源产业得以发展，缓解了化石能源短缺的危机，是一项利国利民的举措。

3 小结

本研究基于“多规合一”思想，结合相关规划要求，确定了对陕西省能源植物黄连木种植的土地优化利用研究，并根据陕西省的自然条件、黄连木生长所需条件等建立土地适宜性评价影响因子，利用GIS 技术和空间数据对可利用土地的适宜程度进行了评价，并结合相关政策对推广陕西省黄连木种植提出了建议。结果表明，陕西省可种植黄连木土地面积较大，约占全省面积的50%，以疏林地、草地、滩地、盐碱地、沼泽地、裸土地为可种植用地，其中以疏林地和草地为最主要种植用地。最适宜种植土地较少，较适宜种植土地面积较大，但对疏林地和草地需要合理开发利用以保护生态环境，可结合陕西省“双退”工作进行黄连木种植的推广。