内蒙古边际土地油莎豆种植及生产潜力评估

张鑫彤，吴秀芹

（1. 北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083；3. 北京林业大学水土保持学院宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，北京 100083）

0 引 言

边际土地一般是指由于土壤障碍限制突出、水热资源约束强、地形条件限制大等导致农业产能和经济效益低下、生态脆弱的土地，其具体定义因研究目的、研究尺度等的不同而有所差异。从生态学角度，学者们更加关注土地的生态脆弱性，将其等同于土地自身质量相对较差、生态环境比较恶劣的土地，如Gelfand等提出“边际土地是指因土地质量差、气候条件恶劣或易受侵蚀和生态威胁的不适宜种植农作物的土地”；Gopalakrishnan等提出边际土地是“基于经济、土壤和环境条件约束导致的种植农作物收益边际化而种植其他能源或功能作物效益非边际化的土地”；国内刘成武、李秀彬等学者提出“边际土地是指土地在所考虑的用途的无租边际或粗放边际下，劳动力和资本最佳投入组合下的土地产出都不能补偿成本”等。目前，国内外对于边际土地的研究主要集中在边际土地分布范围、分布面积评估以及利用边际土地进行能源作物种植可产生的生物能源生产潜力评估等方面，Milbrandt等将弃耕农田、荒地、棕地等纳入边际土地进行面积估算，Stoof等评估了美国东北部的7个州可以用于第二代纤维素类能源植物生产的土地的数量，Mithun等创建了一个基于GIS的模型框架，评估了波斯顿潜在的城市边际土地并估算了其生物能源生产潜力。Zhuang等考虑了土地利用类型及植物生长习性，评估了全国范围内适于发展黄连木、木薯、菊芋、麻疯树、油桐五种能源植物的边际土地分布情况；寇建平等考虑了温度、水分、土壤、地形等条件，提取了全国范围内的一等、二等、三等宜能荒地；陈瑜琦等考虑了气候、地形、土壤等方面，提取了中国物理层级、生物层级、生态环境层级边际土地；刘奇颀等对前人关于宜能非粮地的评价指标及评价方法合理性进行了讨论，并提出了更完善的指标评价体系

20世纪90年代以来，随着世界能源需求的增加以及全球对气候变化问题的关注度上升，各国开始尝试种植能源作物生产生物质能源以保持持续增长的能源需求与气候环境变化间的平衡，本着“不与粮争地”的基本原则，边际土地逐渐成为能源作物种植的首选。本研究中边际土地主要指存在一个或几个对常规作物生长限制较大的因子，但又具备一定开发潜力，适宜油莎豆种植且具有较大的开发可行性的土地。中国人多地少、许多耕地长期处于高强度超负荷利用状态，但在此条件下，仍有面积广大、分布广阔的边际土地，尤其是内蒙古自治区、新疆维吾尔族自治区等均存在大量边际土地，其中，内蒙古边际荒地资源分布最广。但由于这些地区所处的中国北方风沙区存在严重的土地沙化、盐碱化、干旱等问题，对于常规能源作物的生长存在较大限制，开发利用难度大。

油莎豆（L.）块茎含油量极高，是一种具有食用、药用、商用等利用价值的综合性经济作物，其抗逆性强、对土壤要求低，尤其适宜在沙壤土和沙土中生长。目前，油莎豆已被作为新油源作物列入《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》。中国科技部农村科技司也于2018年提出加快油莎豆产业规模化高效健康发展的工作目标；2021年，中央一号文件的支农惠农政策中也明确提到了拓展油莎豆等经济作物收获机研发等。自2011年开始，乌兰布和沙漠等已尝试开展试验并推广油莎豆种植，其中巴彦淖尔磴口县、鄂尔多斯杭锦旗已建立了333.33 hm油莎豆防风固沙技术示范基地。综上，为合理利用内蒙古等中国典型北方风沙区存在的大量边际土地，科学、可持续推进油莎豆在内蒙古自治区种植及产业化发展进程，本研究在综合考虑土地利用、物理生物因素后筛选出内蒙古地区适宜种植油莎豆的边际土地，并评估利用这些边际土地种植油莎豆可产生的油料替代潜力和能源效益，以期为中国北方沙漠化地区油莎豆产业的规模化发展提供一定参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国37°24′N～53°23′N，97°12′E～126°04′E之间，全区面积约1.183×10km，西部地区多沙漠，东部地区多平原，土壤类型众多、土地荒漠化和沙化严重。据第五次全国荒漠化和沙化监测结果，截至2014年，内蒙古沙化土地面积有40.79万km，占全国总量的23.7%，具有明显沙化趋势的土地面积17.40万km，占全国总量的57.94%。其中，现有沙化耕地约0.2万km，还有部分耕地由于风蚀、盐渍化等因素的影响，作物种植产量也较低，都属于边际土地，且呈集中连片分布，便于大面积机械化操作。近些年，内蒙曾尝试推广种植向日葵、山杏、沙棘、沙柳等以提高耕地生产力水平和收益，也实施了草原生态建设与保护工程、天然林资源保护工程、退耕还林还草工程、京津风沙源治理工程、重点防护林工程、水土保持工程和生态环境综合治理工程等以推进生态治理进程，但边际土地利用仍存在较高的可提升空间。

1.2 数据来源

边际土地的划分主要考虑土壤、温度、水分、地形等条件，在较小区域范围内变化不明显，且若采用过高精度的数据容易造成提取的边际土地地块小而破碎，考虑到油莎豆种植主要利用集中连片的边际土地，故所用数据来源及分辨率见表1。

表1 数据来源 Table 1 Data source

将以上数据统一在ArcGIS 10.6中进行裁剪、重采样、定义投影等预处理工作，分辨率统一为1 000 m，投影采用WGS1984_Albers。

1.3 研究方法

熵权法是根据指标变异性的大小来确定客观权重，其确立的指标系数具有较好的差异性且可避免人为因素干扰。由于对内蒙地区油莎豆适生边际土地的研究较少，各指标权重难以直接用主观方式确定，因此用熵权法计算得到基础权重，再通过专家打分、文献参考等主观方法进行调整，得到各评价因子的权重。熵权法计算原理如下：

① 首先对各指标进行标准化与正向化处理，对于极大型、极小型、区间型、中间型指标分别采取不同的正向化方式。

对于极大型指标，其正向化公式为

对于极小型指标，其正向化公式为

式中X为第个评价对象第个评价指标无量纲处理后的值，x 为第个评价对象第个评价指标下的值，max(x) 为第个指标中出现的最大值，min(x) 为第个指标中出现的最小值。

② 计算正向化后数据的信息熵E为

③ 确定各指标权重：根据各指标的信息熵计算其权重W为

综合考虑对评价对象产生影响的多个参评因子的作用，以每个栅格像元作为最小评价单元，计算其在多因子综合评价下的值，评价公式如下

其中为评价单元通过各个因子综合叠加评价后的总分，指第个评价因子的权重，x为该评价单元在第个评价因子下的得分。

参考Jiang等提出的基于可持续性的分类框架，充分考虑土地利用因素、物理生物因素，将定性与定量方法相结合，综合权衡叠加确定边际土地，同时，参考农用地分等定级规程及宜能荒地的确定方法。具体提取过程如下：首先，从土地利用层级初步筛选出可从中提取边际土地的土地类型。完成土地利用类型层级边际土地提取后，进一步考虑油莎豆的适生生物学范围及各区域土地的生物、物理条件，增加物理层级、生物层级相关指标，加入分等分级模式，结合栅格计算、自然断点法分级等筛选出3个不同等级的物理生物层级边际土地。

2 结果分析

2.1 适宜油莎豆种植的边际土地提取

综合考虑研究区自然条件并参考边际土地常规定义及划分标准，初步确定并筛选可进行边际土地提取的土地覆被类型，包括：灌溉农田、以农田为主的农田与自然植被混合土地、以自然植被为主的农田与自然植被混合土地、裸地、松散裸地、疏植地。提取结果如图1所示。另外，为避免占用良田及破坏生态脆弱区，去除其中包含的生态功能保护区（黑河流域防风固沙生态功能保护区、科尔沁沙地生态功能保护区、毛乌素沙地生态功能保护区、浑善达克沙地生态功能保护区、大兴安岭水涵养生态功能保护区）及生产潜力较高的农田（按自然断点法分级，将农田生产潜力>3 410 MJ/hm的划为高生产潜力）。

图1 内蒙古土地利用层级边际土地 Fig.1 Marginal land of land use level in Inner Mongolia

再结合油莎豆生物学特性及其他研究中边际土地划分标准、研究区实际生产条件，从地形、气候、土壤、交通便利程度等方面确定了以下7个指标及分类标准，作为适宜油莎豆生长的边际土地提取依据。将各指标图层按质量等级标准完成重分类后，运用熵权法和德尔斐法相结合的方式计算各评价指标权重（表2），得到内蒙古土地在生物物理层级的综合得分情况（图2）。

图2 内蒙古地区边际土地综合得分 Fig.2 Comprehensive score of land in Inner Mongolia

表2 各评价指标及分类标准 Tabal 2 Evaluation indicators and classification standards

综合土地利用层级边际土地筛选情况与生物物理层级土地得分情况，划分出3个等级的边际土地，一等边际土地为自然条件下即可直接利用的土地；二等为条件较差，但经改造即可使用的土地；三等为存在一个或多个极严重的限制因素，需经过复杂的人工改造措施才可以使用的土地。

由于温度过低的地区对作物生长限制过大，且无法通过简单的人工条件改造打破这一限制，因此直接去除积温条件属于三等的地区，不参与边际土地划分。之后根据各类边际土地受到限制因素的不同，将其划分为水分限制区、土壤限制区、距离限制区及复合限制区，各类限制区可根据其存在的限制条件采取对应的人工措施，如水分限制区降水量不足的问题可通过人工灌溉方式等解决；土壤限制区可经过一定的施肥、整地等人工措施后进行油莎豆种植等。根据各评价指标权重及分等后的赋分情况，计算边际土地的综合得分情况按照自然断点法对其分级，划分出一等二等三等边际土地。

最后得到各类限制区分布及各等级边际土地分布如下图3。

图3 内蒙古地区各类限制区及各等级边际土地分布 Fig.3 Distribution of different kind of restricted area and different grades of marginal lands in Inner Mongolia

根据各等级边际土地面积来看，内蒙古地区约有一等边际土地2.6万 km，占边际土地总面积的20.8 %，主要分布于中部及东部巴彦淖尔市、包头市、锡林浩特市、通辽市等距离道路较近、交通便利且无生物物理层级明显限制因子的区域；二等边际土地分布范围最广，面积为6.4万 km，占边际土地总面积的51.2 %，主要分布在霍林郭勒市、乌海市等地的植被与农田混合区。三等边际土地面积最小，面积为3.5万km，占边际土地总面积的28%，主要限制因素为交通便利程度及降水，主要分布在西部阿拉善盟的一些沙漠边缘地带。三等边际土地存在一个或多个作物生长限制条件，通常距离道路较远、开发难度较大，因极端条件的限制，作物生长难度较大。

2.2 边际土地油莎豆种植及生产潜力

近年来，全球气候变暖及化石燃料资源日趋枯竭的形势逐渐加剧，运用生物质资源发展可再生能源以替代化石能源逐渐成为新的发展趋势。据农业部检测发现，油莎豆油脂含不饱和脂肪酸83.6%，其中，油酸71.6%，亚油酸11.2%，所含脂肪酸成分优良，适合用作生物柴油的原料。油莎豆生产生物质能源潜力的计算公式为

式中为可产生的总能量，MJ；为边际土地等级数；P为边际土地面积，hm；Y为边际土地油莎豆单产量，kg；为油莎豆油能量含量，MJ/kg。

根据已有研究，油莎豆油能量含量约39.2 MJ/kg，通过对内蒙古地区油莎豆种植基地、种植农户进行实地走访调研、问卷、访谈等形式，获得了油莎豆产量的相关数据。以一等边际土地上油莎豆产量4 500 kg/hm，二等边际土地上产量4 000 kg/ hm，三等边际土地上产量3 000 kg/ hm来计算，内蒙古地区边际土地上油莎豆种植可获得的生物质能量为1.87×10MJ，按照燃料油平均发热量1×10kcal/kg计算，可替代4.47×10t燃料油。

中国食用油缺口大、油料安全问题突出。作为一种集粮、油、饲、药于一体的新型经济作物，油莎豆块茎含油量在20%～30%，有些油料丰产品种含油量可高达35%以上，出油率在30%～40%之间，产油量可达3 t/hm以上，是目前所有油料作物中单位面积产油量最高的。另外，油莎豆油含有丰富的营养成分，通过物理压榨产生的油莎豆油，不饱和脂肪酸高达80%以上，维生素E含量约56.4 mg/100g。

由于当前深加工技术还不够成熟、深加工工厂规模较小，因此当前国内油莎豆主要用于果实直接销售、块茎榨油。若将获得的油莎豆块茎用于榨油，按照油莎豆出油率33.3%计算，用边际土地上种植的油莎豆可获得食用油约1.59×10t，大约相当于1.06×10t大豆可获得的食用油，2019年中国大豆产量约1.81×10t，进口量约8.85×10t，油莎豆种植可在很大程度上缓解中国食用油短缺的压力。

3 讨 论

内蒙古地区沙化土地广布，风沙严重。油莎豆根系发达、分蘖能力强，具有天然的防风固沙作用，且生长周期短、产量高，对于推进内蒙古地区“山水林田湖草沙协同治理”，提高沙化土地资源价值具有重要意义。本文估算了内蒙古地区适宜油莎豆种植的边际土地面积，约12.5万km，其中可直接利用的一等边际土地和稍经改造即可利用的二等边际土地面积之和约9万km。中国也有学者开展过全国范围的边际土地调查与研究，寇建平等曾估算了中国各地区宜能荒地面积，陈瑜琦等研究过中国可用于能源作物种植的边际土地数量及分布范围，2008年原农业部也做过全国范围的边际土地调查。与上述已有研究相比，本文的研究结果中一等边际土地与二等边际土地的面积之和与寇建平等的研究结果大致相同，三个等级边际土地分布范围略小于陈瑜琦等的研究结果，主要原因在于本文结合了油莎豆实际生长条件，从土地利用层级、生物物理层级等多个层级综合考虑，进行了较为精细的指标体系构建，而前述边际土地的提取多是基于遥感图像或者基于物理生物等限制因子筛选得出的，主要考虑的是常规能源作物的种植，导致本文估算结果与其稍有偏差，但对油莎豆推广种植过程中对边际土地的选择更具有针对性。本文限于研究条件，在社会经济层级因素方面仅考虑了道路距离指标，后续还可考虑加入社会经济指标，如土地租金、农民种植意愿、接受程度等，并结合实际调研，确定边际土地的可用性。文中所提取的边际土地是理想中适宜油莎豆种植的边际土地面积的最大值，真正推广应用时还应考虑各地区的水分承载力等生产因素以确定各水文单元的种植面积，因地制宜地合理使用边际土地。

油料和能源是国家发展和人民生活中必不可少的物质基础。当前，中国食用油供需矛盾突出，每年食用油消费量近4 000万t，国内食用油料仅能满足三分之一。油莎豆块茎含油率最高可达36%，可作为大豆等传统油料作物的补充替代品，缓解大豆进口比例过高等问题，保障粮油安全。在能源方面，中国汽柴油对外依存度已接近60%，且还有进一步扩大的趋势，调整能源发展战略，发展可再生和清洁生物质能已成为能源规划的重要组成部分。油莎豆油和柴油以1∶1或3∶1的比例混合，能产生比使用传统燃料更高的十六烷值和更好的发动机性能，是一种良好的生物柴油。以节能减排效益明显的生物质燃料替代传统化石能源对于中国实现双碳目标具有重要意义。综合来看，油莎豆在食用油、生物柴油生产方面潜力巨大，利用边际土地种植油莎豆将可以成为缓解能源危机、促进碳中和目标实现及缓解食用油短缺的重要途径。边际土地最大化利用也可以缓解日渐紧张的人地矛盾、提高土地生产力。油莎豆产业链目前还不完全成熟，随着国内油莎豆种植和产业的推广，未来在评估边际土地上油莎豆种植及油料生产、生物质能源生产潜力时，还可增加相关生产过程数据，以增加估算结果的准确性。

4 结 论

1）从数量上来看，内蒙古地区共有边际土地12.5万km，其中一等边际土地2.6万 km，二等边际土地6.4万km，三等边际土地3.5万 km。

2）从空间分布上来看，一等边际土地主要分布于中部及东部巴彦淖尔市、包头市、锡林浩特市、通辽市等距离道路较近、交通便利且无生物物理层级明显限制因子的区域，土地覆被类型主要以稀疏植被、农田与植被混合区为主。二等边际土地主要分布在霍林郭勒市、乌海市等地，土地利用类型以以植被为主的农田与植被混合区为主。三等边际土地主要分布在西部阿拉善盟的一些降水较少且交通便利程度低、开发难度大的沙漠边缘地带及一些各类条件均较差的复合限制区，因极端条件的限制，作物生长难度较大。

3）利用油莎豆块茎可生产生物质能源，若在筛选出的内蒙古地区边际土地上种植油莎豆，将可以获得生物质能量1.87×10MJ，可替代4.47×10t燃料油。

4）油莎豆种植可产生较高的经济收益，在内蒙古边际土地种植油莎豆并提取食用油，将可获得食用油约1.59×10t，约可替代1.06×10t大豆。