引导废弃农田的可持续复垦：来自中国黄土高原的启示

《Ecological Indicators》：Guiding the sustainable reclamation of abandoned farmland: insights from China’s Loess Plateau

黄土高原2000-2020年农田废弃与复垦动态及驱动机制研究。基于Google Earth Engine和10类多源数据，开发滑动窗口算法识别废弃与复垦农田，揭示年废弃面积-94.24km2，复垦+5.96km2，年均缺口828.86km2。空间呈现"广散聚"特征，弃耕热点在北部干旱带及黄土高塬，复垦集中于河川阶地和灌溉区。驱动机制显示弃耕受地形（q=0.16）和气候（q=0.14）主导，复垦依赖人地耦合（交互效应q达0.38）。构建RPI指数划分三类区：优先复垦（32.38%）、潜力复垦（50.39%）、生态维护（17.23%）。提出差异化治理策略，为全球旱半旱区土地管理提供指标框架。

　　全球范围内农田的快速撂荒现象对粮食安全和生态系统完整性构成了重大威胁。然而，目前的研究大多聚焦于单一时空尺度的撂荒问题，缺乏对整个撂荒-复垦周期中空间格局及不同驱动机制的系统性分析，且关于基于量化指标的可持续复垦策略的研究仍显不足。本文通过聚焦中国黄土高原这一典型的干旱半干旱地区，结合Google Earth Engine平台与多源空间数据，开发了一种滑动窗口算法，以识别撂荒和复垦农田及其时空动态，并利用Geodetector方法分析其驱动因素。此外，提出了一种基于多因子驱动的复垦潜力指数（RPI），为制定可持续的复垦策略提供了科学依据。

研究结果显示，黄土高原上的撂荒面积在2000年至2020年间呈现出显著的波动下降趋势，年均减少速率约为-94.24平方公里，而复垦面积则逐步增加，年均增长速率约为+5.96平方公里，两者之间的平均年度差值为-828.86平方公里。空间格局上，撂荒和复垦过程呈现出以“错配为主”的特征，其中非重叠区域占63.02%。这表明，在全球范围内，撂荒和复垦的分布并不完全一致，存在显著的空间差异。撂荒的驱动因素主要来自地形和气候约束，而复垦则源于地形、气候与人类活动的综合影响。RPI的构建基于驱动因子的q值权重，将黄土高原划分为三个区域：优先复垦区（32.38%）、潜在复垦区（50.39%）和生态维护区（17.23%），从而实现了对生产力、土壤修复和生物多样性之间平衡的策略性指导。

本研究为全球干旱和半干旱地区的可持续农田管理提供了一个可扩展、以指标为导向的框架，有助于通过有针对性的复垦政策提升区域粮食和生态安全。然而，当前研究仍存在一些局限性，例如分析时间跨度（2000-2020年）可能未能全面反映由气候变化、城市化或政策变化驱动的长期趋势或未来影响。因此，未来的研究应纳入更长时间跨度的历史数据以及未来气候情景预测，以更准确地刻画长期动态趋势并预测未来撂荒与复垦的模式。同时，应构建像素级的撂荒和复垦时间序列地图，以量化时间上的接近性并区分典型轨迹模式的空间分布及其驱动因素，从而增强分析框架的时空完整性。此外，随着气候变化和土地利用变化的加剧，探索农田复垦与生态恢复之间的耦合动态将成为关键研究方向。实现可持续生态系统发展的同时确保粮食安全，仍然是亟需解决的重要课题。

黄土高原因其独特的自然和经济社会背景，成为研究撂荒和复垦现象的典型案例。该地区地形破碎、水土流失严重，农业条件普遍较差，导致农田撂荒现象尤为突出。同时，黄土高原的区域土地利用挑战与全球许多干旱和半干旱地区相似，因此对其研究具有广泛的代表性。研究发现，撂荒区域主要分布在黄土高原的中北部和西部的干旱半干旱地区，例如内蒙古的鄂尔多斯高原、陕西北部的风沙干旱带以及山西南部的吕梁山区。这些地区的撂荒主要由地形复杂性和生态脆弱性驱动，不利的高海拔和陡坡配置显著增加了长期撂荒的可能性。相比之下，复垦区域则主要集中在黄土高原东部边缘的地形平坦、农业潜力较高的地区，如河套平原、晋中盆地和宁夏黄河灌溉区。这些区域的地形坡度较低（78.81%的区域坡度小于15°），海拔较低（80.02%的区域海拔低于1500米），提供了良好的生产潜力和机械化农业的适宜条件。

研究还发现，撂荒和复垦的空间错配现象尤为显著，其中撂荒与复垦区域的重叠仅占36.98%。而“一撂荒一复垦”的模式则占主导地位，占比达26.92%。多重循环的案例极为罕见，这表明在某些区域，土地利用的稳定性较差，土地使用决策经常受到环境压力或市场波动的影响。这种现象与当前关于农田边缘化风险的理论相一致。总体而言，撂荒和复垦之间的错配和重叠模式清晰地展示了黄土高原农业系统和土地利用策略的动态调整过程，并进一步验证了土地资源分配从生态脆弱区向更适宜的生态区域转移的长期趋势。

撂荒和复垦的驱动机制也存在显著差异。撂荒主要受到地形和气候条件的限制，例如高海拔、陡坡、深切沟壑以及干旱和热力条件不足的区域，往往不适合耕作。而复垦则更依赖于地形、气候和人类活动的综合影响，尤其是人类干预的直接作用。例如，人口回流或土地流转带来的劳动力供应，以及政策支持和投资（通过夜间灯光和碳排放数据间接体现），对于复垦过程至关重要。因此，仅靠有利的自然条件不足以推动复垦，还需要强有力的社会经济激励。

研究进一步揭示了撂荒和复垦过程中的相互作用效应。撂荒主要由少数主导的地形和气候因素解释，虽然交互作用进一步增强了解释力，但高q值的组合相对较少，主要出现在地形-气候耦合中（如坡度-地形起伏度、降水-地形起伏度）。相比之下，复垦表现出更丰富的交互作用，其单因子效应相对平衡，因此更容易受到“瓶颈效应”的影响，即成功的复垦需要同时具备有利的自然和社会经济条件。任何一方的不足都可能成为限制因素。这一发现突显了复垦动态的结构复杂性。总体而言，黄土高原的农田撂荒主要反映了不利条件的积累，而复垦则源于自然和人类因素的协同作用，使得土地重新投入耕作成为可能。前者强调地形和气候的约束作用，而后者则更依赖于自然与人类驱动因素的协同效应。

为了实现从撂荒到复垦的可持续转变，研究提出了一系列策略。优先复垦区，其特征为地形平坦、生产潜力高且社会经济条件优越，应重点提升粮食产量。应优先推进高标准农田建设，包括土地平整、地块整合和基础设施改善。同时，应广泛采用现代农业技术，如精准水肥管理、机械化作业、节水灌溉和轮作制度，以提高产量、维持土壤肥力并稳定生态系统。通过实施轮作系统，如玉米-豆科作物轮作，可以进一步增强长期可持续性。增加对农业机械和农业技术推广服务的投资也是关键。

潜在复垦区，尽管在生态或地形上较为不利，但具备中等程度的恢复潜力和良好的经济回报。因此，建议采取“生态+收入生成”的策略：一方面，通过改善土壤和水资源条件提高土地利用效率；另一方面，推广适合本地条件的特色农业或多功能农业，以提高农民收入并鼓励耕作。采用秸秆还田、有机肥施用和节水灌溉等措施，有助于改善土壤结构并增强干旱耐受性。作物选择上，应优先考虑耐旱的主粮作物和经济作物，如杂交玉米、粗粮作物和间作作物，以提高经济效益并促进耕作。通过政策激励，如补贴和技术培训，土地整合和合作管理模式可以促进大规模农业活动，实现经济与生态的双重效益。

生态维护区通常位于高海拔、陡坡或环境敏感区域，应优先考虑生态安全而非农业生产。这些土地应纳入生态保护和恢复项目，如植树造林和草原恢复，以控制水土流失并恢复植被覆盖。通过发展综合林业-牧业系统、农业公园和特色果园等模式，可以在保护生态的同时实现收入增长。金融工具，如生态补偿和公共福利林补贴，应鼓励农民减少耕作强度，将无法复垦的边际土地转变为生态缓冲区。通过精细化、分区化的管理与有针对性的投资，可以构建一个融合优先开发、逐步扩展和严格生态保护的框架，从而实现对撂荒土地的可持续利用，同时保障粮食和环境安全。

本研究不仅系统分析了黄土高原农田撂荒和复垦的时空动态及其驱动机制，还提出了基于量化指标的可持续复垦策略。这一研究填补了现有文献在撂荒-复垦完整周期的多尺度分析方面的空白，并引入了以指标为基础的可持续土地管理方法。研究提出的可扩展框架为全球干旱和半干旱地区的粮食安全和生态系统完整性提供了实用的指标和政策建议，与全球可持续发展目标相契合。然而，研究仍存在一些局限性，例如分析时间跨度可能未能全面反映长期趋势或未来影响，因此未来研究应考虑更长时间跨度的历史数据以及未来气候情景预测，以更准确地刻画长期动态趋势并预测未来撂荒与复垦的模式。同时，应构建像素级的撂荒和复垦时间序列地图，以量化时间上的接近性并区分典型轨迹模式的空间分布及其驱动因素，从而增强分析框架的时空完整性。此外，随着气候变化和土地利用变化的加剧，探索农田复垦与生态恢复之间的耦合动态将成为关键研究方向。实现可持续生态系统发展的同时确保粮食安全，仍然是亟需解决的重要课题。