广西能源作物木薯种植的可能规模:自然适宜性与社会限制性评价

　　摘要：木薯是我国的非粮作物，是生产生物乙醇的主要原料之一。广西是木薯的传统种植区域，随着木薯需求量持续增长，其种植潜力问题越来越受到研究机构与政府部门重视。本文从广西木薯种植的气候适宜性、土壤适宜性、地形适宜性和土地利用的社会经济限制性出发，较为系统地评估了广西木薯种植的自然适宜性和社会限制性，定量揭示了广西木薯种植的土地潜力、可能规模及其地域格局。研究结果表明，广西木薯种植的主要限制因素是地形条件，其次是土壤因素；若不考虑土地利用的社会经济限制性，广西3/5的土地适宜木薯种植；但考虑到土地利用的社会限制性，广西适宜木薯种植的土地则只有115.5万hm2；与目前已种植木薯22.3万hm2相比，尚有约4倍的土地种植潜力；从地域格局看，广西未来木薯发展的重点将在柳州和来宾地区。

　　关键词：木薯；自然适宜性；社会限制性；广西；层次分析法；

　　作者简介：王露，女，广西桂林市人，博士生，主要从事资源开发与区域发展研究。

　　1引言

　　由于化石能源的快速消耗和化石能源燃烧引发的环境问题日益突出，生物液体燃料的发展受到越来越多的国家的重视。欧美等国都已相继制定了国家生物能源发展规划。作为能源消耗大国，中国也制定了一系列相关政策和规划鼓励发展生物液体燃料。据统计，2008年中国生物乙醇产量约为150万t[1]，并计划在2020年达到年产量1000万t[2]。为保障粮食安全，我国制备生物能源的原料必须是有机废物和甜高粱、木薯等非粮农作物[3]。

　　在众多非粮能源作物中，木薯具有淀粉含量高，可在土地相对贫瘠、其他农作物产量相对较低的地区种植的特点[4]；且与传统能源作物玉米相比，每公顷土地产出的木薯能够生产的生物乙醇量与相应土地产出的玉米生产的生物乙醇量大致相当[5]。

　　广西地处热带、亚热带地区，高温多雨，夏天长，冬天短，热量充足，且雨热同步，非常适合木薯的生长[6]。随着我国对生物液体燃料与其他产业对木薯需求的不断增加，近年来的广西木薯种植得以规模化发展。据统计[7]，2008年广西木薯种植面积达22.15万hm2，鲜木薯总产量约600万t，种植面积和总产量均占全国的70%。根据相关政策和规划，广西目前仍在继续扩大木薯种植规模，但国家规定生物能源发展“不与人争粮，不与粮争地”，因此，有必要从木薯种植的自然适宜性与社会限制性出发，定量分析与评价广西木薯种植的土地潜力与地域格局。

　　近些年，国内已有学者对我国的一些能源作物，诸如麻疯树、甘薯等进行了相关研究。有学者就自然条件，如土壤、气象条件等对能源作物生长的影响进行了探讨[8，9，10，11，12]，也有学者对能源作物种植规模与空间分布做了相关研究，通过对全国或相关区域的气候、土壤、地形和社会经济条件等进行评估，得出相应能源作物的适宜空间分布和种植规模[3，8，9，10]。本文以广西为研究区域，利用水热气候条件、地形地貌因素和土地利用等数据，应用层次分析法和ArcGIS的空间叠加方法，结合木薯的生态特性，对广西木薯种植的自然适宜性与社会限制性进行评价，并据此估算广西木薯合理的种植规模与空间格局，以期为地方政府制定相关产业政策和区域能源战略提供科学依据。

　　2研究方法与数据来源

　　2.1研究方法

　　广西木薯种植适宜性评价遵循“生态适宜性分析—自然适宜性评价—社会限制性修正”的基本思路，以30m×30m栅格为基本研究单元，借助GIS的空间叠加分析功能与栅格计算功能，采用单因素分析与综合评价相结合、自然要素适宜性评价与社会经济因素限制性分析相结合、定性分析与定量评价相结合的研究方法，对广西木薯种植的土地适宜性与限制性进行评价，目的在于揭示广西木薯种植的土地潜力、合理规模与空间格局。本研究参考由联合国粮农组织与国际应用系统研究所共同研制的农业生态区法(AgroEcologicalZone，AEZ)[11]，研究的基本思路与工作流程如图1所示，主要步骤与方法简述如下：

　　(1)生态适宜性分析，以筛选木薯种植评价的自然适宜性指标体系，确立各评价指标参数的适宜性等级。通过木薯种植的生态适宜性分析，明确气候、土壤和地形等评价参数对木薯生长的影响，并据此将各评价参数划分为暂不适宜、临界适宜、比较适宜和高度适宜4个等级，继而按照该等级高低将相应的栅格数据进行分级处理。在数据处理过程中，为方便计算分析，分别将暂不适宜、临界适宜、比较适宜和高度适宜4个等级分别赋值为0，1，2和3。

　　(2)自然适宜性单因素评价，以确定木薯种植的气候适宜性、土壤适宜性和地形适宜性。根据气候、土壤和地形等评价参数的分级数据，利用ArcGIS的栅格计算功能，分别计算研究区域各单元的气候条件得分、土壤条件得分和地形条件得分，据此获得气候、土壤和地形的木薯种植适宜性分级。单因素适宜性分级的得分计算方法如下。

　　情况1：当该因素得分只由两个参数得分决定时，单个参数对该因素得分的影响都较大，因此将“暂不适宜”、“临界适宜”设定为强限制性等级，即将“0”与“1”设定为强限制性得分，在计算单因素得分时，若某一参数得分为强限制性得分，则单因素综合得分取强限制性得分值，其余具体计算公式如下：

　　式中Ri为研究区域所计算的评价因素的值；Ci1、Ci2为该评价因素所包含的评价参数的值。

　　情况2：当该因素得分由3个因素得分决定时，单个参数对该因素得分影响较小，因此只将“暂不适宜”设定为强限制性等级，即只将“0”设定为强限制性得分，若某一参数得分为强限制性得分，则单因素综合得分取强限制性得分值，其余具体计算公式如下：

　　式中Ri为研究区域所计算的评价因素的值；Ci1、Ci2、Ci3为该评价因素所包含的评价参数的值。

　　(3)自然适宜性综合评价，以确定木薯种植土地的自然适宜性。根据气候适宜性、土壤适宜性和地形适宜性的分级数据，同样采用公式(2)计算研究区域自然适宜性的综合得分，并据此划分为暂不适宜、临界适宜、比较适宜和高度适宜4个等级，得到木薯种植的自然适宜性综合评价结果。

　　(4)土地利用社会经济限制性评价，以把握木薯种植土地的社会经济限制性。在木薯种植自然适宜性综合评价基础上，结合土地利用现状和国家相关政策，根据土地利用限制性对木薯种植土地的适宜性做进一步的修正，得出木薯种植土地的社会经济限制性综合评价结果，最终完成木薯种植的自然—社会综合评价。

　　2.2数据来源与处理

　　广西木薯种植适宜性评价的基础数据主要包括气候数据、土壤数据、地形数据和土地利用数据和社会经济统计数据。由于各数据的原始格式和原始精度不一致，为方便计算分析，将所有数据转化为分辨率为30m×30m的栅格数据，投影坐标选择WGS_1984坐标系。

　　(1)气候数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，主要包括年均气温和年均降水量。1981年-1996年年均气温(经DEM校正)栅格格式数据和年均降水量栅格格式数据，原始精度均为500m×500m，用ArcGIS转换工具将温度数据精度转换为30m×30m。

　　(2)土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的1∶100万土壤数据库中的coverage格式数据，主要包括土层厚度、土壤PH值和土壤质地。本文使用ArcGIS中的数据转换工具将coverage格式的土壤数据转换成精度为30m×30m的栅格格式数据。

　　(3)坡度数据是由中科院资源环境科学数据中心提供的坡度分级数据，格式为coverage格式，本文使用ArcGIS中的数据转换工具将coverage格式的坡度数据转换成精度为30m×30m的栅格格式数据。

　　(4)坡向数据是由NASA’WIST网站(http：//)下载的广西DEM数据，利用GIS的空间分析功能，提取每个30m×30m地块的坡向信息而获得。

　　(5)土地利用数据是由中科院资源环境科学数据中心提供的2000年广西土地利用图，格式为coverage格式数据，本文使用ArcGIS中的数据转换工具将coverage格式的土地利用数据转换成精度为30m×30m的栅格格式数据。

　　3广西木薯种植的生态适宜性分析

　　木薯的生长状况虽然与其品种和生产投入有一定关系，但木薯种植区域的自然条件仍然是影响木薯生长的重要影响因素。在众多自然条件中，气候条件、土壤条件和地形条件是被公认的影响木薯生长的重要因素，因此本研究将基于气候条件、土壤条件和地形条件进行木薯种植的生态适宜性分析与自然适宜性评价。

　　3.1气候适宜性分析与评价

　　气候条件是决定木薯种植区域的重要影响因素，它直接影响着木薯的生长发育及成熟。气候对木薯生长的影响主要表现在温度和水分两方面，因此本研究将综合年均温度与年均降水来综合评价木薯种植的气候适宜性。

　　(1)年均温度。木薯是低地的热带灌木，生长在热带和亚热带，喜高温，不耐霜雪[4]。一年有210d的无霜期，且年均温达到18℃以上的地区均可种植木薯。木薯在14~15℃可以发芽出苗，但生长缓慢；在18~20℃可以正常生长；木薯生长的最适温度为25~30℃。木薯进行光合作用的极限最低温是14℃，最高温是40℃；相关研究表明[12]，广西一般在2月下旬到4月上旬种植木薯，而一年生木薯在种植后8~9个月收获，鲜薯产量和淀粉含量最高，因此会选择在10月至12月收获。据此，应选取3月-11月的平均气温作为木薯种植温度评价指标，但作者通过计算发现，广西所有站点的全年平均温度与3月-8月的平均温度只相差2~3℃，因此本文选取经DEM校正过的广西年均气温和极限温度作为木薯种植的温度评价指标，并设定相应分级标准如表1。

　　(2)年均降水量。木薯的耐旱性很强，对水分有广泛的适应性。相关研究发现，木薯能在年降水量为270~6000mm的地区生长。木薯在年降水量为270~500mm的地区即能生长，但产量低，品质差，且淀粉含量下降，氢氰酸含量增加。年降水量为1000~2000mm且分布均匀，土壤湿润的地区最适宜木薯生长。木薯耐旱性强，但耐涝性弱，过多的降水会影响木薯的发育和成熟，即年降水量大于6000mm的地区不适宜木薯生长[6]。由此，本文选取年均降水量作为木薯种植的水分适宜性评价指标，具体分级标准见表1。

　　3.2土壤适宜性分析与评价

　　木薯对土壤的适应性很强，对酸碱度反应不太敏感，对土壤质量要求也不高；但若在表土层过浅、肥力差、易受旱的土壤上栽培，会导致木薯的产量低、质量差。总的来说，除盐渍土外，木薯可以在PH3.5~7.8的不同地力和不同质地的土壤上生长，木薯种植最适的土壤PH值在5.0~7.0范围内。而相对来说，木薯的耐酸性较强，对碱性土壤比较敏感[13]，因此酸性土壤比碱性土壤更适合木薯生长。相关研究表明，木薯在PH值为3.8的酸性土壤上仍能生长，而当土壤PH值大于7.8时，木薯植株生长不良，产量大面积下降。而木薯作为块根作物，具有耐旱不耐涝的特点[6]，因此其生长对土壤的土层厚度和土壤质地也有一定的要求。粘粒含量小于30%的砂壤土和壤质砂土等排水良好的土壤最适宜木薯种植，而当土壤粘粒大于60%时，土壤粘重板结，排水性差，不利块根伸长，会导致块根发育不良。本文根据木薯对土壤的要求，结合广西境内的土壤类型，选取土壤的土层厚度、土壤PH值，土壤质地等作为土壤主要适宜性分级指标见表2。

　　3.3地形适宜性分析与评价

　　地形条件也是影响木薯生长的重要因素，坡向会影响木薯接受光照的程度，而坡度对排水、灌溉及土壤侵蚀等有直接影响。因此本研究选择坡向和坡度作为指标对木薯的地形适宜性进行分析和评价。

　　(1)坡向条件。木薯是短日照热带作物，喜强光，喜阳性，不耐荫蔽，阳光充足对提高木薯产量有着重要的作用[14]。若将木薯种植在荫蔽地区，则易造成低产劣质。结合木薯的喜光特性，应选择在日照充足的坡面种植木薯。我国地处北半球，南坡相较于北坡，日照时间长，辐射强度大，所获的辐射总量大，因此更适于木薯种植。本研究利用DEM数据提取研究区域的坡向，并对坡向指标进行等级评定如表3。

　　(2)坡度条件。木薯生长对坡度没有特殊要求，但根据相关研究[7，8]可知，若在较陡的坡地进行种植，会直接影响排水、灌溉的效果，且会导致严重的水土流失。所以坡度是决定土地是否适宜耕种的重要指标。本文依据相关研究和规定，对坡度指标进行了等级评定，具体结果见表3。

　　4广西木薯种植的自然适宜性评价

　　依据上述基础数据与研究方法，在广西木薯种植的气候适宜性、土壤适宜性和地形适宜性单因素评价的基础上，完成了木薯种植的自然适宜性综合评价。现将广西木薯种植的自然适宜性单因素评价结果与综合评价结果分述如下。

　　4.1木薯种植的自然适宜性单因素评价

　　木薯种植的自然适宜性单因素评价主要包括气候适宜性评价、土壤适宜性评价和地形适宜性评价等，结果如表4和图2所示。广西木薯种植的自然适宜性单因素评价：

　　(1)广西气候对木薯种植的限制性很小。从气候适宜性看，广西绝大多数土地都适宜种植木薯，高度适宜面积为2296.3万hm2，占广西土地面积的97.3%；临界适宜和暂不适宜土地面积十分有限，表现出了良好的气候适宜性。木薯种植的气候限制性地区主要集中在北部猫儿山等部分海拔较高的地区。

　　(2)广西土壤对木薯种植的有一定的限制作用。从土壤适宜性看，广西高度适宜木薯种植的土地面积为691.4万hm2，占全区面积的29.3%，而比较适宜木薯种植的土地面积稍多，为1174.4万hm2，占全区面积的49.8%，暂不适宜土地只占1/5。木薯种植的土壤限制性地区主要集中在中部的柳州市南部和来宾市西部地区以及南宁市南部地区，中部不适宜区的土壤类型主要为硅质岩粗骨土，此类土壤表土层只有10~20cm，砾质性强，不利于木薯根块发育。而南部不适宜区的土壤类型主要为紫色土，该类土壤土层浅薄，有机质含量低，PH值为7.5~8.5，超过木薯生长的可承受范围，因此也不适宜进行木薯种植。

　　(3)广西地形是影响木薯种植的主要限制因素。从地形适宜性看，广西高度适宜和比较较适宜木薯种植的土地面积分别为624.9万hm2和357.2万hm2，各占广西土地面积的26.5%和15.1%；临界适宜和暂不适宜土地，合计占比接近全区3/5。木薯种植的地形限制性地区主要集中在广西盆地东北部、西北部山地的阴坡和陡坡地区。

　　4.2木薯种植的自然适宜性综合评价

　　为方便比较和分析，在木薯种植自然适宜性单因素评价的基础上，先不考虑木薯种植的社会经济条件限制，进行自然适宜性综合评价，结果如表5和图3所示。广西木薯种植的自然适宜性综合评价结果表明：

　　(1)从土地面积看(见图3a)，广西适宜木薯种植的土地较多，可种植土地面积为1442.1万hm2，占广西土地面积的61.1%；其中，高度适宜木薯种植的土地面积为476.4万hm2，远大于广西08年的木薯实际种植面积22.15万hm2，若不考虑社会经济限制，种植潜力巨大；比较适宜的土地面积为927.3万hm2，木薯种植有着巨大的发展潜力。

　　(2)从空间分布看，广西高度适宜木薯种植的土地主要在南部与中部，并呈条带状分布；北部则相对分布零散(见图3b)。南部适宜带主要集中分布于北海市大部分区域，玉林市与钦州市的南部；中部适宜带主要分布于梧州市、贵港市、南宁市的中部，崇左市的中部和北部和百色市的南部；北部则主要分布于桂林市东北部和中部部分地区，柳州市的西部，河池市的东部以及百色市的北部。

　　(3)从土地利用看，高度适宜和比较适宜木薯种植的土地大部分是耕地和林地，荒草地也有一定部分适宜木薯种植，而高度适宜和比较适宜种植木薯的未利用地较少。

　　广西木薯种植的自然适宜性综合评价结果，只是基于木薯种植的自然适宜性而得到的土地种植潜力，而符合政策要求、适宜种植木薯的土地还受到一定的社会经济条件制约。这就需要在木薯种植自然适宜性评价的基础上，进行土地利用的社会经济限制性分析与评价。

　　5广西木薯种植的社会限制性评价

　　根据政府发展生物能源“不与人争粮，不与粮争地”的原则，在对木薯种植进行自然适宜性评价的基础上，需要根据土地利用的社会经济限制条件对自然适宜性评价结果进行修正，也就是需要进行木薯种植的社会限制性评价。原则上耕地不能作为能源用木薯种植用地；有林地和灌木林地对保障生态安全和提供生态服务有重要作用，根据国家林业政策法规，有林地和灌木林地不能轻易改变用途，故林地也不能作为木薯种植地。据此土地利用的社会经济限制性，可以将土地利用类型划分为木薯种植适宜或不适宜两个类型(见表6)，完成木薯种植的社会限制性评价，具体见表7和图4。

　　广西木薯种植的社会限制性评价表明，根据土地利用的社会经济限制性适度修正木薯种植的自然适宜性后，木薯种植的适宜性面积大大缩小。在考虑土地利用的社会经济限制作用后，高度适宜木薯种植的土地面积只有39.3万hm2，比较适宜的土地面积为76.2万hm2，二者合计为115.5万hm2，只占全区土地面积的4.9%。从空间分布看，土地利用受社会经济限制，适宜木薯种植的土地面积比较分散；尽管广西全境均有分布，但在柳州东南部和来宾东北部木薯可种植土地较为集中。从土地利用上看，剔除耕地、林地后，广西木薯可种植面积大幅度缩小，剩余的少量可种植土地多为为荒草地和未利用地，土地质量一般。

　　6主要结论与讨论

　　广西是木薯生物乙醇的重点发展区域，政府已制定了相关的发展规划，并已开始大力发展木薯种植业和相应的生物能源产业。相关统计显示，近年来广西的木薯种植面积维持在22.3万hm2左右，并建立了一些相应的生物乙醇加工企业。然而木薯生物乙醇作为一个新兴产业，其发展仍面临着许多不确定性，特别是受到原料生产的限制。本文利用遥感数据、温度数据、土壤数据等完成了广西木薯种植的自然适宜性评价和社会限制性评价，主要结论如下：

　　(1)从自然因素看，影响广西木薯种植土地适宜程度的最大限制因子是地形条件，不适宜与临界适宜土地占全区总面积的3/5，第二限制因子是土壤条件，而气候条件对广西木薯种植的限制性很小。

　　(2)从土地潜力看，若不考虑国家相关规定，广西可种植木薯的土地面积约为1442.1万hm2，占广西土地面积的61.1%；但考虑到土地利用的社会经济限制性，广西高度适宜与比较适宜木薯种植的土地规模只有约115.5万hm2。与2010年广西的种植规模22.3万hm2相比，虽然潜在可种植土地规模有较大发展潜力，但从土地质量看，高度适宜木薯种植的土地只有约39.3万hm2，只略大于已有种植面积，种植潜力有限。因此，期望通过扩大种植面积来增加木薯产量的粗放型种植方式是不实际的，要达到预期产量，应主要依靠改良木薯品种，提高木薯生产能力等方式来实现。

　　(3)从土地利用方式来看，若不考虑国家相关规定，耕地和林地是木薯种植的最适宜土地，高度适宜面积可达411.2万hm2，占总适宜土地的86.3%；比较适宜土地可达830.1万hm2，占全区比较适宜土地面积的89.5%；而根据国家相关规定，可作为木薯种植用地的荒草地、未利用地的高度适宜面积约为39.3万hm2，比较适宜面积为76.2万hm2，其中大部分是荒草地。但若将大面积荒草地用于种植木薯，可能会对畜牧业等发展造成一定影响。

　　(4)从地域格局来看，广西各区现有木薯种植面积大致为：南宁市5.1万hm2；梧州市3.67万hm2；贵港市2.98万hm2；钦州市2.07万hm2；北海市1.65万hm2；玉林市1.51万hm2；崇左市1.35万hm2；河池市1.35万hm2；其他地区3.28万hm2。总体而言，广西木薯现有种植区域的分布与自然因素综合评价结果的空间分布基本一致，即高度适宜土地较为集中分布的广西中部与南部地区，现有种植面积较大；而高度适宜土地零散分布的广西北部现有种植面积较小。经过土地利用的社会经济限制性调整后，上述木薯主产区的种植潜力已经较小，而目前种植面积较小的柳州市与来宾市的种植潜力相对较大。

　　基于上述结论与分析，提出几点讨论与建议：

　　(1)广西发展木薯为原料的生物乙醇的方向是正确的，但发展应适度，推进速度不宜过快。从评价结果看，木薯种植可以做到“不与粮争地”，但适宜种植木薯的非农用地面积有限，且木薯为原料制生物乙醇的产业还处于刚刚起步的阶段，木薯种植方式也仍是以粗放型作业为主，而优良品种选育、丰产栽培技术等方面尚未获得突破。若盲目追求产量，就会导致盲目扩大木薯种植面积，在土地规模有限的情况下，势必会占用农用地，这样就可能会对粮食安全造成威胁。

　　(2)木薯种植的区域布局应有所侧重。目前，南宁市、梧州市、贵港市等地区是广西木薯主产区，而从土地适宜性评价结果的空间分布来看，这些主产区的种植潜力有限，广西木薯种植的重点区域未来应放在柳州市和来宾市。

　　(3)应加强木薯种植的环境与经济影响评价。由于木薯种植密度较小，生长期较长，且木薯种植区域的土壤条件较差，广西降雨量较大，因此大面积利用荒草地和未利用地种植木薯会导致严重的水土流失。已有研究表明，作为生产块根的木薯地，每公顷总共流失的干土量是玉米、高粱等其他作物的3倍[15]。且若大规模种植木薯，势必会对当地的畜牧业等其他产业产生影响。因此在研究木薯土地种植适宜性的同时，还应该评估木薯种植对生态环境的影响和对其他产业发展的影响。本文来自《农业装备技术》杂志