基于多源數(shù)據(jù)整合的耕地生態(tài)安全評價研究

宋富強(qiáng)， 毋黎明， 楊建波， 武洪濤

（1.河南省科學(xué)院地理研究所，鄭州 450052； 2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州 450044）

耕地資源是土地資源的精華，是關(guān)系國計(jì)民生的重要資源. 維護(hù)一定數(shù)量和質(zhì)量的耕地，對保障國家糧食安全、社會穩(wěn)定以及社會持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的保障作用［1］. 隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)資源連續(xù)多年的高強(qiáng)度利用，導(dǎo)致耕地資源的壓力愈加嚴(yán)峻，耕地質(zhì)量退化問題突出［2］，耕地生態(tài)安全是耕地質(zhì)量管理的核心內(nèi)容之一，也是實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量保護(hù)的前提，開展耕地生態(tài)安全評價對于提高耕地產(chǎn)能、保障糧食安全，具有十分重要的意義［3-4］.

國外耕地生態(tài)安全的研究傾向耕地生態(tài)安全與土地可持續(xù)利用相結(jié)合，在微觀層面開展專項(xiàng)研究［5-6］，更多地關(guān)注于土地健康、農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量及其監(jiān)測方面［7］. 國內(nèi)耕地生態(tài)安全評價主要參考了生態(tài)安全的評價方法，并結(jié)合耕地特征與區(qū)域生態(tài)環(huán)境對方法進(jìn)行改進(jìn). 較為成熟有綜合指數(shù)評價法［8］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9］、PSR模型［10-12］、GIS［13］、物元模型法［14］等，采用的指標(biāo)多為研究區(qū)的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境狀況等，主要包括人均耕地面積、人口密度、城鎮(zhèn)化水平、人口自然增長率、化肥使用量、農(nóng)藥使用量、農(nóng)業(yè)用地灌溉面積等，側(cè)重土地利用的經(jīng)濟(jì)和社會效應(yīng)方面，而對耕地資源自然狀況和生態(tài)環(huán)境關(guān)注較少［15］. 隨著自然資源部（原國土資源部）《中國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定》工作的完成，第一次全面摸清了我國耕地等別與分布狀況，實(shí)現(xiàn)了全國耕地等別的統(tǒng)一可比［16］. 由于耕地質(zhì)量等級評價是根據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，重點(diǎn)關(guān)注的是耕地質(zhì)量和農(nóng)作物產(chǎn)能［17］，評價體系未考慮耕地重金屬污染狀況，然而土壤重金屬污染直接影響耕地生態(tài)安全，同樣也影響著種植農(nóng)作物產(chǎn)品的品質(zhì)，因此把土壤重金屬污染因素納入耕地生態(tài)安全評價體系當(dāng)中十分必要.

本研究在傳統(tǒng)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，一方面利用耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)來反映耕地的自然狀況，另一方面，通過外業(yè)調(diào)查開展耕地環(huán)境質(zhì)量評價，反映耕地的生態(tài)環(huán)境情況. 利用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）”模型，構(gòu)建包括社會經(jīng)濟(jì)狀況、耕地質(zhì)量以及土壤環(huán)境質(zhì)量的耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，開展耕地生態(tài)安全評價.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域設(shè)定在河南省滎陽市，滎陽市地處黃河中、下游分界處，位于豫西丘陵向豫東平原的過渡地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°20′40″～113°24′10″，北緯34°45′08″～34°48′22″之間，總面積943 km2，總?cè)丝?9萬人，2018年滎陽市糧食播種面積566.7 km2，其中小麥播種面積306.7 km2、夏玉米播種面積240 km2；全年糧食總產(chǎn)量31.8萬t，其中小麥總產(chǎn)16.7萬t，玉米總產(chǎn)13.3萬t.

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 本研究使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自2018年的《滎陽統(tǒng)計(jì)年鑒》和《鄭州統(tǒng)計(jì)年鑒》. 人口密度、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等部分指標(biāo)數(shù)據(jù)可直接從統(tǒng)計(jì)年鑒中獲取，其余單位面積指標(biāo)根據(jù)已獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出.

1.2.2 耕地質(zhì)量分等數(shù)據(jù) 依據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》（GB/T 28407—2012）［18］，滎陽市標(biāo)準(zhǔn)耕作制度為冬小麥—夏玉米，一年兩熟，基準(zhǔn)作物為冬小麥，指定作物為夏玉米，一級指標(biāo)區(qū)滎陽市屬黃土高原區(qū)，二級指標(biāo)區(qū)屬豫西山地丘陵區(qū). 根據(jù)滎陽市耕地質(zhì)量分等成果，滎陽市耕地利用等別為6～11等，平均等別為6.8等，耕地質(zhì)量較優(yōu).

1.2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù) 根據(jù)滎陽市耕地質(zhì)量等別、地形地貌、土壤類型、耕地類別、作物種類及管理水平等特點(diǎn)，以全面控制、均勻分布、反映實(shí)地變化為原則，布設(shè)了70個采樣單元. 采樣時間集中在2018年10月，正值夏玉米收獲后小麥播種前，于表層0～20 cm的深度取土. 在土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險較高的區(qū)域，增加取樣密度.調(diào)查采樣同時記錄地塊所在區(qū)域的耕作制度和產(chǎn)能信息. 取各單元的混合土樣，用四分法取1.5 kg樣品進(jìn)行檢測并做三組平行實(shí)驗(yàn)，剔除異常值. 檢測項(xiàng)目包括土壤pH、Cd、Hg、As、Cr、Pb、Cu含量共7個，測試方法按照國家《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）［19］指定的常規(guī)方法進(jìn)行.

滎陽市耕地土壤重金屬元素（Cd、Hg、As、Cr、Pb、Cu）含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1. 可以看出，土壤重金屬元素最大值均未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值，僅有Cd和Pb最大值接近農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值.6種重金屬元素含量標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明不同樣點(diǎn)之間變化范圍較小，滎陽市耕地表層土壤樣品重金屬含量低且分布相對均勻.

表1 滎陽市耕地表層土壤重金屬含量Tab.1 Heavy metal content in surface soil of cultivated land in Xingyang City

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）［20］，采用單項(xiàng)污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)法開展土壤環(huán)境質(zhì)量評價. 土壤單項(xiàng)污染指數(shù)法主要評價土壤中某一種污染物的污染程度. 內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧極值和均值的加權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，反映了各污染物對土壤的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響.

單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Pi為第m監(jiān)測點(diǎn)土壤中重金屬污染物i的單向污染指數(shù)；Ci為第m監(jiān)測點(diǎn)土壤重金屬污染i的實(shí)測濃度，單位為mg/kg；Cs為重金屬污染物i的土壤污染風(fēng)險篩選值，單位為mg/kg.

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

式中：Pn為土壤綜合污染指數(shù)；Pi均為各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值；Pi最大為各污染物中最大的單項(xiàng)污染指數(shù). 根據(jù)各采樣點(diǎn)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，利用Arcgis 地統(tǒng)計(jì)分析模塊制作插值圖，以行政村為單元統(tǒng)計(jì)得出綜合污染指數(shù).

2 研究方法

PSR 模型由聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織于1990年共同提出，目前已廣泛應(yīng)用在環(huán)境與生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的確定，診斷生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性等方面的研究［21］. 本研究依據(jù)PSR模型，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個方面共選取19個指標(biāo)組成耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系. 壓力層主要是考慮到人類活動對生態(tài)環(huán)境所造成的影響，主要選取人口承載壓力、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對耕地環(huán)境壓力、污染物對耕地環(huán)境壓力以及水土流失對耕地壓力. 而在狀態(tài)層主要選擇了耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)出和耕地產(chǎn)出保障三個方面的因子. 響應(yīng)層主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了保障耕地產(chǎn)出而進(jìn)行的必要投入和社會經(jīng)濟(jì)響應(yīng). 由于各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)量級存在差別，并且指標(biāo)間正負(fù)向性不同，首先對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后利用AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重值，最終建立耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系（表2）.

表2 基于PSR模型的耕地生態(tài)安全評價體系Tab.2 Cultivated land ecological security evaluation system based on PSR model

3 結(jié)果與分析

圖1 滎陽市耕地生態(tài)安全評價結(jié)果Fig.1 Evaluation results of cultivated land ecological security in Xingyang City

3.1 耕地生態(tài)安全評價結(jié)果分析

通過建立耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，整合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)和土壤環(huán)境數(shù)據(jù)等3種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)耕地生態(tài)安全的綜合評價. 按照該指標(biāo)體系計(jì)算后得出結(jié)果，滎陽市耕地生態(tài)安全總分值分布為0.40～0.78，平均分值為0.61，整體上處于較安全等級. 參考相關(guān)研究并結(jié)合滎陽市實(shí)際情況，將耕地生態(tài)安全分為5個等級：安全、較安全、臨界安全、較不安全和安全預(yù)警5個等級，具體分布情況見圖1.

從圖1可以看出，2018年滎陽市耕地生態(tài)安全呈現(xiàn)“北高南低”明顯的空間分布特征. 生態(tài)安全區(qū)主要分布在王村鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)和高村鄉(xiāng)等，耕地面積占全市耕地面積的33.4%，該區(qū)域地勢平坦，耕地條件最優(yōu)，灌溉保證率、糧食單產(chǎn)等狀態(tài)層指標(biāo)最好，機(jī)械化、勞動力投入等響應(yīng)層指標(biāo)最優(yōu)，人口密度、人均耕地面積等壓力層指標(biāo)也較優(yōu)，因此耕地生態(tài)安全最優(yōu)；生態(tài)較安全區(qū)主要分布在城關(guān)鄉(xiāng)、喬樓鎮(zhèn)、高村鄉(xiāng)和豫龍鎮(zhèn)，耕地面積占全市耕地面積的20.4%，該區(qū)域也是傳統(tǒng)糧食作物種植區(qū)，耕地條件較好，由于毗鄰城區(qū)，人口密度較高，人均耕地面積較低，生態(tài)較安全；生態(tài)臨界安全區(qū)主要分布在氾水鎮(zhèn)、高山鎮(zhèn)、劉河鎮(zhèn)北部和城區(qū)周邊，耕地面積占全市耕地的23.4%，該區(qū)域耕地破碎度較高，人均耕地面積較少，糧食單產(chǎn)較低. 生態(tài)較不安全和生態(tài)安全預(yù)警區(qū)主要分布在滎陽市南部山區(qū)、城區(qū)周邊和黃河灘地，耕地面積比例分別占全市耕地面積的20.1%和2.7%，南部山區(qū)以旱地為主，耕地破碎度較高且坡度較大，水土流失風(fēng)險較高，耕地處于安全預(yù)警狀態(tài)，黃河灘地和城區(qū)周邊由于土壤重金屬風(fēng)險值較高，因此耕地處于較不安全和安全預(yù)警狀態(tài).

3.2 耕地質(zhì)量與生態(tài)安全結(jié)果對比分析

通過以行政村為單元統(tǒng)計(jì)耕地生態(tài)安全評價分值、耕地質(zhì)量等別中的國家利用等指數(shù)和土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)中的土壤綜合污染指數(shù)，利用線性回歸分析，獲取耕地生態(tài)安全、耕地質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量之間的相互關(guān)系. 從圖2可以看出，耕地生態(tài)安全指數(shù)與國家利用等指數(shù)呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，說明耕地質(zhì)量提升對耕地生態(tài)安全的提高具有積極作用，耕地生態(tài)安全評價結(jié)果能反映耕地質(zhì)量的分布特征. 相反，耕地生態(tài)安全總分值與土壤綜合污染指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（圖3），隨著土壤綜合污染程度的提升，耕地生態(tài)安全呈下降趨勢.

圖2 耕地生態(tài)安全總分值與國家利用等指數(shù)散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of total score of cultivated land ecological security and national utilization

圖3 耕地生態(tài)安全總分值與土壤綜合污染指數(shù)散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of total score value of cultivated land ecological security and soil comprehensive pollution index

4 結(jié)論與討論

1）本項(xiàng)目研究區(qū)域設(shè)定在河南省滎陽市. 隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，耕地生態(tài)安全與城市化方面的矛盾日益突出. 研究在傳統(tǒng)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，一方面利用耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)來反映耕地的自然狀況，另一方面，通過外業(yè)調(diào)查開展耕地環(huán)境質(zhì)量評價，反映耕地的生態(tài)環(huán)境情況. 利用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）”模型，構(gòu)建耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，開展滎陽市耕地生態(tài)安全評價. 評價結(jié)果顯示，滎陽市耕地生態(tài)安全共分為5個級別，其中生態(tài)安全區(qū)主要分布在王村鎮(zhèn)、廣武鎮(zhèn)和高村鄉(xiāng)等，耕地面積占全市耕地面積的33.4%；生態(tài)較安全區(qū)主要分布在城關(guān)鄉(xiāng)、喬樓鎮(zhèn)、高村鄉(xiāng)和豫龍鎮(zhèn)，耕地面積占全市耕地面積的20.4%；生態(tài)臨界安全區(qū)主要分布在氾水鎮(zhèn)、高山鎮(zhèn)、劉河鎮(zhèn)北部和城區(qū)周邊，耕地面積占全市耕地的23.4%.生態(tài)較不安全和生態(tài)安全預(yù)警區(qū)主要分布在滎陽市南部山區(qū)、城區(qū)周邊和黃河灘地，耕地面積比例分別占全市耕地面積的20.1%和2.7%.

2）通過建立耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，整合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)和土壤環(huán)境數(shù)據(jù)等3 類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)耕地生態(tài)安全的綜合評價. 分析結(jié)果顯示，耕地生態(tài)安全分值與國家利用等指數(shù)呈顯著相關(guān)，與土壤綜合污染指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，說明基于PSR模型構(gòu)建耕地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，耕地生態(tài)安全評價總分值能較好地反映耕地質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量的真實(shí)分布特征，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)和土壤環(huán)境數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的整合.