基于土壤質量與景觀格局的塔城市耕地生態修復區劃

雷海峰 汪溪遠 高海峰

雷海峰，汪溪遠，高海峰. 基于土壤質量與景觀格局的塔城市耕地生態修復區劃［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：148-155．

摘要：以新疆塔城市為研究對象，從土壤質量與景觀格局角度構建評價指標體系進行耕地土壤質量與景觀格局評價。結果表明，塔城市耕地土壤質量分為4個等級，Ⅰ級耕地面積占比9.95%，Ⅱ級耕地面積占比27.99%，Ⅲ級耕地面積占比37.04%，Ⅳ級耕地面積占比25.02%，Ⅰ級耕地可作為高標準耕地建設的選擇對象，Ⅳ級耕地不適宜開發，需進行土壤修復；塔城市耕地景觀格局分為4個等級，Ⅰ級耕地面積占比34.6%，Ⅱ級耕地面積占比40.1%，Ⅲ級耕地面積占比21.6%，Ⅳ級耕地面積占比3.7%；結合土壤質量與景觀格局情況將塔城市耕地生態修復區域劃分為6類，優質保護區（218 km²）、土壤質量改良區（279 km²）、土壤質量修復區（196 km²）、景觀格局改良區（192 km²）、景觀格局修復區（58 km²）、耕地退耕區（70 km²）?？傮w來看，塔城市耕地生態修復重點方向為土壤質量改良與修復。

關鍵詞：土壤質量；景觀格局；生態修復；區域劃定；新疆塔城市

中圖分類號：S282；X321? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0148-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.024 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Ecological restoration zoning of cultivated land in Tacheng City based on soil quality and landscape pattern

LEI Hai-feng，WANG Xi-yuan，GAO Hai-feng

（College of Ecology and Environment/Key Laboratory of Oasis Ecology， Xinjiang University， Urumqi? 830046， China）

Abstract： Taking Tacheng City， Xinjiang as the research object， an evaluation index system was constructed from the perspective of soil quality and landscape pattern to evaluate the soil quality and landscape pattern of cultivated land. The results showed that the soil quality of cultivated land in Tacheng City was divided into four levels. Grade I cultivated land accounted for 9.95%， Grade II cultivated land accounted for 27.99%， Grade III cultivated land accounted for 37.04%， and Grade IV cultivated land accounted for 25.02%. Grade I cultivated land could be used as a selection object for high standard cultivated land construction， while Grade IV cultivated land was not suitable for development and required soil remediation；the landscape pattern of cultivated land in Tacheng City was divided into four levels. Grade I cultivated land accounted for 34.6%， Grade II cultivated land accounted for 40.1%， Grade III cultivated land accounted for 21.6%， and Grade IV cultivated land accounted for 3.7%； based on the soil quality and landscape pattern， the ecological restoration areas of cultivated land in Tacheng City were divided into 6 categories： 218 km²of high-quality protection area， 279 km²of soil quality improvement area， 196 km²of soil quality restoration area， 192 km²of landscape pattern improvement area，? 58 km²of landscape pattern restoration area， and 70 km²of farmland restoration area. Overall， the key direction for ecological restoration of cultivated land in Tacheng City was soil quality improvement and restoration.

Key words： soil quality； landscape pattern； ecological restoration； regional delineation； Tacheng City， Xinjiang

國家從提高耕地質量、修復耕地生態系統功能的角度出發推進國土空間生態修復工程，該措施已成為中國實現國土空間格局調整，解決三生空間沖突問題的重要手段，因此開展區域國土空間生態修復區劃研究具有重大意義。

開展山水林田湖草沙生命共同體綜合整治與生態修復，就是優化土地利用結構、拓展高質量發展空間、促進民生改善和鄉村振興的關鍵之舉。為實現三類空間和諧共生，耕地空間布局的合理性變得愈發重要。近年來學者對此展開研究，根據耕地質量進行空間布局^［1］，并將耕地質量與土壤退化風險^［2］、糧食安全^［3］、資源承載力^［4］等因素綜合考慮，耕地生態修復區劃作為空間布局調整中的一類，其主要通過生態修復指數與地理信息系統進行生態修復區劃研究^［5-7］，從景觀格局角度分析耕地空間格局已逐漸成為熱點研究。

本研究以新疆塔城市為研究區，在耕地土壤質量評價的基礎上結合耕地景觀格局評價，對耕地土壤質量與景觀格局分別進行等級劃分，通過疊加分析實現塔城市耕地生態修復分區。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

塔城市隸屬于新疆維吾爾自治區塔城地區，位于中國西北邊陲，西部、北部與哈薩克斯坦接壤，地處塔額盆地北緣，地形為北部高山、中部丘陵和洪積扇平原、南部沖積扇平原，整體屬于中溫帶干旱和半干旱氣候。塔城市行政區域面積4 356.6 km²，根據2021年塔城市統計年鑒可知，耕地面積占行政區域面積的23.25%，耕層質地主要為沙壤和輕壤，耕地以水澆地為主，主要位于塔城市中部平原，87%的耕地種植玉米、小麥等糧食作物，13%種植打瓜等非糧食作物（圖1）。

1.2 數據來源與處理

以塔城市2021年土地利用現狀圖為底圖，選擇系統布點法中的方格法在所有耕地區域布設150個采樣點，最終獲得126個土壤樣品，交由新疆維吾爾自治區地質局礦產實驗研究中心檢測。土地利用類型數據來源于中國科學院數據中心（https：//www.resdc.cn/）；農作物種植面積數據來源于2021年塔城市統計年鑒。

指標測定方法參考NY/T 1121—2006《中華人民共和國農業行業標準》與GB 15618—2018《農用地土壤污染風險管控標準》 。采用ArcGIS 10.5、Fragstats 4.2軟件進行數據處理與空間表達。

2 生態修復區域劃定方法

2.1 耕地土壤質量與景觀格局評價

2.1.1 土壤質量評價體系構建 基于土壤養分與重金屬污染選取耕地土壤質量評價指標，目標層為耕地土壤質量評價，準則層為土壤養分與重金屬污染；指標層為13個評價指標，對重金屬的8個指標進行總潛在危害指數計算形成一個指標，從而簡化評價過程；評價指標權重采用特爾斐法賦值，耕地土壤質量評價指標如表1所示。

潛在生態危害指數法是根據重金屬的性質及環境行為從沉積學角度提出，對土壤或沉積物中土壤重金屬污染進行評價的方法^［8］。計算公式如下：

2.1.2 耕地景觀格局評價體系構建 耕地景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息，耕地景觀格局評價指標選取斑塊數量（NP）、景觀形狀指數（LSI）、景觀聚集度指數（AI）、景觀凝結度指數（COHESION）^{［10，11］}，評價指標權重采用特爾斐法賦值，表2為塔城市耕地景觀格局評價指標體系，表3為景觀指數的計算公式。斑塊數量體現耕地破碎化程度，斑塊數量多代表耕地景觀越破碎化，穩定性越弱，不適合大規模開發建設和建設高標準農田；斑塊數量少代表耕地景觀越完整，單一斑塊面積越大，穩定性越強，適合農業開發建設，集中連片修建高標準農田。景觀形狀指數通過計算斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來反映形狀復雜程度，指數越高斑塊形狀復雜程度越高，受人為干擾程度越強。聚集度指數反映同類型斑塊鄰近程度，指數越高說明耕地聚集程度越高；景觀凝結度指數反映景觀空間連接度，指數越高說明耕地連通性越強。

2.1.3 評價指標隸屬度函數構建 利用隸屬度函數確定指標隸屬度，再與指標權重系數相乘計算指標分值，因本次樣品pH在7.0～9.0，故土壤質量評價體系中pH與總潛在危害指數指標采用戒下型隸屬度函數；景觀格局評價體系中斑塊數量、景觀形狀指數采用戒下型隸屬度函數。其他指標采用戒上型隸屬度函數^［12］。

式中，U、L分別為評價指標的上限值和下限值，[x]為評價指標的測定值。土壤質量評價指標U、L參考TD/T 1014—2007《第二次全國土地調查技術規程》規定的養分分級標準與潛在生態風險指數標準^［13］，pH指標U、L分別為9.0、7.0，景觀格局評價指標U、L參考實際計算所得的最高值與最低值。指標的分級標準如表4所示，潛在生態風險指數標準如表5所示。

2.1.4 綜合分值計算 確定各指標的權重與隸屬度值后，運用加權求和法計算評價單元的土壤質量與景觀格局綜合分值，計算公式如下：

H=Σ（A_iB_i）?（8）

式中，H為綜合分值；A_i為第i個評價指標的權重；B_i為第i個評價指標的隸屬度。

2.2 空間插值

空間插值選取普通克里金法，該方法是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計^［14］。它能夠有效描述區域變化的空間分布、變異和相關特征，空間異質性是由于隨機性因素（耕作方式、灌溉、土壤改良等人為因素）及結構性因素（地形、降水、氣候、母質類型等非人為因素）作用所導致^［15］。以標準均方根預測誤差越接近于1、預測誤差的均值越接近于0為原則^{［16，17］}，選出各指標的最佳半變異函數模型及相關參數，塊金系數的大小可以有效解釋土壤要素的空間相關程度，變程可以為今后研究采樣間距提供理論參考^［18］。

3 結果與分析

3.1 耕地土壤質量

3.1.1 描述性統計分析 由表6可知，大部分土壤養分指標變異系數均在10.0%～100.0%，屬于中等變異，速效磷、速效鉀的變異系數分別為133.3%、104.3%，屬于強變異。

由表7可知，研究區農用地土壤中8種重金屬含量大小依次為鋅>鉻>銅>鎳>鉛>砷>鎘>汞，表明每種重金屬均有不同程度的積累；變異系數均在10%～100%，表現為中等變異。

3.1.2 空間插值分析 利用ArcGIS地理統計模塊選擇最優半變異函數模型，對土壤質量數據進行擬合。由表8可知，有機質塊金系數低于25.00%，說明其具有強烈的空間相關性，變異主要是由結構性因素引起；其他指標塊金系數在25.00%～75.00%，屬于中等程度的空間相關性，變異主要是由隨機性因素和結構性因素聯合作用所引起。由變程可知，土壤pH具有較大的空間自相關范圍，為3.40 km，堿解氮空間自相關范圍較小，為0.02 km。

由表9可知，砷、銅、汞、鎘指標塊金系數均低于25.00%，說明其具有強烈的空間相關性，變異主要是由結構性因素引起；其他指標塊金系數在25%～75%，屬于中等程度的空間相關性，變異主要是由隨機性因素和結構性因素聯合作用所引起。由變程可知，鎘具有較大的空間自相關范圍，為1.35 km；鉻、鎳空間相關范圍較小，均為0.04 km。

由圖2a可知，高養分區域主要位于也門勒鄉附近；中高養分區域位于博孜達克農場、恰合吉牧場南部；中低養分區域位于地區種牛場、恰夏鎮周邊；低養分區域位于喀拉哈巴克鄉。

運用潛在生態危害指數法計算重金屬潛在危害系數，單一元素的潛在危害系數均低于40，總潛在危害指數最大值為29.79，最小值為6.87，平均值為12.94，依據潛在生態風險指數標準可知，研究區內重金屬生態危害屬于輕微，無明顯的潛在生態風險。因此運用普通克里金法對砷元素進行空間插值，得到其空間分布。由圖2b可知，砷元素超出風險篩選值，主要分布于博孜達克農場與恰合吉牧場南部。

3.1.3 耕地土壤質量等級劃分 根據《第二次全國土地調查技術規程》規定的養分分級標準與潛在生態風險指數標準可知，塔城市耕地有機質、速效磷處于Ⅲ級水平、堿解氮、速效鉀處于Ⅰ級水平；土壤重金屬污染屬于輕微危害。塔城市耕地土壤質量分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個等級，如表10所示。塔城市耕地土壤質量大部分處于Ⅱ、Ⅲ級（表11），Ⅰ級區域耕地土壤質量在有機質、速效磷、堿解氮、速效鉀和重金屬污染方面較優，主要位于也門勒鄉和博孜達克農場南部；相較于Ⅰ級區域，Ⅱ級區域土壤質量在有機質、速效磷、堿解氮、速效鉀和重金屬污染方面有所下降，但整體情況良好，適宜種植，主要位于塔城市區周邊、博孜達克農場和阿不都拉鄉；Ⅲ級耕地面積占比最大，該區域耕地土壤質量一般，主要位于農九師與地區種牛場；Ⅳ級區域耕地土壤質量較差（圖3），不建議開展耕地建設，需進行土壤修復等措施，主要位于一六四團與恰夏鎮附近。

3.2 耕地景觀格局結果

3.2.1 景觀格局指數統計分析 通過Fragstats 4.2軟件計算不同區域的耕地斑塊數量、景觀形狀指數、景觀聚集度指數、景觀凝結度指數，結果如表12所示。窩依加依勞牧場斑塊數量與景觀形狀指數最大，說明該地區破碎化程度高且受自然因素與人為因素影響相對嚴重。塔城市各地區景觀聚集度指數與景觀凝結度指數較高，說明塔城市耕地整體具有高聚集、高連通的特點。

3.2.2 耕地景觀格局等級劃分 塔城市耕地景觀格局分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個等級，結果如表13所示。塔城市耕地景觀格局大部分處于Ⅰ、Ⅱ級（表14），由空間分布（圖4）可知，Ⅰ級區域包括阿不都拉鄉、博孜達克農場、喀拉哈巴克鄉、恰合吉牧場，該區域耕地破碎化程度低，耕地聚集程度與連通性高；Ⅱ級區域包括阿西爾達斡爾民族鄉、地區種牛場、恰夏鎮、兵團農九師一六四團，該區域相較于Ⅰ級區域整體條件較差，但仍適合作為種植區；Ⅲ級區域包括也門勒鄉、兵團農九師一六三團，該區域人為干擾程度高，城市化建設導致耕地破碎化程度高；Ⅳ級區域包括窩依加依勞牧場，該區域受山區地形條件與天氣因素影響，耕地景觀格局等級低。

3.3 耕地修復區域劃分

利用ArcGIS疊加分析功能，將土壤質量等級圖與景觀格局等級圖疊加，了解每塊耕地的土壤質量與景觀格局，并根據其特點將耕地劃分為優質保護區、土壤質量改良區、土壤質量修復區，景觀格局改良區、景觀格局修復區、耕地退耕區（表15，圖5）。

優質保護區面積218 km²，主要分布于博孜達克農場、喀拉哈巴克鄉和阿不都拉鄉，作為塔城市耕地最優區域，其耕地質量與景觀格局均屬于Ⅰ級水平，該區域內的耕地在維持供養能力、提高農民收益、調節區域生態環境等方面都發揮著重要作用，是積極落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略的關鍵區域，應該考慮將其作為耕地重點建設區域。

土壤質量改良區與土壤質量修復區面積共計475 km²，主要分布于地區種牛場、恰合吉牧場、恰夏鎮和農九師一六四團附近，該區域的景觀格局水平優于耕地質量水平，該區域在保護耕地高完整性的前提下，應該努力提高土壤質量。

景觀格局改良區與景觀格局修復區面積共計250 km²，主要分布于塔城市市區、也門勒鄉和農九師一六三團附近，該區域的耕地質量水平優于景觀格局水平，該區域在保護耕地高質量的前提下，應考慮將破碎化程度高的耕地區域調出永久基本農田，另外選擇合適區域彌補，使耕地完整性更高。

耕地退耕區面積70 km²，主要分布于塔城市西部和北部，該區域耕地質量與景觀格局均屬于Ⅳ級水平，該區域的耕地經濟效益偏低，對生態環境造成不良影響，應該考慮開展退耕還林還草或土壤修復等措施。

4 小結與討論

4.1 小結

1）塔城市耕地土壤質量綜合分值為38.78～90.98，依據分值將耕地土壤質量分為4個等級，Ⅰ級耕地面積占比9.95%，Ⅱ級耕地面積占比27.99%，Ⅲ級耕地面積占比37.04%，Ⅳ級耕地面積占比25.02%。Ⅰ級區域可作為高標準耕地建設的選擇對象；Ⅳ級不適宜耕地開發，需進行土壤修復。

2）塔城市耕地景觀格局綜合分值為72.92～84.12，依據分值將耕地景觀格局分為4個等級，Ⅰ級耕地面積占比34.6%，Ⅱ級耕地面積占比40.1%，Ⅲ級耕地面積占比21.6%，Ⅳ級耕地面積占比3.7%。Ⅰ級區域可提高耕地土壤質量，建設高標準農田實現高產高效；Ⅱ級區域為保障基本耕地面積提供空間；Ⅲ級區域包含重點建設區，考慮建設用地的發展，實現城鎮空間與農業空間平衡；Ⅳ級區域包含水土保持區與防風固沙區，可開展退耕還林，退耕還草等措施來實現與生態環境的和諧共生。

3）結合土壤質量與景觀格局情況將耕地生態修復區域劃分為六類，優質保護區（218 km²）、土壤質量改良區（279 km²）、土壤質量修復區（196 km²）、景觀格局改良區（192 km²）、景觀格局修復區（58 km²）、耕地退耕區（70 km²）?？傮w來看，塔城市耕地生態修復重點方向為土壤質量改良與修復。

4.2 討論

1）土壤質量的影響因素。

由2021年塔城市統計年鑒可知，生產總值中工業占比不足30%，故土壤無明顯重金屬污染風險，重金屬含量偏高區域主要位于塔城市市區和機場附近，其原因是由于人為活動與飛機起降所導致。土壤質量主要影響因素為人為與自然因素。

氣候與地理因素對土壤pH產生影響，研究區屬于中溫帶大陸性干旱氣候，具有干旱少雨、蒸發強的特點，蒸發導致積聚土壤表層的鹽分數量多于降水向下淋洗數量，長期累積與濃縮形成了鹽化、堿化的土壤。地勢高低起伏，水中鹽分便在低洼處蒸發積累，導致低地勢土壤易于鹽化；地勢高處，水鹽運動為上升-下滲交替垂直運動，土壤易于堿化^［20］。

人為因素對土壤氮、磷、鉀、有機質產生影響，耕作方式與化肥施用造成土壤中氮、磷、鉀含量增加。氮肥的施用雖然可以提高土壤有機質含量，但長期施用氮肥會導致土壤pH下降^{［21，22］}。土壤酸化會抑制土壤微生物活性從而降低有機質的分解^［23］。

塔城市北高南低，由東北向西南傾斜的地形特點對土壤pH的空間分布產生影響；近年來農藥與農膜使用量明顯下降，但化肥投入量仍然較高，化肥的過量施用不僅直接影響土壤肥力的空間分布，還間接影響土壤pH的空間分布。

2）耕地景觀格局的影響因素。

耕地景觀格局受自然因素與社會經濟因素影響，地形的起伏變化與城市建設的高速發展對農業發展空間產生嚴重威脅，高強度人為干擾導致耕地破碎化程度增加^［24-26］。塔城市地形條件迫使農業種植與城鎮發展產生空間沖突，隨著社會經濟發展，城市用地只能東西擴張侵占周圍農用地空間，導致耕地破碎化程度變高，聚合程度與連通度降低。

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收稿日期：2023-02-22

基金項目：國家自然科學基金項目（42067026）

作者簡介：雷海峰（1998-），男，新疆烏魯木齊人，碩士，主要從事荒漠礦區土壤重金屬修復治理研究，（電話）13579841601（電子信箱）

1554660433@qq.com；通信作者，汪溪遠（1977-），男，新疆烏魯木齊人，副教授，博士，主要從事干旱區土壤污染修復研究，

（電子信箱）wangxy@xju.edu.cn。