基于生態適宜性評價的農用地限制因素及整治分區研究

王凡 徐磊 張貴軍 張蓬濤 耿其明

摘要：開展農用地生態適宜性評價可厘清農用地生產和生態功能限制因素，有利于有針對性地分區開展整治并分類施策，進而提高區域農用地的可持續利用水平。以環渤海區域的黃驊市為例，構建“土壤資源—水資源”復合農田生態適宜性評價指標體系，運用單指標評價與分層次評價相結合的方法，識別農用地生態適宜性的限制因素及程度；綜合評價結果，并按照改良技術措施一致性原則，劃分農用地整治分區，對應提出改良措施。結果表明：研究區農用地化肥施用量、有機質含量、土壤含鹽量生態適宜性較差，不適宜級分別達到87.47%、99.62%和25.34%；全域農用地地下水礦化度過高，東部地下水埋深淺，69.54%農用地灌溉保證率不足；此外，其他指標呈適宜狀態；研究區農用地主要限制因素為：化肥施用量、有機質含量、土壤含鹽量、地下水礦化度、地下水埋深及灌溉保證率；限制因素組合類型分為兩類：“主導限制因素（重度）+次要限制因素（輕度）”的復合類型、僅有輕度限制因素的單一類型，二者占比分別為91.9%、8.1%；劃分“土壤培肥區”“鹽漬化土改良區”兩類整治區，并有針對性地提出整治提升措施。為生態系統狀況復雜的濱海區農用地改良和整治利用提供實踐參考。

關鍵詞：黃驊市；農用地；生態適宜性；限制因素；整治分區

中圖分類號： F323.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0242-10

Study on agricultural land restriction factors and consolidation zoning based on ecological suitability evaluation

Wang Fan1， Xu Lei2， Zhang Guijun2， Zhang Pengtao2， Geng Qiming3

（1. College of Resources and Environmental Science， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;2. College of Land and Resources， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China; 3. Hebei Research Center for Geoanalysis， Baoding， 071000， China）

Abstract：

The evaluation of the ecological suitability of agricultural land can clarify the constraints of agricultural land production and ecological function， which is conducive to targeted zoning and classified policies， so as to improve the sustainable use level?of regional agricultural land. Taking Huanghua City in the Bohai Rim region as an example， this paper constructs an evaluation index system of ecological suitability of “soil resources-water resources” composite farmland， and uses the method of combining single index evaluation and hierarchical evaluation to identify the limiting factors and degree of ecological suitability of agricultural land. Based on the results of the comprehensive evaluation， according to the principle of consistency of improvement technical measures， the agricultural land consolidation zones were divided， and the improvement measures were put forward accordingly. The results showed that the ecological suitability of chemical fertilizer application rate， organic matter content and soil salt content of agricultural land in the study area was poor， and the unsuitable grades reached 87.47%， 99.62% and 25.34%， respectively. The groundwater mineralization of agricultural land in the whole area was too high， the groundwater depth in the eastern part was shallow， and the irrigation guarantee rate of 69.54% of agricultural land was insufficient. In addition， other indicators were in an appropriate state. The main limiting factors of agricultural land in the study area were as follows： chemical fertilizer application rate， organic matter content， soil salinity content， groundwater salinity， groundwater burial depth and irrigation guarantee rate. The combination of limiting factors was divided into two categories such as the composite type of “dominant limiting factor （severe） + secondary limiting factor （mild）” and the single type with only mild limiting factors， accounting for 91.9% and 8.1%， respectively. Two types of remediation areas were divided into “soil fertilization area” and “saline soil improvement area”， and the targeted remediation and improvement measures were put forward. The results of this study can provide a practical reference for the improvement and utilization of agricultural land in coastal areas with complex ecosystem conditions.

Keywords：Huanghua City; agricultural land; ecological suitability; limiting factors; regulation zoning

0 引言

農用地作為土地資源中關系國計民生的重要組成部分，不僅為人類生存提供必需的食物和纖維，同時還具有調節氣候、涵養水源等生態功能，是與自然聯系最為密切的土地利用類型［1， 2］。目前，我國正處于農業轉型的關鍵時期，一方面，農業生產需要由粗放、分散經營向規?；?、集約化經營轉變，不斷提高農業科學化和現代化的水平；另一方面，水資源短缺、面源污染加劇、農田生態系統退化等各類問題逐漸凸顯，制約著健康農業的發展［3， 4］。2015年《關于加快推進生態文明建設的意見》明確指出，要強化農田系統生態保護；2018年“生態文明”被寫入憲法；2022年黨的二十大強調，要全面提升生態系統穩定性、持續性，促進人與自然和諧共生。在此背景下，實時監測農用地生態環境狀況及影響其可持續利用的限制因素，對于分區分類實施整治活動、優化農業生產基礎條件和從根源上改善農業生態系統具有重要意義。

目前，國外關于農用地生態適宜性的研究主要集中在微觀層面，側重于自然因素對特定作物生長環境的影響［5， 6］，評價指標的選取與作物生長密切相關，如溫度、降水、氣候、土壤養分等；國內通常從氣候、地形和土壤等方面分析影響農用地生態適宜性的因素［7， 8］，如王珊等［9］從伏旱頻率、坡度、土壤質地等方面評價玉米種植區生態適宜性等級；李茂森等［10］則將地貌類型、土壤性質、土地利用現狀作為安塞縣農用地生態適宜性的影響因素。限制因素的研究大多以提升耕地質量為目標［1113］，其確定方法一般分為兩類：一類是直接沿用農用地分等指標體系或選取部分指標作為限制因素［11， 14， 15］，這類方法可與分等結果實現有效銜接，但是忽略了其他可整治因素的影響；另一類是運用模型法確定限制因素，如障礙度模型［12， 16］、限制性指數模型［11］、自然等-提等潛力指數模型［17， 18］等。農用地整治類型的劃分大多以限制因素作為分區依據，按照其提升潛力大小進行綜合排序［11， 12］，但是多數研究分區劃定時主要考慮土壤的肥力條件以及灌排設施的完善程度［19］，出現整治后農田產出提升，卻無法兼顧生態系統穩定性的現象。綜上所述，目前關于農用地生態適宜性及限制因素評定的研究已取得豐碩成果，但探討農田生態系統限制因素的研究較少，且較少關注各因素交互疊加影響及影響過程的復雜性。

鑒于此，本文以濱海平原區的黃驊市為例，充分考慮水土資源之間的聯動效應，從農用地土壤資源適宜性、水資源適宜性2個維度，構建“土壤資源—水資源”復合農田生態適宜性評價指標體系，并借助ArcGIS10.7空間分析功能，直觀顯化所有相關限制因素在地域空間上的交互作用和影響，進而開展空間限制因素組合類型研究。在此基礎上劃分整治分區并有針對性的安排整治措施，為研究區農用地實現生產高能、生態高效提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

黃驊市位于河北省東南部，渤海灣西岸，全市面積23.914×104 hm2，農用地占65.21%。地貌類型為退海淤積和沖積平原，地勢低洼平坦，自西南向東北微傾，西部最高海拔15.7m，東部最高海拔3 m。氣候類型屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，并伴有一定的海洋性氣候特點。年平均溫度12 ℃左右，雨量少且年內分布不均，全市多年平均降雨量約為656.5 mm，多集中在7、8月份，多年平均蒸發量約為1 980 mm，土壤干濕差異較大；年均徑流量為1.28×109 m3，淡水資源短缺，且春旱、夏澇、秋吊等自然災害頻發，給研究區的農業發展帶來極為不利的影響。因此，全面掌握區域土地生態環境狀況，精準判別限制因素并進行針對性整治提升是目前亟待解決的問題。

1.2 數據來源

本文所用數據包括：（1）通過中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）下載的30 m分辨率的2020年土地利用現狀數據；（2）通過實地調研獲得的農藥、化肥施用量數據；（3）2021年黃驊市農用地定級數據；（4）結合2015年河北省農業地質調查成果，于2020—2021年補充采樣實測數據，共306個。研究運用ArcGIS10.7軟件地統計模塊的反距離權重插值（IDW）對所有樣點數據進行空間分布圖繪制。

2 研究方法

2.1 研究思路

本文在對研究區土地生態環境充分認識的基礎上，首先從土地生態適宜性內涵出發，構建“土壤資源—水資源”復合農田生態適宜性評價指標體系；其次，依據相關國家標準、行業規范及已有研究成果，設定科學合理的評價標準，運用單指標評價與分層次評價相結合的方法逐一實施評價；第三步根據評價結果篩選不適宜指標作為限制因素并鎖定其空間位置，通過空間疊加法精確識別評價單元內限制因素及組合類型；最后，按照限制因素整治措施一致性原則，劃定整治分區并制訂提升措施。

2.2 評價單元確定

以黃驊市2020年土地利用現狀調查數據庫為底圖，以30 m×30 m柵格為評價單元，扣除水域、建設用地和未利用地，最終確定1 601 182個評價單元，總面積為144 106.38 hm2。

2.3 評價指標選取與體系構建

生態適宜性評價是對土地的生態狀況和利用條件給予全面評估，相關指標的選取及適宜程度的確定，皆以能夠滿足農業生產、生態要求為根本前提［20］。本文結合黃驊市淡水資源極度短缺、土壤環境狀況復雜的現實情況，并參考相關研究［13， 2123］，從土壤資源適宜性和水資源適宜性2個維度構建黃驊市農用地生態系統評價指標體系（表1）。其中，土壤資源適宜性反映農用地的本底條件和生態可持續性問題［24］；水資源適宜性反映區域水資源生態環境狀況和農田水利設施配套情況。

2.4 指標評價方法與分級標準

為精準識別和定位研究區農用地限制因素，本研究采用單指標評價法對所有因素逐一實施評價，在構建每個參評指標的評價標準后，進行生態適宜性分級。目前，生態適宜性等級劃分尚無統一標準，本文參考已有研究［25， 26］，將生態適宜性評價結果劃分為5個級別：高度適宜、中度適宜、臨界適宜、中度不適宜、高度不適宜。

各指標最適閾值的確定以相關國家標準、行業規范及已有研究成果為依據。研究區農用地生態適宜性評價指標分級標準如表2所示。其中，重金屬污染以As、Hg、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr這8種元素計算得到的內梅羅綜合指數Fj為準，計算模型［27］如式（1）、式（2）所示。

Fi=CiSi（1）

Fj=（Fiave2+Fimax2）/2（2）

式中：Fi——單因子污染指數；Ci——第i種重金屬實測值；Si——重金屬評價標準；Fj——內梅羅綜合污染指數；Fiave——單因子污染指數平均值；Fimax——單因子污染指數最大值。

此外，我國未有針對化肥施用量的分級標準，因此本文采用國際化肥施用量警戒線225 kg/hm2作為臨界適宜標準［28］；相較于化肥，農藥種類繁多、成分復雜，國內外均缺乏對農藥污染的級別劃分標準［28］，本文以河北省農業農村廳頒布的“農藥使用量零增長行動”為依據，將年增長率-1%作為臨界適宜標準［29］；土壤pH的級別劃分根據全國第二次土壤普查養分分級標準和黃驊市實際情況確定。

2.5 限制因素組合類型設計

作物的生長取決于水土環境對其滿足程度，滿足程度越小則說明該因素對作物生長限制作用越大，越會降低農用地生產能力。滿足程度最小的，即生態適宜性等級最低的則為重度限制因素，次之為輕度限制因素［12， 31］。

研究運用空間疊加法，將各指標評價結果中不適宜區域進行疊加，根據疊加結果中各限制因素在空間上的組合情況得到黃驊市農用地生態適宜性的限制因素組合類型。需要說明的是，同一評價單元內可能同時存在輕度與重度限制因素，因此將相同評價單元內組合類型按照限制程度進行歸并，將重度限制因素作為主導因素，輕度限制因素作為次要因素，按照“主導限制因素（重度）+次要限制因素（輕度）”類型進行劃分和統計匯總。

3 結果與分析

3.1 生態適宜性評價結果

按照上述確定的評價方法和評價標準逐一開展指標評價，結果如圖1、圖2所示：黃驊市農用地的重金屬內梅羅污染指數介于0.98～2.22之間、各鄉鎮農藥增長率介于-33.4%～-0.51%之間、土壤pH介于7.5～8.49之間，土壤容重介于0.6～1.78 g/cm3之間，以上指標均處于適宜范圍之內，表明目前未對研究區農用地產生限制作用。

2020年黃驊市農用地化肥施用量為342.83 kg/hm2，是國際警戒線的1.52倍，其評價結果如圖1（c）所示，處于高度不適宜級別的農用地占比達87.47%，處于臨界適宜級別的農用地占11.60%，僅0.93%的農用地處于中度適宜級別，零星分布在中捷友誼農場、齊家務鄉和騰莊子鄉。全縣農用地土壤有機質平均含量為13.32 g/kg，如圖1（d）所示，高度不適宜級別占8.30%，主要集中在黃驊鎮及其周邊鄉鎮，中度不適宜級別占91.32%。研究區農用地土壤含鹽量介于0.22～29.73 g/kg之間，如圖1（e）所示，高度不適宜級別占3.5%，中度不適宜級別占21.84%，整體呈現出由西南向東北部逐漸遞減的規律，這與黃驊市緊鄰渤海，地勢低洼排水不暢，地表蒸發量大有密切關系［32］。由評價結果可知，化肥施用量超標、土壤有機質含量偏低、土壤含鹽量過高是限制研究區土壤資源適宜性的主要因素。

黃驊市農用地地下水埋深處于1.23～3.78 m之間，屬于中度不適宜級別的占比達到34.03%，空間上呈現出由沿海向內陸遞減的趨勢。地下水礦化度介于1.62～7.4 g/L之間，高度不適宜級別占23.12%，中度不適宜級別占76.87%。由圖2（a）和圖2（b）可知，地下水埋深和地下水礦化度的不適宜級在空間分布上較為吻合，通過已有研究［33， 34］可知，二者是導致土壤含鹽量高的重要原因。當地下水位較淺時，地下水中的鹽分會隨毛細水的上升不斷遷移到作物根系和地表；地下水礦化度越高，伴隨蒸散失的水分越多，地表積鹽越嚴重。黃驊市大部分農用地無法得到足額灌溉，灌溉能力包括“基本滿足”“一般滿足”“無灌溉條件”三類，灌溉保證率處于中度不適宜級別的占比為69.54%，處于臨界適宜級別的占比為28.95%。由圖2（d）可知，黃驊市排水設施較為完善，全域排水條件均在適宜范圍之內。

3.2 限制因素組合類型結果

將上述評價結果中存在不適宜問題的指標分級圖進行疊加，得到評價單元內限制因素的真實情況。研究區每個評價單元均受多種因素共同限制，評價單元限制因素數量統計情況如表3所示。

其中限制因素數量為4個的面積最大，為65 299.32 hm2，占農用地總面積的45.31%；限制因素數量為2個的面積最少，為3 741.30 hm2，占農用地總面積的2.60%。

按照限制因素組合類型設計方法將評價單元內限制因素組合類型進行歸并，并將結果劃分為輕度限制組合類型與重度限制組合類型，如表4、表5所示。屬于輕度組合限制類型的農用地面積為11 672.82 hm2，僅占8.10%，其中受“灌溉保證率+有機質含量+地下水礦化度”共同限制的面積最大，占全域農用地的4.13%；“灌溉保證率+土壤含鹽量+有機質含量+地下水礦化度”所占面積最小，占農用地總面積的0.78%。

評價單元內存在一種或多種重度限制的農用地面積為132 433.56 hm2，具體劃分為8種組合。其中“化肥施用量”主導限制因素組合面積最大，占農用地總面積的60.36%；面積最小的是“土壤含鹽量+地下水礦化度”主導限制因素組合，占農用地總面積的0.3%。通過統計各鄉鎮限制因素組合類型，發現黃驊鎮限制類型最為復雜，共包含8種主導限制因素組合和4種輕度限制因素組合，其中分布最廣的組合是“化肥施用量”，占全鎮農用地面積的39.36%；羊三莊回族鄉受4種組合限制，是限制因素組合最少的鄉鎮。

3.3 整治分區

為提高整治的效率與精度，研究按照限制類型改良技術措施一致性原則，將研究區重度限制因素組合圖進行疊加，劃定整治分區并有針對性的安排整治和管理措施。需要說明的是，由于輕度限制類型所占面積較小，因此在劃定整治分區時未考慮。

1） ?土壤培肥區。以“有機質含量”“有機質含量+化肥施用量”為主導限制的農用地均可通過改善施肥結構得以提升，因此將研究區受二者限制的農用地進行疊加作為土壤培肥區（圖3）。該區面積為11 249.78 hm2，集中位于黃驊鎮、常郭鎮及舊城鎮。建議在此區域開展以提升土壤肥力為主要目標的整治活動，采取“秋季深松+秸稈還田+有機培肥+測土施肥”的培肥措施，合理布設樣點，以“年”為取樣檢測周期，根據土壤樣品檢測結果動態調整施肥結構。

2） ?鹽漬化土改良區。通過上文分析可知地下水礦化度與土壤含鹽量為正相關關系，因此將主導限制因素組合為“土壤含鹽量+地下水礦化度”“土壤含鹽量+化肥施用量”“土壤含鹽量+化肥施用量+地下水礦化”的區域進行空間疊加劃分為鹽漬土改良區（圖4）。該區面積為34 206.84 hm2，主要集中在南大港管理區、中捷友誼農場及羊二莊回族鎮。土壤含鹽量高是黃驊市普遍狀況，加之淡水資源不足、水分蒸發量與大氣降水量相差懸殊，各種因素相互作用影響，致使整治和利用難上加難。在鹽漬土改良區內應充分考慮各限制因素間的交互作用，通過開展明溝排水、暗管改堿等水利工程措施減輕土壤鹽漬化，增加土壤養分［35， 36］；同時可利用脫鹽技術實現海冰水淡化與開發，并種植耐鹽植物，切實提高農用地利用效率與作物產量。

化肥施用量超標屬于人為利用造成的干擾和影響，主要通過耕作過程產生，可通過調節人的行為得到改善。因此，在以上整治措施開展的同時，有必要開展宣傳、培訓，幫助農民樹立科學合理施肥觀念，同時加大農業技術推廣工作，引導農民采用測土配方施肥技術，增施有機肥，提高化肥、農藥的利用效率、降低面源污染危害。

4 結論

1） ?黃驊市農用地生態適宜性較差，超過80%的農用地面臨化肥施用量超標與有機質含量偏低問題，69.54%的農用地灌溉保證率不足，并且全域農用地地下水礦化度過高，東部34.03%的農用地地下水埋深淺，土壤含鹽量過高的農用地占比達25.34%，除此之外，其他指標呈適宜狀態。

2） ?研究區農用地主要限制因素為：化肥施用量、有機質含量、灌溉保證率、地下水礦化度、土壤含鹽量及地下水埋深；全域農用地均受到不同程度限制，限制因素組合類型包括輕度限制類型與重度限制類型兩大類，其中輕度限制類型包括4種組合，占農用地總面積的8.1%；重度限制類型包括8種“主導限制因素（重度）+次要限制因素（輕度）”組合，占農用地總面積的91.9%。

3） ?根據限制因素組合類型結果，以主導限制因素組合改良技術措施一致性為原則，將限制區劃分為“土壤培肥區”和“鹽漬化土改良區”，并考慮各限制因素間的交互作用提出差別化管理措施與提升策略。

本研究在生態適宜性評價結果的基礎上，一方面增加考慮多種因素共同限制的可能性，另一方面增加考慮限制因素間的交互作用，明確影響研究區農用地生態適宜程度的限制因素與組合類型，并按照主導限制因素組合改良技術措施一致性原則劃定整治分區，豐富農用地生態適宜性評價的研究思路，為生態系統狀況復雜的濱海平原區農用地利用與整治提升提供理論依據。生態適宜性評價及后續工作還需多方考慮外部影響因素，因此未來需要不斷完善生態適宜性評價指標體系；此外，受客觀條件限制，本文僅對研究區水土資源生態適宜性現狀進行評價，在探究水土資源系統內部演進機制、實現水土資源優化配置方面有待提升。

參 考 文 獻

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基金項目：河北省社會科學基金項目（HB22YJ012）

第一作者：王凡，女，1992年生，河北石家莊人，碩士研究生；研究方向為土地評價與可持續利用。E-mail： 601204765@qq.com

通訊作者：張貴軍，女，1974年生，河北遷安人，博士，教授；研究方向為土地生態安全與可持續利用。E-mail： 2569401081@qq.com