基于土壤质量与景观格局的塔城市耕地生态修复区划

雷海峰 汪溪远 高海峰

雷海峰，汪溪远，高海峰. 基于土壤质量与景观格局的塔城市耕地生态修复区划［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：148-155．

摘要：以新疆塔城市为研究对象，从土壤质量与景观格局角度构建评价指标体系进行耕地土壤质量与景观格局评价。结果表明，塔城市耕地土壤质量分为4个等级，Ⅰ级耕地面积占比9.95%，Ⅱ级耕地面积占比27.99%，Ⅲ級耕地面积占比37.04%，Ⅳ级耕地面积占比25.02%，Ⅰ级耕地可作为高标准耕地建设的选择对象，Ⅳ级耕地不适宜开发，需进行土壤修复；塔城市耕地景观格局分为4个等级，Ⅰ级耕地面积占比34.6%，Ⅱ级耕地面积占比40.1%，Ⅲ级耕地面积占比21.6%，Ⅳ级耕地面积占比3.7%；结合土壤质量与景观格局情况将塔城市耕地生态修复区域划分为6类，优质保护区（218 km²）、土壤质量改良区（279 km²）、土壤质量修复区（196 km²）、景观格局改良区（192 km²）、景观格局修复区（58 km²）、耕地退耕区（70 km²）。总体来看，塔城市耕地生态修复重点方向为土壤质量改良与修复。

关键词：土壤质量；景观格局；生态修复；区域划定；新疆塔城市

中图分类号：S282；X321         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）02-0148-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.024 开放科学（资源服务）标识码（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

国家从提高耕地质量、修复耕地生态系统功能的角度出发推进国土空间生态修复工程，该措施已成为中国实现国土空间格局调整，解决三生空間冲突问题的重要手段，因此开展区域国土空间生态修复区划研究具有重大意义。

开展山水林田湖草沙生命共同体综合整治与生态修复，就是优化土地利用结构、拓展高质量发展空间、促进民生改善和乡村振兴的关键之举。为实现三类空间和谐共生，耕地空间布局的合理性变得愈发重要。近年来学者对此展开研究，根据耕地质量进行空间布局^［1］，并将耕地质量与土壤退化风险^［2］、粮食安全^［3］、资源承载力^［4］等因素综合考虑，耕地生态修复区划作为空间布局调整中的一类，其主要通过生态修复指数与地理信息系统进行生态修复区划研究^［5-7］，从景观格局角度分析耕地空间格局已逐渐成为热点研究。

本研究以新疆塔城市为研究区，在耕地土壤质量评价的基础上结合耕地景观格局评价，对耕地土壤质量与景观格局分别进行等级划分，通过叠加分析实现塔城市耕地生态修复分区。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

塔城市隶属于新疆维吾尔自治区塔城地区，位于中国西北边陲，西部、北部与哈萨克斯坦接壤，地处塔额盆地北缘，地形为北部高山、中部丘陵和洪积扇平原、南部冲积扇平原，整体属于中温带干旱和半干旱气候。塔城市行政区域面积4 356.6 km²，根据2021年塔城市统计年鉴可知，耕地面积占行政区域面积的23.25%，耕层质地主要为沙壤和轻壤，耕地以水浇地为主，主要位于塔城市中部平原，87%的耕地种植玉米、小麦等粮食作物，13%种植打瓜等非粮食作物（图1）。

1.2 数据来源与处理

以塔城市2021年土地利用现状图为底图，选择系统布点法中的方格法在所有耕地区域布设150个采样点，最终获得126个土壤样品，交由新疆维吾尔自治区地质局矿产实验研究中心检测。土地利用类型数据来源于中国科学院数据中心（https：//www.resdc.cn/）；农作物种植面积数据来源于2021年塔城市统计年鉴。

指标测定方法参考NY/T 1121—2006《中华人民共和国农业行业标准》与GB 15618—2018《农用地土壤污染风险管控标准》 。采用ArcGIS 10.5、Fragstats 4.2软件进行数据处理与空间表达。

2 生态修复区域划定方法

2.1 耕地土壤质量与景观格局评价

2.1.1 土壤质量评价体系构建 基于土壤养分与重金属污染选取耕地土壤质量评价指标，目标层为耕地土壤质量评价，准则层为土壤养分与重金属污染；指标层为13个评价指标，对重金属的8个指标进行总潜在危害指数计算形成一个指标，从而简化评价过程；评价指标权重采用特尔斐法赋值，耕地土壤质量评价指标如表1所示。

潜在生态危害指数法是根据重金属的性质及环境行为从沉积学角度提出，对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法^［8］。计算公式如下：

2.1.2 耕地景观格局评价体系构建 耕地景观指数能够高度浓缩景观格局信息，耕地景观格局评价指标选取斑块数量（NP）、景观形状指数（LSI）、景观聚集度指数（AI）、景观凝结度指数（COHESION）^{［10，11］}，评价指标权重采用特尔斐法赋值，表2为塔城市耕地景观格局评价指标体系，表3为景观指数的计算公式。斑块数量体现耕地破碎化程度，斑块数量多代表耕地景观越破碎化，稳定性越弱，不适合大规模开发建设和建设高标准农田；斑块数量少代表耕地景观越完整，单一斑块面积越大，稳定性越强，适合农业开发建设，集中连片修建高标准农田。景观形状指数通过计算斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来反映形状复杂程度，指数越高斑块形状复杂程度越高，受人为干扰程度越强。聚集度指数反映同类型斑块邻近程度，指数越高说明耕地聚集程度越高；景观凝结度指数反映景观空间连接度，指数越高说明耕地连通性越强。

2.1.3 评价指标隶属度函数构建 利用隶属度函数确定指标隶属度，再与指标权重系数相乘计算指标分值，因本次样品pH在7.0～9.0，故土壤质量评价体系中pH与总潜在危害指数指标采用戒下型隶属度函数；景观格局评价体系中斑块数量、景观形状指数采用戒下型隶属度函数。其他指标采用戒上型隶属度函数^［12］。

式中，U、L分别为评价指标的上限值和下限值，[x]为评价指标的测定值。土壤质量评价指标U、L参考TD/T 1014—2007《第二次全国土地调查技术规程》规定的养分分级标准与潜在生态风险指数标准^［13］，pH指标U、L分别为9.0、7.0，景观格局评价指标U、L参考实际计算所得的最高值与最低值。指标的分级标准如表4所示，潜在生态风险指数标准如表5所示。

2.1.4 综合分值计算 确定各指标的权重与隶属度值后，运用加权求和法计算评价单元的土壤质量与景观格局综合分值，计算公式如下：

H=Σ（A_iB_i） （8）

式中，H为综合分值；A_i为第i个评价指标的权重；B_i为第i个评价指标的隶属度。

2.2 空间插值

空间插值选取普通克里金法，该方法是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计^［14］。它能够有效描述区域变化的空间分布、变异和相关特征，空间异质性是由于随机性因素（耕作方式、灌溉、土壤改良等人为因素）及结构性因素（地形、降水、气候、母质类型等非人为因素）作用所导致^［15］。以标准均方根预测误差越接近于1、预测误差的均值越接近于0为原则^{［16，17］}，选出各指标的最佳半变异函数模型及相关参数，块金系数的大小可以有效解释土壤要素的空间相关程度，变程可以为今后研究采样间距提供理论参考^［18］。

3 结果与分析

3.1 耕地土壤质量

3.1.1 描述性统计分析 由表6可知，大部分土壤养分指标变异系数均在10.0%～100.0%，属于中等变异，速效磷、速效钾的变异系数分别为133.3%、104.3%，属于强变异。

由表7可知，研究区农用地土壤中8种重金属含量大小依次为锌>铬>铜>镍>铅>砷>镉>汞，表明每种重金属均有不同程度的积累；变异系数均在10%～100%，表现为中等变异。

3.1.2 空间插值分析 利用ArcGIS地理统计模块选择最优半变异函数模型，对土壤质量数据进行拟合。由表8可知，有机质块金系数低于25.00%，说明其具有强烈的空间相关性，变异主要是由结构性因素引起；其他指标块金系数在25.00%～75.00%，属于中等程度的空间相关性，变异主要是由随机性因素和结构性因素联合作用所引起。由变程可知，土壤pH具有较大的空间自相关范围，为3.40 km，碱解氮空间自相关范围较小，为0.02 km。

由表9可知，砷、铜、汞、镉指标块金系数均低于25.00%，说明其具有强烈的空间相关性，变异主要是由结构性因素引起；其他指标块金系数在25%～75%，属于中等程度的空间相关性，变异主要是由随机性因素和结构性因素联合作用所引起。由变程可知，镉具有较大的空间自相关范围，为1.35 km；铬、镍空间相关范围较小，均为0.04 km。

由图2a可知，高养分区域主要位于也门勒乡附近；中高养分区域位于博孜达克农场、恰合吉牧场南部；中低养分区域位于地区种牛场、恰夏镇周边；低养分区域位于喀拉哈巴克乡。

运用潜在生态危害指数法计算重金属潜在危害系数，单一元素的潜在危害系数均低于40，总潜在危害指数最大值为29.79，最小值为6.87，平均值为12.94，依据潜在生态风险指数标准可知，研究区内重金属生态危害属于轻微，无明显的潜在生态风险。因此运用普通克里金法对砷元素进行空间插值，得到其空间分布。由图2b可知，砷元素超出风险筛选值，主要分布于博孜达克农场与恰合吉牧场南部。

3.1.3 耕地土壤质量等级划分 根据《第二次全国土地调查技术规程》规定的养分分级标准与潜在生态风险指数标准可知，塔城市耕地有机质、速效磷处于Ⅲ级水平、碱解氮、速效钾处于Ⅰ级水平；土壤重金属污染属于轻微危害。塔城市耕地土壤质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个等级，如表10所示。塔城市耕地土壤质量大部分处于Ⅱ、Ⅲ级（表11），Ⅰ级区域耕地土壤质量在有机质、速效磷、碱解氮、速效钾和重金属污染方面较优，主要位于也门勒乡和博孜达克农场南部；相较于Ⅰ级区域，Ⅱ级区域土壤质量在有机质、速效磷、碱解氮、速效钾和重金属污染方面有所下降，但整体情况良好，适宜种植，主要位于塔城市区周边、博孜达克农场和阿不都拉乡；Ⅲ级耕地面积占比最大，该区域耕地土壤质量一般，主要位于农九师与地区种牛场；Ⅳ级区域耕地土壤质量较差（图3），不建议开展耕地建设，需进行土壤修复等措施，主要位于一六四团与恰夏镇附近。

3.2 耕地景观格局结果

3.2.1 景观格局指数统计分析 通过Fragstats 4.2软件计算不同区域的耕地斑块数量、景观形状指数、景观聚集度指数、景观凝结度指数，结果如表12所示。窝依加依劳牧场斑块数量与景观形状指数最大，说明该地区破碎化程度高且受自然因素与人为因素影响相对严重。塔城市各地区景观聚集度指数与景观凝结度指数较高，说明塔城市耕地整体具有高聚集、高连通的特点。

3.2.2 耕地景观格局等级划分 塔城市耕地景观格局分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个等级，结果如表13所示。塔城市耕地景观格局大部分处于Ⅰ、Ⅱ级（表14），由空间分布（图4）可知，Ⅰ级区域包括阿不都拉乡、博孜达克农场、喀拉哈巴克乡、恰合吉牧场，该区域耕地破碎化程度低，耕地聚集程度与连通性高；Ⅱ级区域包括阿西尔达斡尔民族乡、地区种牛场、恰夏镇、兵团农九师一六四团，该区域相较于Ⅰ级区域整体条件较差，但仍适合作为种植区；Ⅲ级区域包括也门勒乡、兵团农九师一六三团，该区域人为干扰程度高，城市化建设导致耕地破碎化程度高；Ⅳ级区域包括窝依加依劳牧場，该区域受山区地形条件与天气因素影响，耕地景观格局等级低。

3.3 耕地修复区域划分

利用ArcGIS叠加分析功能，将土壤质量等级图与景观格局等级图叠加，了解每块耕地的土壤质量与景观格局，并根据其特点将耕地划分为优质保护区、土壤质量改良区、土壤质量修复区，景观格局改良区、景观格局修复区、耕地退耕区（表15，图5）。

优质保护区面积218 km²，主要分布于博孜达克农场、喀拉哈巴克乡和阿不都拉乡，作为塔城市耕地最优区域，其耕地质量与景观格局均属于Ⅰ级水平，该区域内的耕地在维持供养能力、提高农民收益、调节区域生态环境等方面都发挥着重要作用，是积极落实“藏粮于地、藏粮于技”战略的关键区域，应该考虑将其作为耕地重点建设区域。

土壤质量改良区与土壤质量修复区面积共计475 km²，主要分布于地区种牛场、恰合吉牧场、恰夏镇和农九师一六四团附近，该区域的景观格局水平优于耕地质量水平，该区域在保护耕地高完整性的前提下，应该努力提高土壤质量。

景观格局改良区与景观格局修复区面积共计250 km²，主要分布于塔城市市区、也门勒乡和农九师一六三团附近，该区域的耕地质量水平优于景观格局水平，该区域在保护耕地高质量的前提下，应考虑将破碎化程度高的耕地区域调出永久基本农田，另外选择合适区域弥补，使耕地完整性更高。

耕地退耕区面积70 km²，主要分布于塔城市西部和北部，该区域耕地质量与景观格局均属于Ⅳ级水平，该区域的耕地经济效益偏低，对生态环境造成不良影响，应该考虑开展退耕还林还草或土壤修复等措施。

4 小结与讨论

4.1 小结

1）塔城市耕地土壤质量综合分值为38.78～90.98，依据分值将耕地土壤质量分为4个等级，Ⅰ级耕地面积占比9.95%，Ⅱ级耕地面积占比27.99%，Ⅲ级耕地面积占比37.04%，Ⅳ级耕地面积占比25.02%。Ⅰ级区域可作为高标准耕地建设的选择对象；Ⅳ级不适宜耕地开发，需进行土壤修复。

2）塔城市耕地景观格局综合分值为72.92～84.12，依据分值将耕地景观格局分为4个等级，Ⅰ级耕地面积占比34.6%，Ⅱ级耕地面积占比40.1%，Ⅲ级耕地面积占比21.6%，Ⅳ级耕地面积占比3.7%。Ⅰ级区域可提高耕地土壤质量，建设高标准农田实现高产高效；Ⅱ级区域为保障基本耕地面积提供空间；Ⅲ级区域包含重点建设区，考虑建设用地的发展，实现城镇空间与农业空间平衡；Ⅳ级区域包含水土保持区与防风固沙区，可开展退耕还林，退耕还草等措施来实现与生态环境的和谐共生。

3）结合土壤质量与景观格局情况将耕地生态修复区域划分为六类，优质保护区（218 km²）、土壤质量改良区（279 km²）、土壤质量修复区（196 km²）、景观格局改良区（192 km²）、景观格局修复区（58 km²）、耕地退耕区（70 km²）。总体来看，塔城市耕地生态修复重点方向为土壤质量改良与修复。

4.2 讨论

1）土壤质量的影响因素。

由2021年塔城市统计年鉴可知，生产总值中工业占比不足30%，故土壤无明显重金属污染风险，重金属含量偏高区域主要位于塔城市市区和机场附近，其原因是由于人为活动与飞机起降所导致。土壤质量主要影响因素为人为与自然因素。

气候与地理因素对土壤pH产生影响，研究区属于中温带大陆性干旱气候，具有干旱少雨、蒸发强的特点，蒸发导致积聚土壤表层的盐分数量多于降水向下淋洗数量，长期累积与浓縮形成了盐化、碱化的土壤。地势高低起伏，水中盐分便在低洼处蒸发积累，导致低地势土壤易于盐化；地势高处，水盐运动为上升-下渗交替垂直运动，土壤易于碱化^［20］。

人为因素对土壤氮、磷、钾、有机质产生影响，耕作方式与化肥施用造成土壤中氮、磷、钾含量增加。氮肥的施用虽然可以提高土壤有机质含量，但长期施用氮肥会导致土壤pH下降^{［21，22］}。土壤酸化会抑制土壤微生物活性从而降低有机质的分解^［23］。

塔城市北高南低，由东北向西南倾斜的地形特点对土壤pH的空间分布产生影响；近年来农药与农膜使用量明显下降，但化肥投入量仍然较高，化肥的过量施用不仅直接影响土壤肥力的空间分布，还间接影响土壤pH的空间分布。

2）耕地景观格局的影响因素。

耕地景观格局受自然因素与社会经济因素影响，地形的起伏变化与城市建设的高速发展对农业发展空间产生严重威胁，高强度人为干扰导致耕地破碎化程度增加^［24-26］。塔城市地形条件迫使农业种植与城镇发展产生空间冲突，随着社会经济发展，城市用地只能东西扩张侵占周围农用地空间，导致耕地破碎化程度变高，聚合程度与连通度降低。

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收稿日期：2023-02-22

基金项目：国家自然科学基金项目（42067026）

作者简介：雷海峰（1998-），男，新疆乌鲁木齐人，硕士，主要从事荒漠矿区土壤重金属修复治理研究，（电话）13579841601（电子信箱）

1554660433@qq.com；通信作者，汪溪远（1977-），男，新疆乌鲁木齐人，副教授，博士，主要从事干旱区土壤污染修复研究，

（电子信箱）wangxy@xju.edu.cn。