基于生态适宜性评价的农用地限制因素及整治分区研究

王凡 徐磊 张贵军 张蓬涛 耿其明

摘要：開展农用地生态适宜性评价可厘清农用地生产和生态功能限制因素，有利于有针对性地分区开展整治并分类施策，进而提高区域农用地的可持续利用水平。以环渤海区域的黄骅市为例，构建“土壤资源—水资源”复合农田生态适宜性评价指标体系，运用单指标评价与分层次评价相结合的方法，识别农用地生态适宜性的限制因素及程度；综合评价结果，并按照改良技术措施一致性原则，划分农用地整治分区，对应提出改良措施。结果表明：研究区农用地化肥施用量、有机质含量、土壤含盐量生态适宜性较差，不适宜级分别达到87.47%、99.62%和25.34%；全域农用地地下水矿化度过高，东部地下水埋深浅，69.54%农用地灌溉保证率不足；此外，其他指标呈适宜状态；研究区农用地主要限制因素为：化肥施用量、有机质含量、土壤含盐量、地下水矿化度、地下水埋深及灌溉保证率；限制因素组合类型分为两类：“主导限制因素（重度）+次要限制因素（轻度）”的复合类型、仅有轻度限制因素的单一类型，二者占比分别为91.9%、8.1%；划分“土壤培肥区”“盐渍化土改良区”两类整治区，并有针对性地提出整治提升措施。为生态系统状况复杂的滨海区农用地改良和整治利用提供实践参考。

关键词：黄骅市；农用地；生态适宜性；限制因素；整治分区

中图分类号： F323.1  文献标识码：A  文章编号：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

农用地作为土地资源中关系国计民生的重要组成部分，不仅为人类生存提供必需的食物和纤维，同时还具有调节气候、涵养水源等生态功能，是与自然联系最为密切的土地利用类型［1， 2］。目前，我国正处于农业转型的关键时期，一方面，农业生产需要由粗放、分散经营向规模化、集约化经营转变，不断提高农业科学化和现代化的水平；另一方面，水资源短缺、面源污染加剧、农田生态系统退化等各类问题逐渐凸显，制约着健康农业的发展［3， 4］。2015年《关于加快推进生态文明建设的意见》明确指出，要强化农田系统生态保护；2018年“生态文明”被写入宪法；2022年党的二十大强调，要全面提升生态系统稳定性、持续性，促进人与自然和谐共生。在此背景下，实时监测农用地生态环境状况及影响其可持续利用的限制因素，對于分区分类实施整治活动、优化农业生产基础条件和从根源上改善农业生态系统具有重要意义。

目前，国外关于农用地生态适宜性的研究主要集中在微观层面，侧重于自然因素对特定作物生长环境的影响［5， 6］，评价指标的选取与作物生长密切相关，如温度、降水、气候、土壤养分等；国内通常从气候、地形和土壤等方面分析影响农用地生态适宜性的因素［7， 8］，如王珊等［9］从伏旱频率、坡度、土壤质地等方面评价玉米种植区生态适宜性等级；李茂森等［10］则将地貌类型、土壤性质、土地利用现状作为安塞县农用地生态适宜性的影响因素。限制因素的研究大多以提升耕地质量为目标［1113］，其确定方法一般分为两类：一类是直接沿用农用地分等指标体系或选取部分指标作为限制因素［11， 14， 15］，这类方法可与分等结果实现有效衔接，但是忽略了其他可整治因素的影响；另一类是运用模型法确定限制因素，如障碍度模型［12， 16］、限制性指数模型［11］、自然等-提等潜力指数模型［17， 18］等。农用地整治类型的划分大多以限制因素作为分区依据，按照其提升潜力大小进行综合排序［11， 12］，但是多数研究分区划定时主要考虑土壤的肥力条件以及灌排设施的完善程度［19］，出现整治后农田产出提升，却无法兼顾生态系统稳定性的现象。综上所述，目前关于农用地生态适宜性及限制因素评定的研究已取得丰硕成果，但探讨农田生态系统限制因素的研究较少，且较少关注各因素交互叠加影响及影响过程的复杂性。

鉴于此，本文以滨海平原区的黄骅市为例，充分考虑水土资源之间的联动效应，从农用地土壤资源适宜性、水资源适宜性2个维度，构建“土壤资源—水资源”复合农田生态适宜性评价指标体系，并借助ArcGIS10.7空间分析功能，直观显化所有相关限制因素在地域空间上的交互作用和影响，进而开展空间限制因素组合类型研究。在此基础上划分整治分区并有针对性的安排整治措施，为研究区农用地实现生产高能、生态高效提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

黄骅市位于河北省东南部，渤海湾西岸，全市面积23.914×104 hm2，农用地占65.21%。地貌类型为退海淤积和冲积平原，地势低洼平坦，自西南向东北微倾，西部最高海拔15.7m，东部最高海拔3 m。气候类型属于暖温带半湿润季风气候，并伴有一定的海洋性气候特点。年平均温度12 ℃左右，雨量少且年内分布不均，全市多年平均降雨量约为656.5 mm，多集中在7、8月份，多年平均蒸发量约为1 980 mm，土壤干湿差异较大；年均径流量为1.28×109 m3，淡水资源短缺，且春旱、夏涝、秋吊等自然灾害频发，给研究区的农业发展带来极为不利的影响。因此，全面掌握区域土地生态环境状况，精准判别限制因素并进行针对性整治提升是目前亟待解决的问题。

1.2 数据来源

本文所用数据包括：（1）通过中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）下载的30 m分辨率的2020年土地利用现状数据；（2）通过实地调研获得的农药、化肥施用量数据；（3）2021年黄骅市农用地定级数据；（4）结合2015年河北省农业地质调查成果，于2020—2021年补充采样实测数据，共306个。研究运用ArcGIS10.7软件地统计模块的反距离权重插值（IDW）对所有样点数据进行空间分布图绘制。

2 研究方法

2.1 研究思路

本文在对研究区土地生态环境充分认识的基础上，首先从土地生态适宜性内涵出发，构建“土壤资源—水资源”复合农田生态适宜性评价指标体系；其次，依据相关国家标准、行业规范及已有研究成果，设定科学合理的评价标准，运用单指标评价与分层次评价相结合的方法逐一实施评价；第三步根据评价结果筛选不适宜指标作为限制因素并锁定其空间位置，通过空间叠加法精确识别评价单元内限制因素及组合类型；最后，按照限制因素整治措施一致性原则，划定整治分区并制订提升措施。

2.2 评价单元确定

以黄骅市2020年土地利用现状调查数据库为底图，以30 m×30 m栅格为评价单元，扣除水域、建设用地和未利用地，最终确定1 601 182个评价单元，总面积为144 106.38 hm2。

2.3 评价指标选取与体系构建

生态适宜性评价是对土地的生态状况和利用条件给予全面评估，相关指标的选取及适宜程度的确定，皆以能够满足农业生产、生态要求为根本前提［20］。本文结合黄骅市淡水资源极度短缺、土壤环境状况复杂的现实情况，并参考相关研究［13， 2123］，从土壤资源适宜性和水资源适宜性2个维度构建黄骅市农用地生态系统评价指标体系（表1）。其中，土壤资源适宜性反映农用地的本底条件和生态可持续性问题［24］；水资源适宜性反映区域水资源生态环境状况和农田水利设施配套情况。

2.4 指标评价方法与分级标准

为精准识别和定位研究区农用地限制因素，本研究采用单指标评价法对所有因素逐一实施评价，在构建每个参评指标的评价标准后，进行生态适宜性分级。目前，生态适宜性等级划分尚无统一标准，本文参考已有研究［25， 26］，将生态适宜性评价结果划分为5个级别：高度适宜、中度适宜、临界适宜、中度不适宜、高度不适宜。

各指标最适阈值的确定以相关国家标准、行业规范及已有研究成果为依据。研究区农用地生态适宜性评价指标分级标准如表2所示。其中，重金属污染以As、Hg、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr这8种元素计算得到的内梅罗综合指数Fj为准，计算模型［27］如式（1）、式（2）所示。

Fi=CiSi（1）

Fj=（Fiave2+Fimax2）/2（2）

式中：Fi——单因子污染指数；Ci——第i种重金属实测值；Si——重金属评价标准；Fj——内梅罗综合污染指数；Fiave——单因子污染指数平均值；Fimax——单因子污染指数最大值。

此外，我国未有针对化肥施用量的分级标准，因此本文采用国际化肥施用量警戒线225 kg/hm2作为临界适宜标准［28］；相较于化肥，农药种类繁多、成分复杂，国内外均缺乏对农药污染的级别划分标准［28］，本文以河北省农业农村厅颁布的“农药使用量零增长行动”为依据，将年增长率-1%作为临界适宜标准［29］；土壤pH的级别划分根据全国第二次土壤普查养分分级标准和黄骅市实际情况确定。

2.5 限制因素组合类型设计

作物的生长取决于水土环境对其满足程度，满足程度越小则说明该因素对作物生长限制作用越大，越会降低农用地生产能力。满足程度最小的，即生态适宜性等级最低的则为重度限制因素，次之为轻度限制因素［12， 31］。

研究运用空间叠加法，将各指标评价结果中不适宜区域进行叠加，根据叠加结果中各限制因素在空间上的组合情况得到黄骅市农用地生态适宜性的限制因素组合类型。需要说明的是，同一评价单元内可能同时存在轻度与重度限制因素，因此将相同评价单元内组合类型按照限制程度进行归并，将重度限制因素作为主导因素，轻度限制因素作为次要因素，按照“主导限制因素（重度）+次要限制因素（轻度）”类型进行划分和统计汇总。

3 结果与分析

3.1 生态适宜性评价结果

按照上述确定的评价方法和评价标准逐一开展指标评价，结果如图1、图2所示：黄骅市农用地的重金属内梅罗污染指数介于0.98～2.22之间、各乡镇农药增长率介于-33.4%～-0.51%之间、土壤pH介于7.5～8.49之间，土壤容重介于0.6～1.78 g/cm3之间，以上指标均处于适宜范围之内，表明目前未对研究区农用地产生限制作用。

2020年黄骅市农用地化肥施用量为342.83 kg/hm2，是国际警戒线的1.52倍，其评价结果如图1（c）所示，处于高度不适宜级别的农用地占比达87.47%，处于临界适宜级别的农用地占11.60%，仅0.93%的农用地处于中度适宜级别，零星分布在中捷友谊农场、齐家务乡和腾庄子乡。全县农用地土壤有机质平均含量为13.32 g/kg，如图1（d）所示，高度不适宜级别占8.30%，主要集中在黄骅镇及其周边乡镇，中度不适宜级别占91.32%。研究区农用地土壤含盐量介于0.22～29.73 g/kg之间，如图1（e）所示，高度不适宜级别占3.5%，中度不适宜级别占21.84%，整体呈现出由西南向东北部逐渐递减的规律，这与黄骅市紧邻渤海，地势低洼排水不畅，地表蒸发量大有密切关系［32］。由评价结果可知，化肥施用量超标、土壤有机质含量偏低、土壤含盐量过高是限制研究区土壤资源适宜性的主要因素。

黄骅市农用地地下水埋深处于1.23～3.78 m之间，属于中度不适宜级别的占比达到34.03%，空间上呈现出由沿海向内陆递减的趋势。地下水矿化度介于1.62～7.4 g/L之间，高度不适宜级别占23.12%，中度不适宜级别占76.87%。由图2（a）和图2（b）可知，地下水埋深和地下水矿化度的不适宜级在空间分布上较为吻合，通过已有研究［33， 34］可知，二者是导致土壤含盐量高的重要原因。当地下水位较浅时，地下水中的盐分会随毛细水的上升不断迁移到作物根系和地表；地下水矿化度越高，伴随蒸散失的水分越多，地表积盐越严重。黄骅市大部分农用地无法得到足额灌溉，灌溉能力包括“基本满足”“一般满足”“无灌溉条件”三类，灌溉保证率处于中度不适宜级别的占比为69.54%，处于临界适宜级别的占比为28.95%。由图2（d）可知，黄骅市排水设施较为完善，全域排水条件均在适宜范围之内。

3.2 限制因素组合类型结果

将上述评价结果中存在不适宜问题的指标分级图进行叠加，得到评价单元内限制因素的真实情况。研究区每个评价单元均受多种因素共同限制，评价单元限制因素数量统计情况如表3所示。

其中限制因素数量为4个的面积最大，为65 299.32 hm2，占农用地总面积的45.31%；限制因素数量为2个的面积最少，为3 741.30 hm2，占農用地总面积的2.60%。

按照限制因素组合类型设计方法将评价单元内限制因素组合类型进行归并，并将结果划分为轻度限制组合类型与重度限制组合类型，如表4、表5所示。属于轻度组合限制类型的农用地面积为11 672.82 hm2，仅占8.10%，其中受“灌溉保证率+有机质含量+地下水矿化度”共同限制的面积最大，占全域农用地的4.13%；“灌溉保证率+土壤含盐量+有机质含量+地下水矿化度”所占面积最小，占农用地总面积的0.78%。

评价单元内存在一种或多种重度限制的农用地面积为132 433.56 hm2，具体划分为8种组合。其中“化肥施用量”主导限制因素组合面积最大，占农用地总面积的60.36%；面积最小的是“土壤含盐量+地下水矿化度”主导限制因素组合，占农用地总面积的0.3%。通过统计各乡镇限制因素组合类型，发现黄骅镇限制类型最为复杂，共包含8种主导限制因素组合和4种轻度限制因素组合，其中分布最广的组合是“化肥施用量”，占全镇农用地面积的39.36%；羊三庄回族乡受4种组合限制，是限制因素组合最少的乡镇。

3.3 整治分区

为提高整治的效率与精度，研究按照限制类型改良技术措施一致性原则，将研究区重度限制因素组合图进行叠加，划定整治分区并有针对性的安排整治和管理措施。需要说明的是，由于轻度限制类型所占面积较小，因此在划定整治分区时未考虑。

1）  土壤培肥区。以“有机质含量”“有机质含量+化肥施用量”为主导限制的农用地均可通过改善施肥结构得以提升，因此将研究区受二者限制的农用地进行叠加作为土壤培肥区（图3）。该区面积为11 249.78 hm2，集中位于黄骅镇、常郭镇及旧城镇。建议在此区域开展以提升土壤肥力为主要目标的整治活动，采取“秋季深松+秸秆还田+有机培肥+测土施肥”的培肥措施，合理布设样点，以“年”为取样检测周期，根据土壤样品检测结果动态调整施肥结构。

2）  盐渍化土改良区。通过上文分析可知地下水矿化度与土壤含盐量为正相关关系，因此将主导限制因素组合为“土壤含盐量+地下水矿化度”“土壤含盐量+化肥施用量”“土壤含盐量+化肥施用量+地下水矿化”的区域进行空间叠加划分为盐渍土改良区（图4）。该区面积为34 206.84 hm2，主要集中在南大港管理区、中捷友谊农场及羊二庄回族镇。土壤含盐量高是黄骅市普遍状况，加之淡水资源不足、水分蒸发量与大气降水量相差悬殊，各种因素相互作用影响，致使整治和利用难上加难。在盐渍土改良区内应充分考虑各限制因素间的交互作用，通过开展明沟排水、暗管改碱等水利工程措施减轻土壤盐渍化，增加土壤养分［35， 36］；同时可利用脱盐技术实现海冰水淡化与开发，并种植耐盐植物，切实提高农用地利用效率与作物产量。

化肥施用量超标属于人为利用造成的干扰和影响，主要通过耕作过程产生，可通过调节人的行为得到改善。因此，在以上整治措施开展的同时，有必要开展宣传、培训，帮助农民树立科学合理施肥观念，同时加大农业技术推广工作，引导农民采用测土配方施肥技术，增施有机肥，提高化肥、农药的利用效率、降低面源污染危害。

4 结论

1）  黄骅市农用地生态适宜性较差，超过80%的农用地面临化肥施用量超标与有机质含量偏低问题，69.54%的农用地灌溉保证率不足，并且全域农用地地下水矿化度过高，东部34.03%的农用地地下水埋深浅，土壤含盐量过高的农用地占比达25.34%，除此之外，其他指标呈适宜状态。

2）  研究区农用地主要限制因素为：化肥施用量、有机质含量、灌溉保证率、地下水矿化度、土壤含盐量及地下水埋深；全域农用地均受到不同程度限制，限制因素组合类型包括轻度限制类型与重度限制类型两大类，其中轻度限制类型包括4种组合，占农用地总面积的8.1%；重度限制类型包括8种“主导限制因素（重度）+次要限制因素（轻度）”组合，占农用地总面积的91.9%。

3）  根據限制因素组合类型结果，以主导限制因素组合改良技术措施一致性为原则，将限制区划分为“土壤培肥区”和“盐渍化土改良区”，并考虑各限制因素间的交互作用提出差别化管理措施与提升策略。

本研究在生态适宜性评价结果的基础上，一方面增加考虑多种因素共同限制的可能性，另一方面增加考虑限制因素间的交互作用，明确影响研究区农用地生态适宜程度的限制因素与组合类型，并按照主导限制因素组合改良技术措施一致性原则划定整治分区，丰富农用地生态适宜性评价的研究思路，为生态系统状况复杂的滨海平原区农用地利用与整治提升提供理论依据。生态适宜性评价及后续工作还需多方考虑外部影响因素，因此未来需要不断完善生态适宜性评价指标体系；此外，受客观条件限制，本文仅对研究区水土资源生态适宜性现状进行评价，在探究水土资源系统内部演进机制、实现水土资源优化配置方面有待提升。

参 考 文 献

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基金项目：河北省社会科学基金项目（HB22YJ012）

第一作者：王凡，女，1992年生，河北石家庄人，硕士研究生；研究方向为土地评价与可持续利用。E-mail： 601204765@qq.com

通讯作者：张贵军，女，1974年生，河北迁安人，博士，教授；研究方向为土地生态安全与可持续利用。E-mail： 2569401081@qq.com