基于多源数据整合的耕地生态安全评价研究

宋富强， 毋黎明， 杨建波， 武洪涛

（1.河南省科学院地理研究所，郑州 450052； 2.河南牧业经济学院，郑州 450044）

耕地资源是土地资源的精华，是关系国计民生的重要资源. 维护一定数量和质量的耕地，对保障国家粮食安全、社会稳定以及社会持续协调发展具有重要的保障作用［1］. 随着我国工业化、城镇化的快速发展，农业资源连续多年的高强度利用，导致耕地资源的压力愈加严峻，耕地质量退化问题突出［2］，耕地生态安全是耕地质量管理的核心内容之一，也是实现耕地质量保护的前提，开展耕地生态安全评价对于提高耕地产能、保障粮食安全，具有十分重要的意义［3-4］.

国外耕地生态安全的研究倾向耕地生态安全与土地可持续利用相结合，在微观层面开展专项研究［5-6］，更多地关注于土地健康、农业环境质量及其监测方面［7］. 国内耕地生态安全评价主要参考了生态安全的评价方法，并结合耕地特征与区域生态环境对方法进行改进. 较为成熟有综合指数评价法［8］、人工神经网络［9］、PSR模型［10-12］、GIS［13］、物元模型法［14］等，采用的指标多为研究区的社会、经济、环境状况等，主要包括人均耕地面积、人口密度、城镇化水平、人口自然增长率、化肥使用量、农药使用量、农业用地灌溉面积等，侧重土地利用的经济和社会效应方面，而对耕地资源自然状况和生态环境关注较少［15］. 随着自然资源部（原国土资源部）《中国耕地质量等级调查与评定》工作的完成，第一次全面摸清了我国耕地等别与分布状况，实现了全国耕地等别的统一可比［16］. 由于耕地质量等级评价是根据《农用地质量分等规程》国家标准进行评定，重点关注的是耕地质量和农作物产能［17］，评价体系未考虑耕地重金属污染状况，然而土壤重金属污染直接影响耕地生态安全，同样也影响着种植农作物产品的品质，因此把土壤重金属污染因素纳入耕地生态安全评价体系当中十分必要.

本研究在传统社会经济数据的基础上，一方面利用耕地质量数据来反映耕地的自然状况，另一方面，通过外业调查开展耕地环境质量评价，反映耕地的生态环境情况. 利用“压力-状态-响应（PSR）”模型，构建包括社会经济状况、耕地质量以及土壤环境质量的耕地生态安全评价指标体系，采用层次分析法确定指标权重，开展耕地生态安全评价.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区域设定在河南省荥阳市，荥阳市地处黄河中、下游分界处，位于豫西丘陵向豫东平原的过渡地带，地理坐标为东经113°20′40″～113°24′10″，北纬34°45′08″～34°48′22″之间，总面积943 km2，总人口69万人，2018年荥阳市粮食播种面积566.7 km2，其中小麦播种面积306.7 km2、夏玉米播种面积240 km2；全年粮食总产量31.8万t，其中小麦总产16.7万t，玉米总产13.3万t.

1.2 数据来源

1.2.1 统计数据 本研究使用统计数据来自2018年的《荥阳统计年鉴》和《郑州统计年鉴》. 人口密度、农业产值等部分指标数据可直接从统计年鉴中获取，其余单位面积指标根据已获取统计数据计算得出.

1.2.2 耕地质量分等数据 依据《农用地质量分等规程》（GB/T 28407—2012）［18］，荥阳市标准耕作制度为冬小麦—夏玉米，一年两熟，基准作物为冬小麦，指定作物为夏玉米，一级指标区荥阳市属黄土高原区，二级指标区属豫西山地丘陵区. 根据荥阳市耕地质量分等成果，荥阳市耕地利用等别为6～11等，平均等别为6.8等，耕地质量较优.

1.2.3 土壤环境质量数据 根据荥阳市耕地质量等别、地形地貌、土壤类型、耕地类别、作物种类及管理水平等特点，以全面控制、均匀分布、反映实地变化为原则，布设了70个采样单元. 采样时间集中在2018年10月，正值夏玉米收获后小麦播种前，于表层0～20 cm的深度取土. 在土壤环境质量风险较高的区域，增加取样密度.调查采样同时记录地块所在区域的耕作制度和产能信息. 取各单元的混合土样，用四分法取1.5 kg样品进行检测并做三组平行实验，剔除异常值. 检测项目包括土壤pH、Cd、Hg、As、Cr、Pb、Cu含量共7个，测试方法按照国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）［19］指定的常规方法进行.

荥阳市耕地土壤重金属元素（Cd、Hg、As、Cr、Pb、Cu）含量统计结果见表1. 可以看出，土壤重金属元素最大值均未超过农用地土壤污染风险筛选值，仅有Cd和Pb最大值接近农用地土壤污染风险筛选值.6种重金属元素含量标准差较小，说明不同样点之间变化范围较小，荥阳市耕地表层土壤样品重金属含量低且分布相对均匀.

表1 荥阳市耕地表层土壤重金属含量Tab.1 Heavy metal content in surface soil of cultivated land in Xingyang City

根据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）［20］，采用单项污染指数和内梅罗指数法开展土壤环境质量评价. 土壤单项污染指数法主要评价土壤中某一种污染物的污染程度. 内梅罗指数法是一种兼顾极值和均值的加权型多因子环境质量指数，反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响.

单项污染指数计算公式如下：

式中：Pi为第m监测点土壤中重金属污染物i的单向污染指数；Ci为第m监测点土壤重金属污染i的实测浓度，单位为mg/kg；Cs为重金属污染物i的土壤污染风险筛选值，单位为mg/kg.

内梅罗综合污染指数

式中：Pn为土壤综合污染指数；Pi均为各污染物污染指数的算术平均值；Pi最大为各污染物中最大的单项污染指数. 根据各采样点内梅罗综合污染指数计算结果，利用Arcgis 地统计分析模块制作插值图，以行政村为单元统计得出综合污染指数.

2 研究方法

PSR 模型由联合国经济合作与发展组织于1990年共同提出，目前已广泛应用在环境与生态安全评价指标体系的确定，诊断生态系统的可持续性等方面的研究［21］. 本研究依据PSR模型，从压力、状态、响应三个方面共选取19个指标组成耕地生态安全评价指标体系. 压力层主要是考虑到人类活动对生态环境所造成的影响，主要选取人口承载压力、农业生产对耕地环境压力、污染物对耕地环境压力以及水土流失对耕地压力. 而在状态层主要选择了耕地质量、耕地产出和耕地产出保障三个方面的因子. 响应层主要是农业生产中为了保障耕地产出而进行的必要投入和社会经济响应. 由于各评价指标数据数量级存在差别，并且指标间正负向性不同，首先对各指标数据进行归一化处理，然后利用AHP法确定各指标权重值，最终建立耕地生态安全评价指标体系（表2）.

表2 基于PSR模型的耕地生态安全评价体系Tab.2 Cultivated land ecological security evaluation system based on PSR model

3 结果与分析

图1 荥阳市耕地生态安全评价结果Fig.1 Evaluation results of cultivated land ecological security in Xingyang City

3.1 耕地生态安全评价结果分析

通过建立耕地生态安全评价指标体系，整合统计数据、耕地质量等别数据和土壤环境数据等3种数据，实现耕地生态安全的综合评价. 按照该指标体系计算后得出结果，荥阳市耕地生态安全总分值分布为0.40～0.78，平均分值为0.61，整体上处于较安全等级. 参考相关研究并结合荥阳市实际情况，将耕地生态安全分为5个等级：安全、较安全、临界安全、较不安全和安全预警5个等级，具体分布情况见图1.

从图1可以看出，2018年荥阳市耕地生态安全呈现“北高南低”明显的空间分布特征. 生态安全区主要分布在王村镇、广武镇和高村乡等，耕地面积占全市耕地面积的33.4%，该区域地势平坦，耕地条件最优，灌溉保证率、粮食单产等状态层指标最好，机械化、劳动力投入等响应层指标最优，人口密度、人均耕地面积等压力层指标也较优，因此耕地生态安全最优；生态较安全区主要分布在城关乡、乔楼镇、高村乡和豫龙镇，耕地面积占全市耕地面积的20.4%，该区域也是传统粮食作物种植区，耕地条件较好，由于毗邻城区，人口密度较高，人均耕地面积较低，生态较安全；生态临界安全区主要分布在氾水镇、高山镇、刘河镇北部和城区周边，耕地面积占全市耕地的23.4%，该区域耕地破碎度较高，人均耕地面积较少，粮食单产较低. 生态较不安全和生态安全预警区主要分布在荥阳市南部山区、城区周边和黄河滩地，耕地面积比例分别占全市耕地面积的20.1%和2.7%，南部山区以旱地为主，耕地破碎度较高且坡度较大，水土流失风险较高，耕地处于安全预警状态，黄河滩地和城区周边由于土壤重金属风险值较高，因此耕地处于较不安全和安全预警状态.

3.2 耕地质量与生态安全结果对比分析

通过以行政村为单元统计耕地生态安全评价分值、耕地质量等别中的国家利用等指数和土壤环境质量数据中的土壤综合污染指数，利用线性回归分析，获取耕地生态安全、耕地质量和土壤环境质量之间的相互关系. 从图2可以看出，耕地生态安全指数与国家利用等指数呈现显著相关性，说明耕地质量提升对耕地生态安全的提高具有积极作用，耕地生态安全评价结果能反映耕地质量的分布特征. 相反，耕地生态安全总分值与土壤综合污染指数呈显著负相关（图3），随着土壤综合污染程度的提升，耕地生态安全呈下降趋势.

图2 耕地生态安全总分值与国家利用等指数散点图Fig.2 Scatter plot of total score of cultivated land ecological security and national utilization

图3 耕地生态安全总分值与土壤综合污染指数散点图Fig.3 Scatter plot of total score value of cultivated land ecological security and soil comprehensive pollution index

4 结论与讨论

1）本项目研究区域设定在河南省荥阳市. 随着经济快速发展和城镇化进程的加速，耕地生态安全与城市化方面的矛盾日益突出. 研究在传统社会经济数据的基础上，一方面利用耕地质量数据来反映耕地的自然状况，另一方面，通过外业调查开展耕地环境质量评价，反映耕地的生态环境情况. 利用“压力-状态-响应（PSR）”模型，构建耕地生态安全评价指标体系，开展荥阳市耕地生态安全评价. 评价结果显示，荥阳市耕地生态安全共分为5个级别，其中生态安全区主要分布在王村镇、广武镇和高村乡等，耕地面积占全市耕地面积的33.4%；生态较安全区主要分布在城关乡、乔楼镇、高村乡和豫龙镇，耕地面积占全市耕地面积的20.4%；生态临界安全区主要分布在氾水镇、高山镇、刘河镇北部和城区周边，耕地面积占全市耕地的23.4%.生态较不安全和生态安全预警区主要分布在荥阳市南部山区、城区周边和黄河滩地，耕地面积比例分别占全市耕地面积的20.1%和2.7%.

2）通过建立耕地生态安全评价指标体系，整合统计数据、耕地质量等别数据和土壤环境数据等3 类数据，实现耕地生态安全的综合评价. 分析结果显示，耕地生态安全分值与国家利用等指数呈显著相关，与土壤综合污染指数呈显著负相关，说明基于PSR模型构建耕地生态安全评价指标体系，耕地生态安全评价总分值能较好地反映耕地质量和土壤环境质量的真实分布特征，可以实现统计数据、耕地质量数据和土壤环境数据等多源数据的整合.