干旱區(qū)耕地安全壓力測(cè)試及時(shí)空演變特征研究
——以新疆為例

孫德華，劉維忠，盛 洋

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)a.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院b.干旱區(qū)農(nóng)村發(fā)展研究中心，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

耕地是特殊的自然資源，也是重要的基礎(chǔ)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，耕地安全關(guān)乎糧食安全。干旱區(qū)作為國(guó)家重要的糧棉林果生產(chǎn)基地和生態(tài)安全屏障，其耕地安全對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全至關(guān)重要。由于特殊的地理環(huán)境及格局，新疆農(nóng)業(yè)資源總量豐富但水資源短缺，干旱區(qū)耕地安全面臨較大壓力已成為常態(tài)?！段鞅焙祬^(qū)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》指出，“干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱且宜農(nóng)耕地資源有限，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展阻力較大”。因此，探究耕地安全壓力來(lái)源及時(shí)空演變特征對(duì)推進(jìn)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

目前大多研究者關(guān)注的是耕地安全壓力來(lái)源的某個(gè)方面，研究集中在耕地資源壓力和耕地生態(tài)安全兩個(gè)方面。耕地資源壓力研究包括壓力測(cè)度、時(shí)空差異，以及與其他因素的作用關(guān)系分析等［1－3］。耕地生態(tài)安全研究涉及安全評(píng)價(jià)、時(shí)空格局演變及與其他變量的關(guān)聯(lián)性和耦合發(fā)展分析等［4－6］，但綜合耕地資源壓力和耕地生態(tài)系統(tǒng)安全兩方面來(lái)進(jìn)行整體耕地安全壓力的研究有限，干旱區(qū)耕地安全壓力特征及其理論性分析相對(duì)不足。

干旱區(qū)農(nóng)業(yè)安全直接關(guān)系農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，而耕地安全是農(nóng)業(yè)安全的根本，進(jìn)行耕地安全壓力特征分析及測(cè)試是不斷提升干旱區(qū)耕地利用系統(tǒng)穩(wěn)定性和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。鑒于此，本文基于耕地壓力特征理論和現(xiàn)狀的分析，測(cè)度典型干旱區(qū)新疆2010—2019 年的耕地資源（數(shù)量）壓力及耕地生態(tài)安全壓力，探究整體耕地安全壓力的主要來(lái)源；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)新疆各地州耕地生態(tài)安全進(jìn)行測(cè)度，探討其時(shí)空演變特征。

1 研究區(qū)概況

新疆位于我國(guó)西北內(nèi)陸，是干旱區(qū)的主體區(qū)域，土壤類型多為風(fēng)沙土、棕漠土和棕鈣土，肥沃性差。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，新疆耕地面積為524.23 萬(wàn)hm2，占土地總面積的3.15%。“三山夾兩盆”是新疆特有的地形地貌特征，綠洲灌溉農(nóng)業(yè)是主要的農(nóng)業(yè)類型，水澆地是干旱區(qū)的主要耕地類型。按國(guó)家耕地地力等級(jí)劃分，新疆耕地主要分布在7—15 等，耕地地力處于中低水平。目前新疆耕地安全面臨來(lái)自耕地資源安全和耕地生態(tài)安全的雙重壓力，建設(shè)占用和人口增長(zhǎng)等因素導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，加之本身生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，耕地生態(tài)系統(tǒng)面臨以鹽漬化、荒漠化、殘膜和化肥為代表的巨大壓力，一旦遭到破壞，將遭受到難以逆轉(zhuǎn)的傷害。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 耕地資源（數(shù)量）拉力指數(shù)模型

耕地壓力指數(shù)，即最小人均耕地面積Smin與實(shí)際人均耕地面積Sn的比值，可用來(lái)反映地區(qū)耕地資源的壓力水平。其中，最小耕地面積是指滿足每人正常生活水平的糧食需求所需的耕地面積。

式中：K 為耕地壓力指數(shù)；β為糧食自給率（%），根據(jù)新疆糧食自給狀況，取β＝100%；Gr為人均糧食需求量（kg/人），參考中國(guó)農(nóng)科院的研究成果［7］，統(tǒng)一定為400kg；p 為糧食單產(chǎn)（kg/hm2）；q 為糧食播種面積與總播種面積之比（%）；k 為復(fù)種指數(shù)，即全年播種總面積/耕地面積（%）。

為具體考察新疆耕地資源安全壓力的狀態(tài)，本文參考羅翔等［2］關(guān)于耕地資源壓力水平的評(píng)判法則［2］。壓力等級(jí)劃分如下：安全壓力區(qū)（0 ＜K ＜0.9）、輕度壓力區(qū)（0.9 ＜K ＜1）、中度壓力區(qū)（1 ＜K ＜2）和高度壓力區(qū)（2 ＜K）。

2.2 AHP－熵值法

耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)是一個(gè)包含不同性質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)過(guò)程，確定各指標(biāo)權(quán)重在評(píng)價(jià)中具有重要地位?？紤]到新疆的區(qū)域特色和確保指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)性，本文采用主客觀綜合賦權(quán)的AHP－熵值法［5，8］確定各指標(biāo)最終組合權(quán)重βj，確定權(quán)重之前對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。在二者基礎(chǔ)上，利用綜合指數(shù)加權(quán)法［9］計(jì)算得到生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)，計(jì)算公式為：

2.3 障礙度模型

在以上工作基礎(chǔ)上，可得到新疆近10 年耕地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀態(tài)，但是并不能直觀地判斷造成這種狀態(tài)的影響因素。借助障礙度模型則可實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)安全狀態(tài)影響因素的判別［4］，計(jì)算公式為：

式中：Aj為障礙度；rij為偏離度；wj為單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

2.4 可視化制圖

本文借助ArcGIS10.6軟件中的Jenks自然斷裂法將2010 年、2014 年和2019 年新疆各地州的耕地生態(tài)安全指數(shù)劃分為4 個(gè)等級(jí)，在此基礎(chǔ)上制圖，并可視化表達(dá)各地的耕地生態(tài)安全空間格局。

2.5 指標(biāo)體系與數(shù)據(jù)來(lái)源

鑒于PSR（壓力—狀態(tài)—響應(yīng)）概念模型在建立人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的聯(lián)系方面貢獻(xiàn)突出，特別在生態(tài)安全領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在參考已有資料的基礎(chǔ)上［4，9］，遵循科學(xué)性、代表性等原則，在分析新疆地區(qū)耕地安全壓力特征的理論和現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，構(gòu)建由壓力、狀態(tài)和響應(yīng)層面下的25 項(xiàng)指標(biāo)組成的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。其中，畝均耕地殘膜累積量是根據(jù)每幾年官方估計(jì)的殘膜回收率進(jìn)行計(jì)算，綠洲區(qū)域土壤鹽漬化程度來(lái)自張振華的研究成果［10］。畝均耕地質(zhì)量等級(jí)的計(jì)算公式為［Σ（當(dāng)年耕地利用等×畝數(shù)）］/總畝數(shù)。

表1 耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system for the ecological safety of cultivated land

依據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況和參考有關(guān)文獻(xiàn)［8，11］，耕地生態(tài)系統(tǒng)安全狀態(tài)劃分如下：極不安全區(qū)（F ＜0.4）、較不安全區(qū)（0.4≤F ＜0.5）、臨界安全區(qū)（0.5≤F ＜0.6）、較安全區(qū)（0.6≤F ＜0.8）和安全區(qū)（F ＞0.8）。

數(shù)據(jù)來(lái)源：本文涉及耕地資源壓力及耕地生態(tài)安全壓力測(cè)算的參考數(shù)據(jù)均來(lái)源于2011—2020 年的《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》和相應(yīng)年度的《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料》《中國(guó)水利年鑒》《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 新疆耕地安全壓力特征分析

3.1 耕地資源（數(shù)量）安全壓力分析

人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致土地承載壓力不斷增加，且隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)和新一輪退耕還林還草還濕等生態(tài)工程實(shí)施，耕地資源安全壓力日益增大。隨著西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)和援疆資金的注入，新疆城市建設(shè)速度加快、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，地區(qū)經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)了耕地非農(nóng)化和農(nóng)戶撂荒的現(xiàn)象。城市土地利用結(jié)構(gòu)存在不合理現(xiàn)象，耕地面積出現(xiàn)減小趨勢(shì)，建設(shè)占用導(dǎo)致耕地面積減少的比重逐年增加，個(gè)別年份甚至超過(guò)90%。除此之外，造成新疆耕地面積不斷縮減的原因還有災(zāi)毀耕地、生態(tài)退耕和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等。雖然新疆地區(qū)有大量的耕地后備資源，但是宜農(nóng)的耕地后備資源少且開(kāi)發(fā)利用困難，稍有不慎，極易破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此，新疆耕地資源安全面臨一定程度壓力，對(duì)整體耕地安全造成脅迫。

3.2 耕地生態(tài)安全壓力分析

本文根據(jù)新疆區(qū)域生態(tài)特征，主要從土壤鹽漬化、土地沙化和荒漠化、殘膜、化肥4 個(gè)方面對(duì)耕地生態(tài)安全壓力特征進(jìn)行理論和現(xiàn)狀分析。

土壤鹽漬化對(duì)耕地生態(tài)安全造成的壓力。理論上，土壤鹽漬化會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞和板結(jié)，增加土壤侵蝕；且過(guò)多鹽分會(huì)限制作物吸收水分的能力，類似于干旱對(duì)植物的作用原理，即“生理干旱”。鹽漬化問(wèn)題已造成世界各國(guó)較大的經(jīng)濟(jì)損失［12］。除了自然因素導(dǎo)致的土壤鹽漬化外，目前人類活動(dòng)也成為鹽漬化程度加重的誘因，其中灌溉行為是影響最大的因素。由于缺乏自然或人工排水系統(tǒng)導(dǎo)致的過(guò)度灌溉和水庫(kù)、灌溉渠等的滲漏都會(huì)造成地下水上升，使鹽分集中在地形表面或土壤表層；用于灌溉的含鹽地下水也會(huì)導(dǎo)致根區(qū)鹽分的集中，灌溉水質(zhì)與鹽分積累成正相關(guān)的關(guān)系［13］。以上灌溉行為均會(huì)導(dǎo)致次生鹽漬化。但節(jié)水灌溉和暗管排水處理可在一定程度上控制鹽分積累，有助于改善鹽漬地［14，15］。

新疆土地遼闊，是全國(guó)面積最大的省區(qū)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，新疆的鹽漬化土地面積約2200 萬(wàn)hm2，占全國(guó)鹽漬化總面積的22%，是全國(guó)最大的鹽漬土壤分布區(qū)。不同鹽漬程度的土壤在耕地中所占比例高達(dá)30%，其中受較高程度鹽漬化威脅的低產(chǎn)田所占比例達(dá)22%。在新疆的宜農(nóng)墾荒地中，受鹽漬限制難以開(kāi)發(fā)利用的面積高達(dá)50%［16］。可見(jiàn)，高比重的鹽漬土壤面積對(duì)新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)高效開(kāi)發(fā)和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)造成了重大威脅，是制約內(nèi)陸干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制條件。干旱強(qiáng)蒸發(fā)的氣候條件和高含鹽量的土壤母質(zhì)是造成新疆土壤鹽漬化的主要因素，綠洲外圍及部分荒漠交錯(cuò)帶區(qū)域鹽漬化程度較重，耕地絕大部分鹽漬化地區(qū)處于脫鹽不穩(wěn)定或脫鹽積鹽反復(fù)進(jìn)行的狀態(tài)，潛在威脅很大［17］。同時(shí)，人類活動(dòng)的干擾也會(huì)加劇新疆土壤的鹽漬化，如灌溉儲(chǔ)水輸水的低效率、不合理的灌排系統(tǒng)和土地利用不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致次生鹽漬化。地區(qū)內(nèi)土壤中較高的殘膜量，由于阻礙了土壤中水分和空氣的運(yùn)移，也會(huì)帶來(lái)次生鹽漬化。

土地沙化和荒漠化對(duì)耕地生態(tài)安全造成的壓力。沙化和荒漠化會(huì)使湖泊萎縮，削減濕地面積，加劇風(fēng)沙災(zāi)害和沙暴，對(duì)農(nóng)作物和農(nóng)戶的人身財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。風(fēng)沙會(huì)污染耕種的土地并剝蝕表層土壤，造成土壤有機(jī)質(zhì)損失，肥力大大下降，儲(chǔ)水存水能力降低，土壤環(huán)境受到極大的破壞，從而影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2010 年新疆荒漠化土地面積達(dá)到79.59×104km2，這是由于本身的地理環(huán)境和格局造成的。而新疆地區(qū)不合理的水土開(kāi)發(fā)導(dǎo)致地下水位上升、水土流失和土地退化，進(jìn)而加重了鹽漬化程度。由于二者的相互作用，對(duì)荒漠化也產(chǎn)生了“助推”效果。新疆完全無(wú)荒漠化特征的土地僅占總面積的31.10%，即接近70%的土地都出現(xiàn)了不同程度的荒漠化。其中，潛在荒漠化土地為20×104km2，其他不同程度的荒漠化土地面積為92.1 × 104km2，嚴(yán)重荒漠化土地占總面積的15%［18］。此外，新疆屬于典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)地區(qū)，在人類活動(dòng)的擾動(dòng)下，沙漠包圍的綠洲易被其吞噬，進(jìn)而經(jīng)歷萎縮和沙漠化，因此綠洲是不穩(wěn)定的，任何資源開(kāi)發(fā)及利用活動(dòng)都要慎重［19］。

殘膜對(duì)耕地生態(tài)安全造成的壓力。國(guó)內(nèi)外研究表明，農(nóng)用塑料薄膜的使用對(duì)于土壤溫度、濕度、微生物及理化性質(zhì)方面起著調(diào)節(jié)作用，因此被長(zhǎng)期推廣使用。不同顏色的農(nóng)膜使用可升高或略降低土壤溫度，如：黑色地膜可使土壤升溫達(dá)6℃［20］；白色或銀色地膜更適合炎熱地區(qū)，實(shí)驗(yàn)證明可使土壤溫度降低2℃左右［21］；透明地膜由于其較高的輻射傳輸能力則更適合在寒冷地區(qū)使用［22］。Ashrafuzzaman等［23］通過(guò)位于亞熱帶地區(qū)的辣椒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，覆膜可以減少水分蒸發(fā)，透明膜覆蓋的0—10cm 土壤的含水量比裸土高5.5%。還有學(xué)者通過(guò)相關(guān)田間試驗(yàn)，證明覆膜可以提升土壤濕度［24］。此外，雖然塑料薄膜覆蓋減少了長(zhǎng)期施肥期間土壤細(xì)菌多樣性和豐度的損失［25］，但是覆膜下土壤中的霉菌毒素濃度也會(huì)升高［26］。也有研究發(fā)現(xiàn)，覆膜阻礙空氣和土壤中水分的交換，使得土壤中的碳固存增加，減少二氧化碳向空氣中的排放量［27］，土壤有機(jī)碳隨覆蓋年限增加而顯著降低，可能導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降并增加農(nóng)藥徑流進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)［28］。也有大量研究通過(guò)試驗(yàn)證明了殘膜的巨大危害，其殘留量越高，對(duì)土壤儲(chǔ)水能力影響越大，進(jìn)而導(dǎo)致全氮增加，碳氮比顯著下降，土壤孔隙度降低，直接影響土壤微生物活性［29，30］。Dong等［31］在 棉 田 進(jìn) 行 了 大 規(guī) 模 地 膜 殘 留量的研究，發(fā)現(xiàn)地膜殘留量的增加會(huì)影響土壤質(zhì)量，如pH值增加，有機(jī)質(zhì)減少，并對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育造成負(fù)面影響。此外，地膜在土壤中難以自然降解，且使用后的地膜由于受到農(nóng)藥等的污染，大多不適合填埋，回收處理困難［32］；使用助氧化劑是幫助薄膜降解的好方法，但其含有的重金屬成分又可能導(dǎo)致土壤污染加?。?3］。

新疆因?yàn)樘厥獾牡乩憝h(huán)境和干旱少雨的氣候條件，所以具有保溫保墑功能的農(nóng)膜使用必不可少。覆膜技術(shù)及膜下滴灌技術(shù)自推廣以來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，2010—2019 年覆膜面積從219.96 × 104hm2增加至354.8 × 104hm2，增幅達(dá)61.3%，為全國(guó)平均水平的4—6 倍。覆膜面積排在前五位的阿克蘇、喀什、巴州、塔城和昌吉均超過(guò)30 × 104hm2的覆蓋面積，且覆膜率超過(guò)60%，最高達(dá)80%［34］；2010—2019 年新疆地膜使用量從14.35×104t增加到24.27×104t，增幅達(dá)69%，為全國(guó)平均水平的4—5 倍。統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果表明，新疆單位覆膜田地面積的殘留量高達(dá)260kg/hm2，成為我國(guó)最大的重度殘膜污染區(qū)。可見(jiàn)，地膜在發(fā)揮其保溫保熵作用的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的“白色污染”，威脅著土地生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，但各地州由于種植模式和結(jié)構(gòu)的差異，殘膜污染程度各異。

化肥對(duì)耕地生態(tài)安全造成的壓力。施用化肥可提高土壤肥力。Dubey等［35］在亞熱帶半干旱地區(qū)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，連作條件下，有機(jī)碳含量從4.0g/kg 增加到7.5g/kg，且維持了作物高產(chǎn)，提高了土壤肥力。而過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致肥料中無(wú)機(jī)鹽的形成、積累和富集，改變土壤的物理特性，長(zhǎng)期就會(huì)造成土壤板結(jié)和次生鹽漬化［36］。Massah等［36］對(duì)種植50 多年小麥的土壤取樣，發(fā)現(xiàn)未板結(jié)土壤團(tuán)聚體的直徑是嚴(yán)重板結(jié)土壤的5 倍。板結(jié)會(huì)降低孔隙率和通氣量，增加容重和土壤抗?jié)B透能力，嚴(yán)重板結(jié)土壤中，總土壤孔隙率比未板結(jié)土壤低17%。長(zhǎng)期施用化肥還會(huì)導(dǎo)致土壤的重金屬污染。也有研究發(fā)現(xiàn)，化肥與有機(jī)肥按比例配施可增加土壤有機(jī)磷和全氮的含量，微生物生物量也顯著增加［37－39］，但在此配合施肥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)比單施化肥時(shí)更高，需特別注意防范［40］。由于新疆的土壤類型多為風(fēng)沙土、棕漠土和棕鈣土［10］，有機(jī)質(zhì)含量較低，因此新疆要實(shí)現(xiàn)種植業(yè)增收，增加作物產(chǎn)量是關(guān)鍵，而施用化肥是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的快速有效方式?；蕦?duì)農(nóng)作物增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率最低為35%，最高可達(dá)到66%。由于新疆優(yōu)越的光熱條件，種植結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，以高化肥需求量的林果、蔬菜等為代表的經(jīng)濟(jì)作物的播種面積不斷增加［41］。2019 年，新 疆 的 林 果 種 植 面 積 達(dá) 到157.83×104hm2。單位播種面積的化肥總用量為417. 77kg/hm2，2010—2019 年 的 化 肥 使 用 量 從167.57×104t增至257.76 × 104t，超出了安全化肥施用量119 × 104t，是標(biāo)準(zhǔn)水平的2.2 倍。因此，新疆整體化肥用量明顯超標(biāo)，對(duì)土壤環(huán)境造成了較大的危害。

土壤鹽漬化和沙漠化的巨大威脅屬于內(nèi)陸干旱區(qū)耕地生態(tài)安全特有的壓力特征。通過(guò)以上壓力特征的理論和現(xiàn)狀分析可知，自然方面的鹽漬化、沙漠化和人為方面的殘膜、化肥等因素都不同程度地破壞了新疆耕地土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)，影響了水鹽轉(zhuǎn)移和水肥運(yùn)移，降低了土壤中微生物的含量和活力。此外，土壤肥力下降，土壤理化和生物性質(zhì)惡化，給土壤生態(tài)環(huán)境造成了不可逆的危害，進(jìn)而給耕地生態(tài)安全帶來(lái)壓力，從而給整個(gè)耕地利用系統(tǒng)安全造成壓力。新疆的氣候地理?xiàng)l件使得其生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力較弱，耕地生態(tài)系統(tǒng)平衡一旦遭到破壞，會(huì)帶來(lái)不可逆的傷害。

4 結(jié)果及分析

4.1 新疆耕地?cái)?shù)量安全壓力測(cè)試及分析

本文根據(jù)耕地資源拉力指數(shù)模型，計(jì)算得出2010—2019 年新疆最小人均耕地面積及耕地壓力指數(shù)（圖1）。

圖1 2010—2019 年新疆人均耕地面積及耕地壓力指數(shù)Figure 1 Per capita cultivated land area and pressure index of cultivated land in Xinjiang from 2010 to 2019

從圖1 可見(jiàn)，2010—2019 年新疆地區(qū)耕地?cái)?shù)量一直處于安全壓力區(qū)，其壓力指數(shù)呈不斷下降的趨勢(shì)，最小人均耕地面積也呈同步趨勢(shì)。原因可能是：雖然近年新疆人口不斷增加，城鎮(zhèn)化速度加快，建設(shè)占用耕地比重大，出現(xiàn)耕地面積減少的趨勢(shì)，但是人口增長(zhǎng)速度與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相比并沒(méi)有達(dá)到“高壓”程度，新疆耕地?cái)?shù)量安全面臨的壓力對(duì)整個(gè)耕地利用系統(tǒng)并未造成實(shí)質(zhì)性的威脅，不是新疆現(xiàn)有耕地安全面臨壓力的主要方面。

4.2 新疆耕地生態(tài)安全壓力測(cè)試及分析

通過(guò)對(duì)耕地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)和障礙因素分析，可實(shí)現(xiàn)測(cè)度和解構(gòu)安全壓力來(lái)源的目的。耕地生態(tài)安全狀態(tài)可反映耕地生態(tài)壓力狀況。綜合運(yùn)用上述研究方法和模型計(jì)算得出2010—2019 年新疆的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)（圖2）。從圖2 可見(jiàn)，2010—2019年新疆耕地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀況呈先降后升的趨勢(shì)，耕地生態(tài)系統(tǒng)總體處于“不安全”的狀態(tài)，且安全值一直處于0.6 以下，可見(jiàn)耕地生態(tài)安全面臨較大的壓力。由此可知，新疆耕地生態(tài)安全壓力是整體耕地安全壓力的主要來(lái)源。

圖2 2010—2019 年新疆綜合和分類耕地生態(tài)安全指數(shù)Figure 2 Comprehensive and classified indexes of ecological safety of cultivated land in Xinjiang from 2010 to 2019

根據(jù)安全級(jí)別劃分和實(shí)際區(qū)域特征，按照上升或下降趨勢(shì)，將2010—2019 年新疆耕地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況的變化劃分為以下3 個(gè)階段：①第一階段（2010—2012 年）。該階段安全指數(shù)出現(xiàn)大幅度下降，范圍在0.3870—0.5897 間，主要是由不合理的水土資源開(kāi)發(fā)和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整造成的。新疆由于其獨(dú)特的地理環(huán)境和格局，水土資源的約束一直存在且日趨緊張。地下水開(kāi)采和荒地開(kāi)墾存在速度過(guò)快、程度過(guò)深、缺乏后期維護(hù)等問(wèn)題，導(dǎo)致地下水位下降和加劇土地次生鹽漬化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。農(nóng)田基本設(shè)施仍有待完善，2012 年的渠道防滲率仍不到總長(zhǎng)的40%，渠系水利用系數(shù)也未達(dá)到0.6。隨著新疆種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，設(shè)施農(nóng)業(yè)和林果業(yè)的種植面積大幅度增加，輕視養(yǎng)地作物的栽培，且農(nóng)藥、農(nóng)膜和化肥不合理使用等危害土壤環(huán)境。②第二階段（2012—2017 年）。該階段安全指數(shù)穩(wěn)步提升，范圍在0.3870—0.5392 間。穩(wěn)步提升的主要原因是該階段土地鹽漬化治理成效初顯，前期修建的水利設(shè)施效益發(fā)揮，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展和市場(chǎng)環(huán)境持續(xù)改善。2014 年，新疆全面推行的棉花目標(biāo)價(jià)格改革促進(jìn)了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，棉花市場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步改善，質(zhì)量明顯提升。2014 年、2015 年和2017 年的“中央一號(hào)”文件中都明確提出關(guān)于農(nóng)膜回收的要求［42］，農(nóng)膜污染治理全面開(kāi)展，此期間的農(nóng)膜規(guī)范使用及回收工作進(jìn)展迅速。③第三階段（2017—2019 年）。該階段安全值先下降后上升，安全指數(shù)值略降，可能原因是：農(nóng)業(yè)政策效果發(fā)揮存在時(shí)間滯后性，主要體現(xiàn)在灌溉、治漬和化肥農(nóng)膜治理的政策效果發(fā)揮的遲滯性。雖然近年新疆在節(jié)水灌溉等方面取得了較大成就，但是不少地區(qū)渠道防滲和節(jié)水灌溉制度仍存在問(wèn)題，渠道和田間滲漏依然在補(bǔ)給地下水。耕地鹽漬化、沙化和荒漠化面積仍在擴(kuò)展，幅度雖然有所減緩，但是對(duì)耕地生態(tài)環(huán)境的威脅仍存在?；屎娃r(nóng)膜使用及回收條例、政策等陸續(xù)出臺(tái)，其使用也在向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向發(fā)展，但殘膜的威脅仍較大，農(nóng)膜回收網(wǎng)點(diǎn)和加工企業(yè)尚缺乏有效的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施，農(nóng)膜全面回收進(jìn)程緩慢。相對(duì)重視化肥，輕視有機(jī)肥培肥地力作用的情況依舊存在，溫養(yǎng)土地的作物仍較少看到［43］。

2011 年、2012 年和2018 年的安全指數(shù)較上年表現(xiàn)出較大幅度的下降趨勢(shì)，為了尋求其中的成因，本文利用障礙度模型計(jì)算得出各個(gè)指標(biāo)的障礙度，結(jié)果如表2 所示。

表2 2011 年、2012 年和2018 年的主要障礙因子Table 2 Main obstacle factors in 2011，2012 and 2018

從表2 可見(jiàn)，2011 年耕地生態(tài)系統(tǒng)中響應(yīng)層的障礙度最大，主要的障礙因素為畝均耕地質(zhì)量等級(jí)（S4）、水土流失治理面積（R1）、三北防護(hù)林工程造林面積（R2）、有效灌溉比重（R5）和苜蓿占農(nóng)作物總播面積比重（R8）。2012 年，壓力層和響應(yīng)層的障礙度都較高，且占較大比重，具體的障礙因素為綠洲區(qū)域鹽漬化程度（P6）、畝均耕地質(zhì)量等級(jí)（S4）、水土流失治理面積（R1）、三北防護(hù)林工程造林面積（R2）和有效灌溉比重（R5）。2018 年，耕地生態(tài)系統(tǒng)中壓力層對(duì)安全指數(shù)提升的阻礙作用最大，其次為響應(yīng)層和狀態(tài)層，具體的障礙因素是畝均耕地殘膜累積量（P3）、單位耕地化肥負(fù)荷（P4）、沙化土地程度（P7）、三北防護(hù)林工程造林面積（R2）和人均耕地面積（S1）。由此可見(jiàn)，2011 年、2012 年和2018 年的主要障礙因素存在差異，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和水土資源開(kāi)發(fā)的擾動(dòng)使耕地生態(tài)系統(tǒng)的壓力變大，耕地保護(hù)和生態(tài)建設(shè)等一系列措施也致使障礙因素不斷發(fā)生改變。

從圖3 可見(jiàn)，在障礙度比重方面，壓力層的比重不斷增加，但近兩年漸趨下降，與之相對(duì)應(yīng)的是響應(yīng)層趨于上升，因此針對(duì)改善壓力層的生態(tài)建設(shè)性和保護(hù)性的防控措施應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。

圖3 2010—2019 年新疆耕地生態(tài)安全各準(zhǔn)則層障礙度Figure 3 Obstacle degrees of each criterion for the ecological safety of cultivated land in Xinjiang from 2010 to 2019

4.3 各地州耕地生態(tài)安全時(shí)空演變特征

在以上總體耕地安全壓力測(cè)度的基礎(chǔ)上，可得出“相對(duì)不安全”的耕地生態(tài)狀況是目前新疆耕地安全壓力的主要來(lái)源。為了更加深入細(xì)致了解新疆耕地生態(tài)安全狀況，并使研究更加精確，本文探究了新疆各地州耕地生態(tài)安全狀況及時(shí)空演變特征。限于文章的篇幅和數(shù)據(jù)的可得性，選取2010 年、2014 年和2019 年3 個(gè)年份，通過(guò)構(gòu)建指標(biāo)體系、計(jì)算權(quán)重等過(guò)程計(jì)算得出各地州3 個(gè)年份的耕地生態(tài)安全指數(shù)。從時(shí)序特征來(lái)看（圖4），2010 年、2014 年和2019年各地州耕地生態(tài)安全狀況存在較大差距，吐魯番地區(qū)總體耕地生態(tài)安全指數(shù)最低，取該地區(qū)上述3個(gè)年份安全指數(shù)的平均值作為參照，其值為0.2191；伊犁哈薩克自治州安全指數(shù)最高，其平均值為0.6713，前者與后者相差高達(dá)3 倍。除了烏魯木齊和昌吉回族自治州近10 年的耕地生態(tài)安全指數(shù)處于上升趨勢(shì)，其他地州的安全指數(shù)變化不大，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。具體來(lái)講，阿勒泰地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)和克拉瑪依市近10 年的安全指數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的下降趨勢(shì)，需加強(qiáng)防范，以防安全指數(shù)的進(jìn)一步下降；伊犁哈薩克自治州和塔城地區(qū)變化不大，且安全指數(shù)一直在0.5 以上，處于相對(duì)安全狀態(tài)，未來(lái)可在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)基礎(chǔ)上繼續(xù)加強(qiáng)耕地保護(hù)和生態(tài)治理措施，提升安全狀況；烏魯木齊市和昌吉回族自治州的耕地生態(tài)則處于逐步改善的狀況。

圖4 2010、2014、2019 年新疆各地州耕地生態(tài)安全指數(shù)Figure 4 Ecological safety index of cultivated land of various prefectures in Xinjiang in 2010，2014 and 2019

為進(jìn)一步探討研究期內(nèi)新疆14 個(gè)地市州耕地生態(tài)安全指數(shù)變化的空間差異，以計(jì)算得出的各地市州耕地生態(tài)安全指數(shù)為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS10.6軟件，采用Jenks法將其分為4 個(gè)層次，得到各地市州耕地生態(tài)安全指數(shù)空間格局圖（圖5）。從圖5 可見(jiàn)，北疆的耕地生態(tài)安全狀況總體優(yōu)于南疆和東疆，分析原因可能是：由于南疆獨(dú)特的光熱資源，林果業(yè)和棉花種植面積不斷增加，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的面源污染給耕地生態(tài)安全帶來(lái)了一定程度的壓力；東疆比重較大的鹽漬化土地對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成了較大威脅，進(jìn)而影響到耕地生態(tài)，故兩個(gè)地區(qū)均呈現(xiàn)出較低的耕地生態(tài)安全指數(shù)。具體來(lái)講，南疆的巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃荨⒖κ驳貐^(qū)、和田地區(qū)和東疆的吐魯番市和哈密市的安全指數(shù)很低，均處于0.4 以下，需引起重視。

圖5 2010—2019 年新疆各地州耕地生態(tài)安全空間格局Figure 5 Ecological safety pattern and its spatial variation of cultivated land of various prefectures in Xinjiang，2010—2019

5 結(jié)論與對(duì)策建議

5.1 結(jié)論

本文以典型干旱區(qū)新疆為研究對(duì)象，基于耕地資源和耕地生態(tài)兩方面壓力特征的理論和現(xiàn)狀分析，運(yùn)用耕地資源拉力指數(shù)模型及壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型，測(cè)算得到耕地資源安全壓力和耕地生態(tài)安全指數(shù)（其中，后者的測(cè)算結(jié)果可反映耕地生態(tài)安全壓力），并進(jìn)一步對(duì)各地州的耕地生態(tài)安全進(jìn)行測(cè)度及探討其時(shí)空演變特征。主要結(jié)論如下：①通過(guò)對(duì)耕地資源及耕地生態(tài)安全兩方面壓力規(guī)律性特征的理論與現(xiàn)狀梳理，可知目前新疆的耕地安全壓力較大，以鹽漬化和沙漠化為代表的自然因素對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境影響極大，以殘膜、化肥為代表的人為因素也對(duì)土壤環(huán)境造成了污染。在以上因素的共同作用下，新疆整體耕地安全壓力較大。②典型干旱區(qū)新疆的耕地安全壓力主要來(lái)源為相對(duì)不安全的耕地生態(tài)系統(tǒng)。借助耕地?cái)?shù)量壓力指數(shù)模型研究發(fā)現(xiàn)，新疆耕地資源（數(shù)量）壓力處于安全區(qū)，壓力并不是整體耕地安全壓力的主要來(lái)源；而通過(guò)構(gòu)建耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型研究發(fā)現(xiàn)，2010—2019 年新疆的耕地生態(tài)系統(tǒng)總體處于“不安全”的狀態(tài)，因此其成為整體耕地安全壓力的主要來(lái)源。③在對(duì)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，壓力層的障礙度比重逐年增大，其中土壤鹽漬化及荒漠化、殘膜、化肥是新疆耕地生態(tài)安全壓力的主要方面，進(jìn)而導(dǎo)致整體耕地安全的壓力。④2010—2019 年各地州耕地生態(tài)安全狀況差距較大，且安全指數(shù)呈現(xiàn)出“北疆＞南疆＞東疆”的空間布局。

5.2 對(duì)策建議

由定性定量分析可知，新疆耕地生態(tài)安全壓力是目前整體耕地利用及安全壓力的主要來(lái)源，而構(gòu)建的耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中顯示壓力層占據(jù)將近一半的權(quán)重。就其中的指標(biāo)來(lái)講，畝均耕地殘膜累積量、單位耕地化肥負(fù)荷、綠洲區(qū)域土壤鹽漬化程度和沙化土地程度居前五位，對(duì)耕地生態(tài)安全壓力的形成發(fā)揮了主要作用。從障礙度分析可知，加強(qiáng)改善壓力層的建設(shè)性和保護(hù)性措施對(duì)于提升安全值的貢獻(xiàn)將越來(lái)越大。

據(jù)此，本文提出以下政策建議：①加快土地鹽漬化和沙漠化治理進(jìn)程。由壓力特征分析部分可知，新疆目前的土地鹽漬化和沙漠化是耕地安全的巨大威脅。合理開(kāi)發(fā)利用水土資源和逐步推進(jìn)實(shí)施生物治理策略是行之有效的防控措施。新疆為典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)域，綠洲生態(tài)的好壞直接關(guān)乎地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，保護(hù)綠洲邊緣植被，促進(jìn)綠洲內(nèi)可持續(xù)發(fā)展，并慎重進(jìn)行其土地開(kāi)發(fā)是重中之重。同時(shí)，要嚴(yán)格控制墾荒規(guī)模，著力點(diǎn)轉(zhuǎn)向提高現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)潛力。有限的水資源及其時(shí)空分布的不均勻性是限制綠洲灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。新疆水資源的開(kāi)發(fā)利用要以地區(qū)內(nèi)水鹽平衡為依據(jù)充分論證并合理規(guī)劃，同時(shí)也要保障生態(tài)用水。對(duì)于不同鹽漬化程度的土地采取不同的生物改良措施，生物治理在易次生鹽漬化和荒漠化地區(qū)是需要長(zhǎng)期逐步推進(jìn)的戰(zhàn)略措施，決不是一時(shí)之策。②加強(qiáng)農(nóng)田水利基建。新疆氣候干旱、植被稀少、風(fēng)沙頻繁，水資源時(shí)空和季節(jié)分布嚴(yán)重不均，農(nóng)業(yè)用水矛盾十分突出，以水利為中心的農(nóng)田基本設(shè)施建設(shè)亟待完善。從農(nóng)田水利建設(shè)方面減輕鹽漬化程度，全疆農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)可從土地精細(xì)平整、加大渠道防滲和重視灌排結(jié)合3 個(gè)方面入手。此外，在渠道防滲率、灌區(qū)骨干渠系工程節(jié)水改造面積和田間高效節(jié)水面積等方面，南疆地區(qū)與全疆平均水平相比還存在一定差距，大多數(shù)河流缺少控制性水利工程，水資源調(diào)控能力嚴(yán)重不足，因此農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)亟待加強(qiáng)。③提升農(nóng)膜規(guī)范使用和殘膜回收水平。近年國(guó)家在新疆地區(qū)開(kāi)展農(nóng)膜回收試點(diǎn)，效果良好，但殘膜威脅仍然存在。因此，應(yīng)繼續(xù)按照新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于農(nóng)膜厚度等指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)定，加強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)管，對(duì)違規(guī)產(chǎn)品加大處罰力度；同時(shí)，強(qiáng)化“誰(shuí)污染，誰(shuí)負(fù)責(zé)，誰(shuí)治理”的生產(chǎn)者和污染者責(zé)任約束。新疆農(nóng)戶將撿拾的殘膜賣給回收網(wǎng)點(diǎn)和加工企業(yè)的行為已較為普遍，進(jìn)一步實(shí)行對(duì)農(nóng)戶殘膜回收行為的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，并利用補(bǔ)貼政策接續(xù)扶持農(nóng)膜回收網(wǎng)點(diǎn)和加工企業(yè)；加大投入與研發(fā)力度，搭建高校與企業(yè)合作平臺(tái)，加快新型、強(qiáng)實(shí)用性殘膜回收機(jī)械的研制和推廣使用。④繼續(xù)推進(jìn)化肥科學(xué)合理施用。目前新疆化肥施用仍存在不合理的現(xiàn)象，因此首先要繼續(xù)在各地州開(kāi)展科學(xué)施肥的技術(shù)培訓(xùn)力度，特別是針對(duì)過(guò)量施肥的“重災(zāi)區(qū)”，即設(shè)施農(nóng)業(yè)和林果業(yè)，避免出現(xiàn)過(guò)多施肥導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境污染和成本增加等問(wèn)題。其次，要鼓勵(lì)增施新型生物有機(jī)肥，重視有機(jī)肥培肥地力的作用，繼續(xù)宣傳秸稈還田和綠肥還田的重要性，推進(jìn)相關(guān)還田技術(shù)的實(shí)施，提高土壤肥力和恢復(fù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。