焦 偉，劉新平*，武榮偉，梁玲霞，張 琳

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塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險研究①

焦 偉1，劉新平1*，武榮偉2，梁玲霞1，張 琳1

(1 新疆農業(yè)大學管理學院，烏魯木齊 830052；2 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

塔里木河流域生態(tài)的脆弱性和農業(yè)生產開發(fā)過程中開荒規(guī)模的絕對性使其局部地區(qū)存在較大的生態(tài)風險隱患，本文選取塔里木河流域作為研究區(qū)域，以未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險為研究對象，運用AHP(層次分析法)和生態(tài)風險指數(shù)法對塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)過程中暴露出的土壤、水環(huán)境和社會生態(tài)風險進行評價，通過縣域空間和風險源累積量響應分析得出以下結論：①拜城縣、阿克蘇市、烏什縣、喀什市、阿拉爾市生態(tài)風險較高；低風險集中帶主要有若羌-且末縣、阿圖什-烏恰縣、皮山縣、英吉沙-莎車縣等。②新和縣、墨玉縣與洛浦縣臨界地帶，土壤風險程度較高；庫車縣與新和縣交界地帶水環(huán)境生態(tài)風險較高，生態(tài)風險值為0.043 2；輪臺縣東北部與焉耆回族自治縣交界處、阿瓦提縣與溫宿縣交界處、阿圖什市西南部與喀什市交界處社會生態(tài)風險較高。

未利用地；農業(yè)生產開發(fā)；風險評價；AHP；塔里木河流域

新疆地域遼闊，未利用地資源豐富。解放以來，新疆的未利用地開發(fā)主要經歷了3次大的增長時期，分別為1958—1960年和1966—1973年兩次大的開荒時期，以及1996—2009年持續(xù)增長時期。目前，學者對未利用地開發(fā)生態(tài)風險方面的研究，主要以土地利用結構變化潛藏生態(tài)風險和未利用地非農業(yè)生產開發(fā)轉變引致的生態(tài)環(huán)境風險問題為主，但對未利用地農業(yè)生產開發(fā)方面的生態(tài)風險研究相對較少[1-3]。

鑒于塔里木河流域在未利用地開荒過程中規(guī)模的絕對性和新疆綠洲區(qū)生態(tài)的脆弱性等基本特點，選取塔里木河流域作為研究區(qū)域，以未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險為研究對象，從未利用地農業(yè)生產開發(fā)過程中暴露出的土壤生態(tài)風險、水環(huán)境生態(tài)風險和社會生態(tài)風險角度入手，構建風險評價指標體系，運用AHP(層次分析法)和生態(tài)指數(shù)、生態(tài)脆弱性指數(shù)、污染風險指數(shù)、災害概率指數(shù)法計算生態(tài)風險值，并從縣域空間尺度分析生態(tài)風險特征，既有學術上的探索意義，又有解決當?shù)剞r業(yè)生產與生態(tài)環(huán)境之間矛盾的現(xiàn)實意義[4-8]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據來源

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河流域(73°10′ ~ 94°05′ E，34°55′ ~ 43°08′ N)位于新疆南部，地處天山山脈和昆侖山、帕米爾高原之間，遠離海洋，地形封閉。目前與塔里木河干流有地表水力聯(lián)系的只有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、開都河，孔雀河通過揚水站從博斯騰湖抽水經庫塔干渠向塔里木河下游灌區(qū)輸水，形成“四源一干”的水資源格局。流域包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)、克孜勒蘇克爾克孜自治州、和田地區(qū)5個地州，流域總人口為1 127.2萬人，其中少數(shù)民族959.48萬人，占總人口的85.12%，流域內現(xiàn)有灌溉面積近133萬hm2。

1.2 塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)狀況

塔里木河流域未利用地開發(fā)呈波動上升趨勢，經歷1955—1980年與1990—2015年的兩次大規(guī)模增長階段，平均新增耕地面積分別為7.95萬hm2、31.59萬hm2，平均增長率分別為57.96%、123.09%(表1)。1980—1990年耕地面積有所減少，平均減少2.25萬hm2，開荒速度得到暫時的放緩。

1.3 數(shù)據來源

基本數(shù)據來源于《新疆統(tǒng)計年鑒2015》、2014年末新疆維吾爾自治區(qū)土地利用變更數(shù)據、《塔里木河流域耕地開發(fā)報告研究2007》；風險評價類數(shù)據主要來自《新疆維吾爾自治區(qū)耕地監(jiān)測數(shù)據2015》《新疆荒漠化公報1994，2014》。

1.4 未利用地生態(tài)風險評價單元識別

對比1990年(數(shù)據不全)和2015年塔里木河流域遙感影像，耕地監(jiān)測更新圖斑與2014年末新疆維吾爾自治區(qū)土地利用變更圖斑，篩選出未利用地開發(fā)圖斑1 247塊。運用ArcGIS軟件疊加2015年耕地土壤數(shù)據，篩選183塊未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險評價單元，涉及塔里木河流域43個縣市。評價單元平均面積49.05 hm2，總面積8 976.15 hm2，占新增耕地面積的0.57%。183塊風險評價單元沿流域綠洲區(qū)分布，上游喀什噶爾河與葉爾羌河流域，中游阿克蘇河流域，下游開都河與孔雀河流域，以及和田河上游與車臣河下游部分流域。

2 未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險評價方法與體系構建

2.1 生態(tài)風險綜合評價方法

生態(tài)風險綜合評價即評估危害作用的大小以及發(fā)生的概率過程，將暴露分析和危害分析等結合起來，考慮綜合效應，得出評價結論。綜合生態(tài)風險值可由下式計算：

R=∑PW

式中：R為第個評價區(qū)域的生態(tài)風險值；P為第個評價區(qū)域內第類生態(tài)風險的發(fā)生概率或污染風險(破壞指數(shù)、損失度)等評價指數(shù)；W為第類風險的加權值[9-10]。

2.2 生態(tài)風險評價體系構建與指標權重計算

參考2012版農用地質量分等技術標準、章海波等人[11]土地生態(tài)風險評價標準，以及學術領域普遍認可的生態(tài)風險源和綜合評價指標，構建未利用地農業(yè)生產開發(fā)二級評價體系。一級準則層包括：土壤、水環(huán)境和社會生態(tài)；二級指標層14項，其中，土壤層主要針對土壤理化性質、肥力進行指標選?。凰h(huán)境生態(tài)風險層主要針對水資源狀況、利用和污染狀況進行選?。簧鐣鷳B(tài)風險層主要針對社會生態(tài)和風險狀況進行指標選取。指標劃分為生態(tài)指數(shù)、生態(tài)脆弱性指數(shù)、污染風險指數(shù)以及災害概率指數(shù)，運用AHP方法得到風險評價指標屬性和權重，如表2所示。

表2 生態(tài)風險評價指標層與指標權重

2.3 生態(tài)脆弱性指數(shù)響應系數(shù)與生態(tài)風險評價指數(shù)計算

2.3.1 生態(tài)脆弱性指數(shù)響應系數(shù) 采用SR(狀態(tài)-響應)模型，以水資源生態(tài)環(huán)境、社會生態(tài)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境壓力構建塔里木河流域綜合生態(tài)環(huán)境評價體系，將1990年、2015年兩期綜合生態(tài)環(huán)境分值變化量的值標準化處理結果作為因變量，土壤厚度、土壤pH、有機質含量、土壤鹽漬化程度、灌溉用水量指數(shù)變化量值標準化處理結果作為自變量，運用SPSS統(tǒng)計軟件做線性回歸處理，回歸模型2為0.983 0，調整2方0.959 0，模型擬合良好[12-13]，得到生態(tài)脆弱性指數(shù)生態(tài)響應系數(shù)如表3所示。

表3 生態(tài)脆弱性指數(shù)響應系數(shù)

2.3.2 生態(tài)風險評價指數(shù)計算公式與解釋 參考米琳迪[14]生態(tài)風險指數(shù)計算法(表4)。生態(tài)脆弱性指數(shù)用脆弱性響應系數(shù)與脆弱指數(shù)的乘積和表示其對外界干擾反應的靈敏程度；污染風險指數(shù)用污染物的實測濃度值與污染物的環(huán)境質量標準值比值來度量。其中，土壤化肥污染指數(shù)以土壤氮、磷、鉀含量的實測值與標準值的比值與其超量危害程度乘積的加權和(N∶P∶K=0.35∶0.3∶0.35)計算而得；水環(huán)境重金屬污染指數(shù)以農業(yè)生產性水源水質Hg、Cd含量的實測值與標準值的比值與其超量危害程度乘積的加權和(Hg∶Cd=0.55∶0.45)計算而得。

表4 生態(tài)風險評價指數(shù)計算公式與解釋

2.4 縣域生態(tài)風險評價結果

1) 評價結果。將運用生態(tài)風險綜合評價法得到的183個風險結果，按縣域行政區(qū)界劃分并以界內風險均值RImean作為縣域風險水平評價結果，如表5所示。其中，生態(tài)風險平均值較高的縣(市)為拜城縣(RImean為 0.415 3)、阿克蘇市(0.434 0)、烏什縣(0.438 0)、喀什市(0.441 7)、阿拉爾市(0.454 0)。生態(tài)風險平均值較低的縣(市)為烏恰縣(RImean為0.021 8)、阿圖什市(0.083 3)、阿合奇縣(0.146 4)、柯坪縣(0.166 4)。

2) 等級劃分。參考楊克磊等人[15]對流域水資源環(huán)境、土壤等生態(tài)風險的評價結果以及等級劃分方法，結合塔里木河流域生態(tài)狀況劃定風險等級，方法如表6所示。

3) 等級分布。未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險等級分布情況為(圖1)，I級(低等級)較少，面積513.94 hm2，主要分布于喀什噶爾河上游的烏恰縣與阿圖什縣；II級(較低等級)與III級(中等級)較多，II級面積3 458.76 hm2，主要分布于巴州南部的若羌、且末縣、和田地區(qū)的皮山縣，以及喀什地區(qū)的葉城縣，塔什庫爾干縣；III級面積3 670.20 hm2，主要分布于巴州地區(qū)以庫爾勒市為中心的縣市，和田地區(qū)的和田縣、于田縣、策勒縣、民豐縣；IV級面積2 680.17 hm2，主要分布于塔里木河中游的阿克蘇地區(qū)，包括烏什縣、拜城縣、庫車縣、新和縣，以及和田地區(qū)的墨玉縣。其中，V級(高級)生態(tài)風險的評價單元7塊，面積417.73 hm2，主要分布于阿克蘇市阿依庫勒鎮(zhèn)、疏附縣布拉克蘇鄉(xiāng)、墨玉縣烏爾其鄉(xiāng)。

表5 縣域生態(tài)風險評價結果

表6 生態(tài)風險評價等級劃分

圖1 未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險等級分布

依據評價單元生態(tài)風險等級集中分布情況(圖2)，劃分低、中和高風險集中分布帶。低風險集中帶主要有若羌-且末縣低風險帶，單元RImean為0.111 5；阿圖什-烏恰縣低風帶險，單元RImean為0.143 1；皮山縣低風險帶，單元RImean為0.118 2；英吉沙-莎車縣低風帶險，單元RImean為0.102 1；阿合奇-烏什縣低風險帶，單元RImean為0.092 1。中風險集中帶主要分布于塔河沿岸中游大部分地區(qū)，單元RImean為0.249 4。高風險集中帶有阿克蘇高風險帶，單元RImean為0.432 2；墨玉縣高風險帶，單元RImean為0.476 2；伽師縣高風險帶，單元RImean為0.512 5。

3 結果分析

3.1 塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險空間分析

3.1.1 土壤生態(tài)風險分析 對生態(tài)風險評價單元土壤生態(tài)風險結果分析(圖3)，劃分風險空間集中分布帶，其中，土壤風險較高的有新和縣，風險程度達到0.113 2；墨玉縣與洛浦縣臨界地帶，風險程度達到0.113 8。土壤生態(tài)風險較低的集中區(qū)域在英吉沙縣、莎車縣與阿克陶縣交界處，風險程度0.035 2。中等風險集中區(qū)主要在焉耆回族自治縣、疏附縣以及圖木舒克市，風險程度分別為0.070 6、0.055 2、0.064 8。

土壤風險較高地帶突出原因主要有二：第一，新和縣等山地丘陵面積占比較大，有效土層厚度不超過75 cm；第二，自然氣候條件和人類耕作的綜合作用下，土壤鹽漬化程度和化肥污染程度較高(土壤pH均值超過7.8；N、P、K實測值超過標準值以上15% 幅度)。土壤風險較低地帶主要原因為平原(山麓平原、沖積平原)占比較大，草甸土質和沉積土質有效保障土壤肥力；地下水源和地表灌渠的交互補給在弱化由蒸發(fā)帶來的鹽堿化風險方面發(fā)揮作用。

圖2 未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險集中分布帶

圖3 土壤生態(tài)風險分布

3.1.2 水環(huán)境生態(tài)風險分析 以庫爾勒市為中心輪臺縣、博湖縣、焉耆回族自治縣水環(huán)境風險水平較低，平均生態(tài)風險值0.019 0；以柯坪縣為中心烏什縣、阿合奇縣平均風險值0.031 2。水環(huán)境風險較高的地區(qū)分別在庫車縣與新和縣交界處、民豐縣與于田縣交界處，平均生態(tài)風險值分別為0.043 2、0.041 5(圖4)。

圖4 水環(huán)境生態(tài)風險分布

水環(huán)境風險較高地區(qū)主要原因有三：第一，水資源藏量不足，如民豐縣，位于塔克拉瑪干沙漠南緣，年降水量僅30.5 mm，年蒸發(fā)量高達2 756 mm，南部的呂什塔克冰川是主要的水源補給；第二，以棉花、大棗、果園等經濟作物為導向的農業(yè)生產模式灌溉需水量大，加大庫車、拜城等縣水資源平衡壓力；第三，塔里木河流域施肥方式多以灌渠施肥為主，肥量把控、滲漏和富集問題，容易引起化肥中摻雜重金屬面源污染風險。

3.1.3社會生態(tài)風險分析 輪臺縣東北部與焉耆回族自治縣交界處、阿瓦提縣與溫宿縣交界處、阿圖什市西南部與喀什市交界處風險較高(圖5)，社會生態(tài)風險平均值分別為0.037 5、0.035 3、0.047 2；社會生態(tài)風險較低的區(qū)域集中分布于疏勒縣、莎車縣、澤普縣、皮山縣一帶，平均風險0.021 1；而環(huán)塔克拉瑪干沙漠邊緣的新和縣、于田縣、民豐縣、且末縣社會風險程度已經達到中級水平，平均風險值在0.027 6 ~ 0.031 2。

社會生態(tài)風險分布與地區(qū)自然氣候條件、人口-社會-經濟-技術條件有關，焉耆盆地粗放的工農業(yè)生產方式是造成局部生態(tài)風險較高的主要原因，林地、草地面積減少，水土流失嚴重，其重要表現(xiàn)是對博斯騰古湖的營養(yǎng)富集污染。而疏附縣、阿瓦提縣則是生態(tài)環(huán)境的先天弱勢與地區(qū)生態(tài)治理經濟技術條件后天不足，疊加形成的綜合結果。

3.2 塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險響應分析

3.2.1 土壤生態(tài)風險響應分析 塔里木河流域1990—2015年新增耕地合計157.92萬hm2，化肥累積施用量820.48萬t，地膜累積覆蓋面積920.50萬hm2，地區(qū)土壤生態(tài)風險均值0.080 5(表7)。運用SPSS線性回歸得到土壤生態(tài)風險響應系數(shù)。其中，累積化肥施用量、累積地膜覆蓋面積與地區(qū)土壤生態(tài)風險均值呈正相關，響應系數(shù)分別為2.430、1.519。意味著地區(qū)化肥施用量、地膜覆蓋面積每累積增加1單位(萬t、萬hm2)，地區(qū)土壤生態(tài)風險將對應增加0.024 3、0.015 2。

圖5 社會生態(tài)風險分布

表7 1990—2015年未利用地農業(yè)生產開發(fā)土壤生態(tài)風險源累積量

3.2.2 水環(huán)境生態(tài)風險響應分析 塔里木河流域水環(huán)境生態(tài)風險均值為0.151 3，1990—2015年水資源下降量合計85.53億m3，人均水資源平均減少25 805.12 m3，累積灌溉用水量合計1 447.61億m3，累積水土流失面積合計244.29萬hm2(表8)。SPSS線性回歸結果顯示：水資源下降量，人均水資源下降量與地區(qū)水環(huán)境生態(tài)風險均值呈負相關，響應系數(shù)分別為–2.091、–1.994；累積灌溉用水量、累積水土流失面積與地區(qū)水環(huán)境生態(tài)風險均值呈正相關，響應系數(shù)分別為3.690、6.185。

3.2.3 社會生態(tài)風險響應分析 塔里木河流域社會生態(tài)風險均值為0.028 5，1990—2015年草地資源減少量合計245.85萬hm2，森林資源減少量合計22.12萬hm2，土地沙化面積合計48.52萬km2，荒漠化土地總面積53.45萬km2(表9)。SPSS線性回歸顯示：草地資源減少量、森林資源減少量與地區(qū)社會生態(tài)風險均值呈負相關，響應系數(shù)為–0.232，–6.620；土地沙化面積、荒漠化土地總面積與地區(qū)社會生態(tài)風險均值呈正相關，響應系數(shù)為9.617，23.263。

表8 1990—2015年未利用地農業(yè)生產開發(fā)水環(huán)境生態(tài)風險源累積量

表9 1990—2015年未利用地農業(yè)生產開發(fā)社會生態(tài)風險源累積量

4 結論與建議

1) 本文以塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)生態(tài)風險為研究對象，構建生態(tài)風險評價體系，運用SR(狀態(tài)-響應)模型和生態(tài)指數(shù)法，完成183塊農業(yè)生產開發(fā)地塊生態(tài)風險評價，從縣域和單元兩個層次進行空間分析，得到以下結論：高風險集中帶有阿克蘇高風險帶，單元RImean為0.432 2；墨玉縣高風險帶，單元RImean為0.476 2；伽師縣高風險帶，單元RImean為0.512 5。

2) 未利用地農業(yè)生產開發(fā)土壤風險較高的集中在新和縣、墨玉縣與洛浦縣臨界地帶，風險程度達0.11；水環(huán)境生態(tài)風險較高的地區(qū)分別在庫車縣與新和縣交界處、民豐縣與于田縣交界處等地，前二者平均生態(tài)風險值分別為0.043 2、0.041 5；社會生態(tài)風險較高的地區(qū)位于輪臺縣東北部與焉耆回族自治縣交界處、阿瓦提縣與溫宿縣交界處等地，前二者社會生態(tài)風險平均值分別為0.037 5、0.035 3。

3) 塔里木河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)風險管控思路和建議：①數(shù)量管控。塔里木河流域1990—2015年新增耕地合計157.92萬hm2，占后備土地資源的17.86%。由于土壤生態(tài)風險、水環(huán)境生態(tài)風險和社會風險評價指數(shù)都與未利用地農業(yè)生產開發(fā)面積有很高的線性相關性，建議對未利用地農業(yè)生產開發(fā)數(shù)量實施嚴格把控，降低生態(tài)風險發(fā)生的基數(shù)和范圍[16]。②布局管控。從流域新增耕地層面看，1990—2015年葉爾羌河流域的未利用地農業(yè)生產開發(fā)現(xiàn)象最為顯著，開都河與孔雀河流域、喀什噶爾河流域與和田河流域未利用地農業(yè)生產開發(fā)現(xiàn)象較少，建議葉爾羌河流域調整農業(yè)生產結構和土地利用結構，降低農業(yè)生產附帶的生物性、化學物理性生態(tài)威脅；適當?shù)臈l件下遵循生態(tài)退耕或宜荒則荒的生態(tài)原則，縮小農業(yè)生產邊界，減緩土地生態(tài)風險蔓延的步伐。③時序管控。1990-—2015年期間，全疆新增耕地210.05萬hm2，塔里木河流域新增耕地157.92萬hm2，占全疆耕地增量的75.18%，并以2005年為拐點開始快速增長。建議實施更為嚴格和精準的耕地后備資源潛力評價，將生態(tài)風險評價與預測納入范疇。從地區(qū)生態(tài)-社會-經濟-人口、糧食安全與農產品價格、扶貧與生態(tài)保護角度，編制具有跨區(qū)綜合指導意義的未利用地開發(fā)規(guī)劃，科學有序地安排中長期后備耕地資源的開發(fā)計劃，實現(xiàn)區(qū)域間環(huán)境修復與利用的可持續(xù)發(fā)展[17]。

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Study on Ecological Risk of Unused Land Reclamation in Tarim River Basin

JIAO Wei1, LIU Xinping1*, WU Rongwei2, LIANG Lingxia1, ZHANG Lin1

(1 College of Management, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2 Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011, China)

Potential ecological risk exists in local area due to the ecological vulnerability and the absoluteness of unused land reclamation in agricultural development process in Tarim River Basin. This paper selected Tarim River Basin as the study area, and assessed soil, water environment and social ecological risks resulted from unused land reclamation by using the methods of AHP and ecological risk index. The following conclusions were obtained by response analysis and the cumulation of risk sources at county scale: 1) Ecological risk is higher in Baicheng, Akesu, Wushi, Kashi and Alar, while is lower mainly in the belts of Ruoqiang-Qiemo, Atushi-Wuqia, Pishan, Yengisar-Shache. 2) Soil ecological risk is higher in the critical zones of Xinhe, Moyu and Luopu, water ecological risk is higher in the boundary between Xinhe and Kuche, ecological risk value was 0.043 2, and social ecological risk is higher in the boundary between the northeast of Luntai and Yanqi, the boundary between Awati and Wensu, and the boundary between the southwest of Atux and Kashi.

Unused land; Reclamation; Risk assessment; AHP; Tarbgsim River Basin

國家自然科學基金項目(71663051)資助。

通訊作者(lxping16@163.com)

焦偉(1990—)，男，河南人，碩士，研究方向為土地利用與規(guī)劃。E-mail：495791013@qq.com

U412.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.026