耕地面源污染的生态风险评价指标体系探讨与防控—以新疆昌吉州为例

原伟鹏，刘新平，陈 玉

（1.新疆大学 经济与管理学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆农业大学 管理学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆社会科学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

保护耕地生态系统的重要性是由中国耕地资源的稀缺性国情决定的，伴随农业机械化和现代化进程的不断推进，必然面临耕地资源利用、环境保护与生态平衡的多重压力和矛盾，加之农业化肥、农药、农膜的投入数量和施用强度不断提升，导致耕地的农业生产能力即将临近“天花板”，导致开发利用强度过猛、土壤生态环境失衡和资源供需矛盾激化的严峻耕地面源污染问题，可能存在粮食产业难以持续发展的经济风险、耕地污染退化的生态环境风险以及因农产品质量安全引发的重大社会风险。中央一号文件已连续16年聚焦粮食质量安全于首位，尤其强调坚持耕地资源数量、质量、生态“三位一体”的保护新格局，特别是加强农业面源污染防治力度和落实化肥农药零增长或负增长行动，以供给侧结构性改革为主线全面夯实耕地的高质量保护与发展根据，促进全面建成小康社会和乡村振兴。

目前，对面源污染现状的调查分析、生态环境的风险评价以及面源污染的防控、治理和修复引人关注。对于面源污染的研究区域大多局限于三峡库区[1]、太湖流域[2]、水库[3]等典型区域，对于西北地区的干旱半干旱的广大地域缺乏相应的研究；研究面源污染的风险源主要有化肥[4]（氮磷钾）、农药[5]（有机磷、酰胺类等）、重金属（铅、镉、铬等）[6-10]等，但较少涉及新疆棉花主产区的废弃残膜对于耕地面源污染的研究；较为成熟的生态风险评价方法主要有层析分析法、熵值法、P-S-R模型、神经网络、生态位模型、生态足迹法等[11-15]。国内的专家、学者在面源污染的数据调查分析、风险源辨识、研究方法开发、区域风险评价、防控思路框架、治理举措等多个方面的诸多建树[16-19]，为耕地面源污染的风险评价指标体系探讨打下良好铺垫，提供了详实的理论基础和借鉴参考。但由于不同区域的风险源类型、地貌地形条件、土壤水文状况、社会经济发展等诸多因素具有差异性，因此探索适合新疆干旱半干旱地区耕地面源污染的生态风险评价指标体系和防控措施显得十分必要和迫切。

昌吉回族自治州（本文简称昌吉州）作为新疆粮食、优质棉花畜产品和蔬菜的主要生产基地，近十几年来耕地受水资源匮乏、土壤贫瘠、盐碱化、风沙化等因素制约，加之农户大量施用化肥、农药等生产活动影响，耕地生态系统退化和环境质量下降的问题日益凸显。因此，昌吉州作为中国新疆省会乌鲁木齐的“卫星城”，掌握当前污染水平下昌吉州研究区域内耕地资源的空间分异格局，确定化肥、农药和农膜污染源与耕地的相互关系，初步探讨构建耕地面源污染生态风险评价体系与防控治理体系，为昌吉州研究区域内耕地风险评估和风险管理奠定前期的理论基础，对于完善耕地污染风险防控与环境问题治理的专项规划，破解农产品供给端“量”与“质”的两难困境具有理论价值与实践意义。

一、研究区概况

（一）研究区概况

昌吉州地理位置位于北纬43°20′-45°00′，东经85°17′-91°32′的天山北麓、准噶尔盆地东南缘，地处天山北坡经济带和乌昌石城市群的核心发展区域，具有得天独厚的区位优势。昌吉州总面积7 348 395.04 hm²，包括2个县级市（昌吉市、阜康市）和5个县（玛纳斯县、呼图壁县、吉木萨尔县、奇台县、木垒哈萨克自治县），具体行政区概况如图1所示。

图1 昌吉州地理位置图及耕地土壤监测点分布

昌吉州2017年末耕地总面积70.05万 hm²，其中90%以上为水浇地，2017年末昌吉州人口为140.61万人，人均耕地面积为0.53 hm²。其中，2007—2008年，因第二次全国土地调查的耕地库更新，昌吉州新开发的大量耕地逐渐显现；2008—2017年间昌吉州耕地面积年均稳定在64.04万 hm²，人均耕地面积平均稳定在0.45 hm²。变化趋势如图2所示。

（二）耕地面源污染风险源发展形势

1.化肥污染

2007—2017年十年间昌吉州年均化肥施用总量（折纯）在总体上呈逐年增长态势，年平均增长率为10.08%，总体提高了108.37%。从化肥使用种类看，氮肥约占化肥施用总量的49.55%，施用量最多；其次为磷肥和复合肥，分别约占化肥施用总量的22.2%和23.35%；钾肥施用量最少，为4.90%。从变化趋势看，2007—2017年间昌吉州氮肥总体上不断提高，磷肥施用量和钾肥施用量稳中有升，复合肥使用量基本趋于稳定。结合耕地监测的土壤样本数据，耕地土壤中的全氮含量增长最大，提高了170.00倍；耕层含盐量和有机质含量次之，提高了10.00倍；速效钾和速效磷含量分别提高了1.67倍和2.92倍，大量的化肥施用导致耕地土壤养分已得到极大地提升，但因新疆水资源严重匮乏，耕地土壤盐碱化形势却日趋严重。

2.农药污染

图2 2007—2017年昌吉州耕地与人均耕地变化

2007—2017年间昌吉州年均农药使用总量为2.89万t，年均使用量为1 727.24 t，单位耕地面积的年均使用量为2.89 kg/hm²。从时序变化趋势总体分为两个时期：2007—2013年，农药使用量因耕地面积变化而处于波动下降阶段；在2013—2017年，新疆农牧业现代化建设规划纲要的出台，农药使用量趋向减少稳定状态。结合耕地监测的土壤样本数据，昌吉州耕地土壤样本中的有效铜、有效锌、有效锰、有效钼和有效镉等重金属含量都有所增加，由于多年来工业废水直接排放、生活污水农业灌溉和超量农药喷洒，有效镉（11.60～17.10 mg/kg）和有效铜（2.19～3.15 mg/kg）的增加最多，增加率分别为47.00%和44.00%。耕地的重金属污染因长时间累积，具有潜伏性强、污染范围广和难以降解逆转的特性，危害极大，不容小觑。

3.农膜污染

2007—2017年昌吉州农膜使用总量整体上呈大幅上涨态势，总增长提高87.27%，年均增长率为8.73%，农膜覆盖面积占总播种面积的85%以上。据实地调研结果，农村普遍使用的农膜是厚度为0.007 mm单位的超薄膜，易破碎，难回收，加之中后期回收措施的不到位、不及时，使得残膜回收率普遍不足30%，估计每公顷农膜的残留量大约提高了15倍，远高于国家和国际水平。自上世纪90年代以来，新疆地膜的“白色革命”已经逐渐演变为触目惊心的“白色灾难”。

二、数据来源与模型构建

（一）数据来源

本文相关数据均来源于新疆统计年鉴（2008—2018年）、昌吉回族自治州统计年鉴（2008—2018年）、1980年全国第二次土壤普查数据和2017年新疆耕地质量等别年度监测数据（包括数据shap底图）。耕地面源污染往往经过几十年积累才能呈现明显的变化，本文主要针对30多年来的耕地土壤面源污染的生态风险尝试构建评价体系与防控体系。

（二）模型构建

1.指标权重的确定

本文采用客观科学的熵权法计算权重方。“熵”表示物质无序程度的物理热力学概念，信息是有序程度的度量，信息熵与其提供的信息量大小呈反比关系。通过建立相关判断矩阵，计算指标权重[20]。首先，由于各指标量纲的差异性，各个指标并不在一个数量级，相差较大，进行数据的标准化，负向指标通过式（2）进行归一化处理。

式中：Yij为评价指标标准化值；Xij为指标的初始值；max{xij}是评价指标最大值。

其次，计算第i年份第j项指标值的熵值。

再次，计算指标信息熵。

最后，计算指标权重。

式中：Xij表示第i年第j项评价指标的数值，min{xj}和max{xj}分别为所有年份中第j项评价指标的最小值和最大值。

2.TOPSIS分析模型

TOPSIS也称“逼近理想解的距离综合评价法”，是一种多目标决策的系统科学方法[21]。核心思想是首先定义正理想解和负理想解的距离，然后评估目标与理想解的相对贴近度/偏离度，从而进行生态风险强弱的评价。通过将成本型指标（越小越好）、效益型指标（越大越好）的原数据进行归一化处理，运用熵权法确定权重可以有效消除主观因素影响。接下来步骤如下：

首先，根据评价指标体系计算加权矩阵

再次，计算各每个县市评价向量与正理想解V+和负理想解V-的欧式距离。dij为第i项指标第 j 年的加权规范化值。

最后，计算各县市耕地面源污染生态风险与最优解的相对贴近度。

式中，贴近度R的值介于0～1，相对贴近度R用来衡量与最佳解的贴近程度。因本文代表风险值，因此，R的值越小越好。

3.评价体系构建

根据信桂新的相关研究[22]，基于TOPSIS模型构建昌吉州面源污染的评价体系，耕地面源污染主要受到农业生产资料投入、农业灌溉、水文、生物、土壤条件、地形地貌等诸多方面要素的影响[23]。在充分考虑数据的可获得性，结合调研期间所见所闻所感，参考中国知网检索“耕地生态风险”或“耕地生态安全”引用频次高的核心文献，考量自然、经济和社会三方面的指标，向相关专家咨询与讨论后，最后选出典型代表的13个评价指标作为耕地面源污染生态风险评价指标。具体如表1所示。

表1 耕地面源污染生态风险评价指标体系†

三、计算结果与分析

（一）TOPSIS分析结果

基于TOPSIS分析模型，得出昌吉州玛纳斯县、昌吉市和呼图壁县相对贴近度较大，排序靠前；而奇台县、木垒哈萨克自治县的相对贴近度较小，排序靠后；阜康市和吉木萨尔县则处于中间等级，如表2所示。

表2 基于TOPSIS模型的昌吉州七县市生态风险相对排序

（二）风险评价标准

通过参考国际、国内以及农业行业规定的相关标准，包括国际公认的化肥施用安全上限225 kg/hm²、《农用地质量分等规程》（GBT 28407-2012）、《中国人民共和国农业行业标准》（NY/T 238-94）等，具体指标包括单位耕地农用化肥施用量、单位耕地农药投入、耕层土壤含盐量、速效钾、全氮、土壤PH、速效磷；研究区本底背景值包括有效灌溉保证率、单位耕地农膜覆盖面积、人均纯收入、单位面积粮食产量、农民人均农业机械拥有量、经济密度。具体标准如表3所示。

表3 昌吉州耕地面源污染生态风险评价等级标准

根据国内外耕地土壤相应指标的归一化的标准值，计算出适合昌吉州耕地面源污染生态风险评价的贴近度标准R值，运用李克特五级量表法进行耕地生态风险的等级分类及具体描述，如表4所示。

表4 昌吉州耕地面源污染生态风险等级分级及描述

（三）生态风险评价

依据昌吉州耕地面源污染生态风险评价等级标准，基于宏观尺度视角将昌吉州7县市耕地面源污染生态风险等级分为三类，利用ARCGIS可视化工具和各县市shap底图较为直观地显示昌吉州各县市耕地面源生态风险的空间等级图（图3）。

图3 昌吉州各县市耕地生态风险等级布局

综上，昌吉州耕地面源污染的生态风险强度区主要分布于昌吉州的西部，耕地生态系统处于恶劣或较差状态，包括昌吉市、呼图壁县和玛纳斯县。三县行政区域面积为2 665 662.48 hm²，占昌吉州总面积的36.28%，其中区域内的耕地总面积为332 108.86 hm²，占昌吉州耕地总面积的52.78%。耕地面源污染的生态风险中度区主要分布于昌吉州中部的大片区域，耕地生态系统虽结构基本完整，但部分生态服务功能已有退化，且受到外界干扰不易恢复，包括阜康市、吉木萨尔县。两县区域内的耕地总面积为104 205.55 hm²，占昌吉州耕地总面积的16.56%。耕地面源污染的生态风险轻度区主要分布于昌吉州最西部的奇台县和木垒哈萨克自治县，耕地生态系统处于良好或理想状态。两县行政区域占地面积为3 015 669.30 hm²，占昌吉州总面积的41.04%，其中区域内的耕地总面积192 941.00 hm²，占昌吉州耕地总面积的30.66%。

（四）影响因素分析

1.产业经济发展与新型城镇化是根本原因

昌吉市、呼图壁县和玛纳斯县三县作为昌吉州经济社会发展较为发达地区，随着新型工业化、现代农业化进程和新型城镇化高企发展，乡镇加工业急速扩张，资源型初级加工企业纷纷办厂；商业区、楼盘开发也与城镇道路、绿地等基础配套设施砥砺推进，城镇化面貌日新月异。昌吉市作为昌吉州州府所在地，与乌鲁木齐市毗邻，交通发达便利，是昌吉州工业产业相对集中、发展发达的地区，城市化水平较高，大量人口数量、产业快速发展的背后是超量的废气、废水、废渣等废弃物排放，耕地资源必将面临较为严峻超负荷的面源污染生态风险；昌吉市作为国家级农业科技园区，是新疆唯一兼具农业产业化和畜牧业产业化示范城市，农业现代化发展的基础较为深厚，农业机械化水平和农业种植能力进一步提升。因此，各县市经济发展水平、产业结构和城镇化水平的发达程度是耕地面源污染生态风险高低的根本因素。

2.农业现代化中农民的生产与生活方式是直接原因

玛纳斯县与呼图壁县农业生产主要以小农场种植、特色奶制品牲畜养殖和林木花卉等苗种业为主，农业机械化程度较高，农业专业合作社和农业服务发展较快。根据亚当·斯密“经济人”思想，农户出于农户理性经济人追求个人利益最大化的目的，为增加个人和家庭纯收入，最直接的办法是提高耕地粮食产量，必然造成农户向有限的耕地资源投入过量的农药、肥料和农膜等农业生产资料，往往导致耕地土壤养护和休养十分欠缺。耕地经多年耕作累积，土壤中的因农药喷洒导致重金属累积含量相对较高，塑料农膜等塑料制品难以回收和降解，造成耕地土壤板结化；新疆大规模长期滴灌种植推广也会引起耕地土壤的盐碱化较为严重。基于此，耕地生态面临的生态污染风险的承载能力恐怕已饱和，在濒临崩溃的边缘徘徊。

3.水文水利自然地理与资源条件是间接因素

客观分析，由西到东昌吉州耕地面源污染生态风险呈现由强变弱的总体变化趋势，这与昌吉州降水量高低分布和河流西北向东南流向的作用机理传播途径关系密切。阜康市位于乌鲁木齐以东，吉木萨尔县西与阜康市接壤，两县境内有水磨河、三工河、甘河子河、二工河、白杨河等多条河流，水资源也较为充裕。加之昌吉州东部县市的有效灌溉保证率远高于西部县市，在水资源的循环和流动作用下，耕地面源污染的有毒有害污染物会“由北向南、由西向东”随之扩散和转移，主要是通过农田斑块、廊道和基质景观的地表径流、渗透和地下水的循环流动，以及生物群落中动植物食物链的能流、物流和信息流交换和变化，以循序渐进和潜移默化的方式影响着耕地生态系统的结构、过程和功能。此外，种类繁多的野生植物、广阔的天然草原、较高的森林覆盖率和北部沙漠广泛的沙生植被形成“天然净化反应堆”，耕地土壤对于面源污染的自净作用和环境承载能力大幅提高。所以，相比同样与乌鲁木齐接壤的昌吉市，耕地面源污染的风险水平和程度相对较低。

4.耕地所处周边生态环境的基础环境是重要因素

奇台县南北纵距较长，地势中间低，南北高，呈马鞍形状，融沙漠戈壁、绿洲山谷、草原森林和冰雪等自然风貌景观于一体，形成地形地貌复杂多变的独特地理环境；木垒哈萨克自治县作为全国三个哈萨克自治县之一，境内居住着哈萨克族、维吾尔族、回族、柯尔克孜族、蒙古族、锡伯族、满族、塔塔尔族、俄罗斯族、朝鲜族、藏族等14个民族，两县境内主要以牧业为主的大农业生产，牧业产值高于农业种植业产值，农业收入主体主要来源于丰富的旅游资源，对于耕地资源的人为开垦破坏较弱，自然养护较好。正因保存较为完整的原始景观格局和相对平衡的原生态环境，以及少数民族风俗为主的生产活动和生活方式，使得人类的开发利用活动与自然生态循环在一定程度上达到了统一与均衡，耕地面源污染的风险水平较低。

四、结论与防控

通过构建昌吉州耕地面源污染生态风险评价指标体系，在实证评价分析的基础上，可获得以下结论：1）新疆昌吉州耕地面源污染化肥、农药、农膜的风险源数量、分布、影响程度及状况在2007—2017年时序段使用量总体逐年大幅增加，呈现未来连续递增态势；2）新疆昌吉州耕地面源污染的风险等级在空间上存在明显分区异质性，生态风险特点为“东西两极分化”，地域上连片抱团集聚，呈现“东高西低、南高北低”的显著分布规律与特征；3）昌吉州各县市生态风险等级与区域差异性的自然、社会和经济影响因素有关，究其深层原因，耕地面源污染的生态风险与区域社会经济发展、农民的生产生活方式、水文水利条件、地理位置、生态环境基础状况等因素关系密切。基于此，为推进耕地面源污染的防控、管理、治理和修复，针对性地提出以下几点防控措施：

第一，通过布设统一、完备的耕地土壤实时监测点，摸清耕地土壤污染状况家底，加强耕地面源污染源的控制和管理。深入开展耕地面源污染状况详查，特别是永久基本农田、基本农田和高标准农田等优质耕地，特别是增加对于耕地化肥、农药和农膜污染的面积、分布、程度及其对农产品质量安全的影响，通过加快推进耕地面源污染防治法、农产品质量安全、农药管理条例等相关法律法规，细化农用地污染地块管理办法与处置办法，推进完成耕地土壤污染防控相关法律法规体系的建立。开展未污染耕地的防范保护，根据不同地区耕地生态环境的承载能力，加强区域规划区划和建设项目空间布局的管控，促进污染耕地环境的改善、治理和修复。

第二，加大对于农村地区农户耕地面源污染防治的技术指导、教育培训与普法宣传力度。定期举办对于耕地污染危害、防治的法制宣传和教育培训，充分发挥广播、电视、报纸、互联网和移动通讯等传播媒介作用，特别是以传统小册子培训、视频培训、电影放映相结合的多种方式，促进宣传与教育活动常态化、深入化和长效化。开展“技术入户”“法律下乡”“知识进万家”等农村地区活动，提高农户对耕地污染危害的认知水平，牢固树立全民耕地保护的全面意识。根据土壤特性针对性地选择作物种植，推广科学均衡的测土配方施肥技术，科学指导农民减少或科学限定化肥使用量，提高化肥肥效，鼓励农户施用农家肥。科学研发和推广高效低毒低残留农药，并对农药包装废弃物进行统一回收处理，对耕地进行科学轮作、间作、轮休和适度退出的方式有效控制耕地污染的进一步迁移。在农膜使用上，强制推行新型的0.01mm以上的加厚农膜或生物降解农膜的应用，大力推广适期揭膜技术，采取人工和机械相结合的回收措施，降低农膜在土壤中的残留率。

第三，发挥政府主导和市场的金融杠杆作用，构建健全、规范、科学的资金运行体系。加大对耕地面源污染防治工作的财政支持力度，设立耕地污染防治专项资金，主要包括保护性专项建设基金、激励性奖励基金和补偿性补贴基金。保护性专项建设基金优先用于粮食主产区优质耕地集中区耕地质量保护；激励性奖励基金用于耕地污染治理和修复的创新研发和推广应用；补偿性补贴基金主要指因耕地污染防治而损失一部分收入的经济补偿，比如对于蔬菜、水果和主粮农产品等绿色、无公害产品生产的农户设立一定金额的补贴资金。再者，通过公私合作（PPP）模式，积极发展社会资本参与耕地污染防治的绿色金融，引进保险公司作为耕地面源污染防治的第三方保障托底平台，有序开展耕地面源污染的治理与修复。

第四，因地制宜地进行差异化防控治理。依据耕地土壤的理化条件、地理水文、生产实际、立地条件，将纳斯县、昌吉市和呼图壁县划分为耕地生态综合治理区，主要措施有：控制化肥、农药和农膜的耕地面源污染源，实行减量化投入；创建无污染的、有机的、绿色的科技型农产品优质生产基地；进行退耕休耕、种草植树等自然自净功能改善，提升耕地生态系统的自我重建功能。有选择地将阜康市和吉木萨尔县耕地划分为农业创新转型区，主要手段包括：1）创新转型传统农业种植方式，探索适合实地特色的粮油优质区、蔬菜园地区、林果特色区、休闲农业区、旅游观光区、生态农业区等功能分区分块种植模式；2）探索耕地种植的布局调整优化，进行耕地用途和功能的分区管制，增加耕地生态系统的多样性和特色性。划分奇台县、木垒哈萨克自治县为基础设施提升区，主要手段有：1）科学规划灌溉、排水的配套水利基础设施，利用科学、生态种植提高耕地利用的综合生产能力；2）预先做好耕地生态防控治理工程，包括农田防护林、防护坎等，防止耕地规模种植对耕地生态系统结构生态功能的破坏，确保耕地面源污染源遏止于风险防控的摇篮之中。