陳文廣, 孔祥斌, 廖宇波, 王 軒, 宋福生, 溫良友, 張蚌蚌

(1.中國農業(yè)大學 土地科學與技術學院, 北京 100193; 2.自然資源部 農用地質量與監(jiān)控重點實驗室,北京 100193; 3.延川縣農業(yè)技術推廣中心, 陜西 延安 717200; 4.西北農林科技大學 經濟管理學院, 陜西 楊凌 712100)

耕地是氣候、土壤、地貌、權籍、利用和基礎設施等要素綜合作用而形成的以種植農作物為主的土地利用類型，是最寶貴的農業(yè)資源和最重要的生產資料，是維護國家糧食安全、經濟社會穩(wěn)定的基礎，是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、“藏糧于地”戰(zhàn)略的重要保障[1-4]。改革開放以來，我國經濟、社會快速發(fā)展，但也出現了耕地利用非農化、非糧化、破碎化、低效化等問題[5-6]，耕地數量不斷減少，質量下降嚴重[7-8]。2017年提出的《中共中央國務院關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》(中發(fā)〔2017〕4號)強調要著力加強耕地數量、質量、生態(tài)“三位一體”保護。耕地質量作為耕地保護的重要組成部分，是保障國家糧食安全和農產品質量安全的重要基礎[9]，因此，如何科學選取指標進行耕地質量評價、掌握耕地資源本底狀況，進一步實現耕地資源可持續(xù)利用、國家糧食安全和國家對耕地資源管理的目標，對耕地質量評價提出了新的、更高的要求。

隨著人類社會需求的多樣化轉變，國家對耕地質量管理需求發(fā)生了深刻變化，耕地質量的概念和內涵也在不斷豐富和發(fā)展[9-11]。當前對于耕地質量的認知存在自然屬性、自然—經濟雙重屬性以及多重屬性的3種質量觀[12]，學者主要從自然質量、環(huán)境質量、經濟質量、耕作條件、生態(tài)質量和農產品質量等方面界定耕地質量內涵[11-17]，并從立地條件、土壤性狀、耕作條件、生態(tài)環(huán)境、生物活性和可持續(xù)性等維度構建耕地質量評價指標體系[18-22]，極大地豐富了耕地質量的內涵與評價指標體系。原農業(yè)部頒布的《耕地地力調查與質量評價技術規(guī)程》、《耕地質量等級》、《耕地質量調查監(jiān)測與評價辦法》等規(guī)程，原國土資源部頒布的《農用地質量分等規(guī)程》、《農用地定級規(guī)程》、《土地質量地球化學評價規(guī)范》、《高標準農田建設評價規(guī)范》等規(guī)程和原環(huán)境保護部頒布的《土壤環(huán)境質量標準》規(guī)程分別從耕地地力和土壤環(huán)境質量[13]、耕地生產能力[23]、耕地環(huán)境和健康[9]等角度進行了耕地質量評價。從現有國家規(guī)范看，各部門制定的標準只側重耕地的某個層面，致使對耕地質量關注和管理的碎片化，無法形成監(jiān)測監(jiān)管的協(xié)同[24]；現有評價體系已不能滿足國家對耕地精準決策管理需要，不能充分反映土地整治和高標準農田建設工作的成效。

2017年，中共中央、國務院提出要建立健全耕地質量評價制度，完善評價指標體系和評價方法。2018年，自然資源部在總結江西奉新縣、河北黃驊市、內蒙古托克托縣等12個縣(市、區(qū))試點工作的基礎上，形成了《耕地質量調查監(jiān)測評價(試用稿)》(以下簡稱《試用稿》)，并應用到黑龍江和江蘇全省的耕地質量評價以及其他各省試點縣的耕地質量評價。《試用稿》綜合耕地的生產力水平、健康狀況、耕作效率以及可持續(xù)狀況等層面，建立了一套開放包容、科學系統(tǒng)、與國際體系接軌和管理體制相適應的耕地質量評價指標體系，能較好地滿足全球可持續(xù)發(fā)展目標、國家糧食安全戰(zhàn)略、人類社會需求和國家對耕地質量管理的需要。但是，由于我國氣候、地貌、土壤條件復雜多樣，區(qū)域耕地資源稟賦差異大，迫切需要建立更加符合不同生態(tài)區(qū)耕地質量特點的評價指標體系，并驗證《試用稿》中評價指標體系的科學性。本研究在對黃土高原區(qū)實地調研的基礎上，以延川縣耕地圖斑為研究對象，結合改進前后的評價指標體系進行對比研究，以期為建立一套適合黃土高原區(qū)耕地質量評價的指標體系提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

延川縣地處黃土高原腹部，位于北緯36°37′15″—37°5′55″，東經109°36′20″—110°26′44″，屬陜北黃土丘陵殘塬溝壑區(qū)。東臨黃河，與山西省永和縣隔河相望，北接榆林市清澗縣，西北毗鄰子長縣，西連寶塔區(qū)，南靠延長縣。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫10.6℃，夏季炎熱且降雨集中，冬季寒冷干燥。海拔高度508.5～1 402.6 m，地勢自西向東傾斜，土壤以黑壚土和黃綿土為主，區(qū)域內土層深厚、土質疏松，植被稀疏，是黃河中上游水土流失重點縣之一[25]。長期的流水侵蝕導致延川縣粱峁起伏、耕地支離破碎且田面極其不平整，土壤中有機質和養(yǎng)分元素含量較低，土壤貧瘠?？h境降水量不足，年降水量為450～550 mm，且時空分布不均。清澗河是黃河在縣境內的主要干流，河流總長169.9 km，流經本縣4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。總土地面積1 983.87 km2，其中耕地面積為30 686.54 hm2，糧食產量較低，自然災害頻繁。

1.2 數據來源與處理

研究數據包括：(1) 延川縣2016年耕地質量等別年度更新數據，獲取田面坡度、有效土層厚度、耕層質地、田塊狀況、灌溉保證程度、土壤侵蝕程度等數據；(2) 2019年9月實地調查和取樣的51個采樣點(圖1)，實地獲取障礙層距地表深度、土壤pH值、土體構型和土壤蚯蚓等數據，實驗室土樣化驗獲取有機質含量、土壤容重、土壤養(yǎng)分元素、土壤重金屬數據；(3) 中國海拔空間分布數據，來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(http:∥www.resdc.cn)，數據類型為柵格，數據精度為30 m×30 m，并結合實地調研確定地形部位數據；(4) 部門走訪數據，獲取排水條件、灌溉水環(huán)境質量數據。田間道路通達度數據利用2016年耕地質量等別年度更新數據庫中的道路線狀數據和耕地圖斑數據進行緩沖區(qū)分析獲取。依據陜西省延川縣2016年耕地質量等別年度更新數據，提取18 817個耕地圖斑作為評價單元，總面積30 686.54 hm2，包括旱地30 502.02 hm2、水澆地184.52 hm2。

圖1 延川縣采樣點空間分布

2 耕地質量評價

2.1 指標體系改進

《試用稿》中確定的指標體系融合了現有農用地分等定級指標、耕地地力指標、土壤環(huán)境指標和地球化學調查指標等，具體包括耕地的地形特征、土壤性狀、耕作條件、健康狀況以及生物特性5個方面(表1)。

表1 改進前的黃土高原區(qū)耕地質量評價指標體系

土壤性狀維度中，延川縣2016年耕地質量等別年度更新數據顯示，有效土層厚度在149～160 cm且區(qū)域分異明顯，深厚的土層造成障礙層距離地表深度普遍較深；實地調查結果表明，障礙層距地表深度普遍在60 cm以上，指標得分為100分，且《農用地分等規(guī)程》中并未考慮該指標，因此，剔除了障礙層距地表深度指標。黃土高原區(qū)水土流失較嚴重，延川縣作為黃河中上游水土流失重點縣之一[25]，長期的水土侵蝕造成土壤中有機質和有益元素大量流失，因此，增加了土壤侵蝕程度指標，表示土壤侵蝕發(fā)展相對階段或相對強度的差異，用單位面積和單位時間內土壤的流失量來表示[26]。因此，土壤性狀維度最終保留有效土層厚度、有機質含量、耕層質地、土體構型、土壤容重、土壤養(yǎng)分狀況、土壤pH值、土壤侵蝕程度指標。

耕作條件維度中，田塊狀況指標包括田塊形狀指數、田塊內部高差和田塊規(guī)模3個因子，地形特征維度中的田面坡度指標對田塊內部高差有較大影響，相關系數為0.54；田塊形狀指數對耕作效率影響較小，且延川縣田塊形狀較規(guī)整；地塊破碎度表示耕地地塊的破碎化程度，黃土高原區(qū)耕地支離破碎且延川縣耕地破碎化指數(FS)為0.13～0.53，耕地較破碎，因此，將原來的田塊狀況指標替換為田塊規(guī)模，并增加地塊破碎度指標。區(qū)域內排水設施較差，但黃土高原區(qū)降雨少，且土質疏松，自然排水能力較強，因此，將排水條件指標替換為排水能力，表示農田保證作物正常生長，及時排除地表積水，有效控制和降低地下水位的能力。耕作條件維度最終包括灌溉保證程度、田塊規(guī)模、地塊破碎度、排水能力、田間道路通達度和耕作距離6個指標。破碎化指數(FS)計算公式如下：

(1)

(2)

式中:MSI為地塊平均形狀指數;Ji為第i個耕地地塊的周長；Ai為第i個耕地地塊的面積；N為耕地地塊數量。

2.2 指標權重確定

運用層次分析法和專家打分法綜合確定指標權重。根據地形特征、土壤性狀和耕作條件的相對重要性構建判斷矩陣，求取判斷矩陣的最大特征值及該特征值所對應的特征向量，該特征向量即為這一層次的元素所對應的權重值[27]；再采用兩兩比較的方式確定各層次內要素相對重要性，從而構建判斷矩陣確定評價指標權重；同時結合專家打分法確定的指標權重對層次分析法獲得的量化結果進行修正，最終得到各指標層的權重(表2)。

表2 改進后的黃土高原區(qū)地形特征、土壤性狀、耕作條件維度評價指標權重

2.3 評價方法

2.3.1 地形特征、土壤性狀、耕作條件指數計算 利用指數和法，分別計算地形特征指數、土壤性狀指數、耕作條件指數。計算公式如下：

(3)

式中:G為地形特征指數；S為土壤性狀指數；T為耕作條件指數；Wi為第i個指標權重；Fi為第i個指標的分值；n為每個維度評價指標個數。

2.3.2 健康狀況系數計算 考慮到土壤重金屬和灌溉水環(huán)境質量在一定的范圍內不會使作物減產，但是會顯著降低農產品品質、污染環(huán)境，并沿著食物鏈進入人體，危害人體健康。因此，耕地質量評價中的耕地健康系數(H)采用“1+X”的累加模型，即以未受到污染的耕地為基準“1”，依據土壤重金屬和灌溉水環(huán)境質量對應分級標準進行累加。

土壤重金屬污染采用內梅羅綜合指數法計算。計算公式如下：

(4)

(5)

式中:P為土壤重金屬污染指數；Pi為土壤中重金屬i的單因子指數；Ci為重金屬i的實測含量(mg/kg)；Oi為重金屬i的評價標準值(mg/kg)；n為土壤重金屬元素的個數。

灌溉水環(huán)境質量采用單因子法進行計算。計算公式如下：

(6)

式中:Ki為評價指標i的灌溉水水質評價指數；Ui為灌溉水中評價指標i的實測含量(mg/kg)；Ri為灌溉水中評價指標i的評價標準值(mg/kg)。

2.3.3 生物特性系數計算

(7)

式中:B為生物特性系數；ai為第i個地塊生物特性綜合值。

2.3.4 耕地質量指數計算 采用乘積法，將耕地質量指標分層綜合，地形特征、土壤性狀、耕作條件構成自然質量層，作為耕地質量評價的基礎，生物特性和健康狀況作為系數修訂層，修訂自然質量層。計算公式如下：

Q=(G+S+T)·H·B

(8)

式中:Q為耕地質量指數；G為地形特征指數；S為土壤性狀指數；T為耕作條件指數；H為耕地健康系數；B為生物特性系數。

3 結果與分析

3.1 指標體系改進前

3.1.1 耕地質量 依據2.3節(jié)的評價方法計算延川縣耕地質量指數，利用ArcGIS軟件的空間分析功能，形成耕地質量等別空間分布圖(圖2)。

圖2 指標體系改進前耕地質量等別

評價結果顯示，延川縣耕地質量指數為16.82～25.55，面積加權平均值為19.09，按照《試用稿》中確定的等間距法將耕地質量指數分為[0,25)，[25,50)，[50,75)，[75,100]4個區(qū)間，分別代表低等地、中等地、良等地和優(yōu)等地。根據延川縣耕地質量指數可知，延川縣耕地質量有中、低2個等別。中等地面積為74.28 hm2，占耕地總面積的0.24%，主要分布在地勢低平的川地；低等地面積為30 612.26 hm2，遍布于整個縣域范圍內。

3.1.2 耕地質量指數與國家自然等指數相關關系 為驗證耕地質量指數的實用性和準確性，將各耕地圖斑的耕地質量指數與2016年耕地質量等別年度更新數據中的國家自然等指數進行相關分析，并利用線性、對數、指數、乘冪、多項式5種基本模型進行擬合(圖3)。

由圖3可知，耕地質量指數與國家自然等指數之間存在較好的正相關關系，多項式模型擬合效果最好，相關系數為0.80。農用地分等是依據全國統(tǒng)一制定的標準耕作制度，以指定作物的光溫(氣候)生產潛力為基礎，通過對耕地的自然質量、利用水平、經濟水平逐級訂正后綜合評定耕地質量差異[10]，評價結果可信度高。耕地質量等別年度更新數據是在農用地分等基礎上進行的，因此，基于《試用稿》得出的評價結果能夠較好地反映區(qū)域耕地質量狀況。

圖3 指標體系改進前耕地質量指數與國家自然等指數相關關系

3.2 指標體系改進后

3.2.1 耕地質量 采用上述方法確定改進后的評價指標權重，并采用2.3節(jié)中確定的方法計算延川縣耕地質量指數，結果表明(圖4)，延川縣耕地質量指數為16.89～26.28，面積加權平均值為19.49，中等地和低等地面積分別為358.82，30 327.72 hm2，占耕地總面積的比例分別為1.17%，98.83%。整體來看，地形特征在縣域范圍內差異較大；耕地支離破碎、土壤有機質和養(yǎng)分元素含量低，土壤容重區(qū)域分異明顯，有效土層較厚；灌溉保證程度低、田塊規(guī)模較小，田間道路通達度指數在村尺度上差異較大，農業(yè)現代化水平低；縣域范圍內無土壤重金屬污染和灌溉水污染，耕地健康狀況好；區(qū)域內生物特性指數較低。

具體而言，中等地多分布在馮家坪鄉(xiāng)、關莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、延川鎮(zhèn)和楊家圪臺鎮(zhèn)，賀家灣鄉(xiāng)、馬家河鄉(xiāng)也有零星分布，耕地多位于地勢平坦的川地，土壤有機質含量較高，結構較好，且質地為壤土，蓄水保肥能力強；田塊規(guī)模較大，灌溉保證程度相對較高，耕作條件較好，但是生物特性較差。低等地在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積分布，耕地田面坡度較大，有機質含量低、質地較差，灌溉保證程度低、田塊規(guī)模小且田間道路通達度差，生物特性較差。

3.2.2 指標體系改進前后耕地質量指數對比分析 指標體系改進后的耕地質量評價結果較改進前而言，耕地質量指數整體上呈現出上升的趨勢(圖5)。耕地質量指數提高的耕地面積為26 992.67 hm2，占耕地總量的87.96%，在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積的分布；造成耕地質量指數上升的主要原因是耕地規(guī)模較好，改進后的評價指標體系中田塊規(guī)模指標分值比田塊狀況指標分值高，排水能力指標得分較排水條件指標得分大幅提升，近年來植樹造林工程有效減緩了土壤侵蝕，土壤侵蝕程度指標分值較高。耕地質量指數降低的耕地面積為3 693.87 hm2，占耕地總量的12.04%，主要分布在馮家坪鄉(xiāng)、關莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、文安驛鎮(zhèn)、楊家圪臺鎮(zhèn)和禹居鎮(zhèn)；造成耕地質量指數降低主要原因是新增指標中的田塊規(guī)模小、地塊破碎化程度高。

圖4 指標體系改進后耕地質量等別

圖5 指標體系改進前后耕地質量指數對比

3.2.3 耕地質量指數與國家自然等指數相關關系 將各耕地圖斑的耕地質量指數與國家自然等指數進行相關性分析可知，指標體系改進后的線性、對數、指數、乘冪、多項式模型的相關系數均高于指標體系改進前(圖6)。其中，多項式模型的相關系數最大，為0.88，改進后的指標體系更能真實地反映區(qū)域耕地質量狀況。

3.2.4 耕地質量指數與國家自然等指數歸一化值差距分析 延川縣2016年耕地質量等別年度更新工作選取了有效土層厚度、表層土壤質地、土壤有機質含量、地形坡度、灌溉保證率和土壤侵蝕程度6個評價指標。全縣耕地國家自然等指數為761～1 519，分為12等、13等、14等3個等別，其中12等地面積為161.82 hm2，占耕地總面積的0.53%，零星分布在延川鎮(zhèn)；13等地面積為8 212.64 hm2，占耕地總面積的26.76%，大部分分布在西部的高家屯鄉(xiāng)、馮家坪鄉(xiāng)、賈家坪鎮(zhèn)和關莊鎮(zhèn)；14等地面積為22 312.08 hm2，占耕地總面積的72.71%，集中分布在西部的高家屯鄉(xiāng)、馮家坪鄉(xiāng)、賈家坪鎮(zhèn)、關莊鎮(zhèn)和中部的賀家灣鄉(xiāng)、馬家河鄉(xiāng)、楊家圪臺鎮(zhèn)和禹居鎮(zhèn)。

圖6 指標體系改進后耕地質量指數與國家自然等指數相關關系

各成果選取的指標和計算方法不同，導致結果不能直接進行定量比較。因此在與相關成果定量對比前，需要對各成果數據進行無量綱化處理，即進行數據的歸一化。首先采用min-max Normalization進行數據歸一化，通過對原始數據進行線性變換，使結果值映射到[0，1][28]。其次，用耕地圖斑的耕地質量指數歸一化值減去國家自然等指數歸一化值，取得差距值。再次，利用自然斷點法，將[0，1]劃分為5個區(qū)間；其中[-0.2，0.2]為極小差距，(0.2，0.4]和[-0.4，-0.2)為小差距，(0.4，0.6]和[-0.6，-0.4)為中差距，(0.6，0.8]和[-0.8，-0.6)為大差距，(0.8，1.0]和[-1.0，-0.8)為極大差距。

根據表3可知耕地質量指數和國家自然等指數歸一化值的差距中，主要為極小差距和小差距，分別占耕地總面積的56.67%，38.87%；而中差距僅占耕地總面積的4.46%。極小差距、小差距和中差距在縣域內均有分布，其中，中差距主要分布在馮家坪鄉(xiāng)、關莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、馬家河鄉(xiāng)和楊家圪臺鎮(zhèn)。研究發(fā)現，耕地質量評價結果與2016年延川縣耕地質量等別年度更新成果的差距除了指標權重、分級標準不同外，最主要的原因是本研究增加的地形部位、土壤養(yǎng)分元素、田間道路通達度、田塊規(guī)模和地塊破碎度等指標空間分異較大，且考慮了耕地健康和生物特性狀況。

表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地質量指數歸一化值和國家自然等指數歸一化值差距類型及面積 hm2

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究結合黃土高原區(qū)實際狀況，對《試用稿》中確定的耕地質量評價指標體系進行了改進，指標體系改進后的耕地質量評價結果顯示，仍然有12.04%的耕地質量指數出現下降，主要原因是新增指標中的地塊破碎化程度較高，田塊規(guī)模較小，通過縱橫對比論證了改進后的評價指標體系能夠更加準確地反映區(qū)域耕地資源本底狀況。這套指標體系從耕地支撐作物生產的保障能力評價了耕地質量，包括地形、土壤、耕作條件、健康和生物5個維度，建立的評價指標體系比較全面，為區(qū)域土地資源管理、土地綜合整治等提供了基礎研究。但是，本研究采用的耕地質量評價方法仍較為綜合，無法體現耕地質量單要素特點，未來應該采用更加合理的耕地質量評價方法，能夠反映區(qū)域耕地質量的要素特征。同時，加強對黃土高原區(qū)耕地質量長期定點監(jiān)測，掌握耕地質量時間變化趨勢并精準識別耕地質量限制因子的類型及強度，更好地服務于分區(qū)分時序的土地整治工作，實現黃土高原區(qū)耕地質量提升、糧食安全和黃河流域高質量發(fā)展。

4.2 結 論

結合黃土高原區(qū)土層深厚、粱峁起伏、耕地支離破碎、降雨少且土質疏松、水土流失嚴重等特點，改進了《試用稿》中的耕地質量評價指標體系：增加了地塊破碎度和土壤侵蝕程度指標，刪去了障礙層距地表深度指標，將田塊狀況和排水條件指標替換為田塊規(guī)模和排水能力。改進后的評價指標體系更加符合黃土高原區(qū)典型特征以及研究區(qū)實際情況。

縱向對比指標體系改進前后的耕地質量指數及其與國家自然等指數的相關系數可知，耕地質量指數面積加權平均值由19.09增加到19.49，最優(yōu)相關系數由0.80增加到0.88；橫向對比指標體系改進后的耕地質量指數歸一化值和國家自然等指數歸一化值的差距，差距主要為極小差距、小差距和中差距，占耕地總面積的比例分別為56.67%，38.87%，4.46%。通過縱橫對比分析可知，采用改進后的指標體系測算的耕地質量指數能夠更好地反映區(qū)域耕地質量狀況。

延川縣耕地質量指數為16.89～26.28，耕地質量較差。延川縣包括中、低2個等別，中等地和低等地的面積分別為358.82，30 327.72 hm2，占總面積的比例分別為1.17%，98.83%。中等地主要分布在地勢低平的川地，田面坡度較小，有機質含量高且土壤結構好，農田基礎設施較完善、田塊規(guī)模較大，但生物特性較差；低等地分布于整個縣域，田面坡度較大，土壤貧瘠，灌溉保證程度較差且田間道路通達度低，田塊較破碎，不利于農業(yè)生產。田面坡度、地形部位、有機質含量、灌溉保證程度、田塊規(guī)模和生物特性是延川縣耕地質量的主要限制因子。未來，應實施土地整治工程來修復耕地質量障礙因子，提升耕地質量。