顏 芳,朱曾紅,王勝濤,張 蕾,賈小紅,李 萍,王維瑞

(1.北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心耕地信息化管理科,北京 100101;2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

耕地質(zhì)量要科學(xué)合理地評(píng)定,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果差別化管理和利用耕地資源對(duì)保障國(guó)家糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量以及農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-2]。2023年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào),加強(qiáng)耕地保護(hù)和用途管控,嚴(yán)格耕地占補(bǔ)平衡管理,確保補(bǔ)充的耕地?cái)?shù)量相等、質(zhì)量相當(dāng)、產(chǎn)能不降。因此,研究復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系對(duì)我國(guó)耕地占補(bǔ)平衡工作的高質(zhì)量推進(jìn)及耕地土壤的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

當(dāng)前關(guān)于補(bǔ)充耕地質(zhì)量?jī)?nèi)涵以及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)知[3]。文獻(xiàn)[4]在全國(guó)“縣域耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)”的基礎(chǔ)上新增剖面構(gòu)型、有效土層厚度、成土母質(zhì)和侵入體含量等4個(gè)指標(biāo)建立了耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;文獻(xiàn)[5]分區(qū)構(gòu)建了涵蓋有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤礫石含量、土壤酸堿度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入、生產(chǎn)組織管理等整治后耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;文獻(xiàn)[6]運(yùn)用專家咨詢法和德爾菲法確定了補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括剖面性狀、耕層理化性狀、立地條件、養(yǎng)分狀況、健康狀況以及土壤管理6個(gè)方面15個(gè)指標(biāo);文獻(xiàn)[7]從耕地地力水平、耕作條件、土壤健康狀況以及土壤生物特性4個(gè)維度選取評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地屬于強(qiáng)擾動(dòng)的特殊國(guó)土空間,來源多樣,斑塊較小,且前期利用狀況不清,不適宜采用通常的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系[8]?；谙嚓P(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),緊密結(jié)合復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量特征以及影響因素,采用定量化方法構(gòu)建最具代表性,且指標(biāo)數(shù)量最少的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系值得深入研究,主成分分析能將高維降維,具有以少量綜合變量取代原有多維變量,且能客觀賦予變量權(quán)重的優(yōu)勢(shì)[9]。國(guó)內(nèi)外有眾多主成分分析針對(duì)通常的耕地或耕地土壤質(zhì)量建立最小數(shù)據(jù)集的報(bào)道。文獻(xiàn)[10]采用主成分分析和相關(guān)性分析構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集,建立土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;文獻(xiàn)[11]綜合考慮土壤立地條件、剖面構(gòu)型、土壤物理性狀、土壤養(yǎng)分4個(gè)方面的指標(biāo),通過主成分分析確定了最小數(shù)據(jù)集。

本研究以復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地為對(duì)象,結(jié)合北京復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地工作開展情況,從耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)屬性出發(fā),采用主成分分析法選取獨(dú)立性和穩(wěn)定性強(qiáng)的14個(gè)主要指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子,構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集能夠真實(shí)、客觀而全面地反映出研究區(qū)域影響復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量因素的分異規(guī)律,識(shí)別復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地“障礙”,既能減少人力、物力和財(cái)力投入,同時(shí)又能最大程度降低原有信息丟失,為我國(guó)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)定提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市平谷區(qū),地處E116°55′20″～117°24′09″、N40°01′44″～40°22′39″之間。復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地來源主要為果園、林地、草地、商服用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地等。土壤類型為褐土,土壤亞類主要為淋溶褐土、潮褐土、碳酸鹽褐土、粗骨褐土和褐土性土。從2021年平谷區(qū)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地中選取28個(gè)典型研究地塊,共包括4種不同原土地利用類型(城鎮(zhèn)住宅用地、設(shè)施農(nóng)用地、其他草地和果園),具體采樣點(diǎn)位置分布如圖1所示。

圖1 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地調(diào)查點(diǎn)位分布圖

1.2 樣品采集與測(cè)定

采用S 型采集土壤樣品,采樣深度為0～20cm,挑除石塊、根莖等雜物后混合均勻,裝入事先準(zhǔn)備好的保鮮袋(約1.5kg)。將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、研磨和過篩后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析:有機(jī)質(zhì)含量分析(soil organic matter,SOM)采用重鉻酸鉀硫酸氧化-硫酸亞鐵滴定法測(cè)定;土壤陽離子交換量(cation exchange capacity,CEC)采用乙酸銨交換法;速效鉀(available potassium,AK)采用火焰光度計(jì)(M410型、Sherwood公司、英國(guó))法測(cè)定;有效磷(available phosphorus,AP)采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測(cè)定;pH采用酸度計(jì)測(cè)定;坡度(slope)采用水準(zhǔn)儀實(shí)地調(diào)查;高程(elevation,EL)和坡向(aspect)基于數(shù)字高程模型提取;灌溉能力與排澇能力通過實(shí)地調(diào)查;耕層厚度(thickness of cultivated layer,TCL)與有效土層厚度(soil body thickness,SBT)采用剖面開挖與土鉆結(jié)合的方法。

1.3 主成分分析法

主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)重新轉(zhuǎn)換為一組新的互相無關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種方法[12]。選取特征值大于1的主成分(principal component,PC),計(jì)算所有指標(biāo)在特征值大于1的PC上的載荷,選取同一PC下最高載荷值和最高載荷值90%以內(nèi)指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集;再對(duì)同一PC下的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,若指標(biāo)高度相關(guān),則保留Norm值最高的指標(biāo),若不相關(guān),則保留所有指標(biāo)[13]。計(jì)算公式如下

(1)

式中,Nik為第i個(gè)指標(biāo)在特征值大于1的前k個(gè)PC上的綜合載荷;uik為第i個(gè)指標(biāo)在第k個(gè)PC上的載荷;λk為第k個(gè)PC的特征值。

1.4 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

耕地質(zhì)量綜合指數(shù)能夠?qū)Ω刭|(zhì)量進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià),結(jié)果能夠反映耕地的關(guān)鍵信息,符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[14]。綜合指數(shù)的計(jì)算公式如下

IFI=∑(Fi×Ci)

(2)

式中,IFI為復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)(Integrated Fertility Index);Fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分;Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS 27進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析,圖形繪制在origin 2022中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地生產(chǎn)屬性分析

開展不同來源復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件分析,土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷、pH和CEC等指標(biāo)方差分析結(jié)果如圖2所示。

注:圖中不同小寫字母表示在不同來源復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地屬性差異顯著(P<0.05)。

結(jié)合圖2分析結(jié)果和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15],不同來源的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量介于8.40～37.40g·kg-1,平均值為 16.14g·kg-1,主要處于四等(較缺乏)水平,這與2022年北京市已驗(yàn)收的1 119塊復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地調(diào)查結(jié)果也是相互印證的。城鎮(zhèn)住宅用地的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地有機(jī)質(zhì)含量均值為7.88g·kg-1。有效磷含量介于4.3～90.9mg·kg-1,平均值為24.80mg·kg-1,基本處于三等(中等)水平。速效鉀含量介于121.00～1 310mg·kg-1,平均值為304.22mg/kg, 大部分處于極高水平。 pH介于5.20～9.05,平均值為7.97,38%地塊土壤pH值大于8.5。CEC含量介于1.2～10.03cmol(+)/kg,平均值為5.36cmol(+)/kg。方差分析結(jié)果顯示,不同來源補(bǔ)充耕地的有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和CEC無顯著差異,果園、其他草地和城鎮(zhèn)住宅用地土壤的pH顯著高于果園。

研究區(qū)地塊高程介于25.12～105.96m、坡度0.10°～25.07°、坡向55.39°～269.77°。復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地有效土層厚度平均為58cm,28塊復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地中12個(gè)地塊有效土層厚度低于60cm;不同來源差異明顯,來源于果園和草地的補(bǔ)充耕地土層厚度明顯較厚,城鎮(zhèn)住宅用地和設(shè)施農(nóng)用地復(fù)耕復(fù)墾為耕地土層比較薄。研究區(qū)地塊灌溉能力大部分為滿足,排水能力大部分為較為滿足。經(jīng)整治后的大部分復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地其灌溉保證率和排水條件都可以基本滿足,但存在部分補(bǔ)充耕地零星分散、單塊面積相對(duì)較小,配套設(shè)施不完善。

2.2 基于最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)體系構(gòu)建方法

1)指標(biāo)體系選取 根據(jù)《耕地地力評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[16],結(jié)合《耕地質(zhì)量等級(jí)》[17]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確性,選取立地條件、土壤化學(xué)性狀、土壤物理性狀、土壤管理4項(xiàng)一級(jí)指標(biāo),高程、有機(jī)質(zhì)、灌溉保證率等12個(gè)二級(jí)指標(biāo)用于進(jìn)行最小數(shù)據(jù)集分析(見表1)。

表1 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系選取

2)基于主成分分析最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建 將選取的立地條件,化學(xué)、物理性質(zhì)數(shù)值型指標(biāo)引入最小數(shù)據(jù)集,去除共線性冗余數(shù)據(jù),使用最少最優(yōu)的參評(píng)指標(biāo)滿足復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的需求。對(duì)選取的指標(biāo)進(jìn)行皮爾森相關(guān)分析顯示(見圖3),部分指標(biāo)(如有效磷與速效鉀、有機(jī)質(zhì)與陽離子交換量)之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系,若引入最小數(shù)據(jù)集,則會(huì)造成數(shù)據(jù)的冗余,因此對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,剔除冗余。

圖3 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地土壤指標(biāo)皮爾森相關(guān)性分析

對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。前4個(gè)主成分特征值均大于1,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到76.97%。PC1、PC2、PC3、PC4分別解釋了24.5%、20.24%、17.50%和14.73%的方差變化(見表2)。

表2 載荷矩陣

根據(jù)主成份載荷矩陣(見表2和圖4),按照將每個(gè)特征值≥ 1的PC中因子荷載≥ 0.5分為一組的原則,PC1中pH值與耕層厚度呈顯著相關(guān),因而保留Norm值較大的pH值,最終PC1保留有機(jī)質(zhì)和pH,PC2保留AP和CEC,PC3保留有效土層厚度,PC4保留坡向。進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)有:有機(jī)質(zhì)、pH、有效磷、CEC、有效土層厚度和坡向(見表3)。

表3 復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖4 主成分載荷圖

(a)土壤質(zhì)量指數(shù)變化

在對(duì)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地野外調(diào)研和驗(yàn)收過程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地這種擾動(dòng)性土地資源,由于來源復(fù)雜,復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地土體中常存在植物根系(直徑>100 mm)、瓦片、磚塊等,這種侵入體會(huì)對(duì)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地高效可持續(xù)利用起到限制作用,需要將“土壤侵入體含量”納入質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以探索土壤的形成和過去的利用情況;2022年北京市驗(yàn)收的1 119塊地中有0.7%地塊重金屬超標(biāo),由于復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地來源多樣,且前期利用復(fù)雜,存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),耕地環(huán)境安全關(guān)系到糧食安全,復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地后的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)考慮土壤環(huán)境指標(biāo)。

基于以上分析,確定的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)如表3所示。

2.3 最小數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)以上研究,本文形成最小數(shù)據(jù)集(見表3)以及全指標(biāo)(表1指標(biāo)、土壤入侵體含量和土壤清潔度指標(biāo))兩套指標(biāo)體系。參照《耕地地力評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》、《耕地質(zhì)量等級(jí)》和《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》[18]等,采用特爾菲法和主成分分析,確定指標(biāo)權(quán)重。采用隸屬度函數(shù)確定各指標(biāo)評(píng)分。采用綜合指數(shù)法計(jì)算對(duì)比兩套指標(biāo)體系復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地IFI。

全量指標(biāo)下的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)介于0.65～0.83之間,平均值為0.75,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04,最小數(shù)據(jù)集下復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)介于0.62～0.86之間,平均值為0.74,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05,平均值與標(biāo)準(zhǔn)差均十分接近。最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)曲線的變化趨勢(shì)與全指標(biāo)數(shù)據(jù)集的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)曲線變化趨勢(shì)相同。通過兩套指標(biāo)體系質(zhì)量綜合指數(shù)擬合可知,兩者呈線性關(guān)系,R2=0.78。最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)與全指標(biāo)數(shù)據(jù)集的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量綜合指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這說明建立的復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集能夠較準(zhǔn)確、客觀地反映全量數(shù)據(jù)集對(duì)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的信息及復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量,具有較好的代表性。

3 討論

研究區(qū)域不同和評(píng)價(jià)的目不同,評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系的選取存在很大的差異。文獻(xiàn)[19]為評(píng)價(jià)紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征,采用聚類分析法和主成分分析法最終確定土壤飽和導(dǎo)水率、砂粒、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)等7個(gè)指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。文獻(xiàn)[20]等發(fā)現(xiàn)影響河谷草地土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set, MDS)指標(biāo)包括非毛管孔隙度、土壤容重、有機(jī)質(zhì)和碳氮比。文獻(xiàn)[21]等運(yùn)用多因素法確定了涵蓋有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、土壤鹽漬化程度等補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)補(bǔ)充耕地質(zhì)量等別進(jìn)行了評(píng)價(jià)。建立補(bǔ)充耕地合理土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)應(yīng)該針對(duì)研究區(qū)的特點(diǎn)和主要評(píng)價(jià)目的進(jìn)行具體的分析和選擇。

對(duì)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),所選取的指標(biāo)應(yīng)該對(duì)補(bǔ)充耕地質(zhì)量有較大的影響,指標(biāo)間相互獨(dú)立的,具有實(shí)際意義和較好的操作性。本研究以立地條件、土壤化學(xué)性狀、土壤物理性狀、土壤管理衡量耕層土壤質(zhì)量,并利用主成分分析篩選指標(biāo)。由于復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地土體中常存在植物根系等侵入體,并且來源多樣、前期利用復(fù)雜,存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),故將土壤侵入體含量和土壤清潔度加入最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。本研究針對(duì)研究區(qū)的特點(diǎn)和主要評(píng)價(jià)目的進(jìn)行具體的分析和選擇,確定了復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)為坡向、pH、CEC、有效土層厚度等14個(gè)指標(biāo)。在后續(xù)研究中,可增加北京市復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地樣本量,進(jìn)一步篩選出對(duì)生產(chǎn)屬性敏感的指標(biāo),提高最小數(shù)據(jù)集的普適性和實(shí)踐價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)無論何種生產(chǎn)屬性,復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量相對(duì)較差,不同來源補(bǔ)充耕地的有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和CEC無顯著差異,其他草地和城鎮(zhèn)住宅用地土壤的pH顯著高于果園。

(2)針對(duì)復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地特征,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),采用主成分分析法構(gòu)建了涵蓋立地條件、土壤化學(xué)性狀、土壤物理性狀、土壤管理以及土壤清潔度復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小指標(biāo)體系。

(3)最小數(shù)據(jù)集在保留原有信息的基礎(chǔ)上,剔除相關(guān)指標(biāo)冗余,簡(jiǎn)化復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證結(jié)果表明,本文建立的最小數(shù)據(jù)集能準(zhǔn)確客觀地反映復(fù)墾復(fù)耕補(bǔ)充耕地的綜合質(zhì)量狀況,揭示區(qū)域耕地綜合質(zhì)量限制性因素。