摘要：為了探索河南省2個典型區(qū)耕地質(zhì)量及其評價因素與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的關(guān)系，揭示耕地質(zhì)量評價指標對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響程度和機理，采用相關(guān)分析和情景模擬法，分析各耕地質(zhì)量評價指標與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲能力的相關(guān)性大小，以及耕地質(zhì)量評價指標改變后引起的農(nóng)田固碳能力變化幅度。結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)為碳匯。兩區(qū)耕地碳存儲能力與耕地質(zhì)量之間均存在顯著線性相關(guān)性，豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量改變會引起其固碳能力更大幅度的改變；豫東平原區(qū)和燕山太行山山前平原區(qū)耕地質(zhì)量等別分別為7.91、8.96等時，耕地碳吸收和碳排放達到平衡，等別優(yōu)于平衡點時，耕地碳吸收量大于碳排放量，表現(xiàn)為碳匯，反之為碳源。兩區(qū)多個耕地質(zhì)量評價因素與農(nóng)田固碳能力間存在顯著相關(guān)關(guān)系，多個與農(nóng)田固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評價指標對耕地質(zhì)量及其固碳能力均有較大影響，具體指標及影響程度既有相似之處，又有顯著差別；通過情景模擬對豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力影響顯著的指標，依次為反映作物產(chǎn)量水平的利用系數(shù)、灌溉保證率、排水條件，而燕山太行山山前平原區(qū)則依次為灌溉保證率、利用系數(shù)、地形坡度。因此，可以通過采取耕地質(zhì)量建設(shè)措施實現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的共同提升，燕山太行山山前平原區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程；豫東平原區(qū)則依次為作物產(chǎn)量提升工程、農(nóng)田灌溉工程、農(nóng)田排水工程。對確保糧食安全前提下實現(xiàn)碳中和途徑進行有益探索，進而為碳中和背景下農(nóng)田建設(shè)工作提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：耕地質(zhì)量；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；固碳能力；協(xié)同提升

中圖分類號：F323.211；S181" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0241-08

減排固碳和保障糧食安全是當(dāng)前社會面臨的兩大重要課題，前者是實現(xiàn)可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，后者則關(guān)乎國家安全、社會穩(wěn)定［1-2］，眾多學(xué)者對這2個課題分別展開了多方位的研究［3-8］。在糧食安全方面，作為糧食生產(chǎn)的載體，耕地數(shù)量和質(zhì)量是保障糧食安全的前提［9］。隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展和生態(tài)保護的不斷推進，耕地數(shù)量的增長已很難實現(xiàn)［9］，因此耕地質(zhì)量成為決定其糧食生產(chǎn)能力的關(guān)鍵［10］，多個研究結(jié)果表明耕地質(zhì)量的提高可以顯著提升現(xiàn)有耕地的糧食生產(chǎn)能力［11］。在減排固碳方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中會產(chǎn)生巨大的碳交換［3］，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的固碳能力［12］，農(nóng)作物吸收了全球年固碳量的47%［13］，但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在供給糧食產(chǎn)出的同時，伴隨人類生產(chǎn)活動而產(chǎn)生的大量溫室氣體，已成為一個巨大的碳排放來源［14］。因此，如何在保護和提高耕地質(zhì)量的同時減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放、增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力顯得尤為重要。影響耕地質(zhì)量的因素包括氣候、土壤、地形、耕地利用程度和農(nóng)業(yè)設(shè)施水平等［15］，農(nóng)田固碳能力的影響因素眾多，如農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，耕作、施肥、灌溉、秸稈還田等農(nóng)田管理方式及土地利用/覆被變化等［3-4，16-17］，由此可以看出耕地質(zhì)量與農(nóng)田固碳能力的影響因素存在一定的重疊性，多個耕地質(zhì)量影響因素同時也對農(nóng)田固碳能力產(chǎn)生影響。但已有研究通常將增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力與提升耕地質(zhì)量和產(chǎn)能相互割裂，如提升耕地質(zhì)量的重要手段土地整治等農(nóng)田建設(shè)工程會加大對農(nóng)田的擾動，增加碳排放；常用的碳增匯措施中，既有對糧食生產(chǎn)能力和耕地質(zhì)量存在積極影響的措施，又有對糧食生產(chǎn)能力存在負面影響的措施，如免耕、休耕等。如何將提高耕地質(zhì)量和農(nóng)田固碳能力相結(jié)合，篩選對兩者均有影響的因素，準確制定措施以實現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田固碳能力的共同提升意義重大。本研究運用相關(guān)分析和情景模擬法，分析耕地質(zhì)量以及各耕地質(zhì)量評價因素與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的相關(guān)關(guān)系，篩選對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力有顯著影響的耕地質(zhì)量評價因素，探索顯著因素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響程度和作用機理，制定不同指標區(qū)農(nóng)田建設(shè)項目的重點建設(shè)內(nèi)容，以期實現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和耕地質(zhì)量的共同提升。進而為河南省不同區(qū)域高標準農(nóng)田建設(shè)、土地整治等項目的重點建設(shè)內(nèi)容提供參考，為河南省在確保糧食安全前提下的固碳減排途徑的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇豫東平原區(qū)（簡稱豫東區(qū)）和燕山太行山山前平原區(qū)（簡稱太行山前區(qū)）作為研究區(qū)（圖1），兩區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，適宜多種農(nóng)作物生長，冬小麥、夏玉米的播種面積最大。豫東平原區(qū)地勢平坦（圖2），農(nóng)田配套設(shè)施較完善，耕作便利，農(nóng)業(yè)機械化普及程度較高，從耕種、管理、收割、入倉、還田等各個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)均實現(xiàn)了機械化操作，是河南省糧食生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)。太行山前區(qū)地形地貌條件復(fù)雜，平原、丘陵和山地均有分布，地勢自南向北逐漸升高，受地形地貌條件和田塊破碎度的限制，機械化水平相對較低；該區(qū)南部的山前平原區(qū)光溫水土條件較好，是河南省作物產(chǎn)量最高的區(qū)域，自南向北逐漸變差，造成河南省糧食作物最高產(chǎn)量和最低產(chǎn)量均分布在此區(qū)。豫東區(qū)耕地質(zhì)量等別一致性較高，99.73%的耕地等別在6～8等之間，其中7等地占80%以上；太行山前區(qū)耕地質(zhì)量等別范圍較廣，4～12等地均有分布，河南省等別最高和最低均主要分布在此區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 固碳能力核算

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲量為其碳吸收量和碳排放量之差。由于研究區(qū)各縣域耕地面積差別較大，各地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳總量對比意義較小。因此，本研究采用固碳強度即單位面積耕地的碳存儲量來表達各縣域耕地的固碳能力。

G=KS=C-ES。

式中：G表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳強度；K表示固碳總量；C表示生育期內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量；E表示農(nóng)田碳排放總量；S表示某縣（市、區(qū)）耕地總面積。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收總量C采用農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量法計算［5-6］。

C=∑ki=1Ci×（1-Wi）×YiHi。

式中：Ci表示作物的碳吸收率；Wi表示作物的平均含水率；Yi表示農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量；Hi表示作物的經(jīng)濟系數(shù)；k表示參與計算的主要農(nóng)作物數(shù)量，個。研究區(qū)主要農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)、碳吸收率、平均含水率見表1。

農(nóng)業(yè)碳排放量通常從秸稈焚燒、畜禽養(yǎng)殖、作物生產(chǎn)過程、稻田4個方面進行測算，因本研究僅涉及種植農(nóng)作物的耕地，且秸稈焚燒已被禁止，故本研究農(nóng)田碳排放總量E僅包含后2個部分，即農(nóng)資生產(chǎn)和使用產(chǎn)生的碳排放量、灌溉和農(nóng)機所消耗的能源產(chǎn)生的碳排放量、稻田CH4排放和農(nóng)田翻耕引起的土壤表層破壞而產(chǎn)生的土壤碳排放量。估算公式如下［5-6］

E=∑ki=1Ei×Ai。

式中：Ei表示農(nóng)作物生產(chǎn)中投入的能源量；Ai表示碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中化肥為0.895 6 kg/kg，農(nóng)藥為4.934 1 kg/kg，農(nóng)膜為5.18 kg/kg，農(nóng)業(yè)灌溉為266.48 kg/hm2，翻耕為3.126 kg/km2，農(nóng)機動力為 16.47 kg/hm2 和0.18 kg/kW［6］。水稻CH4排放的標準碳折算系數(shù)為1 217.05 kg/hm2［5］。

1.2.2 各縣域耕地質(zhì)量等別、耕地質(zhì)量評價因素核算

本研究耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)源自河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中耕地質(zhì)量采用GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中的因素法評價，評價因素指標包括氣候條件（光溫或氣候生產(chǎn)潛力）、土壤條件（土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量、有效土層厚度、土壤礫石含量、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型）、地形條件（坡度）、基礎(chǔ)設(shè)施情況（灌溉保證率、排水條件）、耕地利用程度（利用系數(shù)）等指標。

河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫以耕地圖斑為評價單位，本研究采用面積加權(quán)平均法獲取各縣域耕地質(zhì)量平均等指數(shù)和等別以及各耕地質(zhì)量評價因素的平均標準化分值。

D=15-Y/200；

Y=∑ki=1Yi×SiS；

Fj=∑ki=1Fij×wij。

式中：D表示某縣（市、區(qū)）耕地平均質(zhì)量等別；Y表示某縣（市、區(qū)）耕地平均質(zhì)量等指數(shù)；Yi表示i地塊耕地質(zhì)量等指數(shù)；Si表示地塊i的耕地面積；S表示某縣（市、區(qū)）耕地總面積；Fj表示某縣（市、區(qū)）j因素的平均分值；Fij表示i地塊j因素的分值；wij表示i地塊j因素的權(quán)重。

1.2.3 耕地質(zhì)量等別及其評價因素對農(nóng)田固碳能力影響分析

根據(jù)各縣域耕地質(zhì)量等別成果和農(nóng)田碳存儲量估算結(jié)果，運用回歸分析法建立耕地質(zhì)量等別指數(shù)與單位面積固碳量之間的回歸關(guān)系模型。再結(jié)合耕地利用等別的等指數(shù)區(qū)間值估算各等別耕地的碳存儲能力。

采用相關(guān)分析法篩選出影響河南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳存儲能力耕地質(zhì)量評價因素及各因素對耕地碳存儲能力的相關(guān)性大小和影響方向。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量、播種面積、灌溉面積數(shù)據(jù)、農(nóng)藥、化肥、農(nóng)機、農(nóng)膜等投入數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒（2021年）》（以下簡稱《年鑒》）。研究區(qū)共涉及10個省轄市1個縣級市，共31個市轄區(qū)和39個縣（市），因《年鑒》中各市所有轄區(qū)的作物種植和產(chǎn)量數(shù)據(jù)未作區(qū)分，且通常市轄區(qū)耕地面積較小，本研究將各省轄市的市轄區(qū)作為1個縣級單元進行評價，研究區(qū)共包含49個縣級評價單元（統(tǒng)稱縣）。根據(jù)上述相關(guān)公式和參數(shù)，結(jié)合49個縣2021年主要農(nóng)作物播種面積、經(jīng)濟產(chǎn)量數(shù)據(jù)、農(nóng)藥、化肥等各種投入數(shù)據(jù)，測算出2021年各縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的碳吸收、碳排放、碳存儲量及強度。

耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)以河南省2019年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，結(jié)合2020、2021年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫及耕地資源質(zhì)量分類更新數(shù)據(jù)庫，采用農(nóng)用地分等法對2019—2021年新增和質(zhì)量建設(shè)耕地質(zhì)量等別進行更新，獲得各縣2021年耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)耕地碳存儲能力

2021年研究區(qū)耕地總體碳吸收量大于碳排放量，分別為3 350.13萬、2 006.48萬t，固碳量為 1 343.65萬t（表2）。

由圖3可以看出，研究區(qū)碳吸收強度具有東高西低、北高南低的趨勢，與河南省糧食產(chǎn)量的分布趨勢較一致，反映出碳吸收能力與糧食產(chǎn)能的高度相關(guān)性。農(nóng)田碳排放強度則整體呈現(xiàn)出自西向東、從北向南逐漸降低的趨勢，對各縣各項農(nóng)田投入進行分析，發(fā)現(xiàn)豫東平原區(qū)單位面積耕地農(nóng)膜用量高于豫北，北部縣的農(nóng)機投入高于東部，農(nóng)藥投入無顯著趨勢，豫北化肥投入最高，豫北灌溉投入高于豫東平原。農(nóng)田投入?yún)^(qū)域差異的原因主要為豫北黃河沿線是河南省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)之一，化肥、灌溉等投入量較大；豫東部平原區(qū)地表和地下水資源相對豐富，灌溉投入相對較少，山地丘陵區(qū)旱地居多，灌溉投入較少；山區(qū)受地形限制，農(nóng)機投入偏低，東部平原區(qū)因地勢平坦、集中連片等降低了農(nóng)機的燃油投入量。

耕地固碳強度則存在平原縣較高、山地丘陵區(qū)縣較低的趨勢，對比圖3-d可見兩者的分布趨勢相似度較高，反映出耕地質(zhì)量與其固碳強度之間存在相關(guān)性。

2.2 典型區(qū)域耕地質(zhì)量與碳存儲能力關(guān)系分析

2個指標區(qū)之間地形地貌、氣候等自然條件存在顯著差異，耕地質(zhì)量分等因素也各不相同。因此，本研究分別建立了2個指標區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲能力之間的關(guān)系模型。

通過檢驗，2個指標區(qū)各縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳強度和耕地質(zhì)量等指數(shù)符合正態(tài)分布，且兩者之間均具有顯著相關(guān)性。豫東區(qū)和太行山前區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲能力之間的相關(guān)系數(shù)分別達0.801、0.789，故本研究分別建立2個指標區(qū)耕地質(zhì)量與碳存儲能力之間的線性回歸模型（圖4）。模型r2分別為0.642、0.622，模型系數(shù)也均通過顯著性檢驗，P值均lt;0.001，回歸標準化殘差符合正態(tài)分布，說明模型可信度和有效性均較高，可以進行回歸分析。

根據(jù)模型，2個指標區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力與等指數(shù)間均存在顯著正線性相關(guān)關(guān)系，等別越高，固碳能力越強，反之越低。但豫東區(qū)線性回歸模型斜率高于太行山前區(qū)，反映出與后者相比，豫東區(qū)耕地質(zhì)量的改變會引起更大幅度固碳能力的改變。

豫東區(qū)當(dāng)?shù)戎笖?shù)為1 417.20（7.91等）時，耕地碳吸收和碳排放達到平衡，固碳量為0；等別高于7.91等時，耕地碳吸收量大于碳排放量，固碳量大于0，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯；反之等別低于7.91等時，耕地碳吸收量小于碳排放量，表現(xiàn)為碳源。當(dāng)太行山前區(qū)等指數(shù)為1 208.40（8.96等）時，耕地碳吸收和碳排放達到平衡，固碳量為0；等別高于8.96等時，耕地碳吸收量大于碳排放量，固碳量大于0，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯；反之等別低于8.96等時，耕地碳吸收量小于碳排放量，表現(xiàn)為碳源。說明不同質(zhì)量等別耕地面積的變化會顯著影響耕地碳存儲量的變化，因此在耕地面積一定的情況下，通過高標準農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治等提高耕地質(zhì)量，增加高等別耕地面積可以提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。

2.3 不同區(qū)域耕地質(zhì)量評價因素對固碳能力的影響程度和機理

農(nóng)田固碳能力的影響因素包括影響農(nóng)田碳排放、碳吸收或?qū)烧咄瑫r產(chǎn)生影響的因素。其中，農(nóng)田碳排放的影響因素主要有氣候條件、土壤條件、農(nóng)田投入和人類活動，農(nóng)田碳吸收的影響因素主要包括農(nóng)作物種類、產(chǎn)量等［4，8-13］。根據(jù)GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》，河南省耕地質(zhì)量的評價因素指標包括氣候條件（光溫或氣候生產(chǎn)潛力）、土壤條件（土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量、有效土層厚度、土壤礫石含量、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型）、地形條件（坡度）、基礎(chǔ)設(shè)施情況（灌溉保證率、排水條件）、耕地利用程度（利用系數(shù)）共5類13項指標，不同指標區(qū)評價因素各不相同，豫東區(qū)包含除有效土層厚度、土壤礫石含量之外的11項指標，太行山前區(qū)包含除排水條件、鹽漬化、障礙層深度、剖面構(gòu)型之外的9項指標。

可見，研究區(qū)多個耕地質(zhì)量的評價因素也同時會影響農(nóng)田的固碳能力，如代表氣候條件的光溫以及氣候生產(chǎn)潛力代表農(nóng)田的溫度和水分狀況，溫度影響有機質(zhì)分解的速度，土壤水分含量影響土壤碳排放量；土壤肥力狀況、疏松程度、熱量狀況、酸堿度等性質(zhì)都會影響作物光合作用，進而影響農(nóng)作物的碳排放量和碳吸收量；土壤侵蝕風(fēng)險隨坡度增加而加大，土壤有機碳集中在土壤表層，容易流失，因此耕地坡度也會對土壤碳匯效應(yīng)產(chǎn)生影響；灌溉和排水等基礎(chǔ)設(shè)施水平會影響土壤濕度，土壤濕度增加有利于有機碳的保存；利用系數(shù)是耕地農(nóng)作物產(chǎn)量與區(qū)域最高產(chǎn)量的比值，代表耕地的農(nóng)作物產(chǎn)出能力，農(nóng)作物產(chǎn)出能力對農(nóng)田碳吸收有顯著影響。

因此，本研究根據(jù)2021年河南省耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫，計算研究區(qū)各縣所有耕地質(zhì)量評價指標量化分值的面積加權(quán)平均值，分別將其與縣碳吸收強度、碳排放強度和固碳強度進行相關(guān)分析，得到各縣耕地質(zhì)量評價因素對耕地固碳能力的相關(guān)水平（表3）。

可見，研究區(qū)多個耕地質(zhì)量評價因素均與農(nóng)田固碳水平有顯著相關(guān)關(guān)系，但對不同指標區(qū)農(nóng)田固碳能力有影響的耕地質(zhì)量評價因素卻有顯著差別。豫東區(qū)對農(nóng)田固碳能力影響較大的耕地質(zhì)量評價因素依次為排水條件、灌溉保證率、利用系數(shù)、土壤質(zhì)地、地形坡度、有機質(zhì)含量、剖面構(gòu)型；而太行山前區(qū)依次為地形坡度、生產(chǎn)潛力、利用系數(shù)、灌溉保證率、土層厚度。灌溉保證率、地形坡度和利用系數(shù)對2個指標區(qū)的農(nóng)田固碳能力均有顯著相關(guān)性，但除這3個因素外， 對豫東區(qū)農(nóng)田固碳能力有顯著影響的因素還有排水條件、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量和土壤剖面構(gòu)型，而對太行山前區(qū)農(nóng)田固碳能力有顯著影響的因素還有生產(chǎn)潛力和土層厚度。

研究區(qū)糧食產(chǎn)量受灌溉保證率影響較大，農(nóng)田灌溉保證率越高，糧食產(chǎn)量越高，糧食產(chǎn)量又直接決定了農(nóng)作物的碳吸收能力，因此2個指標區(qū)灌溉保證率與農(nóng)田固碳強度相關(guān)性均高于0.6，顯著相關(guān)。利用系數(shù)可以反映糧食生產(chǎn)能力，因此與農(nóng)田固碳強度間也有顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.6左右。地形坡度的不同會導(dǎo)致水熱條件和土壤條件存在差異，對作物產(chǎn)量有重要影響，地形坡度越大，作物產(chǎn)量越低，因此地形坡度與農(nóng)田固碳能力間有極顯著的相關(guān)性，但太行山前區(qū)的地形坡度與耕地固碳能力的相關(guān)系數(shù)更高，接近0.80，原因是該區(qū)有坡度的耕地相對較多，而豫東區(qū)耕地以平地為主，造成的地形坡度對耕地固碳能力的影響相對減弱，但也達到0.529。排水條件對豫東區(qū)農(nóng)田固碳能力影響最大，但對太行山前區(qū)無影響。雖然2個指標區(qū)年降水量均在500～900 mm之間，但降水時段相對集中，50%～75%的降水集中在6—9月，且常有暴雨，良好的農(nóng)田排水能力會減少農(nóng)田漬澇脅迫，降低農(nóng)田澇災(zāi)和鹽漬化的發(fā)生，提升作物產(chǎn)量，同時土壤水分狀況還直接影響土壤有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，排水條件變化對有機碳（SOC）儲量有一定影響，高效的排水能力能有效降低土壤呼吸速率、減少碳排放、增加農(nóng)田有機碳［18］，有利于發(fā)揮農(nóng)田碳匯作用［19］。河南省農(nóng)田排水通常以非動力排水為主，豫東區(qū)地勢平坦，雨季農(nóng)田排水不暢時有發(fā)生，因此與固碳強度之間也存在一定的相關(guān)性，而太行山前區(qū)地勢自然起伏相對較大，農(nóng)田排水能力較高，不會對作物生產(chǎn)產(chǎn)生制約。生產(chǎn)潛力反映了糧食生產(chǎn)的光溫水條件，對作物生長起重要作用，太行山前區(qū)地形復(fù)雜，耕地的光溫水條件差異顯著，而豫東區(qū)地勢平坦，水熱條件無明顯差異，因此生產(chǎn)潛力對太行山前區(qū)耕地的固碳強度有顯著影響，對豫東區(qū)無明顯影響。

土壤類因素中，太行山前區(qū)除土層厚度外，耕地的土壤有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地一致性較高，而豫東區(qū)則相反，區(qū)域內(nèi)土層厚度無明顯差別，但土壤有機質(zhì)含量和土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型存在一定差別。土層厚度指能生長植物的實際土層厚度，會制約土壤蓄水、抗旱、保水保肥能力，土層越厚，土壤中氮磷等各元素含量越高，進而產(chǎn)量越高。太行山前區(qū)受地形影響，耕地土層厚度多樣，而豫東區(qū)土層厚度普遍較厚，不會對耕地質(zhì)量和作物生產(chǎn)產(chǎn)生制約，因此太行山前區(qū)有效土層厚度與固碳強度之間的相關(guān)系數(shù)達到了0.534。土壤有機質(zhì)含量在一定程度上可以反映農(nóng)田的肥力狀況，土壤有機質(zhì)含量的增加可降低土壤容重，同時還可以提高土壤田間持水量和飽和含水量，進而增加產(chǎn)量，因此豫東區(qū)土壤有機質(zhì)含量與固碳強度之間也存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.475。土壤質(zhì)地和土壤剖面構(gòu)型會影響土壤的保水保肥能力，進而影響產(chǎn)量，因此豫東區(qū)這2個指標與農(nóng)田固碳能力間也有顯著相關(guān)性。研究區(qū)耕地土壤pH值一致性較高，以中偏堿性為主，基本不存在鹽漬化情況，障礙層不明顯、含有礫石的耕作土壤也極少見，故4個指標與農(nóng)田固碳能力間無相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 耕地質(zhì)量建設(shè)情景對其固碳能力影響程度預(yù)測

為了驗證與各區(qū)耕地固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評價因素對固碳能力的影響程度，預(yù)測在各指標區(qū)耕地質(zhì)量評價指標顯著提升的情景下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳量和耕地質(zhì)量的提升幅度。本研究依據(jù)耕地質(zhì)量影響因素對2個指標區(qū)固碳能力的相關(guān)性大小，結(jié)合各指標改善的可能性和可操作性，設(shè)定5種耕地質(zhì)量建設(shè)的理想情景：情景1，土地平整工程全面開展，耕地坡度均≤2°；情景2，農(nóng)田水利建設(shè)大力推進，農(nóng)田灌溉用水能充分滿足作物生長需求；情景3，多種舉措并舉，指標區(qū)糧食產(chǎn)量提升幅度較全省高2.5%；情景4，豫東平原區(qū)排水條件顯著改善，無澇災(zāi)風(fēng)險；情景5，上述4種情景中的參數(shù)同時提升。因生產(chǎn)潛力無法改變、土壤類因素改變較困難，故未設(shè)定相關(guān)情景。模擬結(jié)果見表4、圖5。

由表4、圖5可知，各模擬情景下2個指標區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力的4個模擬指標均有提升，但提升幅度有顯著差別。多個參數(shù)同時提升情景（情景5）下， 2個指標區(qū)各模擬指標提升幅度均最高。 單個指標提升情景下，太行山前區(qū)各模擬情景下指標提升幅度順序為情景2gt;情景3gt;情景1，即灌溉條件的改善對該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升的影響程度最高，其次是糧食產(chǎn)量的提升，耕地坡度的改善對各模擬指標提升的影響程度最低；而豫東區(qū)為情景3gt;情景2gt;情景4gt;情景1，即糧食產(chǎn)量的提升對該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升的影響程度最高，其次是灌溉條件的改善，再次是排水條件的改善，耕地坡度的改善對各模擬指標提升的影響程度最低。

對2個指標區(qū)分等參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)太行山前區(qū)有28%的耕地?zé)o灌溉，作物生長需水無法保障，16%的耕地灌溉條件一般，僅能部分滿足作物生長的用水需求，僅有56%的耕地灌溉設(shè)施相對較好；而豫東區(qū)所有耕地均具有灌溉條件，其中94%的耕地灌溉設(shè)施相對較好，能夠充分或基本滿足作物生長的用水需求。因此，灌溉條件的改善可以顯著改善太行山前區(qū)的耕地質(zhì)量、糧食產(chǎn)能，并能顯著提高農(nóng)田固碳能力和固碳量；而對豫東區(qū)的4項模擬指標雖然也有明顯提升，但幅度遠小于太行山前區(qū)。

糧食產(chǎn)量方面，豫東區(qū)作為河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，無論是作物產(chǎn)量還是播種面積均高于太行山前區(qū)，因此在情景3兩區(qū)作物產(chǎn)量提升幅度相同的情況下，因前者產(chǎn)量基數(shù)較大，故作物產(chǎn)量的絕對增幅大于后者，使得該區(qū)固碳強度和固碳量顯著提升，提升幅度遠大于太行山前區(qū)。

與其余參數(shù)相比，坡度對2個指標區(qū)各模擬指標提升的貢獻度均最不明顯，對2個指標區(qū)耕地坡度進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)目前豫東區(qū)僅有不足0.5%的耕地坡度gt;2°，99.5%以上的耕地為平地，說明該指標區(qū)現(xiàn)有耕地基本實現(xiàn)了平整，有坡度的耕地面積極小，造成耕地坡度的改變對該區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力提升幅度影響不明顯；太行山前區(qū)坡度≤2°的耕地占81%，19%的耕地坡度gt;2°～6°，10%的耕地坡度在6°以上，坡度改善后善耕地質(zhì)量和固碳能力的提升幅度顯著高于豫東區(qū)，但由于坡耕地面積占比僅為19%，固碳對耕地質(zhì)量和固碳能力的改善程度相對較小。

豫東平原區(qū)排水條件的改善也會對耕地質(zhì)量和固碳能力產(chǎn)生顯著影響，且對固碳能力的影響程度遠高于對耕地質(zhì)量的影響。

3.2 高固碳目的下不同區(qū)域耕地質(zhì)量建設(shè)重點內(nèi)容

高標準農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治等耕地質(zhì)量建設(shè)工程被認為是可以短時間內(nèi)顯著改善耕地質(zhì)量、提高耕地產(chǎn)能的有效途徑［7，11］。根據(jù)相關(guān)性分析和情景模擬結(jié)果，多個與農(nóng)田固碳能力顯著相關(guān)的耕地質(zhì)量評價指標對耕地質(zhì)量及其固碳能力均有較大的影響，可以此為基礎(chǔ)制定不同指標區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)項目的重點建設(shè)內(nèi)容，通過項目實施可以實現(xiàn)耕地質(zhì)量的提升，更能增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。2個指標區(qū)對固碳能力的顯著影響指標和影響程度各不相同，因此在提高耕地固碳能力的目的下，兩區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點建設(shè)內(nèi)容有相同之處，但也各有側(cè)重。

太行山前區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程。第一，重點應(yīng)聚焦在農(nóng)田灌溉工程上，并改變傳統(tǒng)的灌溉模式，實施規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉技術(shù)，除了可以在節(jié)水的前提下完全滿足作物生長需水要求外，還可以顯著提高作物產(chǎn)量［20］、改善局部生態(tài)環(huán)境［21］、減少灌溉能源投入［22］，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、高效、節(jié)能、低碳、高產(chǎn)的目標。第二，要采用多種措施提高作物產(chǎn)量，農(nóng)作物產(chǎn)量的提升有多種途徑，如良種培育，科學(xué)的農(nóng)田管理措施，規(guī)模種植，智能高效的灌溉和施肥，完善政府補貼、收購和農(nóng)業(yè)保險政策，提高農(nóng)民種糧積極性等。耕地坡度的改善雖然在3個單指標模擬情景中對耕地質(zhì)量和固碳能力的提升幅度最小，但也能對耕地質(zhì)量和固碳能力產(chǎn)生顯著影響。因此，土地平整工程也可以作為該區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)較重要的措施。

豫東平原區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點方向應(yīng)首先在作物產(chǎn)量提升工程，其次是農(nóng)田灌溉，最后還需要重點開展農(nóng)田排水工程，推廣暗管排水技術(shù)，以提高排水效率，減少澇漬脅迫，進而提升作物產(chǎn)量和耕層固碳速率。

4 結(jié)論

第一，研究區(qū)45個縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)為碳匯，2021年耕地總固碳量為1 343.65萬t。豫東平原區(qū)固碳強度為2.31 t/hm2，低于燕山太行山山前平原區(qū)的2.58 t/hm2，但由于前者耕地面積較大，故總固碳量高于后者，分別為1 004.61萬、339.04萬t。第二，兩區(qū)耕地質(zhì)量等別和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力之間均存在顯著線性相關(guān)性，豫東區(qū)兩者的線性回歸模型斜率高于太行山前區(qū)，反映出與太行山前區(qū)相比，該區(qū)內(nèi)耕地質(zhì)量的改變會引起更大幅度的固碳能力改變；豫東區(qū)和太行山前區(qū)耕地質(zhì)量等別分別為7.91、8.96等時，耕地碳吸收和碳排放達到平衡，等別優(yōu)于平衡點時，耕地碳吸收量大于碳排放量，表現(xiàn)為碳匯，反之為碳源。第三，兩區(qū)多個耕地質(zhì)量評價因素與農(nóng)田固碳能力間存在顯著相關(guān)關(guān)系，具體指標及影響程度既有相似之處，又各有差別；通過情景模擬對豫東區(qū)耕地質(zhì)量和固碳能力影響顯著的指標，依次為反映作物產(chǎn)量水平的利用系數(shù)、灌溉保證率、排水條件，而太行山前區(qū)依次為灌溉保證率、利用系數(shù)、地形坡度。第四，可以采取耕地質(zhì)量建設(shè)措施實現(xiàn)耕地質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的共同提升，建議太行山前區(qū)耕地質(zhì)量建設(shè)工程的重點方向應(yīng)依次為農(nóng)田灌溉工程、作物產(chǎn)量提升工程、土地平整工程；豫東區(qū)則依次為作物產(chǎn)量提升工程、農(nóng)田灌溉工程、農(nóng)田排水工程。

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