耕地質量影響因素區域差異分析及提升途徑研究
——以河南省新鄭市為例

謝曉彤，朱嘉偉

（河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002）

耕地質量影響因素區域差異分析及提升途徑研究
——以河南省新鄭市為例

謝曉彤，朱嘉偉

（河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002）

研究目的：分析研究影響耕地質量的主要障礙因素及其區域差異，明確不同區域耕地質量提升的主要途徑和重點建設內容，以提高耕地質量提升工程建設的針對性和實效性。研究方法：相關分析法，主成分分析法，聚類分析法。研究結果：（1）土壤質地、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、灌溉率是影響耕地質量的主要因素，與糧食單產間均呈線性正相關關系，影響因素相互間也有影響，存在著顯著的相關關系；（2）單產影響因素的重要性存在明顯差異，其重要性序次為：灌溉率、速效磷、全氮、有機質、速效鉀、土壤質地，重要性系數分別依次為0.188、0.179、0.173、0.167、0.156、0.136；（3）新鄭市的耕地可劃分為3種類型的整治區，不同類型區的耕地質量及其影響因素差異明顯，丘崗地區的耕地質量最差，是農田整治的重點區，主要障礙因素是灌溉率低、土壤肥力差。研究結論：新鄭市不同區域耕地質量提升的主要途徑不同，丘崗地區和砂土平原區主要是提高農田灌溉率和培肥土壤，山前平原區主要是提高土壤磷肥肥力。

土地整治；耕地質量；主成分分析；農田整治分區；河南省

Abstract:The purpose of this study is to improve the pertinence and effectiveness of land consolidation project to improve the cultivated land quality base on the analysis of regional differences of the obstacle factors towards cultivated land quality and to explore the improvement measures. The methods of correlation analysis, principal component analysis and cluster analysis are used in the study. The results show that: 1）the soil texture, organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available potassium and irrigation rate are the main factors affecting the cultivated land quality, which are correlated positively with the grain yield, whilst the factors are interacted with each other, presenting the significant correlations. 2）The importance of the factors affecting grain yield differs and the priority coefficients ofirrigation rate, available phosphorus, total nitrogen, organic matter, available potassium, soil texture are respectively 0.188, 0.179, 0.173, 0.167, 0.156, 0.136. 3）By cluster analysis, the twelve villages in Xinzheng county are divided into three types of land consolidation areas with a significant difference with each other. In the hillock area, the cultivated land quality is the worst and the main obstacle factors to grain yield are the poor soil fertility and the poor irrigation rate. In the piedmont plain area, the quality is the best but soil available phosphorus is low. In the sandy plain area, the quality is the moderate and the main obstacle factors are similar with those in the hilly area. It is concluded that the ways to improve the cultivated land quality should vary from place to place: the main way in the hillock area and sandy plain area is to improve the irrigation rate and the soil fertility, while in the piedmont plain area, phosphate fertilizer should be increased.

Key words:land consolidation; cultivated land quality; principal component analysis; farmland consolidation partition; Henan Province

1 引言

長期以來，中國土地管理偏重數量管理，而忽視質量、生態管理，降低了土地管理效果[1]。自“十二五”開始，中國土地整治的目標任務發生了戰略性轉變，由補充耕地為主轉變為增加耕地數量、提高耕地質量和改善生態環境并重，全面提高土地利用率和產出率[2]。這一轉變不僅完善了土地整治的內涵，強化了對耕地功能認知的科學性，也使耕地保護工作由片面走向全面，是適宜開墾的耕地后備有限的形勢下，提高糧食綜合生產能力、保障國家糧食安全的客觀需要[3]。《全國土地整治規劃（2011—2015年）》、2015年國務院印發的《關于加大改革創新力度加快農業現代化建設的若干意見》、2016年12月23日國務院批復同意的《全國土地整治規劃（2016—2020年）》均將“提升耕地質量”作為農用地整理和高標準農田建設的首要目標任務[3-5]，明確要求經整治的基本農田質量平均要提高1個等級，以提升耕地糧食生產能力。

全面提升耕地質量已成為當今耕地保護的重要內容，但提升耕地質量的途徑與措施仍在探索中。長期以來，土地整治潛力研究一直是土地整治研究的熱點，但是傳統的潛力評價研究主要是新增耕地數量潛力的評價研究[6-8]，并未考慮土地整治在提高生產能力和改善生態環境方面的潛力。隨著生態文明建設上升為國家戰略，涉及耕地質量的潛力評價和耕地糧食產能提升潛力的評價才受到人們的關注[9-13]，但是評價的目的主要是服務于土地整治規劃，對整治區耕地質量提升途徑和整治工程建設重點的研究仍然匱乏[14]。影響耕地質量和糧食產能的要素包括氣候、地形地貌、土壤、農田基礎實施條件和生態等多個方面[15]，中國農業資源領域的學者先后在此方面開展過大量的分析研究工作[16-20]，國土資源部發布的《高標準基本農田建設標準》從土地平整、灌溉與排水、田間道路、農田生態及其他5個方面明確了高標準基本農田建設的具體內容[21]，但是中國地域遼闊，不同區域自然稟賦和經濟社會發展情況各不相同，影響耕地質量的障礙因素也因地而異各不相同，因此提升耕地質量的途徑和高標準基本農田建設的重點內容應因地制宜、因時制宜，根據不同區域存在的具體問題實施“差別整治”[22]，不能一概而論。消除障礙是提升耕地質量和產能的根本途徑[23]，目前在中國偏重于“實體形態”的農田整治已取得巨大成效的形勢下，影響耕地質量的障礙因素已發生巨大的地域分化，農田整治的任務已由全面建設跨入鞏固、完善、提高階段，消除“隱形障礙”階段，分析診斷影響耕地質量和產能的障礙因素及其區域差異，是查漏補缺，有針對性的分區確定耕地質量提升途徑和高標準基本農田建設重點內容的基礎性工作，是提高農田整治工作成效的關鍵所在。河南省新鄭市是國土部土地利用野外科研觀測基地區之一，河南省土地整治技術推廣應用試驗區和高標準基本農田建設示范區，本文以新鄭市為例，在對影響耕地質量因素進行定量分析的基礎上，依據影響耕地質量因素的區域差異，對新鄭市的農田進行了整治分區，明確了不同區域影響耕地質量和產能的主要障礙因素，提出了不同類型農田整治區耕地質量提升的關鍵途徑和高標準基本農田建設的重點內容，對增強高標準基本農田建設工作的針對性，保證耕地質量提升工程建設取得實效意義重大。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

新鄭市位于河南省中部，北鄰省會鄭州市，隸屬于鄭州市管轄。全市轄12個鄉（鎮），329個行政村，總人口70.64萬人。全市土地總面積為8.85×104hm2，其中：農用地面積6.51×104hm2，占土地總面積的73.54%；農用地中耕地面積為5.37×104hm2，占土地總面積的60.65%。

新鄭市地處河南東平原與西部山地的過度地帶，地貌類型復雜多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼有，素有“中原縮影”之稱。西南部和西北部丘崗地區及中部山前沖積平原區，土壤質地為壤土，成土母質為坡積物和山前沖洪積物；京廣鐵路以東的東部地區為黃河泛濫沖積平原區，屬黃淮平原的西北邊緣部分，其中分布有沙丘崗地，平原區土壤質地以砂壤土為主，沙丘崗地區土壤質地以細砂土為主，成土母質為黃河泛濫沖積粉細砂及砂質粘土。農田區細砂土、砂壤土、壤土面積占農田區的比例分別為15.9%、39.8%和44.3%。區內氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量699.8 mm，多年平均氣溫14.2 ℃，光熱條件適宜多種農作物生長，為河南省糧食生產核心區，2014年糧食總產量為27.31×104t。

2.2 數據來源

本文采用數據來源于2012年新鄭市耕地地力評價項目。各鄉鎮的土壤質地、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、農田灌率、糧食單產等數據，為全市6741個調查樣點調查分析結果的面積加權統計平均值。其中：土壤質地分為壤土、砂壤土、細砂土3類，壤土比例為壤土面積占耕地面積的比例，砂土比例為砂壤土和細砂土面積占耕地面積的比例；糧食單產為小麥—玉米標準糧單季產量，具體如表1所示。

表1 新鄭市糧食單產及單產影響因素Tab.1 Grain yield and its factors in Xinzheng County

3 單產影響因素分析

3.1 影響因素與單產間相關性分析

土壤質地、土壤肥力、農田灌溉率是影響耕地質量和糧食單產的主要影響因素[17-21]。運用SPSS 19.0軟件對壤土比例、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、灌溉率6個變量與糧食單產（表1）間進行相關分析，計算得變量與單產及變量間的相關系數矩陣如表2所示（表中Y、x1、x2、x3、x4、x5、x6分別代表糧食單產、壤土比例、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、灌溉率，以下圖文皆同）。由表2可看出，壤土比例、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、灌溉率與單產間均呈正線性相關關系，但是，相關程度差異較大，相關系數R為0.447—0.845之間，其中，土壤速效磷含量與單產間呈高度相關關系（圖1），相關系數R＞0.8；其它因素與單產間的相關系數R介于0.4—0.8之間，呈中度相關關系，土壤質地與單產間的相關程度較差，相關系數R為0.447（圖2）。

表2 影響因素與單產間及影響因素相互間相關系數矩陣Tab.2 The correlation coeffcient matrix of factors and grain yield

圖1 單產與速效磷間線性相關關系圖Fig.1 Scatter diagram of grain yield with available phosphorus

圖2 單產與土壤質地間線性相關關系圖Fig.2 Scatter diagram of grain yield with soil texture

3.2 影響因素間相關性分析

由表2可看出，影響單產的變量間并不是相互獨立的，其間存在著一定的相關關系，但是，其間的相關程度存在著顯著差異。

（1）土壤肥力與土壤質地間的相關性：各鄉鎮壤土所占的比例可表征其土壤質地情況，由表2可看出，除速效磷外，土壤有機質、全氮、速效鉀與土壤質地間呈高度正線性相關關系，相關系數R介于0.785—0.850，而且土壤有機質、全氮、速效鉀相互間也呈高度正線性相關關系，相關系數R介于0.779—0.921，反映了壤土的肥力總較肥沃，砂質土壤的肥力總體較貧瘠的特點，說明土壤質地對土壤肥力的制約明顯，土壤質地是土壤肥力的障礙因素之一。土壤速效磷與土壤質地間相關性不明顯，相關系數R為0.146，與土壤有機質、全氮、速效鉀間相關性也較弱，相關系數R介于0.363—0.451，說明區內土壤質地對土壤速效磷的制約不明顯，土壤速效磷的肥力高低可能主要取決于施肥。

（2）土壤肥力與農田灌溉率間的相關性：由表2可看出，土壤肥力與農田灌溉率間呈中度正線性相關關系，相關系數R介于0.512—0.665之間，說明農田灌溉可改變土壤質地、物化性質，有利于土壤肥力的不斷提高。

3.3 單產影響因素重要性（主成分）分析

影響糧食單產的因素眾多，從統計學的角度要求所研究和引入的變量其相互間是獨立的、重要的、對研究對象的影響是顯著的，而實際上各變量間是難以完全獨立的，期間會存在著不同程度的相關關系，由表2可看出，土壤肥力各指標之間、土壤肥力與土壤質地之間、土壤肥力與農田灌溉率之間均存在著不同程度的相關關系，為了剔除變量間相關性包含的冗余信息，同時為了定量化研究變量對研究對象（土壤質量或單產）的重要性及其差異，需要對眾多變量進行主成分分析，通過降維提取出盡可能反映原來變量信息的相互獨立的主分量，以清晰反映變量對研究對象的影響。主成分分析結果與樣本的方差密切相關，由于不同變量的量綱或單位不同，變量取值差異懸殊，將掩蓋變量的重要性，因此需首先對變量進行標準化處理，將不同變量的取值轉化為同一數量級的無量綱變量。對表1中數據進行無量綱標準化處理，處理結果如表3所示。

表3 糧食單產及影響因素數據標準化值Tab.3 The standardized data of grain yield and its determinants in Xinzheng County

采用SPSS 19.0軟件對表3中數據進行計算，得到不同主分量的方差及方差貢獻率如表4所示。方差分解所提取的主成分信息一般需要滿足特征值大于1且方差累計貢獻率大于85%兩項條件[24]，由表4可看出，第一主成分（F1）、第二主成分（F2）對應的特征值分別為4.232、1.007，均大于1，且F1和F2兩個主成分分量的累計貢獻率為87.32%，大于要求的85%，因此，F1和F2分量信息可以代表所有原始影響因素的信息，丟失的信息量很少，故原始變量對單產的影響可由提取的F1、F2主成分所替代，其他分量信息可不予考慮。

運用SPSS 19.0軟件計算得前兩個主成分F1和F2的載荷矩陣如表5所示，載荷矩陣顯示了變量在主成分中的相對重要性的大小，用初始因子載荷數據除以主成分F1、F2相對應的特征值（表4）的開平方根，則得到F1、F2兩個主成分中各個初始變量（因子）所對應的載荷系數（表5），各個主成分的載荷系數平方和為1，則由表5數據可得到第一主成分（F1）和第二主成分（F2）的分量構成如下：

表4 主成分提取初始特征值Tab.4 The initial eigen values of principal component

表5 主成分初始因子載荷及載荷系數Tab.5 The load data and its coeffcients of initial factors

由式（1）和式（2）可計算得新鄭市各鄉鎮的F1和F2值。在F1、F2與糧食單產散點圖上（圖3、圖4）可看出：F1、F2值與糧食單產間均呈正線性相關關系，相關系R分別為0.715、0.507，F1與單產的線性相關程度高于F2，由于F1、F2值與糧食單產間均呈正相關關系，說明其對單產的影響都是正向的，因此依據各原始變量在F1、F2中的載荷系數（表5）和F1、F2主分量的貢獻率（表4），可計算得x1、x2、x3、x4、x5、x6對單產的影響權重系數分別為0.136、0.167、0.173、0.179、0.156、0.188（表5），由此可得出新鄭市各因素對耕地質量影響的重要性排序依次為：農田灌溉率、速效磷、全氮、有機質、速效鉀、土壤質地。

圖3 單產與第一主成分間線性相關關系圖Fig.3 Scatter diagram of grain yield with F1

圖4 單產與第二主成分間線性相關關系圖Fig.4 Scatter diagram of grain yield with F2

4 農田整治分區及分區建設重點

4.1 Q型聚類分析法分區

以鄉鎮作為分類單元，在各鄉鎮的耕地質量影響因素x1、x2、x3、x4、x5、x6及單產構成的n維空間內，各鄉鎮可視為n維空間內的一個點，采用距離系數法可計算出各鄉鎮間的距離系數，計算公式如下：

式（3）中，dik為鄉鎮i與鄉鎮k間的距離系數；xjk、xji分別為鄉鎮k、鄉鎮i的j變量標準化值。

采用表3中各鄉鎮變量的標準化值，應用式（3）計算得研究區各個鄉鎮間的距離系數如表6所示。依據表6中各鄉鎮間的距離系數，采用Q型聚類分析法可繪制出各鄉鎮間的距離系數譜系圖（圖5），根據圖5可將新鄭市12個鄉鎮的耕地劃分為3種類型區，城關鎮、梨河鎮、觀音寺鎮、辛店鎮、新村鎮5個鄉鎮為一類區，為山前沖積平原高等地區；龍湖鎮、郭店鎮、孟莊鎮3個鄉鎮為一類區，為丘崗地低等地區；和莊鎮、八千鄉、龍王鄉、薛店鎮4個鄉鎮為一類區，為砂土平原中等地區。

表6 新鄭市各個鄉鎮間的距離系數矩陣Tab.6 The distance coeffcient matrix of the villages of Xinzheng County

4.2 耕地質量提升途徑及分區建設重點

依據聚類分析結果，研究區可劃分為三類農田整治區，即：山前沖積平原高等地區、丘崗地低等地區、砂土平原中等地區，不同類型區耕地質量特點及單產水平如表7所示。

（1）山前沖積平原高等地區：包括城關、梨河、觀音寺、辛店、新村5個鄉鎮，位于山前沖積平原區，土壤質地、土壤肥力、農田灌溉率總體較高，單產水平較高，高于河南省平均水平。農田灌溉率、土壤速效磷是影響該區耕地質量和單產水平最為重要的因素，雖然該區土壤肥力和農田灌溉率總體較高，但是還有近40%的農田未得到灌溉，辛店鎮、新村鎮農田灌溉率僅為32.86%和25.09%，土壤速效磷的含量僅為12.10 和12.73 mg/kg，遠低于區內的平均水平，導致糧食單產水平比區內的觀音寺鎮低91.59—128.91 kg/畝。因此，該區耕地質量提升的主要途徑為：對耕地相對較低的辛店鎮、新村鎮，一是要增施磷肥培肥土壤，二是要加強農田灌溉工程建設，提高農田灌溉能力，高標準基本農田建設重點將項目區的農田全部建設為灌溉田，為防治淺層地下水超量開采，可通過推廣應用節水灌溉技術和非充分灌溉技術，以擴大農田灌溉面積，提高農田灌溉率；對耕地質量較好的城關、梨河、觀音寺要做到永養結合，防治土壤地力下降，完善修復農田灌溉設施。

圖5 新鄭市各鄉鎮間的距離系數譜系圖Fig.5 The tree diagram of the distance coeffcient of the villages of Xinzheng County

（2）丘崗地低等地區：包括龍湖、郭店、孟莊3個鄉鎮，位于丘崗地區，區內砂土地比例較高，土壤肥力、農田灌溉率總體均低，單產水平低，平均僅為202.67 kg/畝，僅為高產區的49.54%，該區是農田整治的重點區。耕地質量提升途徑為：采取全面綜合整治措施，加強高標準梯田建設，通過提高農田灌溉率、培肥土壤等途徑提高耕地質量和糧食單產水平。高標準基本農田建設工程重點，一是加強土地平整工程，建設高標準梯田和土壤水庫，提高農田降水就地入滲攔蓄能力，緩解干旱；二是加強小型蓄水工程建設，提高灌溉水源保證程度，確保作物關鍵期灌水需求，通過推廣應用節水灌溉技術、非充分灌溉技術，全面提高農田灌溉率；三是推廣秸稈還田，改善土壤質地，提高土壤有機質含量，提高土壤保水保肥能力；四是增施復合肥，尤其是加強磷肥增施力度，全面提高土壤肥力，改善土壤磷肥肥力嚴重低下的現狀。

表7 新鄭市不同類型農田整治區糧食單產及影響因素統計結果Tab.7 The statistical data of grain yield and the factors affecting which in different areas in Xinzheng County

（3）砂土平原中等地區：包括和莊、八千、龍王、薛店4個鄉鎮，位于黃河沖積砂土平原地區，區內土壤質地為細砂土和砂壤土，土壤質地差，保水保肥能力差，土壤肥力、農田灌溉率總體較低，單產水平較低，也是農田整治的重點地區之一。耕地質量提升主要途徑為：采取全面綜合整治措施，通過提高農田灌溉率、培肥土壤等途徑提高耕地質量和單產水平。高標準基本農田建設工程重點，一是加強農田灌溉工程建設和推廣應用節水灌溉技術、非充分灌溉技術，全面提高農田灌溉率；二是推廣秸稈還田，改善土壤質地，提高土壤保水保肥能力；三是增施復合肥，改善土壤有機質、速效鉀含量偏低的現狀。

5 結論

（1）相關分析法、主成分分析法與聚類分析法相結合，可用于耕地質量影響因素診斷、影響因素重要性評價及農田整治類型區劃分等工作，該項工作是分區確定耕地質量提升主要途徑和農田整治工程建設重點的基礎性工作，對增強高標準基本農田建設工作的針對性，提高工作成效意義重大。

（2）土壤質地、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、灌溉率是影響新鄭市耕地質量和糧食產能的主要因素，與糧食單產間均呈線性正相關關系；影響因素相互間也存在著一定的相關關系，除速效磷與土壤質地間相關性不明顯外，土壤肥力指標與土壤質地、農田灌溉率間均呈顯著的正相關系數。

（3）各因素對耕地質量影響的重要性存在一定差異，主成分分析法計算得新鄭市單產影響因素的重要性序次由高到低依次為：農田灌溉率、速效磷、全氮、有機質、速效鉀、土壤質地，其權重系數分別依次為0.188、0.179、0.173、0.167、0.156、0.136。

（4）依據新鄭市耕地質量現狀，全市12個鄉鎮的耕地可劃分為3種類型區，不同類型區的耕地質量及其影響因素差異明顯，丘崗地區的耕地質量最差，土壤肥力差、灌溉率低是主要障礙因素；山前平原區質量最好，但是土壤速效磷含量低；砂土平原區耕地質量介于二者之間，主要障礙因素與丘崗地區類似。耕地質量提升的主要途徑及高標準基本農田建設工程重點因地而異，高標準基本農田建設工作的重點內容不能一刀切，應依據耕地質量主要影響因素的不同實施“差別化整治”。

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（本文責編：王慶日）

The Analysis on Regional Differences of the Factors Affecting Cultivated Land Quality and the Improvement Paths: A Case Study of Xinzheng County, Henan Province

XIE Xiao-tong, ZHU Jia-wei
（College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China）

F301.2

A

1001-8158（2017）06-0070-09

10.11994/zgtdkx.20170622.133525

2017-01-26；

2017-06-02

國土資源部公益性行業科研專項課題“水資源約束條件下的高標準基本農田建設技術研究”（201411022-03）。

謝曉彤（1991-），女，河南鄭州人，碩士研究生。主要研究方向為土地整治。E-mail: xietong.0120@163.com

朱嘉偉（1963-），男，河南淅川人，博士，副教授。主要研究方向為土地資源調查評價與規劃。E-mail: Zhujw686@163.com