遼寧棕壤耕地質量評價及障礙因素類型分區研究*

孫妍芳，裴久渤，張立江，汪景寬

(沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽 110866)

0 引言

耕地是人類賴以生存與發展的重要物質基礎，良好的耕地質量是保證糧食產量的關鍵[1-2]。我國以不足世界9%的耕地面積養活了近20%的人口，耕地資源緊張、人口的持續增長和食物消費水平的快速提升使得我國糧食自給問題越發受到關注[3-5]。截止2015年底，我國耕地面積1.35億hm2，耕地質量總體偏低并呈下降趨勢，耕地質量的變化正在對糧食安全構成嚴重威脅，提升耕地質量已成為我國解決糧食安全、促進農業可持續發展的一個重要手段[6-7]。然而，不同土壤類型引起的耕地基礎條件差異，加之人類活動帶來的耕地利用的差異造成了耕地質量等級變化，各耕地質量等級存在的障礙因素差異也影響了耕地質量的保護與提升，限制了耕地生產力的發揮，因此明確耕地質量障礙因素分區對減緩耕地質量下降、有針對性實施耕地質量提升措施具有重要意義。

棕壤是良好的農業土壤，集中分布在暖溫帶濕潤地區，在我國主要分布在東北地區的遼河平原(主要在遼寧省境內，占全國棕壤面積的49%)和華北地區東部的山東半島丘陵(占全國棕壤面積的34%)，是我國重要的糧食生產基地，對我國糧食安全具有重要作用。棕壤具有良好的生態條件，土壤肥力較高，土層深厚，水熱條件好。由于棕壤資源的不合理利用，棕壤失去了肥沃的腐殖質層，有機質連年下降，土壤侵蝕嚴重[8]。因此掌握棕壤耕地質量情況，了解棕壤耕地質量等級與空間分布，并對影響其質量的障礙因素進行診斷及分區合理利用，是保護并提高棕壤耕地質量切實可行的方法，有利于提高糧食產量與促進棕壤耕地資源的可持續利用。

耕地質量評價是從宏觀上摸清耕地質量的有效方法，是實施耕地質量保護與提升措施的前期工作基礎。我國耕地質量評價研究始于1996年農業部開展的耕地基礎地力調查與評價工作，隨后在研究尺度[9-11](縣域、市域、省域等)、指標的篩選[12-13]、方法的選擇[14-16]等不同方面的耕地質量評價研究在全國如火如荼地展開。這些研究豐富并促進了耕地質量評價研究的快速發展。然而，以耕地質量評價為基礎，深挖耕地質量調查與評價基礎數據應用，以影響耕地質量障礙因素識別為手段的耕地質量障礙因素分區研究還相當缺乏。現有耕地質量分區研究主要集中于高標準基本農田建設[17]、耕地可持續利用[18-20]、耕地集約利用[21]等方面，是在行政區域上定性的研究[22]，未能定量考慮耕地質量障礙因素的影響，缺乏對耕地質量障礙因素診斷與區域劃分研究[23]。障礙度模型是用來全面挖掘影響事物發展的障礙因素的數學模型，對評價目標進行病理診斷，能夠理清和挖掘出對評價目標影響的主要障礙因素。因此利用該模型對棕壤耕地質量障礙因素進行診斷識別并進而劃分障礙類型區，將為改善耕地質量與深入挖掘耕地生產潛力提供有力地信息支撐。

綜上，文章在對遼寧棕壤進行耕地質量評價的基礎上，應用障礙度模型對耕地質量各障礙因素進行診斷，將結果應用到耕地質量障礙類型區域劃分上，提出有針對性措施的耕地質量保護和提升的分區利用策略，以期為該區域耕地質量提升研究提供理論依據。

圖1 遼寧棕壤地理區位

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

遼寧省位于中國東北地區南部，即東經118°53′～125°46′，北緯38°43′～43°26′之間(圖1)，地勢大體是自北向南，自東、西兩側向中部傾斜，東部多為山地，西部多為丘陵； 東西部山地、丘陵面積約占全省土地面積的2/3，中部為東北向西南緩傾的遼河平原，面積約占全省土地面積的1/3。遼寧省棕壤主要分布于遼東山地丘陵及其山前傾斜平原、遼西山前傾斜平原和沖積平原以及遼河平原兩側的平原低階地； 此外棕壤還廣泛存在于遼西山地的醫巫閭山、松嶺山和努魯爾虎山的垂直帶中，位于褐土和淋溶褐土之上。遼寧省棕壤面積為515.17萬hm2，其中耕地面積為185.95萬hm2，占遼寧省耕地面積的37%； 占全國棕壤耕地面積的49%。屬暖溫帶濕潤、半濕潤海洋性季風氣候，夏季溫暖多雨，冬季寒冷干燥，年平均溫度4.7～10.5℃，≥10℃積溫3 138～4 035℃，無霜期125～190d，年降水量433～1 089mm，成土母質為非鈣質成土母質，地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林。遼寧棕壤具有較為典型的棕壤的形態特征。

1.2 數據來源及處理

該研究數據包括 1： 25萬比例尺的土壤圖、土地利用現狀圖、降水量圖、地貌圖、有效積溫圖、土壤質地圖等。其中土地利用現狀圖、土壤圖用于疊加生成評價單元。形成的評價單元地形條件、土壤條件、土地類型以及土地利用現狀相對一致，即內部屬性具有一致性。土壤質地圖、地貌圖用于提取評價單元信息。降水量圖、有效積溫圖從國家氣象單位獲取，用于提取評價單元信息。該文通過以上方法，在ArcGIS 9.3平臺上，最終確定4 858個評價單元，構建耕地質量評價體系，為耕地質量障礙因素計算提供依據。

耕地質量評價樣點是遼寧棕壤耕地質量評價的基礎。采樣點數據來自于遼寧省耕地地力調查與評價工作，在2005～2008年的野外調查工作中，采集大量樣品，并對農戶進行綜合調研。野外調查資料主要包括位置、氣候條件、地貌類型、成土母質、土壤類型、有效土層厚度、耕層厚度、質地、灌排條件、施肥水平及管理措施等。對采樣點進行化驗分析，測定pH、有機質、有效磷和速效鉀含量。該文根據典型性與均勻性原則，選取研究區內具有最典型、最明顯的性狀的采樣點，最終從耕地地力調查采樣點中篩選出5 578個樣點用于遼寧棕壤耕地質量評價。

表1 遼寧棕壤耕地質量評價指標體系及權重

目標層準則層指標層權重遼寧棕壤耕地質量氣候條件降水量0 1098≥10℃積溫0 1186立地條件成土母質0 0918地形部位0 1010耕層厚度0 0579剖面性狀有效土層厚度0 0620剖面構型0 0536養分狀況有機質0 0780有效磷0 0497速效鉀0 0310理化性狀pH0 0623質地0 0685土壤管理灌溉能力0 0676排澇能力0 0483

2 研究方法

2.1 耕地質量評價方法

2.1.1 評價指標體系的建立

正確地選取評價指標是科學評價耕地質量的前提。該文依據《耕地質量等級(NY/T33469-2016)》，遵循采用特爾斐法，選取氣候條件、立地條件、剖面性狀、土壤理化性狀和土壤管理6類，≥10℃積溫、年降水量、地形部位、成土母質、有效土層厚度、耕層厚度、剖面構型、有機質、有效磷、速效鉀、質地、pH、灌溉能力和排澇能力等14個評價指標組成評價指標體系(表1)。

2.1.2 評價指標隸屬函數的建立

隸屬函數的確定是評價過程的關鍵環節，評價過程需要在確定各評價因素的隸屬度基礎上，計算各評價單元分值，從而確定耕地質量等級。評價指標分為數值型和概念型指標兩大類，數值型指標包括≥10℃有效積溫、降水量、有效土層厚度、耕層厚度、有機質、有效磷、速效鉀和pH，而概念型指標包括耕層質地、灌溉能力、排澇能力、剖面構型、地形部位和成土母質。對于數值型指標，采取專家打分和特爾斐法確定指標的隸屬函數(表2)； 對于概念型指標，采用專家打分法分別賦值作為其隸屬度(表3)。對這兩類指標進行標準化處理后，確定各評價指標隸屬度及隸屬函數。

表2 數值型評價指標函數類型及其隸屬函數

函數類型項目隸屬函數C Ut 戒上型≥10℃有效積溫(℃)Y=1/[1+1 5885616250927×10-6×(U-C)2]3989 7140 3138 7 戒上型降水量(mm)Y=1/[1+1 1419246744810×10-5×(U-C)2]647 7348434 0 戒上型耕層厚度(cm)Y=1/[1+0 029432885119589×(U-C)2]29 038220 0 戒上型有效土層厚度(cm)Y=1/[1+0 000359796631731753×(U-C)2]111 819662 8 戒上型有機質(g/kg)Y=1/[1+0 00254946960366988×(U-C)2]38 85348 7 戒上型有效磷(mg/kg)Y=1/[1+0 00174737392453583×(U-C)2]41 539210 2 戒上型速效鉀(mg/kg)Y=1/[1+7 2555711556742×10-5×(U-C)2]204 643732 1 峰型pHY=1/[1+0 446183473738568×(U-C)2]7 Ut1=5 0，Ut2=8 2

表3 概念型指標的隸屬度

評價指標描述隸屬度評價指標描述隸屬度評價指標描述隸屬度地形部位平原中階1剖面構型上松下緊1成土母質沖積物、1平原低階0 85海綿型0 9黃土母質丘陵下部0 75緊實型0 8殘積物、0 8丘陵中部0 7夾層型0 7沉積物、丘陵上部0 6上緊下松0 6河湖沖沉山地坡中部0 55薄層型0 5風積物、0 5質地壤土1松散型0 4紅土母質粘壤土0 8灌溉能力滿足1排水能力滿足1粘土0 6基本滿足0 8基本滿足0 7砂土0 5不滿足0 5不滿足0 3

2.1.3 耕地質量指數計算

評價采用特爾斐法與層次分析法確定各評價因素的權重。采用特爾斐法，由專家確定各評價指標對耕地質量影響程度的順序，再使用層次分析法，建立層次結構，構造判斷矩陣，計算各指標權重(表1)。各評價指標的數據量綱與數據類型不同，只有各指標處于同一量度才能衡量對耕地質量的影響程度，定性數據和定量數據分別采用特爾斐法和采用模糊數學方法確定各評價因素計算隸屬度。應用累加法計算各評價單元的耕地質量指數(IFI)[9]，每個評價單元的耕地質量指數計算方法如下：

(1)

式(1)中，Fi表示第i個因子的指標隸屬度；Ci表示第i個指標因子的組合權重值。

2.2 耕地質量障礙類型分區

2.2.1 障礙因素診斷

在遼寧棕壤耕地質量評價的基礎上，對中低等地進行障礙因素診斷[24]，確定遼寧棕壤耕地質量障礙度。

具體方法是引入“因素貢獻率”、“指標偏離度”和“障礙度”。其中，因素貢獻率(Vij)是準則層i中單項指標j對耕地質量的影響程度，即評價體系中指標j的權重； 指標偏離度(Bij)是準則層i中單項指標j與本指標標準值的差距，即評價體系中的指標隸屬度與1(100%)的差值； 障礙度(Mij)是第i項準則層中第j項指標對耕地質量的障礙程度，即障礙因素診斷的結果。計算公式如下：

Bij=1-Aij

(2)

(3)

式(2)(3)中，Mij為指標障礙度；Bij為指標偏離度；Vij為因素貢獻率；Aij為指標隸屬度。按照等距法將指標障礙度分為無障礙(0)、輕度障礙(0%～12%)和重度障礙(>12%)3個等級[25]。

根據公式(2)(3)可得遼寧棕壤中低等地的障礙度，將每個評價單元各評價因素的障礙度按照出現面積的大小順序排列，即可獲得各評價單元影響耕地質量的障礙因素的主次關系，得出遼寧棕壤耕地質量障礙因素診斷結果。為便于研究，該文單列出障礙度指數排序前5位因素進行分析。

2.2.2 耕地障礙類型分區方法

該文關于棕壤耕地障礙類型分區的總體思路是確定中低等地各評價單元主要障礙因素的障礙度等級。對各評價單元重度障礙因素進行障礙度排序，篩選主要障礙因素與次級障礙因素，確定為“主要障礙因素—次要障礙因素”型的耕地障礙類型分區； 在只含有一個重度障礙因素，不含次要障礙因素的區域，確定為“主要障礙因素”型； 在不含重度障礙因素的區域，將評價單元的輕度障礙因素障礙度進行排序，確定為“主要障礙因素—次要障礙因素”型，也納入障礙類型分區體系中。

圖2 遼寧棕壤耕地質量評價得分累積頻率曲線

3 結果與分析

3.1 耕地質量評價結果及分析

該研究采用Excel擬合耕地質量綜合指數累積頻率曲線圖，按照《耕地質量等級(NY/T33469-2016)》，選擇曲線斜率的突變點(拐點)作為劃分綜合指數的臨界點，使用等距法對耕地質量分級(圖2)，最終將遼寧棕壤耕地質量劃分為10個等級(表4)。

表4 遼寧棕壤耕地質量等級綜合指數及分級

耕地質量等級耕地質量綜合指數(IFI)耕地質量等級耕地質量綜合指數(IFI)一等>0 856六等0 769～0 787二等0 839～0 856七等0 752～0 769三等0 821～0 839八等0 734～0 752四等0 804～0 821九等0 717～0 734五等0 787～0 804十等0 671～0 717

遼寧棕壤耕地總面積185.95萬hm2(表5)，耕地質量等級以一等地質量最好，十等地質量最差，耕地資源以五等地、六等地、七等地為主，約88.10萬hm2，占總耕地面積的47.38%； 其次為三等地、四等地和八等地，約67.25萬hm2，占總耕地面積的36.16%； 一等地、二等地、九等地和十等地最小，約30.61萬hm2，占總耕地面積的16.46%。將遼寧棕壤耕地質量等級按高等地(一、二、三等地)、中等地(四、五、六、七等地)、低等地(八、九、十等地)分析，高等地耕地面積約39.96萬hm2，占耕地面積的21.49%； 中等地耕地面積約110.05萬hm2，占耕地面積的59.18%； 低等地耕地面積約35.94萬hm2，占耕地面積的19.33%。遼寧棕壤分布區地理位置跨度廣，區域內自然條件與立地條件空間變化大，各等別耕地分布差異明顯。此外，有些相鄰地塊由于自然或人工條件差別，也存在耕地等別差異化明顯的情況。

表5 遼寧棕壤耕地質量等級面積及比例

質量等級面積(萬hm2)面積比例(%)質量等級面積(萬hm2)面積比例(%) 一等2 561 38七等27 9915 05 二等13 567 29八等21 4511 53 三等23 8412 82九等9 375 04 四等21 9611 81十等5 132 76 五等28 5515 35合計185 95100 六等31 5516 97

由圖3可知，高等地主要分布在遼河平原地區的平原低階地和遼東山區的丘陵下部，該地區地形比較平坦，陽光充足，坡度相對平緩，灌溉條件良好，河流豐富、水源充分，土壤養分含量充足，是質量較高的耕地； 中等地主要分布在遼河平原與遼西丘陵過渡區的平原低階、遼北丘陵和遼東山地的丘陵中下部，這些地區灌溉條件較差，有些區域降水不足，土壤養分含量不平衡，需要充分挖掘這部分耕地潛力，提升耕地質量； 低等地分布比較零散，在遼西丘陵、遼北丘陵和遼東山區的丘陵中部都有分布、丘陵下部也有零星分布，這些地區90%的區域灌溉條件不能滿足生產需要，土壤肥力低，需要加強農業基礎設施建設和地力培肥工作等。

3.2 障礙因素分區劃定

為進一步明確障礙因素在空間分布上的聚集特征及規模布局，確定耕地質量提升的重點區域，對遼寧棕壤耕地障礙因素進行分區。通過對3 628個中低等地地塊進行統計分析，發現3 548個地塊存在重度障礙因素， 80個地塊不存在重度障礙因素； 通過障礙因素診斷，棕壤耕地的主要障礙因素為有機質、灌溉能力、排澇能力、質地和剖面構型； 根據因素組合法，最終確定有機質、灌溉能力、質地3類共14種耕地障礙類型分區。由表6可知，具體分為有機質障礙類型區、灌溉能力障礙類型區和質地障礙類型區。其中以“有機質—灌溉能力”、“有機質”、“灌溉能力”、“有機質—質地”、“灌溉能力—有機質”5種類型耕地面積最多，占中低產田面積的92.13%，是耕地質量提升的重點區域。

表6 棕壤耕地障礙類型分區

主要障礙因素面積(萬hm2)比例(%)序號障礙類型分區面積(萬hm2)圖斑個數 有機質125 9286 451有機質20 37626 2有機質—灌溉能力93 861884 3有機質—排澇能力3 6462 4有機質—質地7 37235 5有機質—剖面構型0 6923 灌溉能力15 6710 756灌溉能力7 44345 7灌溉能力—有機質5 15174 8灌溉能力—排澇能力2 4895 9灌溉能力—質地0 5912 質地4 082 8010質地0 1915 11質地—排澇0 076 12質地—有機質2 4786 13質地—灌溉0 5227 14質地—剖面構型0 8238

圖3 遼寧棕壤耕地質量等級空間分布 圖4 遼寧棕壤耕地質量障礙類型區分布

由圖4可知，遼西地區主要以有機質障礙類型區為主，有零星質地障礙類型區分布； 遼東地區以有機質障礙類型區為主，兼有灌溉能力障礙類型區和質地障礙類型區分布。其中，有機質障礙類型區耕地面積最大，灌溉能力障礙類型區耕地面積其次，分別占遼寧棕壤中、低等地的86.45%和10.75%，這兩個障礙類型區是今后耕地質量提升工作的重點區域。

(1)有機質障礙類型區

有機質障礙類型區總面積為125.83萬hm2，占區域耕地總面積的86.38%，其中中等地面積為92.50萬hm2，低等地面積為33.33萬hm2，是中低等地中障礙面積最大、分布最廣的區域，在棕壤區均有分布。該區域包含由灌溉能力、排澇能力、質地、剖面構型為次級障礙因素的5種障礙因素組合，其中灌溉能力為次級障礙因素的耕地面積最大，為93.86萬hm2，占有機質障礙類型區耕地總面積的74.60%，分散在遼寧棕壤區。在提高耕地質量時，應首先提升土壤有機質含量，還應考慮灌排能力、質地和剖面構型，加強農田基礎設施建設，并防止水土流失。

(2)灌溉能力障礙類型區

灌溉能力障礙類型區總面積為15.64萬hm2，占區域耕地總面積的10.74%，其中，中等地面積為13.91萬hm2，低等地面積為1.74萬hm2，面積僅次于有機質障礙類型區，主要分布在遼東山地丘陵中部以北的平原低階與丘陵中下部。該區域包含由有機質、排澇能力、質地為次級障礙因素的4種障礙因素組合，其中灌溉能力為主要障礙因素，無次要障礙的耕地面積最大，為7.43萬hm2，占灌溉能力障礙類型區耕地總面積的47.53%，分散在遼東山地丘陵東部。在該區域內， 90%的耕地是中等地，耕地質量適中，通過打機井和修筑水渠，可在短時間內明顯改善耕地質量，相對容易達到較高水平。

(3)質地障礙類型區

質地障礙類型區總面積為3.99萬hm2，占區域耕地總面積的2.75%，其中中等地面積為3.13萬hm2，低等地面積為0.87 萬hm2。主要分布在遼東山地丘陵中部以北區域。該區域包含由有機質、灌溉能力、剖面構型為次級障礙因素的4種障礙因素組合，其中有機質是次要障礙的耕地面積最大，為2.47萬hm2，占灌溉能力障礙類型區耕地總面積的61.79%，分散在遼東山地丘陵區。質地均為砂土和粘壤，在生產上為避免或減輕洪澇災害，要注意開溝排水，降低地下水位，并選擇在適宜的土壤含水條件下精耕細作，以改善土壤耕性。

4 討論

(1)目前對耕地質量評價的研究主要集中在不同尺度方面，而土壤類型角度研究不足。棕壤是重要的農業土壤，具有良好的生態條件，土壤肥力高，低等地比例少，是我國重要的糧食生產基地，具有很大的經濟價值。遼寧棕壤占遼寧省總耕地面積的37%，對遼寧省的農業生產具有重要作用。但由于受東南季風、海陸位置及地形影響等，耕地質量地域性差異極為明顯，且已有文獻專門針對棕壤的研究較少，該研究針對研究區棕壤進行耕地質量評價，并分析了各等級耕地的數量和空間分布特征，掌握了遼寧棕壤的總體情況，同時也對研究特定土壤類型耕地質量進行了有益探索。

(2)前人對耕地質量障礙因素的研究多集中在以專家經驗為主的定性研究方面，而定量研究方面還相當缺乏。該文定量的探索和確定了遼寧棕壤耕地質量評價及障礙類型分區的基本思路、技術路線和具體方法步驟，從耕地質量角度出發，依據耕地質量的障礙因素組合，劃定了針對性的耕地質量保護區，并探討了基于分區結果確定的提升耕地質量的技術方法，揭示了遼寧棕壤耕地的質量等級、空間分布、障礙因素情況。耕地質量障礙類型分區是實現耕地差異化保護、有效管理耕地資源的重要保障。

(3)棕壤耕地資源與利用狀況不同，各障礙類型區應采取的技術措施的也不盡相同，明確各區域耕地質量提升方向和方式方法，并對相應分區提出利用的對策和建議，以促進耕地質量的提高。有機質障礙類型區應注重施用有機肥、種植綠肥或秸稈還田是培肥土壤、提高耕地產量的有效措施。灌溉能力障礙類型區應充分利用降水灌溉，利用防滲渠輸水、配套滴灌設施，完善節水灌溉系統、提高灌水的有效利用率。質地障礙類型區在耕作應注意采用深溝、密溝、高畦，或通過深耕和開深線溝破壞緊實的心土層以及采用暗管和暗溝排水等，以避免或減輕澇害。

5 結論

該文運用層次分析法和模糊數學法對遼寧棕壤進行耕地質量評價，掌握了遼寧棕壤耕地的數量和空間分布特征。引入障礙度模型定量化研究耕地質量的障礙因素，對耕地質量限制程度排序，劃定了耕地質量障礙類型區域。主要結論如下。

(1)遼寧棕壤耕地質量劃分為10個等級，高等地(一、二、三等地)所占比例為21.49%； 中等地(四、五、六、七等地)所占比例為59.18%； 低等地(八、九、十等地)所占比例為19.33%。其中分布在遼河平原的平原低階部位和遼東山區的丘陵下部為高等地，其他區域均為中低等地。

(2)以耕地質量評價為基礎，應用障礙度模型，對中低等地塊進行障礙度診斷，并進行障礙因素組合，最終確定了3類14種耕地質量障礙類型區，分別為有機質障礙類型區、灌溉能力障礙類型區和質地障礙類型區，面積比例分別為86.45%、10.75%和2.80%。

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