黃土高原區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以陜西省延川縣為例

陳文廣, 孔祥斌, 廖宇波, 王 軒, 宋福生, 溫良友, 張蚌蚌

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193; 2.自然資源部 農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193; 3.延川縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 陜西 延安 717200; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

耕地是氣候、土壤、地貌、權(quán)籍、利用和基礎(chǔ)設(shè)施等要素綜合作用而形成的以種植農(nóng)作物為主的土地利用類型，是最寶貴的農(nóng)業(yè)資源和最重要的生產(chǎn)資料，是維護(hù)國(guó)家糧食安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是實(shí)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(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)快速發(fā)展，但也出現(xiàn)了耕地利用非農(nóng)化、非糧化、破碎化、低效化等問題[5-6]，耕地?cái)?shù)量不斷減少，質(zhì)量下降嚴(yán)重[7-8]。2017年提出的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》(中發(fā)〔2017〕4號(hào))強(qiáng)調(diào)要著力加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)。耕地質(zhì)量作為耕地保護(hù)的重要組成部分，是保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要基礎(chǔ)[9]，因此，如何科學(xué)選取指標(biāo)進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)、掌握耕地資源本底狀況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)耕地資源可持續(xù)利用、國(guó)家糧食安全和國(guó)家對(duì)耕地資源管理的目標(biāo)，對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了新的、更高的要求。

隨著人類社會(huì)需求的多樣化轉(zhuǎn)變，國(guó)家對(duì)耕地質(zhì)量管理需求發(fā)生了深刻變化，耕地質(zhì)量的概念和內(nèi)涵也在不斷豐富和發(fā)展[9-11]。當(dāng)前對(duì)于耕地質(zhì)量的認(rèn)知存在自然屬性、自然—經(jīng)濟(jì)雙重屬性以及多重屬性的3種質(zhì)量觀[12]，學(xué)者主要從自然質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)質(zhì)量、耕作條件、生態(tài)質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等方面界定耕地質(zhì)量?jī)?nèi)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(gòu)建耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[18-22]，極大地豐富了耕地質(zhì)量的內(nèi)涵與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。原農(nóng)業(yè)部頒布的《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》、《耕地質(zhì)量等級(jí)》、《耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)辦法》等規(guī)程，原國(guó)土資源部頒布的《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》、《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》、《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》、《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)評(píng)價(jià)規(guī)范》等規(guī)程和原環(huán)境保護(hù)部頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)程分別從耕地地力和土壤環(huán)境質(zhì)量[13]、耕地生產(chǎn)能力[23]、耕地環(huán)境和健康[9]等角度進(jìn)行了耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。從現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范看，各部門制定的標(biāo)準(zhǔn)只側(cè)重耕地的某個(gè)層面，致使對(duì)耕地質(zhì)量關(guān)注和管理的碎片化，無(wú)法形成監(jiān)測(cè)監(jiān)管的協(xié)同[24]；現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系已不能滿足國(guó)家對(duì)耕地精準(zhǔn)決策管理需要，不能充分反映土地整治和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工作的成效。

2017年，中共中央、國(guó)務(wù)院提出要建立健全耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)制度，完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。2018年，自然資源部在總結(jié)江西奉新縣、河北黃驊市、內(nèi)蒙古托克托縣等12個(gè)縣(市、區(qū))試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上，形成了《耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)(試用稿)》(以下簡(jiǎn)稱《試用稿》)，并應(yīng)用到黑龍江和江蘇全省的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)以及其他各省試點(diǎn)縣的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。《試用稿》綜合耕地的生產(chǎn)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(xué)系統(tǒng)、與國(guó)際體系接軌和管理體制相適應(yīng)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能較好地滿足全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)、國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略、人類社會(huì)需求和國(guó)家對(duì)耕地質(zhì)量管理的需要。但是，由于我國(guó)氣候、地貌、土壤條件復(fù)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(zhì)量特點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并驗(yàn)證《試用稿》中評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性。本研究在對(duì)黃土高原區(qū)實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，以延川縣耕地圖斑為研究對(duì)象，結(jié)合改進(jìn)前后的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行對(duì)比研究，以期為建立一套適合黃土高原區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)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(jīng)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(zhǎng)縣，西連寶塔區(qū)，南靠延長(zhǎng)縣。屬溫帶大陸性季風(fēng)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(shì)自西向東傾斜，土壤以黑壚土和黃綿土為主，區(qū)域內(nèi)土層深厚、土質(zhì)疏松，植被稀疏，是黃河中上游水土流失重點(diǎn)縣之一[25]。長(zhǎng)期的流水侵蝕導(dǎo)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(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素含量較低，土壤貧瘠。縣境降水量不足，年降水量為450～550 mm，且時(shí)空分布不均。清澗河是黃河在縣境內(nèi)的主要干流，河流總長(zhǎng)169.9 km，流經(jīng)本縣4個(gè)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(chǎn)量較低，自然災(zāi)害頻繁。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究數(shù)據(jù)包括：(1) 延川縣2016年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)，獲取田面坡度、有效土層厚度、耕層質(zhì)地、田塊狀況、灌溉保證程度、土壤侵蝕程度等數(shù)據(jù)；(2) 2019年9月實(shí)地調(diào)查和取樣的51個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，實(shí)地獲取障礙層距地表深度、土壤pH值、土體構(gòu)型和土壤蚯蚓等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室土樣化驗(yàn)獲取有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、土壤養(yǎng)分元素、土壤重金屬數(shù)據(jù)；(3) 中國(guó)海拔空間分布數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，數(shù)據(jù)類型為柵格，數(shù)據(jù)精度為30 m×30 m，并結(jié)合實(shí)地調(diào)研確定地形部位數(shù)據(jù)；(4) 部門走訪數(shù)據(jù)，獲取排水條件、灌溉水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)。田間道路通達(dá)度數(shù)據(jù)利用2016年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的道路線狀數(shù)據(jù)和耕地圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析獲取。依據(jù)陜西省延川縣2016年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)，提取18 817個(gè)耕地圖斑作為評(píng)價(jià)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(diǎn)空間分布

2 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)體系改進(jìn)

《試用稿》中確定的指標(biāo)體系融合了現(xiàn)有農(nóng)用地分等定級(jí)指標(biāo)、耕地地力指標(biāo)、土壤環(huán)境指標(biāo)和地球化學(xué)調(diào)查指標(biāo)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(gè)方面(表1)。

表1 改進(jìn)前的黃土高原區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

土壤性狀維度中，延川縣2016年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)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(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，障礙層距地表深度普遍在60 cm以上，指標(biāo)得分為100分，且《農(nóng)用地分等規(guī)程》中并未考慮該指標(biāo)，因此，剔除了障礙層距地表深度指標(biāo)。黃土高原區(qū)水土流失較嚴(yán)重，延川縣作為黃河中上游水土流失重點(diǎn)縣之一[25]，長(zhǎng)期的水土侵蝕造成土壤中有機(jī)質(zhì)和有益元素大量流失，因此，增加了土壤侵蝕程度指標(biāo)，表示土壤侵蝕發(fā)展相對(duì)階段或相對(duì)強(qiáng)度的差異，用單位面積和單位時(shí)間內(nèi)土壤的流失量來(lái)表示[26]。因此，土壤性狀維度最終保留有效土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、耕層質(zhì)地、土體構(gòu)型、土壤容重、土壤養(yǎng)分狀況、土壤pH值、土壤侵蝕程度指標(biāo)。

耕作條件維度中，田塊狀況指標(biāo)包括田塊形狀指數(shù)、田塊內(nèi)部高差和田塊規(guī)模3個(gè)因子，地形特征維度中的田面坡度指標(biāo)對(duì)田塊內(nèi)部高差有較大影響，相關(guān)系數(shù)為0.54；田塊形狀指數(shù)對(duì)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(shù)(FS)為0.13～0.53，耕地較破碎，因此，將原來(lái)的田塊狀況指標(biāo)替換為田塊規(guī)模，并增加地塊破碎度指標(biāo)。區(qū)域內(nèi)排水設(shè)施較差，但黃土高原區(qū)降雨少，且土質(zhì)疏松，自然排水能力較強(qiáng)，因此，將排水條件指標(biāo)替換為排水能力，表示農(nóng)田保證作物正常生長(zhǎng)，及時(shí)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(dá)度和耕作距離6個(gè)指標(biāo)。破碎化指數(shù)(FS)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中:MSI為地塊平均形狀指數(shù);Ji為第i個(gè)耕地地塊的周長(zhǎng)；Ai為第i個(gè)耕地地塊的面積；N為耕地地塊數(shù)量。

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

運(yùn)用層次分析法和專家打分法綜合確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)地形特征、土壤性狀和耕作條件的相對(duì)重要性構(gòu)建判斷矩陣，求取判斷矩陣的最大特征值及該特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，該特征向量即為這一層次的元素所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值[27]；再采用兩兩比較的方式確定各層次內(nèi)要素相對(duì)重要性，從而構(gòu)建判斷矩陣確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；同時(shí)結(jié)合專家打分法確定的指標(biāo)權(quán)重對(duì)層次分析法獲得的量化結(jié)果進(jìn)行修正，最終得到各指標(biāo)層的權(quán)重(表2)。

表2 改進(jìn)后的黃土高原區(qū)地形特征、土壤性狀、耕作條件維度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 地形特征、土壤性狀、耕作條件指數(shù)計(jì)算 利用指數(shù)和法，分別計(jì)算地形特征指數(shù)、土壤性狀指數(shù)、耕作條件指數(shù)。計(jì)算公式如下：

(3)

式中:G為地形特征指數(shù)；S為土壤性狀指數(shù)；T為耕作條件指數(shù)；Wi為第i個(gè)指標(biāo)權(quán)重；Fi為第i個(gè)指標(biāo)的分值；n為每個(gè)維度評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3.2 健康狀況系數(shù)計(jì)算 考慮到土壤重金屬和灌溉水環(huán)境質(zhì)量在一定的范圍內(nèi)不會(huì)使作物減產(chǎn)，但是會(huì)顯著降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、污染環(huán)境，并沿著食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康。因此，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)中的耕地健康系數(shù)(H)采用“1+X”的累加模型，即以未受到污染的耕地為基準(zhǔn)“1”，依據(jù)土壤重金屬和灌溉水環(huán)境質(zhì)量對(duì)應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行累加。

土壤重金屬污染采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中:P為土壤重金屬污染指數(shù)；Pi為土壤中重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；Oi為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)；n為土壤重金屬元素的個(gè)數(shù)。

灌溉水環(huán)境質(zhì)量采用單因子法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(6)

式中:Ki為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)；Ui為灌溉水中評(píng)價(jià)指標(biāo)i的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；Ri為灌溉水中評(píng)價(jià)指標(biāo)i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)。

2.3.3 生物特性系數(shù)計(jì)算

(7)

式中:B為生物特性系數(shù)；ai為第i個(gè)地塊生物特性綜合值。

2.3.4 耕地質(zhì)量指數(shù)計(jì)算 采用乘積法，將耕地質(zhì)量指標(biāo)分層綜合，地形特征、土壤性狀、耕作條件構(gòu)成自然質(zhì)量層，作為耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，生物特性和健康狀況作為系數(shù)修訂層，修訂自然質(zhì)量層。計(jì)算公式如下：

Q=(G+S+T)·H·B

(8)

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

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)體系改進(jìn)前

3.1.1 耕地質(zhì)量 依據(jù)2.3節(jié)的評(píng)價(jià)方法計(jì)算延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)，利用ArcGIS軟件的空間分析功能，形成耕地質(zhì)量等別空間分布圖(圖2)。

圖2 指標(biāo)體系改進(jìn)前耕地質(zhì)量等別

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)為16.82～25.55，面積加權(quán)平均值為19.09，按照《試用稿》中確定的等間距法將耕地質(zhì)量指數(shù)分為[0,25)，[25,50)，[50,75)，[75,100]4個(gè)區(qū)間，分別代表低等地、中等地、良等地和優(yōu)等地。根據(jù)延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)可知，延川縣耕地質(zhì)量有中、低2個(gè)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(shì)低平的川地；低等地面積為30 612.26 hm2，遍布于整個(gè)縣域范圍內(nèi)。

3.1.2 耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)相關(guān)關(guān)系 為驗(yàn)證耕地質(zhì)量指數(shù)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，將各耕地圖斑的耕地質(zhì)量指數(shù)與2016年耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)中的國(guó)家自然等指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，并利用線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、乘冪、多項(xiàng)式5種基本模型進(jìn)行擬合(圖3)。

由圖3可知，耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系，多項(xiàng)式模型擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)為0.80。農(nóng)用地分等是依據(jù)全國(guó)統(tǒng)一制定的標(biāo)準(zhǔn)耕作制度，以指定作物的光溫(氣候)生產(chǎn)潛力為基礎(chǔ)，通過對(duì)耕地的自然質(zhì)量、利用水平、經(jīng)濟(jì)水平逐級(jí)訂正后綜合評(píng)定耕地質(zhì)量差異[10]，評(píng)價(jià)結(jié)果可信度高。耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)是在農(nóng)用地分等基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，基于《試用稿》得出的評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較好地反映區(qū)域耕地質(zhì)量狀況。

圖3 指標(biāo)體系改進(jìn)前耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)相關(guān)關(guān)系

3.2 指標(biāo)體系改進(jìn)后

3.2.1 耕地質(zhì)量 采用上述方法確定改進(jìn)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并采用2.3節(jié)中確定的方法計(jì)算延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)，結(jié)果表明(圖4)，延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)為16.89～26.28，面積加權(quán)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(lái)看，地形特征在縣域范圍內(nèi)差異較大；耕地支離破碎、土壤有機(jī)質(zhì)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(dá)度指數(shù)在村尺度上差異較大，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平低；縣域范圍內(nèi)無(wú)土壤重金屬污染和灌溉水污染，耕地健康狀況好；區(qū)域內(nèi)生物特性指數(shù)較低。

具體而言，中等地多分布在馮家坪鄉(xiāng)、關(guān)莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、延川鎮(zhèn)和楊家圪臺(tái)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(shì)平坦的川地，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，結(jié)構(gòu)較好，且質(zhì)地為壤土，蓄水保肥能力強(qiáng)；田塊規(guī)模較大，灌溉保證程度相對(duì)較高，耕作條件較好，但是生物特性較差。低等地在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積分布，耕地田面坡度較大，有機(jī)質(zhì)含量低、質(zhì)地較差，灌溉保證程度低、田塊規(guī)模小且田間道路通達(dá)度差，生物特性較差。

3.2.2 指標(biāo)體系改進(jìn)前后耕地質(zhì)量指數(shù)對(duì)比分析 指標(biāo)體系改進(jìn)后的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果較改進(jìn)前而言，耕地質(zhì)量指數(shù)整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)(圖5)。耕地質(zhì)量指數(shù)提高的耕地面積為26 992.67 hm2，占耕地總量的87.96%，在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積的分布；造成耕地質(zhì)量指數(shù)上升的主要原因是耕地規(guī)模較好，改進(jìn)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中田塊規(guī)模指標(biāo)分值比田塊狀況指標(biāo)分值高，排水能力指標(biāo)得分較排水條件指標(biāo)得分大幅提升，近年來(lái)植樹造林工程有效減緩了土壤侵蝕，土壤侵蝕程度指標(biāo)分值較高。耕地質(zhì)量指數(shù)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(guān)莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、文安驛鎮(zhèn)、楊家圪臺(tái)鎮(zhèn)和禹居鎮(zhèn)；造成耕地質(zhì)量指數(shù)降低主要原因是新增指標(biāo)中的田塊規(guī)模小、地塊破碎化程度高。

圖4 指標(biāo)體系改進(jìn)后耕地質(zhì)量等別

圖5 指標(biāo)體系改進(jìn)前后耕地質(zhì)量指數(shù)對(duì)比

3.2.3 耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)相關(guān)關(guān)系 將各耕地圖斑的耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析可知，指標(biāo)體系改進(jìn)后的線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、乘冪、多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)均高于指標(biāo)體系改進(jìn)前(圖6)。其中，多項(xiàng)式模型的相關(guān)系數(shù)最大，為0.88，改進(jìn)后的指標(biāo)體系更能真實(shí)地反映區(qū)域耕地質(zhì)量狀況。

3.2.4 耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)歸一化值差距分析 延川縣2016年耕地質(zhì)量等別年度更新工作選取了有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、地形坡度、灌溉保證率和土壤侵蝕程度6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。全縣耕地國(guó)家自然等指數(shù)為761～1 519，分為12等、13等、14等3個(gè)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(guān)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(guān)莊鎮(zhèn)和中部的賀家灣鄉(xiāng)、馬家河鄉(xiāng)、楊家圪臺(tái)鎮(zhèn)和禹居鎮(zhèn)。

圖6 指標(biāo)體系改進(jìn)后耕地質(zhì)量指數(shù)與國(guó)家自然等指數(shù)相關(guān)關(guān)系

各成果選取的指標(biāo)和計(jì)算方法不同，導(dǎo)致結(jié)果不能直接進(jìn)行定量比較。因此在與相關(guān)成果定量對(duì)比前，需要對(duì)各成果數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化。首先采用min-max Normalization進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使結(jié)果值映射到[0，1][28]。其次，用耕地圖斑的耕地質(zhì)量指數(shù)歸一化值減去國(guó)家自然等指數(shù)歸一化值，取得差距值。再次，利用自然斷點(diǎn)法，將[0，1]劃分為5個(gè)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(jù)表3可知耕地質(zhì)量指數(shù)和國(guó)家自然等指數(shù)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(nèi)均有分布，其中，中差距主要分布在馮家坪鄉(xiāng)、關(guān)莊鎮(zhèn)、賈家坪鎮(zhèn)、馬家河鄉(xiāng)和楊家圪臺(tái)鎮(zhèn)。研究發(fā)現(xiàn)，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與2016年延川縣耕地質(zhì)量等別年度更新成果的差距除了指標(biāo)權(quán)重、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)度、田塊規(guī)模和地塊破碎度等指標(biāo)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(zhì)量指數(shù)歸一化值和國(guó)家自然等指數(shù)歸一化值差距類型及面積 hm2

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本研究結(jié)合黃土高原區(qū)實(shí)際狀況，對(duì)《試用稿》中確定的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了改進(jìn)，指標(biāo)體系改進(jìn)后的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，仍然有12.04%的耕地質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)下降，主要原因是新增指標(biāo)中的地塊破碎化程度較高，田塊規(guī)模較小，通過縱橫對(duì)比論證了改進(jìn)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系能夠更加準(zhǔn)確地反映區(qū)域耕地資源本底狀況。這套指標(biāo)體系從耕地支撐作物生產(chǎn)的保障能力評(píng)價(jià)了耕地質(zhì)量，包括地形、土壤、耕作條件、健康和生物5個(gè)維度，建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(chǔ)研究。但是，本研究采用的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法仍較為綜合，無(wú)法體現(xiàn)耕地質(zhì)量單要素特點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)該采用更加合理的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，能夠反映區(qū)域耕地質(zhì)量的要素特征。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)黃土高原區(qū)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，掌握耕地質(zhì)量時(shí)間變化趨勢(shì)并精準(zhǔn)識(shí)別耕地質(zhì)量限制因子的類型及強(qiáng)度，更好地服務(wù)于分區(qū)分時(shí)序的土地整治工作，實(shí)現(xiàn)黃土高原區(qū)耕地質(zhì)量提升、糧食安全和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。

4.2 結(jié) 論

結(jié)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(zhì)疏松、水土流失嚴(yán)重等特點(diǎn)，改進(jìn)了《試用稿》中的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：增加了地塊破碎度和土壤侵蝕程度指標(biāo)，刪去了障礙層距地表深度指標(biāo)，將田塊狀況和排水條件指標(biāo)替換為田塊規(guī)模和排水能力。改進(jìn)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更加符合黃土高原區(qū)典型特征以及研究區(qū)實(shí)際情況。

縱向?qū)Ρ戎笜?biāo)體系改進(jìn)前后的耕地質(zhì)量指數(shù)及其與國(guó)家自然等指數(shù)的相關(guān)系數(shù)可知，耕地質(zhì)量指數(shù)面積加權(quán)平均值由19.09增加到19.49，最優(yōu)相關(guān)系數(shù)由0.80增加到0.88；橫向?qū)Ρ戎笜?biāo)體系改進(jìn)后的耕地質(zhì)量指數(shù)歸一化值和國(guó)家自然等指數(shù)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(duì)比分析可知，采用改進(jìn)后的指標(biāo)體系測(cè)算的耕地質(zhì)量指數(shù)能夠更好地反映區(qū)域耕地質(zhì)量狀況。

延川縣耕地質(zhì)量指數(shù)為16.89～26.28，耕地質(zhì)量較差。延川縣包括中、低2個(gè)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(shì)低平的川地，田面坡度較小，有機(jī)質(zhì)含量高且土壤結(jié)構(gòu)好，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)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(gè)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(dá)度低，田塊較破碎，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。田面坡度、地形部位、有機(jī)質(zhì)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(zhì)量的主要限制因子。未來(lái)，應(yīng)實(shí)施土地整治工程來(lái)修復(fù)耕地質(zhì)量障礙因子，提升耕地質(zhì)量。