耕地质量影响因素区域差异分析及提升途径研究——以河南省新郑市为例

谢晓彤，朱嘉伟

（河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002）

耕地质量影响因素区域差异分析及提升途径研究
——以河南省新郑市为例

谢晓彤，朱嘉伟

（河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002）

研究目的：分析研究影响耕地质量的主要障碍因素及其区域差异，明确不同区域耕地质量提升的主要途径和重点建设内容，以提高耕地质量提升工程建设的针对性和实效性。研究方法：相关分析法，主成分分析法，聚类分析法。研究结果：（1）土壤质地、有机质、全氮、速效磷、速效钾、灌溉率是影响耕地质量的主要因素，与粮食单产间均呈线性正相关关系，影响因素相互间也有影响，存在着显著的相关关系；（2）单产影响因素的重要性存在明显差异，其重要性序次为：灌溉率、速效磷、全氮、有机质、速效钾、土壤质地，重要性系数分别依次为0.188、0.179、0.173、0.167、0.156、0.136；（3）新郑市的耕地可划分为3种类型的整治区，不同类型区的耕地质量及其影响因素差异明显，丘岗地区的耕地质量最差，是农田整治的重点区，主要障碍因素是灌溉率低、土壤肥力差。研究结论：新郑市不同区域耕地质量提升的主要途径不同，丘岗地区和砂土平原区主要是提高农田灌溉率和培肥土壤，山前平原区主要是提高土壤磷肥肥力。

土地整治；耕地质量；主成分分析；农田整治分区；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

长期以来，中国土地管理偏重数量管理，而忽视质量、生态管理，降低了土地管理效果[1]。自“十二五”开始，中国土地整治的目标任务发生了战略性转变，由补充耕地为主转变为增加耕地数量、提高耕地质量和改善生态环境并重，全面提高土地利用率和产出率[2]。这一转变不仅完善了土地整治的内涵，强化了对耕地功能认知的科学性，也使耕地保护工作由片面走向全面，是适宜开垦的耕地后备有限的形势下，提高粮食综合生产能力、保障国家粮食安全的客观需要[3]。《全国土地整治规划（2011—2015年）》、2015年国务院印发的《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》、2016年12月23日国务院批复同意的《全国土地整治规划（2016—2020年）》均将“提升耕地质量”作为农用地整理和高标准农田建设的首要目标任务[3-5]，明确要求经整治的基本农田质量平均要提高1个等级，以提升耕地粮食生产能力。

全面提升耕地质量已成为当今耕地保护的重要内容，但提升耕地质量的途径与措施仍在探索中。长期以来，土地整治潜力研究一直是土地整治研究的热点，但是传统的潜力评价研究主要是新增耕地数量潜力的评价研究[6-8]，并未考虑土地整治在提高生产能力和改善生态环境方面的潜力。随着生态文明建设上升为国家战略，涉及耕地质量的潜力评价和耕地粮食产能提升潜力的评价才受到人们的关注[9-13]，但是评价的目的主要是服务于土地整治规划，对整治区耕地质量提升途径和整治工程建设重点的研究仍然匮乏[14]。影响耕地质量和粮食产能的要素包括气候、地形地貌、土壤、农田基础实施条件和生态等多个方面[15]，中国农业资源领域的学者先后在此方面开展过大量的分析研究工作[16-20]，国土资源部发布的《高标准基本农田建设标准》从土地平整、灌溉与排水、田间道路、农田生态及其他5个方面明确了高标准基本农田建设的具体内容[21]，但是中国地域辽阔，不同区域自然禀赋和经济社会发展情况各不相同，影响耕地质量的障碍因素也因地而异各不相同，因此提升耕地质量的途径和高标准基本农田建设的重点内容应因地制宜、因时制宜，根据不同区域存在的具体问题实施“差别整治”[22]，不能一概而论。消除障碍是提升耕地质量和产能的根本途径[23]，目前在中国偏重于“实体形态”的农田整治已取得巨大成效的形势下，影响耕地质量的障碍因素已发生巨大的地域分化，农田整治的任务已由全面建设跨入巩固、完善、提高阶段，消除“隐形障碍”阶段，分析诊断影响耕地质量和产能的障碍因素及其区域差异，是查漏补缺，有针对性的分区确定耕地质量提升途径和高标准基本农田建设重点内容的基础性工作，是提高农田整治工作成效的关键所在。河南省新郑市是国土部土地利用野外科研观测基地区之一，河南省土地整治技术推广应用试验区和高标准基本农田建设示范区，本文以新郑市为例，在对影响耕地质量因素进行定量分析的基础上，依据影响耕地质量因素的区域差异，对新郑市的农田进行了整治分区，明确了不同区域影响耕地质量和产能的主要障碍因素，提出了不同类型农田整治区耕地质量提升的关键途径和高标准基本农田建设的重点内容，对增强高标准基本农田建设工作的针对性，保证耕地质量提升工程建设取得实效意义重大。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

新郑市位于河南省中部，北邻省会郑州市，隶属于郑州市管辖。全市辖12个乡（镇），329个行政村，总人口70.64万人。全市土地总面积为8.85×104hm2，其中：农用地面积6.51×104hm2，占土地总面积的73.54%；农用地中耕地面积为5.37×104hm2，占土地总面积的60.65%。

新郑市地处河南东平原与西部山地的过度地带，地貌类型复杂多样，山地、丘陵、岗地和平原兼有，素有“中原缩影”之称。西南部和西北部丘岗地区及中部山前冲积平原区，土壤质地为壤土，成土母质为坡积物和山前冲洪积物；京广铁路以东的东部地区为黄河泛滥冲积平原区，属黄淮平原的西北边缘部分，其中分布有沙丘岗地，平原区土壤质地以砂壤土为主，沙丘岗地区土壤质地以细砂土为主，成土母质为黄河泛滥冲积粉细砂及砂质粘土。农田区细砂土、砂壤土、壤土面积占农田区的比例分别为15.9%、39.8%和44.3%。区内气候为暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量699.8 mm，多年平均气温14.2 ℃，光热条件适宜多种农作物生长，为河南省粮食生产核心区，2014年粮食总产量为27.31×104t。

2.2 数据来源

本文采用数据来源于2012年新郑市耕地地力评价项目。各乡镇的土壤质地、有机质、全氮、有效磷、速效钾、农田灌率、粮食单产等数据，为全市6741个调查样点调查分析结果的面积加权统计平均值。其中：土壤质地分为壤土、砂壤土、细砂土3类，壤土比例为壤土面积占耕地面积的比例，砂土比例为砂壤土和细砂土面积占耕地面积的比例；粮食单产为小麦—玉米标准粮单季产量，具体如表1所示。

表1 新郑市粮食单产及单产影响因素Tab.1 Grain yield and its factors in Xinzheng County

3 单产影响因素分析

3.1 影响因素与单产间相关性分析

土壤质地、土壤肥力、农田灌溉率是影响耕地质量和粮食单产的主要影响因素[17-21]。运用SPSS 19.0软件对壤土比例、有机质、全氮、速效磷、速效钾、灌溉率6个变量与粮食单产（表1）间进行相关分析，计算得变量与单产及变量间的相关系数矩阵如表2所示（表中Y、x1、x2、x3、x4、x5、x6分别代表粮食单产、壤土比例、有机质、全氮、速效磷、速效钾、灌溉率，以下图文皆同）。由表2可看出，壤土比例、有机质、全氮、速效磷、速效钾、灌溉率与单产间均呈正线性相关关系，但是，相关程度差异较大，相关系数R为0.447—0.845之间，其中，土壤速效磷含量与单产间呈高度相关关系（图1），相关系数R＞0.8；其它因素与单产间的相关系数R介于0.4—0.8之间，呈中度相关关系，土壤质地与单产间的相关程度较差，相关系数R为0.447（图2）。

表2 影响因素与单产间及影响因素相互间相关系数矩阵Tab.2 The correlation coeffcient matrix of factors and grain yield

图1 单产与速效磷间线性相关关系图Fig.1 Scatter diagram of grain yield with available phosphorus

图2 单产与土壤质地间线性相关关系图Fig.2 Scatter diagram of grain yield with soil texture

3.2 影响因素间相关性分析

由表2可看出，影响单产的变量间并不是相互独立的，其间存在着一定的相关关系，但是，其间的相关程度存在着显著差异。

（1）土壤肥力与土壤质地间的相关性：各乡镇壤土所占的比例可表征其土壤质地情况，由表2可看出，除速效磷外，土壤有机质、全氮、速效钾与土壤质地间呈高度正线性相关关系，相关系数R介于0.785—0.850，而且土壤有机质、全氮、速效钾相互间也呈高度正线性相关关系，相关系数R介于0.779—0.921，反映了壤土的肥力总较肥沃，砂质土壤的肥力总体较贫瘠的特点，说明土壤质地对土壤肥力的制约明显，土壤质地是土壤肥力的障碍因素之一。土壤速效磷与土壤质地间相关性不明显，相关系数R为0.146，与土壤有机质、全氮、速效钾间相关性也较弱，相关系数R介于0.363—0.451，说明区内土壤质地对土壤速效磷的制约不明显，土壤速效磷的肥力高低可能主要取决于施肥。

（2）土壤肥力与农田灌溉率间的相关性：由表2可看出，土壤肥力与农田灌溉率间呈中度正线性相关关系，相关系数R介于0.512—0.665之间，说明农田灌溉可改变土壤质地、物化性质，有利于土壤肥力的不断提高。

3.3 单产影响因素重要性（主成分）分析

影响粮食单产的因素众多，从统计学的角度要求所研究和引入的变量其相互间是独立的、重要的、对研究对象的影响是显著的，而实际上各变量间是难以完全独立的，期间会存在着不同程度的相关关系，由表2可看出，土壤肥力各指标之间、土壤肥力与土壤质地之间、土壤肥力与农田灌溉率之间均存在着不同程度的相关关系，为了剔除变量间相关性包含的冗余信息，同时为了定量化研究变量对研究对象（土壤质量或单产）的重要性及其差异，需要对众多变量进行主成分分析，通过降维提取出尽可能反映原来变量信息的相互独立的主分量，以清晰反映变量对研究对象的影响。主成分分析结果与样本的方差密切相关，由于不同变量的量纲或单位不同，变量取值差异悬殊，将掩盖变量的重要性，因此需首先对变量进行标准化处理，将不同变量的取值转化为同一数量级的无量纲变量。对表1中数据进行无量纲标准化处理，处理结果如表3所示。

表3 粮食单产及影响因素数据标准化值Tab.3 The standardized data of grain yield and its determinants in Xinzheng County

采用SPSS 19.0软件对表3中数据进行计算，得到不同主分量的方差及方差贡献率如表4所示。方差分解所提取的主成分信息一般需要满足特征值大于1且方差累计贡献率大于85%两项条件[24]，由表4可看出，第一主成分（F1）、第二主成分（F2）对应的特征值分别为4.232、1.007，均大于1，且F1和F2两个主成分分量的累计贡献率为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响因素的信息，丢失的信息量很少，故原始变量对单产的影响可由提取的F1、F2主成分所替代，其他分量信息可不予考虑。

运用SPSS 19.0软件计算得前两个主成分F1和F2的载荷矩阵如表5所示，载荷矩阵显示了变量在主成分中的相对重要性的大小，用初始因子载荷数据除以主成分F1、F2相对应的特征值（表4）的开平方根，则得到F1、F2两个主成分中各个初始变量（因子）所对应的载荷系数（表5），各个主成分的载荷系数平方和为1，则由表5数据可得到第一主成分（F1）和第二主成分（F2）的分量构成如下：

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

表5 主成分初始因子载荷及载荷系数Tab.5 The load data and its coeffcients of initial factors

由式（1）和式（2）可计算得新郑市各乡镇的F1和F2值。在F1、F2与粮食单产散点图上（图3、图4）可看出：F1、F2值与粮食单产间均呈正线性相关关系，相关系R分别为0.715、0.507，F1与单产的线性相关程度高于F2，由于F1、F2值与粮食单产间均呈正相关关系，说明其对单产的影响都是正向的，因此依据各原始变量在F1、F2中的载荷系数（表5）和F1、F2主分量的贡献率（表4），可计算得x1、x2、x3、x4、x5、x6对单产的影响权重系数分别为0.136、0.167、0.173、0.179、0.156、0.188（表5），由此可得出新郑市各因素对耕地质量影响的重要性排序依次为：农田灌溉率、速效磷、全氮、有机质、速效钾、土壤质地。

图3 单产与第一主成分间线性相关关系图Fig.3 Scatter diagram of grain yield with F1

图4 单产与第二主成分间线性相关关系图Fig.4 Scatter diagram of grain yield with F2

4 农田整治分区及分区建设重点

4.1 Q型聚类分析法分区

以乡镇作为分类单元，在各乡镇的耕地质量影响因素x1、x2、x3、x4、x5、x6及单产构成的n维空间内，各乡镇可视为n维空间内的一个点，采用距离系数法可计算出各乡镇间的距离系数，计算公式如下：

式（3）中，dik为乡镇i与乡镇k间的距离系数；xjk、xji分别为乡镇k、乡镇i的j变量标准化值。

采用表3中各乡镇变量的标准化值，应用式（3）计算得研究区各个乡镇间的距离系数如表6所示。依据表6中各乡镇间的距离系数，采用Q型聚类分析法可绘制出各乡镇间的距离系数谱系图（图5），根据图5可将新郑市12个乡镇的耕地划分为3种类型区，城关镇、梨河镇、观音寺镇、辛店镇、新村镇5个乡镇为一类区，为山前冲积平原高等地区；龙湖镇、郭店镇、孟庄镇3个乡镇为一类区，为丘岗地低等地区；和庄镇、八千乡、龙王乡、薛店镇4个乡镇为一类区，为砂土平原中等地区。

表6 新郑市各个乡镇间的距离系数矩阵Tab.6 The distance coeffcient matrix of the villages of Xinzheng County

4.2 耕地质量提升途径及分区建设重点

依据聚类分析结果，研究区可划分为三类农田整治区，即：山前冲积平原高等地区、丘岗地低等地区、砂土平原中等地区，不同类型区耕地质量特点及单产水平如表7所示。

（1）山前冲积平原高等地区：包括城关、梨河、观音寺、辛店、新村5个乡镇，位于山前冲积平原区，土壤质地、土壤肥力、农田灌溉率总体较高，单产水平较高，高于河南省平均水平。农田灌溉率、土壤速效磷是影响该区耕地质量和单产水平最为重要的因素，虽然该区土壤肥力和农田灌溉率总体较高，但是还有近40%的农田未得到灌溉，辛店镇、新村镇农田灌溉率仅为32.86%和25.09%，土壤速效磷的含量仅为12.10 和12.73 mg/kg，远低于区内的平均水平，导致粮食单产水平比区内的观音寺镇低91.59—128.91 kg/亩。因此，该区耕地质量提升的主要途径为：对耕地相对较低的辛店镇、新村镇，一是要增施磷肥培肥土壤，二是要加强农田灌溉工程建设，提高农田灌溉能力，高标准基本农田建设重点将项目区的农田全部建设为灌溉田，为防治浅层地下水超量开采，可通过推广应用节水灌溉技术和非充分灌溉技术，以扩大农田灌溉面积，提高农田灌溉率；对耕地质量较好的城关、梨河、观音寺要做到永养结合，防治土壤地力下降，完善修复农田灌溉设施。

图5 新郑市各乡镇间的距离系数谱系图Fig.5 The tree diagram of the distance coeffcient of the villages of Xinzheng County

（2）丘岗地低等地区：包括龙湖、郭店、孟庄3个乡镇，位于丘岗地区，区内砂土地比例较高，土壤肥力、农田灌溉率总体均低，单产水平低，平均仅为202.67 kg/亩，仅为高产区的49.54%，该区是农田整治的重点区。耕地质量提升途径为：采取全面综合整治措施，加强高标准梯田建设，通过提高农田灌溉率、培肥土壤等途径提高耕地质量和粮食单产水平。高标准基本农田建设工程重点，一是加强土地平整工程，建设高标准梯田和土壤水库，提高农田降水就地入渗拦蓄能力，缓解干旱；二是加强小型蓄水工程建设，提高灌溉水源保证程度，确保作物关键期灌水需求，通过推广应用节水灌溉技术、非充分灌溉技术，全面提高农田灌溉率；三是推广秸秆还田，改善土壤质地，提高土壤有机质含量，提高土壤保水保肥能力；四是增施复合肥，尤其是加强磷肥增施力度，全面提高土壤肥力，改善土壤磷肥肥力严重低下的现状。

表7 新郑市不同类型农田整治区粮食单产及影响因素统计结果Tab.7 The statistical data of grain yield and the factors affecting which in different areas in Xinzheng County

（3）砂土平原中等地区：包括和庄、八千、龙王、薛店4个乡镇，位于黄河冲积砂土平原地区，区内土壤质地为细砂土和砂壤土，土壤质地差，保水保肥能力差，土壤肥力、农田灌溉率总体较低，单产水平较低，也是农田整治的重点地区之一。耕地质量提升主要途径为：采取全面综合整治措施，通过提高农田灌溉率、培肥土壤等途径提高耕地质量和单产水平。高标准基本农田建设工程重点，一是加强农田灌溉工程建设和推广应用节水灌溉技术、非充分灌溉技术，全面提高农田灌溉率；二是推广秸秆还田，改善土壤质地，提高土壤保水保肥能力；三是增施复合肥，改善土壤有机质、速效钾含量偏低的现状。

5 结论

（1）相关分析法、主成分分析法与聚类分析法相结合，可用于耕地质量影响因素诊断、影响因素重要性评价及农田整治类型区划分等工作，该项工作是分区确定耕地质量提升主要途径和农田整治工程建设重点的基础性工作，对增强高标准基本农田建设工作的针对性，提高工作成效意义重大。

（2）土壤质地、有机质、全氮、速效磷、速效钾、灌溉率是影响新郑市耕地质量和粮食产能的主要因素，与粮食单产间均呈线性正相关关系；影响因素相互间也存在着一定的相关关系，除速效磷与土壤质地间相关性不明显外，土壤肥力指标与土壤质地、农田灌溉率间均呈显著的正相关系数。

（3）各因素对耕地质量影响的重要性存在一定差异，主成分分析法计算得新郑市单产影响因素的重要性序次由高到低依次为：农田灌溉率、速效磷、全氮、有机质、速效钾、土壤质地，其权重系数分别依次为0.188、0.179、0.173、0.167、0.156、0.136。

（4）依据新郑市耕地质量现状，全市12个乡镇的耕地可划分为3种类型区，不同类型区的耕地质量及其影响因素差异明显，丘岗地区的耕地质量最差，土壤肥力差、灌溉率低是主要障碍因素；山前平原区质量最好，但是土壤速效磷含量低；砂土平原区耕地质量介于二者之间，主要障碍因素与丘岗地区类似。耕地质量提升的主要途径及高标准基本农田建设工程重点因地而异，高标准基本农田建设工作的重点内容不能一刀切，应依据耕地质量主要影响因素的不同实施“差别化整治”。

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（本文责编：王庆日）

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

国土资源部公益性行业科研专项课题“水资源约束条件下的高标准基本农田建设技术研究”（201411022-03）。

谢晓彤（1991-），女，河南郑州人，硕士研究生。主要研究方向为土地整治。E-mail: xietong.0120@163.com

朱嘉伟（1963-），男，河南淅川人，博士，副教授。主要研究方向为土地资源调查评价与规划。E-mail: Zhujw686@163.com