广东省粮食生产功能区耕地质量空间格局研究

张 桥，张育灿，李海峰，郑 超，袁宇志，郭治兴，梁雪映，郭 颖

（1.广东省耕地肥料总站，广东 广州 510500；2.广东省农业农村厅，广东 广州 510500；3.广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650）

【研究意义】耕地作为农业生产环节中难以替代的生产资料，为人类提供最基本的生存资源［1］。近年来，随着我国经济的不断发展，城镇化、工业化和农业产业化之间的用地矛盾日益突出。同时，粮食需求总量随着人口密度的增长而增加，我国耕地后备资源却不足，数量逐年减少［2］。目前，耕地数量和质量逐年下降的现象已对我国粮食安全和社会经济的健康协调发展构成了严重的威胁。在耕地数量难以满足的情况下，认识土壤的空间分布规律对于合理评价和有效利用耕地尤为重要［3］。分析广东省粮食生产功能区耕地地力等级以及土壤养分的空间格局［4］，能够为决策者开展多项农业工作提供参考依据和数据支持，如高标准农田建设、种植结构调整及合理施肥等。耕地资源的合理安排，对提高耕地生产能力进而保障我省乃至全国的粮食供给具有非常重要的意义。【前人研究进展】Mcgraw［5］通过研究明尼苏达河谷流域农田土壤养分的空间变异性，指出不考虑土壤养分空间变异性的传统测土施肥法不经济且对环境构成危害；赵越等［6］通过分析江西省泰和县土壤有机质、碱解氮、速效钾、有效磷的空间变异和影响因素，认为土壤养分结构性显著，空间聚集特征明显，受自然因素影响较大，交通、水利等影响因素较小。Yost等［7］率先将地统计分析由小尺度向大尺度转变，近年来，大范围土壤养分的空间变异性已成为土壤科学家关注的重点。White等［8］分析了全美国土壤锌的空间变异性，并绘制了其空间分布图。赵业婷等［9］利用传统统计学、地统计学的方法分析了关中区域大量元素空间分布规律，并指出土壤养分含量与自然环境（地形、海拔和气候）具有显著相关性。【本研究切入点】目前针对耕地地力等级以及土壤养分的研究已趋向成熟［10-12］。【拟解决的关键问题】本研究以广东省粮食生产功能区为研究对象，利用GIS从省级和市级尺度分析了地力等级和土壤养分的基本状况和空间分布规律，并绘制了广东省粮食生产功能区耕地地力等级和土壤养分（有机质，有效磷，速效钾）的空间格局分布图。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省位于我国南部沿海地区（20°09′～25°31′N，109°45′～117°20′E），由东向西依次与福建、江西、湖南和广西接壤，东西跨度约800 km，南北跨度约600 km，跨越多个气候带，由北向南分别为中亚热带、南亚热带和北热带。全省年均气温22.4℃，年均日照长达1 757.3 h，降雨充沛，年均降雨量达1 710.7 mm。丰富的光、热、水资源，造就了广东省优越的自然地理环境和较高的土地复种指数，不仅适宜经济作物的种植，也适合粮食作物的生长，为我国稻谷主产区之一。为保障广东省粮食自给水平和农业可持续发展，广东省农业部门以永久基本农田为基础，结合农村土地承包经营权确权登记成果、高标准农田建设等土地信息相关资料，选择集中连片、四至清晰的耕地，综合确定功能区范围。本研究提取粮食生产功能区内耕地地力评价单元图斑（图1）进行分析。

1.2 数据来源

广东省粮食生产功能区数据、广东省耕地地力等级评价单元数据由广东省农业农村厅两区办公室提供。耕地地力等级评价单元数据包括多项用于耕地地力等级评价的数据，如土壤养分等级数据（有机质、有效磷、速效钾等）、土壤理化性状（pH、土壤质地等）及耕地地力评价等等级数据。

1.3 研究方法

数据处理主要运用ArcGIS10.5及Excel2007，包括：统一耕地地力等级评价单元数据的坐标为CGCS2000；按位置提取粮食生产功能区内的耕地地力等级评价单元数据，对功能区耕地地力等级评价单元数据统计分析，空间展示，绘制广东省粮食生产功能区耕地地力等级及土壤养分的空间格局。

2 结果与分析

2.1 基本信息

2.1.1耕地地力等级 耕地基础地力较高，基本不存在障碍因素的一至三等地占比为55.01%，其中一等地占比较低为5.17%，二等地和三等地占比整体较高，分别为20.20%和29.64%；耕地所处环境气候条件基本适宜，农田基础设施条件较好，障碍因素不明显的四至六等地共占43.66%，其中四等地占比最高为26.01%，六等地占比最低为3.21%；耕地基础地力相对较差，生产障碍因素突出，并且短时间内难以改善的耕地面积比例为1.33%（表1）。综上，粮食生产功能区的耕地地力等级以三等、四等和二等为主。由于七等地（1.30%）和八等地（0.03%）占比较低，因此本研究分析均不涉及。

表1 不同地力等级耕地面积占比统计结果Table 1 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different fertility levels

从不同经济发展区划定面积较大的地级市分析，珠三角耕地地力等级以四等（31.33%）、三等（28.78%）和二等（15.36%）为主，其中肇庆市（8.28%）和惠州市（6.34%）地力等级主要为三等、四等和二等；东翼地区主要为三等（28.42%）、四等（25.6%）、二等（18.17%）和五等（17.25%），其中汕尾市主要为三等地（27.42%）、四等地（26.80%）、五等地（18.77%）和二等地（18.59%）；西翼则以三等（31.91%）、四等（26.12%）和二等（19.75%）为主，其中茂名市和湛江市地力等级主要为三等、四等和二等；山区耕地地力等级主要为三等（29.64%）、二等（25.50%）和四等（22.11%），其中清远市（16.68%）耕地地力等级以三等（32.21%）、二等（25.85%）和四等（23.37%）为主，梅州市（6.50%）则以二等（29.91%）、三等（26.14%）和四等（20.74%）为主（表2）。

2.1.2有机质含量等级 广东省粮食生产功能区三级（54.87%）、二级（24.20%）和四级（17.03%）有机质土壤面积占比达96.10%。从不同经济发展区划定面积较大的地级市分析，珠三角土壤有机质级别主要为三级（63.74%）和二级（21.01%），其中肇庆市主要为三级（63.51%）和二级（25.43%），惠州市则以三级（72.43%）和四级（21.22%）为主；东翼地区主要为三级（40.70%）和四级（39.00%），其中汕尾市有机质级别主要为三级（46.75%）和四级（34.51%）；西翼地区有机质级别主要为三级（69.32%），其中茂名市以三级（76.16%）为主，湛江市则以三级（59.51%）和四级（27.62%）为主；山区地区有机质级别主要为三级（47.97%）和二级（39.03%），其中清远市和梅州市有机质级别主要为三级和二级，占比均大于85%（表3）。

表2 各地级市不同耕地地力等级面积占比（%）统计结果Table 2 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different fertility levels in various municipalities

表3 各地级市不同有机质级别耕地面积占比（%）统计结果Table 3 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different organic matter levels in various municipalities

2.1.3有效磷含量等级 广东省粮食生产功能区二级（39.49%）、一级（31.16%）和三级（24.49%）有效磷土壤面积占比达95.14%。从不同经济发展区划定面积较大的地级市分析，珠三角地区有效磷级别主要为二级（39.49%）、三级（24.49%）和一级（31.16%），其中肇庆市以三级（51.68%）和二级（29.10%）为主，惠州市则主要为二级（46.49%）和一级（36.22%）；东翼地区有效磷级别以二级（41.71%）和三级（34.62%）为主，其中汕尾市主要为二级（44.45%）和三级（34.31%）；西翼地区主要以一级（50.75%）和二级（34.16%）为主，其中茂名市主要为一级（68.31%）和二级（28.06%），湛江市则主要为二级（49.11%）和三级（33.59%）；山区地区以二级（43.47%）和一级（34.49%）为主，其中清远市以一级（53.28%）和二级（34.69%）为主，梅州则以二级（61.49%）和三级（28.13%）为主（表4）。

2.1.4速效钾含量等级 广东省粮食生产功能区四级和五级速效钾土壤面积占比分别为42.21%和23.47%。从不同经济发展区划定面积较大的地级市分析，珠三角地区速效钾级别主要为四级（42.21%）和五级（23.47%），其中肇庆市和惠州市以四级和五级为主，面积占比均高于80.00%；东翼地区以四级（35.54%）和三级（27.87%）为主，其中汕尾市主要为四级（32.89%）和三级（28.97%）；西翼地区以四级（45.35%）和五级（28.76%）为主，其中茂名市以四级（45.42%）和五级（32.96%）为主，湛江则以四级（44.07%）、三级（26.89%）和五级（16.13%）为主；山区地区主要为四级（40.81%）、五级（22.63%）和六级（19.60%），其中清远市主要为六级（33.21%）、四级（28.11%）和五级（24.34%），梅州则主要为四级（64.32%）（表5）。

表4 各地级市不同有效磷级别耕地面积占比（%）统计结果Table 4 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different available phosphorus levels in various municipalities

2.2 空间格局

2.2.1耕地地力等级 广东省粮食生产功能区内一等地面积少且分布不均，集中分布在山区地区（41.50%）的清远市（21.82%）和梅州市中西部（12.82%）、西翼地区（24.71%）的茂名市西南部（18.26%）、东翼地区（19.74%）的汕尾市北部和南部（17.23%）。二等地在山区分布最多，占41.45%，主要集中在清远市（21.34%）和梅州市西部（9.62%）；珠三角、西翼和东翼分布面积占比基本一致，约为20.00%，集中分布在西翼茂名市西南部（15.53%）、东翼汕尾市南部（10.83%）和珠三角惠州市（8.02%）。三等、四等和五等地在整个粮食生产功能区均匀分布，各经济发展区面积占比相差较小。六等地集中分布在珠三角肇庆市（13.57%）、广州市北部（8.10%）、东翼揭阳市（15.88%）和山区河源市东北部（18.69%）（表6、图2）。

2.2.2有机质含量等级 广东省粮食生产功能区内一级有机质土壤在山区（80.62%）清远市东部（45.41%）和梅州市西部（26.52%）集中分布。二级有机质土壤集中分布在山区（52.95%）清远市（28.84%）和梅州市西部（11.73%），珠三角（21.88%）肇庆市北部（8.71%）和江门东部（6.29%），西翼（10.97%）茂名市（8.36%），东翼（14.21%）汕尾市南部（8.25%）。三级有机质土壤分布广且较为均匀，山区清远市（13.97%），西翼茂名市西部（18.97%），东翼汕尾市（10.03%），珠三角肇庆市（9.59%）、惠州市（8.38%）和江门市（5.74%）均有分布。四级有机质土壤集中分布在东翼（48.25%）汕尾市（23.85%）和揭阳市（15.22%），西翼（19.84%）湛江市中北部（9.54%）和茂名市南部（6.28%），珠三角（20.86%）惠州市中部（7.91%）、江门市西部（5.53%）和肇庆南部（5.07%）。五级和六级有机质土壤分布极少（表7、图3）。

表5 各地级市不同速效钾级别耕地面积占比（%）统计结果Table 5 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different available potassium levels in various municipalities

2.2.3有效磷含量等级 广东省粮食生产功能区一级有效磷土壤分布集中性明显，主要分布在山区（36.70%）清远市东部（28.80%），西翼（32.77%）茂名市西南部（30.26%），珠三角（20.94%）惠州市中部（7.45%）和广州市南北部（6.14%）。二级有效磷土壤分布广泛，但集中性依然显著，集中出现在山区（36.50%）清远市（14.79%），梅州市西部（10.22%），东翼（22.47%）汕尾市（13.38%），珠三角（23.64%）肇庆市北部和南部（6.16%）、江门市中东部（6.50%）。三级有效磷土壤集中分布在东翼（30.08%）汕尾市（16.65%），珠三角（32.60%）肇庆市北部和南部（17.65%）、江门市中南部（9.31%），山区（26.01%）梅州市西部（7.54%）、清远北部和南部（7.20%）。四级有效磷土壤分布较少，主要集中在东翼（42.44%）汕尾市（22.46%）和揭阳市南部（10.77%），珠三角（34.07%）肇庆市局部地区（21.88%），山区（17.65%）梅州西北部（5.38%）和清远市（5.69%）。五级和六级有效磷土壤分布极少（表8、图4）。

2.2.4速效钾含量等级 广东省粮食生产功能区一级和二级速效钾土壤分布极少，清远市和广州市出现小范围集中区域。三级速效钾土壤分布较少，集中分布在清远市（8.98%）和梅州市西部（6.41%），汕尾市南部（22.97%），潮州市

（8.11%），汕头市（6.86%）和揭阳市（1.62%）交界处。四级和五级速效钾土壤在功能区内广泛分布，珠三角肇庆市中北部和南部、茂名市西南部和湛江市北部、山区清远市和梅州市西部为主要分布地。六级速效钾土壤分布较少，在清远市东部（56.10%），汕尾市北部（7.08%）和揭阳市（7.08%）集中分布（表9、图5）。

表6 不同地力等级耕地在各地级市面积占比（%）统计结果Table 6 Statistical results of the proportions of cultivated land areas with different fertility levels in various municipalities

表7 不同级别有机质在各地级市面积占比（%）统计结果Table 7 Statistics results of the area proportions of different levels of organic matter in various municipalities

表8 不同级别有效磷在各地级市面积占比（%）统计结果Table 8 Statistical results of the area proportions of different levels of available phosphorus in various municipalities

3 讨论

3.1 耕地地力等级评价

作为土壤肥力质量、环境质量和健康质量综合反映的土壤质量，土壤质量的高低对于土壤维持生产力、环境净化能力和保障动植物健康至关重要［13］。梁金明等［14］采用模糊数学法、特尔斐法、加乘法则和等距法将中山市耕地分为高产田（42.17%）、中产田（53.72%）和低产田（4.11%）；周飞等［13］利用主成分分析法的划分结果与灰色关联度法、模糊数学法、层次分析模型等方法基本一致；丁兴民等［15］利用综合指数法（IFI）和累积曲线分级法对青岛市耕地地力进行评价并将评价结果应用于改良利用分区。本研究分析了广东省及各个地级市粮食生产功能区内耕地地力等级的基本情况，未来可探索构建耕地地力等级评价模型的不同方法对评价结果的影响，并将评价结果应用于实践反向检测评价效果。

3.2 土壤养分空间分布

土壤养分（有机质、氮、磷、钾）在土壤中的含量及其有效性是判断土壤肥力的重要依据，其空间分布特征直接影响着区域土壤肥力的高低和农业水平［16-17］。目前，空间信息技术在农业生产中的应用已经成熟，张宇军等［18］利用经典统计学方法描述了陕西省蓝田县北部黄土台塬区土壤养分的变异特征，利用GIS绘制了土壤养分的空间变异分布图；耿广坡等［19］利用“3S”技术研究了不同地形因子对土壤养分空间分布的影响；赵业婷等［20］运用GIS技术研究了土壤有机质和全氮的空间变异性、影响因素等。本研究仅在耕地地力等级图斑数据的基础上对广东省及各地级市粮食生产功能区内土壤养分的基本状况进行统计分析，未来可以探索不同因素对土壤养分空间分布的影响。

表9 不同级别速效钾在各地级市面积占比（%）统计结果Table 9 Statistical results of the area proportions of different levels of available potassium in various municipalities

4 结论

广东省粮食生产功能区地力等级及土壤养分基本情况：耕地地力等级以三等、四等和二等为主，各经济发展区面积占比存在差异；二等耕地主要出现在山区、西翼茂名市、东翼汕尾市；三等至五等地均匀分布在粮食生产功能区。土壤有机质级别以三级、二级和四级为主，其中二级集中分布在山区东部和西部、珠三角、西翼的西部；三级分布广泛且均匀。土壤有效磷级别主要为二级、一级和三级，其中一级集中分布在清远市东部、茂名市西南部、惠州市中部和广州市南北部；二级集中分布在清远市、汕尾市、揭阳市等地；三级则在汕尾市、揭阳市中南部、肇庆市北部和南部等地集中出现。土壤速效钾级别主要为四级、五级和三级，其中三级在梅州市西部、汕尾市南部及潮州市、汕头市和揭阳市交界处出现集中分布区域；四级和五级在清远市、肇庆市中北部和南部等地广泛分布。